基于EDEM的窩眼輪小麥精量排種器排種仿真試驗

李慧琴 趙戩 劉恩光 劉存祥

摘要：設(shè)計一種窩眼輪式小麥精量排種器，確定該排種器的最佳排種性能參數(shù)（窩眼輪轉(zhuǎn)速、型孔倒角、毛刷與排種輪的傳動比）。并設(shè)計3水平3因素正交試驗，對排種器的排種性能進行模擬仿真試驗，觀察分析小麥種子在排種器中排種、重播、漏播的過程，得出影響排種性能的主次因素，從而確定最優(yōu)參數(shù)，即窩眼輪轉(zhuǎn)速為40 r/min、型孔為30°倒角、毛刷與排種輪的傳動比為2 ∶1，此時排種器的排種性能最優(yōu)。通過臺架試驗，驗證了仿真試驗結(jié)果的準確性，對以后排種器性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的參考。

關(guān)鍵詞：播種器;窩眼輪式排種輪;離散元仿真;正交試驗;排種器;仿真試驗

中圖分類號：TP391.99;S223.2 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）10-0188-06

精量播種技術(shù)具有節(jié)約良種、抗旱保苗效果好、培育壯苗等優(yōu)點[1]。為提高小麥播種機播種精度，各種小麥精密排種器的研究成為了熱點。市場上的小麥精密排種器多為氣吸式排種器，但是價格昂貴且需要配備氣泵，而機構(gòu)簡單、動力配備適應(yīng)性強和能實現(xiàn)密集精密播種的窩眼輪式機械排種器成為了精密播種的首選。

寬窄行小麥播種技術(shù)能增加小麥畝產(chǎn)，減少病害現(xiàn)象[2]。劉印杰等研究表明，小麥實行寬窄行種植，能充分發(fā)揮其邊行優(yōu)勢 實現(xiàn)低群體壯個體、產(chǎn)量三要素協(xié)調(diào)發(fā)展，且抗倒伏、抗早衰、產(chǎn)量高，便于田間管理及秋作物麥壟套種與秋苗生長發(fā)育 是提高麥田產(chǎn)量的有效途徑[3]。黃峰等研究表明，寬窄行種植能提高畝成穗率和畝穗數(shù) 從而增加產(chǎn)量[4]。由于小麥種子質(zhì)量小、體積小、幾何形狀不規(guī)則，難以實現(xiàn)機械化精量播種，因此需設(shè)計一種適用于小麥寬窄行精量播種的窩眼輪式排種器。

由于顆粒狀物質(zhì)存在的廣泛性，離散單元法作為涉及相關(guān)散體顆粒物質(zhì)運動的方法，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注[5]。本研究基于離散單元法，建立小麥種子模型，對所研制的窩眼輪式小麥精量排種器進行模擬排種試驗，并對影響其性能的參數(shù)進行優(yōu)化，具有很高的研究價值。

1 排種器總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

窩眼輪式排種器由前殼體、后殼體、窩眼式排種輪、刮種毛刷、主動軸、從動軸、鏈輪組、清種扭力彈簧、連接螺栓和支撐螺栓等組成，其總體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

主動軸與排種輪中心的孔配合，從動軸與刮種毛刷中心的孔配合，主動軸與從動軸之間通過鏈輪組連接。前殼體與后殼體之間通過連接螺栓進行連接，其中前殼體也發(fā)揮著護種板的作用，后殼體上有能與播種機機架或試驗臺連接的底板。清種扭力彈簧穿過支撐螺栓，一端與后殼體接觸，另一端與排種輪型孔中間的溝槽底面接觸。

