基于EDEM的單粒式谷物水分儀采樣機構仿真研究

陳　陽,胡志超,吳惠昌,王申瑩，游兆延

(1.安徽農業大學 工學院，合肥　230061；2.農業部 南京農業機械化研究所，南京　210014)

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基于EDEM的單粒式谷物水分儀采樣機構仿真研究

陳陽1，2,胡志超2,吳惠昌2,王申瑩2，游兆延2

(1.安徽農業大學 工學院，合肥230061；2.農業部 南京農業機械化研究所，南京210014)

摘要：建立了單粒電阻式谷物水分儀采樣機構離散元模型，應用EDEM軟件內Hertz-mindlin(no slip)和Hertz-mindlin with bonding兩種接觸模型對水稻顆粒在水分儀采樣機構內的運動及碾壓情況進行了仿真，并研究了3種不同的輸送輥螺距對采樣單粒性的影響，以及碾壓輥表面不同的滾花對碾壓充分性的影響。仿真結果表明：輸送輥螺距越大，其采樣效率越低，輸送單粒性效果越差。碾壓輥表面滾花為p1.2斜紋時碾壓較為穩定，充分性最佳。同時，進行了實驗驗證，結果表明：仿真實驗與對比實驗結果一致，證明運用離散元法分析采樣機構中物料的運動、碾壓狀態是可行的。

關鍵詞：水分檢測；離散元模型；采樣機構；仿真；谷物

0引言

單粒電阻式谷物水分檢測法是谷物在線檢測中常用且效果較好的檢測方式之一。谷物采樣機構是其重要的組成部分，采樣的單粒性和碾壓充分性將直接影響谷物水分檢測的準確程度[1-3]。現階段關于單粒電阻式谷物水分儀尤其是采樣機構方面的研究較少，因此運用EDEM離散元仿真技術可以為今后的結構參數優化提供參考[4]。

離散元法最先是由英國皇家工程院士、美國工程院士Peter Cundall于1971年首次提并應用于巖土力學的研究；隨著40年多的探索與發展，DEM在土木工程、化學工程、農業工程等諸多領域廣泛應用。離散元素法是分析與求解復雜離散系統的動力學問題的一種新型數值方法(Discrete Element Method,DEM)，與有限元法具有類似的物理含義、平行的數學概念[5]，但其數值模型與處理手段卻不相同。離散元法的基本原理是將研究對象劃分為一個個相互獨立的單元，根據牛頓定律和單元之間的相互作用，運用靜態松弛法或動態松弛法等迭代方法進行循環迭代計算；在每一個時間步長內，刷新仿真中所有顆粒的受力、位置等，跟蹤計算每個顆粒的微觀運動從而得到研究對象的宏觀運動規律[6-10]。

1離散元模型的建立

1.1采樣機構組成與工作原理

單粒電阻式谷物水分儀采樣機構采用DC12V電機驅動，采樣室與檢測室用隔板隔開，以保證兩室工作獨立、穩定進行。為了計算機仿真較為快速，本文將無關的部件省略[7]，簡化后的采樣室示意圖如圖1所示。其中，底座的長寬高分別為184、140.5、20mm。輸送輥縱向軸長為50mm，碾壓輥直徑為55mm，部件材料定義為鋼，參數設定如表1所示。工作時，利用谷物烘干機內提升機的快速轉動使物料飛濺到采樣機構的輸送輥上，輸送輥為嚙合異向雙螺桿，依靠輸送輥的嚙合轉動將物料平穩均勻地送入喂料口，物料沿順導料槽落入兩碾壓輥之間，隨著物料的碾壓雙碾壓輥被導通，電信號傳入中央處理器按照特定的數學模型進行水分值的計算。

