基于EDEM的谷子電磁直線振動式排種器仿真與分析

張燕青，崔清亮，孫 燈，來思彤，李 浪，閆 帥

（山西農業大學農業工程學院，山西 太谷 030801）

谷子是中國特色雜糧作物，其種子粒小質輕，傳統機械條播存在播量大、播種不均勻等問題[1-2]。排種器是播種機的核心部件之一。針對谷子機械化播種難題，課題組依據電磁振動輸送物料技術和理論，研制了電磁直線振動式谷子精少量排種器。該排種器可一器多行排種、工作效率高；由調速裝置無級調節排種量，無需復雜機械傳動系統，結構簡單且調節方便[3-4]。但因振動排種過程復雜，現有排種器仍存在排量均勻穩定差的問題。

離散單元法是根據分子動力學原理提出的一種顆粒離散體物料分析方法，可通過模擬散體物料加工處理過程中顆粒的行為特征，為各類散料加工、處理設備的設計和優化提供一定的參考[5]?；陔x散元分析方法，近年來眾多學者開展了水稻、小麥、花生排種器排種性能的分析研究，獲得了排種器最佳工藝技術參數[6-8]。為了提高谷子電磁直線振動排種器的排種均勻性和穩定性，本文基于離散元分析軟件EDEM 建立了排種器和谷子種子的仿真模型，模擬了不同振動特性參數下排種器運動特性變化規律，獲得了適合谷子種子排種的最優振幅，可為提高電磁直線振動式排種器排種均勻穩定性及其優化設計提供參考。

1 電磁直線振動排種器結構與工作過程

電磁直線振動式排種器主要由種箱、種子緩存槽、排種板、導種管、電磁直線振動輸送器、調壓控制器、種箱支架和固定底座等零部件組成[4]，如圖1所示。

圖1 排種器組成Fig.1 The composition of seed metering device

電磁直線振動排種器工作時，種箱內的種子在重力作用下通過種箱下部的出種口落入種子緩存槽內，在電磁直線振動輸送器的振動作用下，種子通過緩存槽的底部進入到排種板的排種槽內，并在排種槽內均勻連續排列，被直線輸送至導種管，從而實現排種作業。排種速度及排種量由調壓控制器改變排種板振動速度來實現無級調節[4]。

2 EDEM仿真試驗前處理

2.1 接觸模型選取及材料的添加

在全局設置（Globals）標簽中需要對顆粒與顆粒，顆粒與邊界的接觸模型進行選擇。EDEM 中主要接觸模型有Hertz-Mindlin 無滑動接觸模型、Hertz-Mindlin 黏結接觸模型、線性黏附接觸模型、運動平面接觸模型、線彈性接觸模型和摩擦帶電接觸模型等[9]。谷子種子含水率一般在11%左右，表面黏附力??；種箱、種子緩存槽、排種板材料皆為有機玻璃，表面平整光滑且黏附力小，該排種器主要接觸關系為種子與種子的接觸以及種子與有機玻璃的接觸，故接觸模型皆選擇Hertz-Mindlin 無滑動接觸模型。根據導入的幾何模型來設置重力加速度的大小及方向，該仿真重力加速度的方向為y軸，大小為-9.81 m/s2。

EDEM 仿真時需要設置仿真顆粒和排種裝置的材料屬性。EDEM 軟件中有常用材料庫，用戶也可以自定義所需材料。仿真中主要用到2 種材料，包括谷子種子和排種裝置所用材料有機玻璃，在Materials 對話框中創建以上2 種材料。參考國內學者的研究成果，材料參數設置如表1所示[10-11]。

表1 （與種子）材料參數表Fig.1 The composition of seed metering device

排種過程中，種子與種子、種子與排種裝置之間皆有接觸作用，在仿真時還需要定義材料之間的相互作用。相關參數設置如表2所示[11]。

表2 材料相互作用參數Tab.2 The material interaction parameters

2.2 谷子種子顆粒模型的創建

EDEM 軟件中自帶的模型顆粒是球形顆粒，而對于形狀不規則的顆粒模型，用戶可以通過多個球形顆粒填充來實現。谷子種子的形狀近似為卵圓形，為了仿真結果更加準確可靠，采用Solidworks 軟件中建立谷子種子的三維模型，導入EDEM中進行仿真。參考國內學者對不同品種的谷子種子三軸尺寸的研究成果，對谷子種子進行三維建模，其外形參考圖2（a）、2（b）；具體尺寸：長為2.20 mm，寬為1.90 mm，厚為1.40 mm。所繪制的種子三維模型如圖2（c）、2（d）所示，將其保存為通用格式，導入EDEM 中。使用不同直徑大小的球形顆粒對種子的模型進行填充，填充效果如圖2（e）、2（f）所示。

圖2 谷子種子顆粒模型Fig.2 The grain model of millet seed

2.3 電磁直線振動排種裝置模型的創建

2.3.1 仿真模型的創建

本文使用Solidwork 三維繪圖軟件對電磁直線振動排種裝置進行三維建模，如圖3 所示。為保證仿真試驗結果準確可靠，排種裝置中各零部件皆按照實際尺寸大小建模；為提高仿真計算的速度，去掉排種過程中與種子不發生接觸的零部件，將電磁直線振動排種裝置簡化為種箱、種子緩存槽、排種板3個部分。建模時將各零件也進行簡化，去掉倒角、圓角等不影響試驗結果的特征，將繪制完成的各零件進行裝配，裝配體保存為EDEM 軟件兼容的格式，導入EDEM 中，如圖4所示。

