巨菌草排種器排種過(guò)程動(dòng)力學(xué)仿真分析及試驗(yàn)研究

劉 浪, 李 鴻,3, 林長(zhǎng)山, 葉大鵬

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002；3.中科鼎實(shí)環(huán)境工程有限公司，北京 100102)

巨菌草屬于菌草的一種[1]，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，抗逆性強(qiáng)，適應(yīng)性廣，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值[2-4].當(dāng)前，在菌草產(chǎn)業(yè)形成規(guī)模的地區(qū)，對(duì)巨菌草草料產(chǎn)量的需求日益增長(zhǎng)，在巨菌草生產(chǎn)中勞動(dòng)力分布最密集和成本最高的環(huán)節(jié)就是巨菌草的種植[5-6].為進(jìn)一步加快菌草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)巨菌草種植機(jī)械化[7]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究.趙芳偉等[8]針對(duì)巨菌草種植機(jī)缺乏、人工排種強(qiáng)度大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了2CJQ-1型預(yù)切種式巨菌草種植機(jī).鄭書(shū)河等[9]設(shè)計(jì)了巨菌草輥式排種器,并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真和優(yōu)化，結(jié)果表明當(dāng)輥式排種器采用側(cè)邊和底邊墊料時(shí)，排種器可以有效提高排種流暢度.此外，與巨菌草同屬禾本科的甘蔗的種植機(jī)械化程度較高，對(duì)巨菌草排種器的研究有較大的參考意義.黃敞等[10]設(shè)計(jì)并研究了甘蔗健康種苗全自動(dòng)預(yù)切種式排種裝置，該排種器機(jī)械化程度高、排種精確.Moslem et al[11]設(shè)計(jì)了一款基于地輪驅(qū)動(dòng)的預(yù)斬種式兩段撥鏈?zhǔn)礁收岵シN機(jī)，該種植機(jī)播種速度快、精度高，但存在排種重疊與漏種現(xiàn)象.雖然我國(guó)研究人員針對(duì)巨菌草/甘蔗預(yù)切種式排種器傷種和漏播現(xiàn)象等問(wèn)題提出了多種設(shè)計(jì)和解決方法[12]，但采用激光三維重構(gòu)技術(shù)[13-16]對(duì)種莖模型進(jìn)行重構(gòu)并借助虛擬樣機(jī)進(jìn)行排種器作業(yè)參數(shù)仿真的研究還鮮有報(bào)道.目前國(guó)內(nèi)多采用簡(jiǎn)化模型，將巨菌草/甘蔗模型簡(jiǎn)化為表面無(wú)芽節(jié)的圓柱體剛性模型[17].本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和逆向工程技術(shù)建立輥式排種器與種莖模型的排種過(guò)程剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)種植機(jī)關(guān)鍵部件輥式排種器的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行虛擬單因素仿真分析，觀察巨菌草種莖在排種器中的運(yùn)動(dòng)情況，得到種莖應(yīng)力—應(yīng)變值，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，為巨菌草種植機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 輥式排種器裝置

輥式排種器裝置主要由儲(chǔ)種箱、預(yù)排種箱、預(yù)排種槽和送種輥構(gòu)成，如圖1所示.巨菌草種莖成排放置在種箱的儲(chǔ)種箱內(nèi)，當(dāng)儲(chǔ)種箱口與預(yù)排種槽的開(kāi)口一致時(shí)，在重力作用下，種莖落入預(yù)排種槽，種莖層疊放于送種輥之上，位于最下方的種莖與送種輥表面接觸.排種作業(yè)時(shí)，送種輥?zhàn)鲎赞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在重力與送種輥的接觸摩擦力共同作用下，種莖進(jìn)入排種槽中，并隨著送種輥的運(yùn)動(dòng)，最終在重力和離心力作用下從送種輥中投出；隨著送種輥的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，預(yù)排種槽中次底層的種莖被頂起并返回預(yù)排種槽.由此可知種莖受力、排種流暢性、種莖直徑大小、預(yù)排種槽與送種輥相對(duì)位置等因素有關(guān)[10].

