離散元模擬振動幅值對玉米種群運(yùn)動速度的影響

張 濤，劉 飛，劉月琴，趙滿全，李鳳麗，張 勇，周 鵬

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

離散元模擬振動幅值對玉米種群運(yùn)動速度的影響

張 濤，劉 飛，劉月琴，趙滿全，李鳳麗，張 勇，周 鵬

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

排種器是免耕播種機(jī)的重要組成部分，排種盤吸種性能直接影響免耕播種機(jī)播種合格率。排種室內(nèi)種群運(yùn)動速度對排種盤吸種性能影響較大，而振動是影響種群運(yùn)動速度的重要因素。為此，應(yīng)用離散元軟件模擬排種室內(nèi)玉米種群的運(yùn)動，得到排種盤和攪種輪轉(zhuǎn)速為17.8 r/min，排種室內(nèi)充種3 750粒，排種器振動頻率為15Hz，振動幅值分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4mm時(shí)，振動幅值對排種室內(nèi)種群運(yùn)動的影響。通過離散元軟件后處理模塊得到4 s時(shí)間內(nèi)，以0.02 s為間隔所有時(shí)間點(diǎn)的玉米種群運(yùn)動最大速度、最小速度、平均速度和豎直方向玉米種群最大速度、最小速度，由Origin軟件得到排種室內(nèi)玉米種群速度與振動幅值的擬合曲線。模擬結(jié)果表明：玉米種群最大速度、最小速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化；玉米種群平均速度和豎直方向種群最大速度與排種器振動幅值呈線性關(guān)系；振動幅值大于2mm時(shí)，豎直方向種群最小速度基本保持不變。本次仿真為室內(nèi)排種試驗(yàn)振動幅值的選擇提供了依據(jù)。

排種器；離散元；種群運(yùn)動；振動

0 引言

免耕播種作業(yè)具有節(jié)省作業(yè)費(fèi)、降低生產(chǎn)成本及增強(qiáng)土壤蓄水保墑能力等優(yōu)點(diǎn)，在我國得到了大力推廣[1]。免耕播種機(jī)排種器的精量排種性能是影響其作業(yè)質(zhì)量的重要因素。氣吸式排種器具有適應(yīng)性強(qiáng)、省種、不傷種子、作業(yè)速度高和對種子尺寸要求不高的特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用，所以優(yōu)化氣吸式排種器能夠提高免耕播種的作業(yè)質(zhì)量。

由于免耕地表根茬的存在，播種機(jī)整體的振動狀態(tài)與傳統(tǒng)耕作土地有較大差異。排種器振動幅值的大小影響種群運(yùn)動狀態(tài)，從而對排種器吸種性能的影響較大[2～3]。前人對排種器振動的研究主要有：陳晨[4]等以大豆種子為研究對象，應(yīng)用離散元軟件模擬了排種室內(nèi)種群運(yùn)動；劉文忠[5]等人通過正交試驗(yàn)得到排種盤轉(zhuǎn)速為21.7r/min 時(shí)排種效果最好，合格率達(dá)到 91.26%；胡永文[6]等人通過試驗(yàn)得到， 振動最大位移為 2.11mm；陳進(jìn)[7]等應(yīng)用離散元方法，以水稻種群為研究對象，對氣吸式精密播種機(jī)振動盤上種群的“沸騰”進(jìn)行了研究，得到了吸種盤與振動種盤的較好參數(shù)組合。

本文應(yīng)用離散元軟件模擬了玉米種群的運(yùn)動，得到振動頻率為15 Hz時(shí)排種器振動幅值對排種室內(nèi)種群運(yùn)動速度的影響。

