基于EDEM软件的螺旋提土装置最佳间隙的研究和分析

周艳丽，王小飞，余永昌

(1.河南工业贸易职业学院 机电工程系,郑州 450002；2.河南农业大学 机电工程系,郑州 450002)



基于EDEM软件的螺旋提土装置最佳间隙的研究和分析

周艳丽1，王小飞1，余永昌2

(1.河南工业贸易职业学院 机电工程系,郑州 450002；2.河南农业大学 机电工程系,郑州 450002)

基于EDEM软件对覆膜式大豆玉米精播机的螺旋提土器进行仿真模拟分析，寻找螺旋提土器的外径与套筒内壁之间的最佳间隙值范围。针对现有螺旋提土器存在的不足，从研究螺旋提土装置的结构入手，通过力学分析等方法研究、寻找螺旋提土器的外径与套筒内壁之间的最佳间隙值，为提高覆膜式精量播种机的使用效果提供理论依据。通过大量实验分析，螺旋外径与料槽之间的间隙对螺旋提土器的土壤输送的轴向速度、土壤输送量及功率消耗的影响都比较大。结果表明：铺膜式精量播种机的最佳螺旋提土装置的配合间隙应该选择在3～4mm，根据不同的加工工艺实现方法，将加工误差控制在此范围内时最终实现的覆土效果较好。

螺旋输送机；最佳间隙；模拟仿真；轴向速度；输送量

0 引言

我国辽阔的地域造就了各地千差万别的地理条件，各地种植制度和耕作模式有各自的地域特点，因此在不同地区对农业机械有不同的技术要求[1]。例如，在干旱半干旱地区使用的大豆、玉米等播种机需要添加地膜覆盖技术，以解决这些地区作物因长期缺水导致的出苗率低等问题。铺膜播种机一般由播种机和铺膜机组合而成，采用地膜覆盖播种技术能有效减轻土壤水分的散失、减少风沙等对地表的侵蚀、改善土壤环境、提高土壤积温、减少杂草及病虫害等。该技术的使用大大提高了干旱半干旱地区作物的产量，因此铺膜式播种机在山西、新疆等地得到了广泛使用。山西土壤质地松散，易受风沙、雨水等侵蚀，属于铺膜播种技术推广的典型地区。山西省自2009年起提出了研制穴播式铺膜播种机等攻关项目，所研制的铺膜式精量播种机能够配合山西省农业科学院研制的“3V型”种植模式和新型渗水地膜使用。“3V 型”种植模式形成的“V 型”种植沟类似于微型温室，可以将微量降水聚集到苗的根部，保墒效果良好[2-4]。目前，地膜覆盖技术较好地解决了旱地农作物的缺水干旱问题，增产效果较为显著。传统的铺膜覆盖技术采用先播种再覆膜，出苗前再划膜放苗的农艺过程，导致效率低、成本大。目前，山西地区多使用先铺膜后播种联合作业模式的精量播种机。即铺上膜后直接在膜上打孔播种，地膜两侧作为播种带，膜中间作为采光面。铺膜时要求膜面平整，使地膜紧贴地面，同时要在膜上覆一层薄土。因为相比膜下穴播，膜上穴播如果播后遭遇雨水更容易造成种子附近土壤孔板结，导致部分种苗无法破土，影响了出苗率[3]。因此，目前在山西地区使用的覆膜式精量播种机一般都配有提土装置在完成播种后在种带膜上覆土，称之为膜上覆土技术。

