基于EDEM軟件的螺旋提土裝置最佳間隙的研究和分析

周艷麗，王小飛，余永昌

(1.河南工業貿易職業學院 機電工程系,鄭州 450002；2.河南農業大學 機電工程系,鄭州 450002)

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基于EDEM軟件的螺旋提土裝置最佳間隙的研究和分析

周艷麗1，王小飛1，余永昌2

(1.河南工業貿易職業學院 機電工程系,鄭州 450002；2.河南農業大學 機電工程系,鄭州 450002)

基于EDEM軟件對覆膜式大豆玉米精播機的螺旋提土器進行仿真模擬分析，尋找螺旋提土器的外徑與套筒內壁之間的最佳間隙值范圍。針對現有螺旋提土器存在的不足，從研究螺旋提土裝置的結構入手，通過力學分析等方法研究、尋找螺旋提土器的外徑與套筒內壁之間的最佳間隙值，為提高覆膜式精量播種機的使用效果提供理論依據。通過大量實驗分析，螺旋外徑與料槽之間的間隙對螺旋提土器的土壤輸送的軸向速度、土壤輸送量及功率消耗的影響都比較大。結果表明：鋪膜式精量播種機的最佳螺旋提土裝置的配合間隙應該選擇在3～4mm，根據不同的加工工藝實現方法，將加工誤差控制在此范圍內時最終實現的覆土效果較好。

螺旋輸送機；最佳間隙；模擬仿真；軸向速度；輸送量

0 引言

我國遼闊的地域造就了各地千差萬別的地理條件，各地種植制度和耕作模式有各自的地域特點，因此在不同地區對農業機械有不同的技術要求[1]。例如，在干旱半干旱地區使用的大豆、玉米等播種機需要添加地膜覆蓋技術，以解決這些地區作物因長期缺水導致的出苗率低等問題。鋪膜播種機一般由播種機和鋪膜機組合而成，采用地膜覆蓋播種技術能有效減輕土壤水分的散失、減少風沙等對地表的侵蝕、改善土壤環境、提高土壤積溫、減少雜草及病蟲害等。該技術的使用大大提高了干旱半干旱地區作物的產量，因此鋪膜式播種機在山西、新疆等地得到了廣泛使用。山西土壤質地松散，易受風沙、雨水等侵蝕，屬于鋪膜播種技術推廣的典型地區。山西省自2009年起提出了研制穴播式鋪膜播種機等攻關項目，所研制的鋪膜式精量播種機能夠配合山西省農業科學院研制的“3V型”種植模式和新型滲水地膜使用?！?V 型”種植模式形成的“V 型”種植溝類似于微型溫室，可以將微量降水聚集到苗的根部，保墑效果良好[2-4]。目前，地膜覆蓋技術較好地解決了旱地農作物的缺水干旱問題，增產效果較為顯著。傳統的鋪膜覆蓋技術采用先播種再覆膜，出苗前再劃膜放苗的農藝過程，導致效率低、成本大。目前，山西地區多使用先鋪膜后播種聯合作業模式的精量播種機。即鋪上膜后直接在膜上打孔播種，地膜兩側作為播種帶，膜中間作為采光面。鋪膜時要求膜面平整，使地膜緊貼地面，同時要在膜上覆一層薄土。因為相比膜下穴播，膜上穴播如果播后遭遇雨水更容易造成種子附近土壤孔板結，導致部分種苗無法破土，影響了出苗率[3]。因此，目前在山西地區使用的覆膜式精量播種機一般都配有提土裝置在完成播種后在種帶膜上覆土，稱之為膜上覆土技術。