1.底座　2.碾壓輥　3.進料口　4.導料槽　5.輸送輥

1.2水稻模型

本文離散元顆粒選為水稻，其表面較為光滑，流動性較好；但其外形輪廓并不規則，將其簡化為球形顆粒則會影響水稻在采樣機構中的運動狀態、受力及流動特性。所以本文運用三維制圖軟件繪制出了水稻的外形輪廓并將其轉換成step格式文件導入進EDEM軟件中；在particles display中利用圖形填充的方式對水稻的外輪廓進行球形填充，使仿真中的水稻顆粒更加真實[11]，如圖2所示。水稻顆粒仿真參數如表1所示。

圖2　水稻籽粒三維圖及填充后模型

物料泊松比剪切模量/MPa密度/kg·m-3水稻0.41.1e+071053鋼0.37e+107800

在碾壓仿真實驗中，為了使水稻顆粒在碾壓時能發生形變，水稻顆粒則不能被當作剛性體，其應視作由若干個剛性顆粒元黏結拼合而成的柔性體。應用軟件中Hertz-mindlin with bonding接觸模型，將若干個顆粒元合并擠壓成水稻的形狀，壓模與壓制后的水稻顆粒如圖3所示。壓模的尺寸根據水稻的幾何參數繪制，如表2所示。

圖3　壓模及壓制后水稻模型示圖

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1.3接觸模型

在建立接觸模型時，要根據顆粒不同的運動狀態與仿真要求設置不同的接觸形式。進行輸送仿真時，顆粒間相互力不大且做無規則運動，顆粒表面無粘附力，因此選擇Hertz-mindlin(no slip)作為接觸模型(仿真參數見表3)；進行碾壓仿真時，顆粒視做柔性體，其本身由若干個球形半徑為0.4mm接觸半徑為0.6mm的剛性單位元擠壓而成，單位元之間需要一定的粘結力才能實現顆粒的擠壓破碎，因此選用Hertz-mindlin with bonding的接觸模型。仿真重力加速度設為9.81m/s2。

表3　仿真參數

在EDEM仿真模塊中，時間步長指的是兩次運算之間的時間間隔。瑞利時間步長是理想的DEM時間步長，是剪切波在一個實體顆粒里傳播所用的時間。設置時間步長為瑞利時間步長的5%～40%之間以確保仿真的穩定進行。

2EDEM仿真實驗

2.1仿真運動過程

2.1.1水稻顆粒輸送過程

在輸送輥上方設置一虛擬顆粒生成平面，每秒生成顆粒數為10，生成總數為100，生成位置為隨機；顆粒半徑為原始半徑的0.9～1.1倍隨機生成，輸送輥每秒按360°異向旋轉，總仿真時間設為13s。

仿真完成后，在“分析-Section”選項中設置如圖4的Grid bin group作為顆粒數傳感器，對進入傳感器的顆粒進行信息統計[12-13]，從而得出顆粒數與螺距之間的關系。

2.1.2水稻顆粒擠壓過程

水稻擠壓仿真實驗由兩部分組成：第1部分為水稻模型制作，在水稻壓模中隨機生成200個單位顆粒元，設置壓板向下運動使單位顆粒元之間產生更多的粘結接觸關系，實現剛體向柔性體的轉變；第2部分則是將壓制完畢的水稻模型文件輸出，重新導入至水分儀采樣機構模型中，設置雙碾壓輥按360°/s異向旋轉，水稻模型自由落體，落入雙碾壓輥之間時被碾壓破碎，觀察顆粒碾壓情況與組織脫落情況[14-16]。

圖4　顆粒數傳感器

2.2螺距與采樣單粒性的關系

采樣的單粒性是采樣機構非常重要的工作指標，保證了整個水分儀水分值計算的精確性與工作的穩定性[17]，減少多粒碾壓時產生的誤差。為了研究輸送輥螺距對采樣單粒性的影響，仿真中分別設置了螺距為8、10、12mm的3種螺桿，分析了不同的螺距對采樣單粒性的影響。

