基于EDEM的不同品種花生種子填充特性仿真與試驗

關(guān)鍵詞：EDEM；花生；填充特性；內(nèi)充種排種器；仿真分析

中圖分類號：S233.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2023）05-0097-08

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.05.017

0引言

提高花生播種的精密程度是推進我國花生種植規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要措施之一。目前市場上花生播種機普遍采用的是內(nèi)充種式排種器，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、適合大田播種等優(yōu)點。但由于不同地區(qū)種植的花生品種不同，對排種器的適應(yīng)性不同，對排種器的排種盤滿足不同花生種子的充種要求也不同。針對當?shù)胤N植主要品種的花生種子的外形及尺寸測量分析，并對其在排種器內(nèi)的填充性能進行研究。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬試驗在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛。劉明國等、呂小蓮等、呂小榮等對花生的基本物理參數(shù)進行了相關(guān)測定與試驗，并分析得到了花生的三軸尺寸等之間的關(guān)系。王揚等針對大豆在排種器中的應(yīng)用，對其幾何形狀和尺寸參數(shù)進行了測量分析，提出了一種基于球填充的大豆籽粒建模方法。陳騰等利用離散元法對內(nèi)充種排種器在不同轉(zhuǎn)速下的排種過程進行仿真試驗分析，通過優(yōu)化得到了排種器的最佳轉(zhuǎn)速。頓國強等利用EDEM軟件分析不同品種大豆的三軸尺寸、球度等因素對窩眼輪式排種器排種過程中的填充性能。陸永光等通過對花生的物理參數(shù)進行相關(guān)測試，得到了花生籽粒恢復(fù)系數(shù)和滑動摩擦系數(shù)，為花生排種器的離散元仿真研究提供了一定的參考依據(jù)。鮑秀蘭等在排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中，采用EDEM軟件進行動態(tài)捕捉仿真，研究種子在其內(nèi)部的運動狀態(tài)，為排種器的優(yōu)化設(shè)計提供了一定的參考思路。劉龍等對內(nèi)充種式排種器進行優(yōu)化，設(shè)計了一種型孔可調(diào)式花生排種器，并利用EDEM軟件進行仿真研究。以上分析研究，主要是將離散元法運用到排種器的排種性能分析研究當中，目前對于不同品種的花生種子在排種器內(nèi)填充特性影響方面的研究較少。本研究通過針對不同品種花生種子的尺寸、球度等進行分析，利用離散元法對其進行充填仿真，來研究不同品種花生間的差異，以及品種差異、排種器轉(zhuǎn)速對排種過程的影響，旨在為內(nèi)充種花生排種器型孔的設(shè)計和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1材料和方法

1.1試驗材料

目前種子的分類方法較多，按照種子4種分類法，種子可以分為圓球形、橢球形、賓豆形和棉種狀。花生種子在形態(tài)分類上可以近似為橢球形，不同品種的花生種子之間具有一定的差異性，主要體現(xiàn)在種子形狀和尺寸上的不同；即使是同一品種的種子在篩選后同樣具有一定的差異性，尺寸也會存在一定的差異。本研究以河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院近年來主要培育、推廣的花生品種為主，選取豫花37、豫花65和豫花9326為研究對象，通過種子的尺寸探究不同品種之間幾何特征的差異性，以及其在內(nèi)充種式花生排種器的充填性能的差異及最佳轉(zhuǎn)速。

隨機選取豫花37、豫花65和豫花9326花生種子各100粒，百粒質(zhì)量分別為68.17、77.52和88.23 g。選用桂林量具刃具有限責任公司生產(chǎn)的電子數(shù)顯游標卡尺（量程為1～150 mm，精度為0.01 mm），對種子的尺寸參數(shù)（長三、寬W、厚T）進行測量，測量方法如圖1所示。

對3個品種的花生種子長、寬、厚的測量數(shù)據(jù)進行分析，可得其極值、均值和標準差等參數(shù)，為在EDEM軟件內(nèi)進行種子顆粒建模提供相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

由表2可知，在球度方面，豫花65最大（74.37%）、豫花9326次之（66.98%）、豫花37最小（66.03%）；在均徑變異方面，豫花9326最大（0.058）、豫花65次之（0.047）、豫花37最小（0.043）。3個品種中豫花9326花生種子的離散程度最大，即其長、寬、厚的差異性較大；豫花65的離散程度次之，豫花37最小的離散程度最小。

