（机械设计及理论专业论文）冲量式谷物质量流量测量装置设计研究.pdf

学位论文版权使用授权书 必删 y 1 8 9 4 9 i j | 芗 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：差国钨久 细l 年6 月名日 默乡铉 指导教师签名： 劫1 1 年6 月ee t 冲量式谷物质量流量测量装置 设计研究 d e s i g na n ds t u d yo ni m p u l s e - t y p eg r a i nm a s sf l o wm e a s u r e m e n t d e v i c e 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 为了适应精确农业的要求，本文基于离散元方法开发了一种高精度的谷物流 量测量装置，并经过试验检验。主要研究工作包括以下三方面： ( 1 ) 谷物籽粒流对承载板的冲击过程离散元分析 建立了谷物籽粒与升运器的离散元模型，完成了谷物籽粒流对承载板碰撞过 程的离散元仿真研究。通过离散元模拟分析了谷物质量与承载板所受的平均法向 冲击力的关系。得出结论：减小水稻籽粒在承载板上的滑落时间，可以提高水稻 质量与平均法向力的线性相关系数，因此在设计冲量式谷物质量流量装置时，应 考虑如何减少水稻籽粒与承载板的滑落时间；适当提高升运器的线速度1 ，可以提 高水稻质量与平均法向力的线性关系；在升运器线速度一定的情况下，如果测量 的谷物质量流量过大，则会造成所测流量位于线性饱和区，造成测量不准确。 ( 2 ) 冲量式谷物质量流量测量装置的设计 根据离散元模拟的结论，设计了谷物流量测量装置。主要有两方面改进：将 承载板由目前的平直的设计成曲率半径为2 5 0 r a m 的曲面，这样更有利于谷物流 的扩散，减少谷物籽粒在承载板上的滑落时间和碰撞造成的能量损失；另一方面， 将橡胶减震器安装在联合收割机与弹性元件之间，来减弱联合收割机振动对测量 结果的影响。 ( 3 ) 人工喂入标定试验 设计了两种量程的弹性元件和两种几何参数的承载板的对比试验，并在联合 收割机上做了人工喂入标定试验。试验结果表明：使用量程为5 k g 的弹性元件的 测量精度明显提高；曲率半径为2 5 0 m m 的承载板的测量精度较直板的提高2 5 6 4 以上。 关键词：谷物流量离散元法减震器联合收割机 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，a n da c h i e v ei n t e l l i g e n t m e a s u r e m e n t ，t h ep a p e rd e v e l o p e dah i g h - p r e c i s i o ng r a i nf l o wm e a s u r i n gd e v i c e su s e d t h ed e m t h em e a s u r e m e n td e v i c ew a sv e r i f i c a t i e db yt e s t t h em a i nw o r k si n c l u d e t h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) d i s c r e t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft h ei m p a c tp r o c e s sb e t w e e ng r a i nf l o wa n d t h ei m p a c tp l a t e d i s c r e t ee l e m e n tm o d e lo fg r a i na n dc o m b i n eh a r v e s t e re l e v a t o rw a se s t a b l i s h e d d i s c r e t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns t u d yo ni m p a c tb e t w e e ng r a i nf l o wa n di m p a c tp l a t ew a s c o m p l e t e d w eh a v eai n - d e p t hu n d e r s t a n d i n go f t h ei m p a c tp r o c e s sb e t w e e ng r a i nf l o w a n dt h ei m p a c tp l a t e t h ef a c t o r so fl