1.2 巨菌草種莖的制備

2019年7月到國(guó)家菌草研究中心的試驗(yàn)田采集了半年生的巨菌草，用于巨菌草種莖的制備.巨菌草種莖主要由節(jié)(根帶)、節(jié)間、芽組成，如圖2所示.通常情況下，節(jié)間尺寸稍小于節(jié)，以細(xì)腰形的節(jié)間形狀為主.選用節(jié)直徑為16～22 mm的巨菌草，留茬高度為50 mm，去除其頭尾、側(cè)葉和分蘗莖，保證種莖每段有兩個(gè)以上的芽節(jié).

1.儲(chǔ)種箱；2.預(yù)排種箱；3.巨菌草種莖；4.預(yù)排種槽；5.送種輥.圖1 輥式排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of the roller seed distributor

1.3 巨菌草種莖與排種器剛?cè)崮Ｐ偷慕?/h3>

在實(shí)際種植中考慮到所制備種莖的發(fā)芽率及成活等問(wèn)題，通常采用尺寸較大的種莖進(jìn)行栽植.選用節(jié)直徑為18～20 mm、長(zhǎng)度為190～210 mm的種莖作為三維重構(gòu)模型的主要對(duì)象；通過(guò)工業(yè)級(jí)三維掃描儀(萬(wàn)象WX3D-130Plus2，福州萬(wàn)象三維電子科技有限公司產(chǎn)品)建立了巨菌草種莖三維模型.三維重構(gòu)后的巨菌草種莖模型如圖3所示.

剛?cè)狁詈夏Ｐ偷姆抡婵梢酝ㄟ^(guò)觀察剛體對(duì)柔性體的作用力和柔性體所受應(yīng)力—應(yīng)變值來(lái)描述柔性體的變形運(yùn)動(dòng).種莖在排種裝置內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)由于種莖外部形狀多變，運(yùn)動(dòng)情況復(fù)雜，且容易在排種過(guò)程中擠壓受到損傷，故將種莖以柔性體建模，輥式排種器以剛體建模.柔性體建?；诶窭嗜账阕樱捎媚B(tài)疊加來(lái)表示物體的彈性，通過(guò)將彈性體離散化為一個(gè)有限且數(shù)目較大的自由度來(lái)模擬連續(xù)體無(wú)限的自由度[18]，用更少的模態(tài)特征向量和模態(tài)坐標(biāo)的線性組合來(lái)表示彈性位移.

ADAMS中建立柔性體的方法主要有離散化法和引入模態(tài)中性文件法.本文利用ANSYS軟件建立巨菌草種莖柔性模型.步驟如下：(1)導(dǎo)入巨菌草種莖的三維模型(圖3a)，定義單元類(lèi)型，材料屬性等參數(shù)；(2)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在巨菌草模型兩端建立節(jié)點(diǎn)并添加質(zhì)量單元(圖3b)；(3)在節(jié)點(diǎn)處添加質(zhì)量單元，并對(duì)巨菌草模型兩端面進(jìn)行局部剛化，生成MNF文件(模態(tài)中性文件)；(4)利用Solidworks建立排種器剛體模型，導(dǎo)出x_t格式，并導(dǎo)入到ADAMS/View中.在ANSYS中定義種莖物理模型參數(shù)[19-21]，密度為678.9 kg·m-3，泊松比為0.34，壓縮強(qiáng)度為17.864 MPa，壓縮屈服應(yīng)變?yōu)?7.812 5%，壓縮屈服應(yīng)力為6.146 MPa，種莖間靜摩擦系數(shù)為0.381.仿真模型由儲(chǔ)種箱(剛體)、預(yù)排種槽(剛體)、送種輥(剛體)和巨菌草種莖(柔性體)組成，巨菌草種莖成排放置于送種輥之上，預(yù)排種槽之中(圖3).在ADAMS/View中創(chuàng)建約束、運(yùn)動(dòng)、接觸模式，通過(guò)固定副約束將儲(chǔ)種箱與預(yù)排種箱固定，將預(yù)排種箱與地面固定；同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副約束連接送種輥與預(yù)排種箱，并在轉(zhuǎn)動(dòng)副約束上施加轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，最后添加重力，并在種莖及與其存在接觸的實(shí)體間施加接觸力.

