基于EDEM的油菜播種機(jī)仿真試驗(yàn)研究

馮 巖，孫步功，張克平,2，石林榕，趙武云

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)干旱生境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 甘肅 蘭州 730070)

油菜籽是我國主要的油料作物，約占50%的國產(chǎn)植物食用油來自于油菜籽，油菜作為我國的主要經(jīng)濟(jì)作物，其機(jī)械化種植非常重要。廖慶喜等人針對傳統(tǒng)單行排種器，設(shè)計(jì)出四行離心式排種器，利用驅(qū)動軸帶動內(nèi)錐筒旋轉(zhuǎn)，在離心作用下，將種子推至出種孔排出[1]。吳明亮等人設(shè)計(jì)了2BYD-6型油菜淺耕直播聯(lián)合播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了淺耕、滅茬、開排水溝、播種和施肥聯(lián)合作業(yè)，并針對三行偏心輪型孔輪式排種器進(jìn)行油菜排種性能臺架試驗(yàn)[2-3]。郭玉明等人研制的2BX系列谷子精少量播種機(jī)，利用環(huán)槽式高頻振動和異型螺旋槽兩種類型的排種裝置控制播種量，并設(shè)計(jì)出形狀尺寸不同的槽斷面排種輪來適應(yīng)粒徑大小不同(谷子、糜子、菜籽、牧草等谷物種子)的小籽粒谷物種子的排種要求[4]。目前研究或試驗(yàn)推廣的油菜播種機(jī)針對油菜籽粒小、流動性大的特點(diǎn)，采用油菜籽與化肥均勻混合播種的方法，實(shí)現(xiàn)油菜機(jī)械式條播，機(jī)械式條播存在重播嚴(yán)重、出苗后需間苗等難以克服的問題；目前試驗(yàn)推廣的油菜穴播機(jī)，由于油菜籽含油率高，種子易受排種器的作用發(fā)生種子破損并粘附，引起排種器型孔的堵塞，導(dǎo)致漏播；由于油菜籽粒小，穴播機(jī)也容易產(chǎn)生重播。針對油菜籽播種過程中的重播和漏播等問題，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)油菜精量播種機(jī)，并應(yīng)用EDEM軟件構(gòu)建分析籽粒播種運(yùn)動；制作樣機(jī)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)。

1 單體模型及工作原理

油菜精量播種裝置以3點(diǎn)懸掛連接于輪式拖拉機(jī)后方，利用多個單體實(shí)現(xiàn)一器多行播種，播量可調(diào)。其單體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，由種箱、排種器、排種軸、導(dǎo)種管、穴播輪、支撐架、鏈傳動裝置等組成。其中排種器又由阻塞輪、排種輪、滾筒毛刷、護(hù)種板等組成。滾筒式毛刷可在油菜籽排種過程中利用自身旋轉(zhuǎn)優(yōu)勢進(jìn)行有效清種護(hù)種，減少由于種子群擾動與排種箱內(nèi)壁碰撞摩擦等造成的籽粒破損，穴播輪內(nèi)由隔板均勻分隔成獨(dú)立小室，確保種子精量播種。工作時(shí)，穴播輪和排種輪在鏈傳動裝置帶動下同步運(yùn)轉(zhuǎn)，油菜籽在重力及種間接觸力的作用下由種箱進(jìn)入型孔完成充種過程，經(jīng)排種器中滾筒毛刷清種，隨排種輪轉(zhuǎn)動通過護(hù)種板，在自身重力作用下，經(jīng)導(dǎo)種管到達(dá)穴播輪獨(dú)立小室，此時(shí)，工作鴨嘴垂直插入地面，在動力驅(qū)動下，鴨嘴張開，完成投種過程，隨后彈簧伸張，鴨嘴閉合，等待下次播種。圖1(a)中調(diào)節(jié)器3與排種器外殼相連接，通過調(diào)整排種器與種箱出種孔的相對位置選取適當(dāng)?shù)母C眼數(shù)來滿足不同播種量的需求，其單體模型如圖1(b)所示。

1.種箱； 2.排種輪； 3.調(diào)節(jié)器； 4.導(dǎo)種管； 5.穴播輪； 6.支撐架； 7.鏈傳動裝置； 8.傳動軸

1.Kinds of cases; 2.Row of kind of wheel; 3.Regulator; 4.Guide pipe; 5.Dibbling wheel; 6.Support frame; 7.Chain gearing; 8.Transmission shaft

圖1運(yùn)動單體及EDEM中簡化模型

Fig.1 Model of moving body and EDEM simplified model

根據(jù)農(nóng)藝和設(shè)計(jì)要求，油菜精量播種的合理株距為9～12 cm[5]。據(jù)公式

(1)

