基于EDEM的滾筒式穴播器排種性能仿真與試驗*

張寧寧，康建明，王小瑜，彭強(qiáng)吉，張春艷，王永爍

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100)

0 引言

滾筒式穴播器屬于機(jī)械式精密排種器的一種，因其結(jié)構(gòu)簡單、粒距一致、能夠?qū)崿F(xiàn)膜上精播等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于棉花、花生等覆膜作物的精量播種[1]。工作時，種子被穴播器滾筒內(nèi)的帶翼取種器帶起并進(jìn)入排種口，完成播種。取種是排種器整個排種過程最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，取種器取種性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)具的播種質(zhì)量。但在花生的種植中存在著取種勺與種子適配性差的問題，從而導(dǎo)致取種性能差、傷種嚴(yán)重等問題。

離散元法是一種處理非連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法。20世紀(jì)90年代后，一些學(xué)者開始采用該方法研究散粒物料與農(nóng)業(yè)機(jī)械部件的相互作用，并取得了良好的效果[2-7]。廖慶喜等[8]采用離散元法建立了離心式排種器的離散元仿真模型，確定了油菜籽的運(yùn)動規(guī)律并研究了內(nèi)錐筒中種量與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系、排種器轉(zhuǎn)速與總排量的關(guān)系；史嵩等[9]運(yùn)用EDEM軟件對4種不同型孔結(jié)構(gòu)排種盤的種群運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，以種子法向應(yīng)力跳動量和種子平均法向應(yīng)力綜合作為指標(biāo)，分析了各排種盤在不同轉(zhuǎn)速下的種群內(nèi)摩擦力的變化，仿真的結(jié)果為提高排種器的充種性能提供方法。花生種子的排種過程中，排種器中種子的運(yùn)動也是散粒物料的運(yùn)動[10-11]，為了提高花生精密播種質(zhì)量，因此本研究在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用離散元分析軟件EDEM對滾筒式穴播器進(jìn)行仿真研究，分析花生種子外形尺寸、排種器工作轉(zhuǎn)速及取種器結(jié)構(gòu)參數(shù)對排種性能的影響，為滾筒式穴播器的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 種子特征與分級

1.1 種子特征

花生種子的外形有橢圓形、圓球形、桃形、三角形、圓柱形等5種。本文選用山東省花生研究所選育的魯花14號花生種子，如圖1所示。種子外形為橢圓形，千粒質(zhì)量1 160 g。通過試驗測得種子的長軸和寬軸尺寸分別集中分布在13～20 mm和8～16 mm，含水率為20%，休止角為33.5°，內(nèi)摩擦角為30.2°[12]。

圖1 魯花14號花生Fig.1 Luhua No.14 peanut

1.2 種子分級

將花生種子按照大小進(jìn)行分級，種子分級所用的試驗儀器有標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)、游標(biāo)卡尺、圓孔篩等。標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)型號為4DZSF525。所有種子按照大小共分為3級，即1(大粒種子)；2(中粒種子)；3(小粒種子)，各級種子的特性見表1。

表1 分級后各級種子特性Tab.1 Seed characteristics after grading

2 滾筒穴播器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.1 滾筒穴播器結(jié)構(gòu)與工作原理

滾筒式穴播器如圖2所示，其主要由滾筒體、取種器和成穴器三大部分構(gòu)成，滾筒體為穴播器的基礎(chǔ)部件，滾筒體內(nèi)為種子室；在滾筒體的內(nèi)圓周面上均布安裝有取種器，在對應(yīng)的外圓周壁上安裝有鴨嘴式成穴器，取種器與成穴器通過滾筒體上的通孔互相連通。