膜上覆土技術不僅可以防止大風揭膜及地膜老化，同時能提高地溫、降低土壤水分蒸發，還能提高作物的抗風能力。膜上覆土技術保證了一定出苗成活率[4-5]，但早期市場上的覆膜式精量播種機的提土裝置還存在取土分離效果差等問題，還不能很好地滿足相關的農藝要求。目前，在山西等地使用較為廣泛的鋪膜式精量播種機機型，如圖1所示。該機能一次性完成開膜溝鋪膜、膜邊覆土、膜上穴播及種孔覆土等作業。作業時，采用改良鴨嘴式排種器在地膜上劃膜播種，螺旋提土裝置進行開溝，并利用內置的螺旋刀片提土[6]。該螺旋提土裝置傾斜于地面放置，工作時螺旋片將土提升到一定的高度后經成“倒V”狀的出土口被分鋪到播種后的地膜上，一般通過調節底輪高度來控制提土量。該機型采用螺旋式提土裝置完成膜上覆土技術，相比“云梯式”提土裝置對土壤適的用范圍更廣，并且覆土量可任意調節，覆土質量得到了一定的提高，但在實際生產中會出現地膜覆土間斷等現象。經大量試驗研究，引起這種現象的主要原因是該機型內置的螺旋輸送機與其配套的圓柱套筒之間被物料等堵塞而影響了覆土的連續性和均勻性，螺旋輸送機又稱為攪龍，在機械生產中二者之間的間隙參數的選擇主要是依靠加工者的經驗。目前，國內外對螺旋輸送機的研究主要集中在轉速、輸送角度、螺旋葉片的布置及螺距等參數對輸送量的影響，針對不同間隙對輸送效率影響的研究并不多。因此，本文擬利用EDEM軟件對該機型的螺旋提土裝置進行研究和分析，通過EDEM軟件完成模型構建，研究土壤螺旋輸送機不同的螺旋外徑與套筒間隙對軸向速度V軸、輸送量Q、功率消耗No產生的影響，最終得出二者之間的最佳配合間隙范圍，為提高覆膜式精量播種機的使用效果提供理論依據。

1.開溝器 2.地輪 3.鴨嘴式播種裝置 4.覆土器 5.提土裝置

1 EDEM軟件

EDEM是世界上第一個用現代化離散元模型科技設計的用來模擬和分析顆粒處理和生產操作的通用CAE軟件，可以快速、簡便地對固體顆粒系統建立參數化的模型。通過模擬散狀物料體系的行為特征，以及添加相應的力學性質、物料性質和其它物理性質來建立顆粒模型，并且在模擬過程中把生成的數據儲存到相應的數據庫中，協助設計人員解決各類散料處理設備設計和生產問題。目前，EDEM軟件被廣泛應用于航空航天、能源化工、礦物加工、制藥、農業及材料等行業中。由于本次的研究對象為干燥沙土，它在攪龍的實際運行中的運動行為和力學行為都比較復雜，普通軟件很難直接獲得土壤顆粒受力、質量流量、運動軌跡及設備功率消耗等試驗比較難測得的信息[7]；而EDEM軟件在分析土壤顆粒等散體物料方面有較大優勢。

2 EDE模型的研究

2.1 螺旋輸送機的結構與工作原理

鋪膜式精量播種機采用的螺旋提土裝置結構主要由螺旋攪龍部分、圓柱形套筒及倒V型分土管3部分組成。螺旋式輸送裝置具有結構簡單、成本低、易于加工、工作性能穩定等優點，因此螺旋輸送機近年來被廣泛用于糧食、化工、水泥等物料的輸送，它在水平、傾斜與豎直方向都能夠實現輸送物料[8]。螺旋器由葉片和軸焊接而成，一般分為實體型、帶式、葉片式和齒式4種結構形式[9]。鋪膜式精量播種機采用的是實體型螺旋攪龍，如圖2(a)所示。該結構適用于流動性好、較為干燥的粉末狀物料，輸送效率較高。螺旋式輸送機的基本工作原理是利用螺旋葉片的旋轉運動推動物料沿套筒運動從而被運輸和提升。本研究所用機型的螺旋攪龍的葉片非等距排列，最前端部分和后端部分葉片的螺距不相同，如圖2(b)所示。這種設計主要是為了防止螺旋攪龍超載產生堵塞，為了保證良好的輸送提升功能，因此采用了變螺距設計。該研究所用的螺旋輸送機的直徑D為125mm,螺距T是100mm，最前端部分的螺距取50mm；但是在后續計算中，考慮到該輸送機的最前端部分雖為變螺距設計，但對于總長度比較少，可忽略不計，整體按等螺距計算[10-11])。螺旋葉片厚度約為1mm,螺旋外徑與套筒之間的間隙目前約為5mm,按拖拉機輸出軸轉速530r/min，計算得出螺旋軸轉速為260r/min。

