青貯玉米飼料籽粒破碎裝置仿真分析與試驗*

劉海濤，張煒，馬軍民，滕紹民

(1.甘肅農業大學機電工程學院，蘭州市，730070；2.中機美諾科技股份有限公司，北京市，100083)

0 引言

近年來，我國“糧改飼”不斷推進，青貯玉米的應用越來越廣泛。玉米現已成為甘肅省第一大作物，常年栽培面積保持在1 000 khm2左右，年產量約5 700 kt，青貯玉米是全株都可以用來作為飼料的玉米品種，已逐步成為現代農業發展的重點[1]。我國現種植的青貯玉米主要有專用青貯型、糧飼兼用型及糧飼通用型。其具有生產周期短、種植密度大等優點，青貯玉米中含水率高達70%～80%，每667 m2青貯玉米作青貯飼料較干飼料可節約淡水4～5 t，十分適合在甘肅等北方干旱地區種植[2]。我國目前的青貯玉米籽粒破碎機械化生產技術仍相對落后，市場上用于青貯玉米籽粒破碎的機型如牧神4QZ-3000A自走式青(黃)貯飼料收獲機、中機美諾9565自走式青貯飼料收獲機等，它們仍存在破碎率低、能耗高和進料堵塞等問題[3-4]。

隨著計算機三維仿真能力不斷提高和玉米秸稈離散元模型的逐步完善，模型仿真技術在農業領域的應用已相對成熟。EDEM軟件能夠仿真顆粒在機器中的運動過程，本文將離散元仿真方法(Discrete Element Method，DEM)與實際田間試驗相結合，在前期研究成果的基礎上，建立對輥式籽粒破碎裝置與全株玉米相互作用的三維有限元模型，分析破碎對輥所受載荷，模擬破碎裝置接觸工作時的動態過程，應用BPM模型技術解決粘結鍵問題，直觀地了解各個時間段內的顆粒運動狀態，通過實際田間試驗驗證仿真結果的有效性，分析探討不同作業參數對破碎裝置工作性能與青貯玉米飼料質量的影響，以期對青貯玉米破碎機械化構建作業方式及全株青貯玉米籽粒破碎裝置的設計具有重要科學研究價值與生產應用前景。

1 整機結構和工作原理

青貯玉米飼料籽粒破碎試驗臺可分為物料傳送帶、喂入壓平裝置、切碎滾筒裝置、對輥式籽粒破碎裝置、機架和驅動機構等部分，對輥式籽粒破碎裝置通過螺栓連接及切碎滾筒機構與試驗臺機架相連如圖1所示。主要技術參數如表1所示。

圖1 整機結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of complete machine structure1.物料傳送帶 2.喂入碾壓機構 3.切碎滾筒裝置 4.對輥式籽粒破碎裝置 5.Y180M-2電動機 6.Y250M-4電動機 7.Y180L-6電動機 8.機架

表1 青貯玉米籽粒破碎裝置主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of silage corn kernel crushing device

青貯全株玉米破碎過程主要包括全株傳送、喂入壓平、切碎拋送和籽粒破碎4個步驟。青貯玉米籽粒破碎裝置作業時，動力通過帶傳動及鏈傳動傳遞到各級機構中，投入全株青貯玉米秸稈和果穗后，傳送帶將其喂入裝置內，壓平后送至切碎滾筒中。切碎滾筒裝置內的動刀片高速旋轉與固定刀相互配合工作下剪切秸稈和果穗并將其擠壓攪拌前進，將物料拋送至對輥式籽粒破碎裝置的喂入口處。破碎作業是青貯全株玉米破碎過程中的關鍵環節[5]，通過一對輥將切碎后的物料配合進行壓碎完成，最終將成品青貯玉米飼料拋出。

對輥式籽粒破碎裝置是青貯玉米籽粒破碎裝置的關鍵核心部件，在各種玉米籽粒破碎機具中均有設置，通過對輥之間配合工作，其作業性能的優劣不僅直接影響破碎籽粒的形狀變化，而且是影響全株玉米各部分破碎率和含水率變化的最終環節，決定了破碎質量，關系到牛羊吃入的吸收效率，進而影響到青貯的效果。要求將秸稈壓碎成絲狀，籽粒破碎成瓣狀易于牲畜消化吸收[6]。籽粒破碎裝置主要由上破碎輥、下破碎輥、帶輪、調距結構等組成，如圖2所示。

