玉米种子静摩擦系数测定及离散元法验证*

杨正，李国锋，石林榕，王尊

(1. 甘肃畜牧工程职业技术学院,甘肃武威,733006; 2. 甘肃农业大学机电工程学院,兰州市,730070)

0 引言

随着国民经济快速发展,国民生产生活对粮食需求不断提高[1-6]。而种子是影响作物稳产高产的重要资源,随着现代精密种植机械发展,对排种器性能要求越来越高。排种器作业过程中,与种子产生摩擦力,影响种子流动性能和排种流畅程度,进而影响播种性能[7]。目前,国内外有关静摩擦特性研究文献较少,多为理论分析。杨小平等[8]设计了一种水重力式马铃薯静摩擦系数测定仪,解决了传统农业物料静摩擦系数测定过程工作效率低、测定精度差等问题;刘宏俊等[9]通过仿真方法确定出土壤静摩擦系数。静摩擦系数对排种器排种性能有显著影响[10-15],测定静摩擦系数的方法包括直接实验测定法和参数标定法。由于农作物的形状大小和不规则程度,给直接测定法提出挑战,利用离散元法进行参数标定成为一种方式[16]。然而,静摩擦系数直接测定法对于尺寸较大种子还是具有优势。本文在两种测定仪器的基础上,通过斜面法和直接接触法测定玉米种子的静摩擦系数,并基于离散单元法对其进行验证。

1 静摩擦系数测定

1.1 试验材料和测定仪器

试验品种为郑丹958,种子几何形状大致可以分为马齿形、球锥形、类球形。随机选取1 000粒种子,千粒重为244 g,其中马齿形种子为698粒、球锥形为187粒,类球形为115粒,马齿形∶球锥形∶类球形数量比接近7∶2∶1。3种形状的种子各选取100粒,使用数显游标卡尺(精度为0.02 mm)进行尺寸测量,如图1所示。其中马齿形玉米中L1为短高,L2为长高,W1为上宽,W2为下宽,T为厚;球锥形玉米中L1为短高,L2为长高,W为宽,T为厚;类球形玉米中L为高,W为宽,T为厚。

(a) 马齿形

测量可得:马齿形玉米L1、L2、W1、W2和T分别为10.05 mm、11.34 mm、5.93 mm、8.44 mm、4.09 mm;球锥形玉米L1、L2、W和T分别为7.08 mm、10.05 mm、6.83 mm和6.46 mm;类球性玉米L、W和T分别为8.69 mm、8.02 mm和7.94 mm。

本文使用的玉米静摩擦系数测定方法包括斜面法和直接接触法。斜面法采用自研的农业物料静摩擦系数测定装置,直接接触法使用MXD-02摩擦系数测定装置。

1.2 试验方法

1.2.1 斜面法

斜面法测定玉米静摩擦系数采用自制的静摩擦系数测定装置,如图2所示。玉米种间系静摩擦系数测定需制成种板,即将玉米种子分形状紧密黏附于板上。当测定种间静摩擦系数时,将制作的种板置于测定板上。当测定种子与其他材料之间的系数时,需将不同材料板置于测定板上。

图2 斜面法静摩擦系数测定装置

测定时将一粒玉米种子沿高度方向置于种板上,电机将测定板缓慢顶起,当种子沿板面下滑时,种子阻挡光电传感器信号,电机停止,角度仪记录斜测定板倾角φ,每组重复5次[17-20]。最后将倾角代入公式μ=tanφ,即可计算玉米静摩擦系数[21]。

1.2.2 直接接触法

直接接触法测定玉米静摩擦系数采用MXD-02摩擦系数测定装置,测定原理如图3所示。测定种间系数时随机取一些玉米种子置于固定特制容器中,并用磁铁固定在实验板上,将另一个自由容器放置在固定容器的中央,并在其中加入不同形状的玉米种子,启动摩擦系数仪,使自由容器和固定特制容器产生相对滑动,仪器自动计算静摩擦系数。测定玉米种子与接触材料系数时,先将接触材料用磁铁固定于实验板上,再将玉米种子和特制容器放置中间位置。每组测5次,取平均值。