膜上覆土技术不仅可以防止大风揭膜及地膜老化，同时能提高地温、降低土壤水分蒸发，还能提高作物的抗风能力。膜上覆土技术保证了一定出苗成活率[4-5]，但早期市场上的覆膜式精量播种机的提土装置还存在取土分离效果差等问题，还不能很好地满足相关的农艺要求。目前，在山西等地使用较为广泛的铺膜式精量播种机机型，如图1所示。该机能一次性完成开膜沟铺膜、膜边覆土、膜上穴播及种孔覆土等作业。作业时，采用改良鸭嘴式排种器在地膜上划膜播种，螺旋提土装置进行开沟，并利用内置的螺旋刀片提土[6]。该螺旋提土装置倾斜于地面放置，工作时螺旋片将土提升到一定的高度后经成“倒V”状的出土口被分铺到播种后的地膜上，一般通过调节底轮高度来控制提土量。该机型采用螺旋式提土装置完成膜上覆土技术，相比“云梯式”提土装置对土壤适的用范围更广，并且覆土量可任意调节，覆土质量得到了一定的提高，但在实际生产中会出现地膜覆土间断等现象。经大量试验研究，引起这种现象的主要原因是该机型内置的螺旋输送机与其配套的圆柱套筒之间被物料等堵塞而影响了覆土的连续性和均匀性，螺旋输送机又称为搅龙，在机械生产中二者之间的间隙参数的选择主要是依靠加工者的经验。目前，国内外对螺旋输送机的研究主要集中在转速、输送角度、螺旋叶片的布置及螺距等参数对输送量的影响，针对不同间隙对输送效率影响的研究并不多。因此，本文拟利用EDEM软件对该机型的螺旋提土装置进行研究和分析，通过EDEM软件完成模型构建，研究土壤螺旋输送机不同的螺旋外径与套筒间隙对轴向速度V轴、输送量Q、功率消耗No产生的影响，最终得出二者之间的最佳配合间隙范围，为提高覆膜式精量播种机的使用效果提供理论依据。

1.开沟器 2.地轮 3.鸭嘴式播种装置 4.覆土器 5.提土装置

1 EDEM软件

EDEM是世界上第一个用现代化离散元模型科技设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件，可以快速、简便地对固体颗粒系统建立参数化的模型。通过模拟散状物料体系的行为特征，以及添加相应的力学性质、物料性质和其它物理性质来建立颗粒模型，并且在模拟过程中把生成的数据储存到相应的数据库中，协助设计人员解决各类散料处理设备设计和生产问题。目前，EDEM软件被广泛应用于航空航天、能源化工、矿物加工、制药、农业及材料等行业中。由于本次的研究对象为干燥沙土，它在搅龙的实际运行中的运动行为和力学行为都比较复杂，普通软件很难直接获得土壤颗粒受力、质量流量、运动轨迹及设备功率消耗等试验比较难测得的信息[7]；而EDEM软件在分析土壤颗粒等散体物料方面有较大优势。

2 EDE模型的研究

2.1 螺旋输送机的结构与工作原理

铺膜式精量播种机采用的螺旋提土装置结构主要由螺旋搅龙部分、圆柱形套筒及倒V型分土管3部分组成。螺旋式输送装置具有结构简单、成本低、易于加工、工作性能稳定等优点，因此螺旋输送机近年来被广泛用于粮食、化工、水泥等物料的输送，它在水平、倾斜与竖直方向都能够实现输送物料[8]。螺旋器由叶片和轴焊接而成，一般分为实体型、带式、叶片式和齿式4种结构形式[9]。铺膜式精量播种机采用的是实体型螺旋搅龙，如图2(a)所示。该结构适用于流动性好、较为干燥的粉末状物料，输送效率较高。螺旋式输送机的基本工作原理是利用螺旋叶片的旋转运动推动物料沿套筒运动从而被运输和提升。本研究所用机型的螺旋搅龙的叶片非等距排列，最前端部分和后端部分叶片的螺距不相同，如图2(b)所示。这种设计主要是为了防止螺旋搅龙超载产生堵塞，为了保证良好的输送提升功能，因此采用了变螺距设计。该研究所用的螺旋输送机的直径D为125mm,螺距T是100mm，最前端部分的螺距取50mm；但是在后续计算中，考虑到该输送机的最前端部分虽为变螺距设计，但对于总长度比较少，可忽略不计，整体按等螺距计算[10-11])。螺旋叶片厚度约为1mm,螺旋外径与套筒之间的间隙目前约为5mm,按拖拉机输出轴转速530r/min，计算得出螺旋轴转速为260r/min。

