基于EDEM-Fluent 耦合仿真的小麥寬苗帶精量電控排種系統(tǒng)設計與試驗

趙曉順，趙達衛(wèi)，池丹丹，霍 倩，柏文杰，冉文靜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001；2.唐山科技職業(yè)技術(shù)學院，河北 唐山 063000）

小麥條播方式是我國目前運用最為廣泛的播種方式，省工省時，可改善小麥群體結(jié)構(gòu)，但是種子易扎堆，均勻性較差，會導致個體發(fā)育差異化［1-3］。小麥寬苗帶播種技術(shù)是1 種通過增大苗帶寬度，擴大行間距，進而增加小麥個體生長空間的1 項高產(chǎn)栽培技術(shù)，與普通條播和撒播相比，小麥寬苗帶播種技術(shù)可以提高小麥出苗率、促進分蘗，以致于提高成穗率、千粒重和產(chǎn)量［4-5］。但是目前配套寬苗帶種植技術(shù)的播種機械很難實現(xiàn)真正的精播，基本采用機械槽輪式排種器排種，麥種經(jīng)過分散器隨機落到種溝內(nèi)，存在傷種率高、苗帶內(nèi)種子分布不均勻等問題［6-7］。隨著精量播種技術(shù)的發(fā)展，氣力式排種器逐漸成為研究的主流［8-9］。國外用于大豆、玉米等中耕作物的氣吸式精量排種器和氣送式條播作物排種器已經(jīng)非常成熟［10-13］。我國仍然以機械式排種器為主，氣力式近些年研究較多，但仍處于試驗階段［14-15］。趙曉順等研制了氣吸式排種器實現(xiàn)了小麥和谷子的精量播種［16-17］。廖慶喜等設計了系列氣力式油菜精量排種器并進行了試驗［18-20］。程修沛等設計了氣吸型孔組合式小麥精量排種器，通過仿真與臺架試驗進行了參數(shù)優(yōu)化，獲得了較好的單粒充種性能［21］。

精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展必然走向智能化［22-23］，但是目前國內(nèi)的精量排種器還是以機械式為主，由于田間環(huán)境較為復雜，驅(qū)動排種器運動的地輪會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，導致排種均勻性下降［24-28］。由電機驅(qū)動地輪，可以提高排種均勻性，且符合目前農(nóng)業(yè)機械裝備輕量化的趨勢。張春嶺等［29］研究了使用PWM 調(diào)速方式和基于遺傳算法的PID 參數(shù)整定對直流無刷電機的控制實現(xiàn)；程修沛等［30］基于STM32 設計了小麥小區(qū)播種電控系統(tǒng)。

本文設計了1 種用于小麥寬苗帶精量播種的電控排種系統(tǒng)，以提升播種均勻性、提高作業(yè)效率，為大面積推廣小麥寬苗帶精量種植技術(shù)提供硬件保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

1.1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)由排種器機械結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)組成。排種器為正負壓式滾筒結(jié)構(gòu)形式，主要由吸種滾筒、負壓室、正壓室、麥種盒、中心管軸、端蓋、驅(qū)動齒輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2 所示。

圖1 排種器整體結(jié)構(gòu)裝配圖Fig.1 Overall structure assembly diagram

圖2 排種器剖視圖Fig.2 Sectional view of seed meter

種孔隨吸種滾筒轉(zhuǎn)動至麥種盒位置時，通過負壓吸力將麥種盒內(nèi)貼近吸種滾筒的麥種吸住，吸種滾筒轉(zhuǎn)動至正壓室下方位置時，麥種在正壓力和自身重力的作用下脫落進入種溝，完成排種。整個排種過程中麥種均在氣流作用下運動，傷種率大幅降低。

電控系統(tǒng)主要由單片機、直流無刷電機、電機驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)編碼器等構(gòu)成，如圖3 所示。單片機根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器HN3806-AB-400N 獲取的播種機作業(yè)實時速度得出電機理論轉(zhuǎn)速，采用PWM 驅(qū)動電機，利用閉環(huán)反饋修正電機轉(zhuǎn)速。

圖3 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Block diagram of electronical control system

1.2 系統(tǒng)電路設計

采用STC89C52RC 作為微處理器，電路圖如圖4 所示，主要包括復位電路、供電電路、振蕩電路。

圖4 STC89C52 單片機系統(tǒng)基本電路Fig.4 STC89C52 single chip system basic circuit

1.3 電機控制模塊設計

根據(jù)轉(zhuǎn)速及扭矩要求，選用80BL02 直流無刷電機，電機控制模塊電路如圖5 所示，U3 為BLD-300B 電機驅(qū)動器，其中RBF+與RBF-為電機提供電源，W、V、U、Hw、Hv、Hu為電機實現(xiàn)傳感器信號傳輸；濾波后的電機轉(zhuǎn)速信號SPEED 通過單片機的P3.2 口傳輸給單片機，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的計算；PWM 信號通過與單片機P3.4 口相連的SV 完成傳輸。

