玉米粒群批量整列系統參數優化與試驗

權龍哲 奚德君 王建宇 陳 詞 王洪飛

(東北農業大學工程學院，哈爾濱150030)

玉米粒群批量整列系統參數優化與試驗

權龍哲 奚德君 王建宇 陳 詞 王洪飛

(東北農業大學工程學院，哈爾濱150030)

為提高玉米分選機械化水平，針對傳統玉米分選機器存在籽粒難以實現批量整列的問題，設計了一種能夠高效批量整列的機械裝置。闡述了該批量整列裝置主要結構、工作原理和相關結構參數;對該裝置關鍵部件進行結構設計，分析振幅差異式電磁振動系統和批量整列軌道的性能特點;對該裝置的批量整列性能進行EDEM虛擬仿真試驗，以軌道弧形區域圓心角、楔形擋板夾角、軌道寬度為試驗因素，批量整列性能為試驗指標進行虛擬正交試驗，分析相關因素對批量整列性能參數的影響，獲得合理參數組合為:軌道寬度為15.4 mm，弧形區域圓心角為45°，楔形擋板夾角為110°。臺架試驗驗證結果表明:電磁振動系統振幅為1.5mm，頻率為52 Hz，振動方向角為28°，安裝傾角為0°，附加質量為0.3 kg，一側板彈簧調至87°，另一側板彈簧調至35°，安裝配重片處軌道振幅為1mm時，批量整列合格指數為83.1%，粘連卡止指數為10.4%，滯后指數為6.5%，批量整列性能良好，批量整列系統性能滿足玉米籽粒分選器性能要求。

玉米籽粒;分選;批量整列;TRIZ理論;EDEM

引言

玉米籽粒分選是玉米生產的重要環節，實現機械化分選并不斷提高其機械化水平是實現玉米精種、高產的必經之路。玉米籽粒批量整列機械系統的性能直接影響玉米分選效率，設計高效、可靠的玉米籽粒批量整列機械系統有利于提高玉米產量。

采用視覺技術對玉米籽粒進行分選取得了長足進步［1－2］，劉長青等［3］研究了玉米種粒動態檢測算法，對玉米籽粒進行重復種粒判斷、種粒合格性檢測和胚芽朝向判斷;張俊雄等［4］研究了一種玉米單倍體種子胚部特征提取及動態識別方法，采用一種基于B通道平均像素值的胚部特征提取方法;王僑等［5］以玉米種穗為對象，研究適合定向播種的玉米種穗圖像精選方法。上述視覺選別系統均需要依賴高效、可靠的批量整列機械平臺，才能有效地完成玉米籽粒的分選，相關研究人員針對提高玉米分選機械化問題已進行了廣泛研究［6－9］。米雙山等［10］針對前人建立的雙繞線圈滾筒電磁場模型的不足之處，建立了介電式種子分選機電磁場;宋鵬等［11］設計了動態玉米籽粒品質檢測分級系統;王應彪等［12］根據振動送料原理，提出了一種實現玉米籽粒定向排列輸送的方法;趙學觀等［13］設計了玉米籽粒吸附擺放機構，該機構是實現定向播種的方法之一。其中應用TRIZ理論解決機構設計等基礎問題已經較為普遍［14－18］。

由上述相關研究可知，大多數研究人員針對玉米籽粒的品質檢測及分選算法進行研究，部分學者對玉米分選機機構進行設計，其中，缺少玉米籽粒批量整列的機械系統設計。因此本文擬采用TRIZ創新理論，對玉米籽粒批量整列機構進行創新設計，以振動場中的籽粒為研究對象，建立其動力學模型，解析最佳玉米籽粒批量整列系統的結構參數組合，運用離散元軟件EDEM與臺架試驗驗證批量整列性能。

1 振幅差異式電磁振動系統模式分析

基于機器視覺技術的玉米籽粒自動選別功能是實現玉米籽粒批量整列的前提，該整列系統的有效工作需依靠可靠的能源動力系統，因此，首先構建振幅差異式電磁振動系統，進行動力模式分析，應用TRIZ創新理論輔助創建具有相應功能的技術系統，并實現技術系統的改進與優化［19－24］。

1.1 基于TRIZ理論的動力系統分析

玉米籽粒批量整列過程的本質是將喂料口處堆疊的玉米粒群整列成單行、單層和有一定間隔的籽粒流的過程，為智能識別系統甄選優質籽粒打下良好基礎，輸送過程應穩定快速地整列更多的籽粒，同時損耗較少的能源動力。對于玉米籽粒而言，采用振動力場作用方式實施整列輸送是一種比較理想的方法，通過電磁振動式軌道輸送玉米籽粒，有利于消除玉米籽粒之間堆疊、側滑等問題。該方案較易實現玉米籽粒單行、單層、有間隔流動的效果且消耗較少的能源動力。因此采用電磁振動式軌道系統對玉米粒群進行批量整列，實現玉米籽粒背景不動而籽粒流動的效果。

