玉米果穗离散元模型构建与脱粒仿真验证

针对玉米脱粒离散元仿真中果穗模型难以表征籽粒分离和芯轴破碎的问题，该研究构建了玉米果穗聚合体离散元模型并进行脱粒仿真验证。基于玉米芯轴3层结构采用分层建模与网格划分方法建立玉米芯轴离散元模型，结合Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验、Box-Behnken试验和仿真弯曲试验标定粘结参数；以马齿型玉米籽粒为原型，采用五球粘结的籽粒-芯轴连接方式建立玉米果穗聚合体离散元模型，仿真标定籽粒与芯轴的连接力；最后模拟梯形杆齿、圆头钉齿和纹杆块3种脱粒分离机构的玉米脱粒进程。结果表明：玉米芯轴弯曲破坏力和弯曲刚度仿真结果与实测平均值的相对误差分别为-0.12%和-0.14%，籽粒果柄轴向压缩力和径向压缩力仿真结果与实测平均值的偏差分别为-1.8和2.46 N，3种脱粒分离机构脱粒段仿真区域内籽粒平均法向接触力依次为12.50、12.32和8.03 N，3种脱粒元件对籽粒平均法向接触力的递减趋势与台架试验的籽粒破碎率变化一致，根据籽粒与脱粒元件接触合力的累积频率曲线确定籽粒破碎率的临界接触合力为550 N，仿真未脱净率依次为0.15%、0.37%、0.35%，较台架试验结果分别偏小0.07、偏高0.04和偏小0.25个百分点，沿滚筒轴向籽粒质量分布百分比曲线均表现为正偏态单峰分布，脱粒仿真试验的曲线峰值分别比台架试验高1.03、1.86和0.85个百分点，两者脱粒质量相近。该玉米果穗聚合体离散元模型参数标定准确，能够准确反映籽粒和芯轴的力学特性差异，可还原玉米脱粒分离过程，为后续脱粒分离机构的优化提供参考依据。     

基于仿生脱粒的鸡喙啄取玉米果穗引起籽粒离散过程分析

在先离散后脱粒工艺基础上,为探究玉米果穗的低损伤离散,该文利用玉米离散试验系统对鸡喙啄取玉米籽粒的过程进行试验研究。结果表明,鸡喙接触玉米籽粒后,籽粒离鸡喙越近,推力的水平分力越大,籽粒运动越明显,越容易从果穗上分离下来,籽粒离鸡喙越远,推力的水平分力越小,籽粒越难与果穗分离;离散过程中,籽粒遵循"组砌规律"进行力的传递,传递的范围近似为"塔形",脱离果穗的籽粒的运动类似于斜抛运动;玉米果穗在果穗切线方向上的受力最大,其次是玉米果穗轴线方向上的受力,垂直于试验台方向上的受力最小;验证试验结果:玉米果穗的平均离散率为67.53%,平均离散损伤率为0.16%,表明模仿鸡喙的离散辊对玉米果穗有较好的离散效果,且损伤率低。该研究对低损伤玉米脱粒系统的设计提供了仿生学思路。     

内充式排种器工作过程和性能的离散元法仿真分析

为建立一种排种器设计的新方法,以内充式排种器和小麦种子为研究对象,由排种器的CAD（computer aided design,计算机辅助设计）模型建立了该排种器的二维离散元法分析模型,采用圆弧组合的方法建立了小麦种子的二维颗粒模型,采用自主研制的二维离散元法软件,分析了该排种器的工作过程及性能。同时将排种器台架试验结果与离散元法分析结果进行了比较,两者基本一致,初步证明采用离散元法分析内充式排种器工作过程和性能的可行性,为内充式排种器的研究和优化设计建立了一种新方法。     

组合内窝孔精密排种器清种过程的离散元法仿真分析

建立了种子和组合内窝孔精密排种器的离散元法分析模型,采用离散元法分析该排种器的清种过程,通过改变排种器的CAD模型(CAD软件设计图)和离散元法计算参数,分析不同尺寸和运动参数排种器的清种性能,并将离散元法分析结果与试验结果进行比较,由此证明了采用离散元法分析排种器的可行性和优点,为精密排种器的研究和优化设计提供了一种新方法.     

