棉箱压实搅龙机构对籽棉压缩作用仿真及分析

孔凡婷，石 磊，张玉同，陈长林，孙勇飞，谢 庆，黄铭森

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)



棉箱压实搅龙机构对籽棉压缩作用仿真及分析

孔凡婷，石 磊，张玉同，陈长林，孙勇飞，谢 庆，黄铭森

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

建立棉箱压实搅龙机构的离散元仿真模型，仿真其在棉箱实际工作情况，并对压实搅龙机构工作过程中籽棉的压缩过程进行仿真分析，为棉箱压实搅龙的结构设计提供指导。仿真结果表明：籽棉颗粒数量增加时，压实搅龙推送作用对籽棉产生的圧缩力、籽棉颗粒间的挤压力、附着力、缠绕力均随着籽棉数目的增加而增大；当籽棉数量不再增加时，处于推送阶段籽棉间作用力较小，总压缩力趋于平缓；推送阶段结束后，籽棉数量没有增加，但在压实搅龙的推送下，籽棉于棉箱前端堆积相互挤压，籽棉颗粒间的压缩力显著增加，故籽棉的总压缩力快速增加。变径压实搅龙机构由于搅龙直径前大后小，堆积在棉箱尾部的籽棉由小径搅龙以稳定的输送量向前推送，前段大径搅龙将大量的籽棉推送压缩。变径搅龙阶段性推送，压实效果良好，其仿真模型可为其结构参数的设计提供理论参考。

籽棉压缩；搅龙；EDEM仿真

0 引言

棉花是我国重要的经济作物之一，据统计2014年全国棉花的种植面积达到4 219.1khm2(6 328.6万亩)[1]。棉花收获时，人工采摘劳动繁重，工作效率低，因而机械收获得到了广泛的发展。河南、山东等地作业面积适合小型机械收获[2-4]，但由于小型棉花采摘机械棉箱容积小，作业时卸棉次数多，加重了运输工作量，限制了采棉效率的提高。另外，经过筛选除杂后的棉花由风机吹入棉箱尾端籽棉于棉箱尾端堆积，使棉箱利用不充分。在棉箱内应用变径压实搅龙机构不仅可以减少籽棉堆积形成的物料流动死区，又可实现籽棉压实，提高棉箱利用率。自20世纪90年代以来，EDEM对颗粒流与机构之间的仿真广泛应用于散粒物料与农业机械相互作用及散粒农业物料的流动领域。Van Liedekerke 等提出使用离散单元法建立从颗粒流出容器到分别落于水平和倾斜旋转圆盘上的模型；Suzuki M 等建立了稻谷和糙米的振动分离二维离散元模型； Boac J M等利用离散单元法对谷物收获后处理进行建模与仿真[5-7]。国内学者利用EDEM软件进行了收割机谷物搅龙输送效率的仿真研究，各类排种器工作过程、振动种盘中水稻种群运动规律研究及对肥料调配装置关键部件参数优化等均进行了仿真及分析[8-15]，但基于EDEM软件对籽棉与其收获机械，特别是压实搅龙机构对籽棉的压缩作用未见报道。本文在籽棉均匀喂入的条件下建立了压实搅龙下物料流动的三维分析模型，利用EDEM软件对其进行了数值仿真模拟与分析，所得结果将为棉箱压实搅龙的结构设计提供指导。

1 EDEM软件

EDEM是世界上第一款基于离散元技术的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化[16]，可用于复杂生产机械的设计、优化，模拟分析散料颗粒的处理和制造过程[17]。用户可以利用EDEM建立固体颗粒的参数化模型，或导入真实颗粒的CAD模型，赋予其机械、材料和其他的物理属性来建立颗粒模型进行分析。EDEM能够结合现有的其他CAE工具来模拟颗粒与流体、颗粒与结构的相互作用，并且在模拟过程中把生成的数据储存到相应的数据库中。EDEM为后处理过程提供了数据分析工具和颗粒流的三维可视化工具，用户可以查看、绘制任何变量的图形。

由于本次的研究对象为籽棉颗粒，其在棉箱压实搅龙的实际中的运动行为和力学行为都比较复杂，运用EDEM 软件可获得颗粒受力、运动轨迹及颗粒间相互作用等试验比较难测得的信息，为搅龙压实机构的设计及参数优化提供参考。

2 离散元仿真模型

2.1 搅龙压实机构工作原理

棉箱搅龙压实机构三维图如图1所示。其由两段不同螺径、不同螺距的搅龙及刮板组合而成，在棉箱中达到将堆积的籽棉均匀、压缩以增大棉箱储存量的目的。

图1 压实搅龙机构三维图

搅龙压实机构工作原理为：在采棉机工作过程中，风机将采摘清选后的籽棉吹入棉箱，由于受到自身重力及风机吹送的影响，籽棉会落入棉箱后部，随着采摘量的增多，籽棉于棉箱后部堆积，此时搅龙开始旋转工作。旋转时，籽棉受到螺旋叶片的推力的作用沿螺旋面滑动，进而实现籽棉沿螺旋轴方向输送。籽棉随着搅龙压实机构的旋转不断被向前推进，籽棉推送至棉箱头部后速度逐渐减低直至停止，使得先进入搅龙内的籽棉向前行进的速度慢慢地降下来，而后进入搅龙的籽棉以相对比较快的速度相继而来，形成了籽棉在搅龙内的相互挤压。另一方面，定体积的棉箱随着籽棉量逐渐的增加，造成了空间体积的逐渐缩小，从棉箱进料端到棉箱尾端搅龙内的空间体积逐渐缩小，因此越到后面，籽棉在搅龙内前进越困难；但是搅龙叶片的推进作用却一直连续着，籽棉仍然在连续地进入棉箱，前阻后推地使籽棉受到压缩。