2.3滾花與碾壓充分性的關系

谷物的碾壓是采樣過程中必不可少的一個環節，介時兩碾壓輥被導通形成回路完成物料電阻信號的采集。所謂碾壓充分性是指水稻顆粒在碾壓過程中保持穩定且受壓面為水稻顆粒整體，碾壓之后稻殼與稻米保存完整，碾壓厚度均勻且一致，無斷粒、殘粒的發生。若谷物碾壓不充分則無法精確的得出谷物自身的電阻值，從而導致水分值的計算出現誤差；谷物的壓斷、跳粒也會使當次的采樣失敗。碾壓仿真實驗中設計3種不同的碾輥花紋進行實驗，分別為直紋m0.4、網紋m0.4和斜紋p1.2，觀察水稻的碾壓狀態，得出碾壓過程中水稻所受壓力與時間的關系曲線。

3實驗驗證

在農業部南京農業機械化研究所種子加工與測量實驗室水分在線檢測實驗儀器上進行驗證實驗，主要實驗器材有DC12V電機、藥匙、電子天平(測量范圍0～200g，精度0.01g)及FastecHiSpec 5高速攝像儀，仿真軟件版本為EDEM2.2版。

3.1采樣單粒性與螺距之間的關系

選用仿真中設定的3種不同螺距進行實驗。啟動電機后，輸送輥轉速保持在60r/min,用藥匙將100粒水稻均勻地撒在采樣輥上，利用高速攝像儀對進料情況進行拍攝，記錄下每次進入進料口的顆粒數，每種螺距記為一組，每組實驗重復4次并取平均值。

3.2滾花與碾壓充分性的關系

選用仿真中設定的3種不同滾花進行實驗。啟動電機后，碾壓輥轉速保持在60r/min，用藥鑰在碾壓輥上方散落下100粒水稻，每粒下落的時間間隔為2s，保證每粒水稻均可以被碾壓到，每粒水稻被碾壓后觀察其碾壓結果并加以記錄統計，利用高速攝像儀觀察碾壓過程中的跳粒情況。每種花紋記為一組，每組實驗重復4次并取平均值。

4實驗結果分析

4.1不同螺距實驗結果分析

4.1.1螺距與采樣率的關系

因喂入量、輸送輥轉速、采樣結構與采樣方式等因素的局限性，輸送輥上的水稻顆粒不可能全部進入喂料口。螺距上的差異也會導致采樣率發生變化。采樣率為

L=n/N×100%

(1)

其中，L為采樣率(%)；n為進入喂料口的顆粒數；N為總顆粒數。

分別根據仿真中顆粒數傳感器所記錄的數據以及驗證實驗中所統計的數據繪制出采樣率與螺距之間的關系折線圖，如圖5所示。

圖5　螺距-采樣率關系折線圖

由圖5知：輸送輥在轉速為60r/s的工況下，3種螺距的采樣率分別為38%、34%、30%(螺距從小到大排列)。采樣率按螺距由大到小呈線性遞增，出現此差異的原因可以從仿真中得出解釋：螺距越大輸送速度越大；隨著輸送輥的推進，在較大螺距參數的仿真中，進料口處易出現物料堆積，導致物料間相互碰撞推擠從而產生漏料、落料的現象，致使進料口進料成功率下降；較小螺距輸送速度平緩，螺距間承載物料少，采樣率相對較高。

通過驗證實驗和仿真實驗的兩條折線可以看出：兩者的規律基本一致，都是隨著螺距的減小，采樣率呈上升的趨勢。對二者的相關性做相應的計算得出相關系數r為0.976 221，相關系數絕對值越接近1其相關性越強，一般認為相關系數在0.8以上為強相關性。因此，驗證試驗結果與仿真模擬結果吻合，可以驗證利用EDEM對采樣率仿真的正確性[18]。

4.1.2螺距與單粒性的關系

在仿真過程中，每當有水稻被輸送至顆粒數傳感器中時，其當次進入的顆粒數將會被記錄，圖6為顆粒數與時間的關系折線圖(螺距從上到下分別為8、10、12mm)。從圖6中可看出：以6s為界，前后兩段的進料數存在明顯差異，6s之前為生成水稻顆粒的過程，水稻顆粒模型從顆粒工廠平面生成，均勻分布到整個采樣輥之上。隨著仿真時間的推進，采樣輥上的水稻顆粒數開始增多堆積；6s之后達到穩態，進料口進料量增多，進料頻率分布均勻且明顯加快。

