基于DEM-MBD耦合的鏈勺式人參精密排種器研究

賴慶輝 賈廣鑫 蘇 微 趙立軍 邱小寶 呂 勤

(1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500； 2.重慶文理學(xué)院智能制造工程學(xué)院， 重慶 402160；3.霸州市海寶科技有限公司， 廊坊 065700)

0 引言

近年來，隨著國家政策的調(diào)整和藥食同源的提倡，人參采用參畦1.2～1.7 m、株距3～5 cm和行距15～18 cm的非林地直播種植技術(shù)得到了大面積推廣。但是，僅在耕整地環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，而在需要“搶農(nóng)時”的人參播種環(huán)節(jié)仍沿用傳統(tǒng)人工點(diǎn)播或半機(jī)械化點(diǎn)播方式，嚴(yán)重制約著我國人參種植規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化和工廠化的發(fā)展，因此需發(fā)展非林地人參種植機(jī)械化精密直播技術(shù)[1]。

解決非林地人參種植精密直播技術(shù)的關(guān)鍵在于排種器。人參種子形狀不規(guī)則、表面褶皺，流動性差，且播種前經(jīng)過催芽后，有裂口、易損傷等特點(diǎn)，成為排種器設(shè)計的難點(diǎn)?？偨Y(jié)國內(nèi)外關(guān)于人參播種機(jī)的文獻(xiàn)報道可知，國內(nèi)外人參種植農(nóng)藝差異大，進(jìn)口人參播種機(jī)對我國農(nóng)藝不適用且價格昂貴。國內(nèi)對人參播種機(jī)械的研究多集中于氣力式和機(jī)械式：氣力式人參播種機(jī)械的研究以氣吸針式和氣吸滾筒式為主，作業(yè)過程功率消耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且均處在實(shí)驗(yàn)室階段；機(jī)械式播種機(jī)械的研究以型孔式和半自動機(jī)械為主，型孔式易傷種，播種前需要對種子分級，對種子適應(yīng)性差，半自動機(jī)械勞動強(qiáng)度大。因此，選擇適用人參種子的傷種率低、結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)械式精密排種器，是研究人參精密排種器的前提[2-4]。鏈勺式排種技術(shù)利用鏈條帶動種勺舀種，具有對種子形狀適用性強(qiáng)、易充種和易實(shí)現(xiàn)單粒排種等特點(diǎn)，且在充種過程中對種子無剪切載荷、損傷率低，已成為國內(nèi)外解決形狀不規(guī)則種子的主要排種技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用于馬鈴薯、大蒜、甘蔗等種子形狀不規(guī)則的作物精密播種中[5-12]。但是將鏈勺式精密排種器應(yīng)用到人參等中、小粒徑種子作物的精密播種研究中，鮮有報道。

鏈勺式精密排種器中排種鏈條的運(yùn)動狀態(tài)不僅影響著種子的運(yùn)動狀態(tài)，也是影響排種器充種性能的重要因素。由于種子在鏈勺式排種器中受顆粒力學(xué)系統(tǒng)和多體動力學(xué)系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)的共同作用，用數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確描述種子的運(yùn)動特性及排種器排種鏈條的運(yùn)動狀態(tài)，需要使用輔助軟件進(jìn)行分析[13-15]。近年來，隨著離散元法(DEM)和多體動力學(xué)(MBD)的發(fā)展，DEM-MBD耦合數(shù)值模擬技術(shù)已在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[16-17]。因此，構(gòu)建基于DEM-MBD耦合的鏈勺式人參精密排種器仿真體系，分析人參種子在鏈勺式排種器多體動力學(xué)系統(tǒng)下的受力情況和運(yùn)動狀態(tài)，提高鏈勺式排種器充種性能和實(shí)現(xiàn)零傷種成為本文研究的關(guān)鍵。

針對上述問題，研制一種鏈勺式人參精密排種器，以DEM-MBD耦合仿真為技術(shù)手段，探索鏈勺式排種器的充種機(jī)理，優(yōu)化排種器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)來提高鏈勺式排種器的工作性能，并通過臺架試驗(yàn)對排種器的工作性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期為鏈勺式排種器設(shè)計提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)，并解決人參精密播種中存在的充種困難、易傷種的難題。

1 排種器工作原理與充種過程分析

1.1 排種器工作原理

鏈勺式人參精密排種器為單行單體式排種器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器主要由排種器殼體、護(hù)種板、主動鏈輪、排種鏈條、種勺、排種鏈輪、從動鏈輪和種箱等組成。

如圖2，排種器工作時，人參種子在重力和種間作用力的共同作用下流入種箱充種區(qū)；動力從主動鏈輪輸入帶動排種鏈條轉(zhuǎn)動，充種區(qū)一側(cè)的排種鏈條向上運(yùn)動，鏈條上的種勺依次進(jìn)入充種區(qū)，充種區(qū)內(nèi)待充種子在重力與種間作用力的共同作用下充入種勺的型孔內(nèi)；完成充種的種勺在突破種層后攜種繼續(xù)向上運(yùn)動的過程中，冗余的種子受排種鏈鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的抖動、排種鏈條運(yùn)行速度、種勺托持力、種子自身重力和種間摩擦力共同作用的影響落回種箱；種勺運(yùn)動至最高點(diǎn)翻越主動鏈輪，型孔內(nèi)的種子受到重力和離心力的作用脫離型孔落至前一個種勺的底部，并進(jìn)入護(hù)種區(qū)；護(hù)種區(qū)內(nèi)，位于種勺底部的種子處在相鄰兩個種勺與護(hù)種板形成的獨(dú)立空間內(nèi)，隨著鏈條的運(yùn)動至投種區(qū)點(diǎn)，種子失去支持力自由落體至種溝內(nèi)；種勺繞過排種鏈輪經(jīng)從動鏈輪翻轉(zhuǎn)進(jìn)入下一個循環(huán)，完成整個排種過程。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Work diagram of seed-metering device1.排種器殼體 2.護(hù)種板 3.主動鏈輪 4.排種鏈條 5.種勺 6.排種鏈輪 7.從動鏈輪 8.擋種毛刷 9.種箱 10.型孔 11.種子