1.2試驗方法

1.2.1花生種子尺寸分析

花生種子的三軸尺寸比例分布如圖2所示。

由圖2a可知，長度尺寸中，豫花37、豫花65和豫花9326種子都集中在15.0～18.0 mm，其中豫花37均徑最小，豫花9326均徑最大。由圖2b可知，寬度尺寸中，豫花37、豫花65和豫花9326種子都集中在9.0～10.5 mm，其中豫花37均徑最小，豫花65均徑最大。由圖2c可知，厚度尺寸中，豫花65和豫花9326種子都集中在8.5～9.0 mm，其中豫花37均徑略小。3種花生種子的長、寬、厚都符合正態(tài)分布，并且通過圖2b與圖2c對比分析可知，豫花65的球度略大于豫花37和豫花9326種子，與表2對花生種子球度分析基本一致，豫花65種子的球度最大。

1.2.2離散元中建模與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)表1和表2選取每個品種花生種子的長、寬、厚均值分別作為種子的三軸三維建模參數(shù)，首先利用SolidWorks軟件根據(jù)實際花生種子的三軸尺寸建立三維模型，再導(dǎo)入EDEM 2.6軟件中。該研究主要針對3種不同品種的花生種子進行仿真研究，采用多個球面進行填充至與種子模型外輪廓較為吻合的顆粒，如圖3所示。

將排種器的材料屬性設(shè)置為ABS材料，與實際所用的排種器材料一致，有相關(guān)研究表明，花生種子與ABS材料的泊松比、剪切模量和密度均為定值，相關(guān)參數(shù)如表3所示。

將顆粒生成方式設(shè)置為動態(tài)，根據(jù)實際排種器內(nèi)存種室的大小設(shè)置生成顆粒總數(shù)為400，產(chǎn)生速率為5000個／s，其中顆粒尺寸大小設(shè)置為正態(tài)分布，參照表1設(shè)置種子模型尺寸的標準差（豫花37、豫花65、豫花9326）。設(shè)置模擬時長為20 s，仿真過程中設(shè)置固定步長為3.64×10^-5 s。

為提高計算機的仿真速度，降低仿真所需的時間，以天藝公司生產(chǎn)的內(nèi)充種式花生排種器（雙粒）為模型，利用SolidWorks軟件建立簡化后的模型導(dǎo)入到EDEM中。對EDEM中模型的零部件進行重新命名（便于后期參數(shù)的輸入），并設(shè)置排種器的材料屬性。簡化后的內(nèi)充種排種器由排種盤、刮種板、清種毛刷和外殼組成，其中以排種盤作為轉(zhuǎn)動件，其余均為固定件，如圖4所示。

2結(jié)果與分析

2.1仿真結(jié)果

影響排種器種子填充性能最大的兩個因素為種子品種和排種器轉(zhuǎn)速，將3個品種（豫花37、豫花65、豫花9326）花生種子模型分別作為不同的仿真顆粒進行離散元仿真。以花生品種和排種器轉(zhuǎn)速為因素，試驗過程中以每次排種顆粒的個數(shù)結(jié)果為指標進行仿真，每組仿真重復(fù)3次。根據(jù)試驗結(jié)果，對每組試驗中的種子數(shù)進行統(tǒng)計分析，如圖5所示。

2.2仿真結(jié)果分析

2.2.1填充結(jié)果與品種差異之間的關(guān)系

花生品種不同，種子的尺寸、球度均有所差異，由表1可知，豫花65的球度最大，豫花9326球度次之，豫花37球度最小。雙粒率為合格率，通過對表1和圖5分析，在排種器轉(zhuǎn)速相同下，填充性能不同，其中豫花65在排種器內(nèi)的雙粒率最高，填充效果最好，此時排種器轉(zhuǎn)速為25r/min；豫花37在3個品種中尺寸最小、球度略小（與豫花9326球度相近），多粒率最大，填充效果次之；豫花9326尺寸最大，球度較小，空穴率和單粒率均高于豫花65，填充效果最差。通過花生種子的球度、尺寸綜合分析，該3種花生種子在同一轉(zhuǎn)速條件下，尺寸、球度不同的花生種子的填充特性有所差異。

2.2.2填充結(jié)果與排種器轉(zhuǎn)速的關(guān)系

排種器轉(zhuǎn)速是影響種子填充性能的關(guān)鍵因素之一，較好的填充性能能夠提高排種器的排種合格率，從而提高播種質(zhì)量。豫花37、豫花65、豫花9326花生種子在不同轉(zhuǎn)速下5～15 s內(nèi)的填充結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。

