基于EDEM的勺帶式馬鈴薯排種器充種性能仿真研究

張濤 張萬(wàn)枝 陳志偉 王鑫海 徐穎 崔心杰

摘要：為提高勺帶式馬鈴薯排種器充種性能，基于EDEM仿真軟件建立了馬鈴薯離散元顆粒模型，通過(guò)跌落沖擊試驗(yàn)與斜面法確定了馬鈴薯充種仿真試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù);選取排種器傾斜角度、種勺運(yùn)動(dòng)速度以及供種速度進(jìn)行單因素充種仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)排種器傾斜角度75°、排種帶速度0.5 m/s及供種速度15個(gè)/s時(shí)，充種性能最好，此時(shí)單粒充種比例為17.5%、2粒及2粒以上比例為83.5%、未充種比例為0。后續(xù)工作可在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)清種裝置，以進(jìn)一步增大單粒比例、減小多粒比例，更好地達(dá)到馬鈴薯精量播種要求。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯;排種裝置;EDEM;仿真;排種效果

中圖分類號(hào)： S223.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）12-0181-04

收稿日期：2020-11-10

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金（編號(hào)：2020M681690）;山東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR2019BC018）;山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：SD2019NJ003）;山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系薯類創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械崗位專家項(xiàng)目（編號(hào)：SDAIT-16-10）;“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能農(nóng)機(jī)裝備（編號(hào)：2017YFD0700705）。

作者簡(jiǎn)介：張 濤（1998—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事薯類機(jī)械設(shè)計(jì)。E-mail：1558935961@qq.com。

通信作者：張萬(wàn)枝，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事薯類機(jī)械理論與設(shè)計(jì)研究。E-mail：zhangwanzhi@163.com。

馬鈴薯是世界第四大糧食作物，但目前馬鈴薯種植機(jī)械化程度普遍不高，尤其是發(fā)展中國(guó)家機(jī)播率僅為30%。馬鈴薯種植是馬鈴薯生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其中排種器又是馬鈴薯種植機(jī)械的核心部件。目前勺帶式排種器是世界上最常用的排種裝置。勺帶式排種器具有操作簡(jiǎn)便、播種均勻、可靠性和作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，但也存在著漏種和重種等缺點(diǎn)。為了提高勺帶式排種性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)研究。劉以昌針對(duì)勺輪式排種器傳動(dòng)復(fù)雜等問(wèn)題開展了試驗(yàn)研究，研制了傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、排種性能更佳的垂直式勺輪排種器[2];呂金慶等學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)排種器改進(jìn)設(shè)計(jì)了雙列交錯(cuò)式馬鈴薯排種器，對(duì)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與優(yōu)化，理論分析了主動(dòng)輪和振動(dòng)清種裝置的性能特點(diǎn)[3];王希英等改進(jìn)設(shè)計(jì)了雙列交錯(cuò)勺帶式馬鈴薯精量排種器，優(yōu)化了雙勺交錯(cuò)排種總成、主動(dòng)驅(qū)動(dòng)總成和振動(dòng)清種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)[4-5]。目前相關(guān)研究主要是針對(duì)排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)關(guān)鍵部件和種薯間的相互作用研究較少。整個(gè)馬鈴薯排種過(guò)程可分充種、清種、攜種、投種等環(huán)節(jié)，其中最重要的是充種環(huán)節(jié)。關(guān)鍵部件與種薯間的相互作用直接影響了馬鈴薯充種[6-9]。采用傳統(tǒng)理論計(jì)算或試驗(yàn)法分析關(guān)鍵部件與種薯間的相互作用，費(fèi)時(shí)費(fèi)工。

離散單元法（Discrete Element Method，DEM）是目前一種比較新型的數(shù)值模擬仿真分析方法，主要用來(lái)分析比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和力學(xué)特征，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域主要應(yīng)用于土壤顆粒、小物料種子等方面的運(yùn)動(dòng)分析[10-11]。而鑒于馬鈴薯在排種過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)也是屬于散粒物料運(yùn)動(dòng)[12-14]，因此本研究在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用EDEM 軟件對(duì)勺帶式馬鈴薯排種器充種性能進(jìn)行仿真研究，分析探討排種器角度、供種速度以及排種帶速度對(duì)充種性能的影響，以期為勺帶式馬鈴薯精量排種器設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 馬鈴薯離散元顆粒模型建立

選用華北和西北地區(qū)普遍適種的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)商品薯“荷蘭十五”作為試驗(yàn)樣本，選取質(zhì)量為20～30 g 的馬鈴薯500粒。采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺對(duì)馬鈴薯三軸尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見表1。

由表1可見，馬鈴薯種薯的幾何外形近似于橢球形，但其長(zhǎng)軸兩端大小并不相同。對(duì)于這種不規(guī)則橢球體， 本研究首先在EDEM中建立一個(gè)半徑為

