基于EDEM的雙腔式棉花精量排種器排種性能仿真研究

李海潮，王 爽，陳 永，胡 斌，萬賢正，劉強強

（1.新疆科技學(xué)院工科學(xué)院，新疆庫爾勒841000；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，鄭州450002；3.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院）

0 引言

棉花是關(guān)系國計民生的重要物資，其產(chǎn)值占我國經(jīng)濟作物的50%以上，在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有重要地位[1]。2021年我國最大產(chǎn)棉區(qū)新疆按照“控制面積、提質(zhì)增效”的原則合理引導(dǎo)棉花生產(chǎn)，種植面積302.84萬hm2，全程機械化種植面積超過了90%[1]。棉花精量播種技術(shù)既能夠保證種植密度，又能夠?qū)崿F(xiàn)免除人工定苗，達到提高生產(chǎn)率的目的，與半精量播種相比，能夠節(jié)省種子，有效降低人員勞動強度，對提升新疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械裝備水平，實現(xiàn)棉花生產(chǎn)全程機械化[2]。

EDEM作為專業(yè)的離散單元分析處理軟件，可用于機械裝置的分析和仿真，同時EDEM能夠與目前常用的CAE工具軟件進行顆粒系統(tǒng)與機械結(jié)構(gòu)的耦合模擬仿真，這種耦合對于研究散粒體系統(tǒng)的受力與運動至關(guān)重要[3]。趙瑞營[4]等人設(shè)計了一種適應(yīng)高速播種的高充填率精量排種器，采用離散單元法建立3種不同大小的玉米模型，對高填充排種器進行了仿真模擬試驗，確定最優(yōu)參數(shù)，并進行試驗驗證，最后表明應(yīng)用離散單元法優(yōu)化排種器性能參數(shù)可減少實際工作量，為設(shè)計提供參考。

本文以雙腔式棉花排種器為研究對象，運用EDEM軟件仿真模擬排種器的工作過程，分析核心部件取種器對取種性能產(chǎn)生較大影響的因素，利用虛擬仿真試驗確定最優(yōu)的取種器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)組合。通過排種器的臺架試驗驗證EDEM仿真試驗的結(jié)果，為研究棉花精量排種器提供了參考。

1 雙腔式棉花精量排種器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

雙腔式棉花精量播種機的結(jié)構(gòu)如圖1，排種器的設(shè)計思路為充分利用有限的殼體空間，運用第一次半精量充種、二次精量充種的兩次充種方法實現(xiàn)高速狀態(tài)下的精量播種。排種器主要由外殼體、腰帶總成、壓盤、鴨嘴成穴機構(gòu)、主軸、內(nèi)殼體、護種盤、前后雙腔取種器和清護種毛刷等部件組成。

圖1 雙腔式棉花精量排種器結(jié)構(gòu)示意1.外殼體2.腰帶總成3.進種彎管4.壓盤5.彈簧6.鴨嘴成穴機構(gòu)7.檢視孔蓋8.主軸9.軸承10.內(nèi)殼體11.護種盤12.鍵13.前后雙腔取種器14.清護種毛刷

前后雙腔取種器作為排種器的核心部件具有能夠?qū)崿F(xiàn)將種子從種群中定量分離并投放的作用，因此取種器性能的好壞直接關(guān)系到排種器播種的質(zhì)量。前后雙腔取種器的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 前后雙腔取種器結(jié)構(gòu)示意1.前腔2.后腔3.投種口4.V型槽5.進種口

取種器的主要尺寸包括前腔，長度為l2，前腔高度為h1，前腔底部寬度為d1，取種器V型槽長度h2，取種器V型槽高度h2，取種器V型槽寬度d2，進種口的直徑d3，取種器后腔上部尺寸l3，后腔下部尺寸l4。

1.2 排種器工作原理

排種器的工作過程分為第一次半精量充種、清種以及有序排隊、二次精量充種和投種四個階段，如圖3。

棉種通過進種彎管進入到由排種器內(nèi)護種盤、內(nèi)殼體和壓盤形成的腔體中。當(dāng)取種器剛進入種子群時，種子便在重力和相互擠壓力的作用下開始在取種器的前腔完成第一次半精量充種。隨著取種器運動，取種器中的種子會向取種器后腔移動，通過V型槽的限制作用，多余的種子會掉落到種群中進行清種，剩下的種子會在清護種毛刷的作用下在V型槽中有序排成一列，隨著排種器繼續(xù)轉(zhuǎn)動，種子在重力作用下從V型槽向取種器的后腔移動，此時棉種完成第二次精量充種。當(dāng)取種器轉(zhuǎn)動到投種區(qū)域時，進入到后腔中的一粒種子就會翻滾掉落至鴨嘴成穴器中等待排出，其余沒有進入后腔的種子便會掉落在種子群中。