1.2 工作原理

排種器的工作過程見圖2。排種器工作時，動力輸入到主動軸，帶動排種輪轉(zhuǎn)動，主動軸經(jīng)鏈輪組將動力傳遞給從動軸，帶動刮種毛刷轉(zhuǎn)動;工作狀態(tài)下，窩眼輪的轉(zhuǎn)動擾動小麥種子，種子在重力與種間作用力的共同作用下充入型孔，刮種毛刷憑借與排種輪的速度差將型孔周圍的種子清除;進入型孔的種子經(jīng)護種板的阻擋下經(jīng)過攜種區(qū)到達排種點，為保證種子的順利投出，利用清種扭力彈簧強制投種，種子在重力的作用下下落;排種輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，空程區(qū)的型孔進入充種區(qū)完成下一次充種，整個排種過程完成。

2 排種器離散元仿真模型的建立

2.1 仿真參數(shù)的確定

為簡化計算，將模型簡化為前殼體、后殼體、排種輪、刮種毛刷和扭轉(zhuǎn)彈簧5個部分。設(shè)定后殼體和扭轉(zhuǎn)彈簧材料為鋼，前殼體和排種輪材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），刮種毛刷材料為尼龍66。仿真模型中材料屬性和接觸屬性設(shè)置參考文獻[6-7]，材料屬性見表1。接觸模型選擇Hertz-Mindlin（no slip）模型，材料接觸屬性見表2。

2.2 小麥種子模型的建立

種子自身的物理特性是排種器設(shè)計的重要參考依據(jù)[8]。由于小麥尺寸不規(guī)則，而且個體尺寸差異較大，因此將小麥簡化為長大于寬、寬大于厚的幾何體，其外形尺寸見圖3。選取濟麥22為研究對象，經(jīng)測量所得的小麥種子尺寸參數(shù)見表3。

根據(jù)濟麥22測量的參數(shù)，將小麥顆粒模型建立為由5個球體填充而成的幾何體，其半徑分別為1.1、1.4、1.6、1.4、1.1 mm，中心坐標分別為（0，-2，0）、（0，-1，0）、（0 ，0，0）、（0，1，0）、（0，2，0），該幾何體如圖4所示。

2.3 排種器模型的建立

排種輪作為排種器的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計直接影響播種效果。

首先對窩眼式排種輪的直徑進行設(shè)計，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，窩眼輪直徑如果過小，則其曲率較大，不利于種子充入型孔而造成漏播，一般取50～140 mm[9]。參考已有的大豆窩眼式排種輪，取窩眼輪直徑（dω）為130 mm。

其次設(shè)計型孔的個數(shù)，根據(jù)設(shè)計要求，播種行數(shù)為2行，播種行距受排種器外接的導(dǎo)種管影響，因此僅考慮單行型孔的個數(shù)。單行型孔的個數(shù)受排種輪轉(zhuǎn)動的線速度影響，取排種輪轉(zhuǎn)速（n）為 60 r/min。則排種輪轉(zhuǎn)動的線速度（vω）為

vω=nπdω60=0.408 2 m/s。（1）

單行型孔個數(shù)T為

T=πdωvmQvω。（2）

式中：vm為播種機作業(yè)速度，m/s;Q為株（穴）距，m。

拖拉機行駛速度取值不超過3.5 km/h，即vm =0.972 m/s，根據(jù)小麥播種農(nóng)藝要求，株距范圍為 15～45 mm，取理論株距Q=30 mm，代入公式（2）得 T=32.4 個，因此確定單行型孔數(shù)為32 個。

然后對型孔的形狀及尺寸進行設(shè)計，根據(jù)劉俊峰等的分析及觀察[10]，小麥種子充入型孔的穩(wěn)定狀態(tài)一般以腹溝平面向下或向上居多。因此將型孔設(shè)計為橢球孔，孔長（橢球長軸）為A，孔長沿排種輪轉(zhuǎn)動圓周方向，孔寬（橢球短軸）為B，孔深為C。為徹底排種，型孔中心軸處有扭轉(zhuǎn)彈簧通過的槽，槽寬為H，型孔尺寸如圖5所示。

