巨菌草排種器排種過程動力學仿真分析及試驗研究

劉 浪, 李 鴻,3, 林長山, 葉大鵬

(1.福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002；2.現代農業裝備福建省高校工程研究中心，福建 福州 350002；3.中科鼎實環境工程有限公司，北京 100102)

巨菌草屬于菌草的一種[1]，其營養價值高，抗逆性強，適應性廣，具有極大的經濟價值和社會價值[2-4].當前，在菌草產業形成規模的地區，對巨菌草草料產量的需求日益增長，在巨菌草生產中勞動力分布最密集和成本最高的環節就是巨菌草的種植[5-6].為進一步加快菌草產業的發展，實現巨菌草種植機械化[7]，國內外學者進行了深入研究.趙芳偉等[8]針對巨菌草種植機缺乏、人工排種強度大等問題，設計了2CJQ-1型預切種式巨菌草種植機.鄭書河等[9]設計了巨菌草輥式排種器,并對其結構進行動力學仿真和優化，結果表明當輥式排種器采用側邊和底邊墊料時，排種器可以有效提高排種流暢度.此外，與巨菌草同屬禾本科的甘蔗的種植機械化程度較高，對巨菌草排種器的研究有較大的參考意義.黃敞等[10]設計并研究了甘蔗健康種苗全自動預切種式排種裝置，該排種器機械化程度高、排種精確.Moslem et al[11]設計了一款基于地輪驅動的預斬種式兩段撥鏈式甘蔗播種機，該種植機播種速度快、精度高，但存在排種重疊與漏種現象.雖然我國研究人員針對巨菌草/甘蔗預切種式排種器傷種和漏播現象等問題提出了多種設計和解決方法[12]，但采用激光三維重構技術[13-16]對種莖模型進行重構并借助虛擬樣機進行排種器作業參數仿真的研究還鮮有報道.目前國內多采用簡化模型，將巨菌草/甘蔗模型簡化為表面無芽節的圓柱體剛性模型[17].本文采用虛擬樣機技術和逆向工程技術建立輥式排種器與種莖模型的排種過程剛柔耦合動力學仿真模型，對種植機關鍵部件輥式排種器的作業參數進行虛擬單因素仿真分析，觀察巨菌草種莖在排種器中的運動情況，得到種莖應力—應變值，并對仿真結果進行臺架試驗驗證，為巨菌草種植機關鍵部件的設計提供依據.

1 材料與方法

1.1 輥式排種器裝置

輥式排種器裝置主要由儲種箱、預排種箱、預排種槽和送種輥構成，如圖1所示.巨菌草種莖成排放置在種箱的儲種箱內，當儲種箱口與預排種槽的開口一致時，在重力作用下，種莖落入預排種槽，種莖層疊放于送種輥之上，位于最下方的種莖與送種輥表面接觸.排種作業時，送種輥做自轉運動，在重力與送種輥的接觸摩擦力共同作用下，種莖進入排種槽中，并隨著送種輥的運動，最終在重力和離心力作用下從送種輥中投出；隨著送種輥的持續轉動，預排種槽中次底層的種莖被頂起并返回預排種槽.由此可知種莖受力、排種流暢性、種莖直徑大小、預排種槽與送種輥相對位置等因素有關[10].

1.2 巨菌草種莖的制備

2019年7月到國家菌草研究中心的試驗田采集了半年生的巨菌草，用于巨菌草種莖的制備.巨菌草種莖主要由節(根帶)、節間、芽組成，如圖2所示.通常情況下，節間尺寸稍小于節，以細腰形的節間形狀為主.選用節直徑為16～22 mm的巨菌草，留茬高度為50 mm，去除其頭尾、側葉和分蘗莖，保證種莖每段有兩個以上的芽節.

1.儲種箱；2.預排種箱；3.巨菌草種莖；4.預排種槽；5.送種輥.圖1 輥式排種器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the roller seed distributor

1.3 巨菌草種莖與排種器剛柔模型的建立

在實際種植中考慮到所制備種莖的發芽率及成活等問題，通常采用尺寸較大的種莖進行栽植.選用節直徑為18～20 mm、長度為190～210 mm的種莖作為三維重構模型的主要對象；通過工業級三維掃描儀(萬象WX3D-130Plus2，福州萬象三維電子科技有限公司產品)建立了巨菌草種莖三維模型.三維重構后的巨菌草種莖模型如圖3所示.

