白星花金龜幼蟲作為一種腐食性昆蟲，整個(gè)幼蟲期都可以取食發(fā)酵后殘膜混合物中的秸稈。目前研究表明，通過借助白星花金龜幼蟲的取食、轉(zhuǎn)化能力和“背行足推”特點(diǎn)，可將殘膜混合物變成易篩分的殘膜、蟲體、蟲砂和殘?jiān)瑥亩鴮?shí)現(xiàn)殘膜回收混合物的高效分離和產(chǎn)物的資源化利用。然而研發(fā)適用于白星花金龜蟲體、蟲砂和殘膜轉(zhuǎn)化物的篩分裝置對(duì)殘膜的資源化利用至關(guān)重要。在此背景下，應(yīng)用離散元法對(duì)白星花金龜幼蟲-蟲砂進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定對(duì)于篩分裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

     近日，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院謝建華教授團(tuán)隊(duì)在《International Journal of Agricultural and Biological Engineering》發(fā)表了題為“Parameter calibration and experimental verification of discrete element simulation model for Protaetia brevitarsis larvae bioconversion mixture”的研究論文。通過物理試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方法，應(yīng)用EDEM軟件對(duì)白星花金龜幼蟲-蟲砂混料的本征參數(shù)及接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。以堆積角和物料篩分時(shí)間為響應(yīng)值，選用“Hertz-Mindlin with JKR”作為接觸模型，應(yīng)用 Plackett-Burman 設(shè)計(jì)試驗(yàn)、最陡爬坡試驗(yàn)和 Box-Behnken 試驗(yàn)獲得較優(yōu)的白星花金龜幼蟲-蟲砂混料離散元仿真模型參數(shù)，為白星花金龜幼蟲轉(zhuǎn)化殘膜混合物后混合物料的篩分機(jī)理分析、篩分裝備的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他昆蟲類物料的離散元建模提供參考。

圖1 白星花金龜及蟲砂堆積角物理試驗(yàn)

       通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)白星花金龜幼蟲-蟲砂混料進(jìn)行圓筒提升試驗(yàn)，獲得白星花金龜幼蟲-蟲砂混料的實(shí)際堆積角，利用高清相機(jī)拍攝混料的前視圖像，將前視圖像導(dǎo)入Matlab軟件進(jìn)行灰度處理、二值化處理、孔洞填充、提取邊界輪廓操作后，將輪廓圖導(dǎo)入Origin軟件后獲取輪廓各點(diǎn)坐標(biāo)值，再將輪廓坐標(biāo)值轉(zhuǎn)化為點(diǎn)線圖并進(jìn)行線性擬合，獲得堆積角實(shí)際數(shù)值為27.67。

圖2 靜、動(dòng)摩擦系數(shù)測量

圖3 碰撞恢復(fù)系數(shù)測量

通過斜面滑動(dòng)/滾動(dòng)試驗(yàn)測得白星花金龜幼蟲-蟲砂與鋼的靜摩擦系數(shù)分別為0.325/0.625、動(dòng)摩擦系數(shù)為0.435/0.167；通過自由落體碰撞試驗(yàn)測得白星花金龜幼蟲-蟲砂與鋼的碰撞恢復(fù)系數(shù)分別為0.223/0.387；通過細(xì)線懸掛碰撞試驗(yàn)測得幼蟲間碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.185。

圖4 堆積角仿真試驗(yàn)與對(duì)比

圖5 物料篩分與仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

通過Plackett-Burman試驗(yàn)、最陡爬坡試驗(yàn)、Box-Behnken 響應(yīng)面分析試驗(yàn)獲得較優(yōu)的白星花金龜幼蟲-蟲砂混料離散元仿真模型參數(shù)。研制一種分段滾筒式氣力協(xié)助白星花金龜幼蟲轉(zhuǎn)化混合物分離裝置，通過物料篩分對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)標(biāo)定的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)結(jié)果表明兩種試驗(yàn)相對(duì)誤差均小于5%。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)2022級(jí)碩士研究生李沅澤為第一作者，機(jī)電工程學(xué)院謝建華教授為通訊作者。該研究得到自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)（2022B02046）的支持。