基于EDEM的小蠶飼喂機的性能分析與優化①

田涯涯，楊創，陳宇，蔣夢雨，石洪康，蔣猛，張劍飛

1.西南大學 工程技術學院， 重慶 400715 ； 2.四川省農業科學院 蠶業研究所， 四川 南充 637000

隨著蠶桑產業結構的調整， 國內科研單位和生產商已經研制出了一系列飼養設備， 對蠶業發展起到了積極的推動作用[1]． 李秀漢等[2]研制的稚蠶飼育裝置， 可調節小蠶的生活環境， 但是通風性能不好， 功能單一， 且容易出現桑葉堆積黏結、 攤鋪不均的情況． 龐家柳[3]研制的小蠶共育自動喂蠶機能實現小蠶自動飼喂功能， 但整體設計中沒有考慮桑葉浪費情況， 桑葉易撒至飼喂區外． 蔣思凱等[4]設計了一種小蠶共育桑葉自動飼喂機， 試驗表明， 該機具有結構緊湊、 拆裝方便、 可控制桑葉的飼喂量、 撒桑效率高等特點， 但該機易出現桑葉撒喂堆積不均勻的情況．

上述相關研究中， 小蠶共育機械設備沒有全面考慮桑葉撒喂的均勻性和飼喂精準度． 基于此， 本文針對小蠶共育飼喂過程中存在的桑葉撒喂均勻性以及飼喂精度不便控制的問題， 將一種小蠶共育飼喂機使用離散元軟件EDEM對桑葉撒喂過程進行仿真試驗， 分析其關鍵結構參數對飼喂效果的影響， 并依據仿真試驗結果對飼喂機的結構參數進行了調整優化， 并與優化前的飼喂機飼喂結果進行了對比， 結果表明， 改進后的飼喂機飼喂的物料堆積均勻度與飼喂精度有較大提升．

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

小蠶共育桑葉飼喂機主要由料斗、 上下趕料輥、 輸送帶、 落料擋板、 支架、 驅動電機等部件組成， 其中驅動電機安裝于輸送裝置底部， 為輸送帶與趕料輥提供動力， 輸送裝置安裝于支架上， 與地面呈一定傾斜角度， 如圖1所示．

1.2 工作原理

桑葉飼喂機安裝在小蠶共育點的智能飼養機上使用， 如圖2所示． 當單個蠶簸往中段的物料接收區域推進時， 桑葉飼喂機啟動， 堆積在料斗中的桑葉在輸送帶作用下運送至頂端后經過落料擋板撒落至蠶簸中， 最終蠶簸推進到疊簸區域堆疊， 完成單個蠶簸桑葉撒喂過程． 飼喂過程如圖2所示．

圖2 飼喂過程示意圖

在桑葉物料輸送過程中， 可通過控制調速器來調節驅動電機的輸出轉速以調節輸送帶速度， 進而控制物料輸送速度， 使得單位時間內落入蠶簸的物料量得以控制， 即控制桑葉飼喂量； 同時， 趕料輥轉動可將多余桑葉物料回趕， 以調整桑葉運輸量， 進而保證桑葉更均勻地撒落至蠶簸中； 由于輸送裝置傾斜安置， 桑葉物料不會在輸送帶上形成過量堆積現象， 進一步控制了物料運輸量， 從而使物料均勻撒喂得以實現．

1.3 飼喂效果的影響因素分析

桑葉物料在運輸過程中的運輸情況十分復雜． 將某一階段運輸的一堆桑葉物料看作一個整體， 在物料輸送斜面上， 桑葉所受的力包括自身重力G、 輸送帶斜面的支持力N、 桑葉與斜面之間的摩擦力f以及趕料輥對桑葉的推力F， 物料整體受力如圖3所示．

圖3 物料整體受力示意圖

物料在向上運輸的過程中， 在經過趕料輥趕料區域時， 桑葉物料將受到趕料輥的推力， 即此時F≠0， 而在上下兩根趕料輥之間， 物料不受趕料輥作用， 即F=0.物料在x方向即沿輸送斜面向上的運動方程為