1 氣吸式排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理

本文仿真應(yīng)用的排種器模型為垂直圓盤氣吸式排種器，主要由排種盤、攪種輪、排種盤軸、排種器殼體、吸氣管、刮種裝置和種箱組成。

垂直圓盤氣吸式排種器主要工作部件為排種盤，排種盤上的排種孔連接種子室與負(fù)壓室，排種盤下側(cè)為大氣壓區(qū)域。排種作業(yè)時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓通過吸氣管傳遞到負(fù)壓室，再通過排種盤上的吸種孔對種群產(chǎn)生吸力；當(dāng)種群中的1粒種子恰好將吸種口堵住，此時(shí)負(fù)壓氣流對此種子的吸力較大，使此種子吸附于吸種孔而隨排種盤轉(zhuǎn)動；當(dāng)此種子隨排種盤轉(zhuǎn)動到的大氣壓區(qū)域時(shí)，種子依靠自身重力落入與排種器下端連接的導(dǎo)種管內(nèi)，完成排種作業(yè)[8]。

攪種輪結(jié)構(gòu)為帶凸起的小圓盤，與排種盤螺栓連接從而與排種盤一起轉(zhuǎn)動，可增加排種室內(nèi)種群的流動性，且防止種子架空。若1個(gè)吸種孔吸附的種子多于1粒，由刮種裝置將多余種子刮掉。

2 離散元模擬方案

2.1 離散元方法簡介

離散元方法是一種不連續(xù)的數(shù)值計(jì)算方法，其根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論計(jì)算離散的顆粒物料與幾何體模型的速度、受力和位移等試驗(yàn)中較難得到的物理量。田間試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)都很難得到排種器內(nèi)種群整體的運(yùn)動速度，應(yīng)用離散元方法對排種器不同振動幅值進(jìn)行仿真，可以得到玉米種群的運(yùn)動速度狀態(tài)[9-10]。

2.2 模擬方法

根據(jù)前人研究結(jié)果和田間試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，設(shè)置本次仿真排種盤和攪種輪轉(zhuǎn)速為17.8 r/min(播種機(jī)作業(yè)速度為5km/h)，排種室內(nèi)充種3 750粒(種群靜止時(shí)，種群上平面基本達(dá)到排種盤軸中點(diǎn))。排種器整體振動頻率為15Hz，振動幅值分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 mm，用離散元軟件做8次仿真試驗(yàn)。用離散元軟件的后處理模塊，以0.02 s為間隔，得到各個(gè)時(shí)刻玉米種群最大速度、種群最小速度、種群平均速度和豎直方向的玉米種群最大速度、種群最小速度[11-12]。

2.3 物料物理參數(shù)設(shè)置

離散元仿真時(shí)，設(shè)置玉米種子之間的接觸力學(xué)模型、玉米種子與排種器之間的接觸力學(xué)模型，都為Hertz-Mindin(no slip)but in模型[13]。仿真計(jì)算時(shí)，垂直圓盤氣吸式排種器與玉米種子接觸的零件為排種盤和前殼體，材料分別為鋼和有機(jī)玻璃。根據(jù)前人試驗(yàn)測試結(jié)果，本次仿真設(shè)置上述幾種材料的物理參數(shù)如表1所示，物料間的接觸參數(shù)如表2所示[14]。

表1 仿真材料參數(shù)設(shè)置

表2 仿真材料接觸參數(shù)設(shè)置

2.4 建立玉米種子離散元模型

離散元中顆粒的模型為玉米種子，其尺寸為測量的真實(shí)玉米種子的尺寸。本文以20粒真實(shí)玉米種子的長、寬、高作為離散元顆粒尺寸的依據(jù)，離散元顆粒模型應(yīng)用15個(gè)圓球面疊加建立，離散元軟件建立的玉米種子顆粒模型如圖1所示[15]。

圖1 離散元仿真顆粒模型Fig.1 Model of discrete element simulation

2.5 幾何體設(shè)置

由于排種器零件較多，將排種器三維模型導(dǎo)入離散元軟件后，對計(jì)算種群運(yùn)動沒有影響的零件合并處理，可提高計(jì)算速度和簡化材料設(shè)置步驟。根據(jù)排種器實(shí)體結(jié)構(gòu)的不同，將排種盤軸、排種器后面的殼體、吸氣管、刮種裝置合并為一部分，設(shè)置材料為鋼；其余與種群接觸零件單獨(dú)設(shè)置，排種盤材料設(shè)置為鋼，攪種輪材料設(shè)置為塑料，排種器前面殼體的材料設(shè)置為有機(jī)玻璃。