1.2 排種器充種過程分析

排種器的充種過程是影響排種器播種精度的重要環(huán)節(jié)。排種器在工作時，根據(jù)種子的受力狀態(tài)和所處位置的變化規(guī)律，可將充種過程分為脫離種群和種子回填兩個階段。

脫離種群階段：種子在自身重力、種子間作用力和種子與種勺間作用力的共同作用下充入種勺的型孔內(nèi)，充入種勺的目標(biāo)種子與種群形成隔離，并隨著種勺的運(yùn)動脫離種群。為在該階段提高排種器的充種性能與充種精度，應(yīng)結(jié)合人參種子的形狀與尺寸和最小勢能原理，設(shè)計種勺型孔進(jìn)而使更多的種子以穩(wěn)定狀態(tài)充入型孔[4]。

種子回填階段：充種狀態(tài)下的種勺占據(jù)了種群一定空間，使種群形成了瞬時“空穴”，隨著種勺在種群中運(yùn)動，種子在自身重力和種間作用力的共同作用下流入“空穴”，為下一個種勺的充種做準(zhǔn)備。種子回填不及時直接影響下一個種勺的充種，且排種器作業(yè)速度越快，充種效果越差。為在該階段提高排種器的充種性能，將排種器設(shè)計成傾斜充種。傾斜充種改變了兩個種勺間的空間結(jié)構(gòu)，改變了種群回填流動方向，增大了種子回填數(shù)量，為下一個種勺的充種提供了待充條件，如圖3所示。

圖3 不同充種方式對種群的影響Fig.3 Effects of different filling methods on population1.排種鏈條 2.種勺 3.充種區(qū)內(nèi)種子

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 排種鏈條選型

排種鏈條屬于與種子直接接觸部件，為防止鏈條卡種，所選鏈條的滾子間隙及鏈板內(nèi)寬與人參種子三軸尺寸有直接關(guān)系。播種時催芽人參種子的長、寬、厚分別為4.05～6.50 mm、2.19～5.72 mm、2.08～3.60 mm；其三軸尺寸長、寬、厚平均值Lave、Wave、Have分別為5.8、4.7、3.0 mm，球度Sp為74.84%，呈“腎形”扁平狀[4]。參考GB/T 1243―2006《傳動用短節(jié)距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》選擇04C鏈號的鏈條作為排種鏈條，04C鏈條主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1，主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

表1 04C鏈條主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of 04C chain

圖4 04C鏈條結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of 04C chain structure

2.2 種勺結(jié)構(gòu)與分布設(shè)計

種勺是鏈勺式人參精密排種器將單粒人參種子從種群分離，并將種子平穩(wěn)輸送到投種區(qū)完成排種過程的關(guān)鍵部件。為防止型孔外緣“托種”造成重播，并保證種勺底部與護(hù)種板形成獨(dú)立空間，因此將種勺設(shè)計成“天圓地方”結(jié)構(gòu)。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括型孔尺寸、種勺傾角和種勺形體尺寸。種勺結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中A1、B1、C1分別為種勺長度、寬度、高度，A、B、C分別為型孔長度、寬度、深度，θ為種勺傾角。

圖5 種勺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of seed spoon structure

2.2.1型孔尺寸

種勺型孔的形狀和尺寸取決于種子的形狀和尺寸，是影響充種性能的重要因素。根據(jù)催芽后人參種子的三軸尺寸和最小勢能原理可知，種子“平躺”狀態(tài)為最穩(wěn)定狀態(tài)，種子在擾動狀態(tài)下以最穩(wěn)定狀態(tài)充入型孔的幾率最高[18]。其中型孔的長度、寬度和深度應(yīng)滿足

(1)

式中Lmax——人參種子長度最大值，mm

Wmax——人參種子寬度最大值，mm

Hmax——人參種子厚度最大值，mm

Hmin——人參種子厚度最小值，mm

結(jié)合人參種子的三軸尺寸和形狀，為使充種更加順利，在參數(shù)范圍內(nèi)A、B、C盡可能取最大值，因此選擇種勺的型孔長度A、寬度B、深度C分別為7.5、6.0、3.5 mm的“D形孔”結(jié)構(gòu)。

2.2.2種勺傾角

種勺傾角為種勺運(yùn)動方向的法向與種勺底部平面的內(nèi)夾角。種勺傾角具有種勺在完成充種而突破種層后，攜種繼續(xù)向上運(yùn)動的過程中清種的作用。為防止種勺在充種過程中過多攜帶種子，應(yīng)滿足

θ≥90°-α

(2)

式中α——充種傾角，(°)

選擇種勺型孔完全突破種層時刻，以種勺所攜帶的型孔外的種子為研究對象，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和靜力學(xué)分析，如圖6所示。

圖6 種勺攜帶型孔外種子運(yùn)動學(xué)和靜力學(xué)分析Fig.6 Kinematics and static analysis of seed spoon carrying type outside hole seeds