通過上述模型的分析，搭建電磁振動式軌道系統，該系統工作過程中，應將喂料口處堆積的玉米粒群快速振動整列開來，又應將玉米籽粒平穩、快速地輸送至機器視覺系統處，這就要求同一電磁振動系統作用下，且在同一軌道兩端，產生不同的振幅來實現玉米籽粒的兩種運動狀態，即振幅差異式電磁振動輸送系統。同一物理參數(振幅)，由于系統性能的要求不同，使得該參數的優化方向出現了矛盾，此問題屬幾何類物理參數沖突。運用空間分離原理對前端軌道的結構進行改進，將分別處于軌道前后端互為平行的板彈簧進行“分離”，即調整處于機器視覺系統下的板彈簧傾斜角度，完成降低此處振幅的要求，如圖1中紅色圓圈所示，為進一步有效降低視覺系統下方輸送軌道的振幅，通過安裝配重片來抵消軌道前端垂直方向的力，使軌道前端籽粒能夠平穩運動，如圖1中藍色圓圈所示。

圖1 運用空間分離原理改進后的電磁振動系統Fig．1 Improved electromagnetic vibration system based on space separation principle

1.2 系統動力學分析

經上述功能分析可知，該振動輸送軌道兩端上的玉米籽粒至少有2種運動狀態:喂料口處的籽粒實現拋擲運動，視覺系統處的籽粒實現正向滑行運動，構建電磁振動平臺中籽粒的力學模型［25］，如圖2所示，對籽粒運動狀態進行系統理論分析，進而確定系統的最佳參數組合、兩端板彈簧的安裝傾角及配重質量。

通過玉米籽粒在振動場中的力學模型分析，籽粒隨振動輸送軌道一同運動的階段，籽粒的位移、速度及加速度與軌道是一致的，所以軌道對籽粒作用的正壓力N為

圖2 電磁振動系統中玉米籽粒的力學模型Fig．2 Mechanicalmodel of corn seed in electromagnetic vibration system

式中 α——安裝傾角，(°)

β——振動方向角，(°)

t——運動時間，s

m——玉米籽粒質量，kg

ω——軌道振動的角頻率，rad/s

A——振動幅度，mm

籽粒產生拋擲運動的條件是籽粒受到的正壓力為零，且在開始出現拋擲運動的瞬時相對加速度為零，由式(1)得

式中

φd——拋始角，即拋擲運動開始的瞬時相位角，(°)

K——機械振動強度

D——拋擲指數

當拋擲指數D＞1時，式(4)的φd有解，籽粒可出現拋擲運動;當D＜1時，φd無解，籽粒不能出現拋擲運動。為使籽粒出現拋擲運動，拋擲指數D不得小于1。在籽粒與軌道保持接觸的情況下，籽粒與軌道之間的摩擦力FO為

式中 μ——籽粒與工作平面間的摩擦因數籽粒在軌道y方向的運動方程為

φ——籽粒正向滑行的瞬時相位角，(°)

G——籽粒重力，N

式(9)表示了產生正向滑行的條件與軌道振幅的關系。

式中 A+——臨界振幅，mm μ0——摩擦角

大于該臨界振幅時籽粒產生滑行，而小于該數值時不可能產生滑行。該系統廣義上類似于電磁振動輸送機，振動輸送機槽體的安裝傾角通常為0°［25］，且本文對籽粒的平穩輸送和批量整列進行研究，安裝傾角不易過大，因此本研究選取安裝傾角為0°;當頻率比取0.95時，試驗臺系統的工作點位于亞共振區，其振動效果最好［26］，因此，激振頻率取52 Hz;玉米籽粒與橡膠板的摩擦因數μ為0.65時，摩擦角δ0為33.21°，取反向滑行指數d1≈1，正向滑行指數d2為2～3，振動方向角的計算公式為［25］

式中c為常數，通過計算得到振動方向角β≈28°。已知安裝傾角及振動方向角，代入式(10)計算得出臨界振幅為1mm。在同一電磁振動系統的條件下，改變軌道兩端的振幅，籽粒就會產生相應的運動方式。引入調諧值Z，增大調諧值，可減小該端系統的振幅，又知減小系統固有頻率可增大調諧值。振動的固有頻率與初始條件無關，而僅與系統的固有特性有關(如質量、形狀、材質等)，在滿足技術要求的情況下，分析得出以下幾種方案:附加質量法、改變尺寸法和降低硬度法，采用這3種方案搭建系統，如圖3所示。

圖3 輸送平臺的調試Fig．3 Commissioning of transport platform

1.3 系統參數優化試驗

通過電磁振動系統力學模型的分析，獲得了玉米籽粒正向滑行運動狀態的臨界條件，在此臨界條件下，容易解決振幅差異式電磁振動系統中振幅的優化方向的矛盾性，對改進后的振幅差異式電磁振動系統進行預試驗，得到電磁振動系統最佳參數組合:振幅為1.5 mm，頻率為52 Hz，振動方向角為28°，安裝傾角為0°。通過希瑪AS63A型數字測振儀(株洲市測繪儀器儀表公司，其位移測量范圍為0.001～1.999 mm)、SDVC31型數字調頻振動送料控制器(深圳市世科達機電有限公司，輸出頻率范圍為40.0～400.0 Hz)等儀器對批量整列軌道實時檢測，進行系統調試試驗，結果表明:系統處于最佳參數組合條件下，一側板彈簧調至87°，另一側板彈簧調制35°、配重片質量加至0.3 kg時，經測定，安裝配重端軌道的振幅為1mm，此時籽粒產生正向滑行運動，振幅差異式電磁振動系統可實現預期效果，如圖3所示。