圖3 巨菌草種莖與排種器剛?cè)崮Ｐ虵ig.3 Seed stem of giant Juncao and rigid flexible model of seed metering device

在巨菌草實(shí)際排種過(guò)程中，預(yù)排種槽與送種輥上表面距離、送種槽角半徑、預(yù)排種槽角大小等因素均會(huì)對(duì)巨菌草的排種過(guò)程造成影響.送種槽角半徑可直接根據(jù)理論計(jì)算.送種槽角半徑越小，巨菌草之間的相互擠壓越輕，對(duì)排種輥中巨菌草的保護(hù)作用越好，即不易傷種.排種過(guò)程中預(yù)排種槽角的大小與巨菌草種莖大小之間的關(guān)系可通過(guò)計(jì)算得出.設(shè)定預(yù)排種槽尺寸為210 mm(長(zhǎng))×25 mm(高)×200 mm(寬)，送種輥外圓直徑為155 mm，內(nèi)圓直徑為135 mm，送種輥轉(zhuǎn)速30為r·min-1.按節(jié)圓直徑大小層疊放置，每次放入6根，以巨菌草種莖所受應(yīng)力為指標(biāo)進(jìn)行仿真分析；選取預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為試驗(yàn)因素，水平數(shù)分別為8、10、12、14和16 mm，建立了5種排種器剛?cè)岱抡婺Ｐ?

1.4 臺(tái)架試驗(yàn)方法

1.預(yù)排種槽；2.送種輥；3.電機(jī)；4.扭矩傳感器；5.扭矩傳感器監(jiān)視器.圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Testing apparatus

試驗(yàn)在福建農(nóng)林大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心進(jìn)行.試驗(yàn)裝置如圖4所示，由步進(jìn)電機(jī)、扭矩傳感器(南京冉控科技有限公司產(chǎn)品，量程0.01～10.00 N·m-1,精度0.5%)、臺(tái)式電腦、數(shù)碼相機(jī)等組成.供試材料為福建農(nóng)林大學(xué)國(guó)家菌草研究中心試驗(yàn)田種植的巨菌草(半年生)，莖稈直徑為18～22 mm，長(zhǎng)度為288～292 mm，無(wú)病蟲(chóng)害且有兩個(gè)以上芽節(jié)的種莖.

(1)

式中：V0是初始設(shè)定送種輥轉(zhuǎn)速；V1是種莖排出時(shí)送種輥轉(zhuǎn)速.

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

選取預(yù)排種槽與送種輥上表面間距作為單因素變量，在ADAMS/View軟件中分別導(dǎo)入具有不同距離的排種器模型進(jìn)行仿真，其因素水平為8、10、12、14、16 mm，種莖個(gè)數(shù)為6，送種輥轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，種莖排布以節(jié)圓直徑按大小層疊放置.仿真結(jié)束后，通過(guò)后處理模塊顯示種莖排種過(guò)程中受力情況，仿真結(jié)果如圖5所示，其中Fmax表示種莖所受的最大應(yīng)力.

以巨菌草第1根種莖進(jìn)入送種輥槽中且第2根種莖被頂起時(shí)作為仿真分析的主要時(shí)間段.在仿真過(guò)程中，當(dāng)預(yù)排種槽與送種輥上表面間距高度為8～16 mm時(shí)，種莖所受接觸力在送種輥轉(zhuǎn)動(dòng)、種莖重力以及預(yù)排種槽結(jié)構(gòu)支撐板的共同作用下產(chǎn)生了一個(gè)較大的值，在此過(guò)程中種莖被擠回預(yù)排種槽，產(chǎn)生了送種輥上表面的相對(duì)滾動(dòng)和滑動(dòng).排種過(guò)程中種莖所受最大應(yīng)力呈先減小后增大的趨勢(shì).預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為12 mm時(shí)，巨菌草種莖所受最小應(yīng)力為0.203 MPa，遠(yuǎn)低于巨菌草種莖壓縮屈服應(yīng)變，并且排種過(guò)程較為流暢.在預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為8 mm時(shí)，巨菌草種莖仿真排種過(guò)程中多次出現(xiàn)卡種和漏播現(xiàn)象；當(dāng)預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為16 mm時(shí)，由于巨菌草種莖幾何形狀有較大差異性，種莖未正確進(jìn)入送種輥排種槽，出現(xiàn)了嚴(yán)重堵塞.

