基于EDEM的內(nèi)充種式棉花排種器排種仿真試驗

徐照耀，周勇，胡夢杰，柯燴彬，張夢月，呂文

(華中農(nóng)業(yè)大學，農(nóng)業(yè)農(nóng)村長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070)

我國棉花主要種植方式分為直播與育苗移栽2種方式[1]，而棉花機械化直播可省本節(jié)工、效率高，是實現(xiàn)棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[2].排種器作為機械化直播的核心工作部件，其排種性能直接決定播種質(zhì)量[3].精量排種器從原理上分為氣力式排種器和機械式排種器，氣力式排種器對種子的適應性較強，對種子的損傷較低，但結(jié)構(gòu)較為復雜，技術(shù)和成本較高.機械式排種器雖然對種子尺寸要求嚴格，存在高速作業(yè)適應性差及種子破損率高等問題，但有生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)簡單、利于推廣等優(yōu)點[4-6]，其中內(nèi)充種式精量排種器作業(yè)質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便，適于作物精播作業(yè)[7-8].

國內(nèi)對排種器工作原理的研究主要為設計-制造-試驗-數(shù)據(jù)分析-改進，而后又重復試驗、改進、制造成品這一傳統(tǒng)方法，設計過程成本高、周期長,往往影響排種器的開發(fā)和推廣.因此，探索新的低成本、短周期的排種器性能研究方法就顯得非常必要[9-10].

離散單元法是專門用于解決不連續(xù)介質(zhì)的一種數(shù)值模擬方法，在排種器性能設計及檢驗上得到了廣泛的應用.劉亞夫基于EDEM軟件建立了雙排型孔輪式油菜排種器的離散元模型，不同排種軸轉(zhuǎn)速下種群擾動強度進行分析，研究排種軸轉(zhuǎn)速和不同排型孔對排種器排種量和排種均勻性變異系數(shù)的影響[11].張朋玲建立了離心式排種器的離散元仿真模型，對油菜籽在排種器中的運動過程進行了仿真分析，確定了油菜籽的運動規(guī)律并研究了內(nèi)錐筒中種量與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系、排種器轉(zhuǎn)速與總排量的關(guān)系，并且仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果一致，證明采用離散元法分析離心式排種器性能是可行的[12].石林榕基于離散單元法對水平圓盤式精量排種器進行了排種數(shù)值模擬，得到玉米籽粒模型排種、重播、漏播的形成過程，并通過臺架試驗驗證仿真試驗.證明基于離散單元法的排種器仿真試驗為排種器性能參數(shù)的確定提供參考是可行的[13].

本文以棉花種子為研究生對象，開展內(nèi)充式棉花排種器性能設計工作，采用離散元法分析排種器的工作過程及性能，并將離散元法分析結(jié)果與排種器的臺架試驗結(jié)果進行對比，證明采用離散元法分析內(nèi)充式排種器工作過程和性能的可行性和有效性，為內(nèi)充式棉花排種器的研究和優(yōu)化設計建立一種新方法.

1 內(nèi)充種式棉花排種器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

如圖1所示內(nèi)充種式棉花排種器主要由排種內(nèi)盤、排種外盤、排種軸、凸耳、毛刷、進種管、前殼體、后殼體及入種口高度調(diào)節(jié)板等部分組成.其中排種盤是棉花排種器的核心，其設計參數(shù)直接影響棉種的排種質(zhì)量.排種盤由內(nèi)外盤組合而成，內(nèi)外盤貼合在一起形成組合型孔，型孔參數(shù)如圖1-C所示，型孔參數(shù)由矩形型孔高度b(大于最大棉種寬度)、矩形型孔長度a(大于棉種最大長度)；梯形型孔下底面長度g(大于最大棉種寬度小于兩倍棉種最大厚度)、梯形型孔上底面長度e組成.內(nèi)外盤相對轉(zhuǎn)動可以改變內(nèi)窩孔深度s，控制播量，內(nèi)窩孔寬度為h.

1：毛刷；2：后殼體；3：凸耳；4：排種內(nèi)盤；5：前殼體；6：進種管；7：入種口高度調(diào)節(jié)板；8：排種軸；9：排種外盤.1：Brush；2：Back shell；3：Lug；4：Inner seeding plate；5：Front shell；6：Intake pipe；7：Altitude adjusting plate for seed entrance；8：Seeding shaft；9：Outer seeding plate.圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structural diagram of seed-metering device

1.2 工作原理

排種器工作時，棉種經(jīng)進種管，流入充種腔形成種子群；排種盤在排種軸的帶動下做周期性逆時針轉(zhuǎn)動；棉種在重力和離心力作用下充入排種盤的型孔；排種盤型孔里多余的種子被毛刷刮掉，并落回充種腔；排種盤型孔中的種子經(jīng)護種區(qū)，轉(zhuǎn)至投種口，在重力作用下排出.

