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第 29 卷 第 15 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.15 34 2013 年 8 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug. 2013 基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真 崔 涛，刘 佳，杨 丽，张东兴，张 瑞，蓝 薇 （中国农业大学工学院，北京 100083） 摘 要：玉米种子的滚动摩擦系数是排种器设计计算和仿真分析的重要依据，但其测量目前尚无成熟的理论与方 法。该文基于能量守恒原理，借助高速摄像技术对玉米种子与有机玻璃、镀锌钢板以及玉米种子间的滚动摩擦特 性进行了试验研究，得到玉米种子与有机玻璃、镀锌铁板以及玉米种子间的滚动摩擦系数分别为 0.0931、0.0531 和 0.0782。通过玉米种子休止角试验和离散元分析软件 EDEM 仿真结果的对比，对所得试验数据进行了验证，结 果表明所得数据准确性较高，可为排种器的设计计算与仿真分析提供理论依据。 关键词：种子，试验，仿真分析，摩擦，高速摄像，EDEM，玉米 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.15.005 中图分类号：S513 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-15-0034-08 崔 涛，刘 佳，杨 丽，等. 基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真J. 农业工程学报，2013， 29(15)：3441. Cui Tao, Liu Jia , Yang Li, et al. Experiment and simulation of rolling friction characteristic of corn seed based on high-speed photographyJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(15): 3441. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 精量排种器工作的主要目的是将单粒种子从 种群中分离出来并实现单粒排种，所经历的充种、 清种、护种、投种等阶段都与种子的运动和受力状 态密切相关。因此排种器的参数设计和理论研究的 一个重要手段就是对种子运动规律进行分析。种子 的三维外形尺寸和形状特征在很大程度上决定了 排种器特别是排种盘及其型孔的主要结构参数。而 其物理力学特性参数则对其运动及受力规律的研 究和离散元仿真分析至关重要，也是排种器设计的 基本依据。 玉米种子作为一种散粒体物料，具有一些与一 般固体、液体、气体不同的特性1-3。其物理力学特 性包括泊松比、剪切模量和密度，及其与接触材料 之间的碰撞恢复系数、静摩擦系数和动摩擦系数 等。其中动摩擦分为滑动摩擦（sliding friction）与 收稿日期：2013-01-07 修订日期：2013-07-16 基金项目：玉米机械化生产工艺与装备系统优化研究与示范项目 （ 200903059 ）；“ 十 二 五 ” 国 家 科 技 支 撑 计 划 资 助 项 目 （2011BAD20B09） ； 国家现代玉米产业技术体系建设项目 （CARS-02） ； 农业部土壤机器植物系统技术重点实验室资助项目。 作者简介：崔 涛（1985） ，男，河南人，博士生，主要从事农业机 械装备与计算机测控研究，北京 中国农业大学工学院，100083。 Email: cuitao850919 通信作者：杨 丽（1975） ，女，湖北人，副教授，主要从事农业 机械装备与计算机测控研究，北京 中国农业大学工学院，100083。 Email: yl_hb86 滚动摩擦（rolling friction），由于滚动摩擦情况较 复杂、无成熟的仪器及方法进行测量，现有研究大 部分讨论的都是指滑动摩擦。如杨明芳4曾就含水 率、载荷、相对运动速度与接触材料对玉米种子滑 动摩擦系数的影响进行测试研究。 但滚动摩擦现象在玉米种子与排种器以及种 子之间的相互作用中却是不容忽视的。若要采用离 散元分析软件 EDEM 对玉米种子进行颗粒的运动 受力分析也需要知道玉米与接触几何材料间的滚 动摩擦系数。因此，对玉米种子滚动摩擦特性的研 究十分必要。 当一个物体在另一物体表面作无滑动的滚动 或有滚动的趋势时，由于两物体在接触部分受压发 生形变而产生的对滚动的阻碍作用，叫“滚动摩 擦”。滚动摩擦一般用阻力矩来量度，其力的大小 与物体的性质、表面的形状以及滚动物体的质量有 关5-6。 对滚动摩擦的研究和滚动摩擦系数的计算一 直都在摩擦学范围内受到普遍关注，但由于问题的 复杂性又较多回避的问题7-12。汪志城13曾指出古 典动摩擦定律的局限性，并从摩擦学观点对滚动摩 擦机理进行了探讨。