圖3 排種器工作原理

2 EDEM仿真模型的建立

2.1 棉種模型的建立

離散元顆粒的構(gòu)建是最重要的步驟，必須建立最恰當(dāng)?shù)拿薹N模型，使棉種顆粒的外型結(jié)構(gòu)、尺寸大小高度擬合棉種。目前最常用的脫絨棉種外形尺寸近似為橢球體，但是棉種的兩端形狀差異較大，一端近似為半圓形球體，另一端有錐度，并且脫絨棉種表面部分有突起或者凹陷。根據(jù)棉種的粒型特點在離散元軟件中將棉種的粒型定為橢球形和圓錐形的組合體。

以目前新疆地區(qū)最常用的“新陸早42號”棉種為實體模型，建立棉種的離散元模型。在EDEM軟件中的Creator模塊利用球面聚合的方法進行棉種模型的建立，聚合球面的位置和大小如表1，建立的棉種顆粒模型如圖4。

表1 聚合球體位置和大小

圖4 棉種顆粒模型

2.2 排種器模型的建立

應(yīng)用Solidworks軟件建立排種器的三維模型，為了便于進行模擬仿真和觀察，去除工作過程中不與棉種接觸的零部件，將排種器三維模型另存為.igs格式，導(dǎo)入EDEM軟件中，對排種器的材料進行設(shè)定，選擇材料為“Steel”。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)排種器的應(yīng)用需求，將排種器及各個零部件的材料設(shè)置為鋼材，棉種和排種器的材料參數(shù)以及棉種—棉種、棉種—鋼材的接觸參數(shù)如表2。

表2 材料參數(shù)及接觸參數(shù)

3 EDEM仿真試驗

3.1 仿真設(shè)置

在進行仿真計算時，需要設(shè)定仿真步長、仿真總時間以及網(wǎng)格尺寸等。仿真步長是仿真計算過程中兩次迭代運算之間的時間間隔，仿真時間步長與仿真處理的精細度相關(guān)，其中Rayleigh時間步長與生成顆粒的基本物理參數(shù)有關(guān)，系統(tǒng)會自動判斷生成。固定時間步長需要自行設(shè)置，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗同時為了使仿真更加精細，將固定時間步長設(shè)定為Rayleigh時間步長的20%。網(wǎng)格尺寸的劃分決定了顆粒受力以及運動的精確度，最理想的網(wǎng)格邊長是顆粒最小半徑的兩倍，因此將網(wǎng)格尺寸確定為2倍的最小半徑，具體的參數(shù)設(shè)置如表3。

表3 仿真計算參數(shù)

3.2 工作過程仿真

排種器作業(yè)時首先進行第一次半精量充種，在取種器進入種群后開始進行第一次半精量充種（圖5），當(dāng)取種器離開種群時，受取種器前腔的刮取以及棉種間相互擠壓的作用，至少保證了4粒棉種充填進入取種器前腔中。隨后進行清種和棉種的有序排隊，如圖6。

圖5 第一次半精量充種

圖6 清種和有序排隊

隨著排種器的轉(zhuǎn)動，取種器圍繞排種器主軸進行翻轉(zhuǎn)，棉種開始由前腔向V型槽中運動，V型槽的特殊V型限制結(jié)構(gòu)能夠在清理多余種子的同時實現(xiàn)橢球型棉種在V型槽中的有序排隊。

在清種完畢后，排種器進行二次精量充種。如圖7，隨著排種器繼續(xù)轉(zhuǎn)動，種子在重力的作用下沿著V型槽向取種器后腔移動，進行二次精量充種。由于后腔尺寸的限制，后腔只能容下一粒種子，因此只有一粒距離后腔最近的種子進入后腔完成充種并與相鄰的種子進行分離，其余種子會卡在進種口外邊直至掉落到種群中。

當(dāng)取種器轉(zhuǎn)動到排種器的投種區(qū)域時，進入后腔的棉種在重力的作用下從取種器后腔中翻滾掉落，最終從取種器的排種口排出，如圖8。

圖7 二次精量充種

圖8 投種

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)排種器作業(yè)時除了達到理想效果的單粒精量播種外，還存在著少許重播和漏播的現(xiàn)象，利用EDEM的Analyst功能對排種器每一個存儲點進行仔細的觀察分析后發(fā)現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象主要發(fā)生在取種器的清種、有序排隊以及二次精量充種階段，對取種器取種性能造成影響的主要因素為前后雙腔取種器的V型槽角度、取種器后腔進種口尺寸以及取種器后腔上部的尺寸。因此對排種器的作業(yè)過程進行仿真研究并得到合理的尺寸參數(shù)是十分必要的。

3.3 排種性能仿真試驗

通過以上分析我們了解到取種器的V型槽和取種器后腔尺寸參數(shù)對取種精度的影響較大，取種器前腔的尺寸參數(shù)幾乎不影響取種效果。因此將取種器前腔的尺寸設(shè)計為長11 mm、寬10.5 mm、高15 mm。取種器V型槽的長度對充種精度影響較小，將V型槽長度設(shè)計為35mm。當(dāng)V型槽的高度一定時，影響取種效果的因素主要是V型槽的角度，角度的大小也會改變V型槽的寬度，因此將V型槽的高度設(shè)計為7 mm。取種器后腔投種口的尺寸不會影響排種效果，因此將投種口尺寸設(shè)計為14 mm。