式中，Z為型孔數(shù)；D為地輪直徑，為0.3194 m；δ為地輪滑移系數(shù)，取0.12；Ip為傳動比，取1；S為株距，m。計(jì)算得油菜排種輪型孔數(shù)為9～12，按照合適的型孔數(shù)量，排種輪線速度相對降低，有利于提高型孔充填性能的原則，選擇Z為11，相鄰型孔對應(yīng)的中心角為32.72°，兩孔間弧距為33.68 mm。為了更好探索播種機(jī)的工作機(jī)理，設(shè)計(jì)了三種類型的排種輪，對不同排種器的工作過程分別進(jìn)行仿真，找出播種機(jī)的最佳播種條件，三者直徑皆為59 mm，型孔數(shù)為11，窩眼輪型孔排列螺旋升角分別為23.22°、40.63°、59.31°。以“青雜七號”油菜籽為例，從1 kg油菜種子中隨機(jī)取樣5次，每次抽取1 000粒，其千粒質(zhì)量為5.6 g，籽粒外形參數(shù)為2.03、1.94、1.83 mm。將油菜種子簡化為球形顆粒模型，半徑為0.97 mm。為了減少空穴率及重播率，型孔的直徑應(yīng)不小于種子最大尺寸，不大于兩粒最小種子尺寸之和[6]，油菜種子的最佳播種量為每穴2～3粒，分別設(shè)置窩眼型孔直徑為2、3、4 mm，三種排種輪三維模型結(jié)構(gòu)如圖2，窩眼輪型孔結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 三種螺旋升角排種輪型孔結(jié)構(gòu)三維圖

圖3窩眼輪型孔結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.3 Structure of pit wheel seed metering device

2 仿真分析

2.1 接觸參數(shù)設(shè)置

借助SolidWorks軟件建立運(yùn)動單體模型并導(dǎo)入EDEM，建立輸送帶模型，將運(yùn)動單體模型簡化為上殼體、滾筒毛刷、排種輪、穴播輪和輸送帶5個部分，定義排種輪、上殼體、滾筒毛刷為塑料材料、輸送帶為泥土材料，穴播輪為鋼材料，并定義種子與輸送帶為完全非彈性碰撞。種子與種子、種子與排種器之間選用Hertz-Mindlin ( no slip)接觸模型，種子與輸送帶之間選擇Moving Plan接觸模型，按表1、2設(shè)置材料特性及材料間接觸參數(shù)[7，8-11]。

表1 仿真模型材料參數(shù)

表2 仿真模型材料接觸參數(shù)

2.2 仿真過程

設(shè)顆粒產(chǎn)生方式為靜態(tài)填充，顆粒半徑為0.97 mm，服從正態(tài)分布，排種輪和穴播輪為轉(zhuǎn)動件，其余為固定件，轉(zhuǎn)速一致，分別設(shè)為20、30 r·min-1和40 r·min-1，分別對3種不同結(jié)構(gòu)的排種輪進(jìn)行模擬仿真。為將整個排種器充滿，種子顆粒數(shù)量為20 000粒。由于仿真顆粒較多，將仿真瑞利時(shí)間步長百分比設(shè)為20%，輸出時(shí)間步長為0.01 s，仿真時(shí)間總長為10 s(第1秒生成顆粒，2～10 s排種)，網(wǎng)格尺寸為最小顆粒半徑的2倍。每次仿真結(jié)束后在各個出種孔處設(shè)置網(wǎng)格單元組，計(jì)算各個下落種子的信息。每種排種輪的仿真過程顯示模式設(shè)置為points=0.2，如圖4所示。

圖4 2.3 s各輪充種情況

Fig.4 The seed fill for each wheel at 2.3 s

為提高仿真運(yùn)動質(zhì)量，設(shè)輸送帶與穴播輪以穴播輪的線速度發(fā)生相對運(yùn)動，穴播輪只在原地旋轉(zhuǎn)，播下的種子落在移動上的輸送帶上。仿真結(jié)束后，在輸送帶表面設(shè)置框選區(qū)域，記錄掉落種子的進(jìn)出信息，根據(jù)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)出輸送帶上每穴種子粒數(shù)及相對株距，計(jì)算出每種排種器的性能指標(biāo)。圖5為8.3s時(shí)的播種情況。

圖5 8.3 s播種情況

Fig.5 Sow status at 8.3 s

2.3 仿真結(jié)果分析

當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 r·min-1時(shí)，導(dǎo)種管中下落種子的質(zhì)量隨時(shí)間的變化如圖6所示，可以看出隨著窩眼輪型孔線性排列螺旋升角的變大，排種器的均勻性亦變好。由圖可以看出A輪在3.42 s和9 s時(shí)有漏播現(xiàn)象，在2.79 s和5.63 s產(chǎn)生重播，B輪在8.5 s有漏播現(xiàn)象，在7.3 s產(chǎn)生重播，C輪基本沒有漏播，在4.6 s產(chǎn)生重播。圖7為輸送帶上表面框選區(qū)域排種數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線，從側(cè)面反映了每穴的油菜籽數(shù)量，從圖可以清晰看出相同轉(zhuǎn)速下螺旋升角較大的合格指數(shù)相對較高。

