基于EDEM的雙腔式棉花精量排種器排種性能仿真研究

李海潮，王 爽，陳 永，胡 斌，萬(wàn)賢正，劉強(qiáng)強(qiáng)

（1.新疆科技學(xué)院工科學(xué)院，新疆庫(kù)爾勒841000；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002；3.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

棉花是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要物資，其產(chǎn)值占我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物的50%以上，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要地位[1]。2021年我國(guó)最大產(chǎn)棉區(qū)新疆按照“控制面積、提質(zhì)增效”的原則合理引導(dǎo)棉花生產(chǎn)，種植面積302.84萬(wàn)hm2，全程機(jī)械化種植面積超過(guò)了90%[1]。棉花精量播種技術(shù)既能夠保證種植密度，又能夠?qū)崿F(xiàn)免除人工定苗，達(dá)到提高生產(chǎn)率的目的，與半精量播種相比，能夠節(jié)省種子，有效降低人員勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)提升新疆地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備水平，實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化[2]。

EDEM作為專業(yè)的離散單元分析處理軟件，可用于機(jī)械裝置的分析和仿真，同時(shí)EDEM能夠與目前常用的CAE工具軟件進(jìn)行顆粒系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu)的耦合模擬仿真，這種耦合對(duì)于研究散粒體系統(tǒng)的受力與運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要[3]。趙瑞營(yíng)[4]等人設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)高速播種的高充填率精量排種器，采用離散單元法建立3種不同大小的玉米模型，對(duì)高填充排種器進(jìn)行了仿真模擬試驗(yàn)，確定最優(yōu)參數(shù)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，最后表明應(yīng)用離散單元法優(yōu)化排種器性能參數(shù)可減少實(shí)際工作量，為設(shè)計(jì)提供參考。

本文以雙腔式棉花排種器為研究對(duì)象，運(yùn)用EDEM軟件仿真模擬排種器的工作過(guò)程，分析核心部件取種器對(duì)取種性能產(chǎn)生較大影響的因素，利用虛擬仿真試驗(yàn)確定最優(yōu)的取種器結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)組合。通過(guò)排種器的臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證EDEM仿真試驗(yàn)的結(jié)果，為研究棉花精量排種器提供了參考。

1 雙腔式棉花精量排種器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

雙腔式棉花精量播種機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1，排種器的設(shè)計(jì)思路為充分利用有限的殼體空間，運(yùn)用第一次半精量充種、二次精量充種的兩次充種方法實(shí)現(xiàn)高速狀態(tài)下的精量播種。排種器主要由外殼體、腰帶總成、壓盤、鴨嘴成穴機(jī)構(gòu)、主軸、內(nèi)殼體、護(hù)種盤、前后雙腔取種器和清護(hù)種毛刷等部件組成。

圖1 雙腔式棉花精量排種器結(jié)構(gòu)示意1.外殼體2.腰帶總成3.進(jìn)種彎管4.壓盤5.彈簧6.鴨嘴成穴機(jī)構(gòu)7.檢視孔蓋8.主軸9.軸承10.內(nèi)殼體11.護(hù)種盤12.鍵13.前后雙腔取種器14.清護(hù)種毛刷

前后雙腔取種器作為排種器的核心部件具有能夠?qū)崿F(xiàn)將種子從種群中定量分離并投放的作用，因此取種器性能的好壞直接關(guān)系到排種器播種的質(zhì)量。前后雙腔取種器的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 前后雙腔取種器結(jié)構(gòu)示意1.前腔2.后腔3.投種口4.V型槽5.進(jìn)種口

取種器的主要尺寸包括前腔，長(zhǎng)度為l2，前腔高度為h1，前腔底部寬度為d1，取種器V型槽長(zhǎng)度h2，取種器V型槽高度h2，取種器V型槽寬度d2，進(jìn)種口的直徑d3，取種器后腔上部尺寸l3，后腔下部尺寸l4。

