小型种植大蒜机(离散元法如何优化大蒜种植机计量装置的桶尺寸？)

文|浮生talk

编辑|浮生talk

«——【·前言·】——»

本研究采用离散元法优化大蒜种植机计量装置的桶形尺寸，根据大蒜的尺寸来提高大蒜种植的产量。综合了大蒜丁香实际形状的统计资料，利用体积密度、滑动试验和休息角试验确定了大蒜的力学性能，以提高模拟模型的保真度。

利用建立的三个大蒜组的离散元素模型，确定了达到97.5%目标植株率的最佳桶径。采用线性搜索法进行优化，进行批处理仿真，验证优化结果，确定计量装置的性能指标。基于统计信息的高斯分布解释了每株大蒜的不同尺寸。

分解图

最后，计量测试验证了该优化技术的可靠性。所有性能指标的模拟结果与试验结果的差异在10%以内，包括缺株率、多株率和种植率，表明分析模型的高可靠性。

随后，较大的大蒜群体表现出计量性能接近目标植株率，显示分析模型的高可靠性。

群体分解平面图

«——【·大蒜种植机械化相关介绍·】——»

联合国已将零饥饿确定为到2030年实现的可持续发展目标之一。因此，全球对提高农业生产率的兴趣日益增长。大蒜是典型的这种作物，是一个典型的例子；大蒜种植特别艰苦，大蒜种植需要很多的人力。

大蒜种植机械化可以缓解人力短缺，提高每小时种植率，更好的提升大蒜的总体产量。在解决大蒜种植机计量装置的优化设计问题，以提高大蒜种植的效率和产量。大蒜种植不仅需要很多的人力而且还需要很多的技术，机械化种植可以节省更多的人力资源，并提高种植率和总产量。

蒜子

计量装置是大蒜种植机的重要组成部分，对于控制植株缺失和多株种植率起着重要作用。

大蒜种植机可根据其动力源进行分类，并可分为自行式和拖拉机式。它们也可以根据要种植的大蒜丁香的姿势进行分类，其次是土壤覆盖和覆盖。

计量装置是大蒜种植机的重要组成部分，它在控制缺少的植株和多株种植率方面发挥着重要作用。

蒜子尺寸

研究中使用了实验和模拟方法进行大蒜种植机的性能分析，通过产量比较试验，确定了种植角度和种植深度对大蒜生长的影响，并找到了最佳的种植角度和深度。

另外，利用实验方法测定了计量装置的损失率，并发现桶的尺寸对性能有显著影响。为了克服实验方法的局限性，研究还采用了模拟方法来预测大蒜种植机的性能。

计量装置

通过开发计算机辅助设计(CAD)模型和多体动力学模型，根据大蒜丁香的尺寸确定了计量装置的最佳桶径。然而，模拟模型并没有针对确定的最佳桶径进行验证。

因此，在本研究中，研究人员开发了一个高保真度的离散元模型，并将大蒜的实际形状纳入模型中，以确定计量装置的最佳尺寸。

通过优化方法找到最优解，并进行了计量模拟和实际测试验证。研究结果表明，优化技术在实际种植运行中几乎满足目标产量，可为其他作物的计量装置优化提供参考。

计量装置尺寸

«——【·实验的材料与方法·】——»

本研究利用3dCAD模型为三个大蒜大小组中的每个组创建了一个三维网格模型。随后，通过体积密度测量、滑动试验和静止角试验确定了离散单元模型参数。

利用所建立的离散元模型确定了每组桶的最优尺寸，然后进行了实际的计量实验，验证了优化方法的有效性.

