基于离散元方法的玉米种子圆柱分级仿真分析与实验研究：关于玉米种子圆柱分级的研究

《PLOS One》：Simulation analysis and experimental study on cylinder grading of maize seeds based on discrete element method: A study on cylindrical grading of maize seeds

玉米种子圆柱分级机中离散元法模拟与参数优化研究。采用EDEM 2018软件建立玉米种子和分级机三维模型，通过正交实验分析转速、倾角、喂料率对分级效率的影响，发现倾角>转速>喂料率的显著影响顺序，交互作用分析表明倾角与转速的耦合效应最显著。优化参数为转速47.08r/min、倾角0.52°、喂料率303.07g/s，模拟预测分级合格率达97.24%，实验验证实际合格率为93.83%，相对误差低于4%。研究揭示了种子尺寸对运动轨迹和分布均匀性的影响规律，为农用机械设计提供理论支撑。

　　在农业生产中，玉米种子的分级是一项至关重要的环节，它直接影响种子的质量、播种效率以及最终的作物产量。目前，玉米种子的分级多采用圆筒式分级机，这种设备以其结构简单、分级精度高、运行可靠以及便于清洁等优点而被广泛使用。然而，在实际操作中，由于对种子在圆筒内部运动和分布规律的理解尚不充分，导致设备的运行参数调整往往依赖于经验，从而引发诸如分级效率低、操作性能不稳定等问题，难以满足现代农业生产的高要求。为了解决这一问题，研究者们开始利用先进的仿真技术，如离散元方法（Discrete Element Method, DEM），来更精确地模拟和分析种子在圆筒中的运动状态和分布特性。

本研究通过实验手段确定了影响玉米种子在圆筒分级过程中的关键仿真参数，包括种子的物理特性以及圆筒的结构参数。在EDEM 2018仿真软件中，构建了玉米种子与圆筒的离散元模型，以分析种子在不同操作参数下的运动速度和变异系数（Coefficient of Variation, CV）。操作参数主要包括圆筒的旋转速度、倾斜角度和喂料速率。通过改变这些参数，研究者对种子在圆筒中的运动轨迹和分布状态进行了详细分析，从而揭示了它们对分级合格率的影响程度。

研究发现，倾斜角度对分级合格率的影响最为显著，其次是旋转速度，而喂料速率的影响相对较小。此外，倾斜角度与旋转速度之间的相互作用对分级效果具有显著影响，而其他参数之间的相互作用则未表现出明显影响。这表明，优化圆筒的倾斜角度和旋转速度可以有效提高种子的分级质量。在本研究中，通过离散元模拟和正交实验相结合的方法，确定了最佳参数组合：旋转速度为47.08转/分钟，倾斜角度为0.52度，喂料速率为303.07克/秒。这一参数组合在理论上实现了97.24%的分级合格率，而在实际验证实验中，分级合格率为93.83%，实验值与预测值之间的相对误差小于4%。这一结果验证了离散元方法在分析玉米种子运动动态中的有效性，同时也为未来相关研究提供了重要的参考依据。

玉米种子在圆筒中的运动和分布规律是影响分级效果的关键因素。研究通过实验和仿真相结合的方式，系统地分析了不同操作参数对种子运动速度和分布均匀性的影响。种子的运动速度和分布情况在圆筒的不同方向上表现出不同的变化趋势。例如，在旋转速度变化的情况下，小粒径种子的平均周向速度和轴向速度表现出较大的波动，而大粒径种子的运动则相对稳定。这一现象可能与种子的惯性、摩擦特性以及在圆筒内部的相互作用有关。小粒径种子由于质量较小，容易受到碰撞和摩擦的影响，导致其在不同速度条件下的运动轨迹变化较大，而大粒径种子由于质量较大，惯性较强，因此在低速下更容易保持稳定的分布状态。

倾斜角度的变化同样对种子的运动和分布产生显著影响。当倾斜角度增加时，种子的周向速度普遍上升，而轴向速度则表现出不同的变化趋势。小粒径种子在倾斜角度变化时，其分布均匀性受到影响较大，而大粒径种子则表现出相对稳定的分布状态。这表明，在优化圆筒分级机的性能时，需要综合考虑种子的粒径和倾斜角度之间的相互作用。此外，喂料速率对种子的分布均匀性也有一定影响，但其作用程度低于旋转速度和倾斜角度。随着喂料速率的增加，种子的分布模式会发生变化，小粒径种子的变异系数显著增加，而大粒径种子的变异系数则相对较小。

本研究还探讨了种子在圆筒内部的运动机制，包括种子与圆筒壁之间的相互作用、种子之间的碰撞以及种子在圆筒中的混合与分离过程。通过分析种子的运动轨迹和分布模式，研究者能够更深入地理解种子在圆筒中的行为，从而为优化分级参数提供理论支持。例如，种子在圆筒内部的运动受到多种力的作用，包括重力、离心力、摩擦力以及碰撞力等。这些力的相互作用决定了种子在圆筒中的分布状态和运动轨迹。通过仿真和实验验证，研究确认了倾斜角度和旋转速度的优化组合能够有效提高种子的分级效率和均匀性。

在实际应用中，圆筒分级机的性能优化不仅依赖于对种子运动规律的理解，还需要考虑设备的结构设计和操作条件。例如，圆筒的直径、长度以及筛孔的大小都会影响种子的运动和分布。研究中采用的圆筒直径为450毫米，长度为1500毫米，筛孔直径为8毫米，这些参数在实验中得到了验证，并且对种子的分级效果具有重要影响。此外，种子的物理特性，如弹性模量、泊松比、静摩擦系数和动摩擦系数，也对运动和分布模式产生关键作用。这些参数的确定基于实验测量和理论分析，确保了仿真模型的准确性。

为了提高种子分级的效率和稳定性，研究还探讨了种子在圆筒中的接触检测和接触力计算方法。在离散元方法中，种子之间的接触关系是通过检测其相互作用来确定的。通过构建种子的接触模型，研究能够更精确地模拟种子在圆筒中的运动行为。此外，研究还分析了种子在不同操作条件下的分布均匀性，使用变异系数（CV）作为衡量指标。CV值越小，表示种子的分布越均匀，因此在优化参数组合时，需要确保种子在圆筒中的分布尽可能均匀，以提高分级的准确性。

在实验验证阶段，研究者构建了实际的圆筒分级实验装置，并按照优化后的参数组合进行了实验。实验结果表明，实际分级合格率与仿真预测值之间的相对误差低于4%，说明仿真模型在实际应用中具有较高的可靠性。这一结果不仅验证了离散元方法在分析种子运动和分布方面的有效性，也为圆筒分级机的进一步优化提供了理论依据。此外，研究还指出，由于实验条件的限制，本研究未考虑种子的品种、形状、含水量和密度等因素对运动模式的影响。因此，未来的研究可以进一步探讨这些因素对种子分级效果的影响，以期建立更全面的模型。

总的来说，本研究通过离散元方法和实验验证相结合，深入分析了玉米种子在圆筒分级机中的运动和分布规律。研究结果表明，倾斜角度、旋转速度和喂料速率是影响种子分级效果的主要因素，其中倾斜角度的影响最大。通过优化这些参数，可以显著提高种子的分级合格率，从而提升圆筒分级机的运行效率和稳定性。本研究不仅为玉米种子的分级提供了科学依据，也为其他颗粒材料在圆筒中的运动和分布研究提供了参考。未来，随着仿真技术的不断发展和实验条件的进一步优化，圆筒分级机的性能有望得到更进一步的提升，为现代农业生产提供更加高效的种子分级解决方案。