基于EDEM_Recurdyn耦合的馬鈴薯干式清土裝置仿真分析*

紀龍龍，謝煥雄，楊紅光，魏海，顏建春，申海洋

(農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

馬鈴薯是茄科茄屬一年生草本植物，又名為土豆、洋芋等，是世界重要的糧食作物之一[1-2]。據聯合國糧農組織統計數據顯示，2018年中國馬鈴薯收獲總產量達9 032.1萬t，總面積達4 814 khm2，總產量占世界的24.5%，種植面積占27.4%，總產量和種植面積均居世界第一[3]。

采后清洗是馬鈴薯實現后續加工作業的必要環節，該環節作業效果直接影響馬鈴薯加工產品質量[4-6]。近年來，國內對馬鈴薯干式清土除雜設備的研究主要有王相友等[7]設計了一款通過清選彈簧輥和橡膠撥齒輥進行清選分級作業的馬鈴薯清選機，通過田間三因素四水平正交試驗確定了機器工作的最優參數；張永志等[8]改進尼龍刷輥形狀，并依此設計了一種輥式馬鈴薯清選分級機，依據均勻設計法設計了田間試驗確認了設備最佳工作參數；劉權磊[9]等研究設計了一款可與馬鈴薯聯合收獲機配套使用的二次清選分離裝置，并按國家標準進行了大量田間試驗對整機進行性能測試。如前所述，對馬鈴薯清土除雜設備的研制方法多為通過大量場地試驗來得到試驗數據，然后根據試驗結果選擇最優結構參數和工作參數，受季節影響嚴重，且耗費時間長、研發成本大。隨著計算機技術的快速發展，各類仿真軟件日漸趨于成熟，有限元和離散元等仿真技術被廣泛應用于農業機械的研發過程中，有效地縮短了設計周期，降低了研發成本[10-11]。

本文以馬鈴薯干式清土裝置為研究目標，通過SolidWorks2018建立清土裝置簡化后的三維模型，將模型導入Recurdyn軟件，利用Recurdyn軟件中的柔性化模塊將毛刷輥轉化為柔性體并與EDEM軟件耦合建立離散元仿真模型，對馬鈴薯干式清土裝置的清土過程進行數值模擬。以馬鈴薯干式清土裝置的毛刷輥轉速、橡膠鏈桿轉速、喂入量為試驗因素，以馬鈴薯在裝置內的碰撞次數和受力為評價指標，分析馬鈴薯輸送的順暢性和馬鈴薯損傷程度的變化。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

如圖1所示，馬鈴薯干式清土裝置主要由進料口、抖動機構、橡膠鏈桿機構、四組錯位刷輥機構、傳動系統、變頻電機、出料口、機架等組成。

圖1 馬鈴薯干式清土裝置結構圖

1.2 工作原理與主要技術參數

該清土裝置依靠電動機提供動力。作業時，馬鈴薯經輸送機送到進料口，在重力作用下馬鈴薯滑落到橡膠鏈桿機構上，該機構與抖動機構配合，將輸送來的馬鈴薯與泥塊、小石塊、根莖實現分離，泥塊、石塊、根莖等會從橡膠桿之間的縫隙落到地面，而留在橡膠鏈桿上的馬鈴薯會被輸送到毛刷輥處。被輸送到毛刷輥處的馬鈴薯在毛刷輥和橡膠鏈桿間滾動，馬鈴薯不斷與毛刷輥和橡膠桿摩擦從而將馬鈴薯表面泥土除去。薯土分離后的馬鈴薯由出料口落入后續水洗設備中進行后續清洗作業。該機具主要技術參數如表1所示。

表1 馬鈴薯干式清土裝置主要技術參數

2 簡化模型建立

2.1 整機簡化模型建立

馬鈴薯干式清土裝置主要工作部件為抖動機構、橡膠鏈桿機構和四組錯位刷輥機構，而通過前期預試驗發現抖動機構帶動橡膠鏈桿抖動對于去除馬鈴薯表面泥土的作用較小，且此過程不易造成馬鈴薯損傷，因此為了便于仿真計算，對裝置結構進行簡化，如圖2所示。簡化模型保留四組錯位刷輥機構、機架兩側板及進料口，將橡膠鏈桿機構簡化為皮帶輸送，去掉抖動機構和其他機構。