(1)

m—物料質量， kg；

f—物料所受靜摩擦力， N；

G—物料重力， N；

F—趕料輥對物料的推力， N；

θ—輸送帶斜面與水平面夾角， 初步設計為30°；

β—趕料輥推力與斜面的夾角， 夾角的范圍為-90°～90°．

由以上運動學與力學分析可知， 輸送帶的輸送速度， 趕料輥的作用力以及輸送帶斜面傾角都對桑葉物料輸送產生了一定影響．

小蠶前3個齡期中， 三齡蠶所食用的桑葉量最大[5-6]， 蠶簸中撒喂的物料最多， 其所對應的電機輸出轉速為所需的最高輸出轉速， 最高輸出轉速為307.92 r/min， 對應輸送帶最高速度為0.282 m/s， 趕料輥最高轉速n1=153.96 r/min， 斜面傾角初步設計為30°． 在此基礎上， 研究輸送帶的輸送速度、 趕料輥的作用力和輸送傾角這3個因素對桑葉物料在蠶簸中的堆積效果的影響．

2 仿真模型建立

2.1 物料模型建立

不同齡期小蠶所食物料大小不一致， 用同一切桑機切得各齡期小蠶所食物料為寬度相同(7.5 mm)而長度不一的長條形物料． 在一、 二、 三齡期的小蠶所食物料中分別隨機選取1 000張物料為樣本進行長度測量， 測得不同齡期小蠶所食物料長度分布情況如表1．

由表1可得出， 相對于二齡蠶與三齡蠶， 一齡蠶所食物料長度較小， 且分布最為均勻． 對二齡蠶與三齡蠶所食物料建模時， 僅單個桑葉顆粒模型就需要數千個顆粒疊加而成， 模擬仿真計算量大． 因此， 根據一齡蠶所食物料進行建模， 即寬度為7.5 mm， 長度分別為7，11，19，15，24 mm的長條形物料， 一齡蠶桑葉顆粒簡化模型如圖4所示．

圖4 桑葉顆粒模型

表1 各齡期小蠶所食物料長度分布情況

2.2 飼喂機模型建立

選用Solidworks軟件來建立三維模型， 將格式保存為STP， 導入EDEM中設置材料屬性與運動的參數． 由于EDEM對仿真的顆粒數有一定的限制， 為使仿真更接近實際情況， 將飼喂機模型的輸送帶寬度縮小至原尺寸的1/5； 為便于研究桑葉顆粒堆積情況與浪費情況， 將蠶簸簡化為一塊長方形板， 其在長度和寬度方向尺寸都大于蠶簸的實際尺寸， 飼喂機導入的幾何模型以及其仿真區域側面圖如圖5所示．

圖5 仿真區域的設定

2.3 仿真參數

在EDEM仿真過程中， 顆粒與顆粒、 顆粒與壁面間的相互作用均采用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型[7-9]， 采用動態生成顆粒的方法， 生成顆粒總數為156 500個． 設置時間步長為2.6×10-5s， 仿真總時長為8 s， 數據寫出的時間間隔為0.01 s， 部分參數參考相關研究[10]， 桑葉與飼喂機本構參數設置如表2所示．

表2 桑葉與飼喂機本構參數

3 仿真試驗設計

為研究飼喂機桑葉撒喂性能， 對輸送帶速度、 趕料輥轉速與輸送傾角進行考察． 通過EDEM軟件模擬桑葉運輸、 撒落過程， 并對撒落后的桑葉堆積均勻度與飼喂誤差進行分析， 探究輸送帶速度、 趕料輥轉速與輸送傾角對桑葉堆積效果的影響， 找出輸送帶速度、 趕料輥轉速與輸送裝置傾角的最優組合， 并以此為依據進行結構優化．

3.1 評價指標

本試驗的評價指標為飼喂誤差與均勻度， 分別表示了物料撒喂至指定區域的精準度與撒喂的物料攤鋪平整情況．

當物料拋撒至飼喂區域時， 會出現物料不能填滿飼喂區域或拋撒在飼喂區域之外兩種情況， 本文用飼喂誤差e同時表示這兩種情況． 飼喂要求的物料堆積區域面積為S1， 略小于蠶簸面積， 所測得物料在蠶簸中實際堆積區域面積為S2， 飼喂誤差e計算式為

(2)

