谷子摩擦特性试验及其影响因素分析

为了给谷子机械化播种、收获、加工、储运等作业装备设计及相关技术应用提供摩擦特性参数,该文运用自制的小籽粒休止角测定装置、摩擦系数仪、直剪仪等试验设备,测定了含水率分别为10.7%、13.7%、16.0%、19.8%的谷子的形态尺寸和休止角、滑动摩擦系数、内摩擦系数等摩擦特性参数。分别分析了含水率对谷子各摩擦力学特性参数的影响规律,不同接触材料对谷子滑动摩擦系数的影响,以及剪切速度和垂直应力对谷子内摩擦系数的影响规律。试验结果表明：含水率的变化对谷子形态尺寸的影响不显著（P>0.05）;谷子休止角随含水率增加而线性增大（R2=0.9875）;谷子与钢板、铁板、亚克力板间的动、静滑动摩擦系数均随含水率的增加而线性增大（R2≥0.9795）,与钢板间的滑动摩擦系数最小,亚克力板次之,铁板最高;谷子内摩擦系数受剪切速度的影响并不显著（P>0.05）,随着含水率的增加而线性增大（R2≥0.908）,随着垂直应力的增大而减小。研究结果可为谷子机械化装备的研发与设计提供参考。     

基于颗粒缩放的小麦粉离散元参数标定

为获得小麦粉离散元仿真精确的接触参数,将不规则形状的小麦粉简化成软质球形颗粒,利用颗粒接触缩放原理和量纲分析进行颗粒缩放,将平均粒径0.212 mm的小麦粉放大至1.2 mm,选择"Hertz–Mindlin with JKR"接触模型,利用休止角对接触参数进行标定。首先通过Plackett-Burman试验筛选出对休止角影响显著的参数:表面能JKR(Johnson Kendall Roberts)、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数、小麦粉-不锈钢静摩擦系数;然后根据Box-Behnken试验建立并优化休止角与显著性参数的二阶回归模型,得到显著性参数的最佳组合为JKR为0.157、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数为0.25、小麦粉-不锈钢静摩擦系数为0.58;最后用标定参数仿真所得休止角大小与真实试验值进行对比,二者相对误差为0.61%。结果表明标定所得的接触参数可用于小麦粉放大颗粒的离散元仿真,为定量供送螺杆的设计提供参考。     

基于堆积试验的小麦离散元参数分析及标定

为确定小麦离散元仿真参数,以真实试验及不同参数组合下仿真得到的小麦颗粒堆休止角为响应值,基于响应面优化标定了小麦离散元仿真参数。研究应用Plackett-Burman试验对8个初始参数进行筛选,发现小麦-小麦静摩擦系数、小麦-有机板静摩擦系数以及小麦-小麦滚动摩擦系数对颗粒堆休止角影响显著。在通过最陡爬坡试验确定显著性参数最优值区间的基础上,根据Box-Behnken试验结果建立了休止角与显著性参数的二阶回归模型并对其进行优化,得到显著性参数的最佳组合为:小麦-小麦静摩擦系数0.58、小麦-有机板静摩擦系数0.61、小麦-小麦滚动摩擦系数0.08。最后将最佳参数组合下仿真得到的休止角与真实试验值进行对比验证,发现二者无显著性差异(P0.05),表明应用响应面优化标定小麦离散元仿真中所需的参数是可行的;同时,标定所得的最佳参数组合可为小麦离散元仿真参数的选取提供参考。     

冰草种子物性参数测定与离散元仿真参数标定

为了提高冰草种子丸化包衣过程离散元仿真模拟试验所用参数的准确度，该研究通过物理试验和仿真试验相结合的方法对仿真参数进行标定。首先，采用物理试验的方法测定冰草种子的基本物性参数（外形尺寸、千粒重、密度、含水率、泊松比、弹性模量和剪切模量）和接触参数（静摩擦系数、滚动摩擦系数和碰撞恢复系数），参考物理试验测定结果选择仿真试验参数取值范围，采用Plackett-Burman试验对仿真参数进行显著性筛选，筛选试验结果表明：冰草种子-冰草种子静摩擦系数、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数对仿真试验休止角有显著性影响。进一步通过最陡爬坡试验确定3个显著性参数最优取值范围，并根据Box-Behnken设计试验得到显著性参数与休止角的二阶回归模型，以物理试验实测的休止角30.54°为优化目标值获得最优参数组合：冰草种子-冰草种子静摩擦系数为0.57、冰草种子-冰草种子滚动摩擦系数为0.74、冰草种子-冰草种子碰撞恢复系数为0.54。最后对物理试验休止角和仿真试验休止角进行双样本T检验得出P>0.05，结果表明仿真得到的休止角与物理试验值无显著性差异，且最优参数组合下仿真试验休止角结果30.86°与物理试验休止角结果30.54°的相对误差为1.037%，进一步验证了仿真试验的可靠性。研究结果表明标定所得的最优参数可用于冰草种子丸化包衣过程的离散元仿真试验。     

不同含水率黏重黑土与触土部件互作的离散元仿真参数标定

为了获得可用于东北地区黏重黑土与触土部件相互作用的离散元仿真模拟参数,该文利用EDEM中Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接触模型对不同含水率的东北地区黏重黑土进行相关参数标定,针对含水率在10%～20%的实际作业环境,分别配置含水率为12.46%±1%和17.15%±1%的2种黏重黑土,以土壤颗粒间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,并以土壤颗粒的仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken的响应面优化方法得到堆积角回归模型,并对回归模型进行寻优,得到2种含水率的模型参数优化解,并给出了模型参数范围。测定了4种含水率下黏重黑土对3种触土部件材料(65Mn、UHMW-PE和PTFE)的静摩擦系数,并以此为基础分别对65Mn(典型铁基材料)和PTFE(典型低表面能材料)板进行斜面试验,以含水率为17.15%±1%的黏重黑土为试验对象,分别搭建斜面物理试验平台和仿真模型,以土壤颗粒与触土部件材料之间的滚动摩擦系数、恢复系数、表面能参数及静摩擦系数为标定对象,以仿真得到的土球在65Mn和PTFE板上的滚动距离为响应值,基于响应面优化法得到滚动距离回归模型,以实测的滚动距离为目标对回归模型进行寻优,得到黏重黑土对2类典型触土部件材料接触模型参数的优化解。研究结果表明,标定优化后的土壤模型能够近似代替真实的东北地区黏重黑土进行仿真,可利用标定后的参数进行黏重黑土与触土部件间的离散元仿真,可为东北黏重黑土作业条件下的农业机械触土部件仿生减阻设计与优化提供基础数据。     

联合收获油菜脱出物离散元仿真参数标定与试验

针对油菜联合收获清选装置气固耦合仿真分析中缺乏准确可靠的离散元仿真参数的问题,该研究以宜收获时的联合收获油菜脱出物为对象,基于颗粒离散元法的EDEM仿真软件对主要组分接触参数进行标定。开展了油菜茎秆径向单轴平板全压缩试验,测量分析了油菜茎秆泊松比、弹性模量等特征参数;通过斜面法和自由跌落试验测定了籽粒、茎秆、荚壳和钢板间静摩擦系数及碰撞恢复系数,确定了颗粒模型接触参数取值范围。以茎秆堆积角为试验指标,通过基于EDEM 的Plackett-Burman试验筛选出对茎秆堆积角有显著影响的参数,开展了最陡爬坡试验确定了显著性参数最优取值范围,进一步通过Box-Behnken试验建立了显著性参数与茎秆堆积角的二阶回归模型,优化得出了茎秆接触参数最佳组合。标定结果表明：显著性参数最优组合为茎秆-茎秆静摩擦系数0.707、茎秆-茎秆动摩擦系数0.015和茎秆-钢板动摩擦系数0.012,在接触参数最优组合条件下,茎秆仿真堆积角与实际堆积角相对误差为0.54%。在标定参数组合下,基于DEM-CFD开展了油菜联合收获旋风分离清选装置气固耦合分析,并进行了台架验证试验,仿真试验结果表明：旋风分离清选清洁率为94.42%,损失率为3.96%,与台架试验相对误差分别为2.81%和7.48%,验证了标定参数的可靠性,可为油菜联合收获离散元仿真分析提供基础接触参数。     

机施有机肥散体颗粒离散元模型参数标定

针对有机肥离散元模型接触参数和接触模型参数难以通过查阅文献或试验直接获得的问题,该文提出一种通过仿真试验建立回归模型并结合物理试验寻优的方法,对有机肥离散元模型参数进行标定。考虑到有机肥颗粒间的凝聚力,选择"Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts"接触模型。应用Plackett-Burman Design对有机肥离散元模型参数进行筛选,得到对休止角有显著影响的参数,即有机肥-有机肥滚动摩擦系数、表面能JKR和有机肥-钢板滚动摩擦系数;通过最陡爬坡试验确定了显著性参数的最优值区间,应用Central Composite Design建立并优化了休止角与显著性参数的回归模型,以实际休止角为目标,求解得到显著性参数最优值,即有机肥-有机肥滚动摩擦系数为0.10,JKR为0.015,有机肥-钢板滚动摩擦系数为0.11。在标定的参数下进行仿真验证试验,仿真休止角与实际休止角的相对误差为0.42%,无明显差异,表明标定的参数准确,可以为有机肥离散元模型参数的选取提供参考。     

苜蓿秸秆压缩仿真离散元模型参数标定

为了提高苜蓿秸秆压缩过程中离散元仿真研究所用参数的准确度,该研究采用物理试验和仿真优化设计相结合的方法对离散元仿真参数进行标定。首先,以接触参数物理试验结果为仿真参数选择依据,利用Plackett-Burman试验对初始参数进行显著性筛选,方差分析结果表明,苜蓿秸秆-苜蓿秸秆静摩擦系数、苜蓿秸秆-苜蓿秸秆滚动摩擦系数、苜蓿秸秆-45钢静摩擦系数对仿真休止角影响显著。进一步以休止角的相对误差值为评价指标,对3个显著性参数进行最陡爬坡试验,优化显著性参数取值范围,并基于Box-Behnken试验建立休止角与显著性参数的二阶回归模型,以物理试验得到的38.88°休止角为目标值,对显著性参数进行寻优,得到最优组合:苜蓿秸秆-苜蓿秸秆静摩擦系数为0.45、苜蓿秸秆-苜蓿秸秆滚动摩擦系数为0.08、苜蓿秸秆-45钢的静摩擦系数为0.54。最后利用T检验得到P0.05,表明仿真休止角与物理试验值无显著性差异,验证了最优参数组合的可靠性。研究结果表明,应用上述各优化试验来标定离散元仿真参数是可行的,同时标定的参数可为苜蓿秸秆的其它仿真试验提供参考。     

海南热区砖红壤颗粒离散元仿真模型参数标定

为获取适用于海南热区砖红壤与触土部件相互作用的离散元仿真模型参数,该文利用EDEM仿真软件中Hertz-Mindlin with JKR接触模型对海南地区砖红壤进行相关模型参数标定,首先以含水率为7.8%、实际休止角为32.35°的砖红壤为研究对象,以物理试验获取的砖红壤-砖红壤、砖红壤-触土部件间恢复系数、静摩擦系数及滚动摩擦系数为标定对象,应用Plackett-Burman设计试验筛选出对休止角有显著影响的参数:即砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数、JKR表面能、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数、砖红壤-砖红壤恢复系数。进一步以砖红壤颗粒休止角为响应值,基于Box-Behnken设计试验得到休止角与显著性参数的二阶回归模型,并以实际休止角为目标,针对显著性参数进行寻优,得到最佳组合:砖红壤-砖红壤滚动摩擦系数为0.07、砖红壤-28MnB5板滚动摩擦系数为0.24、砖红壤-砖红壤恢复系数为0.4、JKR表面能为4.31J/m^2。最后在标定的参数下进行休止角与破土阻力离散元仿真验证试验,对比计算得出仿真休止角与实测休止角相对误差为0.62%,仿真破土阻力与实测破土阻力相对误差为3.43%,并通过对比分析两次试验中破土阻力变化曲线的拟合情况,得出两曲线间的可决系数R2=0.993 9,均方根误差RMSE=0.017 7,该结果表明标定所得相关参数可用作海南热区砖红壤离散元仿真。     

掺混肥常用基础肥料的物理性状及其适配性

【目的】分析评价了不同产地、厂家生产的基础原料肥的理化性质,根据影响掺混肥养分分布的主要物理指标对原料肥进行分类掺混,验证我国主要原料肥的混合性,并确定影响养分分离的主要因素。【方法】收集市场上常用的单质氮磷钾肥,测试了肥料颗粒粒径、平均主导粒径 (SGN)、均匀度指数 (UI)、硬度、休止角、密度、酸碱度、盐指数。根据密度、SGN和休止角对基础肥料进行分类,依据指标相近和不相近原则,选择基础肥料组合,每个组合配置N∶P₅O₂∶K₂O比为1∶1∶1和2∶1∶1两个掺混肥样品。利用外槽轮排肥机,模拟了上述13种掺混肥样品在排肥速度为6、8、10、12 km/h下的养分分布情况。【结果】供试基础氮、磷、钾肥的平均主导粒径分别为305～469、264～345、281～348;均匀度指数分别为41.68～69.94、46.03～60.08、40.27～47.27;密度分别在0.71～0.87、0.84～1.05和1.03～1.19 g/cm3之间,整体呈现钾肥优于磷肥,磷肥优于氮肥的趋势。供试基础肥料中氮肥硬度普遍偏低,除江苏产氯化铵 (N₆) 外,其余肥料硬度均在0.20～13.27 N之间;磷、钾肥硬度相对较高,分别为27.47～41.38 N和23.55～48.47 N。尿素和磷肥多为圆形或椭圆形,休止角较小,6个供试钾肥和硫酸铵均为不规则多边形,休止角偏大,不太适宜掺混。按照密度、SGN、休止角从小到大划分,将22种基础原料肥分为三个等级,并根据上述三个指标相近和不相近原则进行掺混,共配制出13个掺混肥样品,其氮磷钾养分比例为1∶1∶1或2∶1∶1,对这些样品进行的模拟施肥结果表明,在排肥机前进速度为6 km/h、掺混比为2∶1∶1时,SGN、休止角指标相近的掺混肥施用后的养分分离度小、可利用性高。其中,施用后养分分布最均匀的为N₁P₁K₅ (按SGN相近原则掺混),掺混后养分比为1.64∶0.98∶1.40;最不均匀的为N₇P₇K₅ (按SGN不相近原则掺混),施肥后养分比为2.22∶0.79∶0.78。休止角越小,摩擦力越小,流动性越好。选用休止角较小的原料肥,并减小原料肥间休止角差异,可降低掺混肥养分分离状况。本研究供试原料肥密度在0.71～1.19 g/cm3之间,且对掺混后养分均匀性无显著影响。【结论】80%试验肥可作为掺混原料,基础肥料颗粒的平均主导粒径SGN和休止角是影响掺混肥养分分离的主要因素。原料肥SGN值在340～348之间较适宜掺混,休止角越小掺混后养分分布越均匀。实际生产过程中,应选用颗粒相似、休止角间差异小的原料肥进行掺混,可有效提高产品施用的精准度。     

不同成熟度芡实的力学性能试验分析

随着芡实种植和消费量的增大,芡实生产的机械化要求逐渐成为芡实发展的瓶颈,其中芡实破壳机械设备的研制成为芡实产后加工过程中的一个关键问题。为给芡实破壳机械设计提供依据,对不同成熟程度芡实进行了压缩和剪切试验,分析芡实的成熟程度及受力方向对其力学性能的影响。试验结果表明,芡实在压缩和剪切试验中破裂所产生的受力载荷—变形曲线是相似的,但裂纹的产生部位和扩展方式不同;芡实破裂时的破壳力、变形量、应变能及应变能密度都随其成熟度的增加而增大;理论上垂直于芡实脐眼方向进行剪切破壳加工相对较容易。试验结果为芡实破壳机械设备的研发提供了参数依据。     

