基于EDEM的勺帶式馬鈴薯排種器充種性能仿真研究

張濤 張萬枝 陳志偉 王鑫海 徐穎 崔心杰

摘要：為提高勺帶式馬鈴薯排種器充種性能，基于EDEM仿真軟件建立了馬鈴薯離散元顆粒模型，通過跌落沖擊試驗(yàn)與斜面法確定了馬鈴薯充種仿真試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù);選取排種器傾斜角度、種勺運(yùn)動速度以及供種速度進(jìn)行單因素充種仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)排種器傾斜角度75°、排種帶速度0.5 m/s及供種速度15個/s時，充種性能最好，此時單粒充種比例為17.5%、2粒及2粒以上比例為83.5%、未充種比例為0。后續(xù)工作可在此基礎(chǔ)上設(shè)計清種裝置，以進(jìn)一步增大單粒比例、減小多粒比例，更好地達(dá)到馬鈴薯精量播種要求。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯;排種裝置;EDEM;仿真;排種效果

中圖分類號： S223.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）12-0181-04

收稿日期：2020-11-10

基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金（編號：2020M681690）;山東省自然科學(xué)基金（編號：ZR2019BC018）;山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目（編號：SD2019NJ003）;山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系薯類創(chuàng)新團(tuán)隊農(nóng)業(yè)機(jī)械崗位專家項(xiàng)目（編號：SDAIT-16-10）;“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃智能農(nóng)機(jī)裝備（編號：2017YFD0700705）。

作者簡介：張 濤（1998—），男，山東臨沂人，碩士研究生，主要從事薯類機(jī)械設(shè)計。E-mail：1558935961@qq.com。

通信作者：張萬枝，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事薯類機(jī)械理論與設(shè)計研究。E-mail：zhangwanzhi@163.com。

馬鈴薯是世界第四大糧食作物，但目前馬鈴薯種植機(jī)械化程度普遍不高，尤其是發(fā)展中國家機(jī)播率僅為30%。馬鈴薯種植是馬鈴薯生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其中排種器又是馬鈴薯種植機(jī)械的核心部件。目前勺帶式排種器是世界上最常用的排種裝置。勺帶式排種器具有操作簡便、播種均勻、可靠性和作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]，但也存在著漏種和重種等缺點(diǎn)。為了提高勺帶式排種性能，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了相關(guān)研究。劉以昌針對勺輪式排種器傳動復(fù)雜等問題開展了試驗(yàn)研究，研制了傳動系統(tǒng)簡單、排種性能更佳的垂直式勺輪排種器[2];呂金慶等學(xué)者針對傳統(tǒng)排種器改進(jìn)設(shè)計了雙列交錯式馬鈴薯排種器，對關(guān)鍵部件設(shè)計與優(yōu)化，理論分析了主動輪和振動清種裝置的性能特點(diǎn)[3];王希英等改進(jìn)設(shè)計了雙列交錯勺帶式馬鈴薯精量排種器，優(yōu)化了雙勺交錯排種總成、主動驅(qū)動總成和振動清種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)[4-5]。目前相關(guān)研究主要是針對排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對關(guān)鍵部件和種薯間的相互作用研究較少。整個馬鈴薯排種過程可分充種、清種、攜種、投種等環(huán)節(jié)，其中最重要的是充種環(huán)節(jié)。關(guān)鍵部件與種薯間的相互作用直接影響了馬鈴薯充種[6-9]。采用傳統(tǒng)理論計算或試驗(yàn)法分析關(guān)鍵部件與種薯間的相互作用，費(fèi)時費(fèi)工。