圖2 籽粒破碎裝置Fig.2 Grain crushing device1.吊環 2.下破碎輥 3.調距孔位 4.調距彈簧套件 5.光面上帶輪 6.上帶輪 7.破碎裝置殼體 8.上破碎輥

青貯的全株玉米具有一定的硬度，含水率較高，利用破碎輥提供的外力將其破碎，從而獲得大小合適的青貯飼料。本機構所使用的破碎輥的結構和磨輥、軋輥相似。設計喂入機構口寬600 mm，對式破碎輥間隙1～15 mm；籽粒破碎裝置口寬625 mm，破碎輥長610 mm，直徑208 mm；破碎輥皮帶槽輪(上破碎輥)，頂徑145 mm，頂徑口寬17 mm，槽深16.6 mm；破碎輥平帶輪(下破碎輥)外徑155 mm，皮帶選用上底16.54 mm，下底9.3 mm，腰長11.84 mm的梯形皮帶，采用兩結構相同的對式破碎輥，如圖3所示。本裝置將下破碎輥設計為浮動輥且為高速輥，考慮到控制結構尺寸及籽粒破碎率的設計要求，浮動輥變位方式選用壓簧滑動導軌變位方式，浮動輥浮動范圍即對輥間隙可調范圍，對輥間隙可調范圍為1～15 mm。同時將上破碎輥正常轉速范圍設計為2 486～4 143 r/min可調，符合技術特征要求[7]。破碎輥齒形為齒高2 mm、齒頂寬1 mm的45°上下咬合梯狀鋸齒，沿軸向、徑向均布。

圖3 對式破碎輥Fig.3 Opposite crushing roller

2 對輥作業時的全株玉米受力分析

在對輥作業狀態下，由于將下破碎輥轉速v1設計成大于上破碎輥轉速v2，兩破碎輥間存在一定的相對速差，因此兩輥對已經切碎的全株玉米的作用力除了正壓力N1、N2和摩擦力f1、f2外，全株玉米還受兩破碎輥之間的剪切力F1、F2。另外受重力作用G，但由于切碎后的玉米物料單個塊質量較小，可以忽略不計。工作時秸稈或者玉米受力分析如圖4所示。f與N垂直，兩輥軸心連線與N間的夾角為α。兩輥采用相同直徑且相同材料。設籽粒內部結合力為Fc，則當F1-F2>Fc或P1-P2>Fc時，籽粒或秸稈可得到有效破碎。

(a)全株玉米受力

在對輥式籽粒破碎裝置破碎全株青貯玉米時對輥部分所受的力最大而產生變形，使兩輥之間產生相對彈性位移，因此對破碎機的對輥部分剛度提出一定要求[8]。本對輥式籽粒破碎裝置設計為兩個破碎輥表面均滿布鋸齒，對物料壓碎效率高；下輥為浮動輥，整體結構合理，破碎輥材料性能指標強；對輥工作間隙可通過調節壓簧長度控制預緊力達到1～15 mm之間；兩破碎輥的差速通過調節帶輪直徑及電動機轉速控制在25%以內，進一步增大了上下破碎輥對物料的剪切作用，使籽粒破碎率達到要求；同時將下破碎輥帶輪為光面帶輪，皮帶與光面帶輪之間會產生滑動，即可解決破碎輥轉速過高時，過載燒傷軸承問題。

3 全株青貯玉米離散元模型

3.1 全株玉米壓縮、剪切力測定

全株青貯玉米由玉米秸稈、玉米芯、玉米籽粒3個部分組成，其測定難度較大[9]。本次試驗在甘肅農業大學機電工程學院聯合力學實驗室進行試驗，先對全株青貯玉米進行含水率的測量。利用TD50002A電子天平，在使用儀器前，將右下角水銀對中校準，測量的過程中不再挪動儀器，為了減小數據誤差，從不同玉米植株選取各5個試樣，做重復試驗，記錄試樣初始質量為m1，之后進行烘干操作，待試樣質量恒定不變時記錄數據為m2。取平均值后測得全株玉米含水率為80%。計算全株玉米整株含水率

(1)

之后通過抗壓、抗剪強度測定[10]，選用E43.104微機控制電子萬能試驗機和質構儀分別對秸稈、玉米芯、玉米籽粒進行壓縮、剪切試驗。試驗輔助工具有壓縮剪切夾具、刀片、游標卡尺等。試驗材料選擇蠟熟期玉米秸稈，秸稈直徑(25±5)mm，去除葉片后篩選出表面光整的秸稈，截取成長度50 mm的無節試樣，玉米芯取直徑(30±5)mm，截取長度50 mm，玉米籽粒選取錐形玉米粒，同時對上述試驗材料進行標記。

