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玉米脱粒过程仿真分析软件的改进研究

玉米脱粒过程仿真分析软件的改进研究

作者：孙召吉林大学

学位级别：硕士

在玉米收获过程中,需要使用专门的脱粒机械将玉米籽粒从玉米芯上分离下来,由此可见,脱粒机械的性能直接影响到最终的玉米收获产量。目前而言,国内外研究玉米脱粒机械时主要使用试验方法和连续介质力学分析方法,但效果都不理想,不能准确... 详细信息

在玉米收获过程中,需要使用专门的脱粒机械将玉米籽粒从玉米芯上分离下来,由此可见,脱粒机械的性能直接影响到最终的玉米收获产量。目前而言,国内外研究玉米脱粒机械时主要使用试验方法和连续介质力学分析方法,但效果都不理想,不能准确模拟出现实生产中玉米脱粒的实际状况。为了解决以上问题,本课题组研制出采用离散元方法模拟玉米脱粒过程的仿真软件,在此基础上,本文结合计算流体动力学理论,改进了原有的玉米脱粒过程仿真软件。本文重新设计了原有脱粒软件的整体架构,实现了脱粒软件与课题组开发的离散元法新软件的整合,并对脱粒软件的不足之处进行了改进。在仿真脱粒过程中,原有脱粒软件建立的玉米果穗模型包括玉米籽粒和玉米芯,但无法模拟出真实玉米果穗上存在的籽粒间隙,为了让仿真结果更加符合真实的脱粒过程,本文添加了玉米籽粒间隙参数设置功能。而且,原有的脱粒过程计算代码仍存在一些问题,导致籽粒从玉米芯上脱落后掉到边界上时仍不停抖动乱飞,或者在执行邻居搜索过程时出现死机等问题。本文对脱粒计算代码做出改动,通过为玉米籽粒选取新的转动惯量计算公式,成功解决了籽粒抖动乱飞的现象,并避免了执行邻居搜索时出现软件死机的问题。鉴于用户使用脱粒软件仿真时涉及到大量参数,手动设置的测试效率极为低下,所以本文对脱粒参数设置界面进行改进,并添加了脱粒计算参数的保存和查询功能,允许用户快速查找仿真过程设置的计算参数,方便用户分析对比多组仿真结果的相应计算参数。脱粒软件仿真计算结束后,需要打开生成的仿真结果文件进行性能分析,观察脱粒机械上各个部件的受力情况,进而分析改进脱粒机械的部件设计工作。原有软件在分析部件上受力时,只能观察部件在全局坐标系下的边界合力,分析能力有限。为了提升软件的分析能力,本文通过建立新的局部坐标系,以及局部坐标系和全局坐标系之间的变换矩阵,实现了任意坐标系下计算边界合力和边界合力矩的功能。在实际分析过程中,当机械部件边界数量较大时,原有软件的边界受力分析过程消耗大量时间,影响软件的分析效率,所以本文分析并优化了边界受力文件的保存过程,通过减少冗余保存操作,显著提升了软件分析边界受力的速度。原有软件在仿真流体计算时要求流体必须一直存在,不能自由设置流体的加载时刻,导致软件仿真流体的应用范围较小。在后续改进工作中,本文添加了软件对流体仿真的定时加载功能,允许用户设置流体的开始加载时刻和流体的持续运动时间,大幅提高了CFD仿真计算功能的灵活性。鉴于在玉米脱粒过程中,部分脱粒机械工作时使用气力清选等技术,所以本文为仿真玉米脱粒过程也添加了流体计算功能,通过将玉米颗粒近似看作球体,结合仿真流体与球颗粒耦合运动的方法,实现了玉米脱粒过程的DEM-CFD耦合计算功能。在软件开发后期,维护代价越来越高昂,考虑到微软提供的动态链接库技术能辅助代码模块化设计开发工作,减少开发人员的重复性劳动,有利于后期项目维护,所以本文采用动态链接库技术对CFD仿真计算模块进行封装,提升仿真软件的开发效率,并降低了不同模块之间的冲突。针对以上改进工作,本文设计了多组对应测试用例。考虑到玉米果穗模型的分段构造特点,本文分别测试了单段玉米果穗,完整玉米果穗和单独玉米籽粒的仿真计算过程,测试结果表明:DEM-CFD耦合仿真玉米脱粒过程时,玉米颗粒的运动轨迹会受到流体作用力而发生偏转,单独玉米籽粒掉落到边界后,也没有出现不停抖动乱飞的现象;CFD定时加载功能限定颗粒只在流体加载时间内受到流体作用力,其它时间段内颗粒只受重力和碰撞产生的接触力影响;分析边界受力时,通过设置多组不同的局部坐标系,可以将边界受力变换到任意方向,并求解该方向下的边界力矩。根据以上测试结果,说明改进后的脱粒软件能够更加准确的模拟玉米脱粒过程,对仿真结果的机械部件性能分析能力也显著提高。

