陶 濤，魏新華

(1．揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2．江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

玉米作為一種重要的糧食作物,其相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備一直受到人們的普遍關(guān)注[1-2]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)玉米脫粒機(jī)械主要有傳統(tǒng)的沖擊式玉米脫粒機(jī)、差速式玉米脫粒機(jī)和搓式玉米脫粒機(jī)[3-5]。因?yàn)榧夹g(shù)和成本的考慮，傳統(tǒng)的沖擊式玉米脫粒機(jī)依舊在國(guó)內(nèi)具有廣大的市場(chǎng)[6]。

傳統(tǒng)的釘齒式玉米脫粒機(jī)通過(guò)釘齒打擊玉米果穗，使玉米籽粒產(chǎn)生振動(dòng)和慣性力而破壞它與穗軸間的連接；在釘齒滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)下，齒側(cè)面間和釘齒頂部與凹板弧面上的搓擦作用使玉米穗與穗間、穗與凹板間產(chǎn)生搓擦，從而實(shí)現(xiàn)脫粒[7]。由于滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為700～900r/min，滾筒外緣線的速度一般為6～10m/s，從而對(duì)玉米穗損傷大，玉米籽粒破損率高[8]。為提高釘齒式玉米脫粒機(jī)在實(shí)際使用過(guò)程中脫粒效果，進(jìn)一步降低脫粒過(guò)程中玉米的破損率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玉米種子的力學(xué)性質(zhì)、損傷機(jī)理進(jìn)行了深入研究。李心平[9]等通過(guò)有限元分析方法對(duì)玉米種子在靜壓載作用下不同作用部位的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，獲得了玉米種子在不同施力部位壓載作用下的微觀力學(xué)性質(zhì)。

高連興[10]等通過(guò)試驗(yàn)深入探明含水率對(duì)玉米種子脫粒的影響機(jī)理。李清龍[11]等通過(guò)對(duì)不同含水率和不同滾筒轉(zhuǎn)速下玉米的脫凈率和破損率的試驗(yàn)研究得到了相應(yīng)的規(guī)律。但是，國(guó)內(nèi)對(duì)玉米籽粒的研究主要有兩種：一種是通過(guò)大量試驗(yàn)研究，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析，這種研究需要大量物力人力；另一種是通過(guò)理論分析玉米籽粒受靜態(tài)力學(xué)下進(jìn)行仿真分析。然而，玉米籽粒在實(shí)際脫粒過(guò)程中是受到隨時(shí)間變化的沖擊載荷，這種簡(jiǎn)化研究大大簡(jiǎn)化了計(jì)算模型，卻存在一定誤差。為此，本文采用LS-dyna專業(yè)的碰撞仿真軟件進(jìn)行其瞬時(shí)受力分析，增加了結(jié)果的真實(shí)可靠性。

碰撞有限元分析已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的仿真模擬中，具有結(jié)果可靠、節(jié)約試驗(yàn)成本的優(yōu)點(diǎn)[12]。本文將利用LS-dyna專業(yè)的碰撞有限元軟件分析玉米沖擊脫粒動(dòng)態(tài)過(guò)程，為釘齒式玉米脫粒機(jī)的設(shè)計(jì)提供必要的力學(xué)支撐，也為玉米脫粒機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。

1 玉米籽粒建模

玉米籽粒不是一個(gè)均質(zhì)材料，為了理論分析和計(jì)算，考慮通常把角質(zhì)胚乳的彈性模量作為整個(gè)籽粒的彈性模量來(lái)進(jìn)行力學(xué)分析，并將模型看作各向同性的線彈性材料[13]。玉米形態(tài)特征主要包括玉米穗和玉米芯直徑，以及玉米籽粒的各個(gè)尺寸。本文以硬質(zhì)玉米(見圖1)作為研究對(duì)象，針對(duì)玉米穗、玉米籽粒的尺寸(主要通過(guò)直接測(cè)量得到)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立單個(gè)籽粒的三維實(shí)體模型，如圖2所示。

圖1 玉米籽粒外形尺寸

圖2 玉米籽粒三維圖

2 玉米籽粒碰撞仿真模擬

本文采用碰撞分析專用軟件LS-DYNA作為求解器，采用Hypermesh前處理軟件實(shí)現(xiàn)釘齒和玉米籽粒的碰撞分析。

2.1 玉米碰撞模型建立

釘齒式玉米脫粒機(jī)模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。若將整個(gè)脫粒模型作為單粒玉米碰撞模型，則增加了仿真模型復(fù)雜程度；此外，單粒玉米體積較小，接觸面積小，只需要單個(gè)釘齒幾個(gè)。因此，本文將玉米碰撞模型簡(jiǎn)化為單粒玉米與單個(gè)釘齒的碰撞仿真。其側(cè)面、頂部、腹面仿真模型如圖4所示。

1.長(zhǎng)軸頭 2.圓滾筒 3.釘齒 4.輪輻 5.短軸頭

2.2 網(wǎng)格劃分

利用Hypermesh完成網(wǎng)格劃分，因?yàn)槟Ｐ拖鄬?duì)簡(jiǎn)單、網(wǎng)格數(shù)量較少，故仿真模型采用四面體網(wǎng)格劃分。其中，釘齒網(wǎng)格數(shù)量為11 415，玉米籽粒網(wǎng)格數(shù)量為16 003，模型網(wǎng)格化如圖5所示。