飼喂誤差越小， 物料拋撒至指定飼喂區域的精準度越高．

本文所述的均勻度即物料在蠶簸中的質量分布情況， 物料撒落較為均勻時， 蠶簸中桑葉物料撒落的各個區域的質量攤鋪較為均勻， 本仿真試驗中均勻度具體計算方法如下：

桑葉物料在蠶簸中的堆積區域大致為一個矩形， 將物料堆積區域劃分為若干個小矩形區域， 最后對各個小矩形區域進行排序， 具體劃分方法如圖6， 飼喂區域被劃分為32個小矩形區域．

圖6 飼喂區域劃分方法示意圖

然后對各個小矩形區域的物料質量mi進行測量，i為矩形區域的序號． 最后計算出各個區域的物料質量方差S2，S2越小， 說明物料撒落均勻度越好． 具體計算式為．

(3)

式中，S2—各區域物料堆積質量方差；

n—劃分的小矩形區域數量；

mi—第i個矩形區域的物料質量；

3.2 仿真步驟說明

本文以某一常規工況為例說明仿真試驗操作步驟， 仿真計算過程分為以下3步：

1) 如圖7所示， 在飼喂機中， 輸送帶的旋轉方向與趕料輥旋轉方向皆為逆時針方向， 下方用于接物料的長方形鐵板模擬運動的蠶簸， 以一定的速度水平向右移動．

圖7 各部件運動示意圖

設定輸送帶速度、 趕料輥轉速、 輸送傾角， 然后開始計算， 在料斗中的桑葉仿真顆粒經輸送帶運輸至輸送帶頂端， 再從輸送帶頂端向下拋撒， 待桑葉仿真顆粒靠近下方接葉板時停止計算．

2) 再設置下方接取桑葉仿真顆粒的接葉板向飼喂機運動的速度， 設定桑葉堆積時間后繼續計算．

3) 計算完成后， 打開后處理模塊， 在桑葉顆粒與長方形鐵板接觸的平面上建立一個測量網格， 測量每個網格中所堆積的桑葉顆粒質量， 物料堆積區域網格建立如圖8所示．

圖8 物料堆積區域測量網格的建立

3.3 試驗過程與結果分析

根據上述測量步驟， 在EDEM軟件仿真條件下對桑葉進行物料堆積效果仿真試驗． 選取輸送帶速度、 趕料輥轉速及輸送傾角作為影響因子， 選取適當范圍的值作為正交試驗的不同水平．

已知驅動電機最高輸出轉速為307.92 r/min， 對應輸送帶最高速度為0.282 m/s， 趕料輥的轉速上限n1=153.96 r/min， 斜面傾角初步設計為45°， 可在此范圍內選擇因子水平．

輸送帶速度小于0.16 m/s時， 物料在指定區域堆積質量極小， 且堆積稀疏， 明顯不符合撒喂要求， 故本次仿真試驗的輸送帶速度選取0.18，0.22，0.26 m/s 3個水平， 趕料輥轉速選取135，140，145 r/min， 輸送傾角選取40°，45°，50°， 由此設定試驗因子水平表， 如表3所示．

表3 因子水平表

查詢常用正交表以及交互列表的設計方法， 選擇正交表L9(34)作為正交試驗方案表， 即試驗總次數為9， 因子水平數為3， 因子數為4， 由于本試驗中實際因子數為3， 因此有一個因子列為空列， 以之表示誤差項． 由此具體的試驗方案和試驗結果如表4所示．

表4 正交試驗方案表

通過仿真試驗獲得物料堆積質量與均勻度數據之后， 利用極差分析法， 可以分析輸送帶速度、 趕料輥的轉速與輸送傾角3個因素對桑葉物料撒落的均勻度和飼喂誤差的影響， 確定這3個因子的主次和最優組合．

首先對試驗結果進行直觀的極差分析， 判斷影響試驗指標的3個因子的主次以及最優組合， 由于存在堆積質量方差與飼喂誤差兩個評價指標， 且兩個指標量綱不同， 因此對兩個指標各項數值分別進行評分， 然后將評分相加[11-12]， 再作為單指標分析， 分數滿分為10分， 且越高越好． 得到試驗指標評分如表5．

