基质块压模装置优化设计与仿真试验分析

高国华，杜以康

(北京工业大学 机械工程及应用电子技术学院，北京 100124)

0 引言

传统花卉、蔬菜及其他作物的幼苗培养过程是将营养土基质放入穴盘中，然后把幼苗插入土基质中，让其生长；新的种植方法是直接将种子或幼苗插入土基质块中培养[1]。育苗基质块在制作原料上选取泥炭土、蛭石、珍珠岩、沙子，以及添加的成型固化剂、高吸水树脂和微量营养元素，按照最佳配比，最后再经过压制使其成型。基质块囊括了营养、基质和容器等多项功能于一身，仅需要1块基质块就可以实现质材、抗病、营养、容器、灭菌这五大种功能[2]。基质块育苗有利于立体化温室种植机械化操作。我国人均耕种面积只有世界人均耕种面积的40%，立体化温室种植节约种植空间，是解决我国人口增加、资源不足的有效方法，具有重要意义[3-5]。土基质块栽培更适用于大规模生产，更适应我国现在的国情。国外的基质块压模机整条生产线机构复杂，生产成本高，难以引入国内。国内研发还处于初步阶段，目前制作基质块的设备还不成熟，存在一些问题。压制基质块脱模后会出现土基质成块效果不佳，如土块塌陷、土块散落、机构与基质块发生粘滞等现象，影响花卉、蔬菜幼苗的生长。因此，质量良好的基质块才能更好地发挥其在农业种植中的优势。国内外对土基质块压模的研究比较少，对基质块的成型过程没有进行深入的分析。

本文对压模装置进行创新优化设计，为提高压模成功率及工作效率，分析压制基质块的工艺过程，利用试验与EDEM软件仿真相结合的方法进行压制基质块的工作参数分析。离散元软件EDEM是以离散单元法为基础的，颗粒离散元法(DEM)是由 Cundall 教授 于1971年为解决岩石力学问题而提出的一种不连续数值模拟方法[6-7]。通过仿真机构与土基质颗粒的动态行为，进而改进压模装置的设计与制造，对基质块压模装置研究有一定指导作用。

1 基质块压模装置分析及优化设计

1.1 基质块成型分析

针对制作基质块存在的一些问题，如土块塌陷、土块散落、机构与基质块发生粘滞等破损现象(见图1)，结合制作基质块的工艺流程，依据土力学原理，分析土基质与机构之间的作用关系，对制作基质块存在的问题进行总结，进一步改进压模、脱模方式，为提出方案创新设计做准备。

1.2 基质块压模装置创新优化设计

通过分析制作基质块的工艺流程，找出失败原因并提出改进及优化目标，得到可行性强的压模机构改进设计方案，以及能够满足压制基质块成功率和效率要求的压模机构工作参数组合，以提高压模机构的实用性。通过创新方法优化设计压模装置试验台，并进行SolidWorks建模。本试验平台由4个部分组成，分别为下压部件、模具部件、基质块托盘及支架。其中，下压部分主要由电机、丝杆滑台、提升板、平板、压轴、方板及压孔圆台组成；基质块模具部分主要由模具盘及支撑组成；基质块托盘部分主要由托盘组成，托盘是试验的压制面板。在压制基质块过程中，先往模具盘中填充土基质，然后下压部件进行下压土基质。下压部件的电机转动使直线滑台带动方板、压孔块向下压制土基质进行压制基质块，同时压孔块在基质块上压出空穴，下压部件保持静止；模具盘在电机和直线滑台的带动下进行向上运动脱模，脱模完成后，下压部件向上运动，完成压制基质块。压模装置试验台关键部件如图2所示。本试验台通过下压部件、模具部件及托盘之间的有效配合，进行下压、脱模及提升完成压制基质块的工艺流程，可以有效地防止基质块被模具盘粘连破坏。

图1 基质块破损现象

1.下压部件 2.模具部 3.托盘

2 EDEM软件接触力学模型的建立与选择

土壤颗粒行为的研究是一个复杂的课题，传统的离散元力学模型很难描述粘性土基质或者粘湿土基质的颗粒力学行为。接触力学模型的建立是进行土基质颗粒数值模拟的基础，也是EDEM软件的核心部分[8-11]。