圖5 不同預(yù)排種槽高仿真結(jié)果Fig.5 Simulation analysis on prearranged seed slots with different depths

圖6 不同預(yù)排種槽高對(duì)排種時(shí)刻點(diǎn)的影響Fig.6 Effect of depth of lined seed groove on the time point of seed row

由圖6可知，當(dāng)預(yù)排種槽與送種輥上表面間距較小時(shí)，種莖的回?cái)D時(shí)刻點(diǎn)與接觸時(shí)刻點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，在預(yù)排種槽下第2根種莖在第1根種莖進(jìn)入排種槽后受到送種輥、預(yù)排種槽底部和第1根種莖的共同作用，容易出現(xiàn)種莖彎扭和傷種現(xiàn)象.當(dāng)排種時(shí)刻點(diǎn)與回?cái)D時(shí)刻點(diǎn)較為接近時(shí)，第1根種莖在沒(méi)有陷入送種輥排種槽前就會(huì)被送種輥上部擠回預(yù)排種槽中，在預(yù)排種槽種莖重力和預(yù)排種槽壁的支撐下，種莖不會(huì)發(fā)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能夠較好地保護(hù)種莖，這與圖5中的仿真結(jié)果相符.當(dāng)預(yù)排種槽與送種輥上表面間距較大時(shí)，種莖易在預(yù)排種槽和送種輥之間發(fā)生滾動(dòng)，由于種莖幾何形狀不規(guī)則，易產(chǎn)生排種器堵塞問(wèn)題.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖7 不同預(yù)排種槽與送種輥上表面間距下送種輥受扭矩變化圖 Fig.7 Variation on torque of seed feeding roller with different groove depths

送種輥轉(zhuǎn)速為30 r·min-1，預(yù)排種槽種莖個(gè)數(shù)為6，種莖按節(jié)圓直徑大小層疊排放，這時(shí)不同預(yù)排種槽與送種輥上表面間距下送種輥受扭矩變化如圖7所示.由于預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為8 mm，扭矩平均值遠(yuǎn)超其他高度，故在圖中省去.從圖7的變化趨勢(shì)可以看出，初次排種所受的接觸力較大，預(yù)排種槽與排種輥上表面間距會(huì)影響排種流暢性，間距越小，排種器堵塞、種莖受損情況越嚴(yán)重；間距越大，排種性能指標(biāo)漏播和重播指標(biāo)越無(wú)法達(dá)到要求.在種莖節(jié)圓直徑為18～22 mm、長(zhǎng)度為288～292 mm的條件下，預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為10～14 mm，排種流暢性較好，種莖表面無(wú)明顯刮痕，芽節(jié)與莖稈無(wú)撕裂、擠壓等損壞發(fā)生，這與仿真中巨菌草種莖在預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為10～14 mm的結(jié)果一致.

從表1可知，當(dāng)預(yù)排種槽高為8.01 mm時(shí)，送種輥受扭矩平均值最大，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)最大，種莖易受損，漏種指數(shù)率達(dá)25%.預(yù)排種槽高為16.00 mm時(shí)，巨菌草種莖受損傷較小，但出現(xiàn)預(yù)排種槽與送種輥間距較大和較嚴(yán)重的重播問(wèn)題.當(dāng)預(yù)排種槽與送種輥上表面間距為12.05 mm時(shí)，送種輥速度波動(dòng)率小于10%，受扭平均值最小(0.082 8 N·m-1)，漏種和重播指數(shù)最低，排種流暢性最好.

表1 輥式排種器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Bench test of roller seed metering device with different groove depths

3 結(jié)論

本文利用逆向技術(shù)和虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了巨菌草排種器真實(shí)種莖和虛擬排種過(guò)程，以預(yù)排種槽與送種輥上表面間距作為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)并開(kāi)展了單因素仿真分析與單因素臺(tái)架試驗(yàn).通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型的正確性，研究了巨菌草輥式排種器預(yù)排種槽與送種輥上表面間距對(duì)種莖損傷和排種流暢性的影響.

通過(guò)建立巨菌草種莖三維重構(gòu)模型，利用ADAMS對(duì)排種過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真，模擬結(jié)果表明，預(yù)排種槽與送種輥表面高度為10～14 mm時(shí)，種莖表面無(wú)明顯刮痕，芽節(jié)與莖稈無(wú)撕裂、擠壓等損害發(fā)生，排種流暢性最優(yōu).

當(dāng)預(yù)排種槽與送種輥上表面高度為12.05 mm時(shí)，所受平均扭矩值最小，為0.082 8 N·m-1，速度波動(dòng)率為7.3%，漏種指數(shù)為2.5%，重播指數(shù)為0%，各項(xiàng)指標(biāo)均符合巨菌草種植要求.