離散單元法（Discrete Element Method，DEM）是目前一種比較新型的數(shù)值模擬仿真分析方法，主要用來分析比較復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律和力學(xué)特征，在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域主要應(yīng)用于土壤顆粒、小物料種子等方面的運(yùn)動分析[10-11]。而鑒于馬鈴薯在排種過程中的運(yùn)動也是屬于散粒物料運(yùn)動[12-14]，因此本研究在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，采用EDEM 軟件對勺帶式馬鈴薯排種器充種性能進(jìn)行仿真研究，分析探討排種器角度、供種速度以及排種帶速度對充種性能的影響，以期為勺帶式馬鈴薯精量排種器設(shè)計及優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 馬鈴薯離散元顆粒模型建立

選用華北和西北地區(qū)普遍適種的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)商品薯“荷蘭十五”作為試驗(yàn)樣本，選取質(zhì)量為20～30 g 的馬鈴薯500粒。采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺對馬鈴薯三軸尺寸進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。

由表1可見，馬鈴薯種薯的幾何外形近似于橢球形，但其長軸兩端大小并不相同。對于這種不規(guī)則橢球體， 本研究首先在EDEM中建立一個半徑為

14 mm的球體作為顆粒中心;其次保持x軸、z軸方向基本不變，在y軸方向上一次生成8個半徑大小不同的球體（表2），每個球體半徑以及坐標(biāo)位置均不相同，通過這種組合得到馬鈴薯顆粒模型（圖1）。

1.2 充種性能仿真參數(shù)確定

充種是指種薯以一定速度從大種箱流向小種箱，然后種勺以一定速度向上舀取種薯。馬鈴薯屬于散粒體，確定其與排種器間的力學(xué)特性參數(shù)對研究充種性能具有重要意義。馬鈴薯與排種器間的力學(xué)特性參數(shù)主要包括馬鈴薯-馬鈴薯間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù);馬鈴薯-種勺間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)以及馬鈴薯-種箱間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)。

1.2.1 碰撞恢復(fù)系數(shù)確定 采用跌落沖擊試驗(yàn)法確定馬碰撞恢復(fù)系數(shù)。碰撞恢復(fù)系數(shù)是兩物體碰撞后的分離速度與碰撞前的接近速度的比值。試驗(yàn)中，設(shè)被撞物料靜止不動，將馬鈴薯從高度為H處靜止釋放，馬鈴薯做自由落體運(yùn)動與碰撞物體發(fā)生碰撞，然后被彈起，高度為h。根據(jù)能量守恒定律可得碰撞恢復(fù)系數(shù)計算公式為

Cr=（0-v1′）（v1-0）=2gh2gH=h/H。（1）

式中：g為重力加速度;v1為馬鈴薯碰撞前的速度;v1′為馬鈴薯碰撞后的速度;被撞物料速度始終為0;H為300 mm。

馬鈴薯碰撞恢復(fù)系數(shù)測定試驗(yàn)裝置如圖2所示，所采用設(shè)備有：高速攝像系統(tǒng)、自制跌落架、刻度紙、橡膠紙、塑料板、鍍鋅鋼板。

分別測定馬鈴薯-馬鈴薯、馬鈴薯-塑料板、馬鈴薯-鍍鋅鋼板的碰撞恢復(fù)系數(shù)。每種情況重復(fù)5次，取平均值，結(jié)果見表3。

1.2.2 摩擦系數(shù)確定 采用斜面法來測定馬鈴薯與塑料板、鍍鋅鋼板間的摩擦系數(shù)，測量裝置如圖3所示。

初始時，馬鈴薯在斜面上靜止，馬鈴薯受到的摩擦力為

Fs=μ2Gcosα。（2）

式中：Fs為摩擦力;μ1為靜摩擦系數(shù);G為馬鈴薯重力;α為斜面傾斜角。當(dāng)α增大到一定值時，馬鈴薯有向下滑動的趨勢;此時為滑動摩擦角，對應(yīng)的滑動摩擦系數(shù)為