根據(jù)運(yùn)動學(xué)分析可知，種勺攜帶型孔外種子的牽連加速度ae和相對加速度ar的方向分別與種勺運(yùn)動方向和種勺傾角有關(guān)。保證種勺傾角具有自動清種能力，應(yīng)滿足種勺攜帶型孔外種子的絕對加速度aa在Oxy坐標(biāo)系第一象限內(nèi)。所以，對種勺攜帶型孔外種子進(jìn)行靜力學(xué)分析，應(yīng)滿足

(3)

(4)

式中β——型孔相對傾角，(°)

φabs——種子與種勺材料最大摩擦角，(°)

FN——種勺攜帶型孔外種子所受正壓力，N

f——種勺攜帶型孔外種子所受摩擦力，N

μs——人參種間動摩擦因數(shù)

m——人參種子質(zhì)量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2

試驗(yàn)測得種子與種勺材料的最大摩擦角φabs=24.6°(種勺使用ABS塑料注塑而成)，人參種子間的動摩擦因數(shù)μs=0.613，因此得到型孔相對傾角β為4.97°～24.6°，種勺傾角θ需要充種傾角α確定后才能確定。

2.2.3種勺形體尺寸

種勺形體尺寸取決于鏈條附板寬度、型孔尺寸、種勺傾角、種勺分布和充種傾角等因素，決定著排種器尺寸，是影響充種效果的重要因素。根據(jù)圖5結(jié)合2.1節(jié)和2.2.1節(jié)內(nèi)容，種勺形體尺寸需滿足

(5)

式中b4——單排鏈條銷軸長度，mm

h2——鏈條內(nèi)鏈板高度，mm

h3——鏈條附板高度，mm

w3——鏈條附板寬度，mm

p——04C鏈條節(jié)距，mm

根據(jù)表1中04C鏈條主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和式(5)確定種勺長度A1為11 mm，種勺寬度B1為11 mm，種勺高度C1為16 mm，在種勺貼近鏈條一側(cè)的型孔上部設(shè)計“塔形”過渡凸起，防止種勺與鏈條貼合處卡種。

2.2.4種勺分布

理想狀態(tài)下，單粒播種在相同時間內(nèi)落入種溝的人參種子數(shù)量等于排種器排出種子的數(shù)量，滿足

(6)

式中v1——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

v——排種鏈條線速度，m/s

S——理論株距，mm

l——種勺間距，mm

Δt——落種時間間隔，s

人參播種株距介于25～50 mm，機(jī)械自走式播種機(jī)速度一般為1～2 km/h，為保證充種質(zhì)量，排種鏈條線速度不超過0.55 m/s[19]，經(jīng)計算，在播種機(jī)極限速度下，種勺分布間距為24.75～49.5 mm；結(jié)合種勺安裝在鏈條附板上的排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計，種勺分布間距應(yīng)滿足24.75 mm≤2np≤49.5 mm(n為鏈節(jié)數(shù))。鏈條節(jié)距為6.35 mm，n可取2和3，為提高鏈條利用率和使鏈條轉(zhuǎn)速最小化，n取2。故種勺分布間距l(xiāng)為25.4 mm。

2.3 充種傾角

由1.2節(jié)充種過程分析可知，傾斜充種可有效提高排種器的充種性能，結(jié)合2.2.3節(jié)種勺分布設(shè)計，充種區(qū)鏈條與種勺結(jié)構(gòu)如圖7。為使充種區(qū)種子更順暢地流入兩個種間，應(yīng)滿足

圖7 傾斜充種示意圖Fig.7 Schematic of inclined seed filling

(7)

式中Wt——種子流入通道寬度，mm

φ——種子自然休止角，(°)

試驗(yàn)測得種子自然休止角φ為30.05°，故得到充種傾角30.05°≤α≤75.17°，將護(hù)種段的鏈條運(yùn)動方向設(shè)計成垂直地面方向，可以使種子更穩(wěn)定地落入種溝內(nèi)，排種鏈條布置如圖8。為了提高排種鏈條在充種段的利用率，充種傾角為45°≤α≤75.17°。

圖8 排種鏈條布置示意圖Fig.8 Schematic of chain of seeding

2.4 主動鏈輪

人參種子在隨著種勺翻越主動鏈輪過程中，若所受的慣性力過大，則會被甩出種勺，無法進(jìn)入護(hù)種板，造成漏播。對翻越主動鏈輪時種勺內(nèi)的種子進(jìn)行受力分析，如圖9所示。

圖9 翻越主動鏈輪時種勺內(nèi)的種子受力分析Fig.9 Stress analysis of seeds in seed spoon when climbing over driving sprocket

以人參種子質(zhì)心為原點(diǎn)，垂直于種子與勺壁接觸面指向勺壁方向?yàn)閤軸正向，垂直于x軸指向種子具有運(yùn)動趨勢的方向?yàn)閥軸正向，建立直角坐標(biāo)系，則臨界狀態(tài)下保證種子不被甩出應(yīng)滿足

(8)

其中

(9)

式中 ∑Fx——種子在x方向所受合力，N

∑Fy——種子在y方向所受合力，N

FI——轉(zhuǎn)動慣性力，N

Ff——種子與種勺間的摩擦力，N

Fn——種勺壁對種子支持力，N

γ——FI與x軸正向夾角，(°)

δ——重力與x軸負(fù)向夾角，(°)