試驗中分別以4 mm/min為加載速度進行壓縮和剪切試驗，重復進行5次，壓縮試驗如圖5所示，剪切試驗如圖6所示，由傳感器完成各項數據收集，通過計算機觀測數據，結果取平均值以減小數據誤差。圖7分別為玉米秸稈、玉米芯、玉米籽粒壓縮過程載荷—位移變化曲線。可知，玉米秸稈和玉米芯軸向壓縮最大臨界破裂載荷均近似為2 360 N，玉米籽粒軸向壓縮最大臨界破裂載荷近似為48 N，通過觀測數據圖像，試驗材料在加載后出現線性變形、突變、屈曲3個階段。在剪切試驗中玉米秸稈和玉米芯徑向最大臨界剪切力分別為625 N和840 N，如圖8所示，玉米籽粒徑向最大臨界剪切力為23 N，可以看出當達到物料的最大臨界剪切力，載荷—位移曲線發生突變，此時物料表皮被切穿，在玉米籽粒剪切過程中，當第一次載荷—位移曲線發生突變時，此時玉米籽粒表皮被切穿，達到最大臨界剪切力后，載荷—位移曲線發生突變，此時物料被切斷。

圖5 壓縮試驗Fig.5 Compression test

圖6 剪切試驗Fig.6 Shear test

(a)玉米秸稈和玉米芯軸向壓縮

(a)玉米秸稈和玉米芯徑向剪切

3.2 虛擬試驗參數確定

因玉米芯和玉米秸稈類似，將其設定為性質接近的物料參數。用排水法測量玉米籽粒以及秸稈的體積，測出質量，得出兩者密度。隨機選取5棵植株，玉米籽粒分別有623粒、560粒、589粒、414粒、417粒，模擬實際喂入量一次喂入30株，經過計算出玉米籽粒數量為78 090顆。在EDEM模擬中，將玉米籽粒直徑設定為10 mm，秸稈直徑25 mm，長度為50 mm。通過查資料以及參考相近性質顆粒的參數[11]，EDEM模擬中用到的物料相關系數如表2所示。

表2 材料基本參數Tab.2 Parameter setting of EDEM material

運用理論計算得到粘結參數，查到玉米秸稈和玉米籽粒的恢復系數以及靜摩擦系數、滾動摩擦系數[12]，在破碎過程中假設3種材料不會分解，也沒有相對滑動，在物理屬性中將particle to particle和particle to geometry中接觸模型設為Hertz-Mindin(no-slip)。表3為接觸系數，表4為BPM粘結參數。

表3 接觸系數Tab.3 Contact coefficient

表4 BPM粘結參數Tab.4 Bonded parameters of BPM

3.3 模擬仿真試驗影響因素選取

選擇實際田間試驗過程中對破碎效率最大影響因素用于模擬過程中，本文使用SPSS21.0對2019年在甘肅武威雙城田間試驗數據，如表5所示，進行三因素方差分析，分析結果如表6所示。

表5 籽粒破碎田間試驗Tab.5 Field experiment of seed crushing

從表6可分析研究喂入速度A、固定輥轉速B和對輥間隙C對于籽粒破碎率Y的影響關系。從表6可以看出：喂入速度A沒有呈現出顯著性(因F=3.464，且p=0.224>0.05)，說明喂入速度A并不會對籽粒破碎率Y產生顯著影響，喂入速度的大小對籽粒破碎率的影響較小；固定輥轉速B也不顯著(p=0.073>0.05)，說明固定輥轉速B對籽粒破碎率影響較小；對輥間隙C對籽粒破碎率Y的影響是顯著的(p=0.015<0.05)，這就說明其主效應存在，對輥間隙C會對籽粒破碎率Y產生差異關系，籽粒破碎率受對輥間隙影響較大。最終選取不同對輥間隙作為EDEM模擬過程，調節參數。

表6 三因素方差分析Tab.6 ANOVA results of three factor

4 破碎過程數值模擬

4.1 建立模型

先采用Solidworks2017建立對輥式破碎裝置模型，將模型導入EDEM中，如圖9所示。整個模擬過程中，將對試驗結果沒有影響的一些零件合并為一個整體，只模擬破碎輥破碎全株玉米過程部分[13]。