将试样材料制作为圆柱体在 M-200 型摩擦磨损试验机上进行了滚动摩擦因系数 的测量，通过数学模型与试验数据的对比，最后认 为滚动摩擦系数还须靠实测确定。郭建廷14也讨论 了滚动摩擦力的产生机理及计算方法，利用能量理 第 15 期 崔 涛等：基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真 35 论导出了不同材质及相同材质滚动副的滚动摩擦 系数和滚动摩擦阻力系数计算公式。通过试验验证 发现试验值都大于理论值，但基本规律是一致的。 文中的试验是用 2 个直线滚子轴承，在 YE-200 液 压压力试验机上进行。 由于玉米种子外形特征和大小的限制，上述文 献中提及的试验方法无法应用到玉米种子滚动摩 擦系数的测量上。而林榕15提出了一种基于能量和 物体形变的滚动摩擦系数试验方法。其主要思想是 一铁球沿倾斜铁轨滚下，在铁轨底端固定一黏性材 料，球与黏性材料发生完全弹性碰撞；黏性材料的 形变量与球的动能成正比。通过测量弹性材料的形 变，经一系列换算得到材料间的滚动摩擦系数。这 种利用能量守恒求得滚动摩擦系数的方法简便易 行，但由于一粒玉米种子的质量太小，难以令弹性 材料产生形变，而且测量形变的误差也较大。因此 本研究在此方法的基础上提出一种利用高速摄像 技术测定滚动摩擦系数的新方法，测量玉米种子的 滚动摩擦系数，并采用仿真手段对试验结果进行了 验证。 1 材料与方法 1.1 基本理论 设一个质量为 m，半径为 r 的小球在力 P 的作 用下做匀速纯滚动。球体在滚动时受到滚动摩擦力 的作用，如图 1 所示。 注：P 为推力，N；G 为重力，N；R 为 B 点合力，N；r 为半径，N；C 为球心；d 为 B 点与经过 C 点的垂线的距离，m； 为 CB 两点连线与 垂线夹角，()。 Note：P is thrust, N; G is gravity, N; R is the resultant force in point B, N; r is the radius of sphere, N; C is the centre of sphere; d is the distance between point B and the vertical point C, m; is the angle between point C-point B and vertical, ()。 图 1 球体受滚动摩擦受力示意图 Fig.1 Rolling friction force diagram 设接触面在 B 点处对球作用的合力为 R，小球 做匀速滚动时，由力矩平衡方程满足式（1） cos0PrGd= （1） 式中，为 R 和重力G=mg之间的夹角，()，g为 重力加速度，9.8 m/s2；d是B点到圆心水平方向的 距离，m。 由于很小，cos1， 于是有 d Pmg r =。 合力 R 可以看作是滚动摩擦力 Ffr和接触面对球的 支承力 N 的合力。由于小球匀速滚动加速度为0， 则有0 fr PF=和0NG=，于是得式（2） fr d FN r = （2） 式中，Ffr为滚动摩擦力，N；d r 即是滚动摩擦系数。 当球沿斜面滚下时，斜面对球的支承力 N=mgcos，则 cos fr d Fmg r = （3） 摩擦力所做的功为 cos frfr dmgL WF L r = （4） 式中，L为斜面长，m；为斜面的倾角，()；Wfr 为摩擦力所做的功，J， 也是物体在滚动中所损失的 能量。由能量守恒定律，小球在初始时刻的重力势 能U应该等于小球由静止从斜面最高处滚到最低 处时的动能k和摩擦力所做的功Wfr之和。其中， 重力势能U=mgLsin；k是结束时刻的动能。由 此得到滚动摩擦所造成的能量损失占总能量的比 例Cf为 cot fr k f W UEd C UUr = （5） 式中，Cf与斜面倾角的余切成线性关系，其斜率 d r 就是滚动摩擦系数。通过高速摄影得到种子到达斜 面底端时的瞬时的速度vS(m/s)， 就可求得其此时的 动能 2 1 2 kS Emv=。 将种子放在与水平面成角的导轨上，使其从 一定高度由静止沿导轨滚下，改变角的值，从 1550共8个角度。每个角度重复试验10次，取 平均，得到8组数据。由线性回归方程则可拟合出 f与cot之间的线性关系，直线的斜率即所求的 滚动摩擦系数。 1.2 试验材料 试验用玉米种子为河南农科院种业有限公司 生产的“秋乐”牌郑单958玉米杂交种，千粒质量 为351 g，密度均值为1.197 g/cm3，试验时实测含 水率为12.8%。 首先需在其中选择数颗球度较高的玉米种子， 作为小球（图2）。所选玉米种子的球度和质量的 农业工程学报 2013 年 36 折线图如图3所示。 图 2 选取的类球形种子 Fig.2 Selected spherical corn seed 图 3 所选类球形玉米颗粒球度及质量 Fig.3 Sphericity and mass of selected seeds 本研究中，球度的计算方法为假设颗粒可以用 一个长（l）、宽（b）、厚（t）3个方向的尺寸来 表示的椭球形来等效，外接圆的最大直径就是长度 方向的值，则球度Sp可以用式（6）来表示16。 