基于EDEM的傾斜圓盤勺式大豆排種器投種性能優(yōu)化研究

許健 甘義權(quán) 蔡宗壽

摘要 為提高傾斜圓盤勺式大豆排種器投種穩(wěn)定性和均勻性，建立投種過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析得出排種盤轉(zhuǎn)速和投種角是影響投種性能的主要因素。利用離散元軟件EDEM進(jìn)行仿真研究，設(shè)計(jì)二因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以合格指數(shù)和變異系數(shù)作為排種器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別建立其與排種盤轉(zhuǎn)速、投種角的回歸方程，利用Matlab繪制三維等值線圖，確定了影響合格指數(shù)和變異系數(shù)的主要因素。對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得出最優(yōu)參數(shù)組合為排種盤轉(zhuǎn)速41.7 r/min，投種角19.2°，此時(shí)合格指數(shù)為94.88%，變異系數(shù)為12.17%。

關(guān)鍵詞 大豆排種器；投種機(jī)理；離散元法；旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào) S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）21-0193-04

Abstract In order to improve the seeding stability and uniformity of the inclined disc scoop soybean seeding device， the kinematics model of the seeding process was established. It was analyzed that the rotational speed and the seeding angle of the seeding disc were the main factors affecting the seeding performance. Discrete element software EDEM was used for simulation study. A twofactor quadratic regression orthogonal rotation combination experiment was designed. SPSS software was used to process the experimental data. Seed index and coefficient of variation were used as evaluation indexes of seedmeters to establish the regression equation of the rotation speed and the seeding angle of the seed disk， the threedimensional contour map was drawn using Matlab， and the main factors affecting each performance index were determined. The optimization factors of the experimental factors were calculated. The optimal parameter combination was 41.7 r/min seeding disc rotation and 19.2° seeding angle. The passing index was 94.88% and the coefficient of variation was 12.17%.

Key words Soybean seed metering device；Seeding mechanism；Discrete element method；Orthogonal rotational test

精密播種是利用精密播種機(jī)將種子合理均勻地播入預(yù)定位置的先進(jìn)技術(shù)，是現(xiàn)代播種作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。排種器是實(shí)現(xiàn)精密播種技術(shù)的核心部件，其工作性能和穩(wěn)定性將直接影響播種機(jī)的工作質(zhì)量[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)傾斜圓盤勺式大豆排種器的研究主要集中在充種、取種相關(guān)部件的理論研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)，對(duì)投種環(huán)節(jié)的研究甚少[3]。因此，研究排種器投種過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析影響排種器投種性能的因素，對(duì)提高排種器排種性能具有深遠(yuǎn)意義。

離散元法具有計(jì)算大量顆粒在給定條件下如何運(yùn)動(dòng)的能力，被廣泛應(yīng)用于排種器性能分析[4-5]。胡建平等[6]運(yùn)用顆粒離散元法研究影響磁吸板式排種器充種性能的主要因素。張濤等[7]運(yùn)用離散元法分析振動(dòng)對(duì)排種器內(nèi)玉米種群運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律。劉月琴等[8]用離散元法得出氣吸式排種器最佳工作參數(shù)并驗(yàn)證了基于離散元法仿真優(yōu)化的可靠性。筆者以傾斜圓盤勺式大豆排種器為研究載體，對(duì)其投種機(jī)理進(jìn)行研究分析并建立投種過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用離散元軟件EDEM作二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，分析排種盤轉(zhuǎn)速與投種角對(duì)排種均勻性和穩(wěn)定性的影響，旨在利用一定的計(jì)算方法獲得排種器的最佳工作參數(shù)組合。

1 排種器投種機(jī)理分析

1.1 排種器結(jié)構(gòu)和工作原理

傾斜圓盤勺式大豆排種器結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要由取種勺、排種盤、隔板、導(dǎo)種輪、殼體等部件組成。其工作原理主要分為充種、清種、遞種、護(hù)種和投種5個(gè)串聯(lián)階段，如圖1b所示。排種器正常工作時(shí)，種子在排種盤的旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)下進(jìn)行分種，種子在自身重力、種子間的相互作用力等力共同作用下，側(cè)向充填進(jìn)取種勺內(nèi)，完成充種過(guò)程；排種盤繼續(xù)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，穩(wěn)定存在于取種勺內(nèi)的多粒種子，在力系發(fā)生轉(zhuǎn)變的情況下，逐漸回落至充種區(qū)，直至取種勺內(nèi)僅存一粒種子，完成清種過(guò)程；單粒種子由隔板開口處進(jìn)入導(dǎo)種輪，完成遞種環(huán)節(jié)；導(dǎo)種輪與排種盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)直至來(lái)到投種口投放，完成護(hù)種、投種過(guò)程。

1.2 投種過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

分析大豆顆粒在投種過(guò)程的三維運(yùn)動(dòng)軌跡是研究投種機(jī)理的重要參考，當(dāng)大豆顆粒在投種口投出時(shí)，大豆顆粒將作空間拋物線運(yùn)動(dòng)。對(duì)投送過(guò)程中的大豆種子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，以排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立空間直角坐標(biāo)系，如圖2所示。大豆顆粒的空間軌跡位移如下：

