基于離散元法的棉花勺式排種器排種性能模擬

王玨,楊欣*,王建合,蔡雅琨,錢稷,何建華,張亮,汪強

1.河北農業大學機電工程學院,河北保定071001

2.河北省農機化技術推廣服務總站,河北石家莊050011

3.河北農業大學理工學院,河北滄州061100

基于離散元法的棉花勺式排種器排種性能模擬

王玨1,楊欣1*,王建合2,蔡雅琨3,錢稷1,何建華1,張亮1,汪強1

1.河北農業大學機電工程學院,河北保定071001

2.河北省農機化技術推廣服務總站,河北石家莊050011

3.河北農業大學理工學院,河北滄州061100

為了研究棉花勺式排種器排種性能，探討影響排種器粒距合格率和重播、漏播率的因素，建立了棉花勺式排種器的離散元仿真模型，應用EDEM軟件對棉花勺式排種器工作過程中棉籽的運動過程進行了仿真分析，通過分析棉花勺式排種器排種過程，明確了棉籽的運動規律和出現重播、漏播情況主要與充種、護種和遞種的過程發生異常有關，涉及的主要參數有勺匙曲面半徑、勺匙角度、勺匙前斜面角度和排種盤轉速等。在相同工況下，進行臺架驗證試驗，結果表明，仿真和臺架試驗結果基本一致，說明采用離散元法分析棉花勺式排種器排種性能，可以為進一步優化排種器提供依據。

棉花勺式排種器;離散元法;EDEM;性能試驗

勺式排種器屬于機械式排種器的一種，因其結構簡單、工作可靠、維修方便等優點被廣泛應用于棉花排種技術中[1-4]。但勺式排種器很難滿足高精度、高效率、性能穩定的播種要求，因此如何分析改進棉花勺式精量排種器的技術性能成為一大難題[5,6]。

英國DEM-Solutions公司開發的離散單元法模擬軟件EDEM，可以輔助分析不規則粒子群的運動狀態[7-9]，管理每個粒子的信息(質量、溫度、速度等)，并可計算作用于粒子上的力等。孫裕晶等采用CAD邊界模型離散元設計分析方法，驗證離散元分析方法的可行性[10]；劉振宇將CAD軟件與離散元分析軟件進行集成，通過計算結果與仿真結果對比，證明分析系統的可用性[11]。

為了分析研究棉花勺式排種器的技術性能，采用離散單元法，對排種器進行排種性能模擬試驗，以探明棉籽運動規律和造成重播、漏播的主要參數，為進一步優化勺式排種器結構提供依據。

1 棉花勺式排種器結構與工作原理

如圖1所示，棉花勺式排種器主要由排種器軸、左殼體、右殼體、排種勺輪、隔板、導種輪和清種門等部件組成，工作區間可以分為五個部分，即充種區、護種區、遞種區、導種區和投種區。

棉花籽粒由進種管進入充種腔，排種勺輪在外力的作用下繞排種器軸做圓周回轉運動，種腔充種區內的籽粒在排種勺輪的擾動下充入由排種勺輪與隔板形成的勺匙內并隨排種勺輪回轉進入將近180°的遞種區，在導種輪回轉中線的水平面投種，完成一次播種周期，實現播種。

圖1 棉花勺式排種器結構示意圖及工作原理Fig.1 Structure and principle seeding cotton device with scoop-type

2 接觸模型的選擇

離散元法模擬的是運動在顆粒集合中傳播的過程，顆粒運動必然會引起顆粒之間的相互碰撞，顆粒之間必然有力產生[12]。離散元中，根據接觸方式的不同，可分為硬顆粒接觸和軟顆粒接觸。對于軟顆粒接觸模擬，允許兩顆粒接觸點間出現重疊部分，可以依據顆粒間法向重疊量和切向位移，計算接觸力。法向力和切向力與顆粒間內摩擦力密切相關，故將棉籽間的接觸視為軟顆粒接觸[13-15]，考慮到脫絨棉籽表面并無黏附力，所以采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型進行模擬。