关键词：离散元法计算流体动力学玉米脱粒 DEM-CFD耦合动态链接库边界力矩

基于纵轴流开式玉米脱粒装置的优化设计与试验

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河南农业大学学报 2024年

作者：张红梅胡经营何勋屈哲杨立权李世龙刘冰杰张静河南农业大学机电工程学院平顶山学院河南省超声技术应用工程研究中心

【目的】解决现阶段玉米籽粒收获过程中籽粒破碎率和未脱净率高的问题，满足黄淮海地区玉米籽粒收获的要求。【方法】设计了纵轴流开式玉米脱粒装置，搭配钉齿式脱粒元件，将其按螺旋等间距排列的方式分布在辐条上。通过EDEM软件对脱粒... 详细信息

【目的】解决现阶段玉米籽粒收获过程中籽粒破碎率和未脱净率高的问题，满足黄淮海地区玉米籽粒收获的要求。【方法】设计了纵轴流开式玉米脱粒装置，搭配钉齿式脱粒元件，将其按螺旋等间距排列的方式分布在辐条上。通过EDEM软件对脱粒装置进行仿真分析，确定较佳的滚筒转速参数。以滚筒转速、喂入量、含水率为试验因素对脱粒装置进行单因素试验，得到较优的参数组合：滚筒转速350 r·min-1、喂入量8 kg·s-1、含水率25.9%±1%。【结果】正交试验确定了影响的主次因素先后依次为含水率、滚筒转速、喂入量。当滚筒转速为400.00 r·min-1、喂入量为8.66 kg·s-1、含水率为15.90%时，破碎率为3.99%、未脱净率为0.39%，脱粒装置台架验证试验得出该参数组合下破碎率和未脱净率分别为4.27%和0.51%，其中破碎率与理论优化值相差0.28%、未脱净率与理论优化值相差0.12%，试验结果与理论优化值非常接近。【结论】符合国家玉米籽粒直收的标准要求，为玉米籽粒收获机的研制提供了理论依据和新的研究思路。

关键词：玉米脱粒开式脱粒装置钉齿结构

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纵轴流玉米脱粒分离装置设计与试验

农机化研究 2022年第2期44卷 58-66页

作者：宋志才刁培松陈美舟苗河泉徐广飞王建祥山东理工大学农业工程与食品科学学院山东淄博255049 山东农业工程学院济南250100

针对黄淮海地区籽粒直收时籽粒损伤严重及未脱净率高的问题,结合现有的玉米脱离分离装置的特点,设计了一种纵轴流式变径变间距玉米锥形脱粒滚筒,以及利用可调节双头拉杆调节工作倾角的脱粒分离装置倾角调节装置。设计了脱粒元件在锥形... 详细信息

针对黄淮海地区籽粒直收时籽粒损伤严重及未脱净率高的问题,结合现有的玉米脱离分离装置的特点,设计了一种纵轴流式变径变间距玉米锥形脱粒滚筒,以及利用可调节双头拉杆调节工作倾角的脱粒分离装置倾角调节装置。设计了脱粒元件在锥形滚筒的安装位置及排列方式,分析了脱粒元件与籽粒接触的脱粒动力学过程,并查阅相关文献确定了脱粒装置关键参数分别是滚筒转速、喂入量及脱粒分离装置倾角,确定了籽粒破损率和未脱净率两种指标为判断影响因素的主要指标。通过Design-Expert10.0软件进行二次回归正交旋转中心组合试验分析,结果表明:最优参数组合为脱粒分离装置倾角2°、滚筒转速404.7r/min、喂入量6kg/s。验证试验结果表明:籽粒破损率平均值为3.25%、未脱净率平均值为0.66%,试验所得最佳工作参数组合结果与优化结果基本吻合,并且满足玉米脱粒的相关国家标准要求。

