陳 騰， 翟超男， 邢志中， 郭小軍， 張海東

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

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基于EDEM的內(nèi)充式花生排種器排種過程的離散元仿真研究

陳 騰， 翟超男， 邢志中， 郭小軍， 張海東*

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，云南昆明 650201)

摘要[目的]尋找排種器的最佳排種轉(zhuǎn)速。[方法]建立內(nèi)充式花生排種器的離散元仿真模型，采用離散元的基本原理，運(yùn)用EDEM軟件對內(nèi)充式花生排種器排種性能進(jìn)行仿真研究，測定3種不同品種的花生種子在不同轉(zhuǎn)速時(shí)排種器的排種量、清種起始角及清種終止角的變化趨勢。[結(jié)果]實(shí)際轉(zhuǎn)速為15.7 ～45.5 r/min時(shí)排種量隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，但與花生的品種無關(guān)；清種起始角和終止角也均隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，但起始角的增大幅度大于終止角，導(dǎo)致清種區(qū)域隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，實(shí)際轉(zhuǎn)速為38.0 r/min時(shí)雙粒率達(dá)到最高值、排種均勻性最好，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢一致。[結(jié)論]基于EDEM的離散元仿真方法分析內(nèi)充式花生排種器是可行的。

關(guān)鍵詞內(nèi)充式排種器； 離散元； EDEM；仿真研究

播種機(jī)的排種器有很多種，花生播種機(jī)的排種器普遍采用的是內(nèi)充式垂直圓盤排種器，該排種器應(yīng)用了內(nèi)側(cè)充式的充種原理設(shè)計(jì)，這種排種器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、適合精密播種，具有極大的推廣空間[1-3]。但該類型排種器也存在一定的缺陷，如種子尺寸差距較大時(shí)排種均勻性和準(zhǔn)確性會(huì)降低，從而影響播種質(zhì)量。因此，研究內(nèi)充式排種器的工作過程、改進(jìn)排種器的結(jié)構(gòu)對實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的播種尤為重要。目前對排種器排種方面的研究大多集中在尺寸較小的種子顆粒。李鹍鵬等[4]對內(nèi)充式排種器播種小麥進(jìn)行了排種性能試驗(yàn)并得到了最優(yōu)參數(shù)組合。陳進(jìn)等[5]對氣吸式精密播種機(jī)振動(dòng)種盤中水稻種群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬仿真。王金武等[6]對排種器排種性能進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)，分析了排種過程中造成不同尺寸等級玉米籽粒產(chǎn)生重播、漏播問題的主要原因。離散元(Discrete element method)是用來專門解決不連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值模擬方法，基本思路源于動(dòng)力學(xué)。離散元素法的計(jì)算原理相對比較簡單，其分析仿真系統(tǒng)EDEM包括前處理模塊、核心求解器和后處理模塊[7]。20 世紀(jì) 90 年代后，一些學(xué)者開始應(yīng)用該方法研究散粒物料與農(nóng)業(yè)機(jī)械工作部件的相互作用[8]。花生種子的形狀一般為橢球形，具有滾動(dòng)性，因此花生顆?？梢员豢闯墒巧⒘ｓw，在工作過程中種子與種子間及種子與材料間的碰撞十分復(fù)雜?，F(xiàn)階段有關(guān)排種器播種花生的排種過程研究較少，鑒于此，筆者以內(nèi)充式花生排種器為研究對象，提出基于EDEM的離散元仿真技術(shù)的內(nèi)充式花生排種器排種過程研究，對排種器排種過程中清種起始角和終止角直接影響排種器的工作性能及排種器清種區(qū)域隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律進(jìn)行分析，尋找排種器的最佳轉(zhuǎn)速，以期為內(nèi)充種式排種器的優(yōu)化和改進(jìn)提供理論依據(jù)，為花生播種機(jī)的推廣提供技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1建模及參數(shù)的選取運(yùn)用離散元法分析排種器排種時(shí)需建立排種器的離散元分析模型并選取仿真所需參數(shù)。EDEM主要有3個(gè)模塊組成，即前處理器(Creater)、求解器(Simulator)和后處理器(Analyst)[9-14]。前處理器進(jìn)行模型的創(chuàng)建，求解器用來動(dòng)態(tài)模擬，后處理器對從求解器中得到的結(jié)果進(jìn)行分析。

