基于離散元的傾斜圓盤勺式大豆排種器取種勺優(yōu)化研究

許健　蔡宗壽　張國帥　沈鵬

摘要：為優(yōu)化傾斜圓盤勺式大豆排種器的最佳排種性能參數(shù)（取種勺凹曲面切線傾斜角、取種勺直徑、工作轉速），對其關鍵部件取種勺的結構參數(shù)進行研究分析并建立充種過程動力學模型。采用二次回歸正交旋轉組合試驗設計，運用離散元軟件EDEM對排種器排種性能進行正交虛擬排種試驗，并對試驗結果進行回歸分析，得到各個試驗因素的回歸方程，利用Matlab繪制三維等值線圖，確定各參數(shù)對性能指標的影響規(guī)律。對試驗因素進行優(yōu)化計算得出最優(yōu)參數(shù)組合，當取種勺凹曲面切線傾斜角為30.1°，取種勺直徑為7.2 mm，工作轉速為49 r/min時，合格指數(shù)為96.85%，重播指數(shù)為2.01%，漏播指數(shù)為1.14%。

關鍵詞：大豆排種器;取種勺;工作原理;離散元法;旋轉正交試驗;最優(yōu)參數(shù)組合;精密播種

中圖分類號： S223.2? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0192-05

精密播種是將種子合理均勻地放置在所需的間距以保證每粒種子擁有合適種植面積的先進技術，是現(xiàn)代播種作業(yè)的發(fā)展趨勢。排種器是實現(xiàn)精密播種的核心部件，其工作性能和穩(wěn)定性將直接影響播種機的工作質量[1-2]。傾斜圓盤勺式排種器作為機械式排種器，因其結構簡單、工作性能較好，目前被廣泛應用于播種機上。但目前已有的傾斜圓盤勺式排種器在作業(yè)過程中難以保持工作性能的穩(wěn)定性和高效性，不能完全滿足實際精密播種的作業(yè)要求[3]。

離散元法具有計算大量顆粒在給定條件下如何運動的能力，被廣泛應用于排種器性能分析[4-6]。劉濤等運用離散元法研究不同型孔結構對窩眼輪式排種器的種群擾動強度[7]。陳進等借助離散元法分析振動種盤中水稻種群的運動規(guī)律[8]。劉宏新等創(chuàng)新設計了一種對置斜盤排種器，并用離散元法驗證了該結構的優(yōu)越性[9]。本研究以傾斜圓盤勺式大豆排種器為試驗載體，對其關鍵部件取種勺的結構參數(shù)進行研究分析并建立充種過程動力學模型，在此基礎上，以重播率、漏播率和合格率為排種性能指標，運用離散元軟件EDEM進行二次回歸正交旋轉組合試驗，旨在利用一定的計算方法獲得排種器的最優(yōu)參數(shù)組合，為排種器樣機試制及優(yōu)化提供理論依據(jù)，促進精密播種行業(yè)的發(fā)展。

1 排種器結構與工作原理

1.1 主要結構

如圖1-a所示，排種器主要由取種勺、排種勺盤、隔板、導種輪、殼體等部件組成，其中取種勺是排種器的核心工作部件，其結構尺寸與配置的合理性將直接影響排種器的工作性能。排種勺盤上均勻分布18個取種勺，與導種輪的18個導種室凹槽一一對應。傾斜圓盤排種器的結構特點是排種勺盤與垂直方向成β角，這種傾斜配置的排種器具有提高種子側向充填的能力，并且該型排種器無需格外的清種裝置，種子能在自身重力作用下自動清種，可有效避免機械損傷。

1.2 工作原理

排種器工作過程主要分為充種、清種、遞種、護種和投種5個串聯(lián)階段（圖1-b）。當排種器正常工作時，種子隨種箱進入充種區(qū)，播種機的行走輪通過傳動裝置帶動排種勺盤和導種輪同步轉動，大豆種子在排種盤的旋轉攪動下進行分種，種子在自身重力、種子間的相互作用力及取種勺支持力共同作用下，側向充填進取種勺內，完成充種過程;隨著取種勺的繼續(xù)向上轉動至清種區(qū)，穩(wěn)定存在于取種勺內的多粒種子，在力系發(fā)生轉變的情況下，逐漸回落至充種區(qū)，直至取種勺內僅存1粒種子，該階段為清種;取種勺攜單粒種子繼續(xù)向上轉動，當轉至隔板處的導種口時，單粒種子在重力沿軸心分力及離心力的共同作用下進入導種室，完成遞種環(huán)節(jié);位于導種室內的種子在導種輪和隔板的護送下繼續(xù)向下轉動至投種區(qū)，該階段為護種;種子被運移至投種點在自身重力和離心力作用下落入播種機開溝器形成的穴孔中，完成投種進程，實現(xiàn)精密播種。

2 關鍵部件結構設計與分析

2.1 取種勺結構設計

取種勺是排種器工作的關鍵部件，其結構形狀及尺寸參數(shù)直接影響排種器工作的可靠性。在充種過程中，取種勺隨著排種勺盤進行圓周旋轉運動。在取種勺設計過程中，應保證取種勺內弧面光滑過渡設計，以避免取種勺邊緣對種子造成機械損傷。以取種勺攜種空間中心（近似為種子質心）為坐標原點O，建立空間直角坐標系OXYZ（圖2），取種勺的攜種空間由圓柱和四棱錐體在頂部斜相交組成。結構參數(shù)主要包括取種勺凹曲面切線傾斜角α、取種勺直徑d。