2 EDEM仿真模型建立

2.1 棉種模型的建立

2.1.1 棉種外部尺寸 棉種的外形尺寸參數(shù)為內(nèi)充種式排種器的尺寸設計提供重要參考依據(jù).農(nóng)業(yè)物料的外形尺寸測定方法較多，其中軸向尺寸法較適用于測量種子等小物料[14]，故本文采用軸向尺寸法測定棉種三軸尺寸.如圖2所示定義棉種的長度(L)、寬度(W)和厚度(T)方向所在的直線分別與三維坐標系相互垂直的三軸(x、y、z軸)重合，其中，長度是指棉種在平面投影中的最大尺寸，寬度是指垂直于長度方向所在平面棉種邊緣的最大直線距離，厚度是指同時垂直于長度與寬度方向棉種邊緣的直線尺寸.為保證離散元仿真的準確性，對‘鄂抗棉-10’棉花種子進行外形尺寸統(tǒng)計.選取500粒棉花種子用數(shù)顯游標卡尺對其長度、寬度和厚度直接進行測量，統(tǒng)計分析所得數(shù)據(jù)，得出‘鄂抗棉-10號’棉種三軸尺寸平均值.測試結(jié)果見表1.

圖2 棉花種子三軸尺寸示意圖Figure 2 Triaxial size diagram of cottonseed

表1 棉種三軸尺寸平均值及標準差

2.1.2 棉花種子模型建立 由于棉種顆粒外形尺寸不規(guī)則，其近似為長橢球體.為使仿真更加真實地反映出排種器工作過程，以所測棉種的平均三軸尺寸為依據(jù)，在EDEM軟件前處理模塊中采用多球面組合構(gòu)型方式創(chuàng)建一個橢球體組合顆粒模型[15]，棉種顆粒模型由12個接觸半徑不同的球面粘合而成，并通過EDEM軟件計算棉花種子模型的質(zhì)心和質(zhì)量.各球面參數(shù)設置參數(shù)及棉花種子模型如表2和圖3所示.

表2 棉種顆粒參數(shù)設置表

圖3 棉種顆粒模型Figure 3 The model of cottonseed particle

2.2 棉花排種器模型建立

將EDEM軟件中顆粒所接觸的幾何體仿真模型可在軟件中直接定義，也可從外界CAD系統(tǒng)中導入，本文采用后者.為提高排種器仿真求解運算速度，將排種外盤簡化為一個整體，通過Pro/E軟件繪制出排種器簡化后的三維模型，并將已裝配完成的排種器三維模型另存為“.stp”格式，在前處理模塊中導入EDEM軟件，其實體模型如圖4所示.模型透明度設置為0.3，以便于觀察排種器內(nèi)部棉種運動規(guī)律.

圖4 排種器模型Figure 4 The model of seed-metering device

3 EDEM仿真試驗

3.1 仿真設置

在材料與物理屬性設置中，排種盤采用3D打印快速成型技術(shù)構(gòu)造而成，其材料選取為ABS樹脂，毛刷材料簡化為橡膠屬性，其余零部件材料均設置成鋼(steel).參考前人研究成果及前期棉花種子物料特性試驗測定結(jié)果[8]，各材料特性參數(shù)設置如表3～4所示.

表3 仿真模型材料參數(shù)

Table 3 Material parameter of simulation model

材料Material泊松比 Poisson ratio剪切模量/Pa Shear modulus密度/(kg·m-3)Density棉花Cotton0.141.9×106641.39鋼Steel0.287×1047 850ABS樹脂ABS Resins0.393.19×1081.05×103

表4 仿真模型材料接觸參數(shù)

排種盤起始旋轉(zhuǎn)時間1 s，故排種器前1 s為充種階段，排種盤旋轉(zhuǎn)結(jié)束時間為120 s.棉種總顆粒數(shù)設定為2 500粒，顆粒生成的速率為1 500粒/s.仿真求解模塊中，時間步長設定為Rayleigh時間步長的20%，設定仿真時間為120 s，時間步為1×10-6s.棉種生成平面網(wǎng)格劃分的單元尺寸一般設置為顆粒最小球面半徑的2倍[16].