排種過程中為避免種子落入槽內(nèi)，槽寬必須小于種子最小尺寸（2.51 mm），考慮種子尖角部分一側(cè)會過多進入槽內(nèi)，將槽寬H確定為1.7 mm。為保證每個型孔只能容納1顆種子，根據(jù)劉彩玲等的研究[11]，型孔尺寸應(yīng)滿足：

amax<A<a+12c;（3）

bmax<B<2cmin;（4）

cmax<C<2cmin;（5）

A>B>C。（6）

式中：amax表示小麥長度最大值，mm; a表示小麥長度平均值 mm; bmax表示小麥寬度最大值，mm; cmin

表示小麥厚度最小值，mm;cmax表示小麥厚度最大值，mm;c表示小麥厚度平均值，mm。

由測量的小麥尺寸參數(shù)（表3）可知，7.39<A<7.72，4.21<B<5.02，3.59<C<5.02，型孔的長、寬、深分別取7.70、5.00、3.85 mm。另外，為減少充種過程中種子的破碎率，在型孔上設(shè)計30°倒角R。為改善充種和清種性能，提高排種頻率，將2排型孔設(shè)計成交錯排列。

利用SolidWorks軟件對排種器進行三維建模，其排種輪模型見圖6。省略掉不必要的零件后進行裝配，另存為.igs格式后導(dǎo)入EDEM軟件幾何體模塊中，保留的零部件分別為排種輪、前殼體、后殼體、刮種毛刷和扭轉(zhuǎn)彈簧。在排種器進種口定義顆粒工廠，生成顆粒總數(shù)為2 200粒，生成顆粒速率為 4 400粒/s，完成參數(shù)設(shè)置后的仿真模型見圖7。

3 排種器EDEM仿真試驗

3.1 試驗設(shè)計

試驗采用EDEM軟件進行仿真試驗，分別建立小麥種子模型和排種器模型，對排種過程進行運動仿真，利用EDEM強大的后處理功能對試驗數(shù)據(jù)進行處理，選用正交試驗設(shè)計的方法對排種器的參數(shù)進行優(yōu)化。選用窩眼輪轉(zhuǎn)速、型孔倒角、毛刷與排種輪的傳動比3個因素作為可變參數(shù)，選用L9（34）正交表。試驗因素取值見表4。

3.2 模擬仿真過程及分析

仿真選用Hertz-Mindlin接觸模型，種子顆?？倲?shù)為2 200粒，生成顆粒速率為4 400粒/s，設(shè)置仿真Rayleigth時間步長百分比為20%，輸出時間步長為0.01 s，網(wǎng)格大小為最小顆粒半徑的2倍，仿真時間為60 s，定義排種輪和刮種毛刷在1 s時開始轉(zhuǎn)動。仿真結(jié)束后，將模型設(shè)置為Mesh形式顯示，透明度設(shè)置為0.1，將種子顆粒以速度染色，觀察其運動狀態(tài)。

在0.50 s時，顆粒工廠生成種子模型完成，完全落入排種器內(nèi);在0.60 s時，刮種毛刷將多余的種子清理出窩眼型孔，使其進入到攜種區(qū);在1.27 s時，種子到達排種點，在重力作用下下落（圖8）。

3.3 仿真試驗指標

在排種過程中，除了正常排種外，還有2種特殊情況——漏播和重播。仿真結(jié)果中，單個型孔里僅有1粒種子表示合格，沒有種子表示漏播，種子數(shù)量大于1粒表示重播，如圖9所示。

統(tǒng)計每組理論排種數(shù)N、重復(fù)排種數(shù)n0、單粒排種數(shù)n1和漏排種數(shù)n2，計算合格率S、漏播率M和重播率D[12]?？紤]到實際播種中“寧重不漏”的原則，引入排種性能指數(shù)Z[13]，將重播率折算后計入。其計算公式如下：