通过制作土基质块的工艺可知：土基质为软粘土类型，除了考虑颗粒之间存在粘性，还要考虑弹性变形及塑性变形。为了准确描述土基质颗粒之间的物理参数，本文选择内聚力弹塑性模型(ECM)作为压制土基质块的颗粒接触模型。爱丁堡大学为解决粘性颗粒的接触问题提出该颗粒模型，该模型是一个多功能非线性模型，结合滞后、凝聚力和范德瓦尔斯型力的接触力学方程，得出颗粒间的弹塑性变形会伴随带来粘聚力[12-15]。

ECM颗粒模型可通过EDEM的API编写完成，可以在TXT文档中修改参数，在EDEM前处理器模块调入使用。ECM的参数调整文档主要包括6个参数：分离力常量f0(N)、接触表面内聚能常量(J/m2)、塑性接触率、刚度指数n、粘性能量值X及切向刚度系数ktm。

3 EDEM建模与仿真分析压制基质块

3.1 基质块成型分析

1)选择颗粒模型。在物理特性Physics 选项块中，选择颗粒与颗粒之间的接触模型为ECM模型，并进行添加。

2)EDEM仿真颗粒参数。根据土力学实验，测定土基质的仿真颗粒参数，如表1所示。

表1 仿真颗粒参数

根据仿真颗粒参数，进一步编写ECM_Parameters文档中颗粒的物理参数，确定ECM模型的参数。

3)设置压制基质块的的几何模型。本文选用专业的三维绘图软件SolidWorks建模，绘制仿真所需的边界模型。该边界模型主要由下压件、模具及托盘组成。将下压件、模具及托盘进行装配，保存为IGS格式，运用EDEM软件中的Geometry模块将几何体导入到在 EDEM 中，结构如图3所示。在Geometry模块中进行压制216mm3基质块，选取对基质块成型影响较大的工艺参数进行仿真，如下压速度、基质填充量。

1.下压件 2.模具 3.托盘

4)设置颗粒工厂参数。通过在EDEM软件中设置颗粒填充数量16 000个、颗粒直径尺寸1～3mm,进行仿真压制基质块。观察基质块成型质量表明，基质块成型良好。最后，运用EDEM软件后处理模块进行数据分析。

Rayleigh 时间步长的计算公式为

其中，R为粒子半径(m)；ρ为仿真粒子密度(kg/m3)；G为剪切模量(MPa)；μ为泊松比。EDEM软件能够自动运算出 Rayleigh 时间步长本，文中选用×20%作为固定时间步长。设置仿真时间为 1.5s，同时设置仿真网格单元，网格尺寸为 2R[16-19]。

3.2 仿真过程分析

3.2.1 下压速度对基质块质量的影响

在设定其他参数一定的情况下，通过调研及试验分析表明，压模机下压速度在0.04～0.08mm/s较为合适。因此，选取下压速度为0.04、0.06、0.08m/s进行仿真。在下压速度为0.04m/s的条件下，设置仿真时间为4.47s，颗粒生成如如图4所示，仿真结束压制出的基质块如图5所示。

通过仿真结果可知：压制的基质块质量良好，完整度高。在EDEM软件后处理模块中，为了统计颗粒总表面接触量，设置x轴为时间、y轴为颗粒总表面接触量，得出下压件下压速度为0.04m/s时的总表面接触量与时间的关系图。从y轴可以看出颗粒总表面接触量为73 146个，如图6所示。

图4 颗粒生成

图5 仿真结果

图6 0.04m/s时总的颗粒表面接触量

利用上述仿真方法，通过调整下压件的下压速度，分别对速度为0.06、0.08m/s时进行仿真分析，根据3次仿真结果可得下压速度与颗粒总表面接触量的关系。由图7中可以看出：下压速度为0.04m/s时，基质块内聚力最大，抗剪强度高；随着下压件下压速度的提高，颗粒总表面接触量减少，基质块内部粘聚力降低。主要原因是：随着下压件下压速度的增大，基质颗粒间的水分、气体排出时间缩短，水分、气体未及时排出。

图7 速度——总的颗粒表面接触量

3.2.2 基质填充量对基质块外形的影响

在EDEM软件颗粒工厂中增加生成颗粒的数量，由16 000个调整为18 000个，速度为0.04、0.06、0.08m/s，进行仿真压制基质块。由此可以看出：填充基质过多基质块底部均出现回弹现象，在脱模过程中基质块底部最先脱模释放，与实际试验效果一致，如图8所示。