剛柔耦合模型的仿真可以通過觀察剛體對柔性體的作用力和柔性體所受應力—應變值來描述柔性體的變形運動.種莖在排種裝置內部運動時由于種莖外部形狀多變，運動情況復雜，且容易在排種過程中擠壓受到損傷，故將種莖以柔性體建模，輥式排種器以剛體建模.柔性體建模基于拉格朗日算子，采用模態疊加來表示物體的彈性，通過將彈性體離散化為一個有限且數目較大的自由度來模擬連續體無限的自由度[18]，用更少的模態特征向量和模態坐標的線性組合來表示彈性位移.

ADAMS中建立柔性體的方法主要有離散化法和引入模態中性文件法.本文利用ANSYS軟件建立巨菌草種莖柔性模型.步驟如下：(1)導入巨菌草種莖的三維模型(圖3a)，定義單元類型，材料屬性等參數；(2)進行網格劃分，在巨菌草模型兩端建立節點并添加質量單元(圖3b)；(3)在節點處添加質量單元，并對巨菌草模型兩端面進行局部剛化，生成MNF文件(模態中性文件)；(4)利用Solidworks建立排種器剛體模型，導出x_t格式，并導入到ADAMS/View中.在ANSYS中定義種莖物理模型參數[19-21]，密度為678.9 kg·m-3，泊松比為0.34，壓縮強度為17.864 MPa，壓縮屈服應變為37.812 5%，壓縮屈服應力為6.146 MPa，種莖間靜摩擦系數為0.381.仿真模型由儲種箱(剛體)、預排種槽(剛體)、送種輥(剛體)和巨菌草種莖(柔性體)組成，巨菌草種莖成排放置于送種輥之上，預排種槽之中(圖3).在ADAMS/View中創建約束、運動、接觸模式，通過固定副約束將儲種箱與預排種箱固定，將預排種箱與地面固定；同時通過轉動副約束連接送種輥與預排種箱，并在轉動副約束上施加轉動驅動，最后添加重力，并在種莖及與其存在接觸的實體間施加接觸力.

圖3 巨菌草種莖與排種器剛柔模型Fig.3 Seed stem of giant Juncao and rigid flexible model of seed metering device

在巨菌草實際排種過程中，預排種槽與送種輥上表面距離、送種槽角半徑、預排種槽角大小等因素均會對巨菌草的排種過程造成影響.送種槽角半徑可直接根據理論計算.送種槽角半徑越小，巨菌草之間的相互擠壓越輕，對排種輥中巨菌草的保護作用越好，即不易傷種.排種過程中預排種槽角的大小與巨菌草種莖大小之間的關系可通過計算得出.設定預排種槽尺寸為210 mm(長)×25 mm(高)×200 mm(寬)，送種輥外圓直徑為155 mm，內圓直徑為135 mm，送種輥轉速30為r·min-1.按節圓直徑大小層疊放置，每次放入6根，以巨菌草種莖所受應力為指標進行仿真分析；選取預排種槽與送種輥上表面間距為試驗因素，水平數分別為8、10、12、14和16 mm，建立了5種排種器剛柔仿真模型.

1.4 臺架試驗方法

1.預排種槽；2.送種輥；3.電機；4.扭矩傳感器；5.扭矩傳感器監視器.圖4 試驗裝置Fig.4 Testing apparatus

試驗在福建農林大學現代農業裝備工程研究中心進行.試驗裝置如圖4所示，由步進電機、扭矩傳感器(南京冉控科技有限公司產品，量程0.01～10.00 N·m-1,精度0.5%)、臺式電腦、數碼相機等組成.供試材料為福建農林大學國家菌草研究中心試驗田種植的巨菌草(半年生)，莖稈直徑為18～22 mm，長度為288～292 mm，無病蟲害且有兩個以上芽節的種莖.

(1)

式中：V0是初始設定送種輥轉速；V1是種莖排出時送種輥轉速.

2 結果與分析

2.1 仿真結果

選取預排種槽與送種輥上表面間距作為單因素變量，在ADAMS/View軟件中分別導入具有不同距離的排種器模型進行仿真，其因素水平為8、10、12、14、16 mm，種莖個數為6，送種輥轉速為30 r·min-1，種莖排布以節圓直徑按大小層疊放置.仿真結束后，通過后處理模塊顯示種莖排種過程中受力情況，仿真結果如圖5所示，其中Fmax表示種莖所受的最大應力.

