水稻往復(fù)撥叉式排種器設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)過程的離散元法仿真分析

任明磊,樊啟洲

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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水稻往復(fù)撥叉式排種器設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)過程的離散元法仿真分析

任明磊,樊啟洲*

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

為滿足水稻精量穴直播生產(chǎn)需求,以往復(fù)式排種器為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一種往復(fù)撥叉式排種器。介紹了往復(fù)撥叉式排種器的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)。根據(jù)水稻種子的外形尺寸及充種狀態(tài)概率,設(shè)計(jì)了5種規(guī)格的U型充種型孔;為縮短運(yùn)種行程,采用了偏心輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),并設(shè)計(jì)了刮種裝置。借助EDEM離散元法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真,分析其排種過程并提出改進(jìn)措施。仿真結(jié)果顯示:往復(fù)撥叉式排種器在充種型孔長、寬、厚分別為10.0、9.0、5.0 mm,撥叉桿往復(fù)運(yùn)行頻率為10 Hz運(yùn)行條件下, 稻種粒數(shù)為3～6粒的穴數(shù)在90%以上,重播指數(shù)及漏播指數(shù)均小于5%,滿足水稻機(jī)械化精量穴直播要求。

水稻; 往復(fù)撥叉式; 排種器; 離散元法; 仿真分析

水稻機(jī)械化直播技術(shù)是一種輕便精簡的水稻種植新技術(shù),具有省工省力、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。排種器是水稻直播機(jī)的核心部件,對(duì)直播機(jī)的工作特性和播種性能有決定性影響。根據(jù)工作原理,排種器主要分為機(jī)械式、氣力式和特種排種器等。其中，機(jī)械式排種器具有排種通用性好、播量穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等特點(diǎn),但在排種頻率較高時(shí),傷種率容易上升;氣力式排種器易實(shí)現(xiàn)精量排種,排種質(zhì)量高,但其排種過程復(fù)雜;特種排種器排種效率高,受外界干擾小,排種性能穩(wěn)定,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高[1-5]。在傷種率滿足水稻直播種植要求下,為提高排種效率,尋求較高的排種頻率,選用機(jī)械式排種器為宜。往復(fù)機(jī)械式排種器排種過程中主要依靠種子自身重力實(shí)現(xiàn)排種。李紅偉等[6]為解決小粒種子精量播種問題于2010年設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式播種機(jī),其往復(fù)傳動(dòng)裝置采用活動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu),大大簡化了該播種機(jī)，并降低了播種機(jī)的垂直高度,從而更有利于大棚和間作播種,提高了其通用性,但缺少對(duì)流動(dòng)性較差的外形不規(guī)則的作物種子的研究分析。

水稻直播種植前需對(duì)具有一定含水率的稻種進(jìn)行催芽破胸露白處理,而后再進(jìn)行機(jī)械播種,此時(shí)稻種的流動(dòng)性較差[7]。為滿足水稻田間精量穴直播生產(chǎn)實(shí)際需求,本研究在往復(fù)機(jī)械式排種器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種水稻往復(fù)撥叉式排種器。離散元法(discrete element method,DEM)是求解和分析復(fù)雜離散系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和力學(xué)特性的一種新型非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值方法,其主要思想是把整個(gè)介質(zhì)看作是由一系列離散的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)顆粒(單元)組成的,通過對(duì)每個(gè)單元的微觀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤計(jì)算,即可得到整個(gè)研究對(duì)象的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8-9]。近年來,離散元法憑借其獨(dú)有的特點(diǎn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。廖慶喜等[10]運(yùn)用離散元法對(duì)離心式排種器工作過程中油菜籽的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了離散元仿真分析,確定了油菜籽的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并研究了排種器轉(zhuǎn)速與總排量之間的關(guān)系,其仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果一致。本研究借助離散元法對(duì)水稻往復(fù)撥叉式排種器進(jìn)行排種數(shù)值模擬仿真,分析其排種性能,為后期臺(tái)架試驗(yàn)的優(yōu)化提供參考,以提高水稻往復(fù)撥叉式排種器的研究效率。

