基于EDEM的自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器的設(shè)計與試驗

牛媛媛 徐銘辰 屈哲 安雪 李赫 余永昌

摘要：為提高大豆精密排種器的充種性能，研究了一款自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器，通過攪動桿隨排種軸的轉(zhuǎn)動提高了排種器勺輪孔內(nèi)的充種率。研究測量了黃淮海地區(qū)常見大豆品種的物理參數(shù)，并應(yīng)用EDEM軟件對自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器進行了仿真試驗。結(jié)果表明，單粒率最大為97.15%，最小為94.81%;重播指數(shù)最大為3.84%，最小為1.95%;漏播指數(shù)最小為0.52%，最大為3.64%。臺架試驗結(jié)果顯示，單粒率最小為93.31%，重播指數(shù)最大為3.92%，漏播指數(shù)最大為4.03%，與仿真結(jié)果的最小單粒率誤差為1.01%，最大重播指數(shù)誤差為2.08%，最大漏播指數(shù)誤差為9.68%。說明應(yīng)用EDEM軟件分析自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器的工作過程是可行的，可以為排種器的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大豆;精密排種器;EDEM;排種性能;設(shè)計;仿真;臺架試驗

中圖分類號：S223.23 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0202-06

收稿日期：2021-07-27

基金項目：國家大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（編號：CARS-04）。

作者簡介：牛媛媛（1987—），女，河南南陽人，碩士，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機械及其自動化研究。E-mail：874086154@qq.com。

通信作者：余永昌，教授，主要從事農(nóng)業(yè)裝備與機器系統(tǒng)的研究。E-mail：hnyych@163.com。

大豆是中國主要的糧食作物和油料作物，是中美貿(mào)易戰(zhàn)的首要競爭對象。隨著人們生活質(zhì)量的提高，對豆制品的需求也越來越高，因此，大豆產(chǎn)量不僅對我國農(nóng)業(yè)競爭力至關(guān)重要，也關(guān)系著我國的糧食安全。播種是農(nóng)耕的重要環(huán)節(jié)，其作業(yè)質(zhì)量嚴重影響著作物生長與產(chǎn)量，而排種器是播種機的關(guān)鍵部件，排種器的性能直接影響著播種質(zhì)量的好壞。目前精密排種器的充種有內(nèi)充種式、外充種式和側(cè)充種式，由于大豆在播種期間對種子的完整性要求極高，種皮一旦出現(xiàn)損傷就會影響后期種子的發(fā)芽和出苗，而內(nèi)充種式排種器由于其特殊的充種方式可以對種皮起到一定的保護作用，因此，內(nèi)充種式排種器在播種應(yīng)用方面?zhèn)涫芎迷u。EDEM是目前工程研究中常用的一款離散元模型分析軟件，在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也越來越廣泛，不僅可以用于農(nóng)機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，還可以用來優(yōu)化零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

目前關(guān)于EDEM軟件的研究主要集中在農(nóng)業(yè)機具的優(yōu)化設(shè)計。樸順男等利用離散元方法模擬分析了雙翼式深松鏟在土壤中的運動過程，通過研究深松鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)和耕作速度對深松鏟耕作阻力的影響規(guī)律，最終確定了雙翼式深松鏟的最佳工作參數(shù)，即鏟翼翻土角為30°、起土角為30°、耕作速度為0.75 m/s時雙翼式深松鏟的耕作阻力最小。劉宏新等根據(jù)排種器的工作原理，對置斜盤高速精密大豆排種器進行建模，并利用工程離散元方法模擬分析了對置斜盤高速精密大豆排種器的排種性能，結(jié)果表明種盤最佳傾角為20°、排種盤轉(zhuǎn)速為22.01～29.41 r/min時的平均合格指數(shù)提高了3.6%。史麗娜等利用EDEM軟件針對果園不同地塊土壤肥力問題對有機肥深施機施肥控制系統(tǒng)的施肥轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度與施肥流量進行仿真，與田間試驗結(jié)果對比后顯示施肥結(jié)果一致性良好，施肥量的變異系數(shù)最大為1.9%。頓國強等利用EDEM軟件對優(yōu)化設(shè)計的外槽輪式排肥器進行仿真分析，并對2種排肥器的排肥流量均勻性進行對比，驗證試驗結(jié)果較仿真結(jié)果誤差均小于2%，說明仿真具有較好的應(yīng)用性和可靠性。張大斌等針對煙稈拔稈粉碎機進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，利用EDEM對拔稈刀輥進行切削煙壟的功耗仿真分析，結(jié)果顯示作業(yè)平均功耗為 3.02 kW，與公式推導(dǎo)值誤差為5.63%，驗證了設(shè)計的合理性。聶慶亮等對花生分級機進行設(shè)計計算，并利用EDEM軟件對其進行仿真分析，通過仿真確定了影響分級精度的主要因素，并結(jié)合試驗驗證得到最佳參數(shù)，在最佳參數(shù)下花生種子的分級精確率可達 93.69%。

