張鋒偉，宋學(xué)鋒,2,3，張雪坤，張方圓，魏萬成，戴 飛※

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070； 2. 蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000；3. 蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引 言

農(nóng)作物秸稈是畜牧業(yè)飼草料的重要來源，全球年產(chǎn)量高達(dá)20億t[1]。中國(guó)秸稈資源十分豐富，其中玉米秸稈年產(chǎn)量達(dá)3億t。玉米秸稈經(jīng)機(jī)械化加工后可用來做青貯飼料，能有效緩解現(xiàn)階段畜牧業(yè)飼料短缺的問題。目前比較常見的一種方便、快速及低成本的處理技術(shù)是對(duì)秸稈進(jìn)行揉絲加工操作，使其呈絲狀物料以用于喂食牲畜[2-3]?，F(xiàn)有的玉米秸稈加工機(jī)械按結(jié)構(gòu)尺寸不同可分為大型的青貯機(jī)和小型的秸稈揉絲機(jī)，后者作業(yè)過程主要為刀片或錘片與秸稈不斷發(fā)生碰撞、擊打作用，在揉絲腔中使其反復(fù)發(fā)生撕裂、碰撞等物理過程，最后形成特定長(zhǎng)度范圍的絲狀物料由排料裝置拋送至外界環(huán)境[4-5]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)玉米秸稈揉絲破碎過程做了相應(yīng)的研究工作。根據(jù)O'Dogherty等[6-7]的早期研究結(jié)果，揉絲機(jī)35%的能量用來切碎秸稈，50%的能量用來使揉絲后的物料運(yùn)動(dòng)，揉絲過程中刀片角度應(yīng)該在 30°～40°之間。Chevanan等[8]則采用直剪單元萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)玉米秸稈等的抗剪強(qiáng)度和流動(dòng)性切碎進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明切碎的玉米秸稈具有最高的角摩擦，沒有屈服強(qiáng)度，粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)給物料搬運(yùn)過程帶來一定困難。Lisowski等[9-10]針對(duì)揉絲過程中不同技術(shù)參數(shù)對(duì)有效功率的影響及排料過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)玉米秸稈切割和喂料過程對(duì)有效功的需求成反比關(guān)系，物料運(yùn)動(dòng)至外界環(huán)境可分為物料分散運(yùn)動(dòng)和出口處團(tuán)聚運(yùn)動(dòng) 2個(gè)階段；田海清等[11]對(duì)錘片式粉碎機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，用分段圓弧片替換環(huán)形平篩，通過試驗(yàn)得到該設(shè)計(jì)可以提高生產(chǎn)效率，有效改善了秸稈過度粉碎情況；Zhang等[12]基于PFC平臺(tái)建立了玉米秸稈離散元模型，并進(jìn)行了拉伸過程力學(xué)特性研究，獲得了玉米秸稈離散元模型的法向剛度系數(shù)、切向剛度系數(shù)、法向粘合系數(shù)及切向粘合系數(shù)；王德福等[13]以高速攝像技術(shù)為手段觀察了玉米秸稈在錘片式粉碎機(jī)中的破碎過程，同時(shí)針對(duì)影響粉碎性能的主軸轉(zhuǎn)速、含水率、篩孔直徑等因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究。而針對(duì)絲狀物料在排料裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程宋學(xué)鋒[14]等采用 CFD-DEM 耦合法進(jìn)行了數(shù)值模擬，并開展試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬過程，證明離散元法模擬絲狀物料運(yùn)動(dòng)是可行的。

目前針對(duì)玉米秸稈揉絲破碎的研究主要集中在物理試驗(yàn)方面，較少涉及數(shù)值模擬研究工作。所以有必要進(jìn)一步拓展秸稈揉絲破碎的研究手段，利用便捷、節(jié)約的研究方法實(shí)現(xiàn)秸稈揉絲破碎過程可視化、參數(shù)化，進(jìn)一步提高揉絲效率。本文借助離散元法建立玉米秸稈雙峰分布模型，利用物理試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)相結(jié)合的方法校核顆粒粘結(jié)模型（bonded particle model，BPM），對(duì)額定轉(zhuǎn)速下秸稈破碎過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了秸稈揉絲破碎后形狀分類，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果可為拓寬秸稈揉絲破碎研究方法提供一定參考。