圖9 破碎裝置三維模型圖Fig.9 Three-dimensional model of crushing device

在EDEM模擬中，先在SW中建立玉米秸稈和玉米籽粒三維模型，導入EDEM軟件中生成玉米秸稈和玉米籽粒離散元模型如圖10所示，之后立即給顆粒添加bond粘結鍵以便牢固粘結。

圖10 玉米秸稈、玉米籽粒顆粒圖Fig.10 Corn stalks and corn kernels

將建立好的離散元模型，添加進計算域內，仿真計算時采用顆粒替換法。為縮短仿真計算時間，節省資源成本，仿真過程中只生成2個玉米秸稈和2個玉米籽粒離散元模型，如圖11所示。

圖11 玉米秸稈破碎過程Fig.11 Corn stalk crushing process

4.2 粘結鍵數量變化過程

在模擬時，將下落速度設為固定值。在投入量不變的情況下，通過計算生成的粘結鍵總數量和破碎的粘結鍵總數量，來計算破碎效率。在實際裝置中，對輥間隙可調節范圍為1～15 mm，因此，設置了破碎輥在額定轉速2 800 r/min下的4種不同間隙，模擬間隙分別為2 mm，6 mm，10 mm，14 mm。觀察在不同間隙下的破碎狀況。從EDEM中截取0.2 s內，不同對輥間隙下的粘結鍵數量變化過程曲線如圖12所示。從圖12中可以看出計算域內共生成58 034個粘結鍵，證明模型粘結充分。整個過程中，在玉米秸稈和玉米籽粒與對輥直接接觸階段發生快速破碎，粘結鍵數量急劇下降。破碎后的玉米秸稈、籽粒與對輥及壁面反復發生相互碰撞揉搓作用，粘結鍵破碎數量呈穩定減少趨勢。最后，物料停止運動不再發生破碎，粘結鍵數量則保持不變。

在額定轉速下，觀察EDEM模擬仿真過程，物料在0.05 s發生替換，生成粘結鍵，接觸到破碎輥后，發生粘結鍵斷裂過程，進行破碎的物料以及顆粒從破碎輥中拋出或從對輥間間隙穿過去，部分物料粘結在破碎輥上或者反彈回出口，無法順利到達出料口。

(a)2 mm間隙

比較不同的對輥間間隙情況，繪制出粘結鍵數量變化過程曲線，由圖12可知，當間隙為2 mm時，粘結鍵斷裂數量達到最高，之后隨著間隙的增加，粘結鍵斷裂數量呈減少趨勢；同時，破碎效率也呈現出慢慢減少的狀態。間隙為2 mm時，破碎效率有所提升，但在實際生產中，隨著破碎的時間延長，粉末物料不斷增多，籽粒及殘渣易附著在破碎輥內壁上，為了保證在實際中的破碎效率，因此間隙應該設為2 mm最佳。研究不同間隙對籽粒破碎率的影響，發現在一定程度上，間隙減小，破碎率增大，但間隙過小籽粒破碎效果也不理想。如果間隙過小，會造成物料堆積在破碎輥內，不能通過破碎輥，破碎時間增加，也增加了破碎所需的動力；間隙過大，物料快速通過對輥，降低破碎效率。將模擬時間設置為0.2 s，模擬發現，當破碎輥間隙為1 mm 時，截取在第0.2 s時的破碎狀態，發現入口處有大量物料堆積反彈，造成破碎不充分、破碎時間增加，導致后序進入的物料堆積在破碎輥內，增加了破碎所需動力，從而減小機器使用壽命。相比其他間隙，沒有出現進口處堵塞的情況。

4.3 破碎后物料形狀分析

在實際工況下，由于秸稈作物莖葉穗的長勢不均勻等因素，全株青貯玉米破碎過程相對復雜，破碎后的物料形狀及尺寸各不相同，很難保證所有物料都滿足破碎質量要求。據DB 22/T 2029—2014和DG/T 053—2017《飼草揉碎機》的要求，秸稈在青貯玉米飼料籽粒破碎裝置中經過切斷、破碎等物理過程后形成長度為10～180 mm，且幾何寬度不大于5 mm的絲狀物料，才能滿足牲畜食用要求。所以本次模擬以相同喂入速度，在額定2 800 r/min轉速的對輥的情況下，分析了不同對輥間隙破碎后的物料形狀，大部分粘結鍵受到外力作用斷裂，破碎為小顆粒，部分未斷裂的粘結鍵形成塊狀顆粒群通過對輥，粘結牢固，將不同間隙下破碎得到的破碎的數量加以統計，使用破碎效率公式(2)得到破碎率。籽粒破碎率在2 mm時，此時破碎率達到96%。

