王善博，阿力木·買買提吐爾遜，，黃強(qiáng)斌，師邀兵，李謙緒，杜志高

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊市,830052;2.新疆新研牧神科技有限公司,烏魯木齊市,830013)

0 引言

玉米是我國(guó)重要糧食作物之一,2022年國(guó)內(nèi)玉米總產(chǎn)量為2.77×1012t,相較2021年增長(zhǎng)1.7%,這表明我國(guó)玉米種植業(yè)仍有發(fā)展?jié)摿1]。剝皮是玉米收獲過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),收獲的玉米若不及時(shí)剝皮,籽粒就會(huì)因無(wú)法及時(shí)干燥而霉變,導(dǎo)致產(chǎn)量受損[2]。現(xiàn)階段,我國(guó)玉米機(jī)械化收獲以果穗收獲為主[3],市面上的玉米果穗收獲機(jī)能一次性完成玉米的摘穗、剝皮與裝箱工作,剝皮裝置是此類玉米收獲機(jī)的重要部件,它的性能影響著所收玉米的品質(zhì)。

由于玉米適收期短,研究工作總是受時(shí)間限制,近些年來(lái)國(guó)內(nèi)采用ANSYS或EDEM軟件在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、振動(dòng)模態(tài)、物料流等方面對(duì)玉米剝皮機(jī)進(jìn)行了相當(dāng)多的仿真試驗(yàn)[4],田鈺瑄等利用EDEM軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn),得出了導(dǎo)板間夾角、螺紋滾軸轉(zhuǎn)速、螺紋間距的最優(yōu)參數(shù);李海山通過(guò)ANSYS靜力學(xué)仿真,將膠輥更換為鐵輥,通過(guò)在鐵棍上鑲嵌橡膠的剝皮塊代替膠輥,在保證玉米籽粒破損率較低的同時(shí)也滿足剝皮輥?zhàn)冃涡〉囊?王新年等利用虛擬樣機(jī)優(yōu)化了剝皮機(jī)體積,使其更加靈活。但因玉米剝皮機(jī)的壓送輪為柔性材質(zhì),在實(shí)際工作與玉米果穗接觸時(shí),會(huì)發(fā)生很大的變形,ANSYS和EDEM軟件都很難對(duì)它建立柔性化模型。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文以牧神4YZB-4D型自走式玉米收獲機(jī)所配套的玉米剝皮裝置為研究對(duì)象,分析剝皮機(jī)剝皮原理,使用RecurDyn軟件對(duì)剝皮機(jī)壓送器進(jìn)行柔性化處理,并與EDEM軟件進(jìn)行耦合,建立離散元仿真模型。以玉米剝皮機(jī)壓送器和剝皮輥轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素,以玉米果穗受力和繞自身軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為指標(biāo),對(duì)剝皮機(jī)進(jìn)行仿真分析,并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真的可信性。

1 玉米剝皮裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

如圖1所示,玉米剝皮裝置由橡膠輥、鑄鐵橡膠組合輥、間隙調(diào)節(jié)裝置、壓送器、分配裝置、機(jī)架、喂料口、護(hù)壁等組成。其中壓送器由壓送輪和壓送器軸組成,壓送輪采用交錯(cuò)布置,可提高與玉米果穗的接觸面積。

圖1 玉米剝皮裝置結(jié)構(gòu)圖

常用的剝皮輥材料有鑄鐵和橡膠兩種。剝皮裝置有鑄鐵輥—鑄鐵輥,鑄鐵輥—橡膠輥,鑄鐵輥—鑄鐵橡膠組合輥,橡膠輥—鑄鐵橡膠組合輥等搭配方式[5]。如圖2所示,玉米剝皮機(jī)剝皮裝置采用橡膠輥—鑄鐵橡膠組合輥的搭配方式,兩剝皮輥表面紋路差異使得它們對(duì)果穗摩擦力的大小不同,從而使果穗能夠在前進(jìn)過(guò)程中繞自身軸線旋轉(zhuǎn),達(dá)到提高剝凈率的目的。剝皮輥上方設(shè)置有可拆卸蓋板,用于調(diào)節(jié)剝皮輥工作長(zhǎng)度,蓋住蓋板時(shí),剝皮輥工作區(qū)域?yàn)槿z段,用于作業(yè)含水率較高的玉米果穗。

圖2 橡膠輥—鑄鐵橡膠組合輥搭配示意圖

1.2 工作原理

玉米剝皮裝置工作時(shí),果穗從喂料口進(jìn)入剝皮裝置,分配裝置分配果穗,同時(shí)壓送器在玉米進(jìn)給方向上繞自身轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),撥動(dòng)玉米果穗,橡膠輥、鑄鐵與橡膠組合輥相向轉(zhuǎn)動(dòng),抓取剝落玉米苞葉[6]。如圖3所示,剝皮輥工作表面與果穗苞葉間的摩擦力為T1和T2,計(jì)算如式(1)～式(3)所示。

