棉箱壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)對(duì)籽棉壓縮作用仿真及分析

孔凡婷，石 磊，張玉同，陳長林，孫勇飛，謝 慶，黃銘森

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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棉箱壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)對(duì)籽棉壓縮作用仿真及分析

孔凡婷，石 磊，張玉同，陳長林，孫勇飛，謝 慶，黃銘森

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

建立棉箱壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)的離散元仿真模型，仿真其在棉箱實(shí)際工作情況，并對(duì)壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)工作過程中籽棉的壓縮過程進(jìn)行仿真分析，為棉箱壓實(shí)攪龍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。仿真結(jié)果表明：籽棉顆粒數(shù)量增加時(shí)，壓實(shí)攪龍推送作用對(duì)籽棉產(chǎn)生的圧縮力、籽棉顆粒間的擠壓力、附著力、纏繞力均隨著籽棉數(shù)目的增加而增大；當(dāng)籽棉數(shù)量不再增加時(shí)，處于推送階段籽棉間作用力較小，總壓縮力趨于平緩；推送階段結(jié)束后，籽棉數(shù)量沒有增加，但在壓實(shí)攪龍的推送下，籽棉于棉箱前端堆積相互擠壓，籽棉顆粒間的壓縮力顯著增加，故籽棉的總壓縮力快速增加。變徑壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)由于攪龍直徑前大后小，堆積在棉箱尾部的籽棉由小徑攪龍以穩(wěn)定的輸送量向前推送，前段大徑攪龍將大量的籽棉推送壓縮。變徑攪龍階段性推送，壓實(shí)效果良好，其仿真模型可為其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

籽棉壓縮；攪龍；EDEM仿真

0 引言

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)2014年全國棉花的種植面積達(dá)到4 219.1khm2(6 328.6萬畝)[1]。棉花收獲時(shí)，人工采摘?jiǎng)趧?dòng)繁重，工作效率低，因而機(jī)械收獲得到了廣泛的發(fā)展。河南、山東等地作業(yè)面積適合小型機(jī)械收獲[2-4]，但由于小型棉花采摘機(jī)械棉箱容積小，作業(yè)時(shí)卸棉次數(shù)多，加重了運(yùn)輸工作量，限制了采棉效率的提高。另外，經(jīng)過篩選除雜后的棉花由風(fēng)機(jī)吹入棉箱尾端籽棉于棉箱尾端堆積，使棉箱利用不充分。在棉箱內(nèi)應(yīng)用變徑壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)不僅可以減少籽棉堆積形成的物料流動(dòng)死區(qū)，又可實(shí)現(xiàn)籽棉壓實(shí)，提高棉箱利用率。自20世紀(jì)90年代以來，EDEM對(duì)顆粒流與機(jī)構(gòu)之間的仿真廣泛應(yīng)用于散粒物料與農(nóng)業(yè)機(jī)械相互作用及散粒農(nóng)業(yè)物料的流動(dòng)領(lǐng)域。Van Liedekerke 等提出使用離散單元法建立從顆粒流出容器到分別落于水平和傾斜旋轉(zhuǎn)圓盤上的模型；Suzuki M 等建立了稻谷和糙米的振動(dòng)分離二維離散元模型； Boac J M等利用離散單元法對(duì)谷物收獲后處理進(jìn)行建模與仿真[5-7]。國內(nèi)學(xué)者利用EDEM軟件進(jìn)行了收割機(jī)谷物攪龍輸送效率的仿真研究，各類排種器工作過程、振動(dòng)種盤中水稻種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究及對(duì)肥料調(diào)配裝置關(guān)鍵部件參數(shù)優(yōu)化等均進(jìn)行了仿真及分析[8-15]，但基于EDEM軟件對(duì)籽棉與其收獲機(jī)械，特別是壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)對(duì)籽棉的壓縮作用未見報(bào)道。本文在籽棉均勻喂入的條件下建立了壓實(shí)攪龍下物料流動(dòng)的三維分析模型，利用EDEM軟件對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬與分析，所得結(jié)果將為棉箱壓實(shí)攪龍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 EDEM軟件