i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a i nm a s sa n di m p a c t p l a t ea v e r a g en o r m a lf o r c ew a ss t u d i e db yd i s c r e t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h er e s u l t s s h o wt h a t ：r e d u c i n gt h es l i pt i m eb e t w e e ng r a i na n di m p a c tp l a t ec a ni m p r o v et h e l i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e ng r a i nm a s sa n di m p a c tp l a t ea v e r a g en o r m a lf o r c e t h e r e f o r e ， w es h o u l dc o n s i d e rh o wt or e d u c et h es l i pt i m ew h e nw ed e s i g ni m p u l s e t y p eg r a i n m a s sf l o wm e a s u r e m e n td e v i c e ；l i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nm e a nn o r m a lf o r c eo f i m p a c tp l a t ea n dg r a i nm a s si sc l o s e l yr e l a t e dt ot h es p e e do ft h ee l e v a t o r i n c r e a s et h e s p e e do ft h ee l e v a t o rc a ni m p r o v et h el i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nm e a nn o r m a lf o r c eo f i m p a c tp l a t ea n dg r a i nm a s sw i t h i nac e r t a i nr a n g e t h e r e f o r ew es h o u l dc o n s i d e rt h e e f f e c to fs p e e do ft h ee l e v a t o ro nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t w h e nt h es p e e do ft h e e l e v a t o ri sac o n s t a n t ，t h em e a s u r e df l o wr a t ew i l lr e s u l ti nl i n e a rs a t u r a t e dz o n ei ft h e g r a i nm a s sf l o wi st o ol a r g ea n dc a u s i n gi n a c c u r a t em e a s u r e m e n t s ( 2 ) d e s i g n e da n ds t u d yo ni m p u l s e - t y p eg r a i nm a s sf l o wm e a s u r e m e n td e v i c e t h es t r u c t u r eo fg r a i nf l o wm e a s u r i n gd e v i c ew a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e c o n c l u s i o n so ft h ed i s c r e t ee l e m e n ts i m u l a t i o n t h e r ea r et w o m a i ni m p r o v e m e n t s ：t h e i m p a c tp l a t ef r o mt h ec u r r e n tf l a tp a n e ld e s i g n e dw i t ht h er a d i u so fc u r v a t u r ei s2 5 0 m m ， t h i sv a l l e yi sm o r ec o n d