1/31/3 1/3 2 () 3 /6lbtbtlbt Sp= /6lll = （） （） （6） 式中，l为颗粒最大直径，mm；b为次于l的颗粒 最大直径，mm；t为颗粒最小直径，mm。 据式（6）算得所选球形种子的平均球度为 0.91，标准偏差0.04；平均质量为0.49 g，标准偏 差0.06。同批玉米种子总体平均球度0.74，类球形 种子总体平均球度为0.84，所挑选的种子均为同批 玉米种子中类球度较高者。 另选取部分厚度较一致的长扁形种子并排粘 贴于硬纸板上作为测试种子与种子之间的滚动摩 擦时的导轨材料见图4。 1.3 试验设备 为得到种子与种子之间、种子与有机玻璃之间 和种子与镀锌钢板之间的滚动摩擦系数，利用角钢 搭建了一个简易滚动摩擦试验台架，如图4a所示。 整个试验台架由4根角钢构成，底部水平放置 的角钢与一长一短2根竖直放置的角钢利用螺栓连 接在一起，在调节到预定位置后可相对固定。而倾 斜角钢则固定在2根竖直角钢上作为试验材料导轨 的放置架。通过改变倾斜角钢与2根竖直角钢的相 对固定位置则可改变其倾斜角度到所需要的值。 制作3条导轨， 材料分别为镀锌钢板 （图4b） 、 有机玻璃（图4c）和粘满种子的硬纸板（图4d）， 试验时将材料导轨用双面胶固定在倾斜角钢上即 可。 图 4 滚动摩擦试验台架及材料 Fig.4 Rolling friction test 为避免种子与导轨侧面发生碰撞或摩擦发生 能量损耗，有机玻璃和玉米种子的导轨均为长为 800 mm，宽40 mm的矩形平面，而非凹形导轨。 而镀锌钢板导轨则使用长为800 mm，宽为50 mm 的镀锌角钢。 为增加种子对比度，获得较好的拍摄效果，使 用蓝色硬纸板作为摄像背景。为得到种子运动的实 际距离，并保证所有试验中摄像机与种子运动平面 的垂直距离都能保持一致，在种子的运动平面内放 置丁字尺作为标定。 主要试验设备为美国Vision Research公司生产 的Phantom v9.1高速摄像仪，Nikon公司镜头。图 像处理程序为其自带软件。试验中选定的拍摄帧率 为1 000帧/s， 采集域为768 mm768 mm， 曝光时长 为997 s。将高速摄像仪采集的种子运动轨迹图像， 通过数据线实时存储到计算机内， 利用Phantom控制 软件的主系统窗口对采集的视频图片进行处理。 1.4 试验步骤 试验时的具体操作步骤为： 1）在台架上固定摩擦材料导轨，调节导轨至 设定角度，将各部分完全固定。打开照明设备。 2）打开视频处理程序，使摄像机处于拍摄准 备状态。观察屏幕上显示的图像，调节摄像机位置 使其正对于种子运动平面，整个导轨均处于视频采 集区域内，调节镜头使图像达到最佳清晰度； 3）取一粒种子置于导轨顶端，用手指按住。 第 15 期 崔 涛等：基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真 37 尽量使种子上的球面与导轨接触，而非平面，以最 大限度的保证种子从导轨上下落的运动为滚动而 非滑动。为避免手指上的汗液油脂等对玉米表面摩 擦特性产生影响，需佩戴橡胶手套后方能进行操 作。拍摄开始时，放开手指，种子从静止状态开始 沿导轨平面向下滚落，直至离开导轨。放开第一颗 种子后，可立即放上第二颗种子，但释放时一定要 保证种子处于静止状态。如此反复，直到拍摄自动 结束，可对这段视频进行处理。 对采集的视频图片的具体处理方式为： 1）一次拍摄过程最多可以记录10次左右种子 从斜面滚落的整个过程。因此拍摄完成后可先将每 粒种子从手离开种子的一刻开始到种子离开导轨 的整个过程分别存储为单独的.cine视频文件， 以便 于逐个处理。 2）测定图中标定的刻度，计算出实际尺寸与 图片尺寸的对应比例关系：:= :1LLk 图实际 ，用于试 验数据的换算。如在整个试验过程中试验台架和摄 像机的相对位置发生改变就需重新标定。 3）试验中发现，由于玉米种子自重较小，种 子很少能在平面导轨上保持持续的直线滚动，有时 滚动到一定的距离就会落出导轨，有时会在即将离 开导轨时发生弹跳。处理时需将这些明显不属于滚 动摩擦的区段剔除，只选取玉米种子的运动为滚动 状态的一个连续区段用于计算。因此实际用于计算 初始重力势能的实际高度需根据实际情况测量。测 量方法为分别记录种子初始位置（第0帧）坐标 00 (,)xy和连续滚动过程的结束帧（第n帧）时刻种 子中心的坐标(,) nn xy。 计算2个点的距离经过比例 换 算 为 实 际 长 度 即 为 所 求 的L， 即 22 00 ()() nn Lkxxyy=+。 4） 所求的滚动过程结束时的种子速度即为第n 帧的速度，虽然该速度为瞬时速度，但在这极短的 时间间隔内，仍将其视为2个时间间隔内的平均速 度。需分别记录第n-1帧的坐标 11 (,) nn xy ，第n帧 的坐标(,) nn xy和第n+1帧的坐标 11 (,) nn xy + （图5） ， 已知2帧间的时间间隔0.001 ts =，则可求得第n 帧种子中心速度的绝对值 s V (m/s)： 2222 1111 ( ()()()() ) 2 nnnnnnnn s kxxyyxxyy V t + + = 据此就可求出滚动过程结束时种子的动能。 