关键词：玉米脱粒变径变间距锥形脱粒滚筒受力分析脱粒分离装置倾角

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含水率对玉米脱粒性能影响的试验研究

农机化研究 2014年第2期36卷 153-156页

作者：曲宏杰张道林杨廷文许振冻山东理工大学农业工程与食品科学学院山东淄博255049

为分析含水率对玉米脱粒的影响,针对破碎率及脱粒能耗两个因素进行了分析研究。以郑单958号为研究对象,使用5TY-32-85型玉米脱粒机做了一系列试验,得出了含水率与破碎率和脱粒能耗的关系。结果表明,玉米籽粒含水率为18.3%时,破碎率最低... 详细信息

为分析含水率对玉米脱粒的影响,针对破碎率及脱粒能耗两个因素进行了分析研究。以郑单958号为研究对象,使用5TY-32-85型玉米脱粒机做了一系列试验,得出了含水率与破碎率和脱粒能耗的关系。结果表明,玉米籽粒含水率为18.3%时,破碎率最低;玉米籽粒含水率越低,脱粒能耗越小。该结论为实现玉米籽粒的联合机收提供了理论依据。

关键词：玉米脱粒含水率能耗破碎率

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影响玉米脱粒性能的因素分析与研究

农机化研究 2015年第1期37卷 188-191页

作者：相茂国张道林李春宁卜令昕崔萌山东理工大学农业工程与食品科学学院山东淄博255049 福田雷沃国际重工股份有限公司山东潍坊261206

针对我国玉米收获时籽粒含水率较高，不能直接脱粒收获的关键问题，通过单因素试验，分析了影响玉米籽粒破碎率和未脱净率的主要因素-籽粒含水率和脱粒速度等。利用Origin软件进行数据拟合并绘图，得出含水率和脱粒速度与破碎率、未脱... 详细信息

针对我国玉米收获时籽粒含水率较高，不能直接脱粒收获的关键问题，通过单因素试验，分析了影响玉米籽粒破碎率和未脱净率的主要因素-籽粒含水率和脱粒速度等。利用Origin软件进行数据拟合并绘图，得出含水率和脱粒速度与破碎率、未脱净率的关系。试验数据表明，适合玉米脱粒的籽粒含水率为13．9％-27．6％，当含水率为18．3％时，籽粒破碎率最低；满足玉米脱粒条件的脱粒线速度为2．99—7．77m／s，当线速度为5．04m／s时脱粒效果最佳。

关键词：玉米脱粒籽粒含水率线速度破碎率

单纵轴流玉米脱粒试验台及其控制系统设计与研究

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单纵轴流玉米脱粒试验台及其控制系统设计与研究

作者：刘林鹤吉林大学

学位级别：硕士

玉米的机械化收获程度直接影响玉米的产量与收获质量。在收获过程中采用玉米籽粒收获机可以大幅提高玉米收获效率、减少动力消耗。因此生产适合我国的玉米籽粒收获机具有重要的意义。只有先进行玉米脱粒试验台的设计与研究,才能很好的... 详细信息

玉米的机械化收获程度直接影响玉米的产量与收获质量。在收获过程中采用玉米籽粒收获机可以大幅提高玉米收获效率、减少动力消耗。因此生产适合我国的玉米籽粒收获机具有重要的意义。只有先进行玉米脱粒试验台的设计与研究,才能很好的将脱粒过程在玉米籽粒收获机上实现。为了提高我国的玉米籽粒收获机的技术水平,本文在现有研究基础上设计了一种适用于玉米籽粒收获的单纵轴流玉米脱粒试验台,并进行了试验台配套控制系统的软硬件研究工作,本文的主要工作如下:(1)单纵轴流玉米脱粒试验台机械结构设计。设计了单纵轴流玉米脱粒试验台上的脱粒滚筒等主要机械部件及主要可调参数部分的机械调节结构。主要包括:脱粒滚筒整体设计、脱粒元件设计、滚筒倾角调节机械结构设计、脱粒间隙调节机械结构设计、凹板与盖板设计和机架设计,计算整体脱粒过程消耗功率并在此基础上选择合适电机。(2)脱粒试验台控制系统硬件设计与研究。选取合适的单片机、驱动芯片、步进电机等元件设计配套控制系统的硬件部分。主要包括:单片机与接口电路设计、转速调节电路设计、倾角调节电路设计、间隙调节电路设计、显示器电路设计、稳压电路设计等。在电路设计的基础上制作印刷电路板并进行元件焊接,完成控制系统硬件电路制作。(3)脱粒试验台控制系统的算法设计与软件设计。设计的脱粒试验台控制系统算法与软件部分主要包括:籽粒破碎率信号采集算法与软件设计、转速调节算法与软件设计、倾角调节算法与软件设计、间隙调节算法与软件设计、显示算法与软件设计,并在Keil软件上应用C语言实现上述算法。(4)脱粒试验台控制系统的试验验证与实物验证。完成上述硬件与软件的设计工作后,进行控制系统的试验验证,并在试验室条件下对试验过程中可能出现的多种参数进行控制系统验证,经过验证发现本文对控制系统的软硬件和算法的设计均符合要求。可以实现当籽粒破碎率不满足低于5%的要求时,转速在420r/min020r/min,间隙在30mm0mm,倾角在5°5°范围内的调节工作。在进行实物验证的过程中,试验台运行状态平稳,可以完成规定参数的调节工作,符合本文所完成的控制系统调节要求。本文设计了单纵轴流玉米脱粒试验台,并对其进行试验研究;开发了应用于该试验台的软硬件控制系统,并通过试验对该控制系统进行了验证,为后续单纵轴流玉米脱粒试验台的研究工作奠定了基础。