EDEM是世界上第一款基于離散元技術(shù)的通用CAE軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協(xié)助設(shè)計(jì)人員對(duì)各類散料處理設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)、測試和優(yōu)化[16]，可用于復(fù)雜生產(chǎn)機(jī)械的設(shè)計(jì)、優(yōu)化，模擬分析散料顆粒的處理和制造過程[17]。用戶可以利用EDEM建立固體顆粒的參數(shù)化模型，或?qū)胝鎸?shí)顆粒的CAD模型，賦予其機(jī)械、材料和其他的物理屬性來建立顆粒模型進(jìn)行分析。EDEM能夠結(jié)合現(xiàn)有的其他CAE工具來模擬顆粒與流體、顆粒與結(jié)構(gòu)的相互作用，并且在模擬過程中把生成的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。EDEM為后處理過程提供了數(shù)據(jù)分析工具和顆粒流的三維可視化工具，用戶可以查看、繪制任何變量的圖形。

由于本次的研究對(duì)象為籽棉顆粒，其在棉箱壓實(shí)攪龍的實(shí)際中的運(yùn)動(dòng)行為和力學(xué)行為都比較復(fù)雜，運(yùn)用EDEM 軟件可獲得顆粒受力、運(yùn)動(dòng)軌跡及顆粒間相互作用等試驗(yàn)比較難測得的信息，為攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化提供參考。

2 離散元仿真模型

2.1 攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)工作原理

棉箱攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)三維圖如圖1所示。其由兩段不同螺徑、不同螺距的攪龍及刮板組合而成，在棉箱中達(dá)到將堆積的籽棉均勻、壓縮以增大棉箱儲(chǔ)存量的目的。

圖1 壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)三維圖

攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)工作原理為：在采棉機(jī)工作過程中，風(fēng)機(jī)將采摘清選后的籽棉吹入棉箱，由于受到自身重力及風(fēng)機(jī)吹送的影響，籽棉會(huì)落入棉箱后部，隨著采摘量的增多，籽棉于棉箱后部堆積，此時(shí)攪龍開始旋轉(zhuǎn)工作。旋轉(zhuǎn)時(shí)，籽棉受到螺旋葉片的推力的作用沿螺旋面滑動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)籽棉沿螺旋軸方向輸送。籽棉隨著攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)不斷被向前推進(jìn)，籽棉推送至棉箱頭部后速度逐漸減低直至停止，使得先進(jìn)入攪龍內(nèi)的籽棉向前行進(jìn)的速度慢慢地降下來，而后進(jìn)入攪龍的籽棉以相對(duì)比較快的速度相繼而來，形成了籽棉在攪龍內(nèi)的相互擠壓。另一方面，定體積的棉箱隨著籽棉量逐漸的增加，造成了空間體積的逐漸縮小，從棉箱進(jìn)料端到棉箱尾端攪龍內(nèi)的空間體積逐漸縮小，因此越到后面，籽棉在攪龍內(nèi)前進(jìn)越困難；但是攪龍葉片的推進(jìn)作用卻一直連續(xù)著，籽棉仍然在連續(xù)地進(jìn)入棉箱，前阻后推地使籽棉受到壓縮。

2.2 攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)模型

采用 EDEM 2. 3 軟件進(jìn)行棉箱攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)作用下籽棉壓縮的建模仿真。為便于仿真分析，減小仿真顆粒數(shù)目，僅對(duì)攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)對(duì)籽棉的壓縮作用進(jìn)行模擬仿真，故將棉箱尺寸縮小，并將籽棉運(yùn)動(dòng)過程中與接觸無關(guān)的部件簡化。攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)模型在 Pro /E 中建立后導(dǎo)入到EDEM，如圖 2所示。在 EDEM 軟件中，可以對(duì)攪龍的轉(zhuǎn)動(dòng)速度加以定義，當(dāng)攪龍小于100r/min時(shí)，攪龍對(duì)物料產(chǎn)生弱剪切[18]。為減少機(jī)構(gòu)作用對(duì)棉纖維的剪切力而造成的磨損，機(jī)構(gòu)攪龍壓實(shí)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速選擇為60r/min勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

因主要分析壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)對(duì)籽棉的作用，為減少籽棉顆?？倲?shù)及于棉箱間碰撞的計(jì)算量將棉箱尺寸縮小并簡化，簡化后的棉箱尺寸設(shè)2 000mm×400mm×400mm，在EDEM中以box模型建立外部棉箱。

圖2 EDEM中的壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)模型

2.3 籽棉模型

EDEM中的基本元素—球用來仿真籽棉顆粒。為了平衡計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和仿真時(shí)間，本研究采用的籽棉顆粒大小為30mm，在棉箱內(nèi)部分兩個(gè)部分共生成7 000個(gè)籽棉顆粒。顆粒工廠分兩部分生成：第1部分顆粒工廠在前2s內(nèi)生成為籽棉落入棉箱，較為均勻地鋪于棉箱底部，但距壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)有一定距離；第2部分顆粒工廠在5s中持續(xù)產(chǎn)生籽棉，籽棉在風(fēng)機(jī)的吹送作用下堆積與棉箱尾部，與壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)開始接觸。