图 5 种子坐标点的测量 Fig.5 Coordinate measuring of seed 2 结果与分析 2.1 试验结果 整理试验数据，得到不同角度下各材料的Cf， 并在Excel2010中用直线拟合其与cot之间的线性 关系如图6所示。 由线性回归得到拟合直线：有机玻璃与玉米种 子间y=0.0931x+0.136，R2=0.8468；镀锌钢板与玉 米种子间y=0.0531x+0.275，R2=0.8007；玉米种子 与种子间y=0.0782x+0.3199，R2=0.7997。方程的斜 率即为滚动摩擦系数，即玉米种子与有机玻璃、镀 锌钢板和种子之间的滚动摩擦系数分别为0.0931、 0.0531和0.0782。 注： 为斜面的倾角，()。Note: is the angle of inclined plane, (). 图 6 玉米种子与不同材料间的滚动摩擦系数(Cf) Fig.6 Rolling friction (Cf) of corn seeds against different materials 农业工程学报 2013 年 38 2.2 结果分析 在数据处理的过程中，发现一些可能会影响结 果准确性的问题，特此进行讨论。 首先，是由材料自身的限制带来的问题。 玉米种子的结构分为种皮、胚、胚乳和位于基部 的果柄。其主要成分为粉质胚乳、角质胚乳和胚17。 其主要外部接触面大部分为由透明的种皮包裹着 的角质胚乳，少许为基部果柄。因此大部分对玉米 种子机械物理特性的研究都将玉米种子视为以角 质胚乳为代表的单一材料18-20，本工作也是如此。 然而在种子由导轨上滚落的运动中，果柄与导轨的 接触却是不可避免的。 由于果柄与角质胚乳的物理力学特性存在较 大差异，且玉米种子并非真正的理想球体，因此一 粒玉米种子在从导轨上滚下的过程中可能既有滚 动、也有滑动和弹跳，很少有只单纯出现一种运动 的情况。孙珊珊等21曾就对不规则形态颗粒的滚动 与滑动转换机制进行了试验研究。这也就导致运动 过程中消耗的能量并非单纯为滚动摩擦阻力所做 的功。图7显示了由高速摄像记录的一组玉米种子 在有机玻璃导轨上发生弹跳的现象。 图 7 种子在导轨上的弹跳 Fig.7 Bouncing of the seed on a track 一旦种子在导轨上发生弹跳现象，则多会出现 连续或较长区段的弹跳，这样在很长一段距离上种 子都不再与导轨接触。而出现较长区段的滑动现象 时，由于滑动摩擦消耗能量较滚动摩擦高，种子的 末速度一般都较小。以上情况在数据处理时都不予 采用。 为了避免用一粒种子进行多次试验对种子造 成过度的磨损，改变其表面摩擦特性。试验中共选 取了24粒玉米种子作为待测对象，试验中随机选 取进行试验。虽经过精心的挑选，但这些种子的大 小、形状和质量仍不尽相同，尚不明确这些因素是 否会对种子在下落过程中的运动状态直至最终的 结果造成的影响。其次，是数据处理方法上造成的 不准确。 利用高速摄像获取种子的瞬时速度时，采用的 方法是分别取得连续3帧种子质心的坐标，在二维 图像上就是面的几何中心坐标。由于肉眼难以准确 定位其中心，试验用的玉米种子表面上都用记号笔 作一小黑点作为标记。这样以点的速度代替面的速 度就较为准确。但实际上，在滚动结束或即将结束 时，正好能够看到小黑点的几率较低。大部分情况 下仍然只能靠主观判断面的几何中心，加上种子在 滚动过程中同时存在沿导轨斜面的直线运动和绕 自身轴心的旋转运动，更使得最终得到的速度不十 分准确。初步思考，若能通过图像处理的方法在每 一帧都分别求取种子几何中心的坐标，也许能提高 精度22-23。但工作量也会较大的增大。 另外，由于种子在斜面上滚动过程中不与导轨 侧面接触，运动轨迹很难保持直线，滚动摩擦实际 做功距离可能会略大于按照导轨长度测量所得。导 轨的宽度是40 mm，种子从中间位置开始运动，按 最极端的情况考虑，种子的偏转量有20 mm，导轨 总长800 mm，那么种子实际走过的距离应是 800.25 mm， 存在0.03125%偏差， 由于该偏差较小， 因此将其忽略不计。 其他需要说明的问题是：由于购买的镀锌角钢 表面粗糙度较高，种子在其上发生弹跳的现象较为 严重。 在对种子与种子间的滚动摩擦系数进行试验 时，由于作为导轨的种带是由扁平的玉米种子粘在 硬纸板上做成，但所选玉米种子的厚度无法保证完 全一致，种子和种子之间也有空隙，种子本身平面 也有凹凸，因此在材料因素之外比平面会有更多阻 碍。 种子在其上滚动时极易发生弹跳、 碰撞等现象， 而几乎不会出现滑动。由于出现意外情况较多，几 乎没有种子能持续滚动较长的距离，因此种子导轨 的长度仅为380 mm，远远短于其他2种材料。 受散粒体物料流动特性所限，玉米种子在种子 导轨倾角低于35时，大部分情况下都无法顺利滚 动。 而在倾斜角度为15时， 经过多次试验只得到3 组可用数据。因此每个角度下种子与种子之间的Cf 的标准差都大于其他2种材料。 虽然试验中有很多难以控制的因素，会出现一 些无法避免的误差，但每一组试验均有10次以上 的重复。最终的试验结果仍较为准确可靠。 2.3 仿真对比 为验证试验结果的准确性，需设计一个同时可 在实际条件和EDEM中模拟进行的对比试验。 