关键词：农业机械玉米脱粒单纵轴流试验台控制系统

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一种新型玉米脱粒、玉米芯粉碎一体机的设计

南方农机 2022年第20期53卷 63-65,68页

作者：汪东洋朱兴蕴刘春雨李超房明峰王凤娟齐齐哈尔大学机电工程学院黑龙江齐齐哈尔161006

我国的玉米处理机械发展进程缓慢,这导致了玉米资源浪费等一系列问题。基于国内玉米加工处理机械落后、无法充分发挥玉米资源价值的现状,本团队设计了一种新型玉米脱粒、玉米芯粉碎一体机。仿真结果表明,该装置解决了玉米脱粒不完全的问... 详细信息

我国的玉米处理机械发展进程缓慢,这导致了玉米资源浪费等一系列问题。基于国内玉米加工处理机械落后、无法充分发挥玉米资源价值的现状,本团队设计了一种新型玉米脱粒、玉米芯粉碎一体机。仿真结果表明,该装置解决了玉米脱粒不完全的问题,提供了玉米芯加工处理的新方式,使玉米被充分利用,同时实现了玉米脱粒与玉米芯粉碎的自动一体化处理。该一体机极大地减少了作业强度和占地空间,提高了玉米采收利用效率,节能环保,对于玉米加工处理及玉米产业发展具有重要的意义,为我国智慧农业的发展提供了一种可靠性思路。

关键词：玉米脱粒玉米芯加工玉米处理机械

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玉米籽粒直收机板齿式脱粒装置设计与试验

吉林大学学报（工学版） 2023年第11期53卷 3281-3292页

作者：耿端阳孙延成王宗源王其欢明家锐杨昊霖徐海港山东理工大学农业工程与食品科学学院山东淄博255022 山东时风(集团)有限责任公司山东聊城252899

为满足黄淮海地区较高含水率玉米籽粒直收作业要求,解决现有玉米系列直收过程中易出现籽粒损伤和未脱率高的问题,结合黄淮海地区玉米收获特点,设计了脱粒齿板与脱粒凹板螺旋分布的板齿式脱粒滚筒,以及结合圆管栅格脱粒凹板的板齿式纵轴... 详细信息

为满足黄淮海地区较高含水率玉米籽粒直收作业要求,解决现有玉米系列直收过程中易出现籽粒损伤和未脱率高的问题,结合黄淮海地区玉米收获特点,设计了脱粒齿板与脱粒凹板螺旋分布的板齿式脱粒滚筒,以及结合圆管栅格脱粒凹板的板齿式纵轴流脱粒装置。对关键部件进行理论分析,确定了影响脱粒性能的主要因素。通过4YZ-6型玉米籽粒直收机进行单因素试验,得到脱粒性能较好时滚筒转速、脱粒间隙、板齿长度的变化范围。以滚筒转速、脱粒间隙、板齿长度为试验因素进行正交试验,确定了较优的参数组合:滚筒转速为350 r/min,脱粒间隙为53 mm、板齿长度为100 mm。在该条件下,玉米果穗的籽粒破碎率为2.73%,未脱净率为0.41%,符合国家相关标准。