离散元法及其在农业机械工作部件研究与设计中的应用

提出由农业机械工作部件的CAD模型建立其离散元法分析模型,在此基础上实现CAD软件与离散元法性能分析软件的集成,从而构建一种与散粒物料相互接触作用的农业机械工作部件的通用数字化设计方法和集成分析设计软件的思想。介绍了该数字化设计方法和集成分析设计软件的体系结构和主要功能,概述了在建立该方法和软件方面存在的问题及研究工作进展情况。     

含水率对玉米果穗抗压特性的影响

为研究玉米果穗的抗压特性及破裂机理,探索含水率对玉米果穗抗压特性的影响,该文先分析了玉米果穗的生物特性,然后选取2个品种的玉米果穗,含水率处理至5个标准,在电子万能试验机上进行了静态压缩试验。试验结果表明:玉米芯含水率对玉米果穗抗压特性有极大影响,含水率低于13%时,随着含水率的降低果穗抗压能力小幅度增强;含水率在13%~25%内,随着含水率的增加果穗抗压能力增强;含水率高于25%后抗压能力急剧减弱;含水率为25%时玉米果穗抗压能力最强;玉米果穗的破裂是由内向外逐步破裂的过程,在受压过程中,芯髓最先破裂,随后木质环形体破裂,木质环形体是玉米果穗抗压的主要部位;玉米果穗在受压过程中存在籽粒脱落的现象,对玉米果穗施加的载荷值低于610 N不仅可以防止果穗断裂而且有利于脱粒。该研究结果可为玉米不断芯脱粒的进一步研究提供参考。     

不同含水率玉米果穗机械脱粒对发芽率的影响

用深马齿型玉米品种‘渝单30’研究不同含水率果穗机械脱粒对种子发芽率的影响,结果表明,直接晒干的玉米果穗机械脱粒种子发芽率最高,也几乎没有感染霉菌。在实际生产中,在条件允许的情况下,提倡将果穗晒干后再进行脱粒。     

基于三维激光扫描的水稻种子离散元建模及试验

在采用离散元法进行精量播种、收获、清选等关键部件的工作过程仿真分析时,需要建立与物料真实形态逼近的三维离散元颗粒模型。目前非规则形状物料常规建模方法是将其近似处理为规则体,导致仿真精度降低。该文以水稻为研究对象,提出一种基于三维激光扫描建立水稻等非规则颗粒材料的三维离散元建模方法,运用三维激光扫描技术获取其点云,利用自动化逆向工程软件Geomagic Studio和SolidWorks对种子进行点云处理和逆向建模,得到种子轮廓模型及其空间坐标信息,并基于颗粒聚合体理论建立水稻种子的三维离散元模型。通过离散元分析软件EDEM分别对三维激光扫描的水稻种子离散元建模和常规椭球体处理离散元建模条件下水稻种子的自然休止角进行仿真测定,并与实际水稻种子自然休止角测定试验结果进行对比分析,得出2种建模方法所得自然休止角与实际试验结果的误差分别为0.24%和8.83%,证明了基于三维激光扫描的水稻种子离散元建模方法的有效性和可行性。该建模方法为提高非规则物料离散元仿真精度提供了一种新手段。     

玉米种子仿生脱粒机性能试验与参数优化

玉米种子仿生脱粒机是依据鸡喙离散玉米籽粒过程和裸手脱粒玉米籽粒过程的先离散后脱粒原理设计的,其具有低损伤、低破碎率等特点。为了优化玉米种子仿生脱粒机脱粒系统的有关参数,进而降低玉米种子在脱粒过程中的损伤,该文采用二次回归正交旋转组合设计的方法,以籽粒破碎率和脱净率为主要性能指标,选取差速辊转速、离散辊转速、脱粒辊转速和离散辊间隙、脱粒辊间隙为试验因素,对玉米种子仿生脱粒机进行了性能试验。并依据试验结果分别对离散辊转速与脱粒辊转速对破碎率和脱净率的影响,以及离散辊间隙与脱粒辊间隙对破碎率和脱净率的影响进行分析。分析结果表明:当离散辊转速在150~180 r/min和310~350 r/min,脱粒辊转速在270~350 r/min时,破碎率取得较小值;当离散辊转速在230~300 r/min,脱粒辊转速在150~200 r/min范围内时,籽粒脱净率取得最大值100%。当离散辊间隙在0~4 mm,脱粒辊间隙在5~9.2 mm时,籽粒破碎率取得最小值。当脱粒辊间隙在0~2.2 mm时脱净率取得最大值100%。综合以上结论,在试验拟合曲线的基础上按综合评价法进行优化,得到最优参数组合为差速辊转速90 r/min,离散辊转速350 r/min,脱粒辊转速为350 r/min,离散辊间隙4.6 mm,脱粒辊间隙4.6 mm。测得此时破碎率为0.226%,脱净率为99.317%,玉米芯完整度为100%,达到国家标准要求。     

