玉米颗粒与钢板间滚动摩擦系数对颗粒堆内接触力影响研究

玉米颗粒与钢板间滚动摩擦系数对颗粒堆内接触力影响研究玉米颗粒的力学特性参数是玉米加工机械设计和分析的基础数据,目前难以直接通过物理试验的方法得到不规则玉米颗粒滚动摩擦系数的准确值,而其参数的准确性直接影响分析结果的真实性和有效性。本文采用数值模拟结合物理试验的方法探究颗粒在自由堆积过程中,不同形状玉米颗粒与镀锌钢板间滚动摩擦系数对颗粒堆接触力分布的影响,主要研究内容如下:1)测定了吉单92玉米颗粒的含水率、密度和外形尺寸,并按颗粒的外形尺寸将玉米颗粒分为三类:球形玉米颗粒、锥形玉米颗粒和矩形玉米颗粒。

2)利用自行搭建的农业颗粒物料接触参数测试平台,测定颗粒间以及颗粒与镀锌钢板间静摩擦系数和碰撞恢复系数,其结果表明玉米颗粒间的静摩擦系数和碰撞恢复系数均小于玉米颗粒与镀锌钢板间相应接触参数,其中球形玉米颗粒间静摩擦系数最小(其值为0.251),矩形玉米颗粒间碰撞恢复系数最小(其值为

0.392)。3)以滚动摩擦系数为因素,以物理堆积试验测得的休止角(通过图像处理技术获得)为指标,基于黄金分割法运用EDEM进行模拟颗粒堆积试验,缩小颗粒间及颗粒与镀锌钢板间滚动摩擦系数范围,并建立滚动摩擦系数与休止角的关系方程,对三种形状颗粒间以及颗粒与镀锌钢板间滚动摩擦系数进行标定,确定玉米颗粒形状越不规则其滚动摩擦系数越大,其中锥形玉米颗粒间滚动摩擦系数最大(其值为0.1035),并通过物理试验对比验证标定值准确。

4)在上述研究基础上,利用EDEM离散元软件,对三种形状玉米颗粒混合物在镀锌钢板上堆积过程进行了模拟单因素试验,分析了三种形状玉米颗粒与镀锌钢板间滚动摩擦系数对颗粒堆内接触力及分布的影响。试验结果表明随滚动摩擦系数的增加,颗粒与基底法向和切向接触力平均值均先增加后逐渐趋于定值(0.005

N、0.0015 N),强力环半径近似线性减小,颗粒与基底强接触力所占百分比不变。

5)以玉米颗粒与基底法向、切向接触力的平均值和强力环半径为指标,进行三因素五水平二次正交旋转组合模拟试验,运用Design-Expert 8.0.6软件进行数据处理,基于结合响应曲面法对试验结果进行分析。获得随玉米颗粒与镀锌钢板间滚动摩擦系数的增加,玉米颗粒与基底间法向和切向接触力的平均值均先增大后趋于稳定,而其强力环半径均先增加后减小。

本文进一步完善了对不规则形状农业颗粒物料力学特性的分析,并可为粮仓设计和结构优化提供理论参考。