EDEM是采用离散单元法对颗粒体进行研究的一 个商用软件，现已被广泛地应用于颗粒物料的仿真 分析22-25。玉米种子作为一种散粒体物料，其休止 角又称静止摩擦角或堆积角，是反映其摩擦特性的 一个重要参数26。由于其测量方法较为简便，不需 第 15 期 崔 涛等：基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真 39 特殊仪器。因此本工作选择测量玉米种子休止角的 试验来对其物理特性参数进行验证。 验证方法是：将一圆筒竖直放在平面上，在圆 筒内放入一定数量的种子 （产生一定数量的颗粒） ， 然后圆筒向上运动，种子在平面上堆积，测量堆积 角。该试验在实际条件和EDEM中分别进行， 比较 两者所得结果的相似程度。试验所用的圆筒为不锈 钢材质，EDEM中选用同样材料，直径与高度参数 一致，直径为0.085 m，高度为0.25 m。 在EDEM中仿真所需的各材料物理力学特性 参数如表1中所示。玉米种子的泊松比采用美国农 业工程协会标准中测定的0.427-28，其他参数均由 试验测得。仿真使用的软件版本为EDEM2.3， 选择 的接触模型为默认的Hertz-Mindlin无滑动接触模 型29。 表 1 材料的物理特性参数 Table 1 Physical properties of materials 参数 Parameters 玉米种子 Corn seed 镀锌钢板 Galvanized steel 有机玻璃 PMMA 泊松比 Poisson ratio 0.4 0.28 0.35 剪切模量 Shear modulus/Pa 1.37108 8.101010 1.30109 密度 Density/(gcm-3) 1.197 7.850 1.200 恢复系数 Recovery coefficient 0.182 0.709 0.621 静摩擦系数 Static friction coefficient 0.2 0.351 0.459 滚动摩擦系数 Coefficient of rolling friction 0.0782 0.0531 0.0931 试验的具体方法为：将一定数量的种子（约 2 000粒）装入圆筒内，然后将圆筒向上提起，种 子就会在平面上堆积，拍摄下此刻的照片，用图像 处理程序进行测量和计算就能得到堆积角。经5次 重复，得到玉米种子的堆积角在20.7022.96 之 间变化，平均值为21.88。 EDEM仿真分析流程与此类似：首先按表1中 的参数进行材料物理特性的设置，然后导入种子和 几何体模型。设定圆筒在0.1 s开始有一个Y轴正 方向直线运动，速度为1 m/s，圆筒高度0.25 m， 运动到0.4 s时离开区域。 在圆筒入口处生成一个颗 粒工厂，设定种子的生成速率为22 000粒/s，下落 速度-4 m/s，这样种子就会在0.1 s内落到平面上。 在仿真的各项设定完成之后，进行计算，最后对仿 真结果进行后处理。经3次重复，得到堆积角分别 为20.91，21.40和20.32，平均值为20.88，比试 验实测值小4.6%，偏差较小。 2种试验条件下的种子堆积角情况如图9所示。 通过对比试验可知：用试验所得玉米种子物理 特性参数进行的颗粒体仿真的结果与试验获得的 结果偏差较小，说明试验得到的材料物理特性参数 是有效的，通过仿真能够模拟实际情况。 a. 试验得到玉米种子堆积角 a. Angle of repose in laboratory b. EDEM 模拟所得堆积角 b. Angle of repose in EDEM 图 8 实际试验与 EDEM 模拟所得堆积角对比 Fig.8 Comparison of angle of repose in laboratory and EDEM 3 结 论 基于能量守恒原理，借助高速摄影技术得到玉 米种子与有机玻璃、镀锌钢板和玉米种子之间的滚 动摩擦系数分别为0.0931、0.0531和0.0782。由于 试验材料和方法的限制，该试验结果存在一些难以 避免的误差。但通过玉米种子休止角试验和EDEM 仿真结果的对比，发现两者所得堆积角的数值差异 仅在4.6%范围内， 偏差较小， 试验得到的材料物理 特性准确性较高，仿真能够模拟实际情况。 参 考 文 献 1 Shi Qingfang, Yan Xuequn, Hou Meiying, et al. Experimental study of segregation patterns in binary granular mixtures under vertical vibrationJ. Chines Science Bulletin, 2003, 48(7): 627629. 2 季顺迎. 非均匀颗粒介质的类固-液相变行为及其本构 模型J. 力学学报，2007，39(2)：223237. Ji Shunying. The quasi-solid-liquid phase transition of non-uniform granular materials and their constitutive equationJ. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2007, 39(2): 223237. (in Chinese with English abstract) 3 Gennes P G. Granular matter: A tentative viewJ. Reviews of Modern Physic, 1997, 71(2): 374382. 4 杨明芳. 基于离散元法的玉米排种器的数字化设计方 法研究D. 长春：吉林大学，2009. Yang Mingfang. Study on Digital Design Method of Corn Seed-metering Device based on DEMD. Changchun: Jilin University, 2009. (in Chinese with English abstract) 5 杜尚之. 滚动摩擦与滚阻力偶矩J. 丽水师范专科学 校学报，2002，24(2)：2223. Du Shangzhi. Rolling Friction and rolling resistance momentJ. Journal of LiShui Teachers College, 2002, 24(2): 2223. (in Chinese with English abstract) 6 蔡积仁. 浅谈滚动摩擦J. 物理通报， 2006(2)： 3740. 农业工程学报 2013 年 40 Cai Jiren. Discussion of rolling frictionJ. Physics Bulletin, 2006(2): 3740. (in Chinese with English abstract) 7 松原清著；李明怀译. 摩擦学M. 西安：西安交通大 学出版社，1987. Song Yuanqing, Li Minghuai (Translate). TribologyM. Xian: Xi an Jiaotong University Press, 1987. (in Chinese with English abstract) 8 Tordesillas A, Walsh D C S. Incorporating rolling resistance and contact anisotropy in micromechanical models of granular mediaJ. Powder Technology, 2002, 124(1/2): 106111. 9 Jiang M J, Yu H S, Harris D. A novel discrete model for granular material incorporating rolling resistanceJ. Computers and Geotechnics, 2005, 32(5): 340357. 10 Iwashita K, Oda M. Rolling resistance at contacts in simulation of shear band development by DEJ. Journal of Engineering Mechanics, 1998, 124(3): 285292. 11 Ji S, Shen H, Asce M. Effect of contact models on granular flow dynamicsJ. Journal of Engineering Mechanics, ASCE, 2006, 132(11): 12521259. 12 Zhu H P, Yu A B. A theoretical analysis of the force models in discrete element methodJ. Powder Technology, 2006, 161(2): 122129. 13 汪志城. 滚动摩擦机理和滚动摩擦系数J. 上海机械 学院学报，1993，15(4)：3543. Wang Zhicheng. A mechanism of rolling friction and the coefficient of rolling frictionJ. J. ShangHai Inst. Mech. Eng, 1993, 15(4): 3543. (in Chinese without English abstract). 14 郭建廷. 滚动摩擦力的产生机理及其计算J. 润滑与 密封，1988(1)：1924. Guo Jianting. The mechanism of producing rolling friction Force and its calculationJ. Lubrication and Sealing, 1988(1): 1924. (in Chinese with English abstract) 15 林榕. 滚动摩擦系数的测量J. 