以巨菌草第1根種莖進入送種輥槽中且第2根種莖被頂起時作為仿真分析的主要時間段.在仿真過程中，當預排種槽與送種輥上表面間距高度為8～16 mm時，種莖所受接觸力在送種輥轉動、種莖重力以及預排種槽結構支撐板的共同作用下產生了一個較大的值，在此過程中種莖被擠回預排種槽，產生了送種輥上表面的相對滾動和滑動.排種過程中種莖所受最大應力呈先減小后增大的趨勢.預排種槽與送種輥上表面間距為12 mm時，巨菌草種莖所受最小應力為0.203 MPa，遠低于巨菌草種莖壓縮屈服應變，并且排種過程較為流暢.在預排種槽與送種輥上表面間距為8 mm時，巨菌草種莖仿真排種過程中多次出現卡種和漏播現象；當預排種槽與送種輥上表面間距為16 mm時，由于巨菌草種莖幾何形狀有較大差異性，種莖未正確進入送種輥排種槽，出現了嚴重堵塞.

圖5 不同預排種槽高仿真結果Fig.5 Simulation analysis on prearranged seed slots with different depths

圖6 不同預排種槽高對排種時刻點的影響Fig.6 Effect of depth of lined seed groove on the time point of seed row

由圖6可知，當預排種槽與送種輥上表面間距較小時，種莖的回擠時刻點與接觸時刻點相距較遠，在預排種槽下第2根種莖在第1根種莖進入排種槽后受到送種輥、預排種槽底部和第1根種莖的共同作用，容易出現種莖彎扭和傷種現象.當排種時刻點與回擠時刻點較為接近時，第1根種莖在沒有陷入送種輥排種槽前就會被送種輥上部擠回預排種槽中，在預排種槽種莖重力和預排種槽壁的支撐下，種莖不會發生較大的相對運動，能夠較好地保護種莖，這與圖5中的仿真結果相符.當預排種槽與送種輥上表面間距較大時，種莖易在預排種槽和送種輥之間發生滾動，由于種莖幾何形狀不規則，易產生排種器堵塞問題.

2.2 試驗結果

圖7 不同預排種槽與送種輥上表面間距下送種輥受扭矩變化圖 Fig.7 Variation on torque of seed feeding roller with different groove depths

送種輥轉速為30 r·min-1，預排種槽種莖個數為6，種莖按節圓直徑大小層疊排放，這時不同預排種槽與送種輥上表面間距下送種輥受扭矩變化如圖7所示.由于預排種槽與送種輥上表面間距為8 mm，扭矩平均值遠超其他高度，故在圖中省去.從圖7的變化趨勢可以看出，初次排種所受的接觸力較大，預排種槽與排種輥上表面間距會影響排種流暢性，間距越小，排種器堵塞、種莖受損情況越嚴重；間距越大，排種性能指標漏播和重播指標越無法達到要求.在種莖節圓直徑為18～22 mm、長度為288～292 mm的條件下，預排種槽與送種輥上表面間距為10～14 mm，排種流暢性較好，種莖表面無明顯刮痕，芽節與莖稈無撕裂、擠壓等損壞發生，這與仿真中巨菌草種莖在預排種槽與送種輥上表面間距為10～14 mm的結果一致.

從表1可知，當預排種槽高為8.01 mm時，送種輥受扭矩平均值最大，綜合評價指標最大，種莖易受損，漏種指數率達25%.預排種槽高為16.00 mm時，巨菌草種莖受損傷較小，但出現預排種槽與送種輥間距較大和較嚴重的重播問題.當預排種槽與送種輥上表面間距為12.05 mm時，送種輥速度波動率小于10%，受扭平均值最小(0.082 8 N·m-1)，漏種和重播指數最低，排種流暢性最好.

表1 輥式排種器臺架試驗結果Table 1 Bench test of roller seed metering device with different groove depths

3 結論

本文利用逆向技術和虛擬樣機技術研究了巨菌草排種器真實種莖和虛擬排種過程，以預排種槽與送種輥上表面間距作為試驗指標，設計并開展了單因素仿真分析與單因素臺架試驗.通過試驗驗證了仿真模型的正確性，研究了巨菌草輥式排種器預排種槽與送種輥上表面間距對種莖損傷和排種流暢性的影響.

通過建立巨菌草種莖三維重構模型，利用ADAMS對排種過程進行虛擬仿真，模擬結果表明，預排種槽與送種輥表面高度為10～14 mm時，種莖表面無明顯刮痕，芽節與莖稈無撕裂、擠壓等損害發生，排種流暢性最優.

當預排種槽與送種輥上表面高度為12.05 mm時，所受平均扭矩值最小，為0.082 8 N·m-1，速度波動率為7.3%，漏種指數為2.5%，重播指數為0%，各項指標均符合巨菌草種植要求.