u c i v et ot h es p r e a do fl o g i s t i c sa n dr e d u c et h es l i pt i m eo fg r a i n i nt h eb o a r d ，r e d u c ee n e r g yl o s sc a u s e db yt h ec o l l i s i o n o nt h eo t h e rh a n d ，t h er u b b e r s h o c ka b s o r b e ri ss e tb e t w e e nf o r c e s e n s i t i v ec o m p o n e n t sa n dc o m b i n eh a r v e s t e rt o w e a k e nt h ei m p a c to fv i b r a t i o n 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 ( 3 ) c a l i b r a t i o nt e s to fa r t i f i c i a lf e e d i n g t h eg r a i nf l o wm e a s u r e m e n td e v i c ei sc a l i b r a t e do nt h ec o m b i n eh a r v e s t ，t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ei m p a c tp l a t eo fu s i n gt h ec u r v e dp a n e l sm e a s u r i n gd e v i c eh a sa b e t t e rr e s u l t t h ef l e x i b i l i t yo fu s i n gt h er a n g ef o rt h e5 k gm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi s s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dc o m p o n e n t s ，w h i l et h ei m p a c to ft h er a d i u so fc u r v a t u r ei s 2 5 0 m mp l a t e sm e a s u r i n gd e v i c e0 1 1t h eg r a i nf l o wm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi m p r o v e m e n t o fm o r et h a n2 5 6 4 k e yw o r d s ：g r a i nf l o w ；s h o c ka b s o r b e r ；c o m b i n eh a r v e s t e r ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章缉 论1 1 1 研究的目的及意义1 1 2 谷物流量测量国内外研究现状2 1 2 1 谷物流量测量国外研究现状2 1 2 2 谷物流量测量国内研究现状5 1 3 主要研究内容及方法6 1 4 本章小结7 第二章升运器与谷物籽粒的离散元建模。8 2 1 冲量式谷物质量流量测量原理8 2 2 结构模型建立9 2 2 1 升运器结构模型建立1 0 2 2 2 升运器运动参数的确定1 1 2 2 3 水稻籽粒离散元填充模型建立1 1 2 3 力学参数确定1 2 2 3 1 确定力学参数所用的力学模型1 2 2 3 2 数字模拟所用的力学参数1 2 2 4 材料特性选取与参数设定。1 4 2 4 1 水稻籽粒材料特性确定1 5 2 4 2 静摩擦系数的确定1 6 2 4 3 恢复系数的确定1 6 2 5 本章小结1 7 第三章谷物质量流量测量过程的离散元模拟。 3 1 离散单元法模拟试验设计1 8 3 1 1 水稻籽粒质量的确定1 8 3 1 2 仿真试验设计1 9 3 2 对冲击过程的离散元模拟2 0 3 2 1 结构模型的导入2 0 3 2 2 求解步长的确定2 0 3 3 离散单元法模拟数据分析与结论2 1 3 3 1 冲击过程2 1 3 3 2 水稻质量与平均法向力2 4 3 3 3 滑落阶段对水稻质量与平均法向力线性关系的影响2 6 3 3 4 主要结论2 6 3 4 本章小结2 7 第四章冲量式谷物质量流量测量装置设计2 8 4 1 谷物流量测量装置设计原则一2 8 v 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 4 2 谷物质量流量测量装置总体方案设计 4 2 1 离散元模拟对谷物质量流量测量装置设计的指导意义2 8 4 2 2 谷物质量流量测量装置设计主要考虑因素2 9 4 2 3 总体技术方案。