文正彪+劉楓+張?zhí)K+張亮+王新陽(yáng)

摘 要：為了深入探討振動(dòng)—?dú)馕饺藚⒉シN機(jī)播種的運(yùn)動(dòng)情況，通過(guò)離散元軟件建立播種模型，需測(cè)出人參種的力學(xué)參數(shù)：種子摩擦系數(shù)、種剛度系數(shù)、彈性模量、碰撞恢復(fù)系數(shù)等，以及建立模型加以仿真，導(dǎo)出工作過(guò)程，以期為氣吸式人參播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況提供借鑒。本文選取東北長(zhǎng)白山地區(qū)參農(nóng)常種植的人參樣本主要是：西洋參、林下參、園參的參數(shù)測(cè)量試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 摩擦系數(shù)；剛度系數(shù)；人參種

中圖分類號(hào)：S-3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20171132002

引言

農(nóng)作物種子的摩擦系數(shù)、剛度系數(shù)在種子的儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)仍S多環(huán)節(jié)中都是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。無(wú)論是土壤耕作機(jī)械、作物收獲機(jī)械還是粉碎機(jī)械等，影響其工藝過(guò)程發(fā)生變化的要素之一就是被加工物料在這些機(jī)械工作部件摩擦表面上的運(yùn)動(dòng)。因此，物料在工作部件之間的摩擦特性以及剛度對(duì)確定和選擇工作表面的參數(shù)，使之有效地完成預(yù)定加工工藝是十分重要的；本文決定對(duì)振動(dòng)氣吸式人參播種機(jī)做參數(shù)優(yōu)化性處理提前做貢獻(xiàn)。

1 靜摩擦系數(shù)的測(cè)量

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

鐵板、硬質(zhì)塑料板、玻璃板、鋼板尺、自制可調(diào)節(jié)傾斜試驗(yàn)臺(tái)。

1.2 試驗(yàn)方法

在平整的桌面上放好自制實(shí)驗(yàn)臺(tái)，調(diào)節(jié)好底板的水平度。用尺子測(cè)出豎直支架和傾斜支架的長(zhǎng)度。取少許品種放在傾斜板上，讓樣本在不同的材料上由水平向下緩慢傾斜，直到樣本滑出材料，測(cè)出支架兩端的高度原理如圖 2 所示。根據(jù)三角公式即可求出傾斜支架的角度。按照不同的人參品種分別于鐵板、有機(jī)玻璃、硬質(zhì)塑料板進(jìn)行靜摩擦試驗(yàn)，每組20次，最后取平均值作為參數(shù)。

對(duì)傾斜工作臺(tái)上的人參種進(jìn)行受力分析，畫(huà)出動(dòng)力學(xué)分析圖，工作原理如圖3所示。當(dāng)種子在斜面上靜止時(shí)，如果忽略空氣阻力，它所受的力包括重力mg，支持力N，靜摩擦力f與重力mg垂直于斜面的分力之比為靜摩擦系數(shù)。

需要測(cè)量種子與某種板材的靜摩擦系數(shù)時(shí)，把樣品板放在傾斜支架進(jìn)行固定，種子放在水平支架上然后緩慢放下傾斜支架，直到種子瞬間滑落，在人參種子滑落瞬間根據(jù)動(dòng)力原理有：

f=F=mgsin；

N=mgcos；

F=μN(yùn)；

所以，靜摩擦系數(shù)μ=f/N=mgsin/mgcos=tan

根據(jù)原理圖，只要測(cè)出試驗(yàn)臺(tái)的H1、H2的高度，就能間接算出h1的高度，然后測(cè)量h1的高度，并且利用公式計(jì)算得到靜摩擦系數(shù)。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

1.4 結(jié)論

選用的3種材料都是具有代表性，都是在做種箱時(shí)用到的材料。對(duì)于鐵板而言西洋參的平均靜摩擦系數(shù)最大，然后是園參。對(duì)于有機(jī)玻璃而言也是同樣的結(jié)論，但對(duì)于塑料來(lái)說(shuō)林下參的最大，然后是元參。整體而言有機(jī)玻璃、鐵板、硬質(zhì)塑料的靜摩擦系數(shù)呈均勻性增加趨勢(shì)。