式中，ω為排種盤角速度（rad/s）；R為排種盤半徑（mm）；α為投種角（°）；β為排種器垂直傾角（°）；t為種子投送運(yùn)動(dòng)時(shí)間（s）。

通過(guò)對(duì)投種過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知，在排種器整體結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，排種器投種性能的均勻性和穩(wěn)定性主要與排種盤轉(zhuǎn)速、排種器投種角有關(guān)。因此，在后續(xù)基于離散元的仿真試驗(yàn)階段，將采用二因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合的設(shè)計(jì)方法分析研究[9]。

2 EDEM虛擬仿真

2.1 參數(shù)設(shè)置

仿真模型通過(guò)Pro/E創(chuàng)建并通過(guò)igs.格式導(dǎo)入到EDEM中，由于仿真模擬只需將與種子接觸的幾何部件導(dǎo)入，所以將排種器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示。

仿真研究將大豆創(chuàng)建為四面體構(gòu)型，并以中黃39大豆為研究對(duì)象，隨機(jī)取樣1 200粒，分別對(duì)其長(zhǎng)、寬、厚的三維尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按其尺寸頻率分布均值建立顆粒模型。統(tǒng)計(jì)得出，中黃39大豆的球形率高達(dá)97.3%，因此在EDEM中設(shè)置顆粒為球體。由于大豆種子表面無(wú)黏附作用，因此選擇Hertz-MindLin（no slip）built-in為仿真接觸模型。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示[10]。

為了保證仿真時(shí)排種器工作有足夠的顆粒和仿真時(shí)間，設(shè)置生成1 200顆大豆種子模型，半徑平均值為3.452 mm，采用正態(tài)分布的方式生成顆粒尺寸，標(biāo)準(zhǔn)差為0.086，設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigth時(shí)間步長(zhǎng)的16%，仿真時(shí)間總長(zhǎng)20 s，其中前2 s為充種過(guò)程，仿真過(guò)程如圖4所示。

2.2 仿真方案

以二因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合的設(shè)計(jì)方法安排仿真試驗(yàn)，選取合格指數(shù)和變異系數(shù)為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)：

式中，n1為單粒排種數(shù)；N為理論排種數(shù)；σ為排種標(biāo)準(zhǔn)差；A為合格指數(shù)；V為變異系數(shù)。

根據(jù)前述理論分析及實(shí)際排種器作業(yè)要求，合理的控制試驗(yàn)因素變化范圍，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，因素水平編碼如表2所示。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 回歸分析。

仿真試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)結(jié)果采用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行回歸分析，以確定各指標(biāo)的擬合優(yōu)度及其回歸方程。

合格指數(shù)回歸方程檢驗(yàn)表明，F(xiàn)=13 403.39，對(duì)應(yīng)的P<0.000 1，因此回歸方程高度顯著，其回歸方程模型如下：

A=58.256+1.429X1+0.631X2-0.016X12-0.011X22-0.004X1X2（4）

同理可得變異系數(shù)回歸方程模型如下：

V=30.721-0.536X1-0.801X2+0.007X12+0.019X22+0.001X1X2（5）

2.3.2 排種性能分析。

為了更加直觀地得到各個(gè)試驗(yàn)因素與性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系，利用Matlab畫出三維等值線圖，如圖5～6所示。

通過(guò)各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的回歸方程和三維等值線圖可知，影響其性能的排種盤轉(zhuǎn)速和取種角存在交互作用。分析圖5表明，當(dāng)投種角位于零水平時(shí)，合格指數(shù)隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速位于零水平時(shí)，合格指數(shù)隨著取種角的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；由于當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速變化時(shí)，相應(yīng)的合格指數(shù)變化區(qū)域更大，因此主要影響合格指數(shù)的因素是排種盤轉(zhuǎn)速。分析圖6表明，當(dāng)投種角位于零水平時(shí)，變異系數(shù)隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速位于零水平時(shí)，變異系數(shù)隨著投種角的增加呈現(xiàn)先下降后上升趨勢(shì)；由于當(dāng)取種角變化時(shí)，相應(yīng)的變異系數(shù)變化區(qū)域更大，因此主要影響變異系數(shù)的因素是取種角。

2.3.3 排種器性能優(yōu)化。

利用Matlab中非線性優(yōu)化fmincon函數(shù)，優(yōu)化處理結(jié)果如下：排種盤轉(zhuǎn)速41.70 r/min，取種角19.2°。在此條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)表明排種器合格指數(shù)為94.88%，變異系數(shù)為12.17%。

3 結(jié)論

（1）以傾斜圓盤勺式大豆排種器為研究載體，對(duì)其投種機(jī)理進(jìn)行研究分析并建立投種過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析得出了排種盤轉(zhuǎn)速和投種角是影響投種性能的主要因素。

（2）運(yùn)用EDEM作正交排種虛擬試驗(yàn)，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立了合格指數(shù)和變異系數(shù)的回歸方程。運(yùn)用Matlab繪制2個(gè)考察指標(biāo)的等值線圖，得到了試驗(yàn)因素對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)并確定了影響合格指數(shù)和變異系數(shù)的主要因素。

（3）確定了該型排種器的最佳工作參數(shù)組合，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為41.70 r/min時(shí)，投種角為19.2°，排種穩(wěn)定性和均勻性最優(yōu)，此時(shí)排種器合格指數(shù)為94.88%，變異系數(shù)為12.17%。

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