基于EDEM的窩眼輪式油菜排種器排種性能仿真與試驗

劉　濤， 何瑞銀， 陸　靜， 鄒　翌， 趙明明

(南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031)

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基于EDEM的窩眼輪式油菜排種器排種性能仿真與試驗

劉濤， 何瑞銀， 陸靜， 鄒翌， 趙明明

(南京農業大學 工學院，江蘇 南京 210031)

摘要：【目的】研究不同型孔結構對窩眼輪式油菜排種器種子群擾動及排種性能的影響?！痉椒ā拷柚x散元分析軟件EDEM對3種不同型孔結構的窩眼輪式油菜排種器進行仿真分析，并進行試驗驗證?！窘Y果】型孔結構對種子群擾動影響明顯，種子群擾動量越大充種性能越好;轉速在10～50 r·min-1時，種子群擾動最大的30°倒角窩眼輪合格指數為86.6%～95.8%，明顯優于不倒角窩眼輪的67.5%～90.6%和半徑1.25 mm倒圓角窩眼輪的79.2%～93.5%。各輪對比試驗發現，相同轉速下，種子群擾動量越大漏播指數越小，型孔囊種空間大小因倒角方式而不同，且囊種空間越大，重播指數和變異系數也越大?！窘Y論】影響各輪排種性能的主要因素是工作轉速；由于重播指數較小，故合格指數主要受漏播指數影響；仿真與試驗的結果有偏差，但變化趨勢及其相互之間關系基本一致，用EDEM對排種器進行仿真分析具有一定可行性。

關鍵詞：EDEM； 排種器； 種子群擾動； 排種性能； 仿真； 驗證試驗

精密播種可實現1穴1粒和固定株距，從而減少用種量、降低勞動強度、節本增效。排種器作為播種機的核心部件直接決定播種精度[1-2]。油菜種子粒徑小，其精密排種器設計難度大[3]。氣力式排種器適用于高速作業，生產效率高，對種子適應性強、損傷輕，但結構復雜、加工成本高，且風機動力消耗大、性能不穩定[4]；窩眼輪式精密排種器屬機械式，對不同粒徑種子通用性差，但結構簡單、加工成本低、性能可靠，在我國精密播種機上應用廣泛[5-6]。

型孔是窩眼輪式精密排種器結構組成的重要部分，其形狀及參數直接影響排種器的工作性能。Garcia[7]研究發現型孔的形狀、尺寸對排種精度有著重要的影響；Wang[8]根據種子尺寸對排種器型孔參數進行了優化設計；吳兆遷等[9]設計了針對不同粒徑種子孔深可調的窩眼輪排種器，解決了播量調節不便的問題；宋井玲等[10]設計了1種利用凸輪活銷機構實現工作過程中孔深可變的型孔輪式排種器，適用于玉米、大豆等大粒種子。而油菜種子粒徑小、流動性強，對窩眼輪型孔結構要求更高，但是目前國內對于窩眼輪式油菜精密排種器型孔結構的研究甚少，使得適用于油菜等小籽粒種子的窩眼輪排種器設計理論不足。

傳統的試驗周期長、成本高，隨著計算機技術的發展，計算機輔助分析方法在排種器研究領域的應用日漸增多。 Zhang等[11]采用離散元法研究了大豆在斜槽中的流動過程；石林榕等[6]借助EDEM軟件對水平圓盤式精量排種器排種進行了仿真試驗。本文利用離散單元顆粒分析軟件EDEM，對不同型孔結構的窩眼輪式油菜精密排種器工作機理進行仿真分析和驗證試驗，探尋不同型孔結構對窩眼輪排種器種子群擾動及工作性能的影響，為窩眼輪式油菜精密排種器的設計工作提供理論依據。