如圖2所示，軟球模型把顆粒間接觸過程簡化為彈簧振子的阻尼振動，其運動方程為：

式中，x是偏離平衡位置的位移；m是振子質量；c和k分別為彈簧阻尼系數和彈性系數。

從式（1）可以看出，顆粒所受恢復力和位移大小成正比，所受黏滯阻力與速度大小成正比，方向相反，因此彈簧振子能量逐漸衰減。隨著阻尼的增大，彈簧振子分別呈現欠阻尼振動、臨界阻尼振動和過阻尼振動。

圖2 彈簧阻尼振子系統Fig.2 Spring damping vibration subsystem

圖3 兩相互接觸的軟球模型Fig.3 Two soft-sphere model be in touch with each other

如圖3所示，顆粒i在慣性或外力作用下在點C與顆粒j接觸，虛線表示開始接觸時顆粒i的位置。隨著兩顆粒相對運動，顆粒表面逐漸變形并產生接觸力，軟球模型不考慮該變形細節，僅計算法向重疊量α和切向位移δ，進而得到接觸力。

軟球模型在顆粒i和顆粒j間設定了彈簧、阻尼器、滑動器和耦合器等。耦合器用來確定發生接觸的顆粒配對關系，不引入任何力。在切向，如果切向力超過屈服值，兩顆粒在法向力和摩擦力作用下滑動，由滑動阻力器實現這一目的。軟球模型需要引入彈性系數k和阻尼系數c等參數來量化彈簧、阻尼器、滑動器的作用，如圖4所示。

圖4 軟球模型對顆粒間接觸力的簡化模型Fig.4 Simplified model of particles contact force from soft-sphere model

3 虛擬仿真模型建立及仿真

棉籽模型的建立是虛擬仿真的基礎，只有當棉籽模型與棉籽實物尺寸極其相似時，虛擬仿真的結果才具有說服性[16]。脫絨棉棉籽的外形接近橢球體，但棉籽兩端差異很大，其中一端呈錐形，另一端呈半圓球狀，而且脫絨棉棉籽籽皮有部分凹陷和凸起。根據棉籽的粒型特點將棉籽的粒型基本界定在圓錐形和橢圓形之間。

本文選取新陸早32號棉籽進行研究，由于目前國內尚未建立關于棉籽尺寸標準，隨機挑選100粒棉籽，測量棉籽外形尺寸，統計數據平均值，模型最終取長度為8.5 mm，寬度為4.5 mm。

利用離散元軟件EDEM的Creator前處理模塊生成棉籽顆粒體模型如圖5所示。

圖5 EDEM中模型Fig.5 Model in EDEM

圖6 棉花勺式精量排種器仿真模型Fig.6 Simulation model precisely sowing cotton with scoop-type

為便于仿真模擬及計算，將與棉籽運動過程中接觸無關的部件去除，應用三維制圖AIP軟件對排種器進行實體建模，以.stp格式導入EDEM軟件中，如圖6所示。按照排種器加工所用的材料，每個部件都被賦予了相應材質特性，棉籽、殼體的力學性能和相互之間的物理特性如表1所示。

為了保證棉籽可將整個排種器充滿，且保證較好的充種條件，經過測試，最終將棉籽顆粒數量定位為2500粒，設置EDEM顆粒工廠以5000個/s的速率生成初速度為0的棉籽模型，生成棉籽總時間為0.5 s；設定仿真時間為30 s，時間步長為1×10-6s；為了較清楚觀察棉籽的運動過程，設置排種器模型以Mesh形式顯示。

表1 排種器結構參數Table 1 Structural parameters of different seed-metering devices

4 仿真過程分析及結果

4.1 棉籽運動過程仿真

仿真計算過程中，可以將每個籽粒的運動以Stream形式顯示，用不同的顏色表示不同的運動速度，可以清晰地顯示每個籽粒的運動軌跡。在虛擬仿真中選取具有代表性的3個籽粒運動軌跡和2個速度時間關系曲線，如圖7所示。

圖7 排種器工作時棉籽運動仿真Fig.7 Dynamic simulation during cottonseed working

其中7 a為第一個排出籽粒軌跡，編號為152號，7 b為5.23 s排出籽粒軌跡，編號為1084號，7 c為10.34 s被舀取籽粒軌跡，編號為451號，7 d為編號為152號的棉花籽速度與時間的關系曲線，7 e為編號為1084號的棉花籽速度與時間的關系曲線。