取種器的結(jié)構(gòu)尺寸中對取種性能有較大影響的因素為：取種器V型槽的角度、取種器后腔進種口的直徑和取種器后腔上部尺寸。確定取種器這些因素最佳尺寸參數(shù)需要利用EDEM對不同結(jié)構(gòu)的取種器進行虛擬樣機試驗以獲得最高的單粒率為試驗?zāi)康?，設(shè)計三因素三水平正交試驗，試驗因素水平表如表4。

表4 試驗因素水平表

運用EDEM進行9組虛擬樣機試驗，試驗時將排種器模型的環(huán)形腰帶尺寸設(shè)計為直徑300 mm，讓排種器在60 r/min的條件下工作，根據(jù)GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[11]，將單粒率作為虛擬試驗指標(biāo)，其計算公式如下：

式中N—排種數(shù)；n1—單粒排種數(shù)。

試驗結(jié)果以及極差和優(yōu)方案如表5。從中可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的方案為A2B1C2組合，即V型槽的角度為60°，進種孔直徑為6 mm，取種器后腔上部長度為7.5 mm。同時可以最終確定取種器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為取種器前腔長11 mm、寬10.5 mm、高15 mm，V型槽長35 mm、V型槽高取種器后腔上部長度為7.5 mm、投種口長度14 mm。

表5 試驗結(jié)果

根據(jù)最優(yōu)的組合A2B1C2的參數(shù)進行取種器的三維建模，并裝配到排種器中進行虛擬仿真，通過仿真驗證得出的結(jié)果為排種器的單粒率91%，單粒率高于正交試驗中的任何一個組合，因此A2B1C2組合是最優(yōu)的參數(shù)組合。

4 臺架試驗驗證

臺架驗證試驗的目的是通過臺架試驗與之前虛擬仿真試驗作對比，對通過虛擬仿真試驗確定的取種器的最佳參數(shù)結(jié)構(gòu)進行驗證。虛擬仿真試驗得到的最優(yōu)參數(shù)組合為A2B1C2，即取種器的V型槽的角度為60°，進種孔直徑為6 mm，取種器后腔上部長度為7.5 mm。將3D打印加工制作的取種器安裝在環(huán)形腰帶上進行裝配，環(huán)形腰帶尺寸加工為與仿真試驗相同的直徑300 mm。對排種器施加與虛擬試驗相同的轉(zhuǎn)速60 r/min，然后進行排種性能試驗，試驗場地為排種器性能檢測實驗室，如圖9。當(dāng)排種器運轉(zhuǎn)達到穩(wěn)定狀態(tài)時，測定200穴當(dāng)做統(tǒng)計樣本進行記錄和分析，試驗進行3次，選取平均值作為最終的結(jié)果。

圖9 排種器臺架試驗1.排種器支架2.排種器3.種床帶4.傳動軸

臺架試驗的結(jié)果顯示排種器的單粒率為89%，與虛擬仿真試驗中的單粒率91%相差2%，誤差率為2.25%，誤差產(chǎn)生的原因可能由于仿真中棉種模型的建立與實際不完全一致，以及排種器臺架試驗中的振動等因素，但是誤差在允許的范圍之內(nèi)，整體的排種器臺架試驗結(jié)果與仿真的結(jié)果相差不大。

5 結(jié)論

（1）以雙腔式棉花精量排種器為研究對象，同時根據(jù)新疆地區(qū)最常用的“新陸早42號”棉種為實體模型，建立排種器和棉種的離散元模型。通過離散元仿真模擬試驗發(fā)現(xiàn)對取種器取種性能造成影響的主要因素為前后雙腔取種器的V型槽角度、取種器后腔進種口尺寸以及取種器后腔上部的尺寸。

（2）為了優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們利用EDEM對不同結(jié)構(gòu)的取種器進行虛擬樣機試驗。以取種器V型槽的角度、取種器后腔進種口的直徑，取種器后腔上部尺寸為參數(shù)，以獲得最高的單粒率為試驗?zāi)康?，設(shè)計三因素三水平正交試驗。得到最優(yōu)參數(shù)組合為V型槽的角度為60°，進種孔直徑為6mm，取種器后腔上部長度為7.5mm。此時排種器的單粒率能夠達到91%。

（3）進行臺架試驗，臺架試驗得到的排種器的單粒率是89%，與虛擬仿真試驗中的單粒率91%相差2%，誤差率為2.25%，仿真結(jié)果與臺架試驗數(shù)據(jù)之間誤差很小，說明應(yīng)用EDEM軟件對排種器進行仿真試驗是可行的，能夠為優(yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)提供理論參考。