基于EDEM的滾筒式穴播器排種性能仿真與試驗*

張寧寧，康建明，王小瑜，彭強吉，張春艷，王永爍

(山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100)

0 引言

滾筒式穴播器屬于機械式精密排種器的一種，因其結構簡單、粒距一致、能夠實現膜上精播等優點廣泛應用于棉花、花生等覆膜作物的精量播種[1]。工作時，種子被穴播器滾筒內的帶翼取種器帶起并進入排種口，完成播種。取種是排種器整個排種過程最關鍵的環節，取種器取種性能的優劣直接影響機具的播種質量。但在花生的種植中存在著取種勺與種子適配性差的問題，從而導致取種性能差、傷種嚴重等問題。

離散元法是一種處理非連續介質問題的數值模擬方法。20世紀90年代后，一些學者開始采用該方法研究散粒物料與農業機械部件的相互作用，并取得了良好的效果[2-7]。廖慶喜等[8]采用離散元法建立了離心式排種器的離散元仿真模型，確定了油菜籽的運動規律并研究了內錐筒中種量與臨界轉速的關系、排種器轉速與總排量的關系；史嵩等[9]運用EDEM軟件對4種不同型孔結構排種盤的種群運動進行仿真分析，以種子法向應力跳動量和種子平均法向應力綜合作為指標，分析了各排種盤在不同轉速下的種群內摩擦力的變化，仿真的結果為提高排種器的充種性能提供方法。花生種子的排種過程中，排種器中種子的運動也是散粒物料的運動[10-11]，為了提高花生精密播種質量，因此本研究在國內外研究的基礎上，采用離散元分析軟件EDEM對滾筒式穴播器進行仿真研究，分析花生種子外形尺寸、排種器工作轉速及取種器結構參數對排種性能的影響，為滾筒式穴播器的優化設計提供理論依據。

1 種子特征與分級

1.1 種子特征

花生種子的外形有橢圓形、圓球形、桃形、三角形、圓柱形等5種。本文選用山東省花生研究所選育的魯花14號花生種子，如圖1所示。種子外形為橢圓形，千粒質量1 160 g。通過試驗測得種子的長軸和寬軸尺寸分別集中分布在13～20 mm和8～16 mm，含水率為20%，休止角為33.5°，內摩擦角為30.2°[12]。

圖1 魯花14號花生Fig.1 Luhua No.14 peanut

1.2 種子分級

將花生種子按照大小進行分級，種子分級所用的試驗儀器有標準振篩機、游標卡尺、圓孔篩等。標準振篩機型號為4DZSF525。所有種子按照大小共分為3級，即1(大粒種子)；2(中粒種子)；3(小粒種子)，各級種子的特性見表1。

表1 分級后各級種子特性Tab.1 Seed characteristics after grading

2 滾筒穴播器結構參數的確定

2.1 滾筒穴播器結構與工作原理

滾筒式穴播器如圖2所示，其主要由滾筒體、取種器和成穴器三大部分構成，滾筒體為穴播器的基礎部件，滾筒體內為種子室；在滾筒體的內圓周面上均布安裝有取種器，在對應的外圓周壁上安裝有鴨嘴式成穴器，取種器與成穴器通過滾筒體上的通孔互相連通。

圖2 滾筒式穴播器Fig.2 Roller type hill-drop planter1.滾筒體 2.取種器 3.鴨嘴式成穴器 4.種子室

工作時滾筒穴播器在待播地面上，隨機具前進而滾動，滾筒里的種子之間、種子與滾筒之間的摩擦力帶動種子隨滾筒轉動，使滾筒內種子群的上表面與水平面之間形成一定角度，該角度大于休止角。滾筒內壁上的取種器在種子群中穿過時，兩側的刮種翼將種子從進種窗口帶進取種勺內；根據精密播種的要求，取種器的尺寸僅能容下一顆花生種子，其余的種子隨滾筒的轉動在自重作用下落回到種子堆。留在取種器里的種子隨滾筒轉動沿取種器背上的滑槽滑動到滾筒上的排種口，再靠自重落入鴨嘴成穴器內。此時鴨嘴成穴器的定鴨嘴逐漸插入土壤，當入土達到了最深時，動鴨嘴的仿形壓板壓著地面，活動鴨嘴就會被地面的反作用力打開，種子便落入種穴中。整個排種過程可分為取種、清種、輸種和排種四個過程，并且在滾筒旋轉一周自動完成。

2.2 取種器參數的確定

取種器結構如圖3所示。

圖3 取種器結構示意圖Fig.3 Structure of seed extractor

工作時，取種器完成取種和清種，取種器的結構參數將影響取種性能，進而影響穴播器的播種性能。為保證排種器的單粒精播，取種器在取種時不能超過1粒，取種器側孔長度K和容腔長度L必須滿足以下條件。