R——轉(zhuǎn)動半徑，mm

μ——種子與種勺間的摩擦因數(shù)

d——主動鏈輪分度圓直徑，mm

聯(lián)立公式(8)、(9)得

(10)

當(dāng)種勺間距l(xiāng)=25.4 mm時，根據(jù)公式(6)計算得排種鏈條最大線速度vmax=0.56 m/s，分度圓直徑應(yīng)滿足d≥53 mm，即當(dāng)FI與mg共線時d=53 mm，較大的分度圓直徑可減小鏈條的彎曲應(yīng)力，綜合考慮，確定主動鏈輪分度圓直徑d=56.71 mm，即28齒。

2.5 排種鏈條張緊裝置

張緊裝置是保證鏈勺式排種器充種、排種穩(wěn)定和保護(hù)排種器各部件在工作過程中不被損壞的重要部件。排種鏈條的充種、清種段和過渡段易受外力影響，參考《機(jī)械設(shè)計手冊》鏈傳動布置與張緊，將從動鏈輪設(shè)計為張緊輪，張緊方向在排種鏈條充種、清種段和過渡段的角分線上，如圖10a所示。張緊方式為彈簧自動張緊[20]，從動鏈輪張緊采用雙彈簧對稱張緊方式，如圖10b所示，結(jié)合排種器結(jié)構(gòu)和常用彈簧參數(shù)，選擇彈簧線徑dm為1.5 mm、彈簧外徑Dm為10 mm、自由長度Lf為35 mm的不銹鋼彈簧，設(shè)計彈簧壓縮量Xc為5 mm時，應(yīng)滿足

圖10 排種鏈條張緊示意圖Fig.10 Schematics of tension of seeding chain

(11)

式中Fs——彈簧張緊力，N

G——不銹鋼絲的剛性模數(shù)，取7 300 N/mm

k——彈簧剛度，N/mm

Nc——彈簧有效圈數(shù)

由此可知彈簧的有效圈數(shù)決定了彈簧剛度系數(shù)，彈簧剛度系數(shù)需根據(jù)張緊力確定。鏈傳動系統(tǒng)的張緊力決定著鏈傳動系統(tǒng)的使用壽命和排種鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的抖動量。鏈條的抖動量直接影響排種器的充種性能，因此張緊力的大小需要進(jìn)一步分析排種器的充種效果和鏈傳動系統(tǒng)的使用壽命而確定。所以，張緊力Fs、彈簧剛度k和彈簧的有效圈數(shù)Nc，需要進(jìn)一步試驗(yàn)分析后確定。

2.6 種層高度

如圖2所示，種層高度是影響充種、清種效果的關(guān)鍵因素。在排種鏈條的充種、清種段，為保證充種效果，種層高度應(yīng)至少高過1個種勺；為保證清種效果，種層高度不高過充種、清種段長度的二分之一。本文結(jié)合排種器結(jié)構(gòu)，定義充種、清種段長度為Lc=250 mm，為此種層高度應(yīng)滿足

(12)

式中Hs——種層高度，mm

αmax——充種傾角最大值，(°)

根據(jù)2.3節(jié)可知，充種傾角最大值為75.17°，故由式(12)得到15.47 mm≤Hs≤120.84 mm，考慮種箱底部安裝有擋種毛刷的影響，本文種層高度為20 mm≤Hs≤120 mm。

3 基于DEM-MBD耦合仿真試驗(yàn)

離散元法(Discrete element method, DEM)和多體動力學(xué)(Model based definition, MBD)近年來開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，在鏈勺式排種器中，種子以顆粒的形式受隨鏈條運(yùn)動的種勺的作用將種子從種群分離。由于排種器工作中種子顆粒受種間作用力影響，需要應(yīng)用離散元進(jìn)行分析；排種鏈條在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中具有振動特性，需要應(yīng)用多體動力學(xué)進(jìn)行分析；待播種子的運(yùn)動軌跡與鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡大致相同，且常用的離散元仿真軟件和多體動力學(xué)仿真軟件無法單獨(dú)完成上述要求，因此采用DEM-MBD耦合的方法進(jìn)行分析。

3.1 仿真模型建立

在DEM-MBD耦合仿真試驗(yàn)中，離散元仿真軟件使用EDEM，近年來EDEM在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛；多體動力學(xué)仿真軟件使用RecurDyn (Recursive Dynamic)，RecurDyn是由韓國FunctionBay公司開發(fā)的新一代多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件。它采用相對坐標(biāo)系運(yùn)動方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解大規(guī)模的多體系統(tǒng)動力學(xué)問題[21-22]。

3.1.1多體動力學(xué)模型

利用RecurDyn多體動力學(xué)軟件可以實(shí)現(xiàn)鏈勺式排種器中排種鏈的傳動，并利用其后處理功能，對排種鏈條的運(yùn)動特性進(jìn)行分析。

排種鏈系統(tǒng)的機(jī)械傳動相對復(fù)雜，其中鏈節(jié)眾多，各鏈節(jié)中又包括內(nèi)鏈板、外鏈板、附板、銷軸、套筒和滾子等零部件，因此在RecurDyn中直接建立鏈傳動模型不太容易實(shí)現(xiàn)。因此，利用三維建模軟件NX.建立模型，為提高建模效率和后期仿真效率，故將模型簡化。在NX.中完成建模與裝配后，把裝配好的排種鏈系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為step格式導(dǎo)入到RecurDyn中進(jìn)行動力學(xué)仿真。