圖3 苞葉剝除原理圖

T1=f1N1

(1)

T2=f2N2

(2)

N1=N2=Qsinθ

(3)

式中:Q——果穗自身重力與壓送器對(duì)果穗所產(chǎn)生力的合力,N;

N1、N2——合力Q所引發(fā)的支持力,N;

f1、f2——兩剝皮輥工作面與苞葉摩擦系數(shù);

θ——果穗自身重力與支持力的夾角,(°)。

隨著剝皮輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn),剝開的苞葉被向下扯斷,苞葉被扯斷時(shí)滿足式(4)。

Th>Pmax

(4)

式中:Th——兩輥對(duì)果穗苞葉切向摩擦力合力,N;

Pmax——苞葉與穗柄之間最大連接力,N。

如圖4所示,壓送器采用的星輪式結(jié)構(gòu),運(yùn)送果穗的同時(shí)還可以防止果穗在剝皮過(guò)程中跳躍,增加果穗與剝皮輥之間的摩擦力,轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)可以輔助剝皮輥撕開苞葉,從而起到提高剝凈率的作用[7]。

圖4 壓送輪結(jié)構(gòu)及工作示意圖

2 仿真試驗(yàn)與分析

2.1 剝皮裝置簡(jiǎn)化模型建立

玉米剝皮裝置的主要工作部件為壓送器和剝皮機(jī)構(gòu),剝皮機(jī)有10組剝皮輥、5組壓送器,每組壓送器由21或22個(gè)壓送輪構(gòu)成。結(jié)構(gòu)參數(shù)及裝配參數(shù)如表1所示。

表1 剝皮裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及裝配參數(shù)

仿真開始前在SolidWorks建立簡(jiǎn)化模型,為減輕計(jì)算壓力,仿真模型在保證外形尺寸和零部件相對(duì)位置不變的基礎(chǔ)上,省略了分配裝置,每組壓送器保留1或2個(gè)壓送輪,同時(shí)只保留1組剝皮輥,設(shè)定剝皮輥上方有蓋板的工作模式,簡(jiǎn)化后的仿真模型儲(chǔ)成IGS格式文件導(dǎo)入至EDEM軟件中,如圖5所示。將仿真模型中的壓送輪導(dǎo)入RecurDyn軟件中,為它添加轉(zhuǎn)動(dòng)副,定義轉(zhuǎn)速、位置和材料屬性等信息,使用Flexible模塊將壓送輪改變成柔性體,打開RecurDyn中與EDEM軟件耦合的接口,生成WALL格式文件,在EDEM中選擇“Import Geometry from RecurDyn”將WALL文件導(dǎo)入到EDEM軟件中。

圖5 玉米剝皮裝置仿真模型

2.2 玉米果穗離散元模型建立

為了準(zhǔn)確地建立玉米離散元模型,取品種為美豫22號(hào)的玉米果穗100個(gè),測(cè)量穗長(zhǎng)和徑向尺寸并進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到果穗尺寸的正態(tài)分布如圖6所示。

(a) 穗長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)正態(tài)分布圖可知,玉米果穗平均平均穗長(zhǎng)為202.7 mm,徑向尺寸為52.1 mm,徑向尺寸服從分布的標(biāo)準(zhǔn)差σ為2.4。根據(jù)平均徑向尺寸和穗長(zhǎng)建立果穗三維模型,并導(dǎo)入EDEM軟件中,利用多球面法填充,建立玉米果穗顆粒模型如圖7所示。在EDEM軟件中設(shè)置玉米果穗模型粒徑半徑分布服從正態(tài)分布,標(biāo)準(zhǔn)差σ為2.4。

圖7 玉米果穗顆粒模型

2.3 材料屬性及接觸參數(shù)確定

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]得知,玉米果穗、結(jié)構(gòu)鋼與橡膠的材料屬性如表2所示,接觸參數(shù)如表3所示。

表2 材料屬性參數(shù)

表3 接觸參數(shù)

2.4 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

剝皮裝置實(shí)際工作時(shí)果穗喂入速度為5 t/h[8],由于仿真簡(jiǎn)化后只有一組剝皮裝置,因此仿真喂入速度取500 kg/h。對(duì)果穗添加沿-X和-Y方向的初始速度,-X方向速度等于玉米收獲機(jī)第一次升運(yùn)器拋出玉米果穗的水平速度,大小設(shè)置為50 mm/s;-Y方向速度大小可根據(jù)式(5)、式(6)算出。

(5)

vy=gt

(6)