2 剛度系數(shù)的測(cè)定

剛度是指材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在載荷作用下抵抗變形的能力，材料所受載荷與在載荷作用下產(chǎn)生的變形比值即為剛度系數(shù)。各向同性材料的剛度取決于它的拉壓彈性模量 E和剪切彈性模量 G。結(jié)構(gòu)的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關(guān)。農(nóng)作物種子屬于多相、非均勻、各向異性的材料，研究它的剛度完全用理論分析和計(jì)算的方法是比較困難的，一般均采用試驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行。在離散元法中，需要知道種子的法向剛度系數(shù)和切向剛度系數(shù)，限于試驗(yàn)條件，本文進(jìn)行了3種不同品種不同放置方向剛度系數(shù)的測(cè)試。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

型號(hào)為RTC-3020D物性分析儀、 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)軟件。

2.2 試驗(yàn)方法

人參的種子可近似為扁平立狀的圖形，不同品種其形態(tài)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對(duì)其3軸都進(jìn)行壓縮試驗(yàn)人參種子進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)時(shí)要求施加的載荷方向與壓縮軸是同軸的不能使種子產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，其種子可按正放、立放、側(cè)放3種不同形式進(jìn)行壓縮。

將物性分析儀器與電腦連接，打開(kāi)電腦上動(dòng)態(tài)信號(hào)分析軟件。調(diào)整連接好儀器，在物性分析儀開(kāi)始工作的時(shí)候用小鑷子夾住人參種子按下動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀軟件的開(kāi)始鍵，物性分析儀上對(duì)種子的壓縮力隨時(shí)間的關(guān)系將會(huì)在動(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)上以圖形的形式呈現(xiàn)。

任意選取人參種子15～20粒，每種品種的含水率不同。設(shè)置壓縮速度為2cm/min，分別對(duì)每種品種，不同方向進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，測(cè)出數(shù)據(jù)，每種測(cè)量5次左右，在整個(gè)試驗(yàn)的過(guò)程中，物性分析儀會(huì)自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄下作用在人參種子上的載荷、人參種子的形變和載荷作用的時(shí)間，還會(huì)以曲線的形式直觀地在電腦上顯示出載荷量Fn、作用時(shí)間 t 之間的關(guān)系。根據(jù)加載速率和作用時(shí)間算出種子變形量。最后將算果剔除特異數(shù)值后取平均值。然后根據(jù)公式：

分別算出林下參、園參、西洋參的剛度系數(shù)。

2.3 結(jié)論

種子的放置方式不同剛度系數(shù)不一樣，不論品種都是正放時(shí)的剛度系數(shù)最大，立放時(shí)剛度系數(shù)最小。這可能是因?yàn)樾←湻N子正放時(shí)，種子與測(cè)試板接觸面積最大，抵抗變形的能力較強(qiáng)；種子立放時(shí)，種子與測(cè)試板接觸面積最小，且由于端部較細(xì)比較容易產(chǎn)生變形。

3 總結(jié)

對(duì)于同一種材料而言，林下參、園參、西洋參的靜摩擦系數(shù)相差不大，不同的的材料摩擦系數(shù)有差別，硬質(zhì)塑料的摩擦系數(shù)最大，普通鐵板的靜摩擦系數(shù)最小。

不同的人參品種在同樣條件下的剛度系數(shù)也有明顯的區(qū)別，說(shuō)明種子品種的不同對(duì)剛度系數(shù)也會(huì)有一定影響。種子正放時(shí)剛度系數(shù)最大，因?yàn)槭軌好婷娣e遠(yuǎn)大于側(cè)面放置和立放，承受抵抗變形的能力最強(qiáng)，因此正放時(shí)剛度系數(shù)最大，其次是側(cè)放，最后是立放。

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