1.1.1全局變量的設(shè)置。該研究內(nèi)充式花生排種器的離散元仿真過程中顆粒-顆粒、顆粒-材料壁面受力計(jì)算采用的是Hertz模型，該模型將兩物體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(jì)算法向及切向受力，能夠較為準(zhǔn)確地反映剛性顆粒物體間的力學(xué)特點(diǎn)[15-17]；其余參數(shù)設(shè)置如表1所示。

1.1.2顆粒的建模。在EDEM中顆粒的創(chuàng)建不是簡單地采用球體代替，而是采用四面構(gòu)型進(jìn)行創(chuàng)建，當(dāng)然軟件可以在其自身環(huán)境下進(jìn)行創(chuàng)建，也允許導(dǎo)入模型模板再進(jìn)行填充，該研究對花生種子進(jìn)行直接定義，即用3個(gè)球面來進(jìn)行顆粒模型的構(gòu)建，設(shè)置球面半徑，輸入數(shù)據(jù)定義顆粒模型，如圖1所示，Calculate properties選項(xiàng)系統(tǒng)可自動(dòng)獲取顆粒的重心、質(zhì)量和體積。

表1　參數(shù)的選取

注：密度單位為kg/m3，剪切模量單位為MPa。

Note:Density unit was kg/m3,unit of shear modulus was MPa.

圖1　種子的顆粒模型Fig.1　Seed particle model

1.1.3幾何模型的建立。該研究采用JS-HS1型號的內(nèi)充實(shí)花生排種器為模型建立的原型，幾何模型由Creo建立，Creo是一個(gè)整合了Pro/ENGINEER、CoCreate和ProductView三大軟件并重新分發(fā)的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包[18-20]。排種器經(jīng)Creo創(chuàng)建后倒入EDEM后的模型如圖2所示。為了賦予機(jī)械部件的材料特性及運(yùn)動(dòng)屬性，對該模型機(jī)械組成進(jìn)行集成，由傳動(dòng)軸、排種輪、外殼和護(hù)種板組成，其余為固定件。

圖2　排種器導(dǎo)入EDEM后的模型Fig.2　The model after metering device imported into EDEM

1.1.4顆粒工廠的建立。定義好的種子顆粒模型若要進(jìn)入排種器中進(jìn)行仿真運(yùn)動(dòng)就需要在顆粒工廠生成顆粒模型再進(jìn)入排種器模型。設(shè)置顆粒工廠為動(dòng)態(tài)生成方式，生成顆?？倲?shù)為300，產(chǎn)生速率為5 000個(gè)/s，放置顆粒最大嘗試次數(shù)為20次。

1.2試驗(yàn)材料選擇3種三維尺寸的不同花生品種(分別命名為大、中、小)在自行搭建的試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，對排種器的過程和性能進(jìn)行分析。采用加工定制的內(nèi)充式花生排種器，該排種器使用ABS材料加工而成，外殼為透明塑料，因此可以清晰地觀察到內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過程。排種輪的直徑為186 mm，復(fù)式型空數(shù)為10個(gè)，內(nèi)孔的長、寬分別為40、15 mm。為了使試驗(yàn)過程能夠被更準(zhǔn)確地記錄和分析，該研究對排種器進(jìn)行了角度劃分。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1排種器轉(zhuǎn)速的選取。由于設(shè)備磨損等原因，排種器的實(shí)際轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)顯示轉(zhuǎn)速會(huì)有一定的差別，因此需對排種器傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速重新進(jìn)行標(biāo)定和測量。步驟：①設(shè)定排種器轉(zhuǎn)速分別為15.0、20.0、30.0、40.0、50.0 r/min；②將轉(zhuǎn)速設(shè)定為顯示轉(zhuǎn)速值后用轉(zhuǎn)速表測試實(shí)際轉(zhuǎn)速；③將測量數(shù)據(jù)整理進(jìn)行記錄。由于排種腔內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)的因素眾多，種子運(yùn)動(dòng)結(jié)果的隨機(jī)性很強(qiáng)，因此每種轉(zhuǎn)速試驗(yàn)5～8次，排除差異很大的值后再取平均值。排種器的顯示轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速見表2。