式中:h——?jiǎng)兤ぱb置頂部與仿真中顆粒工廠間豎直距離,mm;

g——重力加速度,取9.8 m/s2;

t——果穗由仿真中顆粒工廠落到剝皮裝置頂部所用時(shí)間,s;

vy——-Y方向速度大小。

得出-Y方向速度大小vy等于45 mm/s。

設(shè)置仿真總時(shí)長(zhǎng)為5 s,以剝皮輥、壓送輪轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素,根據(jù)剝皮裝置實(shí)際的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍設(shè)定三種仿真工作參數(shù),如表4所示。

表4 仿真工作參數(shù)

仿真開始前,在RecurDyn的“Analysis”中勾選“Display Animation”,可使RecurDyn協(xié)同觀察到仿真過(guò)程中的情況,如圖8所示。

(a) EDEM仿真情況

2.5 仿真試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)果分析

2.5.1 仿真試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)際作業(yè)中,果穗落籽率及籽粒破損率與果穗受力情況有著直接關(guān)系,果穗受力越大或受力波動(dòng)性越強(qiáng),果穗越容易發(fā)生落籽,籽粒越容易破損[9-10]。而果穗剝凈率與果穗平均受力也有關(guān),果穗受力越大,剝凈率可能就越高。此外,果穗剝凈率還與其繞自身軸線的轉(zhuǎn)速有關(guān),果穗轉(zhuǎn)速越快,即果穗各個(gè)面與剝皮輥接觸的機(jī)會(huì)就越大時(shí),剝凈率可能就越高[11-12]。仿真結(jié)束后,在每種工況里隨機(jī)選擇仿真過(guò)程中的一枚玉米果穗,在EDEM的Analyst模塊完成后處理,將結(jié)果導(dǎo)入EXCEL中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2.5.2 果穗受力過(guò)程分析

以時(shí)間為橫坐標(biāo),果穗在剝皮裝置中所受力大小為縱坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖9所示。結(jié)果表明,就總體而言,當(dāng)果穗剛進(jìn)入剝皮裝置時(shí),受到7.9 N左右的沖擊載荷,隨后受到5 N左右的平穩(wěn)摩擦力向后滑動(dòng),之后在壓送輪撥動(dòng)下,果穗向前進(jìn)給,當(dāng)運(yùn)動(dòng)到剝皮輥時(shí),果穗受力增大。果穗在壓送輪作用下,受力大小呈周期性變化:當(dāng)壓送輪葉片壓到果穗時(shí),果穗受力增加,并當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到壓送輪正下方時(shí),果穗受力達(dá)到峰值。此外,果穗在單個(gè)壓送輪作用時(shí)要比一對(duì)壓送輪作用時(shí)所受的力稍大。

圖9 不同工況下玉米果穗受力曲線圖

就不同工況而言,剝皮輥與壓送輪轉(zhuǎn)速越快,果穗所受到的力就越大,且波動(dòng)性越強(qiáng),在實(shí)際中果穗落籽率和籽粒破損率可能就越高[13-14]。在除去仿真剛開始果穗僅滑動(dòng)時(shí)受力以及工況一啃穗時(shí)刻的果穗受力后,工況一、工況二、工況三中果穗的平均受力分別為14.34 N、15.65 N、18.08 N,仿真過(guò)程中果穗受力的方差分別為8.55、7.80、8.59。其中,工況三由于剝皮輥和壓送輪轉(zhuǎn)速最快,果穗受作用頻率最大,從而導(dǎo)致果穗所受力的波動(dòng)頻數(shù)最多。工況一中玉米果穗總體受力最平穩(wěn),但在2.2 s左右出現(xiàn)了剝皮輥啃穗現(xiàn)象如圖10所示,果穗受力急劇增加到了60 N左右,多次重復(fù)仿真,均出現(xiàn)此類現(xiàn)象。工況二中的玉米果穗,受力較平穩(wěn),且沒(méi)有出現(xiàn)啃穗現(xiàn)象。綜上可知,工況一與工況三的工作參數(shù)不合理,而工況二的工作參數(shù)設(shè)置較合理。

圖10 工況一中果穗出現(xiàn)啃穗現(xiàn)象

2.5.3 果穗轉(zhuǎn)動(dòng)速度分析

以時(shí)間為橫坐標(biāo),果穗轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖11所示。結(jié)果表明,剛開始進(jìn)入剝皮裝置沒(méi)有剝皮輥?zhàn)饔脮r(shí),果穗轉(zhuǎn)速很小或轉(zhuǎn)速為零,隨后果穗運(yùn)動(dòng)到剝皮輥,剝皮輥轉(zhuǎn)速越高,果穗繞自身軸線的轉(zhuǎn)速就越快。當(dāng)壓送器對(duì)果穗有作用力時(shí),果穗旋轉(zhuǎn)受阻,轉(zhuǎn)速減小。工況一、工況二、工況三中果穗平均轉(zhuǎn)速分別為57.59 r/min、58.86 r/min、61.92 r/min,其中工況三中的果穗轉(zhuǎn)速最快,對(duì)應(yīng)剝皮裝置實(shí)際工作中的果穗剝凈率可能最高。

