白星花金龜幼蟲作為一種腐食性昆蟲，整個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，可將殘膜混合物變成易篩分的殘膜、蟲體、蟲砂和殘渣，從而實現(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)用離散元法對白星花金龜幼蟲-蟲砂進行參數(shù)標定對于篩分裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化具有重要意義。

     近日，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院謝建華教授團隊在《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。通過物理試驗與仿真試驗相結(jié)合的方法，應(yīng)用EDEM軟件對白星花金龜幼蟲-蟲砂混料的本征參數(shù)及接觸參數(shù)進行標定。以堆積角和物料篩分時間為響應(yīng)值，選用“Hertz-Mindlin with JKR”作為接觸模型，應(yīng)用 Plackett-Burman 設(shè)計試驗、最陡爬坡試驗和 Box-Behnken 試驗獲得較優(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理分析、篩分裝備的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，同時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

       通過萬能試驗機對白星花金龜幼蟲-蟲砂混料進行圓筒提升試驗，獲得白星花金龜幼蟲-蟲砂混料的實際堆積角，利用高清相機拍攝混料的前視圖像，將前視圖像導(dǎo)入Matlab軟件進行灰度處理、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坐標值，再將輪廓坐標值轉(zhuǎn)化為點線圖并進行線性擬合，獲得堆積角實際數(shù)值為27.67。

圖2 靜、動摩擦系數(shù)測量

圖3 碰撞恢復(fù)系數(shù)測量

通過斜面滑動/滾動試驗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、動摩擦系數(shù)為0.435/0.167；通過自由落體碰撞試驗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；通過細線懸掛碰撞試驗測得幼蟲間碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.185。

圖4 堆積角仿真試驗與對比

圖5 物料篩分與仿真驗證試驗

通過Plackett-Burman試驗、最陡爬坡試驗、Box-Behnken 響應(yīng)面分析試驗獲得較優(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，通過物料篩分對比試驗驗證參數(shù)標定的準確性，試驗結(jié)果表明兩種試驗相對誤差均小于5%。

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