切流-横轴流玉米脱粒系统改进设计及台架试验

对玉米脱粒过程的研究,理论分析与数学建模存在着理想假设的局限性,整机田间试验受制于系统结构、环境条件而不能深入测试分析。为便于室内研究玉米脱粒过程,以4YL-4/5型收获机脱粒系统为参照,设计了切流-横轴流脱粒试验系统,结构设计模块化,可根据需要更换脱粒滚筒等关键零部件或调整技术参数,以便兼顾开展多种谷物脱粒试验研究。工作参数标定表明,试验台架可满足最高37 k W的工作负载,满足滚筒线速度为0~29.06 m/s、喂入量为0~8.08kg/s的谷物脱粒试验。在入口脱粒间隙为36 mm,出口间隙为12 mm,喂入量为2.6 kg/s的条件下,切流滚筒采用螺旋柱齿结构、横轴流滚筒采用柱齿-板齿结构形式,以不同的横轴流滚筒线速度为测试速度,对含水率在22%~32%的玉米果穗进行脱粒试验,试验表明:切流滚筒的脱粒物质量占比随着含水率的增加而减弱,当含水率在28%以下,切流滚筒与横轴流滚筒脱粒筛分段的脱粒能力几乎相当,当含水率高于28%,切流滚筒的脱粒物质量占比下降明显。脱粒系统在线速度15.84~18.72 m/s和含水率为22%~26%的条件下,籽粒破碎率指标满足国标规定值≤5%。在滚筒线速度为17.28 m/s、含水率为24%~26%区间内,脱粒系统的籽粒破碎率最低,平均值为1.7%。通过脱粒试验台,将玉米脱粒过程的试验研究与田间测试有效结合,可为玉米籽粒收获机脱粒系统的设计提供科学依据。     

挤搓式玉米脱粒机的研制

为了解决我国长期以来存在的种子玉米脱粒损失量大的问题，该文介绍了一种利用挤搓原理的，宽板齿、低转速脱粒滚筒、栅格式凹板结构的玉米脱粒机的设计方法。该系列脱粒机的特点是脱净率高、破碎率低，适应玉米籽粒含水率在13％～20％范围内，既适合普通玉米脱粒、也适合种子玉米脱粒。该玉米脱粒机在设计上采用了挤搓脱粒技术。经过对该应用技术设备的设计、试制、试验、使用及测试，其结果表明，完全适合种子玉米脱粒。该文还介绍了在对该玉米脱粒机进行设计研究过程中初步总结的一些规律和认识。     

纹杆块与钉齿组合式轴流玉米脱粒滚筒的设计与试验

为解决黄淮海地区玉米直接进行籽粒收获破碎率和未脱净率高的问题,该文在分析现有脱粒滚筒结构特点的基础上,设计了组合式轴流玉米脱粒滚筒,选取滚筒转速、滚筒倾角和凹板间隙为试验因素,在自制的玉米脱粒试验台上进行了单因素试验和正交试验,并运用SAS统计分析软件对试验结果进行了分析。单因素试验结果表明:随着滚筒转速的增大,籽粒破碎率先降低后升高,未脱净率则急剧减小并趋于稳定;随着滚筒倾角的增大,籽粒破碎率和未脱净率则逐渐变小;随着凹板间隙的增大,籽粒破碎率先降低后升高,未脱净率先升高后降低并趋于稳定。正交试验结果表明:影响籽粒破碎率和未脱净率的主次因素顺序均为滚筒转速、滚筒倾角、凹板间隙,且转速430 r/min、滚筒倾角6?和凹板间隙55 mm时籽粒破碎率和未脱净率均最低。该研究可为高含水率玉米脱粒滚筒的设计提供参考。     

玉米低损籽粒直收机自动控制系统设计与试验

针对玉米籽粒直收机收获过程中无法自主调整工作参数,导致极端作业条件下收获后籽粒破碎率偏高的问题,该研究以降低籽粒破碎率为目标,设计了一种玉米籽粒直收低损收获自动控制系统。以4LZ-8型玉米籽粒直收机为研究对象,建立了脱粒滚筒转速、凹板间隙和行车速度控制模型,并基于收获参数对籽粒破碎率的回归模型,设计了低损收获自动控制策略。此外,针对传统PID控制系统存在的响应时滞、超调量大、精度差的问题,设计了基于改进粒子群算法的自动控制系统,利用非线性惯性权重递减算法融合布谷鸟算法的随机游走策略,不断更新粒子群的速度和位置,并对改进粒子群算法进行了性能测试,结果表明该算法有效改善了标准粒子群算法容易陷入局部最优值的问题。对低损收获自动控制系统进行的仿真对比试验和田间验证试验结果表明,改进粒子群算法对脱粒滚筒转速、凹板间隙和行车速度具有较好的控制精度、响应速度和稳定性,超调量和超调时间较小,当脱粒滚筒转速为380 r/min、凹板间隙为42 mm、行车速度为2.5 km/h时,自动控制系统在3 s以内调整籽粒直收机作业参数,将籽粒破碎率最终稳定在3.80%左右,满足标准要求。研究成果可为其他作物生产机...     