2 9 4 3 传感器选型设计：3 0 4 3 1 传感器选型的考虑因素3 0 4 3 2 传感器选型计算3 2 4 3 3 传感器的技术参数3 4 4 4 减振设计3 5 4 4 1 减振的基本方法3 5 4 4 2 减震器方案选取3 6 4 4 3 减震器的技术参数3 7 4 5 测量装置设计总体结构图及说明。3 8 4 5 1 结构说明3 8 4 5 2 测量装置安装说明。3 9 4 6 本章小结4 0 第五章人工喂入标定试验及田间试验4 l 5 1 人工喂入试验平台。4 1 5 1 1 人工喂入试验系统硬件组成4 1 5 1 2 数据采集软件4 4 5 2 人工喂入标定试验。4 5 5 2 1 人工喂入标定试验总体方案设计4 5 5 2 2 人工喂入标定试验设计4 5 5 2 3 流量标定方法与误差计算方法4 6 5 3 试验结果与误差分析4 7 5 3 1 人工喂入标定试验量程选择结果分析4 7 5 3 2 直板与曲板试验结果分析。5 2 5 3 3 人工喂入误差分析5 2 5 4 田间试验5 3 5 5 本章小结5 4 第六章结论与展望5 5 6 1 本文工作总结一5 5 6 2 展望。5 6 参考文献5 8 9 付j 豪6 3 致谢。 攻读硕士期间发表论文 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 我国是农业大国，推广精确农业提高农作物产量对于现阶段的发展极为重 要。收获机械为农业机械领域的重要分支。实现收获作业自动化、信息化和智能 化，带来的优点不仅包括提高生产效率，提高操作精度等，而且还可实现作业过 程的最优化、自动化【2 3 1 。 获取农田小区产量空间分布的差异性信息，实现作物产量的自动计量及产量 图的自动生成技术是“精细农业”技术体系中的重要基础环节【4 】。截止到1 9 9 9 年， 美国9 0 以上的谷物联合收获机装备有谷物流量在线监测系统。美国j o h nd e e r e 公司的g r e e ns t a r 联合收割机【5 】的产量测定是由安装在籽粒升运器上部的质量流 量传感器实时测试收获的籽粒流量，与籽粒湿度传感器、联合收割机割幅信息及 联合收割机速度传感器相配合来进行产量测定的。 冲量式谷物质量流量测量装置既是联合收割机实现智能化田间作业的基本保 证之一，又是测产和生成田间产量图的核心部件。如何提高该测量装置的测量精 度一直是摆在技术人员和科研工作者面前的重大课题。它的精度直接影响着产量 图的精度。因此国内外学者对谷物流量测量装置的研究一直都在进行。由于我国 智能化联合收割机的研究相对落后【5 1 ，仍无成熟的谷物流量测量产品问世【6 1 。所 以开发出高精度的谷物流量测量装置具有很大的实用价值。目前针对冲量式谷物 质量流量测量装置主要技术问题集中在以下几点： ( 1 ) 对谷物籽粒流对承载板的冲击过程不够明确，在设计谷物质量流量测量 装置时仅依靠经验设计，这成为提高谷物流量测量装置精度提高的技术瓶颈。因 此在这方面需要进一步从细观上分析研究： ( 2 ) 采用冲量法测量谷物质量流量的另一个技术瓶颈在于精度易受到联合收 割机工作产生振动的影响。对于减振隔振的方法需要进一步提高； ( 3 ) 滤波算法的研究，采用模拟滤波、数字滤波算法来提高测量精度； ( 4 ) 与测量装置配套的仪表以及其他影响因素，例如联合收割机形式地面坡 度变化等。 1 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 本课题源于国家“8 6 3 高技术研究发展计划资助项目( 2 0 1 0 a a l 0 1 4 0 2 ) ：切 纵流智能控制稻麦收获技术与装备研究。主要从前两点入手进行研究，通过该研 究，可以提升我国联合收割机智能化、自动化水平，为我国智能化联合收割机的 研发提供技术支持。本课题是该项目的子课题，目的在于开发出一种高精度的谷 物流量测量装置，服务于智能化联合收割机在我国的发展与推广。 1 2 谷物流量测量国内外研究现状 用在联合收割机的谷物流量传感器川主要有光电式、定容积式、辐射式、冲 击式等结构。光电式结构受灰尘影响严重，实际测量时精度低；定容积式流量传 感器是一种基于恒定容积原理的触发式传感器，受到谷物水分和密度的影响，设 计结构复杂，不利于推广；辐射式对人体有辐射伤害【8 】；采用冲击式测量精度受 到机械振动影响，但由于冲量法测量的机械结构简单、可靠、对人员无伤害、且 经过优化之后测量精度可以达到测量要求，因此冲量式测量方法在国际上得到广 泛应用。 