圖5 電機控制電路Fig.5 Control circuit of motor

2 基于EDEM-Fluent 耦合的仿真分析

2.1 仿真參數(shù)與條件

排種器EDEM 模型如圖6 所示，材料為不銹鋼304。在EDEM 軟件中為吸種滾筒添加線性轉(zhuǎn)動。仿真分為2 次進行，第一次需要小麥顆粒先落入種箱內(nèi)且保持穩(wěn)定，第二次為滾筒旋轉(zhuǎn)，排種器轉(zhuǎn)速分別設置為15、19、23、27、31 r/min，2 次仿真時長均為5 s。

圖6 EDEM 模型Fig.6 EDEM model

根據(jù)實際測得小麥種子尺寸的平均值，建立小麥種子模型并導入到EDEM 2020 中。圖7 為小麥顆粒模型，尺寸設計為正態(tài)分布，表1 為EDEM 仿真的模型參數(shù)，物理接觸模型設為Hertz-Mindlin(No slip)模型，種子下落初始速度設置為2 m/s，方向為重力方向，重力加速度設置為9.81 m/s2，總量為4 000 粒，生 成 速 度 為5 000 粒/s。EDEM 中 的時間步長的大小關系到總體的仿真總時間、能量傳遞的穩(wěn)定性，所以仿真步長設置為5×10-5s ，即為Rayleigh 時間步長的28%。

表1 材料力學特性及相互作用參數(shù)Table 1 Material mechanical properties and interaction parameters

圖7 小麥種子模型Fig.7 Wheat seed model

EDEM 第一次仿真完成后導出為Simulation deck， 在導出設置中set simulation time 為0 s，如圖8 所示，仿真總時長為5 s。EDEM 打開前面導出的項目文件后，設置第二次仿真總時長為10 s，啟動耦合服務，隨后在Fluent 中進行設計：

圖8 EDEM 導出設置Fig.8 EDEM export settings

（1）導入排種器對應的氣流場模型，瞬態(tài)求解，重力設置在Y軸的負方向，選擇標準k-ε湍流模型。

（2）流場材料為空氣，設置在常溫條件下，吸種負壓為-3.0 kPa、正壓為0.3 kPa，湍流強度均設為5%，種孔連通大氣壓。

（3）采用滑移網(wǎng)格為種孔添加旋轉(zhuǎn)運動，速度與EDEM 中排種器轉(zhuǎn)速保持一致。采用Simplic 算法計算求解，適當調(diào)大亞松弛因子，設置耦合的收斂精度為1×10-3，其它參數(shù)保持默認。

（4）打開UDF 加載對話框，加載EDEMFluent 耦合UDF 文件。加載成功后，雙擊Models-EDEM Coupling 彈出耦合設置對話框，點擊Connect按鈕連接EDEM，連接成功后同步到EDEM 時間，如圖9 所示。

圖9 耦合接口設置Fig.9 Coupling interface settings

（5）初始化后將時間步長設置為EDEM 時間步長的整數(shù)倍，即1×10-3?？紤]到仿真總時長為10 s，設置步數(shù)為10 000 步，每個時間步最大迭代數(shù)為20步。點擊Calculate 運行，耦合仿真開始。

2.2 仿真結(jié)果分析

EDEM 第一次仿真中，顆粒工廠不斷生成種子，落在種箱中，在重力以及種群之間的摩擦力的作用下，種群逐漸穩(wěn)定，如圖10 所示。

圖10 小麥種子在排種器中的分布Fig.10 The distribution of wheat seeds in the seedmetering device

EDEM 第二次仿真結(jié)束至排種器穩(wěn)定后，對處于滾筒最高處的種子進行統(tǒng)計，定義吸附單粒為合格，多粒為重播，未吸附為漏播，每一個參數(shù)條件下統(tǒng)計100 個，計算合格指數(shù)，重播指數(shù)以及漏播指數(shù)。

如圖11 所示為種子的運動軌跡、速度和角速度變化情況，與實際情況一致，說明了仿真的可靠性。將15、19、23、27、31 r/min 等5 個不同水平下的仿真結(jié)果繪制成散點圖，如圖12 所示。由圖可知：合格率隨著轉(zhuǎn)速的加快先增加后減少，重播率和漏播率反之，符合臺架試驗結(jié)果，說明仿真效果較好； 15 ～27 r/min 時合格指數(shù)≥80%，5 次試驗結(jié)果中，漏播指數(shù)整體比重播指數(shù)低，23 ～31 r/min 時漏播指數(shù)變化明顯，可見轉(zhuǎn)速對漏播指數(shù)影響較大。