在多體動力學(xué)仿真過程中可將對仿真結(jié)果不產(chǎn)生影響的零件省去或者簡化，以此減少仿真過程中不必要約束的添加和數(shù)量，提高仿真效率。因此將排種鏈多體動力學(xué)仿真模型的各零部件簡化為：內(nèi)鏈板與套筒、滾子合為內(nèi)鏈節(jié)，外鏈板(或附板)、銷軸合為外鏈節(jié)(或附板鏈節(jié))。簡化后排種鏈條各部件及裝配三維模型如圖11所示。

圖11 簡化后排種鏈條各部件及裝配三維模型Fig.11 Simplified 3D model of all components and assembly of rear type chain

將裝配好的排種器模型所生成的step格式模型文件導(dǎo)入至RecurDyn中，如圖12。使用Library模塊將排種鏈條、鏈輪和種箱設(shè)定為steel；由于種勺、排種器殼體和護(hù)種板為ABS材料，故使用Density模塊將種勺、排種器殼體和護(hù)種板的密度設(shè)置為1.25×10-6kg/mm3。

圖12 導(dǎo)入RecurDyn中的排種器模型Fig.12 Imported seed platter model in RecurDyn

鏈勺式排種器工作過程中，主動鏈輪旋轉(zhuǎn)，鏈條通過與鏈輪輪齒嚙合，帶動種勺完成充種、清種、攜種、護(hù)種和排種功能。因此，在RecurDyn中需要添加約束，添加的主要約束為：主動鏈輪、排種鏈輪和從動鏈輪分別以Ground為參考系添加旋轉(zhuǎn)副；排種殼體、護(hù)種板和種箱分別以Ground為參考系添加固定副；內(nèi)鏈節(jié)分別與主動鏈輪、排種鏈輪和從動鏈輪之間添加接觸副；內(nèi)鏈節(jié)分別與外鏈節(jié)或附板鏈節(jié)之間添加旋轉(zhuǎn)副；種勺與附板鏈節(jié)之間添加固定副。在主動鏈輪的旋轉(zhuǎn)副上添加驅(qū)動函數(shù)，考慮與EDEM耦合時，生成種子期間排種器不工作，故選用IF(time-t1:0,0,x*pi) 驅(qū)動函數(shù)，其含義：在t1前主動鏈輪轉(zhuǎn)速為0，在t1后主動鏈輪轉(zhuǎn)速為x(rad/s)，pi代表圓周率[21]。

3.1.2離散元模型

在保證EDEM與RecurDyn耦合接口連接情況下，由于離散元仿真中，鏈輪不參與仿真，因此利用RecurDyn中External SPI功能模塊下的EDEM接口模塊將各鏈節(jié)、種勺排種器殼體、護(hù)種板和種箱以wall文件形式導(dǎo)出，然后通過EDEM中Geometries模塊下的Import Geometry from RecurDyn功能將生成的wall文件導(dǎo)入EDEM，導(dǎo)入EDEM排種器模型如圖13所示。

圖13 導(dǎo)入EDEM中的排種器模型Fig.13 Imported seed planter model in EDEM

仿真試驗(yàn)所采用的顆粒模型，采用長白山地區(qū)常見的“大馬牙”人參種子。種子顆粒通過逆向工程技術(shù)得到三維模型后導(dǎo)入EDEM，并通過顆?？焖偬畛涔δ埽玫椒N子的多球面聚合顆粒模型，如圖14。

圖14 人參種子Fig.14 Ginseng seed

顆粒-顆粒和顆粒-排種器模型的接觸模型均為Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。排種器與種子接觸的部件有排種器殼體、護(hù)種板、排種鏈條、種勺和種箱，其中排種器殼體、護(hù)種板和種勺為ABS注塑件，排種鏈條和種箱為不銹鋼件。經(jīng)參數(shù)標(biāo)定后，種子顆粒、鋼材和ABS塑料的本征參數(shù)及相互間的接觸參數(shù)如表2所示[4]。

表2 離散元仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of EDEM

3.2 單因素仿真試驗(yàn)

為使鏈勺式排種器設(shè)計參數(shù)進(jìn)一步具體化，基于DEM-MBD耦合對排種器的工作性能進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)分析。根據(jù)第2節(jié)對關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計，結(jié)合現(xiàn)有鏈勺式排種器的研究成果，固定主動鏈輪轉(zhuǎn)速為89.29 r/min(即株距為4 cm，作業(yè)速度為1.5 km/h時的作業(yè)頻率為625次/min)、種層高度為85 mm，充種傾角為70°，型孔相對傾角為0°，對排種鏈條張緊力、充種傾角、型孔相對傾角和種層高度進(jìn)行分析[23]。

試驗(yàn)中以充種單粒率(1粒/勺)和漏充率(0粒/勺)為試驗(yàn)指標(biāo)。充種區(qū)內(nèi)種子數(shù)量和種勺外側(cè)種間相對運(yùn)動狀態(tài)是影響充種性能的重要因素，因此結(jié)合EDEM后處理功能，采用充種區(qū)種子回填質(zhì)量和種勺外種間法向力分別衡量不同時步下種子回填效果和種勺外側(cè)種間相對運(yùn)動狀態(tài)，其中充種區(qū)種子回填質(zhì)量越大，充種效果就越好。為監(jiān)測充種區(qū)局部種子質(zhì)量和種勺外局部種群相對運(yùn)動狀態(tài)，需要在種群中建立監(jiān)測器，如圖15，其中監(jiān)測器1監(jiān)測充種區(qū)局部種子質(zhì)量，監(jiān)測器2監(jiān)測種勺外局部種群相對運(yùn)動狀態(tài)。如圖16所示，工作狀態(tài)的種勺與監(jiān)測器1的相對位置變化，可由充種區(qū)局部種子質(zhì)量變化曲線分為充種過程和種子回填過程。