圖2 馬鈴薯干式清土裝置簡化模型圖

現實中毛刷輥是柔性體，其在工作過程中與馬鈴薯接觸會產生較大變形，而在EDEM離散元仿真軟件中建立的模型是剛性體，無法產生變形，不能滿足仿真需求。Recurdyn多體系統動力學仿真軟件具有世界領先的柔性體動力學分析模塊，非常適合求解柔性體產生較大變形的問題，將建好的整機模型導入Recurdyn軟件，利用Recurdyn軟件中Flexible柔性化模塊將模型中的毛刷輥轉化為柔性體，再利用Recurdyn軟件中耦合接口將EDEM與Recurdyn耦合建立離散元仿真模型。

2.2 馬鈴薯顆粒模型建立

我國馬鈴薯種類繁多，而不同品種馬鈴薯外形尺寸差異較大，所以在馬鈴薯建模之前對我國北方廣泛種植的荷蘭15號馬鈴薯外形尺寸進行統計分析，為馬鈴薯建模提供理論數據支持。

馬鈴薯主要有如圖3所示的圓形、橢圓形和不規則形，為方便測量，統一采用長、寬、厚來描述馬鈴薯形狀和尺寸，如圖4所示[12-13]。

圓形

(a) 圓形薯塊

為保證實驗嚴謹性，從購買的馬鈴薯中隨機選取100個進行長、寬、厚三個方向尺寸測量，游標卡尺選用上匠數顯游標卡尺，測量范圍0～200 mm，精度0.03 mm，分辨率0.01 mm。在進行測量時，游標卡尺的兩個外量抓按照圖4所示的長、寬、厚方向與馬鈴薯塊莖相切，最后將每一個馬鈴薯三軸尺寸進行統計并繪制尺寸分布直方圖。

統計結果如圖5所示，統計數據如表1所示。從圖5中可以看出長、寬、厚的尺寸分布基本服從正態分布，其中長度范圍集中在90～120 mm，占統計數量76%；寬度范圍集中在55～85 mm，占統計數量88%；厚度范圍集中在45～75mm，占統計數量88%。如表2所示，長、寬、厚的標準差分別為12.95、9.9、8.86，表明數值之間的離散程度較大；變異系數分別為12.39%、13.95%、14.16%，數值均大于10%，表明馬鈴薯塊莖不同個體之間的長寬厚數值差異較大，但還是服從正態分布的統計學規律，有一定的數值集中區域；薯形指數的平均值為1.49、標準差為0.19，表明數值之間的離散程度較小，馬鈴薯的形狀接近于橢球形。

(a) 長度尺寸

表2 馬鈴薯塊莖基本特征參數

根據統計結果建立荷蘭15號馬鈴薯顆粒模型，如圖6所示，其長為87 mm，寬為65 mm，厚為60 mm，外形接近橢球形。為真實的模擬馬鈴薯干式清土裝置的工作過程，顆粒工廠隨機生成不同大小的馬鈴薯顆粒，其中0.8倍顆粒占20%、1倍顆粒占54%、1.3倍顆粒占24%、1.5倍顆粒占2%。

圖6 馬鈴薯顆粒模型

3 仿真模型參數確定

仿真過程中馬鈴薯顆粒與簡化模型不斷發生力的作用，故仿真所選擇的物理特性參數對仿真結果有著較大的影響，因此通過查閱相關文獻[14-15]，確定了仿真參數設置，如表3所示。

表3 材料參數設置

4 仿真結果分析

圖7是馬鈴薯干式清土裝置工作過程的仿真模擬，從仿真過程中可以清楚的觀測到馬鈴薯顆粒運動軌跡及馬鈴薯顆粒輸送的順暢性，同時通過EDEM后處理模塊可以測得不同參數下馬鈴薯受力大小、碰撞接觸次數、顆粒瞬時速度、工作部件受力等數據，以此來確定最優參數。