14 mm的球體作為顆粒中心;其次保持x軸、z軸方向基本不變，在y軸方向上一次生成8個(gè)半徑大小不同的球體（表2），每個(gè)球體半徑以及坐標(biāo)位置均不相同，通過(guò)這種組合得到馬鈴薯顆粒模型（圖1）。

1.2 充種性能仿真參數(shù)確定

充種是指種薯以一定速度從大種箱流向小種箱，然后種勺以一定速度向上舀取種薯。馬鈴薯屬于散粒體，確定其與排種器間的力學(xué)特性參數(shù)對(duì)研究充種性能具有重要意義。馬鈴薯與排種器間的力學(xué)特性參數(shù)主要包括馬鈴薯-馬鈴薯間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù);馬鈴薯-種勺間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)以及馬鈴薯-種箱間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動(dòng)摩擦系數(shù)。

1.2.1 碰撞恢復(fù)系數(shù)確定 采用跌落沖擊試驗(yàn)法確定馬碰撞恢復(fù)系數(shù)。碰撞恢復(fù)系數(shù)是兩物體碰撞后的分離速度與碰撞前的接近速度的比值。試驗(yàn)中，設(shè)被撞物料靜止不動(dòng)，將馬鈴薯從高度為H處?kù)o止釋放，馬鈴薯做自由落體運(yùn)動(dòng)與碰撞物體發(fā)生碰撞，然后被彈起，高度為h。根據(jù)能量守恒定律可得碰撞恢復(fù)系數(shù)計(jì)算公式為

Cr=（0-v1′）（v1-0）=2gh2gH=h/H。（1）

式中：g為重力加速度;v1為馬鈴薯碰撞前的速度;v1′為馬鈴薯碰撞后的速度;被撞物料速度始終為0;H為300 mm。

馬鈴薯碰撞恢復(fù)系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)裝置如圖2所示，所采用設(shè)備有：高速攝像系統(tǒng)、自制跌落架、刻度紙、橡膠紙、塑料板、鍍鋅鋼板。

分別測(cè)定馬鈴薯-馬鈴薯、馬鈴薯-塑料板、馬鈴薯-鍍鋅鋼板的碰撞恢復(fù)系數(shù)。每種情況重復(fù)5次，取平均值，結(jié)果見表3。

1.2.2 摩擦系數(shù)確定 采用斜面法來(lái)測(cè)定馬鈴薯與塑料板、鍍鋅鋼板間的摩擦系數(shù)，測(cè)量裝置如圖3所示。

初始時(shí)，馬鈴薯在斜面上靜止，馬鈴薯受到的摩擦力為

Fs=μ2Gcosα。（2）

式中：Fs為摩擦力;μ1為靜摩擦系數(shù);G為馬鈴薯重力;α為斜面傾斜角。當(dāng)α增大到一定值時(shí)，馬鈴薯有向下滑動(dòng)的趨勢(shì);此時(shí)為滑動(dòng)摩擦角，對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為

μ2=tanα。（3）

每種材料重復(fù)試驗(yàn)5次，最終測(cè)得結(jié)果見表4。

1.3 充種仿真模型建立

在Solid Works中建立馬鈴薯排種器三維模型（圖4），設(shè)置排種帶傾斜角度分別為90°、75°、60°等3種情況，分別導(dǎo)入EDEM中。在EDEM中種箱設(shè)置為鍍鋅鋼板材料、種勺和排種帶為塑料材料;馬鈴薯顆粒間及與排種器間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin無(wú)滑移模型;選定轉(zhuǎn)動(dòng)軸并在Dynamics選項(xiàng)卡中設(shè)置轉(zhuǎn)速分別為0.4、0.5、0.6 m/s;在Factories模塊中建立顆粒工廠，設(shè)定顆粒以動(dòng)態(tài)方式生成; 其他參數(shù)設(shè)置見表5。 為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigth時(shí)間步長(zhǎng)的20%，總仿真時(shí)間為20 s。在排種口處通過(guò)網(wǎng)格劃分設(shè)置網(wǎng)格單元體，每次仿真結(jié)束均通過(guò)網(wǎng)格單元體對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為了便于觀察，將種箱、導(dǎo)種管設(shè)置為網(wǎng)格顯示。EDEM仿真模型見圖5。

2 充種仿真及結(jié)果分析

2.1 充種仿真試驗(yàn)

選取排種器傾斜角度、種勺運(yùn)動(dòng)速度以及供種速度進(jìn)行單因素充種仿真試驗(yàn)。通過(guò)調(diào)節(jié)排種帶 moving plane運(yùn)動(dòng)速度控制其工作速度（0.4、0.5、0.6 m/s）;通過(guò)調(diào)節(jié)排種器整體傾斜角度控制取種舀勺角度（90°、75°、60°）;通過(guò)觀察確定每個(gè)種勺里種薯是否為單粒、2粒及2粒以上或未充種等狀態(tài)。參考 GB/T 6242—2006《種植機(jī)械馬鈴薯種植機(jī)試驗(yàn)方法》和 NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，選取馬鈴薯種薯單粒充種比例Y1、2粒及2粒以上比例Y2、未充種比例Y3等3個(gè)指標(biāo)為試驗(yàn)考核指標(biāo)。