2 批量整列輸送軌道設計

玉米粒群批量整列系統是一個多功能、復合型系統，可能會出現多個功能單元受到同一物理參數控制和影響的情況，即發生矛盾沖突［27－29］。因此文中擬借助“沖突解決原理”化解分選系統中可能出現的物理矛盾和技術沖突，輔助完成系統創新設計。

2.1 基于TRIZ理論的軌道設計

若玉米粒群批量整列系統采用直線式軌道，因其結構簡單，籽粒易發生擁堵、粘連、重疊等現象。將上述矛盾沖突問題歸納為:改善的參數為物質的數量(籽粒有一定間隔的流動)，惡化的參數為裝置復雜性，在矛盾沖突矩陣中截取適合于本問題的子矩陣，如表1所示。

表1 輸送軌道的矛盾沖突矩陣1Tab．1 Con flictmatrix 1 of conveying track

對表1中發明原理進行分析篩選，可利用的發明原則有:13(逆向運作法)，將批量整列軌道入口設計成楔形軌道分流器，如圖4所示，即一個進料口為兩個輸送軌道提供籽粒，較好地實現籽粒間有間隔流動的功能，預防剔除裝置執行失誤等問題。

通過楔形分流器的作用，大部分籽粒完成了有一定間隔進入單軌道，但仍存在并排、重疊的籽粒，若解決此問題，需增大軌道激振力或振幅，但其必然消耗大量的能源動力，將上述矛盾沖突問題歸納為:力與能量損失之間的技術矛盾，其改善的參數為力，惡化的參數為能量損失，由矛盾矩陣表查得適合于本問題的子矩陣如表2所示。

圖4 楔形軌道分流器示意圖Fig．4 Schematic diagram ofwedge track shunt

表2 輸送軌道的矛盾沖突矩陣2Tab．2 Conflictmatrix 2 of conveying track

經過全面分析本文采用發明原理14(曲線、曲面化法)，將原有的直線軌道進行曲線化，設計成有一段或者多段弧形區域的軌道，如圖5所示，兩粘連籽粒經過弧形區域后，產生不同加速度，完成分離。

圖5 弧形區域整體軌道示意圖Fig．5 Sketchmap ofwhole track in arc region

2.2 粒間分離基本原理及方法

圖6 楔形軌道分流器中籽粒受力分析Fig．6 Force analysis of grain wedge track by shunt

在振幅差異式電磁振動系統下，同一軌道上的籽粒發生滑行、拋擲2種運動，籽粒運動過程中會出現粘連，這樣機器視覺系統難以判別，針對此問題，通過楔形軌道分流器及“S型”曲線輸送軌道對玉米籽粒整列，完成粒間分離，實現籽粒有一定間隔的流動。因此構建楔形軌道分流器及“S型”曲線輸送軌道的動力學模型，通過理論建模及EDEM軟件虛擬仿真確定楔形軌道分流器及“S型”曲線輸送軌道的具體結構尺寸，有效地完成粒間分離功能。如圖6所示，楔形軌道分流器可將一列籽粒分流成兩列，部分實現了粒群有一定間隔的流動，為后續“S”型軌道進一步完成粘連籽粒的分離做準備。圖中1、2、3、4為玉米籽粒;J為擋板尖點;L為楔形擋板長度，mm;n為軌道寬度，mm;Fj為擋板尖點對籽粒的作用力，N;Fm為籽粒與籽粒間作用力，N;Mm為Fj質心偏移產生的力矩，N·m;v為籽粒運動速度，mm/s。

由圖6可以看出，當左側或右側分流軌道中紅色矩形框內有多個籽粒堆積時，這些籽粒的運動會減慢或暫時停滯，處于楔形軌道分流器入口的籽粒3以正常的速度前進，將會受到籽粒2對其產生的作用力Fm及力矩Mm，同時受到尖點J的支持力Fj，其合力作用使得籽粒3運動到另一軌道，從而實現粒間分離。為保證玉米粒群批量整列系統的正常輸送速度，楔形軌道分流器紅色矩形框內籽粒的緩慢運動或暫時停滯運動的時間應盡量小，紅色矩形框的面積制約著籽粒前行速度及粒間分離效果，因此，需確定合理的楔形擋板長度L(紅色矩形框邊長)、楔形擋板尖點J位置、軌道寬度n及楔形擋板夾角δ。如圖7所示。