2.2 搅龙压实机构模型

采用 EDEM 2. 3 软件进行棉箱搅龙压实机构作用下籽棉压缩的建模仿真。为便于仿真分析，减小仿真颗粒数目，仅对搅龙压实机构对籽棉的压缩作用进行模拟仿真，故将棉箱尺寸缩小，并将籽棉运动过程中与接触无关的部件简化。搅龙压实机构模型在 Pro /E 中建立后导入到EDEM，如图 2所示。在 EDEM 软件中，可以对搅龙的转动速度加以定义，当搅龙小于100r/min时，搅龙对物料产生弱剪切[18]。为减少机构作用对棉纤维的剪切力而造成的磨损，机构搅龙压实机构转速选择为60r/min匀速圆周运动。

因主要分析压实搅龙机构对籽棉的作用，为减少籽棉颗粒总数及于棉箱间碰撞的计算量将棉箱尺寸缩小并简化，简化后的棉箱尺寸设2 000mm×400mm×400mm，在EDEM中以box模型建立外部棉箱。

图2 EDEM中的压实搅龙机构模型

2.3 籽棉模型

EDEM中的基本元素—球用来仿真籽棉颗粒。为了平衡计算机的计算能力和仿真时间，本研究采用的籽棉颗粒大小为30mm，在棉箱内部分两个部分共生成7 000个籽棉颗粒。颗粒工厂分两部分生成：第1部分颗粒工厂在前2s内生成为籽棉落入棉箱，较为均匀地铺于棉箱底部，但距压实搅龙机构有一定距离；第2部分颗粒工厂在5s中持续产生籽棉，籽棉在风机的吹送作用下堆积与棉箱尾部，与压实搅龙机构开始接触。

2.4 接触模型

籽棉近似球形，由于籽棉棉纤维天然的扭曲使得棉纤维间相互勾拉、缠绕，因此籽棉与棉箱、压实搅龙间及籽棉与籽棉间发生相对运动时就会产生较大的拉力及摩擦力[19]。为模拟颗粒间的缠绕力，选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型及Linear Cohesion线性黏附接触模型来模拟籽棉颗粒间的相互作用，选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型模拟籽棉与压实搅龙之间的接触模型。籽棉与籽棉及籽棉与压实搅龙、棉箱的恢复系数、静摩擦因数、动摩擦因数分别为0.05、0.55、0.15、0.1、0.45、0.2。本文为减少计算机的计算量，忽略极少量的杂质，采用瑞利波法确定时间步长为1.6 × 10-4s。

3 仿真结果及分析

3.1 仿真结果

对试验结果颗粒的圧缩力进行分析，颗粒所受到的压缩力将决定籽棉密度，即同等体积的棉箱的载重量。籽棉在棉箱中在压实搅龙的作用下进行的运动过程是摩擦力、挤压力和离心力等联合作用的结果，较大的压缩力反映颗粒间具有较大挤压滑移力。在保证接触力低于籽棉纤维破坏力的前提下[20]，更高的平均接触力将使得整体的籽棉颗粒流获得更高的密度，即采棉机更大的容载量。不同时间的籽棉压缩仿真如图3所示。

图3 不同时间的籽棉压缩仿真图

由图3可知：压实搅龙对堆积于棉箱的籽棉推送作用明显。仿真进行3s时，仿真图如图3(a)所示，此时籽棉颗粒于棉箱底部均匀散落，棉箱尾部有部分籽棉堆积。仿真进行7s时，如图3(b)所示，籽棉颗粒仍继续产生，在棉箱尾部堆积现象严重，棉箱头部仅由大径搅龙推送部分箱底部籽棉形成堆积。仿真进行11s时，如图3(c)所示，此时籽棉颗粒已停止产生，堆积于棉箱尾部的籽棉在压实搅龙的作用下向前推移，棉箱尾部的籽棉堆积量减少，棉箱头部的籽棉堆积量显著增加。仿真进行15s时，如图3(d)所示，棉箱尾部籽棉量与箱中部基本持平，籽棉在压实搅龙的作用下于棉箱头部堆积，此时籽棉承受压实搅龙推送作用及籽棉颗粒间的挤压作用。变径压实搅龙机构由于搅龙直径前大后小，对于堆积在棉箱尾部的籽棉由小径搅龙以稳定的输送量向前推送，前段大径搅龙，将大量的籽棉推送压缩，变径搅龙阶段性推送，压实效果良好。