圖6 下落種子質(zhì)量隨時(shí)間的關(guān)系曲線

圖7框選區(qū)域顆粒數(shù)

Fig.7 The number of particle in the selection area

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

測試排種器的排種性能是檢驗(yàn)播種機(jī)播種效果的最直接手段。轉(zhuǎn)速是影響種子充種性能的重要影響因素，因此以排種輪轉(zhuǎn)速、窩眼輪型孔圓角直徑大小及窩眼輪型孔排列螺旋升角為試驗(yàn)因素，對油菜排種器進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。表3所示為排種器性能試驗(yàn)因素水平編碼表。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

選用L9(34)表安排試驗(yàn)，測出結(jié)果，見表4。對表4的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，見表5[12-13]。

表3 排種器性能試驗(yàn)因素水平編碼表

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

表5 正交試驗(yàn)極差分析

由極差R可知，按合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、變異系數(shù)確定各因素主次順序依次為A>C>B、C>B>A、C>B>A、B>C>A，對合格指數(shù)影響最大的是排種輪轉(zhuǎn)速。按合格指數(shù)確定各因素最佳水平組合為A2B2C3，重播指數(shù)各因素最佳水平組合為A2B3C2，漏播指數(shù)各因素最佳水平組合為A2B2C3，變異系數(shù)最佳水平組合為A2B3C3，可見排種器轉(zhuǎn)速及窩眼輪型孔排列螺旋升角根據(jù)合格指數(shù)、漏播指數(shù)、變異系數(shù)等性能指標(biāo)的最佳水平均為A2C3，窩眼輪型孔圓角直徑大小為3 mm時(shí)合格指數(shù)和漏播指數(shù)均處于較優(yōu)水平。

表6 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析表

運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的知識分析正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析(表6)可知，排種輪轉(zhuǎn)速的sig值小于0.005，其對油菜播種性能具有極顯著影響；窩眼輪型孔圓角直徑大小及窩眼輪型孔排列螺旋升角的sig值均大于0.005，二者對油菜播種性能影響不顯著，但相比之下因素B較因素C顯著，綜合考慮各種因素，性能試驗(yàn)指標(biāo)最優(yōu)水平組合為A2B2C3，即當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速30 r·min-1、窩眼輪型孔圓角直徑大小為3 mm及窩眼輪型孔排列螺旋升角為59.31°時(shí)，合格指數(shù)為93.7%、重播指數(shù)為5%、漏播指數(shù)為1.3%、變異系數(shù)為11.18%。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)與分析

2016年4月中旬在青海省互助土族自治縣南門峽鎮(zhèn)農(nóng)作物試驗(yàn)基地開展了田間播種試驗(yàn)，試驗(yàn)田毗鄰南門峽水庫，地處祁連山脈山間盆地，海拔3 000 m左右，地勢平坦，土壤肥沃，地表為平鋪膜。試驗(yàn)設(shè)備為自主研發(fā)的2BR-1型可調(diào)式油菜精量播種機(jī)。播種深度20～30 mm，播種株距100～150 mm。試驗(yàn)選取對油菜播種性能具有極顯著影響的排種輪轉(zhuǎn)速為指標(biāo)，以窩眼輪型孔圓角直徑大小為3 mm，窩眼輪型孔排列螺旋升角為59.31°進(jìn)行與仿真相同的3種轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。

寬窄行種植能充分合理利用有限空間，改善油菜幼苗根系活力[14]，每副地膜播種4行，寬窄行播種，窄行行距20 mm，寬行40 mm，株距10 mm，地膜間距45 mm。

圖8田間試驗(yàn)

Fig.8 Field testing

試驗(yàn)結(jié)果對比如圖9。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)度不高時(shí)，播種機(jī)的合格指數(shù)會隨著速度增大而增大，但播種速度大到一定程度時(shí)合格指數(shù)會出現(xiàn)下降的情況，對應(yīng)的漏播指數(shù)和重播指數(shù)一定程度提高，根據(jù)觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)為產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是此時(shí)排種器旋轉(zhuǎn)速度太高，種子群擾動量較大，種子還來不及填充到囊種空間，排種輪充種不充分造成空穴，速度較高時(shí)，鴨嘴式的播種方式使種子落入地面有一定的時(shí)間間隔，這樣就造成了較高的重播率和漏播率。高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的機(jī)器震動，也對合格指數(shù)有很大影響，因此在播種時(shí)，為了保證播種質(zhì)量，速度控制在30 r·min-1左右。