圖7 楔形軌道分流器設計參數確定方案Fig．7 Design schemes for design parameters ofwedge track shunt

由圖7a、7b可知，楔形擋板尖點J相對分流器入口的距離a大于或小于玉米籽粒長軸長度時，這兩種a值均以不同形式的反作用影響著籽粒的分離效果，進而阻礙籽粒分流。如圖7c所示，當距離a等于籽粒長軸長度，降低了籽粒A與待進入分流器的籽粒、分流器入口壁間的干涉，籽粒理論上會被逐一分流到另一側軌道，使得楔形分流器快速、有序、可靠的整列和分流籽粒，已知籽粒外形尺寸(長、寬、厚)分別在［7.8 mm，12.0 mm］、［6.0 mm，8.2mm］、［4.0mm，4.3mm］區間內，本文選取a值為12mm;由上述分流基本原理可知，紅色矩形框是以楔形擋板長度為邊長的正方形框，在紅色矩形框內堆積的籽粒個數既影響著分流的效果，又影響著籽粒輸送的速度和效率，當紅色矩形框中有2個籽粒時，既滿足了產生堆積所需的最少籽粒數，又達到了對籽粒輸送速度和效率的最小影響率，由于玉米籽粒形狀不規則，矩形框中包含2個籽粒時，其面積約為籽粒上表面或下表面的2.5倍，已知籽粒的平均表面積約為98.4 mm2，紅色矩形框的面積為246.1mm2，因此，楔形擋板的長度L為15.7mm，圓整為16mm;由圖7d可知，楔形擋板夾角δ為110°時，紅色矩形框與分流器邊界有且只有一個交點，此時分流器入口空間為紅色三角形區域，如圖7e所示，楔形擋板夾角為180°時，籽粒向前輸送過程中會與楔形擋板發生碰撞，嚴重影響籽粒批量整列速度與效率，擋板夾角小于110°時，分流器入口空間增大為綠色梯形區域，籽粒不易產生堆積和短暫停滯的運動狀態，進而分流器難以完成分流的功能，因此，楔形擋板夾角的合理化參數范圍為:110°≤δ＜180°。

軌道中玉米粒群運動復雜，多籽粒運動形式可簡化為2個籽粒之間的相互作用形式，且“S型”曲線輸送軌道功能是將籽粒兩兩分離開來，因此，本研究以相互粘連的2個籽粒為研究對象，針對4種作用形式分別進行受力分析，如圖8所示。圖中O1為曲線軌道左側壁圓心;O2為曲線軌道右側壁圓心;R為曲線軌道半徑，mm;θ為曲線軌道圓心角，(°); FA、Ffa分別為籽粒A受到的作用力和摩擦力，N;MA為籽粒A受到的力矩，;FB、Ffb分別為籽粒B受到的作用力和摩擦力，N;MB為籽粒B受到的力矩，。

圖8 “S型”曲線軌道中籽粒受力分析Fig．8 Force analyses of grain in“S”curve track

2個粘連籽粒處于相同振動輸送環境中，受到的作用力不盡相同，為探究籽粒在“S”型曲線軌道中運動狀態的改變情況，通過觀察發現籽粒均在脫離曲線軌道時發生粒間分離現象。擬作固定弦長S，圓心角為θ，半徑為R的圓弧單軌道，籽粒碰撞軌道瞬間受到軌道對其作用的支持力F和摩擦力Ff，將其平移后作用在籽粒質心處，產生附加力偶M。相互粘連的籽粒進入曲線軌道時，具有相同速度和加速度，籽粒在軌道中未實現粒間分離，仍以粘連的狀態前行。如圖8所示，當籽粒以4種姿態脫離軌道時，在前面的籽粒B脫離軌道后發生的路程為直線，仍在軌道中的籽粒A發生的路程為弧線，在相同時間、速度的條件下，籽粒B運動位移大于籽粒A位移，2個粘連籽粒完成了粒間分離。因此，在楔形軌道分流器與“S型”曲線軌道共同作用下，籽粒能夠完成粒間分離且有一定間隔的流動。

由“S型”曲線軌道的粒間分離基本原理可知，曲線軌道作用的是使2個籽粒完成粒間分離，因此，選取曲線的弦長S為1個籽粒長軸長度的2倍，且1個籽粒長軸的最大值為12 mm，確定弦長 S為24mm，因此，改變曲線圓心角θ，半徑R也隨之改變，圓心角的范圍為0°～180°，選取其中具有力學分類特性的45°、90°、135°、180°圓心角，采用EDEM軟件對這4個不同圓心角的“S型”曲線軌道進行虛擬仿真預試驗，確定圓心角θ合理的參數范圍。

3 基于EDEM虛擬仿真的玉米籽粒批量整列系統結構分析

通過上述批量整列系統基本原理的分析，該系統能夠完成粒間分離功能，為進一步確定系統具體參數，采用EDEM虛擬仿真軟件對系統進行結構分析。

3.1 幾何模型建立

通過上述批量整列軌道基本原理及方法的分析，楔形擋板夾角范圍為110°～140°，曲線軌道圓心角分別為45°、90°、135°、180°;根據籽粒外形尺寸，選取軌道寬度范圍為12.32～18.48mm。