圖15 仿真試驗(yàn)建立的監(jiān)測器Fig.15 Established monitors in simulation test

圖16 種勺與監(jiān)測器1相對位置示意圖Fig.16 Schematic of relative position of planting spoon and bin group 11.種勺 2.監(jiān)測器1

耦合仿真試驗(yàn)中，在EDEM中設(shè)置DEM的Rayleigh時間步長為1%，在RecurDyn中設(shè)置仿真總時長為13 s，步長為500步，每組試驗(yàn)做3次，每次統(tǒng)計100個種勺的取種情況。

3.2.1排種鏈條張緊力

根據(jù)2.5節(jié)的理論分析和3.1節(jié)中建模方法，在從動鏈輪上添加張緊桁架，并沿張緊方向添加外施恒力載荷，如圖17。

圖17 DEM-MBD耦合張緊載荷示意圖Fig.17 Schematic of DEM-MBD coupling tension load

根據(jù)04C單排鏈條測量力為50 N，分析外施載荷分別為10、20、30、40、50 N時對排種器工作性能的影響，仿真結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3可知，隨著載荷增大，充種單粒率先增加后減小，漏充率減小。為進(jìn)一步分析排種鏈條張緊力對充種性能的影響，利用RecurDyn后處理功能，分別分析不同載荷下，目標(biāo)種勺在充種、清種過程排種鏈條法向位移(即充種、清種段鏈條的抖動量)和鏈條與主動鏈輪嚙合時嚙合沖擊力，利用EDEM后處理功能，分別分析不同張緊力下，充種區(qū)局部種子回填質(zhì)量和種勺外局部種群運(yùn)動狀態(tài)，如圖18。

表3 排種鏈條不同載荷下的仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of seeding chain under different loads %

圖18 不同張緊力對鏈傳動系統(tǒng)和種群的影響Fig.18 Influence of different loads on chain drive system and population

由圖18、表3可知，隨著載荷的增加，鏈條抖動量減小，鏈條與主動鏈輪的嚙合沖擊力增大；鏈條抖動量越小，充種區(qū)局部種子回填質(zhì)量越穩(wěn)定，種勺外局部種群單粒種子平均法向力越小，且平均法向力波動越小，越有利于充種。當(dāng)載荷為50 N時，單粒率下降，漏充率最低，因?yàn)榕欧N鏈條抖動量越小越不利于清種。因此，充分利用鏈條工作時所產(chǎn)生的振動，使其有利于清種，為使鏈條鏈輪嚙合沖擊力適當(dāng)，延長鏈傳動系統(tǒng)的使用壽命，故確定鏈條張緊力為30～40 N。

結(jié)合2.5節(jié)理論分析，當(dāng)選擇彈簧有效圈數(shù)Nc為8時，確定彈簧剛度k為3.40 N/mm，排種鏈條張緊力Fs為34 N。

3.2.2充種傾角

根據(jù)1.2節(jié)中對鏈勺式排種器充種過程分析和2.3節(jié)中充種傾角的參數(shù)化設(shè)計結(jié)果，結(jié)合3.2.1節(jié)得出的排種鏈條張緊力研究結(jié)果，分析充種傾角為45°、55°、65°、75°、90°(即無充種傾角)時對排種器工作性能的影響，仿真結(jié)果如表4所示。

表4 不同充種傾角下的仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different filling angles %

由表4可知，隨著充種傾角的增大，充種單粒率先增大后減小，漏充率增大，單粒率的變異系數(shù)增大，漏充率變異系數(shù)先增大后減小，當(dāng)無充種傾角時，漏充率最高。為進(jìn)一步分析充種傾角對鏈勺式排種器充種單粒率的影響，在EDEM中分別導(dǎo)出不同試驗(yàn)充種區(qū)局部種子質(zhì)量和種勺外局部種群單粒種子平均法向力，如圖19所示。隨著充種傾角的增大，充種區(qū)局部種子質(zhì)量增大，種勺外局部種群單粒種子平均法向力減小，平均法向力波動減小。所以，較小的充種傾角，有利于充種區(qū)種子回填，有利于種勺外種群流動，有利于充種。隨著充種傾角的增大，充種單粒率先增大后減小，充種漏充率減小，主要因?yàn)檩^小的充種傾角增大了充種復(fù)充率(≥2粒/勺)，因此驗(yàn)證了一定范圍內(nèi)的充種傾角可提高排種器的工作性能。為保證充種單粒率最大，充種漏充率最小，故選定充種傾角為65°～75°。

圖19 不同充種傾角對種群的影響Fig.19 Influence of different filling angle on population

3.2.3型孔相對傾角

根據(jù)2.2.2節(jié)對種勺傾角的理論設(shè)計，結(jié)合3.2.1節(jié)和3.2.2節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，分析型孔相對傾角為0°(即無型孔相對傾角時)、5°、10°、15°、20°、25°對排種器工作性能的影響，仿真結(jié)果如表5所示。

表5 不同型孔相對傾角下的仿真結(jié)果Tab.5 Simulation results of different hole inclination compensation angles %