辽宁教育学院学报， 1996(5)：7879. Lin Rong. Measure the rolling frictionJ. Journal of Liaoning Education College, 1996(5): 7879. (in Chinese without English abstract) 16 Mohsenin, N. N. Phsical Properties of Plant and Animal MaterialsJ. New York, Gordon and Breach Science Publishers,1970. 17 张锋伟，赵武云，韩正晟，等. 玉米籽粒力学性能试 验分析J. 中国农机化，2010(3)：7578. Zhang Fengwei, Zhao Wuyun, Han Zhengsheng, et al. Experimental researches on mechanical properties of corn kernelsJ. Chinese Agricultural Mechanization, 2010(3): 7578. (in Chinese with English abstract) 18 曹灿纯，曹崇文. 干燥过程中玉米颗粒内部应力的有 限元分析J. 农业机械学报，1996，27(1)：5762. Cao Canchun, Cao Chongwen. Stress analysis of corn kernel during drying using the finite element methodJ. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1996, 27(1): 5762. (in Chinese with English abstract) 19 郝建平，杨锦忠，杜天庆，等. 基于图像处理的玉米 品种的种子形态分析及其分类研究J. 中国农业科 学，2008，41(4)：9941002. Hao Jianping, Yang Jinzhong, Du Tianqing, et al. A study on baisic morphologic information and classification of maize cultivars based on seed image processJ. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(4): 9941002. (in Chinese with English abstract) 20 史智兴，程洪，李江涛，等. 图像处理识别玉米品种 的特征参数研究J. 农业工程学报，2008，24(6)：193 195. Shi Zhixing, Cheng Hong, Li Jiangtao, et al. Characteristic parameters to identify varieties of corn seeds by image processingJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(6): 193195. (in Chinese with English abstract) 21 孙珊珊，苏勇，季顺迎. 颗粒滚动-滑动转换机制及摩 擦系数的试验研究J. 岩土力学， 2009， 30(增刊)： 110 116. Sun Shanshan, Su Yong, Ji Shunying. Experimental study of rolling-sliding transition and friction coefficients of particlesJ. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(Supp.): 110116. (in Chinese with English abstract) 22 朴香兰，王国强，张占强，等. 水平转弯颗粒流的离 散元模拟J. 吉林大学学报：工学版，2010，40(1)： 98102. Piao Xianglan, Wang Guoqiang, Zhang Zhanqiang, et al. Discrete element method simulation of granular flow on horizontalturnJ. Journal of Jinlin University (Engineering and Technology Edition), 2010, 40(1): 98102. (in Chinese with English abstract) 23 赵啦啦，刘初升，闫俊霞，等. 振动筛面颗粒流三维 离散元法模拟J. 中国矿业大学学报，2010，39(3)： 414419. Zhao Lala, Liu Chusheng, Yan Junxia, et al. Numerical simulation of particles flow on the vibrating screen plate using a 3D discrete element methodJ. Journal of China University of Mining and Technology, 2010, 39(3): 414 419. (in Chinese with English abstract) 24 李勤良. 