為便于仿真模擬及計算，將與玉米籽粒運動過程中接觸無關的部件去除，應用三維制圖軟件Pro/E對批量整列輸送軌道進行實體建模，將上述合理范圍內的不同尺寸軌道設計在同一輸送平臺，對照試驗便于數據統計，以．igs格式導入EDEM軟件中，運用C語言對彈性函數進行編譯，通過EDEM軟件的應用編程接口(Application programming interface，API)完成彈力加載［30－32］，使得輸送軌道橡膠板與底部鋼板更加貼合。根據文獻設置軌道底部材料和楔形軌道分流器及曲線形軌道材料為普通橡膠板，其泊松比為0.47，剪切模量為3.5×106Pa，密度為1 500 kg/m3，底部鋼板的泊松比為0.3，剪切模量為7×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

3.2 玉米籽粒離散模型的建立

本文選取大馬齒型和半馬齒型玉米籽粒為研究對象，通過人工分級清選處理，選取優質的籽粒，隨機抽取各品種1 000顆籽粒進行測量，試驗結果為:籽粒外形尺寸(長、寬、厚)分別在［7.8 mm，12.0mm］、［6.0 mm，8.2 mm］、［4.0 mm，4.3 mm］區間內。在EDEM軟件中通過多球面組合的方式進行填充，模擬籽粒狀態如圖9所示。設置籽粒模型的泊松比為0.4，剪切模量為1.37×108Pa，密度為1 154 kg/m3。

3.3 虛擬仿真與分析

運用EDEM軟件進行玉米籽粒批量整列系統性能虛擬試驗，分析輸送過程中不同的軌道對粒間分離效果不同的主要原因，研究楔形分流器擋板夾角、曲線軌道的圓心角、軌道寬度對粒間分離性能的影響，為其關鍵部件的優化設計提供參考。首先，以45°、90°、135°、180°圓心角的曲線軌道分別進行仿真預試驗，結果如圖10所示，圓心角為90°、135°、180°的曲線軌道籽粒粘連滯后現象較嚴重，根據仿真結果確定合理圓心角為45°，因此，選取30°、45°、60°3個水平進行批量整列性能虛擬試驗。

圖9 玉米籽粒EDEM模型Fig．9 Maize grain EDEM model

圖10 EDEM虛擬仿真預試驗結果Fig．10 Preliminary test result of EDEM virtual simulation

根據實際工況下的系統參數組合，設置EDEM軟件相對應的參數，本研究選取三因素三水平的正交虛擬仿真試驗，設置相同9組顆粒工廠，確保每個軌道有相同數量的玉米籽粒，在楔形分流器末端和“S型”軌道弧形區域前端、末端設置網格單元體，以便對試驗指標進行計算。

在仿真過程中，籽粒出現有一定間隔的快速流動、粘連、滯后3種運動狀態。圖11a表示籽粒經過軌道批量整列后形成有一定間隔的籽粒流;圖11b表示籽粒粘連狀態，寬為12.32 mm的軌道出現籽粒粘連現象較嚴重，因軌道寬度較小;圖11c表示籽粒滯后狀態，圓心角為60°的軌道出現籽粒滯后現象較多，由于弧形軌道彎曲弧度過大，路程變大，即相同時間部分籽粒的運動位移落后于另一部分籽粒。

圖11 EDEM虛擬仿真試驗結果Fig．11 Test results of EDEM virtual simulation

粘連指數D和滯后指數M為輔助分析指標，其計算公式為

式中 N——理論籽粒數

n1——粘連籽粒數

n2——運動位移滯后籽粒數

以合格指數s為虛擬試驗指標，其計算公式為

式中 n0——未出現粘連卡止、滯后現象的籽粒數

應用EDEM軟件進行虛擬仿真試驗，試驗因素水平如表3所示。在評價作業性能時，還應衡量圖像識別區域作業速度要求，運用Excel軟件對仿真數據進行處理，虛擬試驗結果如表4所示。A、B、C為因素水平值。

表3 試驗因素水平Tab．3 Test factors and levels

表4 虛擬正交試驗方案與結果Tab．4 Scheme and results of virtual orthogonal test

正交試驗方差分析結果見表5，以合格指數s為虛擬試驗指標，作為確定最優參數組合的依據;為進一步評估粒間分離效果及粒群流動的順暢性，分析粒群整列失效成因，引入粘連卡止指數和滯后指數為輔助評估參數。對于合格指數，各因素影響強度從大到小依次為A、B、C，當A取水平2時，合格指數最大，合格指數隨著弧形軌道圓心角度數的增加呈現先增加后降低的趨勢;相同圓心角時，中軌道對籽粒的輸送合格指數最高，窄軌道對籽粒的輸送合格指數最低;當B取水平1時，合格指數最大，粘連指數隨圓心角度數增加而增加，在相同圓心角時，對窄軌道粘連卡止指數最高，滯后指數隨圓心角的增加而增加，寬軌道與窄軌道滯后指數接近;當C取水平2時，即當工況為A2B1C2時，合格指數最大。