(a) 实体型螺旋机

(b) 变螺距设计

2.2 土壤团粒的运动分析

铺膜式精量播种机在工作时，被耕整过的土壤从提土器前端进入到套筒内，随着转轴的转动，土壤在螺旋叶片的法向推力的径向分力和土壤自身与叶片之间的摩擦力的作用，产生了绕轴旋转的趋势；但同时又受到了土块自身的重力以及套筒内壁与土壤之间的摩擦力，在合力作用下土壤在通过螺旋输送机的过程中，不是单纯的沿轴向运动，而是在一种复合运动中沿螺旋轴运动。其输送量的大小主要靠轴向速度来决定[12]，土壤团粒的运动，如图3所示。因为土壤受到摩擦后的合力方向与螺旋线的方向产生了一个偏离角φ，但一般情况下，由于螺旋刀片比较光滑因此偏离角可以近似地看作土壤自身产生的摩擦角，即φ=ρ。

图3 土壤团粒在搅龙中的运动图

根据图3，可以利用几何数学关系推导出V轴的计算公式为

(1)

(2)

(3)

则倾斜螺旋输送机的轴向速度为

(4)

式中 α—螺旋升角；

ρ—物料自身的摩擦角；

γ—螺旋叶片上任意一点所在的圆周半径；

ω—物料阻力系数，ω =0.5；

T—螺旋叶片的螺距；

A—土壤团粒。

2.3 螺旋输送机的输送量

在螺旋输送器中，输送量Q是指单位时间内物料在叶片推动下输出的物料[12]。输送量Q与输送机的横截面积F、输送速度n、输送物料的性质及放置位置有关，本研究涉及的螺旋输送机倾斜于地面放置，倾斜角度约为20o。倾斜式螺旋输送机的实际输送量Q粗略按下列方法推导出其公式，则有

Q=3600F·V轴·γ

(5)

式中 Q—螺旋输送机的输送量；

F—螺旋输送机内的物料横截面积；

V轴—物料沿轴向推进的速度；

γ—物料密度，土壤的堆积密度取1.22t/m3；

其中，横截面积F为

(6)

式中 φ—装满系数，倾斜地面20°放置的螺旋输送机的装满系数φ=0.86；

μ—螺旋输送机的倾斜输送修正系数，取值范围为0.7～0.9，现取μ=0.8；

D—螺旋叶片的直径。

物料在螺旋输送机内的轴向速度V为

(7)

式中 T—螺旋叶片的螺距，考虑到所用叶片是实体型，因此T=0.8D；

n—螺旋轴转速.

因此，倾斜放置的螺旋输送机的输送量公式可换算为

Q=47D2·φ·T·n·μ·γ

(8)

2.4 螺旋输送机的功率消耗

对于倾斜放置的螺旋输送机的功率消耗No可以根据图4和式(9)计算而得。其中，公式中如果是向上输送物料，则取“+”；如果向下运输时，取“-”。

(9)

式中 L—螺旋输送机的水平投影长度；

H—螺旋输送机垂直头型高度。

图4 螺旋输送机位置安装结构图

3 仿真结果与分析

经过EDEM软件仿真结果，得出了螺旋外径与套筒不同配合间隙对铺膜式精量播种机的螺旋提土装置的土壤输送的轴向速度、土壤输送量及功率消耗的影响规律图，如图5～图7所示。

1)不同螺旋外径与套筒之间的配合间隙对螺旋输送机的轴向速度的影响如图5所示。随着配合间隙的不断增大，整体上轴向速度呈非线性下降趋势。从图5中可以看出：当配合间隙为2mm左右时，平均轴向速度变化急増急减，说明土壤在这种配合间隙的螺旋提土器中输送状态不够平稳，不利于膜上覆土的连续性和均匀性；当配合间隙为5mm左右时，其平均轴向速度变化趋势也是先升后降，并且超过5mm后轴向速度急剧下降，说明此时间隙过大直接影响到了土壤输送量的大小；只有配合间隙在3～4mm时的平均轴向速度变化不大，此时轴向速度的变化几乎趋于平缓。