1 物理模型

9FH-40型揉絲機(jī)按功能不同可分為喂料裝置、鍘切裝置、揉絲粉碎裝置、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、排料裝置、機(jī)器底座等部分，其結(jié)構(gòu)見圖1。該機(jī)由三相異步電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力（7.5 kW），額定轉(zhuǎn)速3 200 r/min，秸稈加工生產(chǎn)率≥600 kg/h。揉絲破碎裝置是揉絲機(jī)核心部分，主要由鍘刀、錘片及篩網(wǎng)等組成。其中錘片為40 mm×120 mm×5.2 mm的立方體結(jié)構(gòu)，通過套管軸向約束在銷軸上（每根軸上4塊錘片，共4根銷軸），并可發(fā)生周向旋轉(zhuǎn)。

圖1 9FH-40型揉絲機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of 9FH-40 type kneading machine

在錘片旋轉(zhuǎn)作業(yè)過程中，為使運(yùn)動(dòng)軌跡具有較高的空間覆蓋率，同時(shí)使喂入秸稈受到軸向力作用，錘片在銷軸上采用交錯(cuò)排列方式（圖2）。篩網(wǎng)則安裝在錘片轉(zhuǎn)子正下方，篩孔直徑30 mm，相鄰兩篩孔圓心距為70 mm，共30個(gè)篩孔。當(dāng)玉米秸稈整株從揉絲喂料口進(jìn)入揉絲腔后，首先由鍘刀鍘切成一定長(zhǎng)度的秸稈，隨后經(jīng)過錘片擊打作用使秸稈破碎。篩網(wǎng)安裝在揉絲腔底部位置，絲狀物料形成后便從篩孔中落下，大塊秸稈則不能通過篩孔，將繼續(xù)在揉絲腔中與錘片、壁面、襯板及篩網(wǎng)反復(fù)進(jìn)行撞擊和揉搓作用。當(dāng)整株秸稈由粉碎喂料口進(jìn)入揉絲腔后沒有受到鍘刀徑向切割作用，將完成秸稈粉碎加工過程。

圖2 錘片交錯(cuò)排列方式Fig.2 Staggered pattern of hammers

2 玉米秸稈離散元模型建立及參數(shù)校核

2.1 BPM模型

1979年Cundall和Strack提出了離散元法，主要應(yīng)用于巖土力學(xué)領(lǐng)域[15]。2004年P(guān)otyondy和Cundall開發(fā)了BPM粘結(jié)模型[16]（圖3）。在BPM粘結(jié)模型中相鄰2顆粒間在接觸點(diǎn)處發(fā)生平行粘結(jié)，平行鍵作用效果相當(dāng)于分布在顆粒圓形截面上的一組彈簧，通過接觸點(diǎn)處力Fi與力矩Mi描述材料力學(xué)特性。仿真計(jì)算中牛頓第二定律用于確定由接觸力、外加力和作用在顆粒上的場(chǎng)力引起的平移和旋轉(zhuǎn)，力-位移定律則用來更新在每個(gè)接觸點(diǎn)由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的接觸力。當(dāng) 2顆粒在接觸面上不存在平行粘結(jié)時(shí)，顆粒間只能傳遞力，而不能傳遞力矩，其接觸作用便受Hertz-Mindlin（no-slip）模型的約束[17-18]。

圖3 BPM接觸模型Fig.3 BPM contact model

組成粘結(jié)鍵的每組彈簧在 4個(gè)方向上（法向力和切向力、法向力矩和切向力矩）都經(jīng)歷一個(gè)載荷增量，具體用如下公式描述[19-20]