上述研究充分說明了EDEM軟件可以很好地用來優(yōu)化設(shè)計農(nóng)機零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但是上述研究中沒有應(yīng)用該軟件對大豆內(nèi)充種式排種器的擾動裝置進行優(yōu)化設(shè)計和分析，而自擾動裝置可以提高內(nèi)充種式排種器的充種性能。因此，本研究利用EDEM優(yōu)化設(shè)計自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器，旨在提高大豆精密排種器的充種性能，從而提高排種器的工作質(zhì)量。

1 總體設(shè)計與工作原理

1.1 總體設(shè)計

自擾動內(nèi)勺式排種器主要由自擾動排種盤、外殼、進種口、徑向護種板、攪種桿、軸等組成，排種器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該排種器結(jié)合了內(nèi)充種排種器和勺輪式排種器的優(yōu)點，有良好的充種性能，能夠?qū)崿F(xiàn)清種定量準確，投種均勻。

1.2 工作原理

自擾動排種盤安裝在排種器內(nèi)腔，通過改變齒輪傳動比和地輪轉(zhuǎn)速比將地輪轉(zhuǎn)速和動力傳遞給排種器，并改變其轉(zhuǎn)速，排種盤每轉(zhuǎn)1圈完成1個排種周期。如圖2所示，排種器的主要工作過程分為充種、清種、護種和排種4個部分。種子從排種器的進種口倒入后進入存種室，隨著排種盤的轉(zhuǎn)動，種子在離心力、重力、攪種桿和種子群的共同作用下，使靠近勺輪孔的種子進入勺輪孔中;勺輪孔中的種子在排種盤的轉(zhuǎn)動作用下進入清種區(qū)，勺輪孔內(nèi)多余的種子在重力的作用下從勺輪孔內(nèi)掉落，只保留1粒種子;當種子進入護種區(qū)時，種子在護種板的保護作用下進入排種區(qū);勺輪孔的種子進入投種區(qū)，在重力、離心力和刮種板的作用下完成整個排種過程。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計

2.1 排種盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

排種盤是自擾動內(nèi)勺式排種器核心部件，排種盤結(jié)構(gòu)尺寸的合理設(shè)計和參數(shù)確定是提高播種質(zhì)量的必要條件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中不僅要保證勺輪孔空間的尺寸，還要保證適宜的隔板傾斜角度。當勺輪孔的空間不足時，種子無法進入勺輪孔易造成漏播;當勺輪孔的空間過盈時，易造成重播。當隔板傾斜角度過大時，進入勺輪孔內(nèi)的種子過多，在清種過程中需要的時間會加長，易造成勺輪孔進入護種過程時勺輪孔內(nèi)種子超過1粒，導(dǎo)致重播;傾斜角度過小時，種子群進入勺輪孔需要的時間較長，在有效時間內(nèi)降低了排種盤勺輪孔內(nèi)的概率，導(dǎo)致勺輪孔無種子，易造成漏播（圖3）。因此，在設(shè)計排種盤時要充分考慮大豆種子的尺寸和空間排布。