K=(1.5～2)dmax

(1)

L=(1.2～1.5)dmax

(2)

式中：dmax——花生種子最大長度，mm。

將表1數據代入式(1)和式(2)，確定3組取種器參數，如表2所示。

表2 取種器參數Tab.2 Seed extractor parameters

2.3 穴播器滾筒直徑的確定

排種器滾筒的直徑主要與株距、播種深度及鴨嘴成穴器的數量有關，在不考慮滑移率的情況下，排種器滾筒的直徑

(3)

式中：D——排種器滾筒直徑，mm；

Z——鴨嘴成穴器的個數，取值為8；

γ——播種株距，mm；

H——播種深度，mm。

根據花生單粒精播農藝要求，播種株距γ取150 mm，播種深度H取30 mm，可得排種器滾筒的直徑D為322 mm。

2.4 穴播器額定轉速的確定

穴播器在轉動工作時，滾筒內種子的受力情況如圖4所示。

圖4 種子受力情況Fig.4 Seed stress condition

(4)

式中：R——滾筒內徑，mm；

ω——滾筒轉動角速度，rad/s；

m——種子質量，kg；

F——種子與滾筒壁的摩擦力；

N——滾筒對種子的法向反力；

P——種子的離心力；

α——種子所在位置與垂直中心線的夾角；

g——重力加速度，m/s2。

3 EDEM仿真建模與分析

3.1 穴播器仿真模型的建立

采用離散元軟件EDEM進行仿真分析。應用三維制圖軟件Solidworks對滾筒穴播器進行實體建模，以.igs格式導入EDEM軟件中，網格化排種器結構如圖5所示。

圖5 滾筒穴播器EDEM仿真模型Fig.5 EDEM simulation model of roller type hill-drop planter

3.2 花生種子仿真模型的建立

以表2中3種尺寸等級的花生種子的外形尺寸為依據，在Solidworks中創建花生三維模型，將模型導入EDEM軟件中并通過多球面組合的方式進行填充，得到花生種子的離散元顆粒模型，如圖6所示。

圖6 花生種子顆粒模型Fig.6 Granule model of peanut

3.3 模型變量參數的設置

本文穴播器的離散元仿真過程中種子—種子、種子—穴播器內壁受力計算采用的是Hertz模型。Hertz模型將兩物體之間的相對位置與其各自的受力處曲率半徑進行對比來計算法向及切向受力，能較為準確反映剛性顆粒物體間的力學特點[10-15]。其余參數的設置如表3所示。

表3 模型變量參數的設置Tab.3 Model variable parameter setting

3.4 仿真結果分析

建立EDEM顆粒工廠，根據表3數據設置材料數據及顆粒間接觸參數，根據表1數據導入種子顆粒模型，設置顆粒工廠為動態生成方式，產生數量為5 000粒；產生速率為500個/s，放置顆粒最大嘗試次數為 20次。

仿真過程如圖7所示。

圖7 仿真過程Fig.7 Simulation process

仿真時，取種器取種時會出現單粒取種、2粒取種、漏種等現象。取種器能單粒取種是排種器能實現精密播種的關鍵因素，仿真時取種器單粒取種是考察花生種子與取種器參數適配性的重要指標。對三個等級花生種子在不同取種器參數和工作轉速下進行仿真，分別統計1 000粒種子在取種時的漏播粒數、重播粒數、單粒粒數，計算三次試驗的平均值。根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種試驗方法》，合格指數S、重播指數C和漏播指數M為仿真試驗指標[16]，計算公式如式(5)～式(7)。

(5)

(6)

(7)

式中：n——理論排種數量；

n1——單粒排種數量；

n2——重播數量；

n0——漏播數量。

試驗方案為設定取種器的側孔長度32 mm，容腔長度25 mm時，分別設置穴播器的工作轉速為20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min、50 r/min 工況下進行仿真模擬，統計結果如表4所示。設定穴播器的工作轉速為40 r/min，當取種器側孔長度和容腔長度分別設定為40 mm、32 mm、28 mm 和30 mm、25 mm、20 mm時穴播器的排種性能仿真結果如表5所示。

表4 不同大小花生種子在不同工作轉速下的仿真結果Tab.4 Simulation results of different sizes of peanut seeds under different working speeds

表5 不同大小花生種子在不同取種器尺寸下的仿真結果Tab.5 Simulation results of different sizes of peanut seeds under different sizes of seed extractor