式中 δt是時(shí)間步長(zhǎng)，s；νn、νt分別是顆粒的法向和切向速度，m/s；ωn、ωt分別是顆粒的法向和切向角速度，rad/s；J為慣性矩，m4；A為接觸區(qū)域面積，分別為法向、切向力矩，N?m；Sn、St分別為單位面積法向、切向剛度分別為法向、切向粘結(jié)力，N。

式中σmax、τmax分別為法向、切向臨界應(yīng)力，Pa；Rb是粘結(jié)鍵半徑，m。

2.2 玉米秸稈離散元模型建立

目前組成顆粒群的球形顆粒粒徑分布方式主要有單一分布、高斯分布以及雙峰分布3種形式，如圖4所示。

圖4 3種不同粒徑分布方式Fig.4 Three types of particle size distribution

圖 4中可以看出不同的顆粒粒徑尺寸會(huì)導(dǎo)致顆粒間粘結(jié)鍵分布密度、長(zhǎng)短、數(shù)量的不同。其中單一分布采用球形顆粒等粒徑排布而成，顆粒周圍粘結(jié)鍵分布均勻，對(duì)破碎對(duì)象的力學(xué)特性不能很好的描述；高斯分布中具有非等粒徑球形顆粒，顆粒間粘結(jié)鍵疏密分布，較單一分布能夠更好的反應(yīng)破碎對(duì)象的力學(xué)特性。

而組成雙峰分布的顆粒粒徑服從正態(tài)分布，大顆粒占據(jù)主要空間位置，小顆粒則緊密排布在大顆粒周圍，顆粒具有較高的配位數(shù)，從而提高了顆粒群的填充密度，降低了孔隙率，保證了模型具有很好的粘結(jié)強(qiáng)度[21]。

從物理結(jié)構(gòu)上區(qū)分，玉米秸稈可分為內(nèi)部纖維素和外部木質(zhì)部，整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，按實(shí)際結(jié)構(gòu)建模較困難。目前離散元法在各領(lǐng)域的研究應(yīng)用已得到廣泛認(rèn)可，相關(guān)學(xué)者采用離散元法已對(duì)牛肉塊在口腔中的咀嚼過程[22]、玉米種子在排種器內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程[23]、三七種苗分離過程[24]及玉米整株脫粒過程[25]等進(jìn)行了研究，研究過程都將各向異性的研究對(duì)象等效為各向同性進(jìn)行了處理。所以，本文參考相關(guān)學(xué)者對(duì)研究對(duì)象的處理方法，在建模過程中將玉米秸稈等效為各向同性結(jié)構(gòu)，采用顆粒雙峰分布方式建立玉米秸稈離散元模型，這樣可使顆粒群整體力學(xué)特性與秸稈實(shí)際力學(xué)特性相接近。圖 5為添加 BPM 粘結(jié)鍵后的玉米秸稈離散元模型。該模型高50 mm，底面直徑25 mm，由2 642個(gè)非等粒徑的顆粒填充而成。在計(jì)算機(jī)仿真中單個(gè)球形顆粒不能夠被破壞，顆粒與顆?？墒芡饬ψ饔冒l(fā)生分離。建模完成后，記錄每一個(gè)顆粒坐標(biāo)信息以便后續(xù)仿真計(jì)算使用。

圖5 玉米秸稈粘結(jié)接觸模型Fig.5 Bonded contact model of corn straw

2.3 BPM模型參數(shù)校核

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)BPM粘結(jié)模型的參數(shù)校核沒有統(tǒng)一的方法，但通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[26-27]可對(duì)校核方法歸納為：根據(jù)研究對(duì)象的物理特性確定可行的抗壓、抗剪強(qiáng)度值；再根據(jù)理論公式計(jì)算出BPM模型所需粘結(jié)參數(shù)值，最后再通過物理試驗(yàn)去驗(yàn)證選定的參數(shù)值，讓虛擬試驗(yàn)表觀結(jié)果與物理試驗(yàn)相一致，選擇表觀特征變化最接近的一組參數(shù)做為揉絲破碎仿真中使用的粘結(jié)參數(shù)，以減小標(biāo)定值與真實(shí)值之間的誤差。本研究中BPM模型涉及的參數(shù)包括法向剛度系數(shù)、切向剛度系數(shù)、法向臨界應(yīng)力、切向臨界應(yīng)力以及粘結(jié)半徑。