4 批量整列系統性能試驗

采用虛擬樣機技術對玉米粒群批量整列系統進行三維建模、虛擬運動仿真，經檢驗無結構干涉及運動失真的情況，將上述系統的三維實體模型轉化成工程圖，利用加工中心對機具進行機械制造，將系統設置成連續可調參數，實施了批量整列性能測試試驗，試驗平臺如圖12所示。試驗地點為東北農業大學機電研究中心，系統各部分運轉良好，為系統的后續相關研究提供參考。試驗相關測試儀器有希瑪AS63A型數字測振儀(株洲市測繪儀器儀表公司，其位移測量范圍為0.001～1.999mm)、SDVC31型數字調頻振動送料控制器(深圳市世科達機電有限公司，輸出頻率范圍為40.0～400.0 Hz)等，通過高速攝像圖像采集處理裝置(Phantom V5.1，Vision Research Inc．，美國)進行實時檢測，以實現準確測定各項批量整列性能指標的目的。在試驗前，設定電磁振動系統為虛擬仿真試驗后得到的最優參數組合:振幅為1.5 mm，頻率為52 Hz，振動方向角為28°，安裝傾角為0°，附加質量為0.3 kg，一側板彈簧調至87°，另一側板彈簧調制35°，“S型”曲線軌道弧度區域圓心角為45°，楔形擋板夾角為110°，軌道寬度為15.40mm，可根據試驗時玉米籽粒的數量選取曲線軌道的段數。

表5 虛擬正交試驗方差分析Tab．5 ANOVA of virtual orthogonal test

圖12 玉米粒群批量整列試驗平臺Fig．12 Test platform for batch transportation ofmaize grain

本研究對象選擇區域代表性顯著、種植面積大、具備定向種植條件的半馬齒或者大馬齒型玉米品種作為研究對象，即中科11號、東單80號、鄭丹958號3個品種，此外各樣本均隨機選擇玉米種穗中部飽滿、整齊的5 000顆優質籽粒，隨機將5 000顆籽粒分成5組，每組1 000顆籽粒。通過高速攝像系統記錄玉米籽粒在電磁振動軌道上的運動過程，從15組試驗中隨機抽取3組試驗圖像，如圖13所示。

圖13 玉米粒群整列的高速攝影圖像Fig．13 High speed photography images ofmaize grain batch transportation

如圖13所示，中科11號、東單80號、鄭丹958號3個品種籽粒在批量整列試驗臺上均平穩快速地向前輸送，且大部分籽粒實現了有一定間隔的快速流動，實現了籽粒的批量整列，為后續分選系統性能試驗提供基礎。臺架試驗中粒群批量整列平均合格指數為83.1%，粘連指數為10.4%，滯后指數為6.5%，臺架試驗結果與仿真的合格指數最大誤差為5.3%，產生誤差的原因可能為臺架試驗中籽粒形狀尺寸存在差異等，但誤差在可接受的范圍內。

5 結論

(1)采用振幅差異式電磁振動系統、楔形軌道分流器和“S型”曲線軌道，為批量整列過程的流暢、可靠、高效動作提供了保障。

(2)構建振幅差異式振動系統中籽粒的運動學模型，得到籽粒正向滑行的臨界條件，對該系統進行預試驗，得到系統最優參數組合:電磁振動源的振幅為1.5mm，頻率為52Hz，振動方向角為28°，安裝傾角為0°，經測定，安裝配重端軌道的振幅為1mm，建立楔形分流器及“S型”曲線輸送軌道中籽粒的動力學模型，分析了籽粒批量整列的基本原理。

(3)進行EDEM虛擬仿真試驗，研究了楔形軌道分流器及“S型”曲線軌道不同結構尺寸對粘連和滯后問題影響的主要原因，分析了楔形擋板、軌道弧形區域圓心角及軌道寬度對批量整列性能的影響，仿真結果表明:系統的結構參數為軌道寬度為15.40mm，弧形區域圓心角為45°，楔形擋板夾角為110°。

(4)借助Pro/E技術完成了玉米籽粒批量整列系統試驗平臺的研制，搭建了具有參數可調功能試驗臺，臺架試驗進一步驗證了該參數組合下批量整列性能可以滿足玉米籽粒分選機評價技術規范的相關要求，其批量整列籽粒的合格指數高達83.1%。

1 宋鵬，吳科斌，張俊雄，等．基于計算機視覺的玉米單倍體自動分選系統［J］．農業機械學報，2010，41(增刊):249－252．SONG Peng，WU Kebin，ZHANG Junxiong，et al．Sorting system of maize haploid kernels basedon computer vision［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41(Supp．):249－252．(in Chinese)

2 張帆，李紹明，劉哲，等．基于機器視覺的玉米異常果穗篩分方法［J/OL］．農業機械學報，2015，46(增刊):45－49．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=2015S008＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．S0．008．ZHANG Fan，LI Shaoming，LIU Zhe，et al．Screening method of abnormal corn ears based on machine vision［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(Supp．):45－49．(in Chinese)

3 劉長青，陳兵旗，張新會，等．玉米定向精播種粒形態與品質動態檢測方法［J/OL］．農業機械學報，2015，46(9):47－54．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150907＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/ j．issn．1000-1298．2015．09．007．LIU Changqing，CHEN Bingqi，ZHANG Xinhui，et al．Dynamic detection of corn seeds for directional precision seeding［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(9):47－54．(in Chinese)