1 2 1 谷物流量测量国外研究现状 目前，各国对谷物流量测量方法主要有体积流量法和质量流量法。美国主要 采用冲击式载荷测量法，这种方法易受机器振动影响，产生较大的测量误差，随 着研究的不断深入，冲击式谷物流量传感器正在得到不断的升级和改善。英国曾 采用电容法测量谷物质量流量，该系统受谷物湿度、谷物在容器内的分布及机器 运行状态的影响。德国采用容积式光电测量法测量粮箱内谷物高度，得出体积流 量。该方法会受到机器倾斜及谷物湿度的影响，为了确定谷物的质量流量，还必 须测定谷物的密度和含水量【9 小】。 2 图1 1g r e e n s t a r 谷物流量传感器 f i g1 1 g r e e n s t a rg r a i nm a s sf l o ws e n s o r 用于联合收割机在线测产的冲击式流量传感器诞生于2 0 世纪9 0 年代初期， 江苏大学硕士学位论文 图1 1 为j o h nd e e r e 公司1 9 9 8 年研制成功的g r e e n s t a r 系统。此外还有a gl e a d e r 公司的p f 3 0 0 0 系统、c a s e 公司的a f s 系统、a g c o 公司的f i e l ds t a r 系统等。 由于本文采用的是冲量式谷物流量测量方法，所以以下着重介绍冲量原理测 流量或者测产的研究状况，研究领域主要集中在结构设计研究，试验设计研究和 信号处理三个方面。谷物流量传感器或测量装置的结构一般由承载部分和弹性元 件组成，测量精度与结构参数关系密切；在试验研究方面，主要进行的是性能测 试、设计参数优化试验；信号处理方面主要在模拟滤波和数字滤波方面。下面将 针对这三方面逐一介绍。 ( 1 ) 结构设计研究方面 2 0 0 9 年k o i c h is h o j i 1 2 ，1 3 】等人研制了一种适用于小型联合收割机的冲量式 谷物流量传感器，弹性元件采用八边形结构，弹性元件的质量为0 0 2 1 k g ，采样频 率为5 0 0 h z ，低通滤波截止频率为1 0 0 h z 。所设计的传感器经过田间试验，试验 数据离线处理，达到的最d , n 量误差为1 5 。该装置电压输出偏小，在0 - 0 3 v 之间。 k o i c h is h o j i i l 4 】等2 0 0 8 年设计了一种冲量式测量洋葱流量的传感器，通过试 验来研究传感器表面聚氨酯垫的厚度、洋葱从皮带上的下落点到传感器的距离以 及洋葱下落时与传感器接触方式对测量结果的影响。结果显示：当聚氨酯挚的厚 度为3 0 m m 时测量误差小于2 0 ，当聚氨酯挚的厚度为1 0 r a m 和0 时，增大下落 点到传感器的距离会降低测量精度；洋葱跟传感器的接触方式改变不会对测量结 果造成影响。 m a j a 。jm 【1 5 1 6 1 于2 0 0 9 年设计了一种基于冲量原理的柑桔产量传感器，该传 感器有四个碳纤维力敏弹性元件组成，在台架试验中平均误差为3 3 ；在佛罗里 达的果园试验中平均误差为7 8 1 。另外该装置的耐久性较差。 c h a p l i n j 、h e m m i n g n 1 1 7 1 等通过静态台架试验x 寸l t - j 冲击式和转矩式谷物 流量传感器的测量精度，谷物的流量通过电气控制闸口的大小来实现，谷物流量 的范围为0 9 1 6 3 6 k g s 。结果显示转矩式比冲击式的传感器敏感十倍；当流量超 过3 k g s 时，两种传感器的误差均明显增大，其中，冲击式传感器测量误差为1 5 ， 扭矩式的测量误差为5 ；当流量少于l k g s 时，冲击式传感器测量误差为6 0 ， 扭矩式传感器测量误差为1 8 1 扭矩式流量传感器单一从精度上来说优于冲击式 3 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 传感器。但扭矩式谷物流量传感器结构复杂，不利于安装。所以在推广上造 难。 ( 2 ) 试验研究方面 m l o g h a v i ，r e h s a n i 1 8 】在2 0 0 8 年设计了一种谷物质量流量传感器的标 验台，该试验台可以人工控制谷物的流量，并装有湿度传感器，称重传感器 可以在试验台上模拟联合收割机工作过程，完成谷物流量传感器标定。利用 验台，作者对a g c of i e l d s t a r 产量监测器进行了恒流性能测试和坡度试验， 结果表明，采用多点校正可以提高测量精度，如果仅使用两点校正，测量精 明显降低：联合收割机工作地面的坡度变化将严重影响谷物质量流量的测量精度， 当流量较小时这点表现的尤为突出。试验台没有考虑到如何模拟联合收割机工作 时的振动干扰。 d e t l e fe h l e r t l 7 1 在2 0 0 0 年针对马铃薯的冲量式流量传感器搭建试验台，在试验 台上调整冲击式流量传感器的安装位置和皮带速度共设置2 0 种组合方式，并加入 振动，试验研究证明仅有其中4 中组合方式测量结果受振动的影响较小，并且测 量精度较高。