2.4 接觸模型

籽棉近似球形，由于籽棉棉纖維天然的扭曲使得棉纖維間相互勾拉、纏繞，因此籽棉與棉箱、壓實(shí)攪龍間及籽棉與籽棉間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的拉力及摩擦力[19]。為模擬顆粒間的纏繞力，選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型及Linear Cohesion線性黏附接觸模型來模擬籽棉顆粒間的相互作用，選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型模擬籽棉與壓實(shí)攪龍之間的接觸模型。籽棉與籽棉及籽棉與壓實(shí)攪龍、棉箱的恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.05、0.55、0.15、0.1、0.45、0.2。本文為減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算量，忽略極少量的雜質(zhì)，采用瑞利波法確定時(shí)間步長為1.6 × 10-4s。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 仿真結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果顆粒的圧縮力進(jìn)行分析，顆粒所受到的壓縮力將決定籽棉密度，即同等體積的棉箱的載重量。籽棉在棉箱中在壓實(shí)攪龍的作用下進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)過程是摩擦力、擠壓力和離心力等聯(lián)合作用的結(jié)果，較大的壓縮力反映顆粒間具有較大擠壓滑移力。在保證接觸力低于籽棉纖維破壞力的前提下[20]，更高的平均接觸力將使得整體的籽棉顆粒流獲得更高的密度，即采棉機(jī)更大的容載量。不同時(shí)間的籽棉壓縮仿真如圖3所示。

圖3 不同時(shí)間的籽棉壓縮仿真圖

由圖3可知：壓實(shí)攪龍對(duì)堆積于棉箱的籽棉推送作用明顯。仿真進(jìn)行3s時(shí)，仿真圖如圖3(a)所示，此時(shí)籽棉顆粒于棉箱底部均勻散落，棉箱尾部有部分籽棉堆積。仿真進(jìn)行7s時(shí)，如圖3(b)所示，籽棉顆粒仍繼續(xù)產(chǎn)生，在棉箱尾部堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，棉箱頭部僅由大徑攪龍推送部分箱底部籽棉形成堆積。仿真進(jìn)行11s時(shí)，如圖3(c)所示，此時(shí)籽棉顆粒已停止產(chǎn)生，堆積于棉箱尾部的籽棉在壓實(shí)攪龍的作用下向前推移，棉箱尾部的籽棉堆積量減少，棉箱頭部的籽棉堆積量顯著增加。仿真進(jìn)行15s時(shí)，如圖3(d)所示，棉箱尾部籽棉量與箱中部基本持平，籽棉在壓實(shí)攪龍的作用下于棉箱頭部堆積，此時(shí)籽棉承受壓實(shí)攪龍推送作用及籽棉顆粒間的擠壓作用。變徑壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)由于攪龍直徑前大后小，對(duì)于堆積在棉箱尾部的籽棉由小徑攪龍以穩(wěn)定的輸送量向前推送，前段大徑攪龍，將大量的籽棉推送壓縮，變徑攪龍階段性推送，壓實(shí)效果良好。

3.2 仿真分析

在后處理器中選擇顏色標(biāo)識(shí)，并將屬性著色設(shè)定為以顆粒所受的壓縮力大小不同進(jìn)行著色，得出籽棉顆粒所受圧縮力的著色圖如圖4所示。

圖4 籽棉壓縮力著色圖

在整個(gè)壓縮推送階段過程中，可根據(jù)圖中仿真得出的壓縮力均值對(duì)各部分進(jìn)行分析。在圖4中可以觀察到：3s時(shí)的圧縮力著色圖如圖4(a)所示，由籽棉顆粒于受到攪龍壓實(shí)尾部的刮板作用，棉箱尾部部分籽棉圧縮力較大，棉箱頭部圧縮力較小。7s時(shí)的圧縮力著色圖如圖4(b)所示，隨著籽棉顆粒數(shù)量增加，在棉箱尾部堆積的籽棉受到籽棉間圧縮力及刮板共同作用圧縮力顯著增加，棉箱頭部籽棉僅與攪龍大徑接觸處圧縮力較大。11s時(shí)的圧縮力著色圖如圖4(c)所示，此時(shí)籽棉顆粒不再增加處于推送階段，棉箱中與壓實(shí)攪龍接觸處的籽棉圧縮力較大，且棉箱頭部的籽棉承受攪龍推送及后部籽棉推擠作用圧縮力增加。15s時(shí)的圧縮力著色圖如圖4(d)所示，棉箱頭部的籽棉承受壓實(shí)攪龍籽棉顆粒間的共同壓縮，籽棉圧縮力顯著增加。