3.2 排種器工作過程仿真

為探究棉種在排種器中的運動軌跡，選擇棉花種子群中進入型孔的籽粒作為觀察對象.為了較清楚觀察籽粒的運動過程，排種器模型以Filled形式顯示opacity設置為0.1.圖5為內(nèi)充種組合型孔式棉花排種器正常排種仿真過程.仿真時間為0 s時、種子生成平面開始生成種子模型，當仿真時間達到1 s時排種盤開始轉(zhuǎn)動，帶動棉種群充入排種器組合型孔中，完成充種過程.當仿真時間為 3.25 s時內(nèi)外排種盤組合型孔轉(zhuǎn)動至種刷區(qū)，多余棉種在毛刷和自身重力的作用下掉落至充種區(qū)，完成清種，而型孔內(nèi)棉種隨排種盤轉(zhuǎn)動進入護種區(qū)；當仿真時間為5.58s時棉種隨型孔到達排種口，棉種在自身重力和離心力的作用下在排種口處排出進入排種管，此時完成一次充種、清種、護種、排種的完整過程.

圖5 排種器排種仿真過程Figure 5 Simulation process of seed-metering device

由于棉種排種過程中的隨機性會出現(xiàn)重播和漏播兩種情況，通過EDEM仿真可以發(fā)現(xiàn)問題原因.如圖6所示重播是由于種子在型孔內(nèi)排布的隨機性和排種盤轉(zhuǎn)速過大的綜合原因下導致4顆棉花種子在型孔中未能及時清種.如圖7所示漏播主要是由于型孔轉(zhuǎn)入清種區(qū)時仍存在有卡滯的棉種無法通過自重落回充種腔，排種盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至型孔再次進入充種區(qū)后，充入充填孔內(nèi)的棉種因受阻無法進入內(nèi)窩孔，從而導致漏播，且在重力與離心力的共同作用下，卡滯的棉種進一步壓實，如此循環(huán)，此型孔處一直無棉種排出.

圖6 排種器重播Figure 6 Seed-metering device reseeding

圖7 排種器漏播Figure 7 Seed-metering device miss seeding

通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)排種器重播、漏播主要由充填孔結(jié)構(gòu)形狀造成的.因此，排種器充填孔進行仿真研究得到合理形狀是十分必要的.

3.3 排種器充填孔對排種器性能影響的單因素試驗

3.3.1 試驗指標 按照農(nóng)藝要求，棉花精量穴播要求每穴(2±1)粒.參照行業(yè)標準NY/T 987-2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》與國家標準GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法[17-18]，以排種合格率、漏播率、重播率為試驗指標.其計算公式如下：

式中，n0指穴粒數(shù)為0粒的總穴數(shù)；n1指穴粒數(shù)為(2±1)粒的總穴數(shù)；n2指穴粒數(shù)為4粒及以上的總穴數(shù)；N為理論排種穴數(shù).

3.3.2 試驗因素 為研究充填孔結(jié)構(gòu)對內(nèi)充種式棉花精量排種器充種性能的影響，以排種器排種合格率、漏播率、重播率為試驗指標，開展充填孔形狀單因素仿真試驗.充填孔結(jié)構(gòu)分別設定為凸型、直線型與凹型三個水平，其所對應的排種盤型孔二維圖如圖8所示.試驗中，排種盤內(nèi)窩孔深度設置為8 mm，入種口高度為60 mm，排種盤轉(zhuǎn)速為25 r/min.

3.3.3 仿真試驗結(jié)果 在內(nèi)窩孔深度為8 mm，入種口高度為60 mm，排種盤轉(zhuǎn)速為25 r/min的條件下，凸型、直線型與凹型充填孔結(jié)構(gòu)對試驗指標的影響結(jié)果如表5所示.

由表5可知當排種器充填孔形狀為凸型時，排種合格率較小，漏播嚴重，充填孔形狀采用直線型時，充填孔容積相應增大，排種漏播率減小，合格率增大，當充填孔形狀采用凹型時，排種器達到較優(yōu)狀態(tài)，此時，排種合格率為94.6%，漏播率為1.8%，滿足農(nóng)藝要求.

圖8 排種盤型孔二維圖Figure 8 Two-dimensional diagram of seeding plate hole

表5 充填孔形狀對排種性能的影響

3.4 排種性能仿真試驗

3.4.1 試驗設計 參考研究團隊前期研究成果，取內(nèi)窩孔深度A、入種口高度B和排種盤轉(zhuǎn)速C為主要影響因素，它們的取值范圍為：內(nèi)窩孔深度 6.0～10.0 mm；入種口高度 40.0～80.0 mm；排種盤轉(zhuǎn)速10.0～40.0 r/min，試驗采用Design-Expert軟件中的 Box-Behnken方案進行三因素三水平響應面試驗.因素水平編碼表如表6所示[19-20].

表6 因素水平編碼表

Table 6 Level coding table mm

3.4.2 試驗結(jié)果與分析 根據(jù) Box-Behnken方案共進行17組試驗，試驗結(jié)果見表7，合格率的方差分析見表8，漏播率的方差分析見表9.