在其他组合方式情况下，当加入振动之后，测量结果都会严重失真。 在2 0 0 7 年前，国际上对谷物流量传感器存在多种标定试验方法，没有统一的 标准【1 9 】。美国农业生物工程师学会( a m e r i c a ns o c i e t yo f a g r i c u l t u r a la n db i o l o g i c a l e n g i n e e r s ，a s a b e ) 公布了产量监测装置试验标准 2 0 l ，该标准规范了标定试验 流程，增进了试验的可重复性。该标准成为科研工作者在之后的试验研究中普遍 认同的一个标准。j p f u l t o n 2 1 - 2 3 1 、l o 曲a v i ，m 【1 8 1 、z a n d o n a d i t 2 4 ，2 5 】等根据该标准分 别搭建了试验台并按照该标准对谷物流量监测器进行试验。j p f u l t o n 和s a n a e i 凋 通过试验研究了联合收割机行驶地面的坡度对谷物流量测量精度的影响。 ( 3 ) 信号处理研究方面 k m a e r t e n s ，p r e y n s l 2 刀2 0 0 3 年针对冲量式谷物质量流量传感器研究了一种双 自适应陷波滤波算法，用来滤除低频正弦干扰信号对测量精度的影响。周俊【冽将 该滤波算法进行了试验研究，田间测量误差小于1 0 ，对于生产要求来说，该误 差偏大。 p e l l e t i e r ，g t 2 9 】等人研制了西红柿产量传感器，在对振动信号处理时首先对测 量装置进行频率响应分析，分析得出采用低通截止频率为0 3 h z 的有限冲击响应 ( f i r ) 数字滤波可以滤除振动的干扰，通过试验验证，得到良好的试验结果。 4 江苏大学硕士学位论文 h a m r i t a tk 【刈为了滤除机械振动对花生产量传感器的影响，利用m a t l a b 工具箱 对数字滤波算法进行研究，经过对比，选择了截止频率为1 h z 的六阶椭圆型无限 脉冲响应( i i r ) 数字滤波器，但该低通滤波在信噪比小时效果有限。 r e y n i e r s ，m 【3 1 】等2 0 0 5 年对产量传感器的两种滤波算法进行了比较，一种采 用传统的低通滤波，另一种采用基于机械动态力学模型的滤波算法。两种滤波器 分别在野外进行田间试验。试验结果显示，低通滤波在联合收割机没有突然加速 和割幅发生变化时很有效。动态滤波则可以在产量和联合收割机前进速度突然变 化的情况下达到很高的测量精度。 1 2 2 谷物流量测量国内研究现状 国内相关研究最早见于2 0 0 1 年孙宇瑞【3 2 】等设计的冲量式谷物流量测量系统， 选择压电式测力传感器作为流量测量传感器，该测量系统在没有振动的情况下测 量误差小于5 ，但当引入外部机械振动的情况下加入硬件和软件滤波之后测量 误差小于8 。对于振动信号的处理，是该研究急需解决的技术难题。事实上对 于振动干扰的处理一直以来都是众多学者研究的重点。 对于冲量法测量谷物流量的国内研究状况，目前可以大致分为四个研究团队： 上海交通大学、中国农业大学、江苏大学、华南农业大学。下面分别说明。 ( 1 ) 上海交通大学 周俊首先于2 0 0 7 年提出采用平行梁结构设计谷物流量传感器，并获得了国家 发明专利【3 3 1 ，该研究设计并分析了敏感元件结构【3 4 1 ，利用增大阻尼来减少振动的 影响【3 5 】以及在信号处理上采用陷波滤波的方法来滤除低频振动对测量结果的影 响【冽。但田间实际测量误差并不尽如人意，田间误差在1 0 以下。 ( 2 ) 中国农业大学 王薄、李民赞【6 】等2 0 0 9 年设计的悬臂梁式谷物流量传感器，该传感器由机械 部分和电路部分组成，分别在河北保定和黑龙江佳木斯进行了试验，结果显示， 在传感器安装位置合适时，可以得到很高的测量精度。对于传感器的结构与安装 方式，需要进一步的优化。 张漫【蚓等根据美国c a s ei h 公司2 3 6 6 联合收割机测产系统的田间使用和试 验经验，对测产系统中谷物流量传感器等进行了试验分析。在标定前流量传感器 的平均测量误差9 5 ，但经过标定之后平均相对误差减d , n1 3 2 。 5 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 ( 3 ) 江苏大学 陈树人【3 7 】等在升运器实验台上安装导流板，使尽可能多的谷物与承载板发生 碰撞，通过与未安装导流板冲击式谷物流量传感器的输出信号进行对比分析，结 果显示：安装导流板之后传感器输出电压信号值平均提高3 0 左右，明显提高了 传感器输出信号强度。