圖11 小麥種子的運動軌跡、速度變化情況Fig.11 The trajectory and speed changes of wheat seeds

圖12 不同排種器轉(zhuǎn)速下的仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results under different rotating speeds of seed-metering device

3 電控精量排種系統(tǒng)響應面試驗

3.1 試驗材料和設備

根據(jù)前面的結(jié)構(gòu)及仿真分析，確定排種器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，以不銹鋼304 為材料制作滾筒，其他則為橡膠和碳素結(jié)構(gòu)鋼。試驗以‘良星99’小麥為例，選用JPS-12 計算機視覺排種器試驗臺，以合格指數(shù)、重播指數(shù)以及漏播指數(shù)為評價指標，根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》［32］技術(shù)標準展開試驗，評價標準計算如公式（1）所示。根據(jù)農(nóng)藝要求粒距為20 mm，對照JB/T 10293—2013《單粒（精密）播種機 技術(shù)條件》［33］，確定播種作業(yè)合格要求為：粒距合格指數(shù)≥60%，重播指數(shù)≤30%，漏播指數(shù)≤15%。

式中：M為漏播指數(shù)；A為合格指數(shù)；D為重播指數(shù)；n1為單穴單粒種子數(shù)；n2為單穴多粒種子數(shù)；n3為空穴個數(shù)；N1為理論排種個數(shù)。

3.2 響應面試驗

利用響應面試驗分析排種性能與工作參數(shù)之間的交互作用，優(yōu)化排種器的設計。通過單因素試驗確定了吸種負壓、排種器轉(zhuǎn)速、投種高度3 個參數(shù)的取值范圍。X1、X2、X3表示吸種負壓、排種器轉(zhuǎn)速、投種高度的編碼值。公式（2）、（3）、（4）為通過多元回歸擬合得到的合格指數(shù)的二次回歸擬合方程以及漏播指數(shù)、重播指數(shù)的線性回歸擬合方程。

根據(jù)以上回歸模型，將其中1 個因素的編碼值置于零水平，利用軟件繪制其余兩因素交互作用的響應面和等高線圖。

（1）兩因素對合格指數(shù)的交互影響

從圖13 中可以看出，投種高度為140 mm 時，合格指數(shù)在吸種負壓為-3.5 kPa 和排種器轉(zhuǎn)速為19 r/min 處取最佳值69.01%。隨著轉(zhuǎn)速的增加，合格指數(shù)明顯下降。當轉(zhuǎn)速取27 r/min 時，合格指數(shù)接近40%。當轉(zhuǎn)速較低時，隨著吸種負壓變化合格指數(shù)升降幅度較小。

圖13 吸種負壓X1 和排種器轉(zhuǎn)速X2 的響應面與等高線圖Fig.13 Response surface and contour map of the negative pressure X1 and the rotating speed of seed-metering device X2

從圖14 中可以看出，轉(zhuǎn)速為23 r/min 時，合格指數(shù)在吸種負壓為-3.5 kPa 和投種高度為180 mm處取最佳值69.48%。隨著投種高度的增加，合格指數(shù)先降低后上升。當投種高度取140 mm 時，合格指數(shù)接近46.18%。當投種高度取180 mm 時，合格指數(shù)隨著吸種負壓絕對值的增加而升高；取100 mm時，合格指數(shù)隨吸種負壓絕對值的增加而降低。

圖14 吸種負壓X1 和投種高度X3 的響應面與等高線圖Fig.14 Response surface and contour map of the negative pressure X1 and the seed-falling height X3

圖15 是吸種負壓為-3.0 kPa 時，排種器轉(zhuǎn)速和投種高度的交互作用對合格指數(shù)影響的響應面和等高線圖。從圖中可以看出，合格指數(shù)在排種器轉(zhuǎn)速為19 r/min 和投種高度為180 mm 處取最佳值75.78%。隨著排種器轉(zhuǎn)速的增加，合格指數(shù)明顯上升；隨著投種高度的增加，合格指數(shù)先降低后上升，變化幅度不大。

圖15 排種器轉(zhuǎn)速X2 和投種高度X3 的響應面與等高線圖Fig.15 Response surface and contour map of the rotating speed of seed-metering device X2 and the seed-falling height X3

（2）兩因素對重播指數(shù)的交互影響

從圖16 中可以看出，投種高度為140 mm 時重播指數(shù)在吸種負壓為-2.5 kPa 和排種器轉(zhuǎn)速為19 r/min處取最小值7.77%。隨著排種器轉(zhuǎn)速和吸種負壓絕對值的增加，重播指數(shù)明顯上升。

圖16 吸種負壓X1 和排種器轉(zhuǎn)速X2 的響應面與等高線圖Fig.16 Response surface and contour map of the negative pressure X1 and the rotating speed of seed-metering device X2