表2顯示轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速

Table 2Comparison of actual speed and display speed

r/min

1.3.2排種器性能試驗(yàn)與仿真設(shè)計(jì)。采用試驗(yàn)測得的排種器實(shí)際轉(zhuǎn)速對3種種子顆粒進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)排種輪轉(zhuǎn)速并考慮臺架試驗(yàn)誤差影響，采取分析2 s內(nèi)不同轉(zhuǎn)速下排出的種子顆粒數(shù)的方法研究排種器的性能。采用EDEM進(jìn)行仿真時(shí)，其后處理器模塊中Selection選項(xiàng)能夠?qū)δＰ蛥^(qū)域進(jìn)行劃分。EDEM能夠?qū)︻w粒的質(zhì)量、數(shù)量等累計(jì)值進(jìn)行自動(dòng)累計(jì)計(jì)算，將網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為1對顆粒數(shù)進(jìn)行累計(jì)。在Edit Binning Group選項(xiàng)中創(chuàng)建一個(gè)新組，在Options選項(xiàng)中點(diǎn)擊Edit勾選Number of Particles，該研究測定的是一段時(shí)間內(nèi)排種總量，因而勾選Total over Time選項(xiàng)，以便在逐步仿真時(shí)累積的顆粒總數(shù)也被隨時(shí)記錄。

1.3.3清種角的試驗(yàn)與仿真設(shè)計(jì)。清種角是由清種起始角和清種終止角組成的，當(dāng)復(fù)型孔內(nèi)的種子開始回落時(shí)，該復(fù)型孔軸線與y軸負(fù)半軸的夾角稱為起始角；當(dāng)全部種子從復(fù)型孔回落時(shí)，復(fù)型孔軸線與y軸負(fù)半軸的夾角稱為清種終止角。排種器排種過程中充種過程結(jié)束后，由復(fù)型孔帶動(dòng)花生種子進(jìn)入清種區(qū)域，在清種區(qū)域內(nèi)多余的種子在重力的作用下會(huì)回落到排種腔內(nèi)防止種子的重播及破碎，所以清種角影響著花生播種的精度。采用試驗(yàn)測得的排種器實(shí)際轉(zhuǎn)速對花生種子排種均勻性進(jìn)行分析。仿真計(jì)算完成后自動(dòng)生成仿真動(dòng)畫，EDEM中有標(biāo)尺和量角器工具，在Tool中點(diǎn)擊量角器(Protractor)選項(xiàng)，設(shè)置y軸負(fù)半軸為起點(diǎn)，點(diǎn)擊前進(jìn)或后退按鈕觀察種子的回落情況從而找到清種起始角和終止角。

2結(jié)果與分析

2.1排種器性能試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比排種過程中種子數(shù)量累計(jì)過程的仿真圖如圖3所示。2 s內(nèi)不同轉(zhuǎn)速下種子排量試驗(yàn)值與仿真值對比結(jié)果見表3。從表3可以看出，不同品種的種子的排量相差不大，且均隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大；仿真值排種量隨轉(zhuǎn)速的變化呈直線上升趨勢，試驗(yàn)值與仿真值存在一定的誤差，但兩者的變化趨勢是一樣的。方差分析結(jié)果表明：花生品種對種子排量影響不顯著，排種器轉(zhuǎn)速對種子排量影響顯著。

圖3　排種數(shù)累計(jì)過程仿真圖Fig.3　Simulation diagram of the accumulated process of seed metering account

2.2清種角的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對比清種起始角和終止角的仿真圖與試驗(yàn)圖分別如圖4、5所示。清種起始角、終止角試驗(yàn)值與仿真值結(jié)果分別見表4、5。從表4、5可以看出，排種起始角、終止角的仿真值與試驗(yàn)值存在一定差異，但兩者的變化趨勢是一致的，隨著轉(zhuǎn)速的增大清種起始角和清種終止角也在增加，但起始角的增幅比終止角的增幅大，從而導(dǎo)致整個(gè)清種區(qū)域隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。圖6為2 s內(nèi)排種器不同轉(zhuǎn)速的排種仿真情況。從圖6可以看出，在轉(zhuǎn)速達(dá)到38.0 r/min之前排種量隨著排種轉(zhuǎn)速的增加而增加，且雙粒率也隨之增大，均勻性越來越好，轉(zhuǎn)速為38.0 r/min時(shí)雙粒率達(dá)到最高值、排種均勻性最好，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到45.5 r/min時(shí)雙粒率及均勻性均有所下降。