(a) 實體型螺旋機

(b) 變螺距設計

2.2 土壤團粒的運動分析

鋪膜式精量播種機在工作時，被耕整過的土壤從提土器前端進入到套筒內，隨著轉軸的轉動，土壤在螺旋葉片的法向推力的徑向分力和土壤自身與葉片之間的摩擦力的作用，產生了繞軸旋轉的趨勢；但同時又受到了土塊自身的重力以及套筒內壁與土壤之間的摩擦力，在合力作用下土壤在通過螺旋輸送機的過程中，不是單純的沿軸向運動，而是在一種復合運動中沿螺旋軸運動。其輸送量的大小主要靠軸向速度來決定[12]，土壤團粒的運動，如圖3所示。因為土壤受到摩擦后的合力方向與螺旋線的方向產生了一個偏離角φ，但一般情況下，由于螺旋刀片比較光滑因此偏離角可以近似地看作土壤自身產生的摩擦角，即φ=ρ。

圖3 土壤團粒在攪龍中的運動圖

根據圖3，可以利用幾何數學關系推導出V軸的計算公式為

(1)

(2)

(3)

則傾斜螺旋輸送機的軸向速度為

(4)

式中 α—螺旋升角；

ρ—物料自身的摩擦角；

γ—螺旋葉片上任意一點所在的圓周半徑；

ω—物料阻力系數，ω =0.5；

T—螺旋葉片的螺距；

A—土壤團粒。

2.3 螺旋輸送機的輸送量

在螺旋輸送器中，輸送量Q是指單位時間內物料在葉片推動下輸出的物料[12]。輸送量Q與輸送機的橫截面積F、輸送速度n、輸送物料的性質及放置位置有關，本研究涉及的螺旋輸送機傾斜于地面放置，傾斜角度約為20o。傾斜式螺旋輸送機的實際輸送量Q粗略按下列方法推導出其公式，則有

Q=3600F·V軸·γ

(5)

式中 Q—螺旋輸送機的輸送量；

F—螺旋輸送機內的物料橫截面積；

V軸—物料沿軸向推進的速度；

γ—物料密度，土壤的堆積密度取1.22t/m3；

其中，橫截面積F為

(6)

式中 φ—裝滿系數，傾斜地面20°放置的螺旋輸送機的裝滿系數φ=0.86；

μ—螺旋輸送機的傾斜輸送修正系數，取值范圍為0.7～0.9，現取μ=0.8；

D—螺旋葉片的直徑。

物料在螺旋輸送機內的軸向速度V為

(7)

式中 T—螺旋葉片的螺距，考慮到所用葉片是實體型，因此T=0.8D；

n—螺旋軸轉速.

因此，傾斜放置的螺旋輸送機的輸送量公式可換算為

Q=47D2·φ·T·n·μ·γ

(8)

2.4 螺旋輸送機的功率消耗

對于傾斜放置的螺旋輸送機的功率消耗No可以根據圖4和式(9)計算而得。其中，公式中如果是向上輸送物料，則取“+”；如果向下運輸時，取“-”。

(9)

式中 L—螺旋輸送機的水平投影長度；

H—螺旋輸送機垂直頭型高度。

圖4 螺旋輸送機位置安裝結構圖

3 仿真結果與分析

經過EDEM軟件仿真結果，得出了螺旋外徑與套筒不同配合間隙對鋪膜式精量播種機的螺旋提土裝置的土壤輸送的軸向速度、土壤輸送量及功率消耗的影響規律圖，如圖5～圖7所示。

1)不同螺旋外徑與套筒之間的配合間隙對螺旋輸送機的軸向速度的影響如圖5所示。隨著配合間隙的不斷增大，整體上軸向速度呈非線性下降趨勢。從圖5中可以看出：當配合間隙為2mm左右時，平均軸向速度變化急増急減，說明土壤在這種配合間隙的螺旋提土器中輸送狀態不夠平穩，不利于膜上覆土的連續性和均勻性；當配合間隙為5mm左右時，其平均軸向速度變化趨勢也是先升后降，并且超過5mm后軸向速度急劇下降，說明此時間隙過大直接影響到了土壤輸送量的大??；只有配合間隙在3～4mm時的平均軸向速度變化不大，此時軸向速度的變化幾乎趨于平緩。