圖6　傳感器記錄顆粒數與時間關系折線

由圖6不難看出：3種螺距多粒采樣次數分別為3、5、7次。螺距的增大，導致輸送物料速度變快，螺距間承載物料數變多，進料口處發生了物料擁堵，一次性進入多粒水稻的幾率明顯增大，采樣單粒性隨之變差。而在最大螺距12mm的仿真中多粒采樣次數幾乎占到了整個傳感器記錄次數的1/2，甚至包含3粒/次這樣的采樣情況，嚴重影響了水分儀水分計算的精確性。8mm螺距雖然存在多粒采樣，但是次數明顯少于10mm和12mm。

為了進一步描述采樣單粒性與螺距之間的關系，繪制單粒采樣率與螺距之間的關系折線圖，如圖7所示。單粒采樣率為

L'=n'/n×100%

(2)

其中，L'為單粒采樣率(%)；n'為單粒采樣的顆粒數；n為進入喂料口的顆粒數

通過對比驗證實驗和仿真實驗的兩條折線可以看出：兩者的規律保持一致，即隨著螺距的增大，單粒采樣率呈下降的趨勢；對兩者的相關性做相應的計算得出其相關系數r為0.996 06，為強相關，驗證試驗結果與仿真模擬結果吻合。

圖7　單粒采樣率與螺距關系折線圖

4.2滾花與碾壓充分性的關系

圖8為水稻顆粒在3種不同滾花中的碾壓情況。圖9為EDEM后處理所得壓力與時間的關系曲線圖。

(a)　直紋m0.4

(b)　網紋m0.4

(c)　斜紋p1.2

碾壓過程中，水稻籽粒受到擠壓發生形變，當破壞力大于粘結力時粘結鍵便會斷裂，部分顆粒元會脫離接觸半徑從水稻籽粒模型中飛出,出現組織脫落。

圖9　不同滾花下壓力與時間的關系

從圖9中知：碾壓初始階段壓力增長緩慢，隨著碾壓過程的進行，壓力增長速率加快；當水稻籽粒運動到最大受力面積位置時，其所受壓力達到峰值，花紋的不同導致壓力峰值也不盡相同。直紋m0.4滾花下，水稻籽粒在0.5s時開始進入碾壓過程，但在1.2s時其所受壓力驟降為0，兩碾輥因夾持水稻不牢而發生了跳粒的情況，這是由于直紋碾輥與水稻之間相對摩擦系數不足導致的。在重新調整相對滑動摩擦因數之后水稻籽粒在2.2s處重新開始碾壓，碾壓峰值在290N左右并在最大壓力下伴有大量顆粒組織脫落。在實際情況下，該種花紋無法可靠完整地完成水稻的充分碾壓。網紋m0.4滾花下，碾壓過程起始于0.8s處，其壓力增長速率與直紋相仿，但在碾壓穩定性上優于直紋，在2.3s處壓力達到峰值，其峰值在310N附近，壓力的增大必然導致顆粒組織的大量脫落甚至會出現如圖10所示的斷粒現象，在實際情況中會使單次碾壓失效，影響平均水分值的精確計算。斜紋p1.2滾花下，水稻顆粒在0.5s處開始碾壓，其壓力增長速率較另兩種花紋較為緩和，有效碾壓時間分布較為均勻，在2.6s時所受壓力達到峰值，最大壓力在255N左右，水稻顆粒在碾壓過程中未出現跳粒斷粒現象且顆粒組織保存完好；相較與其他兩種滾花，斜紋p1.2碾壓效果最好，碾壓充分性最佳。