1.2 排種器工作原理

排種器的工作過(guò)程分為第一次半精量充種、清種以及有序排隊(duì)、二次精量充種和投種四個(gè)階段，如圖3。

棉種通過(guò)進(jìn)種彎管進(jìn)入到由排種器內(nèi)護(hù)種盤、內(nèi)殼體和壓盤形成的腔體中。當(dāng)取種器剛進(jìn)入種子群時(shí)，種子便在重力和相互擠壓力的作用下開始在取種器的前腔完成第一次半精量充種。隨著取種器運(yùn)動(dòng)，取種器中的種子會(huì)向取種器后腔移動(dòng)，通過(guò)V型槽的限制作用，多余的種子會(huì)掉落到種群中進(jìn)行清種，剩下的種子會(huì)在清護(hù)種毛刷的作用下在V型槽中有序排成一列，隨著排種器繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，種子在重力作用下從V型槽向取種器的后腔移動(dòng)，此時(shí)棉種完成第二次精量充種。當(dāng)取種器轉(zhuǎn)動(dòng)到投種區(qū)域時(shí)，進(jìn)入到后腔中的一粒種子就會(huì)翻滾掉落至鴨嘴成穴器中等待排出，其余沒(méi)有進(jìn)入后腔的種子便會(huì)掉落在種子群中。

圖3 排種器工作原理

2 EDEM仿真模型的建立

2.1 棉種模型的建立

離散元顆粒的構(gòu)建是最重要的步驟，必須建立最恰當(dāng)?shù)拿薹N模型，使棉種顆粒的外型結(jié)構(gòu)、尺寸大小高度擬合棉種。目前最常用的脫絨棉種外形尺寸近似為橢球體，但是棉種的兩端形狀差異較大，一端近似為半圓形球體，另一端有錐度，并且脫絨棉種表面部分有突起或者凹陷。根據(jù)棉種的粒型特點(diǎn)在離散元軟件中將棉種的粒型定為橢球形和圓錐形的組合體。

以目前新疆地區(qū)最常用的“新陸早42號(hào)”棉種為實(shí)體模型，建立棉種的離散元模型。在EDEM軟件中的Creator模塊利用球面聚合的方法進(jìn)行棉種模型的建立，聚合球面的位置和大小如表1，建立的棉種顆粒模型如圖4。

表1 聚合球體位置和大小

圖4 棉種顆粒模型

2.2 排種器模型的建立

應(yīng)用Solidworks軟件建立排種器的三維模型，為了便于進(jìn)行模擬仿真和觀察，去除工作過(guò)程中不與棉種接觸的零部件，將排種器三維模型另存為.igs格式，導(dǎo)入EDEM軟件中，對(duì)排種器的材料進(jìn)行設(shè)定，選擇材料為“Steel”。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

根據(jù)排種器的應(yīng)用需求，將排種器及各個(gè)零部件的材料設(shè)置為鋼材，棉種和排種器的材料參數(shù)以及棉種—棉種、棉種—鋼材的接觸參數(shù)如表2。

表2 材料參數(shù)及接觸參數(shù)

3 EDEM仿真試驗(yàn)

3.1 仿真設(shè)置

在進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，需要設(shè)定仿真步長(zhǎng)、仿真總時(shí)間以及網(wǎng)格尺寸等。仿真步長(zhǎng)是仿真計(jì)算過(guò)程中兩次迭代運(yùn)算之間的時(shí)間間隔，仿真時(shí)間步長(zhǎng)與仿真處理的精細(xì)度相關(guān)，其中Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)與生成顆粒的基本物理參數(shù)有關(guān)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判斷生成。固定時(shí)間步長(zhǎng)需要自行設(shè)置，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)同時(shí)為了使仿真更加精細(xì)，將固定時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的20%。網(wǎng)格尺寸的劃分決定了顆粒受力以及運(yùn)動(dòng)的精確度，最理想的網(wǎng)格邊長(zhǎng)是顆粒最小半徑的兩倍，因此將網(wǎng)格尺寸確定為2倍的最小半徑，具體的參數(shù)設(shè)置如表3。