排種盤和攪種輪動力為17.8r/min 的定軸轉(zhuǎn)動，且4個(gè)部分整體進(jìn)行正弦振動，正弦振動的振動頻率為15Hz，振動幅值分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4mm，做8次仿真試驗(yàn)[16-17]。

2.6 顆粒工廠設(shè)置與仿真計(jì)算

設(shè)置玉米種子的總數(shù)量為3 750粒，仿真時(shí)間步長為2×10-6s，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為6.4mm[18-19]。離散元軟件計(jì)算2s后，玉米種群的左邊明顯高于右邊。離散元軟件計(jì)算5s后結(jié)果如圖2所示。

圖2 離散元計(jì)算的種群狀態(tài)Fig.2 Population status of discrete element calculation

3 離散元計(jì)算結(jié)果

3.1 計(jì)算結(jié)果

通過離散元后處理模塊，以0.02s為間隔，得到運(yùn)動較平穩(wěn)階段的2～6s內(nèi)每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)玉米種群最大速度、種群最小速度、種群平均速度和豎直方向的玉米種群最大速度、種群最小速度。

將2～6 s時(shí)間段平均劃分為200個(gè)時(shí)間點(diǎn)，由離散元后處理軟件得到每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的種群速度，將所有點(diǎn)的速度導(dǎo)出為CSV格式數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。玉米種群最大速度、種群最小速度、種群平均速度如表3所示，豎直方向的玉米種群最大速度、種群最小速度如表4所示。

由仿真結(jié)果得到：隨著振動幅值的增加，豎直方向種群運(yùn)動最大速度變大；振動幅值大于2mm時(shí)，豎直方向種群運(yùn)動最小速度基本不變。

表3 玉米種群絕對速度仿真結(jié)果

表4 玉米種群豎直方向速度仿真結(jié)果

3.2 種群最大速度與振動幅值二次曲線擬合

由離散元軟件后處理部分得到種群絕對速度最大值，為找到種群絕對速度最大值隨振動幅值的變化規(guī)律，應(yīng)用Origin軟件得到的擬合曲線如圖3所示。

圖3 種群最大速度與振動幅值擬合曲線Fig.3 Fitting curve of maximum speed and amplitude of the population

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=-48.69612+201.07908x-27.9506x2，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.97473。由擬合曲線可以得到：玉米種群最大速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化；隨著振動幅值的增大，二次曲線的斜率變??；當(dāng)排種器振動幅值小于2 mm時(shí)，曲線斜率較大；當(dāng)排種器振動幅值大于2mm時(shí)，曲線斜率變小。

3.3 種群最小速度與振動幅值二次曲線擬合

由離散元軟件后處理部分得到玉米種群絕對速度最小值，應(yīng)用Origin軟件得到種群絕對速度最大值隨振動幅值的變化的擬合曲線，如圖4所示。

圖4 種群最小速度與振動幅值擬合曲線Fig.4 The fitting curve of the minimum velocity and amplitude of the population

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=8.53681-7.41233x+5.11254x2，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.98854。由擬合曲線可以得到：玉米種群最小速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化；隨著振動幅值的增大，二次曲線的曲率變?。慌欧N器振動幅值小于2mm時(shí)，曲線曲率較小，排種器振動幅值大于2mm時(shí)，曲線曲率變大。

3.4 種群平均速度與振動幅值線性擬合

由離散元軟件后處理部分得到玉米種平均速度，應(yīng)用Origin軟件得到種群平均速度與排種器振動幅值的線性擬合如圖5所示。

圖5 振動幅值變化對種群平均速度的影響Fig.5 Effects of vibration amplitude change on population mean velocity

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=29.57911+42.02012x，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.917150。由擬合曲線可以得到：玉米種群平均速度與排種器振動幅值呈線性變化；隨著振動幅值的增大，玉米種群平均速度線性增大。