1 往復(fù)撥叉式排種器結(jié)構(gòu)組成與工作原理

往復(fù)撥叉式排種器主要由種子箱蓋、撥叉桿、滾輪、偏心輪、傳動(dòng)軸、導(dǎo)向塊、回復(fù)彈簧、種子箱、刮種刷、排種孔、底座、撥叉式型孔塊、攪種針及輸種管組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。種子箱體通過螺栓與底座連接,偏心輪通過緊固螺栓與傳動(dòng)軸連接,滾輪在回復(fù)彈簧作用下與偏心輪緊密接觸。在工作過程中,傳動(dòng)軸在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng),撥叉桿受到偏心輪的推動(dòng)及回復(fù)彈簧的作用在種子箱和底座之間沿著導(dǎo)向塊做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),固定在撥叉式型孔塊上的攪種針擾動(dòng)種子;當(dāng)撥叉式型孔塊上的充種型孔與種子箱底部的型孔相吻合時(shí),種子箱內(nèi)的種子憑借其自身重力落入充種型孔內(nèi);撥叉桿帶動(dòng)撥叉式型孔塊推動(dòng)稻種往前運(yùn)動(dòng),刮種刷將多余的種子刮離型孔;當(dāng)撥叉式型孔塊上的充種型孔與輸種管口相吻合時(shí),種子落入輸種管,完成一次排種。

1.種子箱蓋； 2.撥叉桿； 3.滾輪； 4.偏心輪； 5.傳動(dòng)軸； 6.導(dǎo)向塊； 7.回復(fù)彈簧； 8.種子箱； 9.刮種刷；10.排種孔； 11.底座； 12.撥叉式型孔塊； 13.攪種針； 14.輸種管

2 往復(fù)撥叉式排種器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 充種型孔的設(shè)計(jì)

充種型孔對(duì)排種器的充種性能有決定性影響,其外形尺寸的確定須以水稻種子的物料機(jī)械特性為依據(jù)。水稻種子的外形主要為細(xì)長型紡錘狀,其在長、寬、厚方向上近似對(duì)稱,質(zhì)心在水稻種子的對(duì)稱中心,因此水稻種子多以平躺、側(cè)臥或豎立姿態(tài)充種[11]。理論分析表明,種子在重力場中運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的概率與種子本身3種姿態(tài)的截面積成正比,由此可計(jì)算出稻種以平躺、側(cè)臥或豎立姿態(tài)充種的概率[12]。根據(jù)水稻種子物料特性測(cè)定方法,用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)定禾盛粳1號(hào)、黃華占、中9優(yōu)547三種水稻種子的三軸尺寸[13],并計(jì)算出其充種姿態(tài)概率,結(jié)果如表1所示。

表1 3個(gè)稻種三軸尺寸與充種姿態(tài)概率

由表1可知,3種水稻種子的長、寬、厚平均值依次為7.65～9.66、2.28～2.79、1.93～2.06 mm,充種狀態(tài)概率均為平躺最高、側(cè)臥次之、豎立最小。為保證充種效果,便于后期根據(jù)播種要求及試驗(yàn)結(jié)果,選用合適的充種型孔,確定了尺寸呈梯度變化的5種規(guī)格的U型充種型孔,其外形如圖2所示,型孔尺寸如表2所示。為便于稻種充種,對(duì)型孔邊緣進(jìn)行倒角,同時(shí)在撥叉式型孔塊上固定攪種針,撥叉式型孔塊往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中,攪種針擾動(dòng)稻種,有效避免了稻種架空現(xiàn)象。撥叉式型孔塊與撥叉桿之間采用螺紋連接,以便于型孔塊更換。

a.長度； b.寬度； c.厚度

表2 充種型孔尺寸 mm

2.2 偏心輪與傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)往復(fù)撥叉式排種器在較高排種頻率下具有良好的排種性能,本研究采取縮短其運(yùn)種行程的方法以降低運(yùn)種過程中種子的磨損。綜合分析排種器排種頻率、播種機(jī)的工作效率以及傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速,確定了偏心輪偏心的距離為7.5 mm。在多個(gè)排種器單體組裝時(shí),相鄰2個(gè)偏心輪之間順次錯(cuò)開90°,以降低傳動(dòng)軸同時(shí)承受載荷。

研究表明,水稻種植株行距配置對(duì)水稻產(chǎn)量和植株抗倒伏能力具有顯著影響[14],不同區(qū)域甚至不同水稻品種對(duì)行株距配置要求不同。為了滿足多種株行距配置,傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)成軸套式的半空心軸;直播機(jī)的機(jī)架采用U型槽鋼,在槽鋼上加工出矩形槽,便于排種器單體在機(jī)架上移動(dòng)固定。通過移動(dòng)排種器單體,可以實(shí)現(xiàn)行距在200 mm、250 mm和300 mm上可調(diào),傳動(dòng)軸之間用軸銷連接,便于拆卸安裝。

2.3 刮種裝置的設(shè)計(jì)

排種器運(yùn)種過程中,刮種裝置將型孔塊上多余的種子刮離。為避免稻種磨損,稻種須與刮種裝置軟接觸。刮種裝置采用豬鬃毛制的刮種刷,因?yàn)樨i鬃毛具有較高的韌性和彈性,不易變形。刮種刷與型孔塊上表面之間的距離控制在1～2 mm,以利于刮種。