表3 仿真計(jì)算參數(shù)

3.2 工作過(guò)程仿真

排種器作業(yè)時(shí)首先進(jìn)行第一次半精量充種，在取種器進(jìn)入種群后開始進(jìn)行第一次半精量充種（圖5），當(dāng)取種器離開種群時(shí)，受取種器前腔的刮取以及棉種間相互擠壓的作用，至少保證了4粒棉種充填進(jìn)入取種器前腔中。隨后進(jìn)行清種和棉種的有序排隊(duì)，如圖6。

圖5 第一次半精量充種

圖6 清種和有序排隊(duì)

隨著排種器的轉(zhuǎn)動(dòng)，取種器圍繞排種器主軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，棉種開始由前腔向V型槽中運(yùn)動(dòng)，V型槽的特殊V型限制結(jié)構(gòu)能夠在清理多余種子的同時(shí)實(shí)現(xiàn)橢球型棉種在V型槽中的有序排隊(duì)。

在清種完畢后，排種器進(jìn)行二次精量充種。如圖7，隨著排種器繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，種子在重力的作用下沿著V型槽向取種器后腔移動(dòng)，進(jìn)行二次精量充種。由于后腔尺寸的限制，后腔只能容下一粒種子，因此只有一粒距離后腔最近的種子進(jìn)入后腔完成充種并與相鄰的種子進(jìn)行分離，其余種子會(huì)卡在進(jìn)種口外邊直至掉落到種群中。

當(dāng)取種器轉(zhuǎn)動(dòng)到排種器的投種區(qū)域時(shí)，進(jìn)入后腔的棉種在重力的作用下從取種器后腔中翻滾掉落，最終從取種器的排種口排出，如圖8。

圖7 二次精量充種

圖8 投種

在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)排種器作業(yè)時(shí)除了達(dá)到理想效果的單粒精量播種外，還存在著少許重播和漏播的現(xiàn)象，利用EDEM的Analyst功能對(duì)排種器每一個(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)的觀察分析后發(fā)現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象主要發(fā)生在取種器的清種、有序排隊(duì)以及二次精量充種階段，對(duì)取種器取種性能造成影響的主要因素為前后雙腔取種器的V型槽角度、取種器后腔進(jìn)種口尺寸以及取種器后腔上部的尺寸。因此對(duì)排種器的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行仿真研究并得到合理的尺寸參數(shù)是十分必要的。

3.3 排種性能仿真試驗(yàn)

通過(guò)以上分析我們了解到取種器的V型槽和取種器后腔尺寸參數(shù)對(duì)取種精度的影響較大，取種器前腔的尺寸參數(shù)幾乎不影響取種效果。因此將取種器前腔的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)11 mm、寬10.5 mm、高15 mm。取種器V型槽的長(zhǎng)度對(duì)充種精度影響較小，將V型槽長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為35mm。當(dāng)V型槽的高度一定時(shí)，影響取種效果的因素主要是V型槽的角度，角度的大小也會(huì)改變V型槽的寬度，因此將V型槽的高度設(shè)計(jì)為7 mm。取種器后腔投種口的尺寸不會(huì)影響排種效果，因此將投種口尺寸設(shè)計(jì)為14 mm。

取種器的結(jié)構(gòu)尺寸中對(duì)取種性能有較大影響的因素為：取種器V型槽的角度、取種器后腔進(jìn)種口的直徑和取種器后腔上部尺寸。確定取種器這些因素最佳尺寸參數(shù)需要利用EDEM對(duì)不同結(jié)構(gòu)的取種器進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗(yàn)以獲得最高的單粒率為試驗(yàn)?zāi)康模O(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平表如表4。

表4 試驗(yàn)因素水平表

運(yùn)用EDEM進(jìn)行9組虛擬樣機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)將排種器模型的環(huán)形腰帶尺寸設(shè)計(jì)為直徑300 mm，讓排種器在60 r/min的條件下工作，根據(jù)GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[11]，將單粒率作為虛擬試驗(yàn)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