用于定向播种的玉米种穗图像精选方法

玉米定向播种,要求籽粒形状扁平、具有方向性。为了减少玉米粒精选的工作量,该文以玉米种穗为对象,研究适合定向播种的玉米种穗图像精选方法。设计玉米种穗精选传输装置,实现了对玉米种穗的动态图像采集和精选。根据种穗的外形特征判断小种穗;利用R+G-2B方法加强黄色籽粒区域,根据黄色籽粒区域与整个种穗的面积比判断缺粒及霉变种穗;利用种穗图像的横向和纵向像素值累计分布特征,追踪中间穗行的籽粒轮廓,并通过其端面矩形度,判断籽粒合格的种穗。随机抽检50个种穗样本,结果表明:外形特征的检测准确率为100%,缺粒及霉变的检测准确率为96%,穗上籽粒端面矩形度的检测准确率为98%,总体检测准确率为94%。该文为定向播种用玉米籽粒精选前期的种穗精选提供了一种图像识别方法。     

基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定

由于EDEM(离散元法)中建立的玉米种子颗粒模型与实际玉米种子在外形、表面粗糙度等方面存在差异,若直接将实际测量的物性参数引入EDEM中进行仿真,会出现仿真失真的情况。针对此问题,该文提出一种建立数学回归模型主动寻找目标参数的方法,简化标定过程,将仿真试验和真实试验相结合,对玉米种子颗粒模型的种间静摩擦系数和滚动摩擦系数两个关键参数进行标定,使其在EDEM中建立的玉米种子颗粒重新获得与真实颗粒相近的物理特性。利用两种接触材料(有机玻璃板与铝质圆筒)进行玉米种子堆积角仿真试验,建立两个自变量为种间静摩擦系数、种间滚动摩擦系数的二元回归方程。以实际测量种群堆积角作为已知目标量进行数值求解,求得EDEM中玉米种间静摩擦系数和滚动摩擦系数这两个目标参数:玉米种间静摩擦系数为0.0338,玉米种间滚动摩擦系数为0.0021。将标定的玉米种子物性参数输入EDEM中进行仿真试验,通过提取关键特征尺寸和图像边界将试验结果与实际试验结果进行对比,结果表明:关键特征尺寸数值差异在4.70%以内,标定后的玉米种子堆积角边界与实际情况更接近,提高了仿真结果的可靠性。     

玉米高通量自动考种装置设计与试验

考种是玉米育种的重要环节,针对现有考种方法分别进行玉米果穗或玉米籽粒考种参数测量,难以满足玉米商业化育种过程大量样本自动考种需求的现状,该文设计了一种玉米高通量自动考种装置,主要包括玉米果穗考种单元、自动脱粒单元、玉米籽粒考种单元、后处理单元及系统控制单元,可实现玉米果穗考种、自动脱粒、籽粒考种、籽粒提升、籽粒封装、标签打印等全过程的自动化.依据设计方案进行原理样机试制及试验,结果表明:该装置可实现玉米穗质量、果穗长宽、穗行数、行粒数、秃尖区域、籽粒厚度、籽粒长、籽粒宽、穗粒数等考种参数的实时测量,且对果穗长、宽的平均测量精度分别为99.13％,99.25％、对籽粒数量的平均测量精度为99.39％.样机对单个玉米考种时耗时约为27.2 s,连续考种作业时处理速度达4穗/min.该研究为玉米高通量自动考种装备的实现提供了参考.     

种子玉米籽粒果柄断裂机理试验研究

为降低种子玉米脱粒过程中的机械损伤,掌握种子玉米籽粒果柄的断裂机理,该文对不同品种、不同籽粒含水率、不同施力方式下的种子玉米籽粒果柄断裂特性进行了分析,试验结果表明：随籽粒含水率的增大,果柄抗压强度、抗弯强度、抗剪强度都减小,但抗拉强度增大;压力施力方式对果柄断裂力的影响程度最大,剪切力施力方式对果柄断裂力的影响程度最小;在同一分离方式下,不同品种玉米粒穗分离的难易程度不同。从而为玉米种子低损伤脱粒方式及部件研究和脱粒系统设计提供依据。     

玉米种子的跌落式冲击试验

为降低玉米种子脱粒过程中的机械损伤,掌握玉米籽粒冲击破碎机理,在跌落式冲击试验台上,对不同品种的玉米籽粒进行了冲击破碎试验,分析了在不同籽粒含水率、不同冲击位置下玉米种子籽粒的力学性质。试验结果表明：籽粒破碎的最大冲击力随籽粒含水率的增加而降低;玉米籽粒在不同冲击面下所能承受的最大冲击力有显著差异,在同一籽粒含水率下,腹面承受的最大冲击力最大,侧面次之,顶面最小;在同一冲击面下,不同品种玉米籽粒抵抗冲击破裂的能力不同,其原因与籽粒的内部结构、形状等因素有关。研究成果对进一步研究玉米种子的力学性质、损伤机理、开发有序脱粒工艺具有重要的意义。