圖2 滾筒式穴播器Fig.2 Roller type hill-drop planter1.滾筒體 2.取種器 3.鴨嘴式成穴器 4.種子室

工作時滾筒穴播器在待播地面上，隨機(jī)具前進(jìn)而滾動，滾筒里的種子之間、種子與滾筒之間的摩擦力帶動種子隨滾筒轉(zhuǎn)動，使?jié)L筒內(nèi)種子群的上表面與水平面之間形成一定角度，該角度大于休止角。滾筒內(nèi)壁上的取種器在種子群中穿過時，兩側(cè)的刮種翼將種子從進(jìn)種窗口帶進(jìn)取種勺內(nèi)；根據(jù)精密播種的要求，取種器的尺寸僅能容下一顆花生種子，其余的種子隨滾筒的轉(zhuǎn)動在自重作用下落回到種子堆。留在取種器里的種子隨滾筒轉(zhuǎn)動沿取種器背上的滑槽滑動到滾筒上的排種口，再靠自重落入鴨嘴成穴器內(nèi)。此時鴨嘴成穴器的定鴨嘴逐漸插入土壤，當(dāng)入土達(dá)到了最深時，動鴨嘴的仿形壓板壓著地面，活動鴨嘴就會被地面的反作用力打開，種子便落入種穴中。整個排種過程可分為取種、清種、輸種和排種四個過程，并且在滾筒旋轉(zhuǎn)一周自動完成。

2.2 取種器參數(shù)的確定

取種器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 取種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of seed extractor

工作時，取種器完成取種和清種，取種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)將影響取種性能，進(jìn)而影響穴播器的播種性能。為保證排種器的單粒精播，取種器在取種時不能超過1粒，取種器側(cè)孔長度K和容腔長度L必須滿足以下條件。

K=(1.5～2)dmax

(1)

L=(1.2～1.5)dmax

(2)

式中：dmax——花生種子最大長度，mm。

將表1數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)，確定3組取種器參數(shù)，如表2所示。

表2 取種器參數(shù)Tab.2 Seed extractor parameters

2.3 穴播器滾筒直徑的確定

排種器滾筒的直徑主要與株距、播種深度及鴨嘴成穴器的數(shù)量有關(guān)，在不考慮滑移率的情況下，排種器滾筒的直徑

(3)

式中：D——排種器滾筒直徑，mm；

Z——鴨嘴成穴器的個數(shù)，取值為8；

γ——播種株距，mm；

H——播種深度，mm。

根據(jù)花生單粒精播農(nóng)藝要求，播種株距γ取150 mm，播種深度H取30 mm，可得排種器滾筒的直徑D為322 mm。

2.4 穴播器額定轉(zhuǎn)速的確定

穴播器在轉(zhuǎn)動工作時，滾筒內(nèi)種子的受力情況如圖4所示。

圖4 種子受力情況Fig.4 Seed stress condition

(4)

式中：R——滾筒內(nèi)徑，mm；

ω——滾筒轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；

m——種子質(zhì)量，kg；

F——種子與滾筒壁的摩擦力；

N——滾筒對種子的法向反力；

P——種子的離心力；

α——種子所在位置與垂直中心線的夾角；

g——重力加速度，m/s2。

3 EDEM仿真建模與分析

3.1 穴播器仿真模型的建立

采用離散元軟件EDEM進(jìn)行仿真分析。應(yīng)用三維制圖軟件Solidworks對滾筒穴播器進(jìn)行實體建模，以.igs格式導(dǎo)入EDEM軟件中，網(wǎng)格化排種器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 滾筒穴播器EDEM仿真模型Fig.5 EDEM simulation model of roller type hill-drop planter

3.2 花生種子仿真模型的建立

以表2中3種尺寸等級的花生種子的外形尺寸為依據(jù)，在Solidworks中創(chuàng)建花生三維模型，將模型導(dǎo)入EDEM軟件中并通過多球面組合的方式進(jìn)行填充，得到花生種子的離散元顆粒模型，如圖6所示。

圖6 花生種子顆粒模型Fig.6 Granule model of peanut

3.3 模型變量參數(shù)的設(shè)置

本文穴播器的離散元仿真過程中種子—種子、種子—穴播器內(nèi)壁受力計算采用的是Hertz模型。Hertz模型將兩物體之間的相對位置與其各自的受力處曲率半徑進(jìn)行對比來計算法向及切向受力，能較為準(zhǔn)確反映剛性顆粒物體間的力學(xué)特點(diǎn)[10-15]。其余參數(shù)的設(shè)置如表3所示。