图8 基质块底部回弹

4 试验分析

4.1 试验平台与试验方法

北京工业大学机械创新设计实验室自主研制了基质块压模装置试验平台，如图9所示。该试验台主要包括压模构件及电气控制两部分。该试验平台可以自由调整下压件的下压速度，可以在模具中改变土基质的填充质量。该试验平台压制的基质块完整度高，无破损现象，为试验分析压制基质块的成型效果提供了良好的平台。

图9 基质块压模装置试验平台

试验平台采用电机额定转速3 000r/min，最低转速 1r/min，满足压制基质块的速度要求。运用PLC控制伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机带动直线滑台移动，进而实现下压件压制基质块，直线导轨滑台有效行程为300mm。该控制系统具有高稳定性和高精准性。

本文采用土力学试验中的直剪试验，对试验平台压制的土基质块进行直剪试验分析。直接剪切试验是测定土壤抗剪强度的一种通用方法，结合试验台，采用在单一垂直载荷下对不同条件下压制的土基质块进行。采用施加水平剪力的方法，比较不同压制条件下基质块的抗破坏能力。该方法可以方便、快捷地得出试验结果。本试验使用的是ZJ 型应变控制式直剪仪，如图10所示。

图10 直剪仪示意图

用基质块压模装置试验平台压制基质块，用环刀切基质块切出试验所需的圆形土样，将土样放入直剪仪进行试验，如图11所示。

图11 直剪试验

本试验选取的育苗土基质由北京京鹏环球科技股份有限公司提供。根据压制基质块的工艺，研究基质块成型的机理，对影响基质块成型因素进行了分析，并通过筛选试验确定影响基质块成型质量的关键因素为含水率、下压速度、填充基质量。

1)含水率。参考育苗要求及试验分析，制作基质块的土基质含水率范围为20%～30%，确定3个水平为20%、25%、30%。

2)下压速度。通过调研实验分析，压模机下压速度在0.04～0.08mm/s较为合适，选取速度0.04、0.06、0.08m/s作为下压速度的3个水平。

3)填充基质量。本试验压制的土基质块体积为216cm3，根据选取的土基质参数计算得出所需土基质质量为130g。由于土基质松散，根据调研分析填充基质量应为计算值的1.2倍左右，因此选取填充基质量的3个水平为130、140、150g。

采用三因素三水平正交试验设计，以填土量、含水率、下压速度三因素作为正交试验的3因素，如表2所示。将土基质块抗剪强度设为评价指标。该试验分析具有3个因素，每个因素分别有3个水平，采用三因素三水平试验表L9(34)。

表2 因素水平表

4.2 试验结果与分析

三因素三水平正交试验结果如表3所示。对试验结果进行极差分析，绘制极差分析表(见表4)，并做极差分析图，如图12所示。

表3 正交试验结果

表4 极差分析表

图12 极差分析图

由表4和图12可知：对基质块抗剪强度影响最大的是因素A(含水率)，影响程度依次为A>C>B。由图12可知：土基质含水率越高，基质块抗剪强度越小。这是由于含水过多，土基质粘聚力降低。下压速度越快，基质块抗剪强度越小。这是因为随着下压件下压速度的增大，基质颗粒间的水分、气体排出时间缩短，水分、气体未及时排出，使基质块粘聚力降低，与仿真结果吻合。基质块的抗剪强度随着基质填充的增多，先减小后增大，填充量取最大值时基质块抗剪强度最大。由图12可得最佳参数为：土基质含水率20%，填土量150g，下压速度0.04m/s。

5 结论

1) EDEM软件仿真分析压制基质块与试验台压制的基质块效果基本吻合。下压速度为0.04m/s时，基质块抗剪强度最大。基质填充量过多时，基质块底部出现回弹，验证了EDEM软件仿真分析的可行性。

2) 对基质块压模机压模过程进行了分析，设计了基质块压模装置试验平台。针对含水率、下压速度、填土量3个关键因素设计了三因素三水平正交试验，对数据进行极差分析，确定各因素对基质块抗剪强度的影程度依次为含水率>填土量>下压速度，最佳参数为土基质含水率20%、填土量150g、下压速度0.04m/s。

3) 通过对基质块压模机构优化设计，采用仿真和试验结合的方法，均能得到质量良好的基质块，验证了基质块压模装置优化设计的可靠性。