3.2 仿真分析

在后处理器中选择颜色标识，并将属性着色设定为以颗粒所受的压缩力大小不同进行着色，得出籽棉颗粒所受圧缩力的着色图如图4所示。

图4 籽棉压缩力着色图

在整个压缩推送阶段过程中，可根据图中仿真得出的压缩力均值对各部分进行分析。在图4中可以观察到：3s时的圧缩力着色图如图4(a)所示，由籽棉颗粒于受到搅龙压实尾部的刮板作用，棉箱尾部部分籽棉圧缩力较大，棉箱头部圧缩力较小。7s时的圧缩力着色图如图4(b)所示，随着籽棉颗粒数量增加，在棉箱尾部堆积的籽棉受到籽棉间圧缩力及刮板共同作用圧缩力显著增加，棉箱头部籽棉仅与搅龙大径接触处圧缩力较大。11s时的圧缩力着色图如图4(c)所示，此时籽棉颗粒不再增加处于推送阶段，棉箱中与压实搅龙接触处的籽棉圧缩力较大，且棉箱头部的籽棉承受搅龙推送及后部籽棉推挤作用圧缩力增加。15s时的圧缩力着色图如图4(d)所示，棉箱头部的籽棉承受压实搅龙籽棉颗粒间的共同压缩，籽棉圧缩力显著增加。

在后处理器中选择线形图，并将x轴设定为仿真时间，y轴设定为颗粒总量所受的圧缩力，得出总压缩力和时间的关系如图 5所示。

图5 籽棉总压缩力线性图

由图5可以看出：在前6s籽棉颗粒的总压缩力匀速增加，在6～12s间趋于平缓，12s后总压缩力快速增加。主要原因是：在前6s，籽棉颗粒数量仍在增加，除了压实搅龙的尾端的刮板推刮作用对籽棉产生的圧缩力外，籽棉颗粒间的挤压力、附着力、缠绕力也随着籽棉数量的增加而增大；在6～12s间，总压缩力主要包括压实搅龙对籽棉的推送压缩力及籽棉移动间的缠绕力，由于籽棉数目不再增加，总压缩力趋于平缓，此时处于推送阶段；12s后，虽籽棉数量没有增加，但在压实搅龙的推送下，籽棉于棉箱前端堆积相互挤压，籽棉颗粒间的压缩力显著增加，故籽棉的总压缩力快速增加。

4 结论

1)由仿真结果可知：仿真开始时，随着籽棉颗粒数量增加，除了压实搅龙的尾端的刮板推刮作用对籽棉产生的圧缩力外，籽棉颗粒间的挤压力、附着力、缠绕力也随着籽棉数目的增加而增大；当籽棉数量不再增加时，此时处于推送阶段，总压缩力趋于平缓；推送阶段结束后，籽棉数量没有增加，但在压实搅龙的推送下，籽棉于棉箱前端堆积相互挤压，籽棉颗粒间的压缩力显著增加，故籽棉的总压缩力快速增加。

2)变径压实搅龙机构由于搅龙直径前大后小，对于堆积在棉箱尾部的籽棉由后端小径搅龙以稳定的输送量向前推送，前端大径搅龙将大量的籽棉推送压缩。结果表明：变径搅龙阶段性推送、压实效果良好，压实搅龙机构的仿真模型可为其结构参数的设计提供理论参考。

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Simulation and Analysis on Compression Effect of Screw Conveyor in the Hopper on Seed Cotton

Kong Fanting, Shi Lei, Zhang Yutong ,Chen Changlin, Sun Yongfei , Xie Qing, Huang Mingsen

(Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization Ministry of Agriculture ,Nanjing 210014,China)

A discrete element simulation model is established with EDEM for compaction screw conveyor in the hopper. And simulation analysis on compression process of seed cotton during Working Process of compaction screw conveyor which provides guidance for structure design of compaction screw conveyor. Simulation results show that the compaction force of seed cotton produced by push function of compaction screw conveyor, and seed cotton compressions, adhesion, twisting force between particles are increased with the increase of the number of seed cotton. While the number of seed cotton no longer increases, seed cotton inter-atomic forces, smaller total compression force leveling off during the push stage. After the push stage, although seed cotton quantity does not increase, but under compaction stir the push of the compaction screw conveyor, seed cotton accumulation and extrusion in the front of hopper, the compression force of seed cotton increased significantly, so the total compression force of seed cotton rapidly increasing. Variable diameter compaction stir dragon institutions due to beat the dragon former after the small diameter, the accumulation in cotton seed cotton at the end of the box by the trail stirring dragons to stabilize the throughput of push forward, the front big diameter stirring the dragon will be a lot of seed cotton push compression, variable diameter compaction screw conveyor shows good effect on periodically push and compaction.

seed cotton compression； compaction screw conveyor； EDEM simulation

2016-08-24

“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B02)；中国农业科学院创新工程-茎秆类收获机械(2016-2020)

孔凡婷(1989-)，女，哈尔滨人，助理研究员，(E-mail)kongfanting1989@163.com。

S225.9+1;S220.3

A

1003-188X(2017)10-0077-05