圖3 排種裝置三維模型Fig.3 The 3D model of seed metering device

圖4 排種裝置仿真模型Fig.4 The Simulation model of seed metering device

2.3.2 仿真模型各部件運動的設置

EDEM 軟件前處理模塊為仿真模型提供了線性移動、線性轉動、正弦移動、正弦轉動4 種基本的運動狀態，依據模型的實際運動選擇相應的運動狀態，通過設置運動參數，可模擬移動、轉動、往復運動等運動狀態。仿真模型包括種箱、種子緩存槽和排種板3部分，排種裝置工作過程中，種箱始終保持靜止，種子緩存槽和排種板做簡諧振動。在動力學標簽中為種子緩存槽和排種板添加一個運動方向為y軸，振幅為0.06～0.22 mm，頻率為50 Hz的正弦運動。

2.4 顆粒工廠的設置與生成

EDEM 中顆粒工廠用來定義顆粒模型粒徑分布、生成的速度、位置和數量（質量）等參數。設置顆粒工廠生成的顆?？傎|量為0.6 kg，總數約為200 000，生成速率為0.6 kg/s。為使種子快速填充至種箱內，為顆粒添加一個方向為y軸向下，大小為2 m/s 的初速度。各參數設置完成后，生成顆粒，如圖5、6所示。

圖5 顆粒生成開始Fig.5 The particle formation start

圖6 顆粒生成結束Fig.6 The end of particle generation

2.5 仿真時間的選取和網格尺寸的設置

EDEM的求解器中設置仿真時間步長、仿真總時間、網格尺寸等參數。仿真時間步長是仿真計算中2次迭代計算之間的時間間隔，決定數據輸出的時間間隔。時間步長越短，輸出數據量越大，求解器對顆粒運動參數計算的越準確，但會增加求解器的運算量，導致仿真時間增加；時間步長越長，輸出數據量越小，求解器對顆粒運動參數計算越模糊，可能造成仿真結果不準確，無參考意義。為盡快得到準確可靠的仿真結果，仿真時間步長一般設置為Rayleigh時間步長的20%～40%，這里設置為30%，數據寫出時間間隔為0.05 s。

離散元網格尺寸的大小雖然不會影響仿真的結果，但會影響仿真模擬計算的時間，為確保仿真的效率設置時總的網格單元數目需少于100 000 個。理想的網格大小為最小粒子半徑的2倍，本仿真設置為2倍。設置完成后即可開始仿真。

3 仿真結果與分析

排種裝置中排種板的振幅對種子的運動速度有直接的影響，從而影響排種量和排種的效果。利用EDEM 軟件對電磁直線振動式排種裝置排種過程進行仿真，仿真試驗以矩形截面排種槽為例，在排種板振幅分別為0.06 mm、0.10 mm、0.14 mm、0.18 mm、0.22 mm 時，利用后處理模塊輸出種子在排種方向（x方向）和垂直于排種板方向（y方向）的運動速度曲線變化曲線。部分仿真結果如圖7所示。

圖7（a）所示為振幅為0.18 mm 時種子沿x方向的速度曲線，圖7（b）所示為振幅為0.22 mm 時種子沿x方向的速度曲線。由圖7（a）、7（b）可知，沿x方向種子運動的平均速度（虛線）隨著排種板的振幅的增大而增大，即同一截面形狀的排種槽，排種板振幅越大排種速度越快，排量越大。在排種板振幅＜0.06 mm 時，種子的運動速度較小，幾乎保持靜止，并不適合機械排種作業；當振幅＞0.22 mm 時，種子運動速度較大，種子成股流下，易造成堆積導致播量較大。

圖7 不同振幅下的振動速度曲線Fig.7 The vibration velocity curves at different amplitudes

圖7（c）所示為振幅為0.14 mm 時種子沿y方向的速度曲線，圖7（d）所示為振幅為0.18 mm 時種子沿y方向的速度曲線。由圖7（c）、7（d）可知，沿y方向種子運動的速度隨著排種板振幅的增大而增大。在振幅為0.06～0.14 mm 時，速度曲線高低起伏均勻，排種槽內的種子隨排種板一起沿y方向運動；當振幅大于0.14 mm時，速度曲線波動較大，此時排種槽內的種子與排種槽脫離做拋擲運動。

4 結語

本文基于EDEM 對電磁直線振動排種器排種過程進行仿真，結果表明，排種器的排種速度隨排種板振幅的增大而增大，排種量也增大。隨著振幅增大種子的運動狀態也發生改變，當排種板振幅＜0.06 mm 時，種子運動速度較慢，幾乎與排種板保持相對靜止；當振幅＞0.14 mm 時，種子脫離排種槽底面做拋擲運動；當振幅位于0.06～0.14 mm，種子始終與排種槽底面接觸做滑動運動，適合谷子振動排種作業。本研究為谷子電磁直線振動排種器振動特性參數的選取提供參考。