由表5可知，隨著種勺傾角的增大充種單粒率先增大后減小，漏充率增大，單粒率變異系數(shù)均相對穩(wěn)定。當(dāng)型孔相對傾角為0°時，單粒率和漏充率均相對較低，因?yàn)樵谇宸N過程中，利用排種鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的抖動不易清掉種勺中復(fù)充的種子；當(dāng)型孔相對傾角為25°時，排種鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的抖動，致使種勺囊種效果變差，漏充率增大，充種單粒率不穩(wěn)定。由此可知，型孔相對傾角有利于結(jié)合排種鏈條的運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的抖動進(jìn)行清種，但是型孔相對傾角過大，會降低排種器的單粒率，并使單粒率的變異系數(shù)增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選定型孔相對傾角為5°。

3.2.4種層高度

種層高度是影響充種過程和清種過程的重要因素，決定著種箱結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計。結(jié)合3.2.1～3.2.3節(jié)的單因素仿真試驗(yàn)分析，為保證充種效果和保證排種鏈條運(yùn)行所產(chǎn)生的抖動具有清種效果，需滿足20 mm≤Hs≤120 mm。為此分析種層高度為20、45、70、95、120 mm時對排種器充種和清種效果的影響，仿真結(jié)果如表6所示。

表6 不同種層高度下的仿真結(jié)果Tab.6 Simulation results of different seed heights %

隨著同時處于種群內(nèi)種勺數(shù)量的增加，單粒率先增大后減小，漏充率較小，當(dāng)種層高度為70 mm和95 mm時，單粒率變異系數(shù)相對穩(wěn)定；當(dāng)種層高度為20 mm時，漏充率最大，說明較小的種層高度不利于充種；當(dāng)種層高度為120 mm時，漏充率最小，單粒率相對減小，說明較大的種層高度導(dǎo)致種勺復(fù)充，不利于清種。結(jié)合圖20可知，隨著種層高度的增加，充種區(qū)局部種子質(zhì)量增大，種勺外單粒種子的平均法向力先減小后增大，種層高度的增加有利于在充種過程中種子回填，種勺外種群狀態(tài)更加穩(wěn)定，當(dāng)種層高度為20 mm時，單粒種子的平均法向力最大，是因?yàn)榉N層高度最小，種子間相互壓力最小，種群流動時最活躍，導(dǎo)致法向力波動較大；當(dāng)種層高度為120 mm時，種層高度最大，種子間壓力最大，種群流動時更加穩(wěn)定，法向力波動較小。故選擇種層高度為70～95 mm。

圖20 不同種層高度對種群的影響Fig.20 Influence of different seed heights

3.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

為進(jìn)一步研究主動鏈輪轉(zhuǎn)速、充種傾角和種層高度對鏈勺式排種器工作性能的影響，基于關(guān)鍵部件及工作參數(shù)設(shè)計和單因素仿真試驗(yàn)所確定的設(shè)計參數(shù)，進(jìn)一步研究各因素對排種器工作性能的影響。試驗(yàn)因素編碼如表7所示，試驗(yàn)設(shè)計方案與試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，其中X1、X2、X3分別為主動鏈輪轉(zhuǎn)速、充種傾角、種層高度的編碼值，試驗(yàn)指標(biāo)Y1、Y2、Y3分別為單粒率、復(fù)充率、漏充率。

表7 試驗(yàn)因素編碼Tab.7 Experimental factors and codes

表8 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.8 Experiment design and results

利用Design-Expert 12.0.3軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，其中試驗(yàn)結(jié)果Y2≤8.67%，結(jié)合本文研究重點(diǎn)為設(shè)計鏈勺式排種器，解決人參種子在播種過程中充種困難的問題，因此只對鏈勺式人參精密排種器充種的單粒率和漏充率進(jìn)行方差分析。表9為單粒率與漏充率方差分析，其中二次回歸模型均高度顯著(P<0.01)，失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬，剔除不顯著影響因素后，得到Y(jié)1、Y3的回歸方程

(13)

(14)

表9 單粒率與漏充率方差分析Tab.9 Variance analysis of single grain rate and leakage rate

由表9可知，三因素對單粒率影響的主次順序?yàn)橹鲃渔溳嗈D(zhuǎn)速、充種傾角、種層高度，其中主動鏈輪轉(zhuǎn)速與充種傾角間存在的交互作用不容忽視，二者響應(yīng)曲面如圖21a所示。在低轉(zhuǎn)速區(qū)單粒率隨充種傾角的增大先增大后減小，在高轉(zhuǎn)速區(qū)單粒率隨充種傾角的增大先增大后減小；在充種傾角較小區(qū)單粒率隨轉(zhuǎn)速的增大先增大后減小，在充種傾角較大區(qū)單粒率隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，因此二者具有顯著的相關(guān)性。三因素對漏充率影響的主次順序?yàn)榉N層高度、充種傾角、主動鏈輪轉(zhuǎn)速，其中種層高度與充種傾角間存在的交互作用不容忽視，二者響應(yīng)曲面如圖21b所示。在種層高度較小區(qū)漏充率隨充種傾角的增大而增大，在種層高度較大區(qū)漏充率隨充種傾角的增大而增大；在充種傾角較小區(qū)漏充率隨種層高度的增大而增大，在充種傾角較大區(qū)漏充率隨著種層高度的增加先減小后增大，因此二者具有顯著的相關(guān)性。

圖21 試驗(yàn)因素交互作用對單粒率和漏充率影響的響應(yīng)曲面Fig.21 Influence of interaction on single grain rate and leakage rate

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果目標(biāo)優(yōu)化

為在水平約束條件下尋求各因素的最優(yōu)組合，仍將單粒率和漏充率作為評價指標(biāo)，結(jié)合因素邊界條件建立數(shù)學(xué)模型，并對評價指標(biāo)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)化求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(15)