1種子群擾動機理分析

1.1接觸模型的建立

排種器工作時，種箱中的油菜種子在窩眼輪轉動作用下發生擾動，引起種子間的碰撞產生接觸力[12-13]。離散元分析方法中將接觸模型分為軟顆粒接觸和硬顆粒接觸，其中軟顆粒接觸模型可以允許碰撞持續一定的時間，并同時考慮多個顆粒的碰撞，根據顆粒碰撞重疊量和切向位移來計算接觸力[14],種子群擾動與該接觸力緊密相關?？紤]到油菜種子無表面粘附力，故選擇Hertz-Mindlin(no slip)軟顆粒接觸模型[15-16]。將該模型的接觸簡化為有耦合器和滑動器的彈簧振子阻尼振動，如圖1所示，其運動微分方程為：

md2u/dt2+cdu/dt+Ku=0，

式中，m為模型粒子質量；u為偏離平衡位置位移；c為接觸阻尼系數；K為彈簧彈性系數。

1:顆粒i；2:彈簧；3:阻尼器；4:耦合器；5:顆粒j；6:滑動器；7:彈簧；8:阻尼器。

圖1軟顆粒接觸模型

Fig.1Model of soft-kernel contact

1.2接觸力分析

軟接觸顆粒碰撞模型中接觸力可分解為法向力和切向力，其中法向力是模型中彈性力和阻尼力的合力。對于油菜籽的三維球形顆粒，由Hertz接觸理論，法向力Fn以及切向力Ft可分別表示為：

Ft=-ktδ-ctνct，

式中kn、kt分別為法向及切向彈力系數；cn、ct分別為法向和切向阻尼系數；α為法向重疊量；νij為顆粒i與j的相對速度；νct為接觸點滑移速度；δ為切向位移；n為顆粒i與顆粒j接觸面的法向單位矢量。

若下式成立：

則顆粒i與顆粒j發生相對滑動，此時有：

式中μs為靜摩擦因數，由油菜種子的物理特性確定，為定值；nt為切向單位向量。由公式可知，種子之間的內摩擦力即上述接觸模型中的切向力是由法向力確定的，也是產生種子群擾動的主要因素[17-18]。因此以法向接觸力Fn為內摩擦力的監測值分析不同型孔結構各輪種子群擾動強度，探尋型孔結構對窩眼輪式油菜精密排種器排種性能的影響。

2仿真分析

2.1窩眼輪式排種器結構及工作原理

窩眼輪式油菜精密排種器由窩眼輪、外殼、清種刷、護種板、排種軸等組成，如圖2所示。排種器充種角度為90°，護種區包角為120°。窩眼輪直徑、厚度分別為60、20mm。為減少漏播，型孔底部窩眼直徑D應不小于種子最大尺寸，小于2粒種子的最小尺寸和，孔深H應等于或略大于種子的最大尺寸[9,19]，根據試驗所用種子的物理特性，設計D、H分別為2.5、2.3 mm。按型孔倒角不同，結合窩眼輪材料特性及油菜種子的三維尺寸、摩擦角等物理特性，根據不同倒角參數仿真結果，設計了30°倒角(A輪)、不倒角(B輪)以及半徑1.25 mm倒圓角(C輪)3種窩眼輪。為確保型孔完整的同時盡可能多地布置型孔以提高充種能力和工作效率，根據窩眼輪直徑和型孔尺寸，確定窩眼輪圓周面均布型孔數目為30個。A、B、C 3種窩眼輪結構如圖3所示。

工作時，排種軸帶動窩眼輪勻速轉動，油菜種子在重力及種間接觸力的作用下由種箱進入型孔完成充種過程，經過清種刷后隨著窩眼輪進入護種區，轉出護種區后，靠重力作用落下，進入種溝，完成排種過程。

1：種箱； 2：型孔；3：清種刷；4：外殼；5：護種板；6：排種軸；7：窩眼輪。

Fig.2Diagram of nest hole wheel precision rapeseed-metering device

圖3　3種窩眼輪型孔結構簡圖

Fig.3Diagram of nest hole wheels with three kinds of type hole structures

2.2模型建立及仿真

借助Pro-E軟件建立排種器模型，定義清種刷為尼龍材料、其余部件為有機玻璃；建立輸送帶模型，并定義種子與輸送帶為完全非彈性碰撞。模型導入EDEM軟件后網格顯示如圖4所示。