式中N—排種數(shù)；n1—單粒排種數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果以及極差和優(yōu)方案如表5。從中可以發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的方案為A2B1C2組合，即V型槽的角度為60°，進(jìn)種孔直徑為6 mm，取種器后腔上部長(zhǎng)度為7.5 mm。同時(shí)可以最終確定取種器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)為取種器前腔長(zhǎng)11 mm、寬10.5 mm、高15 mm，V型槽長(zhǎng)35 mm、V型槽高取種器后腔上部長(zhǎng)度為7.5 mm、投種口長(zhǎng)度14 mm。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)最優(yōu)的組合A2B1C2的參數(shù)進(jìn)行取種器的三維建模，并裝配到排種器中進(jìn)行虛擬仿真，通過(guò)仿真驗(yàn)證得出的結(jié)果為排種器的單粒率91%，單粒率高于正交試驗(yàn)中的任何一個(gè)組合，因此A2B1C2組合是最優(yōu)的參數(shù)組合。

4 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)與之前虛擬仿真試驗(yàn)作對(duì)比，對(duì)通過(guò)虛擬仿真試驗(yàn)確定的取種器的最佳參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。虛擬仿真試驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)組合為A2B1C2，即取種器的V型槽的角度為60°，進(jìn)種孔直徑為6 mm，取種器后腔上部長(zhǎng)度為7.5 mm。將3D打印加工制作的取種器安裝在環(huán)形腰帶上進(jìn)行裝配，環(huán)形腰帶尺寸加工為與仿真試驗(yàn)相同的直徑300 mm。對(duì)排種器施加與虛擬試驗(yàn)相同的轉(zhuǎn)速60 r/min，然后進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，試驗(yàn)場(chǎng)地為排種器性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，如圖9。當(dāng)排種器運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，測(cè)定200穴當(dāng)做統(tǒng)計(jì)樣本進(jìn)行記錄和分析，試驗(yàn)進(jìn)行3次，選取平均值作為最終的結(jié)果。

圖9 排種器臺(tái)架試驗(yàn)1.排種器支架2.排種器3.種床帶4.傳動(dòng)軸

臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果顯示排種器的單粒率為89%，與虛擬仿真試驗(yàn)中的單粒率91%相差2%，誤差率為2.25%，誤差產(chǎn)生的原因可能由于仿真中棉種模型的建立與實(shí)際不完全一致，以及排種器臺(tái)架試驗(yàn)中的振動(dòng)等因素，但是誤差在允許的范圍之內(nèi)，整體的排種器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真的結(jié)果相差不大。

5 結(jié)論

（1）以雙腔式棉花精量排種器為研究對(duì)象，同時(shí)根據(jù)新疆地區(qū)最常用的“新陸早42號(hào)”棉種為實(shí)體模型，建立排種器和棉種的離散元模型。通過(guò)離散元仿真模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)取種器取種性能造成影響的主要因素為前后雙腔取種器的V型槽角度、取種器后腔進(jìn)種口尺寸以及取種器后腔上部的尺寸。

（2）為了優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們利用EDEM對(duì)不同結(jié)構(gòu)的取種器進(jìn)行虛擬樣機(jī)試驗(yàn)。以取種器V型槽的角度、取種器后腔進(jìn)種口的直徑，取種器后腔上部尺寸為參數(shù)，以獲得最高的單粒率為試驗(yàn)?zāi)康模O(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)。得到最優(yōu)參數(shù)組合為V型槽的角度為60°，進(jìn)種孔直徑為6mm，取種器后腔上部長(zhǎng)度為7.5mm。此時(shí)排種器的單粒率能夠達(dá)到91%。

（3）進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)得到的排種器的單粒率是89%，與虛擬仿真試驗(yàn)中的單粒率91%相差2%，誤差率為2.25%，仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間誤差很小，說(shuō)明應(yīng)用EDEM軟件對(duì)排種器進(jìn)行仿真試驗(yàn)是可行的，能夠?yàn)閮?yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)提供理論參考。