3 往復(fù)撥叉式排種器離散元法仿真分析

3.1 仿真模型的建立

3.1.1 仿真材料參數(shù)的設(shè)置 根據(jù)功用及加工要求,排種器各零件均賦予了材料特性,除了刮種裝置采用豬鬃材料外,其余零部件材料均采用鋼。各零部件材料的力學(xué)參數(shù)與相互接觸參數(shù)如表3和表4所示[15-16]。

表3 材料力學(xué)參數(shù)

表4 材料相互接觸系數(shù)

3.1.2 水稻種子離散元模型的建立 通過對(duì)水稻種子的外形尺寸分析,確定其長、寬、厚分別為9.56、2.30、2.00 mm。在PRO/E三維繪圖軟件中建立間距為0.956 mm的11個(gè)稻種橢圓截面,對(duì)這些截面進(jìn)行實(shí)體掃描混合建立稻種模型如圖3a所示。將模型保存為.stp文件導(dǎo)入EDEM軟件中,利用球顆粒聚合方法建立稻種離散元模型如圖3b所示。并借助EDEM軟件自動(dòng)計(jì)算稻種質(zhì)心,完成材料力學(xué)參數(shù)和接觸參數(shù)的設(shè)置[17]。

圖3 稻種籽粒模型

3.1.3 排種器離散元模型的建立 為便于仿真模擬及計(jì)算, 以組裝有長、寬、厚依次為10.0、9.0、5.0 mm的充種型孔的排種器為分析對(duì)象,對(duì)排種器結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行簡化,去除與水稻種子無直接接觸的傳動(dòng)軸、偏心輪、滾輪及種子箱蓋。將簡化后的排種器模型保存為.stp文件導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行必要的仿真參數(shù)設(shè)置。顆粒與排種器模型及顆粒與顆粒之間采用無滑動(dòng)接觸模型;排種器工作中,撥叉桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)函數(shù)選用正弦函數(shù),幅度為7.5 mm,頻率為10 Hz;稻種顆粒工廠采用靜態(tài)生成顆粒模式,生成5 000粒顆粒,并根據(jù)顆粒工廠的外形尺寸設(shè)置仿真域[18-19]。完成仿真參數(shù)設(shè)置后的排種器離散元模型如圖4所示。

1.排種器模型； 2.顆粒工廠； 3.稻種顆粒

3.2 仿真分析

3.2.1 仿真分析方法 在EDEM軟件求解器中設(shè)置仿真時(shí)間為30 s,2次迭代計(jì)算之間時(shí)間間隔為0.01 s,單元網(wǎng)格邊長為2.5 mm。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973—2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[20],在排種器穩(wěn)定運(yùn)行過程中,連續(xù)統(tǒng)計(jì)250次排種中每穴的粒數(shù),計(jì)算出排種合格指數(shù)(A)、漏播指數(shù)(M)、重播指數(shù)(R)及空穴指數(shù)(C),其計(jì)算公式如下。

式中:n0為每穴0粒稻種的總穴數(shù);n1為每穴3～6粒稻種的總穴數(shù);n2為每穴多于6粒稻種的總穴數(shù);n3為每穴少于3粒稻種的總穴數(shù);N為試驗(yàn)總穴數(shù)。

3.2.2 仿真結(jié)果分析 模擬仿真運(yùn)行結(jié)束后,完成模型及顆粒顯示方式設(shè)置。以即將進(jìn)入充種型孔內(nèi)的稻種為觀察對(duì)象，觀察分析往復(fù)撥叉式排種器充種、運(yùn)種、刮種及投種等工作過程中稻種的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖5為往復(fù)撥叉式排種器正常運(yùn)行時(shí),稻種在充種、運(yùn)種、刮種、投種及回位過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)仿真時(shí)間為0.47s時(shí),稻種在自身重力及鄰近稻種的擠壓下,以隨機(jī)狀態(tài)充入型孔;0.49s時(shí),稻種在撥叉桿的推動(dòng)下隨型孔塊向排種孔運(yùn)動(dòng);0.50s時(shí),型孔塊上堆積的稻種開始與刮種刷接觸,而后被刮種刷刮去;0.52s時(shí),充種型孔與排種孔吻合,稻種在自身重力下落下,完成投種;在回復(fù)彈簧作用下,撥叉桿帶動(dòng)型孔塊返回,0.56s時(shí)完成回位,稻種又開始充入型孔。