圖7 仿真過程模擬圖

馬鈴薯在清土過程中受到的損傷主要為馬鈴薯表皮的擦傷，損傷主要由馬鈴薯相互之間以及橡膠鏈桿和毛刷輥對馬鈴薯的碰撞、擠壓、摩擦等造成的。因此了解馬鈴薯干式清土裝置對馬鈴薯造成損傷的主要影響因素，對研究馬鈴薯干式清土裝置各機構設計參數具有重要意義。下文將從毛刷輥轉速、橡膠鏈桿轉速、喂入量三個方面進行仿真試驗，明確損傷機理，確定最優參數。

4.1 毛刷輥轉速對馬鈴薯受力和碰撞的影響

在橡膠鏈桿轉速為25 r/min，喂入量為4 t/h時，對第一、三毛刷輥轉速分別取30 r/min、40 r/min、50 r/min，第二、四毛刷輥轉速分別取42 r/min、56 r/min、70 r/min(第二、四毛刷輥與第一、三毛刷輥轉速比為1.4)進行仿真模擬。

因為EDEM不能從馬鈴薯顆粒表面看出顆粒受損情況，因此只能以顆粒受力和碰撞次數作為指標來評價馬鈴薯受損情況[16]。通過EDEM后處理模塊中Setup Selections中的Manual selection選項，隨機選擇仿真過程中的1個馬鈴薯顆粒，分析其在整個運動過程中與毛刷輥、橡膠鏈桿、機具側壁和其他馬鈴薯顆粒的碰撞受力(圖8)，同時通過Setup Selections選項中的Grid Bin Group統計第一、二毛刷輥之間馬鈴薯顆粒碰撞次數(圖9)。由于馬鈴薯顆粒在毛刷輥和橡膠鏈桿處的受力情況比較復雜，因此可以通過受力峰值大小及峰值出現頻率來分析。

如圖8、圖9所示，當毛刷輥轉速為40 r/min時，馬鈴薯顆粒受力最小，峰值最大約在25 N左右，且峰值出現頻率較少，馬鈴薯顆粒之間的碰撞次數也比較適中。當毛刷輥轉速為30 r/min時，毛刷輥轉速較慢，馬鈴薯在一、二毛刷輥之間出現擁堵，馬鈴薯之間的碰撞擠壓次數增多，使得馬鈴薯的受力增大，同時碰撞次數增多使得顆粒受力變化幅度較大，馬鈴薯容易產生損傷。當毛刷輥轉速為50 r/min時，馬鈴薯顆粒在毛刷輥之間輸送較快，不會出現擁堵現象，馬鈴薯之間的碰撞次數較少，但是速度增加使得馬鈴薯之間及馬鈴薯與機架側壁、毛刷輥、橡膠鏈桿的碰撞力變大，馬鈴薯容易產生損傷。

圖8 毛刷輥轉速不同時馬鈴薯受力變化曲線圖

圖9 毛刷輥轉速不同時馬鈴薯碰撞次數變化曲線圖

4.2 橡膠鏈桿轉速對馬鈴薯受力和碰撞的影響

在第一、三毛刷輥轉速取40 r/min，第二、四毛刷輥轉速取56 r/min，喂入量為4 t/h時，對橡膠鏈桿轉速分別取15 r/min、25 r/min、35 r/min進行仿真模擬。仿真結果如圖10、圖11所示。

從圖10可以看出不同橡膠鏈桿轉速下馬鈴薯顆粒所受力的峰值差異較小，從圖11可以看出橡膠鏈桿轉速慢時顆粒碰撞次數要小于轉速快時顆粒碰撞次數，通過分析可知，橡膠鏈桿轉速越低馬鈴薯就越不容易造成損傷，而橡膠鏈桿轉速較慢時，為使馬鈴薯在橡膠鏈桿上均勻鋪放而不重疊必須減少喂入量，這會使得馬鈴薯干式清土裝置工作效率降低，綜合考慮選擇橡膠鏈桿轉速為25 r/min時作業效果較好。