4 張俊雄，武占元，宋鵬，等．玉米單倍體種子胚部特征提取及動態識別方法［J］．農業工程學報，2013，29(4):199－203．ZHANG Junxiong，WU Zhanyuan，SONG Peng，etal．Embryo feature extraction and dynamic recognitionmethod formaize haploid seeds［J］．Transactions of the CSAE，2013，29(4):199－203．(in Chinese)

5 王僑，陳兵旗，楊曦，等．用于定向播種的玉米種穗圖像精選方法［J］．農業工程學報，2015，31(1):170－177．WANG Qiao，CHEN Bingqi，YANG Xi，et al．Corn ears image selection method for directional seeding［J］．Transactions of the CSAE，2015，31(1):170－177．(in Chinese)

6 汪裕安，呂秋瑾．重力式清選機分選規律的初步探索［J］．農業機械學報，1983，14(3):57－69．WANG Yu'an，LQiujin．The experiment and analysis on small gravity separators［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，1983，14(3):57－69．(in Chinese)

7 張本華，李成華，孫士明，等．不同電極排列方式介電分選種子試驗［J］．農業工程學報，2009，25(5):109－114．ZHANG Benhua，LI Chenghua，SUN Shiming，et al．Experiment of dielectric separation of seeds with different electrode arrangements［J］．Transactions of the CSAE，2009，25(5):109－114．(in Chinese)

8 徐靜．玉米種子光電分選技術及裝置的研究［D］．長春:吉林大學，2009．XU Jing．Research on optical sorting technology and device for corn seed［D］．Changchun:Jilin University，2009．(in Chinese)

9 鄧繼忠，李山，張建瓴，等．小型農產品分選機設計與試驗［J/OL］．農業機械學報，2015，46(9):245－250．http:∥www．jcsam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150936＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．09．036．DENG Jizhong，LIShan，ZHANG Jianling，etal．Design and testof small-scale sortingmachine for agricultural products［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(9):245－250．(in Chinese)

10 米雙山，吳鵬英，劉迅芳．介電式種子分選機電磁場的研究［J］．農業工程學報，2003，19(2):97－101．MIShuangshan，WU Pengying，LIU Xunfang．Electric field of dielectric seed separator［J］．Transactions of the CSAE，2003，19(2):97－101．(in Chinese)

11 宋鵬，張俊雄，荀一，等．玉米種子自動精選系統開發［J］．農業工程學報，2010，26(9):124－127．SONG Peng，ZHANG Junxiong，XUN Yi，et al．Developement of automatic inspection system of corn seeds［J］．Transactions of the CSAE，2010，26(9):124－127．(in Chinese)

12 王應彪，趙學觀，徐麗明，等．基于電磁振動的玉米種子定向排序輸送技術［J/OL］．農業機械學報，2015，46(1):79－88．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150112＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．01．012．WANG Yingbiao，ZHAO Xueguan，XU Liming，et al．Experiment and directionalmovement technology of corn seed based on electromagnetic vibration［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(1):79－88．(in Chinese)

13 趙學觀，徐麗明，王應彪，等．基于Fluent與高速攝影的玉米種子定向吸附研究［J/OL］．農業機械學報，2014，45(10):103－109，28．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20141017＆journal_id=jcsam．DOI: 10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．017．ZHAO Xueguan，XU Liming，WANG Yingbiao，et al．Directional absorption characteristics of corn seed based on Fluent and high-speed photography［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery，2014，45(10):103－109，28．(in Chinese)

14 鄧勁蓮，李尚平，梁式．甘蔗收獲機扶蔗機構的概念設計與創新設計［J］．農業機械學報，2003，34(6):58－61．DENG Jinlian，LIShangping，LIANG Shi．Conceptual design and innovation on holding device of sugar cane harvester［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2003，34(6):58－61．(in Chinese)

15 郝興玉，賀剛，董佳佳，等．基于ARIZ算法的方草捆收集車改進設計與試驗［J/OL］．農業機械學報，2016，47(增刊):254－260，316．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=2016s039＆journal_id=jcsam．DOI: 10．6041/j．issn．1000-1298．2016．S0．039．HAO Xingyu，HE Gang，DONG Jiajia，et al．Improved design and test on collecting wagon of rectangular bale based on ARIZ algorithm［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(Supp．):254－260，316．(in Chinese)

16 權龍哲，曾百功，馬云海，等．基于TRIZ理論的玉米根茬收獲系統設計［J］．農業工程學報，2012，28(23):26－32．QUAN Longzhe，ZENG Baigong，MA Yunhai，et al．Design of corn stubble harvester based on TRIZ theory［J］．Transactions of the CSAE，2012，28(23):26－32．(in Chinese)

17 張伏，佟金．植物纖維及其增強復合材料的研究進展［J］．農業工程學報，2006，22(10):252－256．ZHANG Fu，TONG Jin．Status and developmental trends of plant fibers and their reinforced composites［J］．Transactions of the CSAE，2006，22(10):252－256．(in Chinese)

18 張付英，張林靜，王平．基于TRIZ進化理論的產品創新設計［J］．農業機械學報，2008，39(2):116－119，166．ZHANG Fuying，ZHANG Linjing，WANG Ping．Study on product innovative design based on TRIZ evolution theory［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2008，39(2):116－119，166．(in Chinese)