表3　2 s內(nèi)不同轉(zhuǎn)速下種子排量試驗(yàn)值與仿真值對比

圖4　清種起始角和終止角仿真圖Fig.4　Simulation diagrams of starting angle and ending angle

圖5　清種起始角和終止角試驗(yàn)圖Fig.5　The experiment diagrams of starting angle and ending angle

轉(zhuǎn)速Rotatespeedr/min起始角Startingangle∥°大Large中Middle小Small終止角Endingangle∥°大Large中Middle小Small15.790929114514614920.110510510415515215430.311111511316516016038.011511511517116917245.5120120125173175175

表5　清種起始角、終止角仿真值

注：a.轉(zhuǎn)速為15.7r/min時(shí)排種情況；b.轉(zhuǎn)速為20.1r/min時(shí)排種情況；c.轉(zhuǎn)速為30.3r/min時(shí)排種情況；d.轉(zhuǎn)速為38.8r/min時(shí)排種情況；e.轉(zhuǎn)速為45.5r/min時(shí)排種情況。 Note:a.Meteringsituationat15.7r/minrotatespeed;b.Meteringsituationat20.1r/minrotatespeed;c.Meteringsituationat30.3r/minrotatespeed;d.Meteringsituationat38.8r/minrotatespeed;e.Meteringsituationat45.5r/minrotatespeed. 圖6　2s內(nèi)排種器不同轉(zhuǎn)速的排種仿真情況 Fig.6　Meteringsimulationsituationatdifferentrotatespeedswithin2s

3結(jié)論

(1)分析了排種輪在不同的轉(zhuǎn)速下大、中、小3種種子顆粒的排種量，結(jié)果顯示：種子排量隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，但轉(zhuǎn)速為15.7 、20.1 r/min時(shí)排量的試驗(yàn)值略大于仿真值。

(2)分析了排種輪不同轉(zhuǎn)速時(shí)內(nèi)充式花生排種器的清種起始角和清種終止角，結(jié)果顯示：清種起始角比仿真值小，而清種終止角比仿真值大，但兩者的變化趨勢是一致的，均隨轉(zhuǎn)速的增大而增加，清種區(qū)域隨轉(zhuǎn)速的增大而減小。

(3)綜合分析可知，內(nèi)充式花生排種器在轉(zhuǎn)速為38.0 r/min時(shí)排種均勻性較好。

仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢一致，基于EDEM的離散元仿真方法分析內(nèi)充式花生排種器是可行的。

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基金項(xiàng)目云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動(dòng)(2016ZKX121)；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金。

作者簡介陳騰(1992- )，男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械及設(shè)施。*通訊作者，副教授，博士，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械及其自動(dòng)化研究。

收稿日期2016-05-08

中圖分類號S 223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-250-04

Discrete Element Simulation Study of Seed Metering Process of Inside-Filling Meter Based on EDEM

CHEN Teng,ZHAI Chao-nan,XING Zhi-zhong,ZHANG Hai-dong*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan Agricultural University,Kunming,Yunnan 650201)

Abstract[Objective] To find the optimal meter rotational speed of seed metering.[Method] Discrete element simulation model was established for the Inside-Filling Meter.EDEM software was used for simulation study on seed metering property of inside-filling meter.Change trends of seed metering amount,seed-clearing starting angle,and seed-clearing ending angle of three varieties of peanut seeds were detected in different rotate speeds.[Result] When the rotate speed was 15.7-45.5 r/min,seed metering amount enhanced as the rotate speed increased,but had no correlation with peanut varieties.Seed starting angle and ending angle enhanced as the rotate speed increased,but the increase amplitude of starting angle was greater than that of ending angle,which led to the decrease of cleaning area with the increase of rotate speed.When the rotate speed was 38.0 r/min,double grain rate reached the maximum value,and the uniformity of seed metering was the optimal.Change trend of simulation result was consistent with that of experimental results.[Conclusion] It is feasible to analyze the inside-filling meter by discrete element simulation based on EDEM.

Key wordsInside-filling meter; Discrete element; EDEM; Simulation research