表3 模型變量參數(shù)的設(shè)置Tab.3 Model variable parameter setting

3.4 仿真結(jié)果分析

建立EDEM顆粒工廠，根據(jù)表3數(shù)據(jù)設(shè)置材料數(shù)據(jù)及顆粒間接觸參數(shù)，根據(jù)表1數(shù)據(jù)導(dǎo)入種子顆粒模型，設(shè)置顆粒工廠為動態(tài)生成方式，產(chǎn)生數(shù)量為5 000粒；產(chǎn)生速率為500個/s，放置顆粒最大嘗試次數(shù)為 20次。

仿真過程如圖7所示。

圖7 仿真過程Fig.7 Simulation process

仿真時，取種器取種時會出現(xiàn)單粒取種、2粒取種、漏種等現(xiàn)象。取種器能單粒取種是排種器能實現(xiàn)精密播種的關(guān)鍵因素，仿真時取種器單粒取種是考察花生種子與取種器參數(shù)適配性的重要指標(biāo)。對三個等級花生種子在不同取種器參數(shù)和工作轉(zhuǎn)速下進(jìn)行仿真，分別統(tǒng)計1 000粒種子在取種時的漏播粒數(shù)、重播粒數(shù)、單粒粒數(shù)，計算三次試驗的平均值。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種試驗方法》，合格指數(shù)S、重播指數(shù)C和漏播指數(shù)M為仿真試驗指標(biāo)[16]，計算公式如式(5)～式(7)。

(5)

(6)

(7)

式中：n——理論排種數(shù)量；

n1——單粒排種數(shù)量；

n2——重播數(shù)量；

n0——漏播數(shù)量。

試驗方案為設(shè)定取種器的側(cè)孔長度32 mm，容腔長度25 mm時，分別設(shè)置穴播器的工作轉(zhuǎn)速為20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min、50 r/min 工況下進(jìn)行仿真模擬，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示。設(shè)定穴播器的工作轉(zhuǎn)速為40 r/min，當(dāng)取種器側(cè)孔長度和容腔長度分別設(shè)定為40 mm、32 mm、28 mm 和30 mm、25 mm、20 mm時穴播器的排種性能仿真結(jié)果如表5所示。

表4 不同大小花生種子在不同工作轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different sizes of peanut seeds under different working speeds

表5 不同大小花生種子在不同取種器尺寸下的仿真結(jié)果Tab.5 Simulation results of different sizes of peanut seeds under different sizes of seed extractor

由表4數(shù)據(jù)可知，隨工作轉(zhuǎn)速的增加，穴播器對三個等級花生種子排種合格指數(shù)和重播指數(shù)呈下降趨勢，漏播指數(shù)呈上升趨勢；在20～50 r/min的轉(zhuǎn)速下，穴播器對中粒尺寸的花生種子排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)均大于89%，對小粒種子的合格指數(shù)次之，大粒種子的合格指數(shù)最低；當(dāng)穴播器工作轉(zhuǎn)速大于40 r/min時，各級種子的合格指數(shù)下降較明顯，主要由于取種器隨滾筒轉(zhuǎn)動加快，種子還未來得及進(jìn)入取種器內(nèi)而靠重力落回到種子堆。可見，在取種器參數(shù)為定值時，工作轉(zhuǎn)速和種子大小對排種性能都有影響。

由表5數(shù)據(jù)可知，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速額定40 r/min，隨著取種器側(cè)孔和容腔尺寸的增加，種子更容易進(jìn)入取種器內(nèi)使得重播指數(shù)增加，漏播指數(shù)降低。側(cè)孔和容腔的尺寸分別為40 mm和30 mm時，對大粒種子的排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)為91.37%；側(cè)孔和容腔的尺寸分別為32 mm和25 mm時，對中粒種子的排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)為93.07%；側(cè)孔和容腔的尺寸分別為28 mm 和20 mm時，對小粒種子的排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)為93.02%，可見，種子與取種器的適配性影響排種性能。