在后處理器中選擇線形圖，并將x軸設(shè)定為仿真時(shí)間，y軸設(shè)定為顆粒總量所受的圧縮力，得出總壓縮力和時(shí)間的關(guān)系如圖 5所示。

圖5 籽棉總壓縮力線性圖

由圖5可以看出：在前6s籽棉顆粒的總壓縮力勻速增加，在6～12s間趨于平緩，12s后總壓縮力快速增加。主要原因是：在前6s，籽棉顆粒數(shù)量仍在增加，除了壓實(shí)攪龍的尾端的刮板推刮作用對(duì)籽棉產(chǎn)生的圧縮力外，籽棉顆粒間的擠壓力、附著力、纏繞力也隨著籽棉數(shù)量的增加而增大；在6～12s間，總壓縮力主要包括壓實(shí)攪龍對(duì)籽棉的推送壓縮力及籽棉移動(dòng)間的纏繞力，由于籽棉數(shù)目不再增加，總壓縮力趨于平緩，此時(shí)處于推送階段；12s后，雖籽棉數(shù)量沒有增加，但在壓實(shí)攪龍的推送下，籽棉于棉箱前端堆積相互擠壓，籽棉顆粒間的壓縮力顯著增加，故籽棉的總壓縮力快速增加。

4 結(jié)論

1)由仿真結(jié)果可知：仿真開始時(shí)，隨著籽棉顆粒數(shù)量增加，除了壓實(shí)攪龍的尾端的刮板推刮作用對(duì)籽棉產(chǎn)生的圧縮力外，籽棉顆粒間的擠壓力、附著力、纏繞力也隨著籽棉數(shù)目的增加而增大；當(dāng)籽棉數(shù)量不再增加時(shí)，此時(shí)處于推送階段，總壓縮力趨于平緩；推送階段結(jié)束后，籽棉數(shù)量沒有增加，但在壓實(shí)攪龍的推送下，籽棉于棉箱前端堆積相互擠壓，籽棉顆粒間的壓縮力顯著增加，故籽棉的總壓縮力快速增加。

2)變徑壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)由于攪龍直徑前大后小，對(duì)于堆積在棉箱尾部的籽棉由后端小徑攪龍以穩(wěn)定的輸送量向前推送，前端大徑攪龍將大量的籽棉推送壓縮。結(jié)果表明：變徑攪龍階段性推送、壓實(shí)效果良好，壓實(shí)攪龍機(jī)構(gòu)的仿真模型可為其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供理論參考。

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Simulation and Analysis on Compression Effect of Screw Conveyor in the Hopper on Seed Cotton

Kong Fanting, Shi Lei, Zhang Yutong ,Chen Changlin, Sun Yongfei , Xie Qing, Huang Mingsen

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture ,Nanjing 210014,China)

A discrete element simulation model is established with EDEM for compaction screw conveyor in the hopper. And simulation analysis on compression process of seed cotton during Working Process of compaction screw conveyor which provides guidance for structure design of compaction screw conveyor. Simulation results show that the compaction force of seed cotton produced by push function of compaction screw conveyor, and seed cotton compressions, adhesion, twisting force between particles are increased with the increase of the number of seed cotton. While the number of seed cotton no longer increases, seed cotton inter-atomic forces, smaller total compression force leveling off during the push stage. After the push stage, although seed cotton quantity does not increase, but under compaction stir the push of the compaction screw conveyor, seed cotton accumulation and extrusion in the front of hopper, the compression force of seed cotton increased significantly, so the total compression force of seed cotton rapidly increasing. Variable diameter compaction stir dragon institutions due to beat the dragon former after the small diameter, the accumulation in cotton seed cotton at the end of the box by the trail stirring dragons to stabilize the throughput of push forward, the front big diameter stirring the dragon will be a lot of seed cotton push compression, variable diameter compaction screw conveyor shows good effect on periodically push and compaction.

seed cotton compression； compaction screw conveyor； EDEM simulation

2016-08-24

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B02)；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程-莖稈類收獲機(jī)械(2016-2020)

孔凡婷(1989-)，女，哈爾濱人，助理研究員，(E-mail)kongfanting1989@163.com。

S225.9+1;S220.3

A

1003-188X(2017)10-0077-05