实验数据记录

1.计量装置工作原理

指型斗式计量装置是固定在链条上的指型桶，该装置的动力来自连接到种植机支撑轮的下链轮，当车辆前进时，由于地面的摩擦力，下链轮顺时针方向旋转。

吊桶与链轮同步移动，从携带区的料斗中收集大蒜丁香，并将其运输到种植区。桶的大小根据桶引导器的设置确定，多余的大蒜丁香在分选区落回漏斗。

蒜子称重

未落下的大蒜会沿着链轮的节径旋转，并在桶移动时进行180度相移。当相移时，重力会导致大蒜掉入指型桶的后方，然后通过自由下降种植到地面。

吊桶的尺寸根据吊桶引导器的设置角度变化。吊桶的尺寸可以定义为吊桶轨迹与吊桶引导器之间的最小距离。当放置的大蒜的重心以一定的距离超过桶轨迹时，大蒜会受到其重量的影响。

2.三维网格建模

监测蒜的重心

在这次调查中，我们使用了来自寒冷的乌塞地区的大蒜作为目标大蒜，与IME等人使用的样品相同。过分精细的节点需要大量的计算，分析时间可以指数地增加。因此，选择适当数量的节点是至关重要的。

本研究中使用的大蒜丁香三维CAD模型测量160个大蒜样本的高度和长度，并根据统计结果建立了一个三维CAD模型来表示每个群体的形状。在计量工作中，机械振动使大蒜丁香与指型桶平行，大蒜丁香的长度决定其重心的位置。在此基础上，根据高斯分布对平均模型进行了放大和缩小，以测试不同大蒜尺寸的最佳桶形尺寸。

测量蒜的角度

在构建离散单元模型时，有必要将一个网眼定义为大蒜和种植过程中它们接触的机械装置的计算节点。

3.德国马克参数测定

确定精确反映实际大蒜的力学性能的离散元素参数是至关重要的，以确保离散元素模型的高精度。这些参数包括反映颗粒本身机械特性的特性。我们还确定了丙烯酸和大蒜相互作用的参数，以校准休息角。

蒜堆角度

大蒜的体积密度是用丙烯酸圆柱体直接测量的。但由于这种对皮的保存导致了真正密度的显著差异。大蒜和皮之间的间隙导致过高估计丁香的体积，从而导致测量不精确。

我们提出的杨氏模量和泊松比的数值，通过滑动试验测定钢大蒜和丙烯酸大蒜之间的静态摩擦系数和摩擦角，通过休息角校准确定了大蒜与大蒜静摩擦系数。

实验数据图

4.德国国防部联系模式

这项研究采用了沃尔顿和布劳恩提出的滞滞线性弹簧模型计算正常方向的接触力，并且利用线性弹簧库仑极限模型计算切向接触力。

这个模型被归类为一个弹性，摩擦模型；纯弹性接触的切向力用方程和计算，而最后切向力用方程。

这个步骤是必要的，因为切向接触力不得超过库仑摩擦力。

摩擦模型

5.利用计算机数据管理进行吊桶尺寸优化

建立了一个模拟模型，以优化计量装置的桶尺寸的商业软件ANSYS岩石为德国。由IME等人提出的斗斗优化方法。

用这个方法来确定每个组的最佳吊桶尺寸。大蒜尺寸与最佳桶尺寸之间存在线性关系，采用顺序搜索方法通过线性减小桶尺寸来优化设计参数。因此，最好确定满足目标植株速率的最小桶尺寸。

实验演示

6.利用数字管理软件进行计量模拟

计量装置的桶形尺寸设置为较早获得的最佳值，下链轮在30分钟内旋转，与实际操作条件相同。

大蒜丁香计量模拟模型是基于大蒜丁香形状的统计信息，并采用了平均模型。对于各种尺寸的大蒜丁香模型，

根据高斯分布进行放大或缩小，并随机放置在料斗中，对各种尺寸进行计量模拟。该软件提供了一种比例分布方法，可在获得平均值和标准差信息时考虑不同尺寸大蒜丁香形态统计信息的定义高斯分布的基础上提供的值。

大蒜丁香模型

7.计量实验

利用实际计量装置进行了实际计量实验，验证了离散元分析模型和优化技术的可靠性。从每组中选出50个大蒜丁香，用最优桶径作为计量模拟，用链轮在30分钟内旋转进行计量试验。

试验验证了植株速率、多株速率(M)和缺株速率，为保证试验结果的可靠性，重复了五次。将每个结果的平均值与仿真结果进行比较，验证了优化方法。

大蒜最佳桶尺寸

«——【·实验的成果与讨论·】——»