(2)

式中：PS——籽粒的破碎率，%；

α——粘結鍵總數量；

β——未斷裂的粘結鍵數量。

5 試驗驗證

為驗證數值模擬結果的準確性，進行試驗驗證。試驗于2020年9月10日，課題組在甘肅武威雙城成功試制出可平穩運行的青貯玉米籽粒破碎裝置樣機，并在廠房空地進行試驗，如圖13所示，試驗材料為5 h內從田地里收割下來的蠟熟期新鮮全株青貯玉米。試驗前，在現場取5根青貯玉米，測量得平均植株高度為2 350 mm，直徑約20～35 mm，玉米果穗直徑45～60 mm。試驗開始前，連接變頻器與電機之間的各組電路，空載調速，調試確保裝置各機構運轉正常，同時廠房地面清潔干凈。試驗選取30個植株為一組，一次性傳送入壓平機構。

圖13 性能試驗現場Fig.13 Performance test site

試驗測量方法：試驗過程中通過調節預緊力螺母和加墊片，調整對輥間隙，分4組不同間隙，每個試驗重復3次，從出料口收集不少于1 kg的青貯飼料樣品，挑選全部籽粒進行稱重，再在全部籽粒樣品中選出無損玉米籽粒進行稱重，計算籽粒破碎率，對試驗結果進行測定與評價，將樣品總量疊加后按式(3)進行計算，結果保留1位小數。

(3)

式中：PS——籽粒的破碎率，%；

x——籽粒總質量，g；

y——未開裂破損籽粒總質量，g。

試驗所得的試驗結果和試驗樣品如表7、圖14所示。

表7 性能試驗結果Tab.7 Performance test results

圖14 試驗樣品Fig.14 Test sample

青貯玉米籽粒破碎裝置可滿足全株青貯玉米喂入要求，秸稈切碎長度符合NY/T2088—2011《玉米青貯收獲機作業質量》標準，籽粒破碎率高，高達90%，可通過調節喂入速度、切碎滾筒轉速及對輥間隙等參數控制試驗結果。喂入速度1 m/s、固定輥轉速2 800 r/min和對輥間隙2 mm時，籽粒破碎率在此時達到96.3%，在實際測試過程中，適當增加喂入量可提高工作效率，但喂入量過大會導致物料的堵塞情況，所以實際生產率要小于一般大型青貯機的理論生產率[14]。觀察全株玉米青貯飼料破碎后的情況，發現玉米籽粒及秸稈為黃綠色，質地良好，緊壓后較為濕潤且無水滴，根據初步感官評價，試驗臺所制飼料屬于優級全株青貯玉米飼料[15]。數值模擬結果與試驗結果相一致，仿真值與試驗值偏差保持在10%以內。

6 結論

1)本文設計了以動力源為電動機的對輥式青貯玉米籽粒破碎裝置的結構。通過受力分析和力學特性試驗，選取了含水率為80%的青貯玉米植株，其玉米秸稈和玉米芯軸向壓縮最大臨界破裂載荷均近似為2 360 N，玉米籽粒軸向壓縮最大臨界破裂載荷近似為48 N，玉米秸稈和玉米芯徑向最大臨界剪切力分別為625 N和840 N，玉米籽粒徑向最大臨界剪切力為23 N，得出了粘結參數并建立了秸稈和玉米籽粒顆粒粘結模型(bonded particle model，BPM)。

2)運用三因素方差試驗數據分析，選定最大影響因素破碎輥對輥間隙，使用SolidWorks進行三維建模，在仿真后，發現間隙為2 mm時的破碎率優于其他間隙的破碎效率。但本文的研究過程相對簡易，參數特性選擇了含水率高的青貯玉米，并僅對2個等直徑的秸稈和2個相同的錐形玉米籽粒破碎過程進行了仿真試驗研究，因此，存在一定的局限性。

3)確定了破碎裝置各項工作參數，并對EDEM仿真結果進行了田間試驗驗證。試制成的裝置試驗各項指標符合國家標準和行業標準要求，當對輥間隙為2 mm時，破碎率達到最大值，仿真結果與試驗結果保持一致。不同間隙的仿真值與試驗值數據偏差保持在10%以內，證明了將離散元法應用于全株青貯玉米籽粒破碎研究是合理的。對輥式青貯玉米籽粒破碎裝置在正常工況下運行平穩，未出現堵塞現象，表明仿真試驗結果合理，所得的試驗結果可作為青貯玉米飼料籽粒破碎機實際破碎作業依據。