2.3.1 秸稈壓縮、剪切力測(cè)定

在抗壓、抗剪強(qiáng)度測(cè)定中，選用深圳新三思材料檢測(cè)有限公司制造的 CMT-5305微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)與 CMT-2502微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)分別進(jìn)行壓縮、剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)中輔助工具有剪切夾具、飛鷹牌刀片、游標(biāo)卡尺等。壓縮、剪切過程中設(shè)置好加載速度，由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)完成各項(xiàng)參數(shù)收集。試驗(yàn)材料選擇寧單 19號(hào)收獲期玉米秸稈，秸稈直徑（25±2）mm，去除葉片后篩選出表面光整的秸稈，截取成長(zhǎng)度50 mm的無節(jié)試樣，同時(shí)進(jìn)行標(biāo)記。24 h內(nèi)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院聯(lián)合力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)前采用烘干法對(duì)秸稈進(jìn)行含水率測(cè)定。稱重儀器選擇Sartorius公司生產(chǎn)的BSA224S型電子天平。記錄試樣初始質(zhì)量為 m1，之后進(jìn)行烘干操作，待試樣質(zhì)量恒定不變時(shí)記錄數(shù)據(jù)為m2。為減小數(shù)據(jù)誤差，不同植株上截取的樣品分別進(jìn)行 3次測(cè)定，取平均值后得秸稈含水率為87.8%。玉米秸稈含水率M計(jì)算公式如下

式中m1為試樣干燥前質(zhì)量，g；m2為試樣干燥后質(zhì)量，g。

試驗(yàn)中分別以5 mm/min為加載速度進(jìn)行壓縮和剪切試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行 3次，結(jié)果取平均值以減小數(shù)據(jù)誤差。圖 6a為玉米秸稈壓縮過程載荷-位移變化曲線。由圖 6a可知，軸向壓縮最大臨界破裂載荷為2 260 N，整個(gè)過程可分為 3個(gè)階段：線性變形、突變、屈曲階段。剪切試驗(yàn)中最大臨界剪切力為110 N（圖6b），剪切力和位移在剪切初期成正比關(guān)系變化，并近似線性增加；當(dāng)達(dá)到最大臨界剪切力后，載荷-位移曲線發(fā)生突變，此時(shí)秸稈表皮被切穿。

圖6 玉米秸稈壓縮、剪切過程載荷-位移變化曲線Fig.6 Changing curve of load-displacement of corn straw under compression and shear process

2.3.2 理論計(jì)算

根據(jù)BPM粘結(jié)模型理論，法向剛度和切向剛度計(jì)算公式[28-29]為式（8）和式（9）

式中kn為法向剛度，N/m；ks為切向剛度，N/m；ν1為顆粒1的泊松比；ν2為顆粒2的泊松比；E1為顆粒1的彈性模量，Pa；E2為顆粒 2的彈性模量，Pa；r1為顆粒 1的半徑，mm；r2為顆粒2的半徑，mm。

本文中單個(gè)粘結(jié)顆粒粒徑服從正態(tài)分布，大小各不一樣，計(jì)算中選取顆粒的平均粒徑作為計(jì)算值。在EDEM中提取到計(jì)算域內(nèi)顆粒平均粒徑為0.975 mm。取玉米秸稈密度為1 060 kg/m3，彈性模量為480 MPa，泊松比為0.4[30-31]。因本文中涉及的顆粒均為同一材質(zhì)，所以式（8）中顆粒1和顆粒2的各參數(shù)相等。將相關(guān)參數(shù)代入式（8）和（9），得：kn=8.40 ×106(N/m)，ks=4.87×106（N/m）。