4 田間試驗

為驗證仿真結(jié)果的可靠性，同時考察穴播器的排種性能，于2020年9月在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院章丘棗園試驗基地進(jìn)行田間試驗，如圖8所示。試驗土地提前進(jìn)行耕整作業(yè)，使其能滿足花生播種農(nóng)藝要求。種子為篩選分級后的魯花14號花生。試驗樣機(jī)為裝有滾筒式穴播器的2BM型花生起壟覆膜膜上精播機(jī)，試驗設(shè)置排種器轉(zhuǎn)速為40 r/min，機(jī)具前進(jìn)速度為2.4 km/h，取種器側(cè)孔長度32 mm、容腔長度25 mm。三級花生種子各1 000粒，進(jìn)行3次試驗驗證，統(tǒng)計500粒種子在穴播器排種后的漏播粒數(shù)、重播粒數(shù)、單粒粒數(shù)，取三次平均值計算出漏播指數(shù)、重播指數(shù)和合格指數(shù)，結(jié)果如表6所示。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

表6 田間試驗結(jié)果Tab.6 Results of field experiments

由表6的試驗結(jié)果可知，在穴播器工作轉(zhuǎn)速40 r/min，取種器側(cè)孔長度32 mm、容腔長度25 mm條件下，對中粒種子的排種合格指數(shù)為92.54%，重播指數(shù)為3.45%，漏播指數(shù)為4.01%，排種性能最優(yōu)；小粒種子的排種合格指數(shù)為90.69%，重播指數(shù)5.27%，漏播指數(shù)為4.04%，排種性能次之；對大粒種子的排種合格指數(shù)為88.26%，重播指數(shù)為2.31%，漏播株數(shù)為9.43%，排種性能最差?？梢姡N子外形尺寸與取種器的適配性影響排種性能。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果在反應(yīng)穴播器對各級種子的排種性能趨勢上是一致的，離散元分析方法應(yīng)用于滾筒式花生穴播器上是可行的，為穴播器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

5 結(jié)論

1)以滾筒式花生穴播器為研究載體，將花生種子按外形尺寸篩分成了大粒、中粒、小粒三級，根據(jù)不同等級種子的尺寸確定了三種取種器的側(cè)孔和容腔尺寸。

2)利用離散元分析軟件EDEM建立穴播器及種子的仿真模型，并進(jìn)行穴播器工作過程仿真試驗。仿真結(jié)果表明：隨著工作轉(zhuǎn)速的增加，穴播器對各級花生的合格指數(shù)均呈下降趨勢；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速額定，側(cè)孔和容腔的尺寸分別為40 mm和30 mm時，對大粒種子的排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)為91.37%；側(cè)孔和容腔的尺寸分別為32 mm和25 mm時，對中粒種子的排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)為93.07%；側(cè)孔和容腔的尺寸分別為28 mm 和20 mm時，對小粒種子的排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)為93.02%。工作轉(zhuǎn)速、取種器參數(shù)和種子大小對排種性能都有影響。隨工作轉(zhuǎn)速的增加，各級種子的排種合格指數(shù)呈下降趨勢；各級種子在與之適配性好的取種器下排種性能較好。

3)通過田間試驗，在穴播器工作轉(zhuǎn)速40 r/min、取種器側(cè)孔長度32 mm，容腔長度25 mm條件下滾筒式穴播器對中粒種子的排種合格指數(shù)為92.54%，重播指數(shù)為3.45%，漏播指數(shù)為4.01%，排種性能最優(yōu)；小粒種子的排種合格指數(shù)為90.69%，重播指數(shù)為5.27%，漏播指數(shù)為4.04%，排種性能次之；對大粒種子的排種合格指數(shù)為88.26%，重播指數(shù)為2.31%，漏播株數(shù)為9.43%，排種性能最差?？梢姡N子外形尺寸與取種器的適配性影響排種性能。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果在反應(yīng)穴播器對各級種子的排種性能趨勢上是一致的，離散元分析方法應(yīng)用于滾筒式花生穴播器上是可行的，為穴播器的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。