关键词：农业工程玉米脱粒脱粒元件板齿结构籽粒直收

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高含水率玉米单纵轴流板齿脱粒装置技术研究

高含水率玉米单纵轴流板齿脱粒装置技术研究

作者：王贺吉林大学

学位级别：硕士

玉米是我国的第一大粮食作物,在我国经济发展中起到不可替代的作用,目前,我国正处在由玉米果穗收获转变为籽粒直收的关键阶段。脱粒过程是玉米籽粒直收过程中最重要的工序,在脱粒过程中,脱粒滚筒、凹板等机械部件对玉米果穗进行击打、... 详细信息

玉米是我国的第一大粮食作物,在我国经济发展中起到不可替代的作用,目前,我国正处在由玉米果穗收获转变为籽粒直收的关键阶段。脱粒过程是玉米籽粒直收过程中最重要的工序,在脱粒过程中,脱粒滚筒、凹板等机械部件对玉米果穗进行击打、搓擦使其脱粒,而玉米含水率的大小会影响玉米果穗及其籽粒的物理力学特性,进而影响玉米收获的脱净率和损伤率,掌握田间玉米含水率的变化趋势及不同含水率下玉米籽粒的物理力学特性,对我们设计制造脱粒装置具有重要意义。本研究进行了收获期玉米物理力学特性试验,分析脱粒机理,对课题组开发的纹杆式脱粒滚筒进行田间试验与仿真分析,通过对比二者数据验证仿真分析软件具有分析脱粒性能的可行性,在此基础上,对开发设计的单纵轴流板齿式脱粒装置进行仿真分析,得到最优结构参数,主要内容如下:（1）进行了高含水率玉米物理力学特性研究。对先玉335和飞天358品种玉米收获期含水率进行监测,测定两品种玉米果穗几何尺寸,籽粒千粒重、体积和密度。对两品种玉米籽粒在平放、立放和侧放三种放置状态下的抗压特性进行探究,获得玉米籽粒抗压特性随含水率的变化规律。测定玉米籽粒在不同籽粒支撑条件下,分别从轴向和切向施力时最小脱离力的变化情况,为设计单纵轴流脱粒分离装置结构参数和后续仿真分析提供数据支撑。（2）分析了单纵轴流脱粒装置的脱粒机理及通过对比田间与仿真试验数据验证仿真软件可靠性。以单纵轴流脱粒装置为例进行脱粒过程和脱粒机理的分析,说明了在脱粒过程不同阶段玉米果穗的主要存在形式。建立Hertz接触理论模型分析玉米籽粒与脱粒元件碰撞时,影响籽粒破损临界速度的因素。对课题组开发的纹杆式脱粒滚筒进行田间单因素试验,并利用吉林大学于建群教授课题组研发的AgriDEM仿真软件进行相同工作参数下的仿真试验,通过对比数据验证仿真分析软件可靠性,可以用于分析脱粒装置的脱粒性能。（3）开发设计了一种板齿式单纵轴流脱粒分离装置。主要设计了一种弹性板齿式脱粒元件,并在分离段采用与钉齿混合的方式,提高脱粒效率。对板齿式单纵轴流脱粒分离装置各部分结构参数进行设计与分析,确定滚筒长度、直径、螺旋喂入头数及叶片升角等参数,凹板筛采用外径16mm、厚度3mm的圆形钢管结构,提高装置脱粒分离性能。顶盖包角180°,导流板螺旋升角30°,以期达到高含水率玉米的高效低损脱粒性能。（4）对开发设计的板齿式单纵轴流脱粒分离装置进行了脱粒性能的仿真分析。利用AgriDEM仿真软件对开发设计的脱粒装置进行仿真分析,以滚筒转速、脱粒间隙和喂入量三个参数为试验因素进行三因素三水平正交试验仿真,建立玉米果穗脱净率和籽粒损伤率的二次回归模型,通过响应面分析法得到当三个试验因素分别处于零水平时,另外两因素变化对单纵轴流脱粒分离装置脱粒性能的影响大小和试验指标的变化趋势,最优工作参数组合为在滚筒转速39.35rad/s、脱粒间隙41.15mm、喂入量8.1kg/s的条件下,玉米果穗脱净率为95.89%,籽粒损伤率为3.07%,为后续提高板齿式脱粒分离装置脱净率、降低损伤率的试验研究提供数据参考。

关键词：玉米脱粒高含水率脱粒装置板齿仿真分析