由前文軸向壓縮試驗(yàn)可得，最大破裂臨界載荷為2 260 N，由抗壓強(qiáng)度公式：σ=F/S，其中F為壓力，S為受力面積，σ為臨界法向應(yīng)力。得：σ =4.61 MPa。根據(jù)摩爾剪切理論，臨界法向應(yīng)力與臨界切向應(yīng)力有以下關(guān)系

式中τ是臨界切向應(yīng)力，Pa；C是秸稈內(nèi)聚力，N；φ是內(nèi)摩擦角。

秸稈的內(nèi)摩擦角反映秸稈抵抗各向外力作用的強(qiáng)度，內(nèi)聚力表示秸稈承受外力作用的能力，二者都是表征秸稈抵抗破壞的重要物理指標(biāo)。參考相關(guān)玉米秸稈數(shù)據(jù)，文中內(nèi)摩擦角φ取35°，內(nèi)聚力取值2 MPa[32-33]。將數(shù)據(jù)代入式（10），秸稈破碎中臨界切向應(yīng)力為：τ=5.23 MPa。顆粒粘結(jié)半徑一般為顆粒半徑的1.2～2倍，本文中取粘結(jié)半徑為2 mm。因此，經(jīng)過以上理論計(jì)算得到了玉米秸稈粘結(jié)參數(shù)如表1。

2.3.3 虛擬試驗(yàn)

利用理論計(jì)算所得的粘結(jié)參數(shù)在 EDEM 中分別反復(fù)進(jìn)行壓縮和剪切過程參數(shù)調(diào)試，根據(jù)虛擬試驗(yàn)中秸稈壓縮及剪切破壞后表觀特征與物理試驗(yàn)對(duì)比進(jìn)行粘結(jié)參數(shù)的確定。

表1 玉米秸稈粘結(jié)參數(shù)Table 1 Bonded parameters of corn straw

從圖7a可以看出，秸稈經(jīng)過軸向壓縮后，在表皮處出現(xiàn)較大裂紋，同時(shí)靠近上壓頭一端表皮發(fā)生折彎現(xiàn)象。在虛擬試驗(yàn)中（圖 7b），秸稈中部位置發(fā)生破裂，從圖中可以看出裂紋較大。并且在靠近上壓頭附近，表皮出現(xiàn)類似圖7a中的折彎現(xiàn)象。

圖7 玉米秸稈軸向壓縮試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)對(duì)比Fig.7 Comparison of axial compression of corn straw between physical experiment and virtual experiment

玉米秸稈徑向剪切破壞后，表皮部分被切穿，刀尖到達(dá)內(nèi)部纖維素（圖8a）。而在EDEM中對(duì)秸稈進(jìn)行徑向剪切時(shí)（圖8b），可以看到切痕處顆粒間粘結(jié)鍵斷裂，切痕寬度與刀片厚度相等。這一現(xiàn)象與物理試驗(yàn)中秸稈剪切破壞行為相一致。

圖8 玉米秸稈徑向剪切物理試驗(yàn)與虛擬試驗(yàn)對(duì)比Fig.8 Comparison of radial shear of corn straw between physical experiment and virtual experiment

綜上所述，經(jīng)過以上步驟所得的玉米秸稈BPM接觸模型粘結(jié)參數(shù)所表現(xiàn)出來的力學(xué)行為與秸稈實(shí)際情況相接近，最終確定了BPM接觸模型粘結(jié)參數(shù)如表2所示。

表2 BPM粘結(jié)參數(shù)Table 2 Bonded parameters of BPM

3 揉絲過程數(shù)值模擬

仿真計(jì)算時(shí)采用顆粒替換API插件實(shí)現(xiàn)在EDEM軟件中生成玉米秸稈離散元模型，之后立即給顆粒添加BPM粘結(jié)模型以便牢固粘結(jié)。為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，縮短仿真計(jì)算時(shí)間，同時(shí)便于后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，仿真過程中只生成4個(gè)玉米秸稈離散元模型，如圖9a所示。圖9b為錘片擊打玉米秸稈過程。