1.吊桶尺寸优化与计量模拟

本研究的目的是在最不利的计量条件下，通过初步定位大蒜丁香模型，优化计量装置的桶形尺寸。然后，通过使用顺序搜索法逐步减小桶的尺寸来确定最优解。

设计参数间隔设置在0.1°，用户可以调整以确保系统的适用性。优化过程表明，最佳桶径随大蒜丁香的尺寸增加而增加，为了验证优化结果的准确性，对计量工作进行了批量仿真，以提高计量性能结果的可靠性。

实验数据

为了验证优化结果的准确性，对计量工作进行了批量仿真.当通过顺序搜索法获得最佳桶径时，对每组不同尺寸的大蒜进行了最佳设置计量模拟。

结果如下：第1组进行了大约40次计量操作，第2组37次，第3组43次，以提高计量性能结果的可靠性。

2.实验结果

为了验证桶径优化技术，实际进行了计量测试。在与分析模型相同的条件下进行了试验，包括斗径和转速，通过仿真验证了优化过程.每组共使用50个大蒜丁香进行5次试验，以提高试验结果的可靠性。

实验演示

结果表明，除第1组外，其他所有组均接近97.5%的目标植株速率。此外，证实1组多株速率为1.47%，2组速率为2.85%，3组速率为0.49%。

这些结果表明，与我们的测试结果相比，计量性能显著提高。

本研究采用的桶径优化技术将大蒜丁香的长度作为唯一的独立变量，而不是桶宽的影响。结果表明，模拟结果和测试结果均显示出测量性能差，通过对分析结果和试验结果的比较，确定了该分析模型对实际计量装置计量性能的预测，在所有性能指标的10%之内。

实验数据

«——【·笔者观点·】——»

本研究以各种大蒜丁香的尺寸为指标，利用该方法对大蒜种植机的桶径进行了优化。为了提高分析模型的精度，采用三维网眼结合大蒜丁香的实际形状，通过不同的试验，如休息角试验和滑动试验，发现大蒜的力学性能。

随后，利用基于该模型的顺序搜索方法，确定了三个大蒜尺寸组的最佳桶径。进行了计量模拟，验证了优化值，并在相同条件下进行了物理测试，以保证优化技术的可靠性。这项研究的主要结论归纳如下。

实验结果对比

通过休息角试验进行校准，以确定大蒜-大蒜摩擦系数。结果表明，当大蒜-大蒜摩擦系数为0.46时，模拟模型和试验得到了相同的静止角。

蒜田

为了达到97.5%的目标计量率，进行了桶尺寸优化。随后，确定第1组的最佳桶型尺寸为16.11毫米，第2组为22.75毫米，第3组为23.64毫米。

蒜

为了验证所确定的最佳桶型尺寸的可靠性，进行了计量模拟，结果表明，第一组的植株率为90.44%，第二组为97.97%，第三组为94.95%。结果表明，2组和3组的播种率接近97.5%的目标值。

为了验证优化方法的可靠性，在相同的条件下进行了实际计量测试。

打蒜

通过对计量性能的比较，确定所有计量性能的差异小于10%。值得注意的是，在第二组和第三组，计量性能的差异在2.8%以内，从而确认了优化技术的可靠性。

大蒜的丁香宽度相对较窄，导致重叠现象。因此，计量性能预测的精度较低，计量性能不如第二组和第三组。

蒜田

采用德国马克来确定每个大蒜组的最佳桶径，在实际计量工作中，最佳桶径得到了接近满意的目标植株率。此外，拟议的方法使各种农具具有类似机制的最佳设计成为可能。

值得注意的是，本研究仅考虑在桶型桶优化过程中手指型桶的长度，而没有考虑宽度。

结果，第2组和第3组达到了目标植株生长率，而第1组没有达到目标。未来的研究将通过纳入宽度和桶的尺寸来提高优化的完整性。

蒜

«——【·参考文献·】——»

1.李加，《用离散元件法分析大蒜收割机滚筒对大蒜球的冲击力》。

2.于羊，《基于高速摄影的蒜球恢复系数的实验测定》。

3.陈杰，《用数值模拟法研究颗粒形态学对粗装配体休息角的影响》。

4.沃尔顿，《非弹性摩擦盘剪切组件的粘度、颗粒温度和应力计算》。