3.5 種群豎直方向最大速度與振動幅值線性擬合

由離散元軟件后處理部分得到種豎直方向最大速度，隨振幅的增大，種群豎直方向最大速度的線性增大，擬合曲線如圖6所示。

圖6 種群豎直方向最大速度與振動幅值的線性擬合Fig.6 Linear fitting of the maximum velocity and amplitude in the vertical direction of the population

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=28.63225+74.85901x，擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.96454。由擬合曲線可以得到：種群豎直方向最大速度，隨排種器振動幅值增大而線性增大。

3.6 種群豎直方向最小速度隨振動幅值的變化

由Origin軟件得到種群豎直方向最大小速度隨振動幅值的變化，如圖7所示。

圖7 種群豎直方向最小速度隨振動幅值的變化Fig.7 The variation of the minimum velocity of the vertical direction with the amplitude of the population

由種群豎直方向最小速度隨振動幅值的變化得到：當(dāng)振動幅值小于2mm時(shí)，種群豎直方向最小速度與排種器振動幅值呈線性變化；振動幅值小于2mm時(shí)，種群豎直方向最小速度基本保持不變。

綜上所述，隨著排種器振動幅值的增大，種群運(yùn)動速度的絕對值增大。玉米種群最大速度、最小速度隨排種器振動幅值的增大，呈二次曲線增加；玉米種群平均速度和豎直方向種群最大速度隨排種器振動幅值的增大，線性增大；振動幅值高于2mm時(shí)，豎直方向種群最小速度基本保持不變。

4 結(jié)論

1)排種器振動幅值由0.5mm增大到4mm時(shí)，種子室內(nèi)玉米種群最大速度呈二次曲線增加，曲線斜率逐漸變小。

2)玉米種群最小速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化。隨著振動幅值的增大，二次曲線的曲率變大。

3)排種器振動幅值由0.5mm增大到4mm時(shí)，種群平均速度、豎直方向種群最大速度隨振動幅值的增大線性增大。

4)振動幅值小于2mm時(shí)，種群豎直方向最小速度與排種器振動幅值呈線性變化；振動幅值大于2mm時(shí)，種群豎直方向最小速度基本保持不變。

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The Effect of Amplitude on the Movement Speed of Maize Population Based on Discrete Element Method

Zhang Tao, Liu Fei, Liu Yueqin, Zhao Manquan, Li Fengli, Zhang Yong, Zhou Peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Metering device is an important part of the no tillage planter, disc suction performance has a direct influence on the qualified rate of no tillage planter, population movement speed to a row of plate ceiling performance impact is larger, and the vibration is one of the most important factors to influence the population movement speed. In this paper, the application of discrete element software simulated maize population movement and get row plate and stir for wheel speed for 17.8r/min, indoor filling 3750 grain, kind of oscillation frequency is 15Hz and amplitudes were 0.5, 1, 1.5, 2.0, 2.5, 3, 3.5, 4mm, the amplitude to a row of kind of laboratory population movement. By discrete element software processing module obtains to 0.02 for interval for all time points of the maize population movement maximum speed and minimum speed, average speed, and vertical corn populations maximum speed and minimum speed. Fitting curve of the speed and amplitude of the maize population in the indoor corn by Origin software. The simulation results show that the maize population maximum speed and minimum speed and row for amplitude changes showed a quadratic curve; maize population average speed and vertical direction of the population maximum speed and exhaust device amplitude showed a linear relationship; amplitude larger than 2mm, vertical direction minimum population speed basic guarantee is held constant. This simulation provided the basis for the choice of the amplitude of the indoor test.

metering device; discrete element method; population movement; vibration

2016-09-25

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365034)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552532XB)；內(nèi)蒙古自治區(qū)博士研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(B20161012902Z)

張 濤(1988-),男(滿族)，內(nèi)蒙古喀喇沁旗人，博士研究生，(E-mail) 308685885@qq.com。

趙滿全(1955-),男,內(nèi)蒙古土右旗人,教授,博士生導(dǎo)師，(E-mail)nmgzhaomq@163.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)12-0038-05