圖9 玉米秸稈揉絲破碎過程Fig.9 Kneading and crushing process of corn straw

3.1 粘結(jié)鍵數(shù)量變化過程

圖10為額定轉(zhuǎn)速下粘結(jié)鍵數(shù)量變化過程曲線。從圖中可以看出計(jì)算域內(nèi)共生成52 436個(gè)粘結(jié)鍵，每個(gè)秸稈離散元模型含有13 109個(gè)粘結(jié)鍵，平均每個(gè)顆粒周圍有4.96個(gè)粘結(jié)鍵，證明模型粘結(jié)充分。在t=0～0.2 s階段，玉米秸稈與錘片直接接觸從而發(fā)生快速破碎，粘結(jié)鍵數(shù)量急劇下降。t=0.2～1.0 s階段，破碎后的秸稈與錘片、壁面及篩網(wǎng)反復(fù)發(fā)生相互碰撞揉搓作用，粘結(jié)鍵破碎數(shù)量呈穩(wěn)定減少趨勢(shì)。t=1.0～2.0 s階段物料停止運(yùn)動(dòng)不再發(fā)生破碎，粘結(jié)鍵數(shù)量則保持不變。

圖10 額定轉(zhuǎn)速下粘結(jié)鍵數(shù)量變化Fig.10 Change of bond number at rated speed

3.2 破碎后物料形狀分類

秸稈破碎過程相對(duì)復(fù)雜，破碎后的物料形狀及尺寸各不相同，較難保證所有物料都滿足揉絲質(zhì)量要求。據(jù)《秸稈揉絲質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》要求，秸稈在揉絲機(jī)中經(jīng)過鍘切、揉搓、粉碎等物理過程后形成長(zhǎng)度為 10～180 mm，且?guī)缀螌挾炔淮笥? mm的絲狀物料，才能滿足牲畜食用要求[34]。所以，對(duì)破碎后的物料形狀進(jìn)行了分類，包括短型物料、標(biāo)準(zhǔn)物料、長(zhǎng)型物料及未完全破碎物料。

短型物料幾何長(zhǎng)度＜10 mm，幾何寬度＜5 mm，小顆粒分布在大顆粒周圍形成顆粒群，顆粒間只含有 1個(gè)粘結(jié)鍵，顆粒群粘結(jié)牢固，可抵抗一定外力作用，如圖11a所示。標(biāo)準(zhǔn)物料幾何長(zhǎng)度＞10 mm，幾何寬度＜5 mm，顆粒間含有 2個(gè)及以上粘結(jié)鍵，顆粒群細(xì)而長(zhǎng)，主干上含有較少分支（圖11b）。顆粒群粘結(jié)力易受到外力作用而斷裂。長(zhǎng)型物料幾何長(zhǎng)度分布在10～180 mm內(nèi)，主干上顆粒分布不均勻，有較多分支，幾何寬度＞5 mm（圖11c）。未完全破碎物料外形成塊狀，顆粒群包含大量非等粒徑的小顆粒，粘結(jié)牢固不易發(fā)生二次破碎（圖11d）。

圖11 4種不同類型物料Fig.11 Four types of materials

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過以上數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在額定轉(zhuǎn)速下破碎過程中秸稈從開始階段的快速破碎向穩(wěn)定破碎階段發(fā)展，破碎完成后物料可分為 4種類型，為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，開展了試驗(yàn)驗(yàn)證過程。

