基于離散元的排種器振動對大粒徑作物種群的影響

陳　晨，趙滿全,張　濤，呂　冰，劉　飛

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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基于離散元的排種器振動對大粒徑作物種群的影響

陳晨，趙滿全,張濤，呂冰，劉飛

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：排種器工作效果受種群運動情況的影響較大，而振動則直接影響種群運動。為此,運用離散元軟件模擬排種室內大豆種群(充種2 600粒左右)的運動，在排種盤轉速為54r/min、排種器整體振動頻率為14Hz情況下，振幅分別為0、1、2、3、4、5mm時，分析了振幅對排種室內種群運動的影響。通過軟件后處理模塊得到2~5s穩定狀態內若干時間點的種群平均速度和種群所受壓力。利用ORIGIN軟件得到種群速度和受力同振幅的擬合曲線，結果表明：種群平均速度隨排種器振幅增大而提高，種群所受壓力隨振幅增加而先降低后升高。本次仿真試驗為室內排種試驗振幅的選擇提供了可靠依據。

關鍵詞：離散元；振動；仿真；大粒徑作物；排種器

0引言

免耕播種機是現代農業中的關鍵設備，如果在耕作過程中地表存在著大量秸稈、根茬，則對免耕播種機性能的要求會更高[1]。對于免耕播種機而言，由于地表存在根茬，所以地表不平度成為了影響機具播種效果的重要因素，使機具工作時受到較大的振動。只有當排種器內作物種群的各項參數處于適當范圍，才能更好地實現精密播種[2]。

散粒體動力學理論表明：適當的振動可以使散粒物料穩定均勻運動，當散粒物料達到一定速度時，其流動性較好。所以，如果使排種器內作物種群速度處于合適范圍，排種性能將會提高。

1排種器及仿真軟件介紹

1.1　氣吸式排種器原理及結構介紹

氣吸式排種器一般分為垂直圓盤式和滾筒式：滾筒式由于性能不穩定而未被廣泛使用；垂直圓盤式排種性能優越，被廣泛應用于精密播種機上[3]。

氣息排種器工作時，由高速風機產生負壓，傳給排種單體的真空室；排種盤轉動時，在風機產生的負壓的作用下吸附種子，帶動其隨排種盤一起轉動，當種子轉出真空室后，負壓消失，靠自重自由下落[4]。其結構如圖1所示。

1． 排種盤　2． 種子室　3． 真空連接管　4． 真空室殼體

1.2　離散元法介紹

離散元法是解決不連續介質問題的數值模擬方法，主要計算大量顆粒在給定條件下如何運動。其基本原理是將研究對象劃分為一個個相互獨立的單元，根據單元之間的相互作用和牛頓運動定律，采用動態松弛法或靜態松弛法等進行循環迭代計算，確定在每一個時間步長內所有單元的受力位移并更新所有單元的位置。應用離散元模擬，可以得到在真實試驗中難以測量的物理量[5]。

其計算流程可以分為以下幾步：①建立所需要模型并產生顆粒; ②接觸探測;③確定接觸類型; ④考慮其他相互作用力;⑤考慮種子和邊界間的相互作用;⑥計算中的受理、加速度;⑦更新顆粒速度、坐標;⑧保存數據;⑨分析處理。

2三維模型的建立及軟件設置

2.1　仿真所需三維模型的建立

測量若干粒大豆種子的高度、寬度、厚度，取均值，長寬厚均處于6~7mm之間。用SolidWorks軟件創建模型，將其導入到離散元軟件作為顆粒創建模板，如圖2所示。

圖2　大豆三維模型

2.2　模擬方法以及物料參數

根據田間測試以及室內試驗得出的排種效果最優的排種盤轉速為54r/min，排種器振動頻率為14Hz，設置振幅分別為0~5mm，做6次仿真，從而得到各個時刻種群平均速度和所受的壓力值[6~7]。

顆粒與顆粒接觸、顆粒與排種器的接觸都選用hertz-mindin(no slip)but in接觸模型。模擬材料包括種子、鋼板和有機玻璃，查閱文獻得知所需各項物理參數如表1、表2所示[8-10]。

表1　物料物理參數

表2　物料間的接觸參數

2.3　幾何體以及顆粒工廠的設置

將排種器模型導入后，合并為4部分：前殼體、后殼體、攪種輪和排種盤，前殼體和攪種輪材質為塑料，后殼體和排種盤材質為鋼。設置種子總量為2 600粒,仿真時間步長為0.000 1s，每0.01s記錄一次數據，設置網格尺寸為3.08mm。仿真總時間為4s，1s內完成充種，1s后開始運動仿真[11-13]。仿真運動4s后玉米種群運動狀態如圖3所示。