注：a.為合格指數(shù)模擬結(jié)果；b.合格指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果；c.漏播指數(shù)模擬結(jié)果；d.漏播指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

Note: a. Conformity index simulation results; b. Conformity index test results; c. Leak seeding index simulation results; d. Leak seeding index test results

圖9試驗(yàn)結(jié)果對比

Fig.9 Testing contrast

參考《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》(GB6973-2005)測定田間試驗(yàn)中的粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)。得該排種器田間試驗(yàn)中20 r·min-1時(shí)粒距合格指數(shù)S=91.7%、重播指數(shù)D=5.3%和漏播指數(shù)M=3%；30 r·min-1時(shí)粒距合格指數(shù)S=92.8%、D=4.9%和漏播指數(shù)M=2.3%；40 r·min-1時(shí)粒距合格指數(shù)S=87.8%、D=8.4%和漏播指數(shù)M=3.8%。粒距合格指數(shù)田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)誤差0.9%(P<5%)。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果擬合度高，但田間試驗(yàn)粒距合格指數(shù)略低于仿真試驗(yàn)，因?yàn)樵谔镩g試驗(yàn)時(shí)，由種子的均勻性、土壤特性、機(jī)器自身特性、人為因素等造成的影響，說明油菜精量播種機(jī)仿真試驗(yàn)優(yōu)化排種性能參數(shù)具有可行性。

5 結(jié) 論

1) 借助EDEM對排種輪轉(zhuǎn)速、窩眼輪型孔圓角直徑大小及窩眼輪型孔排列螺旋升角三種試驗(yàn)因素進(jìn)行不同水平的正交試驗(yàn)仿真，分析得，排種輪轉(zhuǎn)速對油菜播種性能具有極顯著影響，其次為窩眼輪型孔圓角直徑大小及窩眼輪型孔排列螺旋升角；排種輪轉(zhuǎn)速和窩眼輪型孔排列螺旋升角對合格指數(shù)、漏播指數(shù)、變異系數(shù)等性能指標(biāo)均有顯著影響。

2) 通過對排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響分析，對仿真結(jié)果進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，以合格指數(shù)較高為重點(diǎn)、兼顧重播指數(shù)和漏播指數(shù)較低的原則，性能試驗(yàn)指標(biāo)最優(yōu)水平組合為A2B2C3，即當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速30 r·min-1、窩眼輪型孔圓角直徑大小為3 mm及窩眼輪型孔排列螺旋升角59.31°時(shí)，合格指數(shù)為93.7%、重播指數(shù)為5%、漏播指數(shù)為1.3%、變異系數(shù)為11.18%。

3) 對比仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，粒距合格指數(shù)田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)誤差為0.9%(P<5%)，二者在數(shù)值上有偏差，但變化規(guī)律基本保持一致。

參考文獻(xiàn)：

[1] 廖慶喜，張 寧，張朋玲，等.一器多行離心式油菜排種器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(2):48-51，95.

[2] 吳明亮，官春云，高曉燕，等.偏心輪型孔輪式排種器排種油菜極限轉(zhuǎn)速試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010,26(6)：119-123.

[3] 吳明亮,官春云,羅海峰,等.2BYD-6型油菜淺耕直播施肥聯(lián)合播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010,26(11):136-140.

[4] 郭玉明,張東光,鄭德聰.2BX系列谷子精少量播種機(jī)的開發(fā)與研制[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2012,(12):18-21.

[5] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[6] 宋井玲，楊自棟，楊善東，等．一種型孔深度可變的排種器[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2012，33(12):103-105，120.

[7] Raji A O, Favier J F. Model for the deformation in agriculturaland food particulate materials under bulk compressive loadingusing discrete element method,:theory,model development and validation[J]. Journal of Food Engineering, 2004,64(3):373-380.

[8] 石林榕，吳建民，孫 偉，等.基于離散單元法的水平圓盤式精量排種器排種仿真試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(8):40-48.

[9] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法:GB/T 6973—2005[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005:10-24.

[10] 廖慶喜，張朋玲，廖宜濤，等．基于EDEM的離心式排種器排種性能數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45(2):109-114.

[11] 史 嵩，張東興，楊 麗，等.基于EDEM軟件的氣壓組合孔式排種器充種性能模擬與驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(3):62-69.

[12] 趙選民.試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[13] 陳 魁.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1996.

[14] 鄒 琴,曹國白番,鄧 強(qiáng).不同栽培方式對貴雜4號油菜某些性狀的影響[J].山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào),2007,26(6):476-479.