随后2 0 1 0 年陈树人【3 8 】等对双板差分式谷物质量流量传感 器静态受力特性进行检测，结果表明传感器的输出信号与静态力作用点无关。在 田间试验中该传感器的抗干扰性能稳定，有效降低了机械振动产生的影响，测量 误差小于3 8 。 2 0 0 9 年高建引3 9 】等设计了一种压电式谷物流量传感器，对于压点电材料用仿 真和试验验证得出结论：在1 c r l 8 n i 9 、聚丙烯和陶瓷( s i 3 n 4 ) 3 种力敏材料中，陶 瓷( s i 3 n 4 ) 是首选材料，在测试系统中应用所述压电陶瓷，无须前置放大器即可以 满足谷物质量流量测试要求，极大地简化测量电路，提高测量精度，降低测试成 本。 ( 4 ) 华南农业大学 胡均万在2 0 0 9 年同样采用平行梁结构，但是在此基础之上增加了一个检振 梁，承载谷物冲击的传感器与空载的传感器进行信号差分，用以减弱振动信号对 测量结果的影响【4 0 , 4 1 】。同时利用差分原理减小机身倾斜引起的传感器的零点漂移 【4 2 】。测量误差不大于5 。该方法的研究主要集中在信号处理上，对结构方面未 做出优化处理。 1 3 主要研究内容及方法 本文针对冲击式谷物流量测量装置存在的技术问题，对谷物流量测量的研究 提出一种新的研究方法和思路。在分析研究的基础之上设计了一种冲量式谷物质 量流量测量装置。为了提高测量精度，本研究主要从以下几方面展开： ( 1 ) 谷物籽粒流对承载板的冲击特性研究。主要利用离散元方法从细观上分 析冲击作用规律以及冲量式测量方法的影响因素。 ( 2 ) 谷物流量测量装置的结构设计。根据离散元模拟结果提出结构优化设计 方案；另一方面参照技术资料，采用减震器来减弱联合收割机正常工作状态下振 动信号对谷物流量测量精度的影响。 ( 3 ) 试验设备搭建与试验研究。将谷物流量测量装置的不同设计方案安装在 6 江苏大学硕士学位论文 联合收割机上，通过试验验证并优化测量装置的结构。 1 4 本章小结 阐述了冲量式谷物质量流量测量装置研究目的和意义，对谷物流量测量装置 的国内外研究现状进行了归类总结。最后针对本研究给出了具体的研究内容和研 究方法。 7 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 第二章升运器与谷物籽粒的离散元建模 冲量式谷物质量流量测量方法在欧美的农业机械领域中已经得到广泛应用， 在我国还处于研发阶段，尚无成熟产品问世。谷物质量流量传感器的测量精度难 于提高的主要的原因在于，对于冲量法测量过程作了大量假设，科学工作者对谷 物与承载板的冲击作用过程缺乏更深入的定量认识。目前对冲量式谷物质量流量 传感器的研究主要依靠试验。试验研究固然可以很好地为传感器的设计提供客观 依据，但存在成本高、周期长、细观过程无法检测的弱点。完全依赖试验研究显 然成了谷物质量流量传感器精度提高的技术瓶颈。 本章将针对冲量式谷物质量流量测量方法进行离散元建模，为离散元模拟建 立基础，共分两点内容： 说明了离散元建模中使用的接触力学模型； 在e d e m 中建立了三维水稻籽粒模型和升运器模型。 2 1 冲量式谷物质量流量测量原理 冲量式谷物质量流量传感器的工作机构简图见图2 1 ，图中1 谷物2 刮板式 升运器3 承载板4 弹性元件。谷物对承载板的作用力可以分解为垂直于承载板的 法向力e 和沿着承载板的切向力e 。谷物流量传感器安装于升运器出粮口，谷物 经过升运器的运送后打击到承载板上，在一乞时间段内，假设谷物与承载板碰撞 后在垂直于承载板方向上碰撞前后速度差一定，根据冲量定理得到： 8 图2 1 机械机构简图 f i g 2 1m e c h a n i c a ls t r u c t u r ed i a g r a m 1 谷物2 刮板式升运器3 承载板4 弹性元件 兰茎垄堂塑主堂堡垒查 j ：2 郫渺= 垅( 一) ( 2 1 ) 其中：f 1 t e ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 是判断球体1 与球体2 分离的条件，当此式成立，两球即刻分离。 为两球体问的静摩擦系数。 综上所述，计算中需要人工设定剪切模量g 、泊松比矿、密度p 、球体半径尺、 静摩擦系数、恢复系数e ，进而计算法向和切向接触力。 2 4 材料特性选取与参数设定 模拟之前，需要定义刮板、水稻籽粒、承载板、壳体、皮带的材料特性，互 相作用的恢复系数e ，静摩擦系数等。在离散元法中假设所有材料为各向同性 材料，承载板采用工程塑料赛璐珞板、刮板采用q 2 3 5 碳素结构钢。具体的参数 列表见表2 2 。 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 4 1 水稻籽粒材料特性确定 水稻籽粒的材料特性较难确定，参考农业物料学，密度的定义为：物体 每单位体积内所具有的质量称为密度【叫。