圖3　大豆種群運動狀態

3仿真結果及處理

3.1　仿真結果

由離散元軟件后處理模塊得到運動較平穩階段內若干時間點的種群平均速度；將所有時刻的速度值導出為CSV格式數據，利用ORIGIN得到曲線[14-15]。為了更直觀方便地進行比較，將6條曲線整合到同一坐標下，結果如圖4所示。

圖4　大豆種群運動速度

圖4分別為排種器振幅是0、1、2、3、4、5mm時種群運動速度，得出從0~5mm的6個振幅下的種群平均速度分別為：0.029 76、0.084 55、0.153 72、0.191 18、0.247 61、0.285 17m/s。由圖4中曲線可以看出：振幅為0或較小時，種群速度較小，且速度波動范圍較小；隨著振幅增加，種群整體的速度變化范圍也變大。

同理，得到種群所受壓力，如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖5中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為0~5mm振幅下種群在2~5s穩定狀態內所受壓力值的曲線圖。其平均值分別為：0.046 282、0.042 086、0.036 368、0.035 341、0.037 138、0.036 239N。由圖5可以看出：振幅增大，壓力先減小后增加，且從最大值突變到最小值的時間越來越短，即波動越來越劇烈。

3.2　速度值、壓力值同振幅的二次曲線擬合

通過QRIGIN軟件得到種群平均速度和振幅的擬合曲線方程如下：V=0.051 53X+0.036 5。其擬合程度較好，且擬合相關系數R2=0.93，如圖6所示。

圖6　種群平均速度與振幅的擬合曲線

由圖6可知：大豆種群平均速度與排種器振幅呈線性變化；隨著振幅的增大，種群平均速度增大，直線斜率約為0.051 53。

通過QRIGIN軟件得到種群所受壓力與振幅的擬合曲線方程為

F=0.0467-0.0075x-3+0.00163x-2-

1.062×10-4x。

其擬合相關系數R2=0.877，如圖7所示。

圖7　種群平均速度與振幅的擬合曲線

由圖7可知：大豆種群所受壓力隨振幅的增大先減小后增加，呈三次曲線的關系，擬合程度較好；在振幅為3mm時，種群受到的壓力值較小。

4結論與討論

4.1　結論

1)大豆種群速度與排種器振幅呈正比例變化，隨著振幅增大，種群速度也隨之變大；種群所受壓力隨振幅的增加呈現先減小后增加的趨勢。

2)利用離散元軟件模擬相同頻率不同振幅下排種室內種群運動，用種群平均速度和所受壓力評價種群運動的情況，為免耕播種機室內排種試驗提供依據，為播種機關鍵部件的優化、改進提供了參考。

4.2　討論

1)對一定數量的大豆種子進行測量，創立三維模型，再導入離散元軟件作為粒子創建的模板，會提高模擬試驗數據與真實數據的接近程度。但將種子近似為球體，導致仿真種子和實際種子在物理特性上具有一定的差別，所以為了得到更接近實際情況的仿真效果，必須創建更接近實物的三維模型。

2)影響種群運動的因素是很多的，包括排種盤轉速、氣吸室負壓及種子數量等，應該綜合考慮其他因素的影響，才能更準確地得出種群的運動規律。

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Based on the Discrete Element Method of Gas Suction Seed Metering Device Vibration on the Influence of the Large Size Crop Species: Soybeans

Chen Chen，Zhao Manquan, Zhang Tao，Lv Bing，Liu Fei

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Abstract：Air suction seed metering device performance is strongly influenced by the population movement, while vibration directly affect the population movement. In this paper, using the discrete element software to simulate row of kind of indoor soybean population (about 2600 grain filling) movement, in the row of kind of plate speed for 54 r/min, the whole vibration frequency for metering device 14 hz case, amplitude respectively 0, 1 mm, mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, analyzed the amplitude effect on seed indoor population movement. Is obtained by software post-processing module 2 s to 5 s at some time point in the stable state of population average speed and population pressure. Populations are obtained by the ORIGIN software speed and force with the amplitude of the fitting curves, the results show that the average speed of population and the metering device amplitude linear change, population pressure and the amplitude of a linear relationship. The simulation test for indoor seed experiment provides reliable evidence for the selection of amplitude.

Key words：discrete element； vibration； simulation； large size crop； metering device

中圖分類號：S223.2；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0214-05

作者簡介：陳晨(1993-)，男，山西忻州人，碩士研究生，(E-mail)564474940@qq.com。通訊作者：趙滿全(1955-)，男，內蒙古土右旗人，教授，博士生導師，(E-mail)nmgzmq@yahoo.com.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365034)；中國博士后科學基金項目(2014M552532XB)；內蒙古自治區專利實施計劃項目(20140185)；內蒙古農業大學科技創新團隊項目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-10-19