2.2 勺輪孔結(jié)構(gòu)尺寸

為使得排種盤有較好的排種性能，達到單粒精密排種的效果，確定排種盤參數(shù)特選用黃淮海地區(qū)種植的3個大豆品種進行物理參數(shù)測量，以實現(xiàn)該地區(qū)系列大豆的精密播種。其中選取河南地區(qū)主要種植的品種商豆1201、皖豆35、中黃13為研究對象，隨機選取該3種大豆種子各100粒，實測百粒質(zhì)量為24.61、19.01、22.53 g，使用數(shù)顯電子游標卡尺（精度0.01 mm），測量種子的長L、寬W、厚T，并計算種子的球形度、平均粒徑、標準差（表1）。根據(jù)相關(guān)研究計算大豆的幾何平均直徑GMD和球形度Φ，其計算公式為式（1）、式（2），大豆種子在均徑方面的變異系數(shù)在一定程度上能夠體現(xiàn)出大豆種子均值上的離散程度，計算公式為式（3）：

GMD=（LWT）;（1）

Φ=（LWT）/L;（2）

C=SM×100%。（3）

式中：L為種子的長;W為種子的寬;T為種子的厚，C為幾何平均直徑變異系數(shù);S為標準差;M為平均值。

通過表1可知，5個品種的長度L均值在7.62～8.94 mm，選取型孔長度M為11 mm;寬度W均值在7.18～7.43 mm，選取型孔寬度P為9 mm;厚度T均值在5.87～6.29 mm，選取型孔深度H為 7.5 mm。該排種器的排種盤外半徑R為140 mm。

勺輪孔每次取種個數(shù)與型孔參數(shù)和種子大小有直接關(guān)系，其主要參數(shù)為排種盤勺輪孔總長S、寬度P、有效長度L及勺輪孔的深度H。排種器在工作時，為了能夠順利完成取種，至少要保證1粒種子能夠完全進入勺輪孔容種空間內(nèi)，勺輪孔的寬度W應(yīng)不小于d（最大種子直徑），勺輪孔上邊緣到排種盤內(nèi)壁的有效距離深度H應(yīng)不小于d（圖4-a）。為了保證單粒精播，避免重播，種子進入勺輪孔后，多余的種子應(yīng)能夠及時清除，使勺輪孔只保留1粒，若勺輪孔的有效長度L過大，當?shù)?粒種子超過一半進入勺輪孔，在排種盤的轉(zhuǎn)動下，易造成重播（圖4-b）。當勺輪孔的寬度W和深度H≤d時（圖4-c），種子在進入勺輪孔時，無法進入勺輪孔的容種空間，造成漏播;當勺輪孔的深度H>1.5d時，在排種盤轉(zhuǎn)動時，種子受到離心力，使勺輪孔內(nèi)的種子多于1粒，在清種過程中僅依靠種子自身的重力無法及時清除（圖4-d），易造成重播。所以，勺輪孔的尺寸應(yīng)滿足：

dmax

0.5lmax

d

2.3 勺輪孔分布

排種盤是排種器的關(guān)鍵部件，其直徑是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)。當播種機同一前進速度、株距保持不變的情況下，勺輪孔數(shù)目與排種軸轉(zhuǎn)速成反比，排種盤直徑越小，周向分布的勺輪孔數(shù)量越少，所需排種盤轉(zhuǎn)速越大，充種性能越差;排種盤直徑越大，所需轉(zhuǎn)速越小，充種性能越好，但排種器結(jié)構(gòu)也隨之越大。在排種盤直徑一定時，排種盤上分布的勺輪孔數(shù)目越多，排種盤轉(zhuǎn)速越小，有利于充種。同一直徑的排種盤，若勺輪孔數(shù)目過多，相鄰2個勺輪孔間隙過近，在充種時種子之間產(chǎn)生的干涉較大，影響充種效果。因此在設(shè)計自擾動內(nèi)勺式排種器的排種盤時，首先保證具有較好的充種性能。