從圖17 中可以看出，轉(zhuǎn)速為23 r/min 時重播指數(shù)在吸種負壓為-2.5 kPa 和投種高度為180 mm 處取最小值5.22%。隨著吸種負壓和投種高度的增加，重播指數(shù)明顯上升。

圖17 吸種負壓X1 和投種高度X3 的響應面與等高線圖Fig.17 Response surface and contour map of the negative pressure X1 and the seed-falling height X3

從圖18 中可以看出，吸種負壓為-3.0 kPa 時重播指數(shù)在排種器轉(zhuǎn)速為19 r/min 和投種高度為180 mm處取最小值12.25%。隨著排種器轉(zhuǎn)速的增加，重播指數(shù)上升；隨著投種高度的增加，重播指數(shù)降低。

圖18 排種器轉(zhuǎn)速X2 和投種高度X3 的響應面與等高線圖Fig.18 Response surface and contour map of the rotating speed of seed-metering device X2 and the seed-falling height X3

（3）兩因素對漏播指數(shù)的交互影響

從圖19 中可以看出，投種高度為140 mm 漏播指數(shù)在吸種負壓為-3.5 kPa 和排種器轉(zhuǎn)速為19 r/min處取最小值14.34%。隨著排種器轉(zhuǎn)速的增加，漏播指數(shù)明顯上升；隨著吸種負壓絕對值的增加，漏播指數(shù)明顯降低。

圖19 吸種負壓X1 和排種器轉(zhuǎn)速X2 的響應面與等高線圖Fig.19 Response surface and contour map of the negative pressure X1 and the rotating speed of seed-metering device X2

從圖20 中可以看出，轉(zhuǎn)速為23 r/min 時漏播指數(shù)在吸種負壓為-3.5 kPa 和投種高度為180 mm 處取最小值18.90%。隨著吸種負壓絕對值的增加，漏播指數(shù)降低；隨著投種高度的增加，漏播指數(shù)變化不明顯。

圖20 吸種負壓X1 和投種高度X3 的響應面與等高線圖Fig.20 Response surface and contour map of the negative pressure X1 and the seed-falling height X3

從圖21 中可以看出，吸種負壓為-3.0 kPa 時漏播指數(shù)在排種器轉(zhuǎn)速為19 r/min 和投種高度為180 mm處取最小值11.79%。隨著轉(zhuǎn)速的增加，漏播指數(shù)明顯上升；隨著投種高度的增加，漏播指數(shù)變化不明顯。

圖21 排種器轉(zhuǎn)速X2 和投種高度X3 的響應面與等高線圖Fig.21 Response surface and contour map of the rotating speed of seed-metering device X2 and the seed-falling height X3

3.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

對上述的回歸方程進行求解，優(yōu)化后得到如下函數(shù)：

進行數(shù)值優(yōu)化求解后，得到優(yōu)化后的參數(shù)組合：吸種負壓-3.5 kPa，排種器轉(zhuǎn)速19 r/min，投種高度180 mm。

根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)進行3 次臺架試驗，最終結(jié)果區(qū)平均值為：合格指數(shù)80.62%，重播指數(shù)9.22%，漏播指數(shù)10.16%。滿足行業(yè)標準［33］的指標要求：合格指數(shù)≥60%，重播指數(shù)≤30%，漏播指數(shù)≤15%。

4 結(jié)論

（1）針對傳統(tǒng)排種器排種均勻性差的問題，設計了1 套用于小麥寬苗帶電控排種系統(tǒng)，排種器機械結(jié)構(gòu)采用正負壓組合滾筒形式，使用直流無刷電機驅(qū)動排種器，傷種指數(shù)低，均勻性好。

（2）通過EDEM-Fluent 耦合的仿真分析可知，合格率隨著排種器轉(zhuǎn)速的提升，先增加后減少，重播率以及漏播率反之，經(jīng)過臺架試驗驗證，發(fā)現(xiàn)變化趨勢一致，說明仿真結(jié)果的可靠性；15 ～27 r/min時合格指數(shù)≥80%，5 次試驗結(jié)果中，漏播指數(shù)整體比重播指數(shù)低，23 ～31 r/min 時漏播指數(shù)變化明顯，可見轉(zhuǎn)速對漏播指數(shù)影響較大。

（3）通過響應面試驗得到排種器較優(yōu)參數(shù)組合：吸種負壓-3.5 kPa，排種器轉(zhuǎn)速19 r/min，投種高度180 mm，利用試驗進行驗證，結(jié)果為：重播率9.22%，漏播率10.16%，合格率80.62%，滿足JB/T10293—2013《單粒（精密）播種機技術(shù)條件》中的技術(shù)指標要求。