由圖7 a可以看出，當棉籽充入排種器時，該粒棉籽被排種勺輪和隔板形成的勺匙舀住，并隨勺匙運動，當將要到達頂部時（此時的隔板有一條縫隙）籽粒所受到的隔板支撐力消失，平衡被打破，落入導種輪，隨導種輪運動到底端排出；由圖7 b可以看出，該籽粒在多次往復運動后被舀起，隨后同152號運動軌跡相同；圖7 c則可看出，被舀起種子在將要送入導種輪時掉落，導致漏播。由此可見通過分析單個籽粒運動軌跡可以統計被勺匙舀取范圍和找出造成漏播主要位置。由圖7 d可以看出，編號為152號的棉籽于0.03 s左右生成，從進種管落入排種器，在自身重力作用下速度不斷增加，于0.1 s左右達到最高，此刻棉籽到達排種器底端，此后在與排種器壁和其它籽粒相互碰撞下減速；0.36 s左右被勺匙舀起，并隨排種勺輪勺匙勻速運動；1 s左右棉籽從排種勺輪落入導種輪，隨后同導種輪勻速運動，由于逐漸向邊緣滑移，速度有所波動；1.75 s左右導種輪型孔開始向下傾斜，棉花籽?；胄涂椎锥耍? s左右導種輪型孔運動到排種器底端，棉籽排出，并在自身重力作用下開始加速。由圖7 e可以看出，該棉籽0～0.2 s和3.2～5.2 s與152號棉籽0～0.2 s和0.2～2.2 s速度隨時間變化趨勢基本一致，0.2～3.2 s該籽粒在排種器中做往復運動。

4.2 重播、漏播形成過程分析

在仿真過程中，排種器作業時除了單粒播種以外還存在重播和漏播2種狀態。利用EDEM軟件的Analyst功能，進行觀察分析。圖8為仿真中籽粒狀態。

圖8 EDEM仿真中籽粒狀態Fig.8 States in EDEM simulation

圖8a為排種勺輪勺匙剛運動出籽粒群，此時勺匙內攜帶2粒籽粒，圖8 b為攜帶2粒籽粒的排種勺輪勺匙在運往遞種區過程中掉落1粒，圖8 c為攜帶2粒籽粒的排種勺輪勺匙運動到遞種區并且2粒籽粒都成功遞種，產生重播。由圖8 a可以看出，產生重播的必要條件是充種時勺匙舀出2粒或多粒籽粒，根據籽?？梢员３制胶鈼l件和觀察得出護種過程當籽粒在勺匙內和在勺匙前傾面上時可達到平衡，得到重播影響參數有勺匙曲面半徑和勺匙前斜面角度；根據圖8 b與8 c比較得出，在護種過程籽粒可能掉落（大多為籽粒未在勺匙內），這是由于在運動過程中勺匙角度發生變化打破平衡，故可得出影響重播、漏播的另一個參數為勺匙角度。

圖8d為排種勺輪勺匙剛運動出籽粒群，此時勺匙內未攜帶籽粒造成漏播；圖8 e為排種器勺輪勺匙從籽粒群中舀到2粒種子但在運往遞種口過程中脫落；圖8 f為排種勺輪勺匙在將種子遞入導種輪時脫落。通過以上觀察分析得出造成漏播主要參數有：勺匙曲面半徑、勺匙角度、排種盤轉速等。

在多組虛擬試驗中，發現所有重播、漏播現象均是在充種、護種和遞種過程中產生的。

4.3 仿真結果

仿真結束后，利用EDEM后處理工作模塊進行分析，在模型正下方建立Grid Bin Group，以檢測排出籽粒數。導出Grid Bin Group中的數據，繪制成折線圖分析重播、漏播，如圖9所示。

從圖中可以看出籽粒數隨時間增多且大致均勻。圖9 a中7 s，9.5 s，28 s和圖8 b中12.5 s左右，y軸籽粒數發生上躍現象，表明在此時播下籽粒大于1粒，為重播；圖9 b中9 s，14 s，18.5 s，22 s和24 s左右，y軸籽粒數持平，表明在此時未播下籽粒，為漏播。