根據(jù)現(xiàn)有的內(nèi)充種排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合表1不同品種的大豆種子幾何尺寸，確定該排種器的勺輪孔數(shù)目為12個，勺輪孔有效長度L為11 mm、寬度P為9 mm、深度H為9 mm。

3 排種器工作性能的離散元仿真分析

3.1 仿真平臺的搭建

如圖5所示，將自擾動內(nèi)勺式排種器通建模后，去除較為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，保留核心部件并導(dǎo)入到EDEM 2.6中。

將大豆物理特性參數(shù)測試結(jié)果中每個品種大豆種子的長、寬、厚均值分別作為種子的三維建模參數(shù)，首先利用SOLIDWORKS軟件根據(jù)實際大豆種子的三軸尺寸建立三維模型，再導(dǎo)入EDEM 2.6軟件中。該研究主要針對3種不同品種的大豆種子進行仿真研究，采用多個球面填充與種子模型外輪廓較為吻合的顆粒（圖6）。

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在進行仿真計算時，需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)。設(shè)置顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型為Hertz-Mindlin（no slip）built-in。設(shè)置的排種器材料為塑料，與實際所用的排種器材料一致。將導(dǎo)入模型的各部分進行重新命名，并設(shè)置相關(guān)材料屬性。相關(guān)研究表明，大豆種子和塑料的泊松比、剪切模量和密度均為定值，參數(shù)選取如表2所示。

設(shè)置顆粒工廠為動態(tài)生成方式，生成顆?？倲?shù)為400粒，產(chǎn)生速率為5 000個/s，顆粒大小服從正態(tài)分布方式，參照表1設(shè)置顆粒半徑的標準差，設(shè)置模擬時長10 s，離散元仿真過程中設(shè)置固定步長為4.63×10 s，輸出時間步長為0.01 s，網(wǎng)格大小為3 Rmin（最小顆粒半徑）。

3.3 仿真試驗與結(jié)果分析

該排種器的最佳性能為每個勺輪孔內(nèi)1粒大豆種子，根據(jù)現(xiàn)有文獻發(fā)現(xiàn)，排種器轉(zhuǎn)速在一定程度上影響排種器的型孔充種。因此，試驗選取排種器的工作轉(zhuǎn)速為影響因素，在軟件EDEM 2.6中進行仿真試驗。根據(jù)相關(guān)文獻設(shè)置的排種器工作轉(zhuǎn)速為20、30、40、50 r/min，選取單粒率為評價指標進行試驗。

仿真試驗結(jié)果如表3所示，以皖豆35為試驗對象，排種軸轉(zhuǎn)速為40 r/min時單粒率最大，為97.15%;以商豆1201為試驗對象，排種軸轉(zhuǎn)速為 20 r/min 時的單粒率最低，為94.81%;以商豆1201為試驗對象，排種軸轉(zhuǎn)速為50 r/min時的重播指數(shù)最大，為3.84%;以中黃13為試驗對象，排種軸轉(zhuǎn)速為30 r/min時的重播指數(shù)最小，為1.95%;以商豆1201為試驗對象，排種軸轉(zhuǎn)速為40 r/min時的漏播指數(shù)最小，為0.52%;以中黃13為試驗對象，排種軸轉(zhuǎn)速為20 r/min時的漏播指數(shù)最大，為3.64%。在轉(zhuǎn)速40 r/min時，商豆1201、中黃13和皖豆35這3個品種的單粒率均高于其他轉(zhuǎn)速下的單粒率，漏播指數(shù)也均小于其他轉(zhuǎn)速。這可能是由于在充種過程中，當轉(zhuǎn)速升高至一定程度時，排種軸工作的穩(wěn)定性開始下降，面對出現(xiàn)雙粒充種的情況，由于排種軸的高速運轉(zhuǎn)，使得排種器刮種板在刮去多余種子的效果上受到一定影響，不能及時將多余的種子刮去，因此，在排種軸轉(zhuǎn)速為50 r/min時的重播指數(shù)明顯大于20、30、40 r/min的重播指數(shù)。由此可以看出，增加了自擾動裝置的內(nèi)勺式大豆排種器能夠有效提高排種器的充種效果和排種性能。

