基于EDEM的氣吸播種單體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

曹現(xiàn)超，楊東山，杜新武，金鑫，王建華，黃文龍

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,河南洛陽,471003;2.第一拖拉機(jī)股份有限公司,河南洛陽,471004)

0 引言

精量播種是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié),是指依據(jù)農(nóng)藝要求的播種密度,按照一致行距、粒距和播深將種子播入土壤并準(zhǔn)確定位。作為農(nóng)作物機(jī)械化種植的主要方式,被廣泛應(yīng)用在玉米、棉花和蔬菜等大宗農(nóng)作物生產(chǎn)中[1-5]。

精密排種器作為實(shí)現(xiàn)精密播種技術(shù)的核心部件,是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[6-10],史嵩[11]將排種器型孔與種子攪拌裝置相融合,設(shè)計(jì)了一款氣壓組合孔式玉米精量排種器,并闡述了正壓氣流與導(dǎo)種槽相結(jié)合提高充種性能的原理;丁力等[12]針對氣吸玉米排種器重播指數(shù)高,清種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等問題,優(yōu)化設(shè)計(jì)了氣吸式排種器清種機(jī)構(gòu),并建立了清種過程數(shù)學(xué)模型,分析了清種過程的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,分析了影響清種機(jī)構(gòu)形狀的關(guān)鍵因素為種子尺寸和種盤型孔位置,并進(jìn)行了DEM-CFD耦合仿真與對比試驗(yàn)。也有部分學(xué)者對播種機(jī)的導(dǎo)種管及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究;劉立晶等[13]采用Geomagic Design軟件三維逆向工程設(shè)計(jì)了弧形導(dǎo)種管,并進(jìn)行了對比試驗(yàn),說明了導(dǎo)種管提高了播種質(zhì)量。上述研究主要集中在排種器充種性能提升、導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面,對種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動(dòng)研究則較少。

本文以2BMQ-8氣吸精量播種機(jī)為對象,利用高速攝像機(jī)對玉米種子在透明有機(jī)玻璃導(dǎo)種管中下落過程進(jìn)行試驗(yàn)記錄,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析建立種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動(dòng)模型,并在EDEM中完成投送仿真驗(yàn)證,探究播種株距不均勻的根本原因,實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的優(yōu)化及驗(yàn)證。

1 種子投送過程分析

為了觀察2BMQ-8氣吸精量播種機(jī)株距不均勻根本原因,借助高速攝像機(jī)對玉米種子在透明有機(jī)玻璃導(dǎo)種管中下落過程進(jìn)行試驗(yàn)研究,并采用圖像后處理方法對玉米種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析。運(yùn)動(dòng)軌跡可分為三種情況,如圖1所示。

圖1 種子在導(dǎo)種管中軌跡示意圖

1) 軌跡1:種子與導(dǎo)種管直線段發(fā)生碰撞,碰撞入射角較大,種子反射離開導(dǎo)種管壁,并與導(dǎo)種管曲線段發(fā)生多次碰撞,隨后沿導(dǎo)種管滾滑出導(dǎo)種管,此類軌跡種子占比約72.3%。

2) 軌跡2:種子與導(dǎo)種管直線段發(fā)生碰撞,碰撞入射角大,種子反射離開導(dǎo)種管壁,隨后在導(dǎo)種管中自由運(yùn)動(dòng)出導(dǎo)種管,不與導(dǎo)種管發(fā)生二次碰撞,占比約4.1%。

3) 軌跡3:種子與導(dǎo)種管直線段發(fā)生碰撞,碰撞入射角小,碰撞后種子沿導(dǎo)種管壁向下作滾滑運(yùn)動(dòng),此類軌跡種子占比約23.6%。

分析種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)時(shí)間間隔,發(fā)現(xiàn)軌跡1具有不確定性,時(shí)間間隔變異系數(shù)為38.41%,是導(dǎo)致播種株距變異系數(shù)增大的主要原因;軌跡2碰撞次數(shù)少,但碰撞位置具有不確定性,反射后軌跡難以總結(jié)規(guī)律;軌跡3時(shí)間間隔變異系數(shù)為18.57%,滿足播種機(jī)性能要求。

2 種子投送工作原理與機(jī)理分析

2.1 投送裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

2BMQ-8型氣吸精量播種機(jī)投送裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由排種器后蓋、氣室蓋、種盤、導(dǎo)種管、清種操縱指針、清種刀、種量調(diào)節(jié)器、排種軸等組成。

圖2 氣吸精量播種機(jī)投送裝置

種子投送過程如圖3所示,密封墊與氣室蓋形成的氣室在種盤型孔兩側(cè)形成壓差,將種子吸附在型孔上,種子隨種盤轉(zhuǎn)動(dòng),完成分離過程;清種機(jī)構(gòu)將多余種子清除,當(dāng)種子隨種盤轉(zhuǎn)動(dòng)至投種點(diǎn)位置時(shí),氣流被阻斷,種子失去吸附力,脫離種盤,種子以一定初速度,斜拋進(jìn)入導(dǎo)種管,隨后在導(dǎo)種管中發(fā)生碰撞等一系列接觸后落入種溝,完成排種作業(yè)。