圖9 籽粒數與時間的關系曲線Fig.9 Relationship between grain numbers and time

5 排種器臺架試驗驗證

為驗證虛擬仿真分析結果，進行排種器臺架試驗。試驗地點為河北農業大學排種性能實驗室，試驗品種選用新陸早32號棉籽，試驗儀器為黑龍江省農業機械研究院研制的JPS-12排種器性能檢測試驗臺。試驗過程中排種器固定在排種器安裝架上，種床帶相對于排種器反向運動，棉籽從排種器排出落至涂有油層的種床帶上，通過試驗臺的圖像采集處理裝置和高速相機進行實時檢測。如圖10所示。

圖10 樣機試驗過程Fig.10 Experiment process of prototype

臺架試驗結果表明，臺架試驗與仿真結果基本相同。在相同工況（30 r/min）下，臺架試驗結果與仿真的重播、漏播率最大誤差為8.1%。產生誤差的原因可能是由于仿真虛擬試驗中棉籽模型尺寸完全一致，而臺架試驗中棉籽雖為精挑細選，但形狀尺寸仍有一定差異，并且臺架試驗過程中排種器運轉存在振動，但誤差均在可接受范圍之內。

6 結論

（1）以棉花勺式排種器為研究對象，采用AIP軟件建立了排種器的三維模型，并在EDEM軟件中進行了虛擬仿真。明確了棉籽的運動規律和出現重播、漏播情況主要與充種、護種和遞種的過程發生異常有關，涉及的主要參數有勺匙曲面半徑、勺匙角度、勺匙前斜面角度和排種盤轉速等。

（2）在相同工況（30 r/min）下選取新陸早32號棉籽進行臺架驗證試驗。結果表明臺架試驗與仿真結果基本相同，臺架試驗結果與仿真重播、漏播率最大誤差為8.1%。表明采用離散元法分析勺式排種器排種性能可以為進一步優化排種器提供依據。

（3）在準確引入機械3D模型和構建物料顆粒體模型并賦予準確相關屬性基礎上，應用EDEM對排種過程進行仿真，能直觀模擬其工作過程，并獲得速度、運動軌跡和仿真結果等定性與定量數據，有利于機理研究，并能縮短設計周期，為產品優化提供參考，在農業物料研究領域有廣闊的應用空間。

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Simulation for Performance to Seed Cotton with Scoop-type Based on Discrete Element Method

WANGJue1,YANGXin1*,WANGJan-he2,CAIYa-kun3,QIANJi1,HEJian-hua1, ZHANGliang1,WANGqiang1
1.College of Mechanical and Electrical Engineering/Agricultural University of Hebei,Baoding 071001,China
2.Hebei Agriculture Mechinzaition Station,Shijiazhuang 050011,China
3.College of Science and Technology/Agricultural University of Hebei,Cangzhou 061100,China

In order to study the performance of seeding for the cotton scoop-type seed-metering device and the influencing factors of the qualified rate,the replay and the leakage sowing rate for grain distance of seed-metering device,the discrete element simulation model of cotton scoop-type seed-metering device was established.The movement process of cotton seed was analyzed by EDEM software when the scoop-type seed-metering device worked.By analyzing the process of seeding for the scoop-type seed-metering device,the movement process of cottonseed,the replay and the leakage sowing were related to the process of filling,protecting and transferring,and it referred to the factors ofthe surface radius,the angle,the front slope angle of spoon and the rotation speed disc.The bench test was carried out under the same conditions.It showed that the simulation results were in agreement with the experimental results and the performance of seeding for the scoop-type seed-metering device with the discrete element method can provide a reference for the further optimization of the seed-metering device.

Cotton scoop-type seed-metering device;discrete element method;EDEM;experiment

S776.24+3

A

1000-2324(2016)06-0873-06

2016-06-07

2016-09-13

河北省棉花產業創新團隊建設棉花配套農機具研發與農機農藝結合崗專項(2013-2017年度)

王玨(1990-),男,河北邯鄲人,碩士研究生.E-mail:649266760@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:yangxin@hebau.edu.cn