19 李恩田．基于TRIZ的機械產品創新設計模式研究［J］．機械，2006，33(8):18－20，23．LIEntian．Based on TRIZmechanical product innovation design model research［J］．Mechanics，2006，33(8):18－20，23．(in Chinese)

20 檀潤華．產品創新設計若干問題研究進展［J］．機械工程學報，2003，39(9):11－16．TAN Runhua．Progress of some problems in product design for innovation［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2003，39(9):11－16．(in Chinese)

21 MANN D L．Better technology forecasting using systematic innovationmethods［J］．Technological Forecasting and Social Change，2003，70(8):779－795．

22 COULIBALY S，HUA Zhongsheng，SHIQin，et al．TRIZ technology forecasting as QFD input within the NPD activities［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17(2):284－288．

23 丁俊武，韓玉啟，鄭稱德．創新問題解決理論-TRIZ研究綜述［J］．科學與科學技術管理，2004(5):53－60．DING Junwu，HAN Yuqi，ZHENG Chengde．The theory of innovative problem solving—a review of TRIZ research［J］．Science and Technology Management，2004(5):53－60．(in Chinese)

24 MANN D L．Fan technology evolutionary potential and evolutionary limit［J］．Triz Journal，2004:157－160．

25 聞邦椿，劉鳳翹，劉杰．振動篩、振動給料機、振動輸送機的設計與調試［M］．北京:化學工業出版社，1989．

26 宋世國，王其超．直線式電磁振動上料器的設計［J］．機械設計，1987(5):30－35．SONG Shiguo，WANGQichao．The design of linearmagnetic vibrator feeder［J］．JournalofMachine Design，1987(5):30－35．(in Chinese)

27 劉曉敏，檀潤華，姚立綱．產品創新設計若干問題研究進展［J］．機械工程學報，2008，44(9):154－162．LIU Xiaomin，TAN Runhua，YAO Ligang．Application research on integrated processmodel for the conceptual design of product innovation［J］．Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，44(9):154－162．(in Chinese)

28 FRESNER J，JANTSCHGIJ，BIRKEL S，et al．The theory of inventive problem solving(TRIZ)as option generation toolwithin cleaner production projects［J］．Journal of Cleaner Production，2010，18(2):128－136．

29 劉志峰，楊明，張雷．基于TRIZ的可拆卸聯接結構設計研究［J］．中國機械工程，2010，21(7):852－859．LIU Zhifeng，YANG Ming，ZHANG Lei．TRIZ based design for disassembly of joint structure［J］．Chinese Mechanical Engineering，2010，21(7):852－859．(in Chinese)

30 MINDLIN R D．Compliance of elastic bodies in contact［J］．ASME Journal of Applied Mechanics，1949，16:259－268．

31 TSUJIY，TANAKE T，ISHIDA T．Lagrangian numerical simulation of plug flow of cohesionless particles in a horizontal pipe［J］．Powder Technology，1992，71(3):239－250．

32 POTYONDY D O，CUNDALL PA．A bonded-particlemodel for rock［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(8):1329－1364．

Parameters Optim ization and Experiment of Batch Transportation for Maize Grain

QUAN Longzhe XIDejun WANG Jianyu CHEN Ci WANG Hongfei
(College of Engineering，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

In order to improve themechanization level of corn sorting，a kind ofmechanical device with high efficiency and batch transportation ofmaize grain was designed to solve the problem that traditional corn sortingmachine of grain was difficult to realize the batch transportation．Themain structure，working principle and related structure parameters of the batch transportation device were described．Structural design of key components of the device，analysis of performance characteristics of amplitude difference type electromagnetic vibration system and batch transportation track were introduced．EDEM virtual simulation testwas done on the device performance of the batch transportation，track arc central angle，wedge baffle angle and track width were taken as experiment factors，and batch column performance indicators were selected as test index of the virtual orthogonal experiment．The influence of related factors on the performance of the batch transportation was analyzed，and reasonable parameter combination was obtained as:the track width of15.4mm，track arc central angle of45°and wedge baffle angle of 110°．The bench testwas carried out，the bench test results showed that the electromagnetic vibration amplitude was 1.5mm，frequency was52 Hz，the vibration direction angle was 28°，the installation angle was 0°，the added masswas 0.3 kg，one side of plate spring was adjusted to 87°，the other side of plate spring was adjusted to 35°，the amplitude of the track with added mass was 1 mm，the batch transportation qualified index was 83.1%，adhesion and retention index was10.4%，hysteresis index was6.5%．The batch transportation performance was good，which met the performance requirements of corn seed separator，and the research provided a theoretical and technical reference for the research and design of corn sorting device．

maize grain;sorting;batch transportation;TRIZ theory;EDEM

S24

A

1000-1298(2017)07-0059-10

2017-04-24

2017-05-12

國家自然科學基金項目(51405078)、中國博士后科學基金項目(2014M561318)、高等學校博士學科點專項科研基金項目(20132325120007)和東北農業大學學術骨干項目(518020)

權龍哲(1980—)，男，副教授，博士，主要從事智能農業裝備研究，E-mail:quanlongzhe@163．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．008