(a) 側(cè)面碰撞 (b) 腹面碰撞 (c) 頂面碰撞

圖5 仿真模型網(wǎng)格化

2.3 設(shè)置材料屬性

依據(jù)文獻(xiàn)[13]可知：硬質(zhì)型玉米籽粒含水率為10%時(shí)，彈性模量為320MPa，泊松比為0.4，密度為1.418g/cm3，釘齒為鋼材料。在前處理軟件中建立模型的材料屬性，并賦予釘齒及玉米籽粒。

2.4 載荷加載、約束設(shè)置

為模擬玉米籽粒在沖擊載荷下的受力情況，設(shè)定釘齒恒定轉(zhuǎn)速(500、700、900r/min),添加輔助部件固定剛體，在剛體和釘齒之間建立腳鏈rejoin，缸體材料設(shè)置為MAT20不變形。為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)玉米根部剛體底部施加6自由度約束，給定釘齒恒定轉(zhuǎn)速。

2.5 設(shè)置接觸

本文仿真模型相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要設(shè)置零件自接觸和碰撞部分的面與面接觸，利用LS-dyna關(guān)鍵字完成兩種接觸Surface to Surface和Single Surface。

2.6 控制卡片設(shè)置

利用控制卡片設(shè)置沙漏，設(shè)置timestep=6e-4ms、仿真時(shí)間t=1ms，輸出沙漏能、截面力及質(zhì)量能等，最終模型如圖6所示。

圖6 Hypermesh 搭建最終模型

3 玉米籽粒仿真模擬結(jié)果分析

釘齒不同轉(zhuǎn)速下(500、700、900r/min)時(shí)，分別沖擊玉米籽粒側(cè)面、腹部、頂部，分析沖擊玉米不同位置時(shí)中截面的受力情況，側(cè)面、腹部、頂部中截面如圖7所示。不同轉(zhuǎn)速下中截面受力隨沖擊時(shí)間變化折線圖如圖8所示。

圖8中，(a)、(b)、(c)為500r/min轉(zhuǎn)速，(d)、(e)、(f)為700r/min轉(zhuǎn)速，(g)、(h)、(i)為900r/min轉(zhuǎn)速。由圖8可以看出：在釘齒打擊玉米籽粒過(guò)程中，在釘齒與玉米籽粒沖擊接觸瞬間玉米表層開始受力，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的傳遞，中截面手里開始緩慢變化達(dá)到最大值，接著玉米籽粒變形越來(lái)越大，起到阻礙緩沖作用，受力開始變小。不同工況下玉米籽粒在某一時(shí)刻受到最大力的時(shí)間、最大作用力如表1所示。

圖7 玉米籽粒側(cè)面、頂面、腹部中截面

圖8 不同轉(zhuǎn)速下玉米籽粒側(cè)面、腹部、頂部中截面受力圖

由表1可知：不同工況下中截面受力最大的時(shí)間點(diǎn)不同。這是因?yàn)榻⒛Ｐ蜁r(shí)釘齒與玉米籽粒的初始距離不一樣導(dǎo)致，但是這不影響最終結(jié)果。結(jié)合圖8折線圖，同樣發(fā)現(xiàn)中截面有一段受力為零的時(shí)間段，這一段時(shí)間為釘齒運(yùn)動(dòng)到與玉米籽粒接觸，從而導(dǎo)致玉米籽粒最大受力時(shí)間點(diǎn)不一樣。

表1 不同工況下玉米籽粒在某一時(shí)刻受到最大力的時(shí)間、最大作用力

Table 1 The time and maximum force at which corn kernels receive maximum force at a given moment under different conditions

轉(zhuǎn)速n/r·min-1沖擊部位時(shí)間/ms最大沖擊力/N500側(cè)面0.196.248頂面0.191.395腹部0.4152.26700側(cè)面0.4122.92頂面0.1125.45腹部0.3264.74900側(cè)面0.3135.75頂面0.1138.91腹部0.3364.76

最大受力曲線如圖9所示。由圖9可知：隨著轉(zhuǎn)速的增加，玉米籽粒側(cè)面、頂面、腹部受力逐漸增大。其中，玉米籽粒側(cè)面和頂面受力基本相同，腹部受力最大。這是因?yàn)楦共渴軟_擊時(shí)，中截面相對(duì)于側(cè)面和頂面較厚，阻擋釘齒沖擊能力較強(qiáng)，從而確定仿真結(jié)果與實(shí)際情況相吻合，仿真結(jié)果的可靠性。

圖9 最大受力曲線

4 結(jié)論

1)以傳統(tǒng)的釘齒式玉米脫粒機(jī)為研究對(duì)象，利用LS-dyna專業(yè)的碰撞有限元分析軟件對(duì)玉米沖擊脫粒動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，相對(duì)于ANSYS靜力學(xué)分析更加準(zhǔn)確，相對(duì)于傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究降低了成本。

2)研究表明：玉米籽粒不同部位受沖擊時(shí)，受力大小不同，且隨釘齒轉(zhuǎn)速的增加，側(cè)面、頂面、腹部中截面受力逐漸增大；當(dāng)釘齒轉(zhuǎn)速相同時(shí)，玉米籽粒腹部受沖擊時(shí)中截面受力最大，側(cè)面、頂面中截面受力大小相近。