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)牛場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)前將去除葉片不含節(jié)的秸稈均勻截成長(zhǎng)度50 mm的樣品，在排料口安裝物料收集袋用于收集破碎后的物料。電機(jī)通電后空載運(yùn)行30 s時(shí)間，將4個(gè)樣品從粉碎喂料口喂入，待2 s后立即斷電停車。收集破碎后物料及揉絲腔中殘余物料。根據(jù)《秸稈揉絲質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中物料長(zhǎng)度、寬度要求進(jìn)行分類，如圖12所示。由圖12可知，玉米秸稈破碎后可分為短型、標(biāo)準(zhǔn)型、長(zhǎng)型及未完全破碎 4種物料類型，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致。同時(shí)對(duì)不同類型物料進(jìn)行稱重，數(shù)據(jù)見表3。不同類型物料質(zhì)量的仿真值與試驗(yàn)值偏差保持在 10%以內(nèi)，證明了離散元法應(yīng)用于玉米秸稈揉絲破碎研究是可行的。

圖12 玉米秸稈破碎后物料形狀Fig.12 Material shape of corn straw after crushing

表3 不同物料的質(zhì)量仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比Table 3 Comparison between simulation values and experimental values for mass of different materials

5 結(jié)論與討論

1）結(jié)合力學(xué)特性試驗(yàn)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了顆粒粘結(jié)模型（bonded particle model，BPM）粘結(jié)參數(shù)校核，獲得了與含水率為 87.8%時(shí)秸稈力學(xué)特性相接近的一組粘結(jié)參數(shù)，其中法向剛度系數(shù)、切向剛度系數(shù)、臨界法向應(yīng)力、臨界切向應(yīng)力及粘結(jié)半徑分別為 9.60×106N/m、6.80×106N/m、8.72 MPa、7.5 MPa、2 mm。

2）利用參數(shù)校核得到的 BPM 粘結(jié)模型進(jìn)行了破碎仿真，對(duì)破碎后的物料進(jìn)行分類，得到短型、標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)型及未完全破碎物料 4種類型物料，每一種物料對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分別為5.2，5.8，8.2，9.8 g。

3）針對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，揉絲后物料按長(zhǎng)度及寬度可分為短型、標(biāo)準(zhǔn)、長(zhǎng)型及未完全破碎 4種物料，每一種物料的質(zhì)量分別為 4.8，5.3，7.6，9.1 g。物料分類的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果保持一致，不同類型物料質(zhì)量的仿真值與試驗(yàn)值數(shù)據(jù)偏差保持在10 %以內(nèi)，證明了離散元法應(yīng)用于玉米秸稈揉絲破碎研究是可行的。

揉絲機(jī)在實(shí)際作業(yè)中所加工的物料為玉米秸稈與葉片的混合物，并且秸稈直徑各異，含水率變化范圍較大，這些因素都將導(dǎo)致秸稈揉絲破碎是相當(dāng)復(fù)雜的過程。同時(shí)，玉米秸稈在揉絲腔中經(jīng)過揉絲破碎后，會(huì)形成形狀及尺寸多樣化的物料，最終較難滿足牲畜食用的適口性。

本文在研究過程中受模擬手段限制，對(duì)復(fù)雜的實(shí)際作業(yè)過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，僅對(duì) 4個(gè)等直徑的秸稈破碎過程開展了仿真與試驗(yàn)研究，較實(shí)際作業(yè)過程存在一定差異。研究中使用的BPM粘結(jié)模型適用于無節(jié)、固定長(zhǎng)度且含水率較高的玉米秸稈揉絲破碎仿真，揉絲破碎后物料形狀及尺寸具有一定局限性，在用于其他特性的玉米秸稈研究時(shí)還需進(jìn)一步探討并驗(yàn)證。試驗(yàn)過程中玉米秸稈數(shù)量較小，忽略了揉絲腔中秸稈之間相互作用對(duì)揉絲質(zhì)量的影響，同時(shí)并未涉及有節(jié)秸稈及葉片。由研究結(jié)論可知，本文研究方法適用于簡(jiǎn)化后的玉米秸稈揉絲破碎過程，可進(jìn)一步豐富錘片式玉米秸稈揉絲機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化手段，對(duì)提高揉絲質(zhì)量及牲畜食用的適口性具有參考意義。