2)图6表示了螺旋外径与套筒之间的配合间隙变化时对螺旋提土器土壤输送量的影响。由图6可知：配合间隙在2mm左右时，土壤输送量增减交替变化，1mm左右的加工误差会直接导致输送量变化浮动较大，配合间隙不适合在此范围内选择；当配合间隙大于5mm时，输送量受轴向速度变化影响输送量急剧降低；相比而言，配合间隙在3～4mm范围波动时，输送量变化较为平稳，且土壤输送量基本呈增长趋势。

3)不同螺旋外径与套筒之间的配合间隙对螺旋提土器功率消耗的影响如图7所示。由图7可知：随着间隙的波动变换，即使1mm的间隙变化对螺旋提土器的功率消耗的影响也比较大，并且整体趋势不符合线性变化。当间隙设计成2～3mm范围时，提土器的功率消耗达到峰值，这是因为给间隙范围与输送的土壤团粒尺寸较为接近，在输送过程中容易出现卡滞现象，因此造成了较大的功率消耗；在3～4mm时功率消耗迅速下降；配合间隙在1～2mm及4～6mm范围内时提土器的功率消耗都比较小。

图5 不同的配合间隙对螺旋输送机的轴向速度的影响

图6 不同的配合间隙对螺旋输送机土壤输送量的影响

图7 不同的配合间隙对螺旋输送机功率消耗的影响

4 结论

综上所述，根据EDEM软件模拟仿真结果的分析，螺旋外径与套筒不同配合间隙对铺膜式精量播种机的螺旋提土装置的土壤输送的轴向速度、土壤输送量及功率消耗的影响比较大。

1)当配合间隙过小时，土壤在套筒内摩擦力过大，容易造成土壤团粒卡滞使输送不平稳；当配合间隙过大时，田间的杂草及残膜等杂物容易进入提土器内部造成壅堵。因此，只有在最佳间隙内螺旋提土器才能有较好的作业效果。

2)根据EDEM软件的分析结果，虽然当配合间隙在3～4mm范围内波动时提土器的功率消耗不是最小，但结合该范围内土壤输送的平均轴向速度和土壤输送量的变化规律，此时铺膜式精量播种机的螺旋提土装置的工作效果最好。由此可得：铺膜式精量播种机的最佳螺旋提土装置的配合间隙应该选择在3～4mm,根据不同的加工工艺实现方法，将加工误差控制在此范围内时最终实现的覆土效果较好。

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Research and Analysis of the Optimum Gap of the Screw Extraction Device Based on EDEM Software

Zhou Yanli1, Wang Xiaofei1，Yu Yongchang2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Henan Industrial and Trade Vocational College, Zhengzhou 450002, China; 2.Department of Electrical and Mechanical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

This article mainly uses the EDEM software to carry on the simulation analysis to the plastic film type soybean, the corn precision sowing machine the screw conveyer, obtains the screw conveyer's outer diameter and the sleeve inner wall between the best clearance range value.Aiming at the problems existing in the existing screw conveyer, from the study of spiral provided soil device structure, through mechanical analysis method to study the impact of spiral, looking spiral provided between the soil and the outside diameter of the inner wall of the sleeve is optimum interval value and provide a theoretical basis for improving the using effect of the coated type precision seeding machine.After a large number of experimental analysis, the optimal gap between the screw diameter and the material groove is determined to be related to the axial velocity, soil transport capacity and power consumption of the three parameters，and the influence is relatively large. The results showed that the coated type precision seeding machine screw is provided soil device with the gap should choose between 3-4mm.According to the different processing method, the machining error control in this range when the eventual realization of the covering soil and effect better.

spiral conveyer; optimal clearance; simulation; axial velocity; transport capacity

2015-12-11

国家公益性行业(农业)科研专项(201303011-4)

周艳丽(1970-)，女，河南南阳人，副教授，(E-mail)ZYL650@126.com。

余泳昌(1955-)，男，河南杞县人，教授，博士生导师，(E-mail)hnyych@163.com。

S233.2;S220.3

A

1003-188X(2017)01-0038-05