μ2=tanα。（3）

每種材料重復(fù)試驗(yàn)5次，最終測得結(jié)果見表4。

1.3 充種仿真模型建立

在Solid Works中建立馬鈴薯排種器三維模型（圖4），設(shè)置排種帶傾斜角度分別為90°、75°、60°等3種情況，分別導(dǎo)入EDEM中。在EDEM中種箱設(shè)置為鍍鋅鋼板材料、種勺和排種帶為塑料材料;馬鈴薯顆粒間及與排種器間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin無滑移模型;選定轉(zhuǎn)動軸并在Dynamics選項(xiàng)卡中設(shè)置轉(zhuǎn)速分別為0.4、0.5、0.6 m/s;在Factories模塊中建立顆粒工廠，設(shè)定顆粒以動態(tài)方式生成; 其他參數(shù)設(shè)置見表5。 為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置時間步長為Rayleigth時間步長的20%，總仿真時間為20 s。在排種口處通過網(wǎng)格劃分設(shè)置網(wǎng)格單元體，每次仿真結(jié)束均通過網(wǎng)格單元體對試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，為了便于觀察，將種箱、導(dǎo)種管設(shè)置為網(wǎng)格顯示。EDEM仿真模型見圖5。

2 充種仿真及結(jié)果分析

2.1 充種仿真試驗(yàn)

選取排種器傾斜角度、種勺運(yùn)動速度以及供種速度進(jìn)行單因素充種仿真試驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)排種帶 moving plane運(yùn)動速度控制其工作速度（0.4、0.5、0.6 m/s）;通過調(diào)節(jié)排種器整體傾斜角度控制取種舀勺角度（90°、75°、60°）;通過觀察確定每個種勺里種薯是否為單粒、2粒及2粒以上或未充種等狀態(tài)。參考 GB/T 6242—2006《種植機(jī)械馬鈴薯種植機(jī)試驗(yàn)方法》和 NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，選取馬鈴薯種薯單粒充種比例Y1、2粒及2粒以上比例Y2、未充種比例Y3等3個指標(biāo)為試驗(yàn)考核指標(biāo)。

Y1=n1N×100%;（4）

Y2=n2N×100%;（5）

Y3=n3N×100%。（6）

式中：n1為馬鈴薯種薯單粒充種數(shù);n2為2粒及2粒以上充種數(shù);n3為未充種數(shù)。充種仿真試驗(yàn)如圖6所示。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 排種帶傾斜角度對充種運(yùn)移性能的影響 設(shè)定排種帶傾斜角度分別為90°、75°、60°，保持排種帶運(yùn)動速度為0.4 m/s、供種速度為15個/s，結(jié)果見表6。由表6可見，傾斜角度60°時，種勺2粒及2粒以上充種比例最大（92.2%），但單粒充種比例較少（3.9%），同時存在未充種現(xiàn)象;傾斜角度90°時，種勺單粒充種比例最大（25%），但未充種比例也最大（11.5%）;傾斜角度75°時，種勺單粒充種比例為8.5%，2粒及2粒以上比例為91.5%，未充種比例為0，充種性能最優(yōu)。結(jié)果也證實(shí)了英國農(nóng)業(yè)工程研究所的 L·P·帕夫頓等提出的“‘零速投種并非要求種子落到地面時的水平分速度為零，種子落下時應(yīng)該具有一定的垂直速度，但并不是90°時播種質(zhì)量是最好的，而是投種角度在75°左右時最好，種子的平均位移最小”這一觀點(diǎn)。

2.2.2 種勺運(yùn)動速度對充種運(yùn)移性能的影響 設(shè)定種勺運(yùn)動速度分別為0.4、0.5、0.6 m/s，保持排種帶傾斜角為75°、供種速度為15個/s，結(jié)果見表7。由表7可見，種勺運(yùn)動速度為0.4 m/s時，單粒充種比例最低（8.5%），2粒及2粒以上充種比例最高（91.5%）;種勺運(yùn)動速度為0.6 m/s時，單粒充種比例為10.4%，2粒及2粒以上充種比例為85.1%，但未充種比例為5.5%;種勺運(yùn)動速度為 0.5 m/s 時，單粒充種比例最高（17.5%），2粒及2粒以上充種比例最低（83.5%），且不存在未充種現(xiàn)象，充種性能最優(yōu)。