圖3 種子投送過程示意圖

2.2 投送運(yùn)移過程分析

種子投送運(yùn)移過程分為脫離種盤拋出和導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)兩個(gè)階段,本文主要對種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,根據(jù)張建平等[14]研究可知,大部分種子在排種器的同一點(diǎn),沿吸種孔分布圓切向排出,初速度為v0=ωR(ω為種盤轉(zhuǎn)速,R為半徑),僅受重力影響,經(jīng)測定樣機(jī)排種器投種點(diǎn)為氣室與密封墊末端相貼合處。以該點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),建立平面直角坐標(biāo)系,可列出種子運(yùn)動(dòng)的軌跡方程如下。

其中Vx=ωRsinθ,Vy=ωRcosθ。

式中:(x,y)——種子某一時(shí)刻的坐標(biāo)位置;

Vx——速度V在X軸方向分量;

g——重力加速度;

t——時(shí)間;

θ——速度V與豎直方向夾角;

Vy——速度V在Y軸方向分量。

通過方程可以得到:(1)種盤轉(zhuǎn)速?zèng)Q定種子投送初速度,不同轉(zhuǎn)速下種子運(yùn)動(dòng)軌跡及首次碰撞情況不同,隨著種盤轉(zhuǎn)速ω增大,種子運(yùn)動(dòng)軌跡向播種機(jī)前進(jìn)的反方向移動(dòng)越大,種子的首次碰撞點(diǎn)位置越低;(2)排種器與導(dǎo)種管的位置布置影響種子與導(dǎo)種管的首次碰撞位置、碰撞強(qiáng)度、碰撞反射角度,從而影響種子在導(dǎo)種管中的碰撞次數(shù)、滑動(dòng)時(shí)間等參數(shù),進(jìn)而影響播種株距。

3 離散元仿真建模與分析

根據(jù)上述分析,以投種點(diǎn)拋出種子為研究對象,借助EDEM模擬種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動(dòng)情況,并對種子運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文選取Hertz-Mindlin 無滑移接觸模型。

3.1 種子顆粒與仿真參數(shù)選定

選取濮玉7號玉米品種為研究對象。對種子外形尺寸進(jìn)行測量,根據(jù)測量數(shù)據(jù),建立玉米種子顆粒模型,種子外形數(shù)據(jù)如表1所示,顆粒模型如圖4所示。

表1 玉米種子外形尺寸數(shù)據(jù)

(a) 圓形種子

仿真包含玉米種子、導(dǎo)種管兩種材質(zhì)物料,物料力學(xué)性能接觸參數(shù)[15]設(shè)定如表2所示。

表2 物料力學(xué)性能接觸參數(shù)

為對比分析仿真與試驗(yàn)情況,仿真設(shè)定玉米株距26 cm,排種盤轉(zhuǎn)速為19.7 r/min、24.7 r/min和29.6 r/min,對應(yīng)播種機(jī)前進(jìn)速度為8 km/h、10 km/h、12 km/h,對三類種子分別進(jìn)行模擬投送,種子投送姿態(tài)按豎直1、水平2、反向豎直3三種姿態(tài)設(shè)定[16],Rayleigh Time Step設(shè)置為20%,輸出時(shí)間步長0.01 s,網(wǎng)格大小2 mm,仿真時(shí)間總長20 s,種子仿真運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

圖5 導(dǎo)種管中種子仿真軌跡

3.2 仿真數(shù)據(jù)與分析

提取并導(dǎo)出仿真運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包含種子質(zhì)心坐標(biāo)(x,y,z)及種子運(yùn)動(dòng)速度在各坐標(biāo)分量(Vx,Vy,Vz),運(yùn)用Origin pro 8對導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理,得到種子運(yùn)動(dòng)軌跡、速度變化曲線圖,如圖6、圖7所示,其中A1表示圓形種子按豎直姿態(tài)投送,A2表示圓形種子按水平姿態(tài)投送,A3表示圓形種子按反向豎直姿態(tài)投送;B1表示類水滴形種子按豎直姿態(tài)投送,B2表示類水滴形種子按水平姿態(tài)投送,B3表示類水滴形種子按反向豎直姿態(tài)投送;C1表示扁形種子按豎直姿態(tài)投送,C2表示扁形種子按水平姿態(tài)投送,C3表示扁形種子按反向豎直姿態(tài)投送。

(a) 播種機(jī)前進(jìn)速度為8 km/h

(a) 播種機(jī)前進(jìn)速度為8 km/h

由圖6種子運(yùn)動(dòng)仿真軌跡數(shù)據(jù)及過程可知:(1)種子在下落過程中會與導(dǎo)種管發(fā)生多次碰撞,首次碰撞點(diǎn)隨著播種機(jī)速度增加而后移;(2)種子下落過程中既有滑動(dòng)也有滾動(dòng);(3)種子在種管中碰撞導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)軌跡各異,下落時(shí)間也不一致,下落時(shí)間在0.31～0.32 s之間;(4)碰撞情形不同也導(dǎo)致種子從導(dǎo)種管射出位置、角度不同,種子著地點(diǎn)不同,株距發(fā)生變異;(5)碰撞會在Z方向上產(chǎn)生位移,這也是株距不均勻的原因之一。