取種勺直徑過小時，種子在充種過程中很難側向充填進取種勺內，導致漏播現(xiàn)象;取種勺直徑過大時，多粒種子容易側向充填進取種勺內，但多余的種子在清種區(qū)無法有效地靠重力自行清種，存在多粒種子進入導種輪，引起重播現(xiàn)象。同理，當取種勺凹曲面切線傾斜角過小時，取種勺對種子的把持作用很弱，致使種子在未到隔板開口處就回落，造成漏播現(xiàn)象;當取種勺凹曲面切線傾斜角過大時，取種勺對種子把持作用過強，致使多余的種子在清種區(qū)無法順利回落，造成重播現(xiàn)象。為提高取種勺工作性能，優(yōu)化結構參數(shù)，取種勺基本參數(shù)應遵循的設計原則[10]為

3 基于EDEM的輔助參數(shù)設計和優(yōu)化

為優(yōu)化取種凹勺結構參數(shù)，提高排種器排種性能，選擇取種勺凹曲面切線傾斜角（以下簡稱切線傾斜角）、取種勺直徑以及工作轉速3個因素進行仿真試驗。試驗采用二次回歸正交旋轉組合設計[11]。

3.1 顆粒模型與幾何模型的建立

以中黃39大豆種子為研究對象，隨機取樣1 200粒，分別對其長、寬、厚的三維尺寸進行統(tǒng)計，按其尺寸頻率分布均值建立顆粒模型，統(tǒng)計得出，中黃39大豆種子的球形率高達96.8%，因此可以在離散元仿真軟件中設置顆粒為球體。由于仿真模擬只須將與種子接觸的幾何部件導入EDEM軟件中，因此將排種器模型進行簡化，應用三維軟件Pro/E對其建模（圖4）。

3.2 EDEM軟件仿真

根據(jù)材料庫及文獻[12]數(shù)據(jù)得出大豆種子和排種器相互間的物理特性（表1）。

由于大豆種子表面無黏附作用，因此選擇Hertz-MindLin（no slip）built-in為仿真接觸模型。為保證仿真時排種器工作有足夠的顆粒和仿真時間，設置生成1 200粒大豆種子模型，半徑平均值為3.452 mm，采用正態(tài)分布的方式

生成顆粒尺寸，標準差為0.086，設置固定時間步長為Rayleigth時間步長的16%，仿真時間總長為20 s，其中前2 s為充種過程。每次仿真結束后，在投種口下方建立Grid Bin Group（網(wǎng)格組），以便檢測計算排種性能的相關指標，仿真過程如圖5所示。

3.3 仿真試驗因素與指標

試驗指標根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》確立，性能評價指標包括合格指數(shù)A、重播指數(shù)D、漏播指數(shù)M。

根據(jù)上述理論分析及實際排種器作業(yè)要求，合理控制試驗因素變化范圍，每個試驗方案重復3次，取其平均值作為試驗結果，因素水平編碼見表2，試驗方案與結果見表3。

3.4 試驗結果與分析

3.4.1 合格指數(shù) 運用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對表3合格指數(shù)試驗結果進行回歸分析，其回歸方程檢驗數(shù)據(jù)見表4。

運用Matlab繪制三維等值線圖（圖6）。

由回歸方程和三維等值線圖可知，在試驗范圍內3因素對合格指數(shù)顯著性影響大小順序是工作轉速>切線傾斜角>取種勺直徑。

3.4.2 重播指數(shù) 同理，對表3重播指數(shù)試驗結果進行回歸分析，其回歸方程檢驗數(shù)據(jù)見表5。

運用Matlab繪制三維等值線圖（圖8）。

由回歸方程和三維等值線圖可知，在試驗范圍內3因素對漏播指數(shù)顯著性影響大小順序是工作轉速>取種勺直徑>切線傾斜角。

3.4.4 排種器性能優(yōu)化 根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》要求可知，排種器合格率應大于80%，重播率應小于15%，漏播率應小于8%，以此建立的約束函數(shù)[13]為

根據(jù)優(yōu)化數(shù)學模型和排種器各性能評價指標的回歸方程，利用Matlab中非線性優(yōu)化fmincon函數(shù)，以合格率最大和重播率、漏播率最小為條件進行尋優(yōu)處理。優(yōu)化處理結果：取種勺凹曲面切線傾斜角為30.1°，取種勺直徑為7.2 mm，工作轉速為49 r/min。在此條件下進行仿真驗證試驗，結果表明，排種器合格指數(shù)為96.85%，重播指數(shù)為2.01%，漏播指數(shù)為1.14%。

4 結論

以傾斜圓盤勺式大豆排種器為試驗載體，對其關鍵部件取種勺的結構參數(shù)進行研究分析并建立充種過程動力學模型。運用EDEM軟件作正交排種虛擬試驗，通過二次回歸正交旋轉組合試驗建立3個考察指標的回歸方程。運用Matlab繪制3個考察指標的等值線圖，得到試驗因素對各指標的影響趨勢并確定影響合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素。確定該型排種器的最佳參數(shù)組合，當取種勺凹曲面切線傾斜角為30.1°，取種勺直徑為7.2 mm，工作轉速為49 r/min時，排種性能最優(yōu)，此時排種器合格指數(shù)為96.85%，重播指數(shù)為2.01%，漏播指數(shù)為1.14%。

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