Y1=n1N×100%;（4）

Y2=n2N×100%;（5）

Y3=n3N×100%。（6）

式中：n1為馬鈴薯種薯單粒充種數(shù);n2為2粒及2粒以上充種數(shù);n3為未充種數(shù)。充種仿真試驗(yàn)如圖6所示。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 排種帶傾斜角度對(duì)充種運(yùn)移性能的影響 設(shè)定排種帶傾斜角度分別為90°、75°、60°，保持排種帶運(yùn)動(dòng)速度為0.4 m/s、供種速度為15個(gè)/s，結(jié)果見表6。由表6可見，傾斜角度60°時(shí)，種勺2粒及2粒以上充種比例最大（92.2%），但單粒充種比例較少（3.9%），同時(shí)存在未充種現(xiàn)象;傾斜角度90°時(shí)，種勺單粒充種比例最大（25%），但未充種比例也最大（11.5%）;傾斜角度75°時(shí)，種勺單粒充種比例為8.5%，2粒及2粒以上比例為91.5%，未充種比例為0，充種性能最優(yōu)。結(jié)果也證實(shí)了英國(guó)農(nóng)業(yè)工程研究所的 L·P·帕夫頓等提出的“‘零速投種并非要求種子落到地面時(shí)的水平分速度為零，種子落下時(shí)應(yīng)該具有一定的垂直速度，但并不是90°時(shí)播種質(zhì)量是最好的，而是投種角度在75°左右時(shí)最好，種子的平均位移最小”這一觀點(diǎn)。

2.2.2 種勺運(yùn)動(dòng)速度對(duì)充種運(yùn)移性能的影響 設(shè)定種勺運(yùn)動(dòng)速度分別為0.4、0.5、0.6 m/s，保持排種帶傾斜角為75°、供種速度為15個(gè)/s，結(jié)果見表7。由表7可見，種勺運(yùn)動(dòng)速度為0.4 m/s時(shí)，單粒充種比例最低（8.5%），2粒及2粒以上充種比例最高（91.5%）;種勺運(yùn)動(dòng)速度為0.6 m/s時(shí)，單粒充種比例為10.4%，2粒及2粒以上充種比例為85.1%，但未充種比例為5.5%;種勺運(yùn)動(dòng)速度為 0.5 m/s 時(shí)，單粒充種比例最高（17.5%），2粒及2粒以上充種比例最低（83.5%），且不存在未充種現(xiàn)象，充種性能最優(yōu)。

2.2.3 供種速度對(duì)充種運(yùn)移性能的影響 當(dāng)向種箱里倒入種薯速度過(guò)快時(shí)，一方面會(huì)在種箱內(nèi)產(chǎn)生結(jié)拱的現(xiàn)象，影響播種效果;另一方面，也會(huì)因?yàn)榈谷胨俣冗^(guò)快使種箱內(nèi)存有大量的種薯，當(dāng)種勺舀取種薯時(shí)會(huì)有多個(gè)馬鈴薯種薯被舀取，從而增加了2粒及2粒以上所占比例。設(shè)定供種速度分別為 12個(gè)/s、15個(gè)/s、18個(gè)/s，保持排種帶傾斜角為75°、種勺運(yùn)動(dòng)速度為0.5 m/s，結(jié)果見表8。由表8可見，供種速度為12個(gè)/s時(shí)，單粒充種比例最大（21.5%），2粒及2粒以上比例最?。?4.9%），但未充種比例為4.6%;供種速度為18個(gè)/s時(shí)，單粒充種比例最?。?2.3%），2粒及2粒以上比例最大（87.7%），未充種比例為0;供種速度為15個(gè)/s時(shí)，單粒充種比例為17.5%，2粒及2粒以上比例為83.5%，與供種速度為18個(gè)/s時(shí)相比，單粒充種比例提高、2粒及2粒以上比例下降，充種性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

基于EDEM仿真軟件建立了馬鈴薯離散元顆粒模型，通過(guò)跌落沖擊試驗(yàn)與斜面法確定了馬鈴薯充種仿真試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)。選取排種器傾斜角度、種勺運(yùn)動(dòng)速度以及供種速度進(jìn)行單因素充種仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)排種器傾斜角度75°、排種帶速度0.5 m/s及供種速度15個(gè)/s時(shí)，充種性能最好，此時(shí)單粒充種比例為17.5%， 2粒及2粒以上比例為

83.5%，未充種比例為0。

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