圖4　仿真模型

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；導入模型并按表1、2設置材料特性及材料間接觸參數[13,20-21]。設置顆粒產生方式為靜態填充，顆粒半徑1 mm并服從正態分布；設置仿真時間步長比例為20%，總時間6 s(第1秒生成顆粒，2～6 s排種)，網格尺寸為最小顆粒半徑的2倍。

表1仿真模型材料參數

Tab.1Property parameter of material in the simulation model

材料泊松比剪切模量/MPa密度/(kg·m-3)油菜種子0.2811.01060尼龍0.40102.01150有機玻璃0.50177.01180輸送帶0.327.81240

表2仿真模型材料接觸參數

Tab.2Contact parameter of material in the simulation model

接觸參數碰撞恢復系數靜摩擦因數滾動摩擦因數油菜種子-油菜種子0.6000.5000.010油菜種子-尼龍0.6000.5000.010油菜種子-有機玻璃0.5000.5000.010油菜種子-輸送帶0.0010.9990.999

綜合考慮油菜種植農藝要求、國內油菜播種機的作業速度水平以及試驗排種器的結構參數，在10、20、30、40、50 r·min-1下對A、B、C 3種不同型孔結構的窩眼輪排種器進行仿真分析。圖5顯示了各輪30 r·min-16 s時的仿真情況，種箱里種子的堆積情況反映出種子群擾動量為：A輪>C輪>B輪。

圖5　各窩眼輪排種器仿真情況

2.3仿真結果分析

2.3.1不同型孔結構對種子群擾動的影響

30 r·min-1時，A、B、C 3種窩眼輪上方同一位置框選區域中，種子顆粒間接觸的平均法向應力以及顆粒的平均速度隨時間波動如圖6、7所示。圖6顯示各輪平均法向應力隨時間變化無規律波動，其中A輪波動最明顯，C輪其次，B輪波動最??；A、B、C 3輪平均法向應力均值并無明顯區別。由圖7可知，種子顆粒平均速度為：A輪>C輪>B輪。圖6中B輪在5.5～5.8 s法向應力波動變小，而圖7中顯示該時段B輪種子顆粒的平均速度也顯著降低，觀察仿真錄像發現B輪此時段充種情況較差(圖8)，可見平均法向應力波動能有效反映種子群擾動，且種子群擾動對充種性能影響顯著。種子群擾動量越大，種子運動越劇烈，種子瞬時平均速度也越大，更容易在重力和相互碰撞作用下進入型孔完成充種過程。

圖6　各輪平均法向應力隨時間波動情況

圖7　各輪顆粒平均速度隨時間波動情況

圖9反映了各輪上方框選區域中種間平均法向應力的均值和方差隨轉速提高的變化情況。圖9a顯示，各輪的法向應力均值均隨轉速提高先增大后趨于平緩，此過程中B、C輪比A輪先達到拐點；10～30 r·min-1轉速下，三輪的法向應力均值出現交叉，轉速超過30 r·min-1后，各輪法向應力均值差異逐漸明顯。由圖9b可知，A、B、C 輪法向應力方差隨轉速提高而增大，B輪增幅明顯小于A、C 輪，此過程中，A、B、C 輪方差排序為：A輪>C輪>B輪。結合前文所述法向應力、種子群擾動及充種性能的關系可知，相同轉速下，各輪的種子群擾動量關系為：A輪>C輪>B輪，且A輪充種性能最好。

圖8　B輪在5.7 s時充種情況

圖9　平均法向應力均值和方差隨轉速變化情況

2.3.2不同型孔結構對排種器各工作指標的影響

每次仿真完成后，輸出輸送帶上表面框選區域中油菜種子x坐標值以獲取粒距樣本，按文獻[22]所述方法，對排種器的基本性能指標：粒距合格指數、漏播指數、重播指數、變異系數進行計算，排種性能仿真結果見圖10。