由表4數據可知，隨工作轉速的增加，穴播器對三個等級花生種子排種合格指數和重播指數呈下降趨勢，漏播指數呈上升趨勢；在20～50 r/min的轉速下，穴播器對中粒尺寸的花生種子排種性能最優，合格指數均大于89%，對小粒種子的合格指數次之，大粒種子的合格指數最低；當穴播器工作轉速大于40 r/min時，各級種子的合格指數下降較明顯，主要由于取種器隨滾筒轉動加快，種子還未來得及進入取種器內而靠重力落回到種子堆。可見，在取種器參數為定值時，工作轉速和種子大小對排種性能都有影響。

由表5數據可知，當工作轉速額定40 r/min，隨著取種器側孔和容腔尺寸的增加，種子更容易進入取種器內使得重播指數增加，漏播指數降低。側孔和容腔的尺寸分別為40 mm和30 mm時，對大粒種子的排種性能最優，合格指數為91.37%；側孔和容腔的尺寸分別為32 mm和25 mm時，對中粒種子的排種性能最優，合格指數為93.07%；側孔和容腔的尺寸分別為28 mm 和20 mm時，對小粒種子的排種性能最優，合格指數為93.02%，可見，種子與取種器的適配性影響排種性能。

4 田間試驗

為驗證仿真結果的可靠性，同時考察穴播器的排種性能，于2020年9月在山東省農業機械科學研究院章丘棗園試驗基地進行田間試驗，如圖8所示。試驗土地提前進行耕整作業，使其能滿足花生播種農藝要求。種子為篩選分級后的魯花14號花生。試驗樣機為裝有滾筒式穴播器的2BM型花生起壟覆膜膜上精播機，試驗設置排種器轉速為40 r/min，機具前進速度為2.4 km/h，取種器側孔長度32 mm、容腔長度25 mm。三級花生種子各1 000粒，進行3次試驗驗證，統計500粒種子在穴播器排種后的漏播粒數、重播粒數、單粒粒數，取三次平均值計算出漏播指數、重播指數和合格指數，結果如表6所示。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

表6 田間試驗結果Tab.6 Results of field experiments

由表6的試驗結果可知，在穴播器工作轉速40 r/min，取種器側孔長度32 mm、容腔長度25 mm條件下，對中粒種子的排種合格指數為92.54%，重播指數為3.45%，漏播指數為4.01%，排種性能最優；小粒種子的排種合格指數為90.69%，重播指數5.27%，漏播指數為4.04%，排種性能次之；對大粒種子的排種合格指數為88.26%，重播指數為2.31%，漏播株數為9.43%，排種性能最差。可見，種子外形尺寸與取種器的適配性影響排種性能。試驗結果與仿真結果在反應穴播器對各級種子的排種性能趨勢上是一致的，離散元分析方法應用于滾筒式花生穴播器上是可行的，為穴播器的優化設計提供了理論依據。

5 結論

1)以滾筒式花生穴播器為研究載體，將花生種子按外形尺寸篩分成了大粒、中粒、小粒三級，根據不同等級種子的尺寸確定了三種取種器的側孔和容腔尺寸。

2)利用離散元分析軟件EDEM建立穴播器及種子的仿真模型，并進行穴播器工作過程仿真試驗。仿真結果表明：隨著工作轉速的增加，穴播器對各級花生的合格指數均呈下降趨勢；當工作轉速額定，側孔和容腔的尺寸分別為40 mm和30 mm時，對大粒種子的排種性能最優，合格指數為91.37%；側孔和容腔的尺寸分別為32 mm和25 mm時，對中粒種子的排種性能最優，合格指數為93.07%；側孔和容腔的尺寸分別為28 mm 和20 mm時，對小粒種子的排種性能最優，合格指數為93.02%。工作轉速、取種器參數和種子大小對排種性能都有影響。隨工作轉速的增加，各級種子的排種合格指數呈下降趨勢；各級種子在與之適配性好的取種器下排種性能較好。

3)通過田間試驗，在穴播器工作轉速40 r/min、取種器側孔長度32 mm，容腔長度25 mm條件下滾筒式穴播器對中粒種子的排種合格指數為92.54%，重播指數為3.45%，漏播指數為4.01%，排種性能最優；小粒種子的排種合格指數為90.69%，重播指數為5.27%，漏播指數為4.04%，排種性能次之；對大粒種子的排種合格指數為88.26%，重播指數為2.31%，漏播株數為9.43%，排種性能最差。可見，種子外形尺寸與取種器的適配性影響排種性能。試驗結果與仿真結果在反應穴播器對各級種子的排種性能趨勢上是一致的，離散元分析方法應用于滾筒式花生穴播器上是可行的，為穴播器的優化設計提供理論依據。