2)圖6表示了螺旋外徑與套筒之間的配合間隙變化時對螺旋提土器土壤輸送量的影響。由圖6可知：配合間隙在2mm左右時，土壤輸送量增減交替變化，1mm左右的加工誤差會直接導致輸送量變化浮動較大，配合間隙不適合在此范圍內選擇；當配合間隙大于5mm時，輸送量受軸向速度變化影響輸送量急劇降低；相比而言，配合間隙在3～4mm范圍波動時，輸送量變化較為平穩，且土壤輸送量基本呈增長趨勢。

3)不同螺旋外徑與套筒之間的配合間隙對螺旋提土器功率消耗的影響如圖7所示。由圖7可知：隨著間隙的波動變換，即使1mm的間隙變化對螺旋提土器的功率消耗的影響也比較大，并且整體趨勢不符合線性變化。當間隙設計成2～3mm范圍時，提土器的功率消耗達到峰值，這是因為給間隙范圍與輸送的土壤團粒尺寸較為接近，在輸送過程中容易出現卡滯現象，因此造成了較大的功率消耗；在3～4mm時功率消耗迅速下降；配合間隙在1～2mm及4～6mm范圍內時提土器的功率消耗都比較小。

圖5 不同的配合間隙對螺旋輸送機的軸向速度的影響

圖6 不同的配合間隙對螺旋輸送機土壤輸送量的影響

圖7 不同的配合間隙對螺旋輸送機功率消耗的影響

4 結論

綜上所述，根據EDEM軟件模擬仿真結果的分析，螺旋外徑與套筒不同配合間隙對鋪膜式精量播種機的螺旋提土裝置的土壤輸送的軸向速度、土壤輸送量及功率消耗的影響比較大。

1)當配合間隙過小時，土壤在套筒內摩擦力過大，容易造成土壤團?？馆斔筒黄椒€；當配合間隙過大時，田間的雜草及殘膜等雜物容易進入提土器內部造成壅堵。因此，只有在最佳間隙內螺旋提土器才能有較好的作業效果。

2)根據EDEM軟件的分析結果，雖然當配合間隙在3～4mm范圍內波動時提土器的功率消耗不是最小，但結合該范圍內土壤輸送的平均軸向速度和土壤輸送量的變化規律，此時鋪膜式精量播種機的螺旋提土裝置的工作效果最好。由此可得：鋪膜式精量播種機的最佳螺旋提土裝置的配合間隙應該選擇在3～4mm,根據不同的加工工藝實現方法，將加工誤差控制在此范圍內時最終實現的覆土效果較好。

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Research and Analysis of the Optimum Gap of the Screw Extraction Device Based on EDEM Software

Zhou Yanli1, Wang Xiaofei1，Yu Yongchang2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Henan Industrial and Trade Vocational College, Zhengzhou 450002, China; 2.Department of Electrical and Mechanical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

This article mainly uses the EDEM software to carry on the simulation analysis to the plastic film type soybean, the corn precision sowing machine the screw conveyer, obtains the screw conveyer's outer diameter and the sleeve inner wall between the best clearance range value.Aiming at the problems existing in the existing screw conveyer, from the study of spiral provided soil device structure, through mechanical analysis method to study the impact of spiral, looking spiral provided between the soil and the outside diameter of the inner wall of the sleeve is optimum interval value and provide a theoretical basis for improving the using effect of the coated type precision seeding machine.After a large number of experimental analysis, the optimal gap between the screw diameter and the material groove is determined to be related to the axial velocity, soil transport capacity and power consumption of the three parameters，and the influence is relatively large. The results showed that the coated type precision seeding machine screw is provided soil device with the gap should choose between 3-4mm.According to the different processing method, the machining error control in this range when the eventual realization of the covering soil and effect better.

spiral conveyer; optimal clearance; simulation; axial velocity; transport capacity

2015-12-11

國家公益性行業(農業)科研專項(201303011-4)

周艷麗(1970-)，女，河南南陽人，副教授，(E-mail)ZYL650@126.com。

余泳昌(1955-)，男，河南杞縣人，教授，博士生導師，(E-mail)hnyych@163.com。

S233.2;S220.3

A

1003-188X(2017)01-0038-05