基于离散单元法的党参根茎滚动摩擦因数标定

臧 金， 石林榕， 杨小平， 田剑锋， 柏永祥

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

党参主要产自于我国甘肃、陕西、宁夏等地，是一种传统的药食同源植物，具有补中益气、养血生津、降低血压等功效[1-3]。甘肃作为我国药材种植大省，素有“千年药乡”之称，党参更为其主要种植药材之一。据统计，甘肃党参种植面积就达70万亩，并逐年增长。党参产量占全国的百分之六十，可见种植和收获工程巨大[4]。由于党参的种植主要集中在贫困山区，种植区地块相对较小，不适应大型农机作业，所以目前很多地区的党参收获环节基本上是人工作业，又因劳动力短缺存在收获效率低、劳动成本较高、劳动强度大等问题，使得党参收获成本不断上升[5-7]。

党参收获过程中的关键环节是破土起根。由于党参播种时经常会出现种粒分布不均或植株移栽时不成行等问题[8-10]，给收获带来一定的困难。为解决上述不可避免的麻烦，本文主要挑选党参根茎的各项参数中滚动摩擦因数进行测定，然后利用Solidworks绘制出与试验相同尺寸的三维模型并导入EDEM中进行仿真验证离散元建模的可行性，为党参的仿真挖掘的过程提供数据参考，以期加快机械化收获的研究并提高党参等深根茎类中药材的收获率。

1 党参基本参数测定

根据仿真的需要，党参的参数主要包含两大块，一是物理参数，另一个就是接触力学参数。物理参数包括尺寸形状、密度、泊松比、弹性模量、含水率；接触力学参数包括党参与党参之间，党参与45#钢、土壤之间的碰撞恢复因数、静摩擦因数和滚动摩擦因数[11-13]。本文主要挑选其中党参与土壤、45#钢间的滚动摩擦因数进行测定并对其进行验证。为提高试验的准确性，本次采用随机取样的方法对党参进行取样并测定参数。取样地点为定西市渭源县药材市场，该地区为党参药材集中收获批发地，取样时间为11月上旬。

1.1 党参与土壤间滚动摩擦因数的测定

参考能量守恒定律，故本次试验采用斜面滚动法来测定党参与45#钢及土壤之间的滚动摩擦因数。试验时通过数显式角度尺(量程0°～360°，精度为0.05°)作为依照来调节斜面与水平面的夹角为30°，在塑料板与桌面相接的另一面铺满土壤，设定切断党参(长15 mm)在斜面上滚动距离S=100 mm，将党参从固定位置S以初速度为0沿斜面自由向下滚动，并在水平土壤面上滚动一定距离直到完全静止为止，测量其在土壤上的滚动距离L[14-15]。党参与土壤间的滚动摩擦因数试验如图1所示。

图1 党参与土壤间的滚动摩擦因数试验

1.2 党参与45#钢间滚动摩擦因数的测定

测定党参与45#钢之间的滚动摩擦因数时，只需要将土壤替换为45#钢，考虑到党参与45#钢之间的摩擦因数太小，在平面上会滚动很长一段距离，此时误差会变大，故将S改为50 mm即可，斜面与水平面之间的角度还是不变。党参与45#钢间的滚动摩擦因数试验如图2所示。

图2 党参与45#钢间的滚动摩擦因数试验

如此重复上述两组试验，每组试验10次，然后根据公式(1)计算出党参与两种材料间的滚动摩擦因数μ并其平均值。试验结果见表1。

(1)

式中：S为党参在斜面上的滚动距离，mm；β为斜面与水平桌面的夹角0<β<90°；L为党参在接触材料上滚动的距离，mm。

表1 党参滚动摩擦因数试验结果

2 验证离散元模型

为验证离散元法建立党参模型的可行性，以上述试验作为验证对象。首先利用Solidworks建立与物理实验相同尺寸的摩擦面三维模型，将该模型导入到EDEM中，再在斜面上建立党参离散元模型，滚动摩擦因数仿真试验台如图3所示。

以滚动摩擦因数x为试验因素，在水平面上滚动的距离y为评价指标，取党参与45#钢之间的滚动摩擦因数x1范围0.03～0.04，党参与土壤之间的滚动摩擦因数x2范围0.06～0.07进行仿真试验[16]，重复10次取平均值。然后将数值导入到Origin中绘制拟合曲线如图4所示。其中，y为党参的滚动摩擦仿真试验水平滚动距离。

图3 滚动摩擦因数仿真试验台

图4 滚动摩擦因数拟合曲线

Origin中建立的两个拟合方程的决定因数分别为R12=0.997 68，R22=0.998 57，其值均接近1，表明拟合方程可靠度高[17]。将45#钢斜面与土壤斜面试验的水平滚动距离实测值262.95 mm、90 mm分别带入式(2)、(3)，得出x1=0.029 6、x2=0.066 4，输入EDEM中进行验证，试验重复10次，计算平均值。仿真试验测得水平滚动距离仿真值分别为259.3 mm、90.3 mm，与实测值的相对误差分别为1.39%、0.3%，由此表明标定后的仿真结果与斜面试验基本一致。

y1=108 258.9x2-15 128.9x1+615.5

(2)

(3)

3 结论

根据能量守恒定律选取斜面法对党参与土壤和45#钢之间的滚动摩擦因数进行测定。利用Solidworks绘制出与试验相同尺寸的三维模型并导入EDEM中，用物理试验所测得的参数建立党参根茎模型进行斜面仿真，然后将仿真测得的数据导入Origin中建立拟合曲线与拟合方程，其中拟合方程的决定因数均接近于1，验证所建立的党参离散元模型的可靠性较高。本结论可为进一步研究党参收获挖掘时其与土壤、挖掘铲之间的互作关系提供理论依据。