圖10　3種窩眼輪排種器排種性能仿真結果

圖10a表明，各輪合格指數均隨轉速的提高而降低，且A輪>C輪>B輪，且隨著轉速的提高，各輪合格指數間差值呈增大趨勢，型孔結構不同使得各輪的種子群擾動量、充種性能不同。圖10b表明各輪重播指數均隨轉速的提高而降低，且A輪>C輪>B輪，觀察仿真錄像發現，型孔結構差異使得A輪型孔的囊種空間大于B輪和C輪，當2粒直徑較小的種子同時出現在型孔上方時，A輪出現重播的可能性比B、C輪大。圖10c表明，各輪漏播指數均隨轉速提高而增加，且B輪>C輪>A輪，且各輪漏播指數差值隨轉速提高逐漸增大，A輪相比于B、C輪漏播指數增速較為平緩；對照圖9可知，就各輪自身而言，工作轉速是影響其漏播的主要因素，平均法向應力的均值和方差對漏播影響不大，而相同轉速下，各輪之間對比發現，法向應力方差對漏播影響顯著，法向應力方差越大則漏播指數越小，而平均法向應力均值的影響不明顯。圖10d表明，各輪的變異系數均隨轉速提高而增大，A輪變異系數最大，B、C輪變異系數差異不明顯，在20、50 r·min-1時兩者出現交叉；在EDEM中觀察種子運動軌跡發現A輪的投種位置變動較大，故其投種時間間隔誤差大，粒距變異系數大，這是由于型孔結構導致種子進入A輪型孔后活動范圍大所致。

3驗證試驗與分析

按仿真模型參數定制了A、B、C 3種窩眼輪，安裝到同一個窩眼輪排種器上，在南京農業大學工學院自制的鋪砂式排種性能測試臺上進行試驗，其工作原理及參數見文獻[23]。以仿真建模所參照的中雙11號油菜種子為試驗材料，測得其平均粒徑1.72～2.21 mm、千粒質量4.68 g、密度1.06 g·cm-3、容重0.67 g·cm-3、純凈度98.5%。

試驗選取與仿真相同的5種轉速，每次試驗添加到種箱的種子均為89 g(與仿真時約19 060粒種子質量相同)，監測指標及計算方法與仿真分析相同。排種性能試驗結果如圖11所示。

圖11　排種性能臺架試驗結果

對比圖10、11發現，試驗中各排種性能指標在數值上與仿真結果有一定偏差，但其變化趨勢及其相互之間大小關系與仿真結果基本一致。由圖10a、11a可知，試驗中各輪的合格指數隨轉速提高而下降的速度比仿真中要快，仿真中轉速從10 r·min-1增加到50 r·min-1時A、B、C 輪的合格指數分別從96.1%、93.1%、94.2%降低到89.8%、75.9%、81.5%，而試驗結果中A、B、C 輪的合格指數分別從95.8%、90.6%、93.5%降低到86.6%、67.5%、79.2%。B輪合格指數受轉速影響最大、C輪次之、A輪最小。由圖10b、11b可以看出，各輪重播指數在試驗與仿真中結果差異不明顯。由圖10c、11c可知，試驗中各輪漏播指數均高于相同轉速下仿真中漏播指數，且各輪漏播指數受轉速的影響在試驗結果中比仿真中表現的更為明顯，轉速為10 r·min-1時，A、B、C 輪試驗和仿真漏播指數分別為：0.7%、7.2%、3.0%和0.5%、4.3%、2.4%，當轉速增加到50 r·min-1時，A、B、C 輪試驗和仿真漏播指數分別升高到：12.4%、32.3%、20.1%和9.3%、23.9%、18.1%，可見B輪漏播指數受轉速變化的影響最大，A輪最小，這與前文所述不同型孔結構對種子群擾動量及囊種空間大小的影響一致。觀察圖10d、11d發現，變異系數隨轉速提高而上升，但試驗中各輪變異系數均比相同轉速下仿真中變異系數大，這與種子落到輸送帶時彈跳、粒距測量精度、輸送帶速度均勻性、排種器工作轉速穩定性等因素有關。