表5 試驗指標評分表

得到評分后， 可用評分作為本次試驗的綜合評價指標， 再由綜合評價指標計算均值及水平均值．

多水平試驗相比于兩水平試驗， 更能看清因子水平變化對指標的影響程度及其影響的變化趨勢． 如圖9為因子指標圖， 橫坐標為從小到大的因子水平值， 縱坐標為水平均值． 其中， 水平均值kij為j因子i水平的水平均值， 計算公式為式(4)， 水平均值的大小可判斷因子的最優水平和試驗的最佳組合．

圖9 因子指標圖

kij=Kij/n

(4)

其中，Kij為j因子第i水平的所有數據之和；

n為因子水平數， 本次試驗中因子水平數為3．

由因子指標圖可以看出， 最優組合為A2B2C2， 即輸送帶速度為0.22 m/s， 趕料輥轉速為140 m/s， 輸送傾角為45°是3個印象因子的最優工作參數組合， 此參數組合下桑葉物料堆積效果最好．

再應用SPSS 25.0[13]軟件對正交試驗結果進行數理統計分析， 得到方差分析表如表6．

表6 方差分析表

由方差分析表6可知， 3個因素中對堆積質量方差的影響程度由小到大的次序為： 輸送帶速度、 趕料輥轉速、 輸送傾角， 其中輸送帶速度對堆積質量方差影響顯著， 趕料輥轉速對堆積質量方差影響較為顯著， 輸送傾角對堆積質量方差無影響． 出現這種情況主要是因為其輸送速度越大， 輸送量越大， 物料在蠶簸中的堆積不易出現空白區域， 即不易存在沒有堆積物料的區域， 沒有物料堆積的區域正是造成物料堆積均勻度較差的主要原因．

3個因素中對飼喂誤差的影響程度由大到小的次序為： 輸送帶速度、 輸送傾角、 趕料輥轉速， 3個因素對飼喂誤差影響都非常顯著． 其主要原因為輸送帶速度越大， 桑葉物料拋撒的初速度越大， 就更容易撒出指定區域造成飼喂誤差； 而輸送傾角越大， 物料在斜面上的重力沿斜面向下的分力變大， 有很大一部分物料將沿斜面滑落， 運輸量會變小， 物料落入指定區域的量變少， 也會造成較大的飼喂誤差； 而趕料輥轉速增大時， 會將物料回趕， 減少物料運輸量， 也減少了落入指定區域的物料量， 因此造成了一定飼喂誤差．

4 飼喂效果試驗

根據仿真試驗結果， 本研究將該小蠶飼喂機的結構參數進行了調整， 將趕料輥轉速由90 m/s左右調整為140 m/s左右， 輸送傾角由30°調整為45°， 研究在此參數下， 不同的電機輸出轉速對小蠶物料堆積情況的影響， 并與未調整參數前的飼喂機運行時小蠶物料堆積狀況進行對比， 得出優化結果．

4.1 試驗條件

在四川興文縣德應村小蠶共育點開展了現場驗證試驗， 圖10為工作人員現場測試圖．

圖10 共育現場測試

所用到的桑葉物料， 是經切桑機將所采摘的桑葉切成的長條形物料， 含水率為80%～90%， 形狀符合小蠶飼喂標準， 所切得桑葉物料如圖11所示．

圖11 試驗所用桑葉物料

4.2 評價指標

由于不同地區小蠶飼喂流程、 蠶簸大小等條件不同， 各個地區并沒有形成小蠶飼喂量的統一標準． 本文根據四川興文縣德應村小蠶共育點小蠶飼喂的農藝操作過程， 聽取小蠶共育點養蠶技術人員的建議， 根據所食桑葉物料制定了相關參數標準[14]， 如表7所示． 由于小蠶齡期、 各個齡期飼喂天數的不同， 小蠶飼喂量亦有較大變化， 單個蠶簸物料堆積質量需求為1～7 kg， 因此本研究以物料的堆積質量為主要依據制定標準， 其中物料堆積質量為單個蠶簸中堆積物料的平均質量， 其飼喂誤差e、 堆積質量方差S2計算方式與仿真試驗中的評價指標的計算方式一致．