表7 響應面試驗結(jié)果

表8 合格率方差分析結(jié)果

根據(jù)表8和表9的分析結(jié)果可知：對于合格率，A影響極顯著，C和B2影響顯著，即內(nèi)窩孔深度對穴粒數(shù)合格率影響極顯著，排種盤轉(zhuǎn)速對穴粒數(shù)合格率影響顯著，入種口高度對穴粒合格率影響不顯著.各因素對棉花排種器的影響顯著性由大到小分別為內(nèi)窩孔深度、排種盤轉(zhuǎn)速、入種口高度；對于漏播率，C、C2影響極顯著，B2影響顯著，即排種盤轉(zhuǎn)速對漏播率影響極顯著，各因素對棉花排種器的影響顯著性由大到小分別為排種盤轉(zhuǎn)速、內(nèi)窩孔深度、入種口高度；各因素交互作用對排種合格率和漏播率的影響較大.

表9 漏播率的方差分析

對排種合格率進行響應面分析，如圖9所示.由圖9-A、圖9-C 可知，排種合格率隨著入種口高度的增大均呈先增大后減小的趨勢，合格率在入種口高度達到58 mm時最大；由圖9-B 和圖9-C 可知，排種合格率隨排種盤轉(zhuǎn)速的增加呈減小趨勢；由圖9-A 和圖9-B可知，排種合格率隨內(nèi)窩孔增加而減小的趨勢.

圖9 交互因素的響應面Figure 9 The response surface of interaction factors

3.4.3 參數(shù)優(yōu)化 當排種器內(nèi)窩孔深度為6.0～10.0 mm，入種口高度為40.0～80.0 mm，排種盤轉(zhuǎn)速為10.0～40.0 r/min、采用多重響應方法中的主目標函數(shù)法對排種器影響因素進行優(yōu)化，分別以合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)作為性能指數(shù)函數(shù)，進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)和約束條件為：

應用軟件Design-Expert中的 Optimization 功能，以合格率最高首要目的，其次為漏播率最低，最后低重播率，進行優(yōu)化分析，得最優(yōu)參數(shù)組合為：內(nèi)窩孔深度6.12 mm、投種口高度58.23 mm、轉(zhuǎn)速12.11 r/min.預測效果為：合格率98.58%、漏播率0.08%、重播率為1.34%.

4 試驗驗證

內(nèi)充種式棉花排種器安裝在JPS-12排種器性能檢測試驗臺上，采用優(yōu)化參數(shù)組合進行臺架驗證試驗，測定臺架試驗中的排種合格率和漏播率，如圖10所示.臺架試驗共進行了 10次，對獲取的排種穴粒數(shù)合格率、漏播率(空穴率)、穴距合格率、穴距變異系數(shù)數(shù)據(jù)各取平均值.臺架試驗結(jié)果如表10所示，內(nèi)充種式棉花排種器的穴粒數(shù)合格率95.31%、漏播率1.66%、穴距合格率93.44%、變異系數(shù)24.12.

圖10 排種器性能試驗臺Figure 10 The structural diagram of the seeder test

表10 驗證試驗結(jié)果

由于仿真試驗中棉花籽粒模型尺寸統(tǒng)一，而臺架試驗中棉花籽粒形狀大小不一，導致臺架試驗的合格率低于仿真試驗，重播指數(shù)和漏播指數(shù)較高.而穴粒數(shù)合格率與仿真結(jié)果誤差為3.27%<5%.因此，內(nèi)充種式棉花排種器真試驗優(yōu)化排種性能參數(shù)具有可行性.

5 結(jié)論

1) 內(nèi)充種式棉花排種器的仿真試驗結(jié)果分析可知：內(nèi)窩孔深度對重點指標穴粒合格率影響極顯著，排種盤轉(zhuǎn)速對穴粒合格率影響顯著，入種口高度對穴粒合格率影響不顯著.各因素對棉花排種器的影響顯著性由大到小分別為內(nèi)窩孔深度、排種盤轉(zhuǎn)速、入種口高度；對于漏播率，排種盤轉(zhuǎn)速對漏播率影響極顯著.

2) 以穴粒數(shù)合格率最高首要目的，其次為漏播率最低，最后低重播率，進行優(yōu)化分析，得最優(yōu)參數(shù)組合為:內(nèi)窩孔深度6.12mm、投種口高度58.23 mm、轉(zhuǎn)速12.11 r/min.此時棉花排種器排種合格率為98.58%、漏播率為0.08%、重播率為1.34%.

3) 通過臺架試驗，在較優(yōu)組合條件下測得排種合格率為95.31%、漏播率為1.66%、重播率D為3.03%，重點指標合格率誤差3.27%(<5%).因此，基于EDEM的排種器離散元仿真試驗為排種器性能參數(shù)的確定是可行的.