颗粒堆积性质和散状物料转载过程的DEM仿 真研究D. 辽宁：东北大学，2010. Li Qingliang. The research of granular piling and bulk material transfer process using DEM simulationD. Liaoning: Northeastern University, 2010. (in Chinese with English abstract) 25 徐泳，李艳洁，李红艳. 离散元法在农业机械化中应 用评述J. 农机化研究，2004，26(5)：2630. Xu Yong, Li Yanjie, Li Hongyan. A review on applications of discrete element method to agricultural mechanizationJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2004, 26(5): 2630. 第 15 期 崔 涛等：基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真 41 26 赵学笃. 农业物料学M. 北京：机械工业出版社， 1987. Zhao Xuedu, et al. Agricultural MaterialsM. Beijing: China Machine Press, 1987. (in Chinese with English abstract) 27 Cokun M B, Ibrahim Yalin, Cengiz zarslan. Physical properties of sweet corn seed (Zea mays saccharata Sturt)J. Journal of Food Engineering, 2006, 74(4): 523 528. 28 USA, American Society of Agricultural Engineers. Compression test of food materials of convex shapeS. ASAE Standards 2002: Standards Engineering Practices, 2002, 49: 592599. 29 王国强，郝万军，王继新. 离散单元法及其在 EDEM 上的实践M. 西安：西北工业大学出版社，2010. Wang Guoqiang, Hao Wanjun, Wang Jixing. The application of DEM with EDEMM. Xian: Northwestern Polytechnical University Press, 2010. (in Chinese with English abstract) Experiment and simulation of rolling friction characteristic of corn seed based on high-speed photography Cui Tao, Liu Jia, Yang Li, Zhang Dongxing, Zhang Rui, Lan Wei (College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China) Abstract: The physical properties of corn seeds, including the dimension feature, density, Poissons rate, shear modulus, coefficient of restitution, coefficient of static fraction, and coefficient of rolling fraction are vital to the design of the precision seed-metering device and the simulation of its working process. There have been many relative studies on them, but no mature theory and accurate method to measure the coefficient of rolling friction has been developed. Due to the shape and dimension character limitation, most methods for measuring the coefficient of rolling fraction are not applicable to corn seed. Only one method based on the principle of conse