圖11 不同工況下玉米果穗轉(zhuǎn)速曲線圖

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

采用西安電機(jī)廠Y160L-6型三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸入裝置,額定功率11 kW,額定轉(zhuǎn)速970 r/min,使用變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié),剝皮機(jī)下方配有籽粒篩選裝置,便于統(tǒng)計(jì)掉落籽粒數(shù)。

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)方法

用變頻器調(diào)節(jié)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,按仿真工況參數(shù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),每種工況重復(fù)3次試驗(yàn),每次試驗(yàn)按5 t/h喂入速度均勻投放10枚玉米果穗,以果穗落籽率、剝凈率以及籽粒破損率為試驗(yàn)指標(biāo)。

3.3 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果分析

剝凈率、落籽率、籽粒破損率依次按式(7)～式(9)計(jì)算[15]。

(7)

(8)

(9)

式中:BY——?jiǎng)儍袈?%;

Yj——?jiǎng)兿掳~數(shù),個(gè);

Yg——果穗上未被剝下苞葉數(shù),個(gè);

SL——落籽率,%;

WL——落下籽粒質(zhì)量,kg;

WZ——籽?？傎|(zhì)量,kg;

ZS——籽粒破損率,%;

WS——破損籽粒質(zhì)量,kg。

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,果穗剝凈率隨剝皮輥和壓送輪轉(zhuǎn)速增加而增大,工況一、工況二、工況三平均剝凈率分別為82.30%、90.22%、94.17%。其中工況三剝凈率最高,但落籽率和籽粒破損率也最高,平均落籽率和平均籽粒破損率分別為1.97%和1.77%;工況一中剝凈率最低,但落籽率與籽粒破損率卻很高,平均落籽率和平均籽粒破損率分別為1.41%和1.47%。在實(shí)際試驗(yàn)中,由于工況一壓送器轉(zhuǎn)速較慢,果穗跳動(dòng)未能被及時(shí)壓制而發(fā)生了跳躍,導(dǎo)致了落籽率與籽粒破損率高的情況;工況二中果穗有著較高剝凈率的同時(shí),落籽率和籽粒破損率最低,平均落籽率和平均籽粒破損率分別為0.97%和1.07%,綜上所述,工況二作業(yè)效果最好。

表5 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

4 仿真可信性分析

將仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表6 仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果比較分析

仿真中果穗平均受力及果穗平均轉(zhuǎn)速越大,對(duì)應(yīng)實(shí)際試驗(yàn)中的果穗剝凈率就越高,在工況三中,仿真中果穗平均受力最大,為18.08 N,果穗平均轉(zhuǎn)速最高,為61.92 r/min,實(shí)際試驗(yàn)中平均剝凈率最高為94.17%;仿真中受力方差越大,對(duì)應(yīng)實(shí)際試驗(yàn)中果穗落籽率、籽粒破損率就越高,在工況二中,果穗受力方差最小,為7.8,實(shí)際試驗(yàn)中的平均落籽率和平均籽粒破損率最低,分別為0.97%和1.07%。以上分析表明實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合,證明仿真具有一定可信性。

5 結(jié)論

1) 在分析玉米果穗剝皮裝置工作原理基礎(chǔ)上,使用RecurDyn軟件與EDEM軟件建立柔性化壓送輪的玉米剝皮裝置仿真模型,通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)得知,當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速為480 r/min,壓送輪轉(zhuǎn)速為96 r/min,喂入速度為500 kg/h時(shí),果穗平均受力為15.65 N,受力方差為7.8,果穗平均轉(zhuǎn)速為58.86 r/min,果穗有較大受力和較快轉(zhuǎn)速的同時(shí),受力方差較小。

2) 進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真可信性,當(dāng)剝皮輥轉(zhuǎn)速為480 r/min,壓送輪轉(zhuǎn)速為96 r/min,喂入速度為500 kg/h時(shí),果穗平均剝凈率為90.22%,平均落籽率為0.97%,平均籽粒破損率為1.07%,有著較高剝凈率的同時(shí),落籽率和籽粒破損率最低,試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相吻合。此研究表明利用EDEM-RecurDyn耦合建立玉米剝皮裝置離散仿真模型,可為此后玉米剝皮裝置試驗(yàn)工作提供前期指導(dǎo),節(jié)省試驗(yàn)成本,減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)。