根据体积测量方法不同，密度有不同的 定义。 ( 一) 容积密度( b u l kd e n s i t y ) ，它是把试料装入已知体积的容积内，测量装 入容器内的物料质量，根据容器体积和物料质量求得的密度，一般用见表示。由 于容器和充填方法不同，其值也不同。因此必须对测定标准和充填方法加以规定。 ( 二) 粒子密度( p a r t i c l ed e n s i t y ) ，它是根据物料实际体积( 包括物料内部 空洞) 和质量求出的密度，一般用以表示，简称密度。 表2 2 仿真参数 n h22s i m t d a t i o np a r a m e t e r s 参数属性参数名称单位数值 系统参数 籽粒属性 承载板属性 ( 赛璐珞) 相互作用 刮板和壳体属性 ( q 2 3 5 ) 皮带属性1 6 3 ( 橡胶) 升运器的线速度v ( m s ) 水稻籽粒总质量m k g 籽粒密度岛( k g m 3 ) 剪切模量g i m p a 泊松比 密度仍( k g m 3 ) 剪切模量g 2 m _ p a 泊松比n 籽粒与承载板静摩擦系数“ 籽粒与承载板恢复系数己 籽粒与籽粒静摩擦系数从 籽粒与籽粒碰撞恢复系数己 籽粒与刮板静摩擦系数地 籽粒与刮板碰撞恢复系数已 籽粒与皮带静摩擦系数比 籽粒与皮带碰撞恢复系数巳 密度岛( k g m 3 ) 剪切模量g ，m p a 泊松比 亳囊p | ( k g m 3 ) 剪切模量g 。r m p a 泊松比屹 0 5 ，1 0 ，1 5 0 1 8 0 6 3 1 0 0 0 1 0 0 0 2 5 1 3 5 0 7 0 0 0 4 0 4 0 2 0 8 0 1 o 3 0 6 0 5 0 3 7 8 5 0 7 9 0 0 0 0 3 9 3 0 5 0 4 7 其他参数 重力加速度g ( m s - 2 ) 9 8 1 ( 三) 真密度( t u r ed e n s i t y ) ，真密度又称为固体密度，它是把试料仔细粉碎 除去物料内部所占体积求得的密度，一般用尼表示。 冲量式谷物质量流量测量装置设计研究 水稻籽粒密度的选取 本文模拟采用的是水稻武粳1 3 籽粒的粒子密度。水稻籽粒的粒子密度在湿基 含水量为8 6 9 2 时为畔1 1 3 5 8 1 3 8 6 k g m 3 ，大于水的密度，秋收时武粳1 3 含水 量约为【5 6 1 2 4 5 ( 湿基) ，可以推断其密度小于1 3 5 8 k g i n 3 。这里选取籽粒密度为 1 0 0 0 k g m 3 。 水稻籽粒弹性模量及泊松比的选取 各个品种水稻籽粒的弹性模量平均值约为【6 5 1 3 0 9 m p a 。通过试验得出【6 5 1 ，在 含水量为1 4 5 ( 湿基) 时，不同品种水稻的弹性模量差别很大，从1 8 4 2 9 m p a 到4 1 1 3 2 m p a 。本文的选择在含水量为2 4 5 时的弹性模量，选择2 5 0 m p a ，按照 公式( 2 6 ) 计算得到剪切模量为l o o m p a 。选择泊松比【3 9 1 0 2 5 。 基于h e r t z 接触理论，对水稻籽粒模型提出以下假设： ( 1 ) 表面光滑无摩擦； ( 2 ) 密度均匀，各向同性； ( 3 ) 准刚性体( 计算过程中保持形状和体积不变) ； ( 4 ) 小应变( 两颗粒重叠尺寸远远小于水稻半径) 。 2 4 2 静摩擦系数的确定 一般作物( 稻、麦、玉米、高粱、谷子、大豆、花生等) 对钢或木料的摩擦 系数概值为0 3 0 6 ，一般作物茎杆对钢或木料的摩擦系数概值为0 4 0 8 ，静摩擦 系数在动摩擦系数的基础之上有所增大【6 3 1 。表2 2 的静摩擦系数参照以上指标选 取。 2 4 3 恢复系数的确定 颗粒碰撞的研究可以追溯到牛顿的研究工作。早期的动量守恒定理是撞击理 论的基础，其主要假设是物体是刚性的，撞击持续时间为零。单独使用动量守恒 定理不足以确定碰撞后颗粒各自的速度，因此初等碰撞理论仅考虑两种极限情况： 完全弹性碰撞和完全非弹性碰撞。通常的碰撞既不是完全弹性碰撞，也不是完全 非弹性碰撞。初始动能的损失是牛顿通过恢复系数e 的引入来实现的。牛顿经过 试验总结提出碰撞定律，碰撞后两球的分离速率( v 2 一h ) 与碰撞前两球的接近速率 ( 一h 。) 成正比，比值e 即为两球的碰撞恢复系数。e 是对能量损失的综合概念， 江苏大学硕士学位论文 可包括不同的能量损失，如材料的黏弹性、接触面的塑性变形和两个物体之间的 振动等，因此恢复系数不仅依赖于材料的固有特性，还取决于接触面的几何性质 和撞击速度等。 碰撞恢复系数在颗粒流、化学工程等众多领域研究非常广泛，并提出了众多 的计算公式。虽然对于恢复系数的确定有很多理论计算公式，但是由于目前对于 水稻的碰撞恢复系数研究尚不成熟，缺乏必要的理论基础，实际碰撞情况复杂多 变，需要考虑的因