2.2.3 供種速度對充種運(yùn)移性能的影響 當(dāng)向種箱里倒入種薯速度過快時，一方面會在種箱內(nèi)產(chǎn)生結(jié)拱的現(xiàn)象，影響播種效果;另一方面，也會因?yàn)榈谷胨俣冗^快使種箱內(nèi)存有大量的種薯，當(dāng)種勺舀取種薯時會有多個馬鈴薯種薯被舀取，從而增加了2粒及2粒以上所占比例。設(shè)定供種速度分別為 12個/s、15個/s、18個/s，保持排種帶傾斜角為75°、種勺運(yùn)動速度為0.5 m/s，結(jié)果見表8。由表8可見，供種速度為12個/s時，單粒充種比例最大（21.5%），2粒及2粒以上比例最小（74.9%），但未充種比例為4.6%;供種速度為18個/s時，單粒充種比例最小（12.3%），2粒及2粒以上比例最大（87.7%），未充種比例為0;供種速度為15個/s時，單粒充種比例為17.5%，2粒及2粒以上比例為83.5%，與供種速度為18個/s時相比，單粒充種比例提高、2粒及2粒以上比例下降，充種性能最優(yōu)。

3 結(jié)論

基于EDEM仿真軟件建立了馬鈴薯離散元顆粒模型，通過跌落沖擊試驗(yàn)與斜面法確定了馬鈴薯充種仿真試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)。選取排種器傾斜角度、種勺運(yùn)動速度以及供種速度進(jìn)行單因素充種仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)排種器傾斜角度75°、排種帶速度0.5 m/s及供種速度15個/s時，充種性能最好，此時單粒充種比例為17.5%， 2粒及2粒以上比例為

83.5%，未充種比例為0。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧 祺，安軍鋒，王 安，等. 馬鈴薯排種技術(shù)研究及展望[J]. 河北農(nóng)機(jī)，2017（8）：16-17.

[2]劉以昌. 勺輪式排種器工作原理的探討[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，1988（2）：34-38.

[3]呂金慶，楊 穎，李紫輝，等. 舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器的設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（16）：17-25.

[4]王希英，唐 漢，王金武，等. 雙列交錯勺帶式馬鈴薯精量排種器優(yōu)化設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47（11）：82-90.

[5]王希英. 雙列交錯勺帶式馬鈴薯精量排種器的設(shè)計與試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[6]王旭東，陳冠禮，凌 軒，等. 勺鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機(jī)排種器性能試驗(yàn)[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，45（9）：129-133.

[7]楊 鍇，段宏兵，宋波濤，等. 半杯勺式馬鈴薯排種器的設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，37（2）：103-109.

[8]牛 康，周利明，苑嚴(yán)偉，等. 勺鏈?zhǔn)今R鈴薯排種器自補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47（z1）：76-83.

[9]黃 勇，趙曉雪，戚江濤，等. 帶勺式馬鈴薯排種裝置的工作參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（12）：162-167.

[10]郭小軍，張海東，吳進(jìn)玲，等. 基于EDEM的勺輪式葵花排種器離散元仿真研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2019，40（2）：19-24.

[11]王美美，王萬章，楊立權(quán)，等. 基于EDEM的玉米子粒建模方法的研究[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2018，52（1）：80-84，103.

[12]李紫輝，溫信宇，呂金慶，等. 馬鈴薯種植機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究進(jìn)展分析與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2019，50（3）：1-16.

[13]馮 斌. 收獲期馬鈴薯塊莖物理特性及損傷機(jī)理研究[D]. 蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[14]馮 斌，孫 偉，石林榕，等. 收獲期馬鈴薯塊莖碰撞恢復(fù)系數(shù)測定與影響因素分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（13）：50-57.