表7 小蠶的飼喂物料堆積標準

4.3 試驗流程與結果分析

輸送帶驅動電機的轉速決定了輸送帶的輸送速度， 為了得出符合飼喂條件的合理驅動電機轉速， 測量并記錄在不同電機輸出轉速下飼喂均勻度的變化情況， 在30～330 r/min電機轉速范圍內取20個轉速值， 測量并記錄桑葉物料撒喂堆積的質量． 試驗表明， 電機輸出轉速小于110 r/min時， 輸送帶速度不夠， 單個蠶簸物料堆積量不足1 kg， 物料堆積均勻度亦不能達標． 電機輸出轉速在110～330 r/min范圍內， 單個蠶簸物料堆積量為1.2～7.2 kg， 堆積質量符合標準．

因此， 在110～330 r/min電機轉速范圍內取10個轉速值， 整理了電機各個輸出轉速條件下， 飼喂機參數未調整、 趕料輥轉速調整后、 輸送傾角調整后、 以及趕料輥轉速與輸送傾角同時調整后(綜合調整)的物料堆積質量方差與飼喂誤差， 得到相應堆積質量方差變化情況如圖12， 飼喂誤差變化情況如圖13．

圖12 桑葉堆積質量方差變化圖

圖13 桑葉堆積飼喂誤差變化圖

由圖12與圖13分析可得， 物料堆積質量方差與電機轉速大致呈負相關關系， 物料飼喂誤差與電機轉速大致呈正相關關系． 調整后不同物料堆積質量下， 物料堆積質量方差皆小于2， 飼喂誤差皆小于4%， 符合飼喂標準．

分別記錄調整前在110～330 r/min電機轉速范圍內取10個電機輸出轉速下的物料堆積質量方差的平均值、 飼喂誤差的平均值與調整后相同電機輸出轉速下的物料堆積質量方差的平均值、 飼喂誤差的平均值， 得到表8．

表8 改進前后小蠶的飼喂物料堆積參數對比

由表8可知， 在飼喂機趕料輥轉速與輸送傾角調整后， 堆積質量方差平均值與飼喂誤差平均值分別減少了73.9%與43.58%， 即物料堆積均勻度與飼喂精度有較大提升．

5 結論

1) 闡述了小蠶共育飼喂機的機械結構與工作原理， 得出驅動電機輸出轉速與輸送帶速度以及物料運輸量之間的關系式， 計算得驅動電機所需的最高輸出轉速為307.92 r/min， 對應輸送帶最高速度為0.282 m/s， 下趕料輥的轉速上限為153.96 r/min， 斜面傾角初步設計為45°． 對桑葉物料進行動力學分析， 可知輸送帶的輸送速度、 趕料輥的作用力以及輸送帶斜面傾角皆為桑葉物料輸送狀況的影響因素．

2) 比較了各個齡期小蠶所食桑葉物料的形狀以及長度分布情況， 選擇一齡蠶所食桑葉物料進行建模， 用SolidWorks軟件建立了飼喂機三維模型， 并將其導入離散元仿真軟件EDEM中， 設置仿真參數．

3) 設計了EDEM仿真試驗中物料堆積質量的測量方法， 以輸送帶速度、 趕料輥轉速以及輸送傾角為影響因子， 以物料堆積均勻度與飼喂精準度為評價指標， 分別用物料堆積質量方差與飼喂誤差來表示物料堆積均勻度與飼喂精準度， 設計了三因素三水平的仿真正交試驗． 試驗結果表明， 輸送帶速度為0.22 m/s， 趕料輥轉速為140 m/s， 輸送傾角為45°是3個影響因子的最優工作參數組合， 且輸送帶速度對物料堆積均勻度與飼喂誤差的影響最為顯著．

4) 依據仿真結果， 分別將飼喂機的電機輸出轉速、 趕料輥轉速以及輸送傾角進行了調整， 將趕料輥轉速由90 m/s左右調整為140 m/s左右、 輸送傾角由30°調整為45°并進行了現場試驗． 試驗表明， 在電機輸出轉速為110～330 r/min范圍內時， 改進后的飼喂機飼喂物料的堆積質量方差平均值與飼喂誤差平均值分別減少了73.90%與43.58%， 即物料堆積均勻度與飼喂精度有較大提升．