由圖7種子速度與水平夾角變化可知:(1)種子下落過程中與導(dǎo)種管發(fā)生2～5次碰撞,碰撞使種子水平速度分量增大,有利于形成零速落種,進(jìn)一步得到種子落地時(shí)的速度平均值分別為2.602 m/s、2.623 m/s、2.635 m/s,根據(jù)韓廣森[17]提出的種子著地角為75°～85°時(shí)偏移量最小,可以計(jì)算3種速度下零速落種時(shí)導(dǎo)種管末端角度在53°～68°之間;(2)種子在導(dǎo)種管圓弧段的碰撞較為劇烈、頻繁,分析原因有:第一,種子運(yùn)動(dòng)到圓弧部分后速度較大,碰撞較之前激烈;第二,導(dǎo)種管圓弧段角度變小,致使種子碰撞時(shí)入射角較直線段增大,反射角也增大。因此,設(shè)計(jì)時(shí)種子與導(dǎo)種管首次碰撞點(diǎn)應(yīng)處于導(dǎo)種管直線段。(3)隨著播種機(jī)前進(jìn)速度的增大,種子著地角減小,這加劇了種子的著地彈跳,即高速作業(yè)時(shí)播種株距均勻性變差,變異系數(shù)增大。

進(jìn)一步對首次碰撞的入射角、反射角進(jìn)行研究,定義反射率為反射角與入射角比值的絕對值,A、B、C三類種子3種姿態(tài)下運(yùn)動(dòng)入射角及反射角數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 種子運(yùn)動(dòng)入射角及反射角數(shù)據(jù)

由表3可知:(1)種子與導(dǎo)種管首次碰撞后反射率為0.40～0.56,種子與導(dǎo)種管入射角為12.41°～13.40°,種子與導(dǎo)種管接觸后會發(fā)生跳躍離開導(dǎo)種管,并發(fā)生多次碰撞,種子軌跡變化,播種株距一致性變差;(2)根據(jù)反射率反計(jì)算,需將種子與導(dǎo)種管首次碰撞的入射角控制在4°～6.5°,反射角控制在2.5°以下,種子下落軌跡較為理想,此時(shí)種子運(yùn)動(dòng)軌跡為首次碰撞后沿導(dǎo)種管滾滑下落,不離開導(dǎo)種管。

3.3 播種單體設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)仿真試驗(yàn)分析可知,2BMQ-8氣吸精量播種機(jī)株距不均勻根本原因有兩點(diǎn):(1)原排種結(jié)構(gòu)種子與導(dǎo)種管入射角為12.41°～13.40°,超出理想入射角4°～6.5°,入射角過大導(dǎo)致種子與導(dǎo)種管發(fā)生碰撞后躍離導(dǎo)種管,進(jìn)而發(fā)生后續(xù)多次碰撞,種子運(yùn)動(dòng)軌跡差異較大,下落時(shí)間不一致,株距變異增大;(2)同時(shí)碰撞導(dǎo)致種子從導(dǎo)種管射出位置、角度不同,種子著地點(diǎn)與預(yù)期不同,株距產(chǎn)生差異。

基于上述原因,對播種單體進(jìn)行了兩項(xiàng)重點(diǎn)改進(jìn):(1)優(yōu)化導(dǎo)種管布置。使播種單體在常用作業(yè)速度下,種子與導(dǎo)種管首次碰撞入射角設(shè)計(jì)在4°～6.5°,最高速為12 km/h時(shí),首次碰撞點(diǎn)仍處于導(dǎo)種管直線段部分;(2)參考現(xiàn)有指夾播種機(jī)產(chǎn)品單體增加壓種輪裝置。對射出種子快速定位,減小種子著地彈跳帶來的差異。

由仿真數(shù)據(jù)繪制出8 km/h、10 km/h、12 km/h速度下種子軌跡,調(diào)整導(dǎo)種管布置,不難發(fā)現(xiàn)作業(yè)速度越低,種子軌跡與導(dǎo)種管首次碰撞入射角越大,以作業(yè)速度為8 km/h時(shí),種子與種管首次碰撞入射角為4°～6.5°為約束條件,計(jì)算可得導(dǎo)種管直線段與水平面夾角為82.5°～85°,取值83°,同時(shí)以12 km/h速度時(shí)種子碰撞點(diǎn)仍處于導(dǎo)種管直線段部分確定導(dǎo)種管安裝點(diǎn)距排種器中心高度為140 mm,優(yōu)化后導(dǎo)種管布置如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后導(dǎo)種管布置圖示

對改進(jìn)后排種系統(tǒng)進(jìn)行仿真,以作業(yè)速度為10 km/h為例,改進(jìn)前后種子運(yùn)動(dòng)軌跡對比如圖9所示,改進(jìn)后種子沿導(dǎo)種管壁下滑,并在導(dