基于EDEM的猪粪接触参数标定

为准确快速获得畜禽粪便的接触参数,该研究通过物理堆积试验与仿真方法对猪粪接触参数进行了标定。测定了不同含水率下猪粪的堆积角,建立了含水率与堆积角的回归方程;基于Hertz-Mindlin with JKR球体粘结模型,进行了离散元仿真模拟;采用筛选试验设计(Plackett-BurmanDesign,P-BD)对10个初始参数进行了筛选,发现JKR(Johnso-Kendall-Roberts)表面能、颗粒间滚动摩擦系数、颗粒间碰撞恢复系数对猪粪堆积角影响显著;并根据响应曲面试验设计(Box-BehnkenDesign,B-BD)建立了堆积角与显著性参数的二阶回归模型,得到了3个显著性参数值分别为JKR表面能0.03J/m~2、颗粒间滚动摩擦系数0.27、颗粒间碰撞恢复系数0.54;将仿真所得堆积角与物理试验值进行对比验证,相对误差为4.27%。结果表明,该研究提出的标定方法能准确模拟物理堆积试验,可为畜禽粪便接触参数的标定提供参考。     

种层厚度对油麦兼用集排器供种装置充种性能的影响

为研究种层厚度对油麦兼用集排器供种装置充种性能的影响,该文运用EDEM(engineering discrete element method)软件和高速摄像技术,对不同种层调节板倾角和种层厚度的种群运动与供种性能进行了仿真与试验研究。EDEM仿真分析了种层厚度与转速对种群压力、种群与供种机构切向力和充种数量的影响;台架试验研究了种层厚度对充填角和供种性能的影响。结果表明:倾角为60°种层调节板的种群压力较大,充填角和充种性能均较优;种群压力和切向力随纵向距离增加而增加,随横向距离增加而降低;随转速增加,种群压力趋于稳定,切向力随之增加,单个型孔充种数量降低5%。转速为10~50 r/min时,初始充填角、充填角和供种速率均随纵向距离增加和横向距离降低而增加,但充种数量变异系数呈先降后升的趋势。种群压力、切向力、初始充填角、充填角与供种速率均呈极显著正相关,种群压力和切向力与初始充填角和充填角均呈极显著正相关,种层厚度和转速影响充填角分别源于种群压力和切向力。在纵向距离分别为15和20 mm,横向距离为46 mm条件下,油菜、小麦供种速率变异系数和破损率分别均低于1.0%和0.1%。田间试验表明该优化种层厚度条件下的集排器油菜种植密度满足农艺种植要求。该研究明确了种层厚度影响油麦兼用集排器供种装置充种性能的原因,为油麦兼用集排器供种装置种层厚度调节和结构改进提供了参考。     

基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真

玉米种子的滚动摩擦系数是排种器设计计算和仿真分析的重要依据,但其测量目前尚无成熟的理论与方法。该文基于能量守恒原理,借助高速摄像技术对玉米种子与有机玻璃、镀锌钢板以及玉米种子间的滚动摩擦特性进行了试验研究,得到玉米种子与有机玻璃、镀锌铁板以及玉米种子间的滚动摩擦系数分别为0.0931、0.0531和0.0782。通过玉米种子休止角试验和离散元分析软件EDEM仿真结果的对比,对所得试验数据进行了验证,结果表明所得数据准确性较高,可为排种器的设计计算与仿真分析提供理论依据。     

基于EDEM的高精度施肥装置设计与试验

肥料利用率低的主要原因是施肥方式精度不高引起的,将条状施肥改变为穴式施肥,可使肥料的利用率得到提升。为此,基于EDEM采用现代化的离散元模型科技设计,对不同结构和作业参数下的排肥盘进行仿真分析计算,结果表明:肥料腔的形状、施肥装置的前进速度及施肥量均对排肥量的变异系数有着明显的影响,施肥装置的前进速度变快和施肥量的降低最终会导致排肥量的变异系数增大。通过仿真模型对比发现,相比较其他形状的肥料腔来说,整体呈现为圆弧形的肥料腔对于排肥量的稳定性最好,施肥装置在前进过程中对于肥料的扰动情况也最小。在传送带速度为7km/h、排肥量300kg/hm^2的条件下进行了试验验证,结果表明:圆弧形肥腔的稳定性最好,排肥量的合理率为94%,变异系数为6.5%,与仿真实验的结果呈现出了相同的规律,可应用到实际排肥作业当中。     

基于EDEM-RecurDyn的指夹式取苗爪仿真优化与试验

为了实现自动移栽机高效、高质量取苗,提出整排取苗、同时投苗的工作方式。以指夹式取苗爪为研究对象,阐述了取苗爪的结构组成及工作原理。建立了取苗爪的运动数学模型,结合钵体力学特性及根系分布特点,对组成取苗爪的各构件进行尺寸参数优选,并在RecurDyn中建立其虚拟样机模型。通过试验进行钵体力学性能测量,对试验所得数据进行处理,得出钵体物理特性参数,进而在EDEM中建立钵体颗粒模型。通过EDEM-RecurDyn耦合仿真取苗爪插入、夹取、提离过程。分析取苗爪插入钵体苗深度、开始夹苗深度对取苗时钵体的影响,仿真优化得到当取苗爪插入钵体深度I_d=34 mm,插入钵体平均速度I_v=280 mm/s,开始夹苗深度C_i=4 mm,夹苗平均速度C_v=250 mm/s时,可以获得较好的钵体完整性。在16、20、24次/min的取苗速率下进行取苗爪取投苗试验,结果表明,所设计的指夹式取苗爪取苗成功率均在96%以上,钵体破碎率小于1%,具有良好的取苗、投苗效果,在取苗作业中可以保持良好的钵体完整性。     

有机基质臭氧消毒设备设计与试验

为实现有机基质的绿色、高效消毒,设计了有机基质臭氧消毒设备。基于离散元软件EDEM建立了有机基质颗粒模型,根据有机质物料输送及抛撒动力学特性与臭氧消毒工艺流程,利用Solid Works软件构建了有机基质臭氧消毒设备结构模型,并对两种模型进行接触参数标定。以有机基质倾尽角为评价指标,以抄板弯折角、转筒转速、填充率为试验因素,进行了三因素五水平正交旋转组合仿真试验。根据仿真结果,利用Design-Expert软件回归分析法建立倾尽角回归数学模型,对有机基质臭氧消毒设备模型中的抄板弯折角、转筒转速、填充率进行了参数优化与试验验证。结果表明,在各因素取值范围内,抄板弯折角对有机基质倾尽角影响极显著,转筒转速对倾尽角影响显著,填充率对倾尽角影响不显著;有机基质臭氧消毒装置最优作业参数组合为:抄板弯折角124.23°、转筒转速6.29 r/min,此时物料倾尽角仿真值为89.3°。臭氧消毒灭菌性能试验验证结果为:臭氧初始质量浓度64.2 mg/m~3,消毒60 min后,细菌灭菌率88.9%,真菌灭菌率97.9%,能够满足有机基质消毒生产要求。     

离心式高速玉米精量排种器T形槽型孔设计与试验

针对离心式高速玉米精量排种器双粒种子并排填充导致重播严重的问题,该研究提出利用型孔槽对称凸台结构降低玉米种子并排填充概率的方法,设计了一种T形槽型孔。通过构建充种阶段玉米种子的力学模型,并结合玉米种子的形状特征确定了T形槽型孔基本结构参数。借助EDEM离散元仿真软件,以型孔槽前端长度、型孔槽后端面倾斜角以及型孔槽底部倾斜角为因素,以合格指数、重播指数与漏播指数为评价指标,设计二次正交旋转回归组合仿真试验。仿真试验结果表明：在作业速度18 km/h条件下,型孔槽前端长度为9.31 mm,型孔槽后端面倾斜角为43.37°与型孔槽底部倾斜角为70.5°时,排种质量最优,排种合格指数、重播指数与漏播指数分别为94.03%、1.72%与4.25%。台架验证试验结果表明：作业速度18 km/h时,T形槽型孔的合格指数为94.54%,与仿真试验结果的相对误差为0.54%,仿真优化试验结果可靠;作业速度为15 km/h时,排种器作业性能最佳,合格指数为95.16%,重播指数为1.42%,漏播指数为3.42%,满足高速精量播种要求;作业速度范围在12 ～ 21 km/h内时,T形槽型孔相较于矩形槽型孔的合格指数提升2.1个百分点以上,重播指数降低2.1个百分点以上,相较于蹄形槽型孔的合格指数提升1.4个百分点以上,重播指数降低2.1个百分点以上。该研究可为离心式高速玉米精量排种器优化提供参考。     

基于EDEM的小麦精量排种器设计与试验

为实现小麦的精量排种,设计了一种精量小麦排种器。对排种器进行设计计算,最终确定排种器为锥盘式,型孔数量为50个,锥角为30°。采用EDEM软件进行仿真分析,结果显示:当转盘转动速度为19.38r/min、型孔长度平均值为7.95mm、小麦种子外层厚度为8.20mm时,作业合格率为89.55%,单粒率可达到50.80%,符合排种器的作业要求。试验结果表明:排种器具有行间的排量较足和一致性好的特质,在小麦的播种过程中,系数的变异已经控制在10%以内。根据测量的秧苗数量计算面积,小麦每667m 2可达到4万株,分蘖的数量为3~10株,分蘖完成后每667m 2达25万株,可以满足小麦种植的实际需求。     

小麦分引组合式双行宽条带导种装置设计与试验

针对稻茬田小麦机械化带状播种时受黏重土壤与秸秆还田耦合作用制约存在导种装置壅堵导致断条的问题，该研究设计了一种分引组合式双行宽条带导种装置，导种过程中利用球面弹籽部件对下落种群左右均匀分种、借助坡度斜面对分流种群宽带引种。运用质点运动学理论建立了小麦分种、引种过程的力学模型，明确了球面弹籽部件直径和斜面坡度对导种均匀性有影响。运用EDEM软件对小麦导种装置关键结构参数进行优化设计，以球面弹籽部件直径和斜面坡度为试验因素，以各行排量一致性变异系数和行内横向均匀度变异系数为评价指标，通过单因素和二次正交旋转组合试验获取相关试验数据，应用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析，建立了试验因素与试验指标之间的回归方程。结果表明，球面弹籽部件直径对各行排量一致性影响显著（P＜0.05），斜面坡度对行内横向均匀度有极显著影响（ P＜0.01 ），斜面底板导种装置最优结构参数为球面弹籽部件直径40 mm、斜面坡度10°。并与市场上已有的波浪底板、弧面底板、平面底板3种型式导种装置进行3种播量下的仿真对比试验。仿真试验结果表明，各播量下的各行排量一致性变异系数和行内横向均匀度变异系数由大到小均为平面底板、弧面底板、波浪底板和斜面底板型导种装置，在播量450 kg/hm²下，斜面底板型导种装置播种效果最佳，各行排量一致性变异系数为2.92%，行内横向均匀度变异系数为14.19%。台架与田间对比试验表明，斜面底板型导种装置的各行排量一致性变异系数和行内横向均匀度变异系数均最小，此时各行排量一致性变异系数均不大于4.0%，行内横向均匀度变异系数均不大于16%；田间对比试验中，在播量450 kg/hm²下，斜面底板型导种装置较其他3种导种装置各行排量一致性变异系数最低下降了2.73个百分比，行内横向均匀度变异系数最低下降了10.61个百分点。试验结果与仿真结果误差不超过5%，表明装置结构参数优化结果可靠，满足国家播种机质量评价技术规范及大田播种农艺要求。研究结果可为稻茬黏壤土环境下小麦宽条带导种装置优化设计提供参考。     

免耕播种机无轴螺旋排肥输肥装置设计与试验

针对西南地区坡度较大、免耕地表秸秆及根茬等造成耕地平整度较差,驱动式破茬防堵免耕播种机作业时机具整体产生振动较大,导致排肥器排肥及导肥管导肥作业性能差的问题,基于螺旋输送原理,设计了一种柔性无轴螺旋排肥输肥装置。通过对肥料的螺旋输送以及物料临界输送速度分析,得出螺旋叶片最佳充肥尺寸以及转速范围。采用EDEM仿真进行二次回归正交旋转试验和响应曲面法分析无轴螺旋排肥输肥装置最佳工作参数：螺旋叶片内半径3mm、螺旋叶片外半径12.8mm、螺旋叶片转速319r/min以及螺旋间距24.5mm。田间测试结果表明,在地表平整度平均值以及地表坡度分别为8.9cm、16.1°时,无轴螺旋排肥输肥装置在作业速度1.5 m/s时,排肥精度误差、均匀性变异系数分别为1.87%、2.52%,满足国家施肥标准,播肥符合当地农艺要求。所设计的无轴螺旋排肥输肥装置满足免耕播种施肥要求,可为在地表平整度较差时排肥和振动较大条件下排肥器以及导肥管的设计与改进提供参考。