图3 直接接触法静摩擦系数测定装置

1.2.3 试验对比分析

斜面法测得测定板倾角见表1,斜面法测得玉米静摩擦系数见表2,直接接触法测得玉米种子静摩擦系数见表3。

表1 斜面法测定结果Tab. 1 Measurement results of the slope method

表2 斜面法静摩擦系数Tab. 2 Coefficient of static friction under the slope method

表3 直接接触法静摩擦系数Tab. 3 Coefficient of static friction obtained under the direct contact method

由表2和表3可知,两种方法测定的玉米种间静摩擦系数相对误差为3.17%。玉米种子间的静摩擦系数最小,不锈钢与玉米之间静摩擦系数次之,有机玻璃与玉米之间静摩擦系数最大。玉米形状对玉米静摩擦系数影响较小,以上结果可为农业机具研发提供基础依据[10]。

2 离散元法验证

2.1 玉米模型建立

根据1.1节统计的玉米尺寸,采用球聚合法,分别建立马齿形、球锥形、类球形玉米种子三维模型[22-23],将玉米模型导入EDEM软件中利用快速填充功能建立玉米离散元法模型[24-28],填充颗粒直径为1.5 mm,马齿形玉米模型共用71个,球锥形共用了52个,类球形共用了33个,玉米种子模型见图4。

(a) 马齿形

2.2 仿真参数

部分仿真参数见表4。

表4 玉米种子物性参数Tab. 4 Physical parameters of maize seeds

2.3 验证模型建立

借助SolidWorks软件建立玉米和接触材料之间的滑动验证模型,以STL格式导入EDEM软件中,并进行参数设置[27],时间步长设为40%的瑞利时间步长,总时长设为2 s。玉米静摩擦系数测定仿真模型如图5所示。

图5 玉米静摩擦系数测定仿真模型

仿真条件下测定玉米模型静摩擦系数时,设置垂直板以0.02 m/s的速度水平移动,推动玉米模型滑动,后处理测出垂直板受力,测试种子重力,两者相除即为静摩擦系数。仿真重复3次,取平均值。

2.4 验证结果

垂直平板受力情况如图6所示。由图6可知,垂直平板推动种子时受力为7.46×10-4N,种子的自重为2.391×10-3N,计算得到种间静摩擦系数为0.312;垂直平板受力为8.703×10-4N,种子自重为2.391×10-3N,计算得到种子与有机玻璃之间的静摩擦系数为0.364;垂直平板受力为9.182×10-4N,种子自重为2.391×10-3N,计算得到种子与不锈钢之间的静摩擦系数为0.388。仿真验证得到的玉米静摩擦系数如表5所示。

表5 静摩擦系数仿真结果Tab. 5 Static friction coefficient simulation results

图6 垂直平板受力

通过对比可以发现,仿真结果与直接接触法得到的玉米静摩擦系数接近,其中种子与有机玻璃之间的差异较大,其相对误差为8.36%。

3 结论

1) 由斜面法和直接接触法测定了玉米静摩擦系数。斜面法得到玉米种间的静摩擦系数为0.346 8、玉米种子与不锈钢材料间的为0.382 4、玉米种子与有机玻璃的为0.421 3。直接接触法得到玉米种间的静摩擦系数为0.335 8、玉米种子与不锈钢材料间的静摩擦系数为0.379 4、玉米种子与有机玻璃的静摩擦系数为0.423 4。玉米种子间的静摩擦系数最小,其次不锈钢与玉米之间材料次之,再次为有机玻璃与玉米之间的。玉米形状对玉米静摩擦系数影响较小。两种方法测定的玉米种间静摩擦系数存在一定误差,其相对误差为3.17%。

2) 由离散元仿真结果可知,玉米种间的静摩擦系数为0.312,玉米与不锈钢材料之间的为0.364、玉米与有机玻璃之间的为0.388,仿真结果与直接接触法测定的静摩擦系数接近。