圖10　碾壓斷粒示意圖

在碾壓對比實驗中，以水稻充分碾壓的顆粒數、斷粒數和跳粒數為指標，分別對其進行統計并取平均值，實驗結果如圖11所示。

圖11　對比試驗結果直方圖

由圖11可知：在100粒水稻樣本的碾壓中，斜紋的充分碾壓數為75粒，明顯優于其他兩種花紋，這與仿真實驗的分析結果相吻合，直紋與網紋兩者則相差不大；斷粒數上3種花紋基本呈等差數列增長，斜紋斷粒數為9粒最少，直紋次之，網紋最多，這與碾壓仿真實驗中網紋出現斷粒和大量組織脫落相對應，驗證了仿真實驗的正確性；跳粒數直紋為21粒，相較于其他兩種花紋最多，這與仿真實驗中直紋多次出現跳粒的現象相吻合，表示直紋在物料碾壓中不牢靠，斜紋跳粒數略多于網紋。這在仿真實驗中并未體現，這可能是由于網紋壓輥表面較為復雜，相對摩擦因數較高導致的，跳粒現象的出現還在一定程度上受水稻下落狀態、碾輥轉速和水稻外形等因素的影響。總體來說，對比實驗結果基本與仿真實驗相同，表示離散元軟件EDEM是可以運用到水分儀采樣機構的碾壓仿真中去。

5結論

1)以單粒電阻式水分儀采樣機構為研究對象，采用Inventor和EDEM分別建立了采樣機構三維模型和仿真模型，研究了輸送輥螺距對輸送單粒性的影響及碾壓輥花紋對碾壓充分性的影響。

2)模擬繪制了顆粒數與時間的關系折線圖以及壓力與時間的關系曲線圖，闡明了螺距與采樣單粒性以及花紋與碾壓充分性之間的關系。

3)通過比較輸送仿真實驗與驗證實驗的結果，計算得出兩者數據相關性強，變化趨勢基本一致，即隨著螺距的增大，采樣單粒性也隨之下降；碾壓仿真實驗與驗證試驗相對比也說明兩者結果相吻合，對充分碾壓數、斷粒數和跳粒數3個指標的統計來說明各種花紋在工作時的優劣，最終驗證了仿真實驗中得出的結論：直紋碾壓工作不牢靠，易出現跳粒；網紋碾壓時會出現大量顆粒組織脫落并伴有斷粒現象；相較之下斜紋在整個碾壓實驗中效果最佳。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0239-EA

Simulation Research on Sampling Mechanism of Single Resistance Typed Grain On-line Moisture Teller Based on EDEM

Chen Yang1，2,Hu Zhichao2,Wu Huichang2,Wang Shenying2，You Zhaoyan2

(1.School ofEngineering,Anhui Agricultural University,Hefei 230061,China; .Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

Abstract：The discrete element model of sampling mechanism of single resistance typed grain on-line moisture teller was established, Hertz-mindlin and Hertz-mindlin with bonding, the two contact models in EDEM software, which were applied to simulate the movement and roller compaction of rice pellet in sampling mechanism of moisture teller. The singly sampling property affected by three different kinds of transport roller pitches, crushing adequacy through different urface knurls of roller were studied respectively. The simulation results showed that, the longer screw pitch of the transfer made roller lower sampling efficiency and poorer transmission performance of single grain. The crushing stability and optimal adequacy were obtained when the surface knurls of roller was twill p1.2. The simulation results were in accord with the platform comparison test results, which showed that the DEM method used to analyze grain’s motion and crushing state in sampling device was feasible.

Key words：moisture detection； discrete element model； sampling mechanism； simulation； grain

文章編號：1003-188X(2016)07-0239-06

中圖分類號：S237

文獻標識碼：A

作者簡介：陳陽(1990-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，(E-mail)15205173909@163.com。通訊作者：胡志超(1963-)，男，陜西藍田人，研究員，博士，博士生導師，(E-mail)zchu369@163.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201203037);中國農業科學院農產品分級與貯藏裝備創新團隊項目(201203037-02)

收稿日期：2015-06-16