4 臺架試驗

4.1 材料與方法

為驗證EDEM仿真試驗的準確性，將設(shè)計的自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器進行加工試制，安裝在STB-700排種器試驗臺（中國農(nóng)業(yè)大學研制）進行臺架試驗（河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院農(nóng)機實驗室，2021年5月16日）。試驗選取商豆1201、中黃13和皖豆35為研究對象，排種軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為20、30、40、50 r/min，完成排種試驗后統(tǒng)計單粒率、重播指數(shù)和漏播指數(shù)。

4.2 臺架試驗結(jié)果與分析

臺架試驗結(jié)果如圖7所示，從該結(jié)果中可以看出，臺架試驗中排種器性能指標隨排種軸轉(zhuǎn)速變化的趨勢與仿真結(jié)果類似。在轉(zhuǎn)速為20～40 r/min時的排種單粒率逐漸增大，重播指數(shù)和漏播指數(shù)逐漸減小;40～50 r/min范圍內(nèi)單粒率呈現(xiàn)減小趨勢，重播指數(shù)和漏播指數(shù)開始增加。臺架試驗中，中黃13在排種軸轉(zhuǎn)速20 r/min時的單粒率最小，為93.31%，與EDEM仿真試驗結(jié)果誤差為1.01%;商豆1201在排種軸轉(zhuǎn)速為50 r/min重播指數(shù)最大，為3.92%，與EDEM仿真試驗結(jié)果誤差為2.08%;中黃13在排種軸轉(zhuǎn)速20 r/min時的漏播指數(shù)最大，為4.03%，與EDEM仿真試驗結(jié)果誤差為9.68%。這可能是由于在臺架試驗過程中，排種軸的轉(zhuǎn)動受到試驗臺的影響，排種器安裝在試驗臺上的硬連接使得在試驗過程中排種軸的轉(zhuǎn)動不穩(wěn)定，振動可能使得勺輪孔內(nèi)的種子在排種過程中脫落，從而使得臺架試驗的漏播指數(shù)明顯高于EDEM仿真試驗結(jié)果，但臺架試驗結(jié)果的所有指標均符合GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》中的標準，且單粒率和重播指數(shù)優(yōu)于沒有自擾動裝置排種器的結(jié)果。因此，該排種器能夠有效提高排種器的排種性能。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計了一款自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器，通過攪動桿隨排種軸的轉(zhuǎn)動提高排種器勺輪孔內(nèi)的充種率，以自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器為研究對象，測量了黃淮海地區(qū)常見大豆品種的物理參數(shù)，根據(jù)結(jié)果建立了離散元仿真模型，并應(yīng)用EDEM軟件對自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器進行了仿真試驗，結(jié)果顯示，單粒率最大為97.15%，最小為94.81%;重播指數(shù)最大為3.84%，最小為1.95%;漏播指數(shù)最小為0.52%，最大為3.64%。

臺架試驗結(jié)果顯示，單粒率最小為93.31%，重播指數(shù)最大為3.92%，漏播指數(shù)最大為4.03%，其結(jié)果均符合排種器排種性能標準。對比臺架試驗結(jié)果與仿真試驗結(jié)果，二者各項指標的變化趨勢類似。最小單粒率誤差為1.01%，最大重播指數(shù)誤差為2.08%，最大漏播指數(shù)誤差為9.68%;臺架試驗與仿真試驗結(jié)果誤差相對較小，說明應(yīng)用EDEM軟件分析自擾動內(nèi)勺式大豆精密排種器的工作過程是可行的，該軟件可以應(yīng)用于分析排種器工作性能，為排種器的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

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