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。     

粉碎秸秆类生物质原料物理特性试验

为分析秸秆类生物质原料的物理特性,该文选取自然晾晒后(全水分8%左右)的6种不同地区玉米秸秆和5种不同种类秸秆,细粉(粒度0～10mm)后进行物理特性研究。结果表明,粉碎秸秆的自然和振实堆积密度范围分别在37.43～140和48.40～200kg/m3之间,静态和动态堆积角分别在44°～51°和17°～31°之间,与金属、橡胶材料的最大静摩擦系数分别在0.45～0.55和0.51～0.62之间,内摩擦系数在0.53～0.73之间。不同地区玉米秸秆和不同种类秸秆的堆积密度和堆积角均不同,秸秆品种和原料的均匀度对堆积密度有影响,不同种类秸秆堆积密度差异较大。原料的全水分越高,堆积角越大。摩擦特性和流动特性无明显差异。这说明在秸秆原料的压缩、输送、储存等相关装备及工艺路线的设计中,应充分考虑不同地区、不同种类的秸秆原料堆积特性的差异性。该研究为秸秆类生物质原料的利用提供基础数据支撑。     

花生种子颗粒离散元仿真参数标定与试验

由于花生排种装置在优化设计过程中缺乏准确的仿真模型参数，从而造成仿真与理论计算结果存在较大误差，一定程度上制约了花生排种装置的发展。该研究系统测定了花生种子的三轴尺寸、颗粒密度、弹性模量、泊松比等本征参数及其静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数。通过开展花生种子颗粒堆积试验，标定得到花生种间静摩擦因数为0.213，种间滚动摩擦因数为0.035。为检验标定参数的可靠性，开展了花生堆积角仿真与物理试验对比。结果表明花生物理堆积角和仿真堆积角相对误差为0.22%。通过开展机械式花生精量排种器的仿真与台架排种性能的对比试验，得到排种性能中漏播指数、重播指数相对误差分别为8.24%、5.12%，结果表明花生标定参数具有可靠性。本研究结果可为排种装置的优化设计与仿真研究提供理论参考。     

稻谷颗粒物料堆积角模拟预测方法

为了准确预测颗粒物料的堆积角,研究采用数值仿真方法对堆积状态的颗粒物料进行模拟预测。以稻谷颗粒物料为例,应用离散元法和MATLAB图形图像处理技术,模拟了稻谷在无底圆筒中落料堆积现象,并对堆积图像轮廓采取线性拟合,在非试验条件下预测出稻谷堆积角,预测堆积角为22.66°±0.49°,与实际堆积试验比较,试验堆积角为22.62°±0.33°,误差为0.18%。结果表明:数值模拟结合图像特征提取的方法对稻谷颗粒物料堆积角的测量有较好的适用性,能实现对已知物理及力学参数的椭球形颗粒物料堆积角的预测,研究的结果可为农业散体非规则形籽粒堆积角的数值测量提供参考。     

基于离散元的西北旱区农田土壤颗粒接触模型和参数标定

为了解决利用离散元法模拟土壤作业过程在预测农具阻力和土壤动态运动时存在失真等问题,整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性内聚力模型(liner cohesion model,LCM)优势建立西北旱区农田土壤模型,以不同参数(静摩擦系数、动摩擦系数和内聚强度)组合下仿真得到的土壤仿真堆积角为响应值,基于Box-Behnken试验法建立回归模型,并根据该回归模型进行了参数预测并验证,对17组土壤仿真堆积角方差分析表明:静摩擦系数、动摩擦系数、动摩擦系数和抗剪强度的交互项、动摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响极显著;静摩擦系数和动摩擦系数的交互项、静摩擦系数的二次项对仿真堆积角的影响显著。使用预测的参数进行6种不同含水率土壤直接剪切仿真和试验对比可知,当含水率为1%~20%时,仿真与试验间的抗剪强度相对误差为1.18%~9.31%,仿真与试验间的内摩擦角相对误差为0.55%~4.07%。对仿真和试验鸭嘴插入阻力数据进行分析可知,仿真与试验曲线在入土距离处于0~50 mm期间时,但仿真入土阻力曲线波动较大,仿真和试验阻力走势基本一致,玉米直插穴播最深处50 mm处的仿真和试验入土阻力相对误差为0.928%,可利用此时的入土阻力分析直插鸭嘴结构对强度的影响。