圖10 橡膠鏈桿轉速不同時馬鈴薯受力變化曲線圖

圖11 橡膠鏈桿轉速不同時馬鈴薯碰撞次數變化曲線圖

4.3 喂入量對馬鈴薯受力和碰撞的影響

喂入量對于馬鈴薯干式清土裝置具有重要意義，低于3 t/h設備達不到工作效率要求，高于5 t/h設備容易造成阻塞，故在第一、三毛刷輥轉速取40 r/min，第二、四毛刷輥轉速取56 r/min，橡膠鏈桿轉速取25 r/min時，對喂入量分別取3 t/h、4 t/h、5 t/h進行仿真模擬。仿真結果如圖12、圖13所示。

從圖12、圖13可知，當喂入量為3 t/h時馬鈴薯顆粒受力和顆粒碰撞次數均明顯低于4 t/h、5 t/h，且從EDEM可視化窗口可以看出，當喂入量為3 t/h時馬鈴薯顆粒在設備中具有良好的輸送順暢性，當喂入量為5 t/h時毛刷輥無法及時輸送馬鈴薯，馬鈴薯在毛刷輥之間就會造成擁堵，馬鈴薯受力較大，容易造成損傷，因此喂入量為3 t/h作業效果好。

圖12 喂入量不同時馬鈴薯受力變化曲線圖

圖13 喂入量不同時馬鈴薯碰撞次數變化曲線圖

5 試驗驗證

5.1 試驗材料與方法

2019年11月以從市場購買的經過倉儲的“荷蘭15號”馬鈴薯為清洗對象，馬鈴薯的含水率為80.12%，馬鈴薯表面泥土的含水率為9.23%，在江蘇省泰州市江蘇李工果蔬機械有限公司試驗基地進行試驗驗證。試驗儀器設備主要有馬鈴薯干式清土裝置、電子天平、卷尺、轉速表等，試驗過程如圖14所示。

(a) 馬鈴薯干式清土裝置實物圖

5.2 結果分析

為驗證仿真結果，對毛刷輥轉速、橡膠鏈桿轉速、喂入量按照上述仿真水平進行單因素試驗驗證[17-18]，試驗結果如表4所示，試驗驗證結果與仿真結果基本一致，馬鈴薯干式清土裝置在第一、三毛刷輥轉速為40 r/min、第二、四毛刷輥轉速為56 r/min，橡膠鏈桿轉速為25 r/min，喂入量為3 t/h時作業效果較好。

表4 試驗驗證結果

6 結論

1) 對我國北方廣泛種植的荷蘭15號馬鈴薯外形尺寸進行統計分析，為馬鈴薯建模提供理論數據支持。從統計數據知馬鈴薯長、寬、厚的尺寸分布基本服從正態分布，其中長度范圍集中在90～120 mm,占統計數量76%；寬度范圍集中在55～85 mm，占統計數量88%；厚度范圍集中在45～75 mm，占統計數量88%；薯形指數的平均值為1.49、標準差為0.19，表明數值之間的離散程度較小，馬鈴薯的形狀接近于橢球形。

2) 通過SolidWorks2018建立清土裝置簡化后的三維模型，將模型導入Recurdyn軟件，利用Recurdyn軟件與EDEM軟件耦合建立離散元仿真模型，對馬鈴薯干式清土裝置的清土過程進行仿真模擬。通過仿真結果分析得出，馬鈴薯干式清土裝置在第一、三毛刷輥轉速為40 r/min，第二、四毛刷輥轉速為56 r/min，橡膠鏈桿轉速為25 r/min，喂入量為3 t/h時馬鈴薯輸送流暢性較好，碰撞受力較小。

3) 利用樣機對仿真結果進行試驗驗證，試驗驗證結果與仿真結果基本一致，表明利用EDEM對樣機結構參數和工作參數進行優化是可行的，該研究可為以后馬鈴薯清洗或清土裝置研究提供一定的參考。