由圖6和圖7可知，豫花37、豫花65在轉(zhuǎn)速達到25 r/min之前雙粒率也隨之增大，均勻性越來越好；該2種花生種子在轉(zhuǎn)速為25 r/min時雙粒率最高，同時排種均勻性也最好，此時豫花37號雙粒率為83.89%、豫花65號雙粒率為89.56%；當轉(zhuǎn)速超過25 r/min時，雙粒率及均勻性有所下降，在30 r/min時排種均勻性及雙粒率相對25 r/min有明顯降低。由圖8可知，豫花9326種子在排種器轉(zhuǎn)速達到15 r/min之前雙粒率逐漸增大，排種效果越來越好；當排種器轉(zhuǎn)速為15 r/min時，排種效果最好，此時雙粒率為81.99%；當排種器的轉(zhuǎn)速gt;15 r/min時排種效果有所下降，排種器轉(zhuǎn)速越大，排種效果越差。

對3個品種花生種子在排種器內(nèi)的填充性能對比分析發(fā)現(xiàn)，對于不同品種的花生種子在不同的轉(zhuǎn)速下填充性能有一定的差異，在播種時應(yīng)根據(jù)實際播種品種進行調(diào)整轉(zhuǎn)速。

3驗證試驗

3.1材料與方法

為驗證EDEM仿真試驗的準確性，將設(shè)計的種窩可調(diào)式內(nèi)充種花生排種器進行加工試制，臺架驗證試驗于2022年9月21日，在河南省花生耕種收加工智能設(shè)備工程研究中心的土槽試驗臺（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長垣分院自制）上進行試驗。

根據(jù)上述EDEM仿真試驗結(jié)果，隨機選取3個品種的花生種子各200粒，試驗選取豫花37和豫花65（排種器轉(zhuǎn)速25 r/min）、豫花9326（排種器轉(zhuǎn)速15 r/min）為試驗因素進行試驗。在排種器穩(wěn)定排種階段連續(xù)測量50粒的排種效果為1組試驗，每組重復(fù)3次，測量3次取平均值。更換花生種子品種時，及時記錄統(tǒng)計雙粒率、單粒率和重播率。

3.2結(jié)果分析

排種器排種性能驗證試驗結(jié)果可知，在排種器轉(zhuǎn)速為25r/min時，豫花37和豫花65花生種子的排種雙粒率分別為84.31%和89.75%；在排種器轉(zhuǎn)速為15r/min時，豫花9326花生種子的排種雙粒率為82.17%。

將驗證試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比，3個品種之間的誤差分別為0.42、0.19和0.18個百分點，說明排種器性能驗證試驗與EDEM仿真之間存在一定誤差。主要可能是排種器在排種軸轉(zhuǎn)動的作用下引起振動，使種子在充種和清種過程中造成一定影響，從而引起一定誤差，最大誤差為0.42個百分點，說明仿真試驗對排種器的設(shè)計有較好的應(yīng)用意義。

4結(jié)束語

（1）對不同品種花生種子進行的測量數(shù)據(jù)分析可知，豫花37、豫花65和豫花9326種子長、寬、厚分別集中在15.0～18.0、9.0～10.5和7.5～9.0 mm，其中豫花37長均徑最小，豫花9326長均徑最大；豫花37寬均徑最小，豫花65寬均徑最大；豫花37厚均徑最小，豫花65厚均徑最大。3種花生種子的長、寬、厚都符合正態(tài)分布，豫花65的球度（74.37%）略大于豫花37（66.03%）和豫花9326（66.98%）；在均徑變異方面，豫花9326（0.058）離散程度最大、豫花65（0.047）離散程度次之、豫花37（0.043）離散程度最小。

（2）運用EDEM軟件對不同品種的花生種子在內(nèi)充種式排種器的填充特性進行仿真試驗。試驗結(jié)果表明，不同品種的花生種子在不同的轉(zhuǎn)速下，在排種器的填充性能有著一定的差異，其中豫花37、豫花65最佳排種轉(zhuǎn)速為25 r/min，雙粒率最高，填充性能最好，雙粒率分別為83.89%、89.56%；豫花9326種子在排種器轉(zhuǎn)速為15 r/min時雙粒率達到最高，填充性能最好，雙粒率為81.99%。

（3）對豫花37號、豫花65號和豫花9326號花生種子在最佳排種轉(zhuǎn)速條件下進行驗證試驗，結(jié)果表明，排種雙粒率分別為84.31%、89.75%和82.17%，與仿真結(jié)果最大誤差為0.42個百分點。