以單粒率最高和漏充率最低為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，經(jīng)求解得主動鏈輪轉(zhuǎn)速為79.10 r/min、充種傾角為71.73°、種層高度為84.28 mm時性能最優(yōu)，單粒率為95.68%、復(fù)充率為3.57%、漏充率為0.75%。

4 排種器臺架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

按照理論設(shè)計參數(shù)和仿真試驗(yàn)優(yōu)化后的參數(shù)，排種器殼體、護(hù)種板和種勺均使用ABS材料，由霸州市海寶科技有限公司經(jīng)模具制造和注塑成型工藝加工而成，其中排種器外殼的充種傾角為72°，種勺傾角為23°；種箱由不銹鋼材料經(jīng)折彎和焊接工藝加工而成，如圖22所示。試驗(yàn)所使用的種子選取裂口率在95%以上、胚率在80%以上、含水率為40%左右的長白山“大馬牙”人參種子。

圖22 試驗(yàn)用排種器Fig.22 Seed-metering device used in test

4.2 臺架試驗(yàn)

試驗(yàn)在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備實(shí)驗(yàn)室的JPS-12型視覺排種器性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖23所示。試驗(yàn)時選擇3個排種器同時試驗(yàn)，固定行距為15 cm，設(shè)置排種器主動鏈輪工作轉(zhuǎn)速為79.10 r/min，種層高度為84 mm。

圖23 排種器性能試驗(yàn)裝置Fig.23 Seed-metering device performance test1.計算機(jī)Ⅰ 2.控制柜 3.傳送帶 4.計算機(jī)Ⅱ 5.電機(jī) 6.鏈勺式人參精密排種器 7.排種軸 8.高速攝像裝置 9.補(bǔ)光燈

4.2.1充種性能試驗(yàn)

為方便觀察排種器的充種情況，選擇排種鏈條的充種、清種段上端將要與主動鏈輪嚙合處為觀測點(diǎn)，使用合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司提供的千眼狼5F01M型高速攝像機(jī)拍攝種勺的充種情況，待排種器工作穩(wěn)定后取200個種勺統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，鏈勺式人參精密排種器充種單粒率為94.33%，其變異系數(shù)為0.81%；漏充率為1.17%，其變異系數(shù)為24.74%，充種性能穩(wěn)定，3排排種器間的差異性不大，結(jié)果與仿真試驗(yàn)吻合，基于DEM-MBD耦合對鏈勺式人參精密排種器的仿真試驗(yàn)可靠。通過分析高速攝像的記錄，可以看出種子多以“平躺”姿態(tài)囊入種勺，復(fù)充情況均是兩粒種子豎直并列充入型孔，未出現(xiàn)一個種勺充種數(shù)量大于等于3粒種子的情況。

4.2.2工作性能試驗(yàn)

為研究排種器的工作性能和播種分布均勻性，調(diào)整落種點(diǎn)與傳動帶的高度為75 mm，設(shè)置傳動帶速度為0.37 m/s(播種株距按4 cm計算，機(jī)具工作速度為1.33 km/h)，控制油泵在傳送帶上刷油，待排種穩(wěn)定后，按照最小測定區(qū)段10 m(250個粒距)測量，統(tǒng)計區(qū)段內(nèi)種子數(shù)量和傷種數(shù)量[24]，如圖24所示，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

圖24 分段測量Fig.24 Sectional measurement

表10 分段測量試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Test results of sectional measurement

由表10可知，排種器行內(nèi)排種量分布均勻性的變異系數(shù)為1.40%，損傷種子數(shù)量均值為0.33，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.32，其變異系數(shù)為31.67%，表明鏈勺式人參精密排種器工作性能較好，基本達(dá)到零傷種標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種鏈勺式人參精密排種器。通過對充種過程中種子受力情況和運(yùn)動狀態(tài)的分析，闡明了傾斜充種可提高充種性能的機(jī)理；通過對攜種過程的理論計算和力學(xué)分析，確定了種勺型孔長、寬、深分別為7.5、6.0、3.5 mm，種勺的長、寬、高分別為11、11、16 mm，種勺分布間距為25.4 mm，主動鏈輪為28齒。

(2)利用DEM-MBD耦合仿真技術(shù)，通過單因素仿真試驗(yàn)，分析了不同排種鏈條的張緊力、不同排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對其工作性能的影響，進(jìn)一步確定了排種器張緊力為34 N，型孔傾角為5°。通過設(shè)計二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)研究主動鏈輪轉(zhuǎn)速、充種傾角和種層高度對排種器工作性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在主動鏈輪轉(zhuǎn)速為79.10 r/min、充種傾角為71.73°、種層高度為84.28 mm時，單粒率(1粒/勺)為95.68%、復(fù)充率(≥2粒/勺)為3.57%、漏充率(0粒/勺)為0.75%，排種器工作性能最佳。

(3)對仿真試驗(yàn)得到的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，得到單粒率為94.33%，其變異系數(shù)為0.81%；漏充率為1.17%，其變異系數(shù)為24.74%；排種器行內(nèi)排種量分布均勻性的變異系數(shù)為1.40%，損傷種子數(shù)量均值為0.33，其標(biāo)準(zhǔn)差為0.32，其變異系數(shù)為31.67%?；贒EM-MBD耦合所設(shè)計的鏈勺式人參精密排種器工作性能較好，基本實(shí)現(xiàn)零傷種，可滿足我國人參非林地精密播種要求。