S=n1N×100%;（7）

M=n0N×100%;（8）

D=n2N×100%;（9）

Z=S+D2.5×100%。（10）

3.4 仿真試驗結(jié)果與分析

正交試驗方案和結(jié)果見表5，極差分析結(jié)果見表6。選擇對排種最為重要的漏播指數(shù)和排種性能指數(shù)作為分析指標，觀察9次試驗數(shù)據(jù)，對于漏播指數(shù)，最大值為15.63%，最小值為4.17%，平均值為8.65%。從表6可以得出，其影響漏播指數(shù)和排種性能指數(shù)的主次因素均表現(xiàn)為A（窩眼輪轉(zhuǎn)速）>B（型孔倒角）>C（毛刷與排種輪的傳動比），影響較大的因素為窩眼輪轉(zhuǎn)速，但是水平1與水平2相差不大，說明窩眼輪轉(zhuǎn)速和排種性能指數(shù)在此區(qū)間的影響一致，較優(yōu)水平組合：漏播指數(shù)為A1B2C1、排種性能指數(shù)為A1B3C1?？紤]到排種性能指數(shù)和離散元仿真試驗結(jié)果，選擇排種器的最優(yōu)參數(shù)為A2B3C3，即窩眼輪轉(zhuǎn)速為40 r/min 、型孔為30°倒角、毛刷與排種輪的傳動比為2 ∶1，對此模型進行仿真試驗，得到合格指數(shù)為93.66%，重播指數(shù)為2.13%，漏播指數(shù)為4.21%，排種性能指數(shù)為94.73%。

4 臺架試驗

4.1 試驗條件

在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)第三生活區(qū)農(nóng)業(yè)機械車間，采用與仿真試驗一致的濟麥22種子進行臺架試驗，試驗設(shè)備為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的STB-700播種試驗臺，將制作的窩眼輪式排種器搭建在試驗臺上，由控制中心控制排種輪的轉(zhuǎn)速和傳送帶速度，試驗臺搭建效果如圖10所示。

4.2 試驗方法

選用上述仿真試驗結(jié)果最優(yōu)的排種輪，即窩眼輪排種器型孔倒角為30°、毛刷與排種輪的傳動比為 2 ∶1。將排種輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為40 r/min，傳送帶速度設(shè)定為0.65 m/s，進行5組試驗，統(tǒng)計各項數(shù)據(jù)取平均值。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，計算出試驗理論株距SL，分別對每組試驗重播率、漏播率、合格率進行統(tǒng)計。理論株距SL計算公式如下：

SL=1 000×60vsTns=30.5 mm。

式中：SL表示理論株距，mm;vs表示傳送帶速度，m/s;ns表示排種輪轉(zhuǎn)速，m/s;T表示排種輪單行型孔個數(shù)。

4.3 試驗結(jié)果

試驗臺播種效果如圖11所示。根據(jù)試驗方法，統(tǒng)計播種性能指數(shù)，結(jié)果見表7。此排種器在試驗中合格指數(shù)為89.53%，重播指數(shù)為4.31%，漏播指數(shù)為6.16%，排種性能指數(shù)為91.69%，最重要的排種綜合指數(shù)與仿真試驗結(jié)果的誤差為3.04%（<5%），說明利用EDEM優(yōu)化排種器性能參數(shù)的方法可行。

5 結(jié)論

根據(jù)寬窄行播種技術(shù)，設(shè)計了窩眼輪小麥精量排種器，并利用EDEM軟件對排種器進行離散元仿真分析。仿真分析結(jié)果表明，影響窩眼輪式小麥精量排種器排種性能的主次因素順序為窩眼輪轉(zhuǎn)速、型孔倒角、毛刷與排種輪的傳動比，當窩眼輪轉(zhuǎn)速為40 r/min、型孔為30°倒角、毛刷與排種輪的傳動比為2 ∶1時排種器的排種性能最優(yōu)。根據(jù)仿真試驗結(jié)果的最優(yōu)參數(shù)，制作排種器并進行臺架試驗，將臺架試驗與EDEM仿真試驗的數(shù)據(jù)對比，排種綜合指數(shù)誤差為3.04%（<5%），說明利用EDEM軟件優(yōu)化排種器性能參數(shù)的方法是可行的，可以省去大量的人力、物力以及大田試驗。

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