黑色、灰色為排種中運(yùn)動(dòng)速率不斷增大的稻種,用淺灰色橢圓標(biāo)識(shí); 深灰色為稻種與排種器模型接觸部位;淺灰色為排種器模型。下同

通過觀察分析發(fā)現(xiàn),排種器的排種量與充種型孔內(nèi)稻種的充種姿態(tài)有很大關(guān)系。當(dāng)?shù)痉N多以平躺姿態(tài)充入型孔時(shí),種刷附近豎立的稻種在刮種刷作用下傾倒落入型孔而不被刮離型孔,導(dǎo)致排種量較大,造成重播(圖6a)。當(dāng)?shù)痉N以側(cè)臥的姿態(tài)充入型孔,過多占據(jù)充種空間時(shí),型孔上方的稻種不能充入型孔而容易被刮種刷刮離型孔,導(dǎo)致排種量較小,造成漏播(圖6b)。通過對(duì)往復(fù)撥叉式排種器排種量統(tǒng)計(jì)分析,排種合格指數(shù)為92.8%,重播指數(shù)為2.4%,漏播指數(shù)為4.8%,空穴指數(shù)為0,滿足水稻機(jī)械化精量穴直播要求。

圖6 重播及漏播形成過程

通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析可知,為有效避免往復(fù)撥叉式排種器重播及漏播現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)精量播種,需改進(jìn)充種型孔的外形及尺寸;改進(jìn)刮種刷結(jié)構(gòu),使得刮種刷與型孔塊上表面的間距可調(diào),且刮種刷可以更換,滿足不同條件下的刮種。

4 結(jié)論

針對(duì)水稻機(jī)械化直播種植的需求,本研究設(shè)計(jì)了往復(fù)撥叉式排種器，其具有整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊、加工制作容易、運(yùn)行可靠、質(zhì)量輕、成本低等特點(diǎn);通過縮短撥叉桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程,減少排種器的運(yùn)種行程,可降低稻種在排種過程中的磨損,提高排種器的排種性能。本研究設(shè)計(jì)了多種規(guī)格的充種型孔,可以實(shí)現(xiàn)排種量可調(diào),以滿足不同品種水稻在不同條件下機(jī)械化直播要求;通過移動(dòng)排種器單體,改變傳動(dòng)軸的組裝方式,可以實(shí)現(xiàn)排種器行距可調(diào);改變排種器的運(yùn)行速度,可以獲得多種行株距配置。借助離散元法對(duì)往復(fù)拔叉式排種器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬仿真,在往復(fù)撥叉式排種器充種型孔長、寬、厚分別為10.0、9.0、5.0 mm,撥叉桿往復(fù)運(yùn)行頻率為10 Hz運(yùn)行條件下, 稻種粒數(shù)為3～6粒的穴數(shù)在90%以上,重播指數(shù)及漏播指數(shù)均小于5%,滿足水稻機(jī)械化精量穴直播要求。最后分析了排種過程及造成排種器重播、漏播現(xiàn)象的原因,并提出了改進(jìn)措施,為后期臺(tái)架試驗(yàn)的優(yōu)化提供參考。

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Design of Rice Reciprocating Fork Type Metering Device and Its Motion Process Simulation Analysis by Discrete Element Method

REN Minglei,FAN Qizhou*

(College of Engineering,Huazhong Agriculture University,Wuhan 430070,China)

A rice reciprocating fork type metering device was designed based on traditional reciprocating metering device to meet the production requirements of rice precision hill-direct-seeding,and its operational principle,structural composition and key components’design were introduced.According to the external dimensions and seed-filling state probability of rice seeds,five standards of U type seed- filling hole were designed;eccentric driving mechanism was adopted to shorten the seed-delivering stroke,and seed-scraping device was also designed.This paper had also analyzed the process of seed-metering and proposed improvement measures according to the simulation analysis for rice reciprocating fork type metering device by discrete element method.The simulation results showed that grain number for 3—6 grains of rice on the number of holes was more than 90%;reseeding and miss-seeding indexes were both less than 5% under the condition that the length,width and thickness of seed-filling type hole were 10.0,9.0,5.0 mm respectively,and the reciprocating frequency of fork rod was 10 Hz.These simulation results met the requirements of rice mechanization precision hill-direct-seeding.

rice; reciprocating fork type; metering device; discrete element method; simulation analysis

2016-04-20

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(2013PY123)

任明磊(1990-)，男，安徽阜陽人，在讀碩士研究生，研究方向：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。E-mail:gmllren@163.com

*通訊作者：樊啟洲(1961-)，男，湖北咸寧人，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與測(cè)控研究。 E-mail：qizhoufan@mail.hzau.edu.cn

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1004-3268(2016)11-0139-06