通過仿真及試驗發現，A輪在重播指數和變異系數略高于B、C輪的同時，其漏播指數和合格指數明顯優于B輪和C輪，對高速作業具有更強的適應性。

4結論

1)借助離散元分析軟件EDEM，以接觸平均法向應力均值和方差為監測值研究了型孔結構對窩眼輪排種器種子群擾動的影響，發現相同轉速下A輪種子群擾動量最大、C輪次之、B輪最小，且種子群擾動量越大充種性能越好。

2)按仿真建模參數加工了3種窩眼輪，并進行了排種性能驗證試驗。綜合考慮仿真和試驗結果，對各輪自身而言，影響其排種性能的主要因素是工作轉速，隨工作轉速提高各輪的合格指數、重播指數均減小，漏播指數、變異系數增大；各輪之間對比發現，相同轉速下，種子群擾動量越大漏播指數越小，型孔囊種空間因倒角方式而不同，且囊種空間越大，重播指數、變異系數越大；由于重播指數較小，故合格指數主要受漏播指數影響。試驗結果顯示，轉速在10～50 r·min-1時，種子群擾動最大的A輪合格指數為86.6%～95.8%，明顯優于B輪的67.5%～90.6%和C輪的79.2%～93.5%。

3)仿真與試驗的結果在數值上有偏差，但其變化趨勢及相互之間大小關系基本一致，用EDEM對排種器進行仿真分析具有一定可行性。

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【責任編輯霍歡】

Simulation and verification on seeding performance of nest hole wheel seed-metering device based on EDEM

LIU Tao, HE Ruiyin, LU Jing, ZOU Yi, ZHAO Mingming

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

Abstract：【Objective】 To study the influence of different types of hole structures on the seeds interference intensity and seeding performance of nest hole wheel metering device for rapeseeds.【Method】The EDEM software was used to simulate the nest hole wheel with three different types of hole structures. Tests were also done to verify the simulation results.【Result】Seeds interference intensity was affected by the hole structures evidently, and higher seeds interference intensity led to better seed-filling performance. In aspect of qualified rate, the 30° chamfering nest hole wheel (86.6%-95.8%) which had the largest seeds interference intensity performed much better than the nest hole wheel without chamfering (67.5%-90.6%) and the 1.25 mm rounded nest hole wheel (79.2%-93.5%) at 10-50 r·min-1rotational speed.For different wheels at the same rotational speed, higher seeds interference intensity caused lower miss-seeding rate. The space of the type hole had a different size in each chamfering, and bigger space of the type hole caused higher miss-seeding rate and variable coefficient.【Conclusion】 The main factor affecting seeding performance of each wheel is rotational speed. Since the redundant-seeding rate is low, the qualified rate is mainly affected by the miss-seeding rate. The fluctuation trends and the relationship among data are consistent in both simulation and test results, which proves the feasibility of the numerical simulation method based on EDEM.

Key words：EDEM; seed-metering device; seeds interference; seeding-performance; simulation; verification test

中圖分類號：S223.2

文獻標志碼：A

文章編號：1001- 411X(2016)03- 0126- 07

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201203059);蘇北科技專項(BN2016042)

作者簡介：劉濤(1990—)，男，碩士研究生,E-mail: fromliutao@126.com；通信作者：何瑞銀(1964—)男，教授，博士,E-mail: ryhe@njau.edu.cn

收稿日期：2015- 09- 11優先出版時間：2016-04-15

優先出版網址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20160415.1554.006.html

劉濤， 何瑞銀，陸靜，等.基于EDEM的窩眼輪式油菜排種器排種性能仿真與試驗[J].華南農業大學學報，2016,37(3):126- 132.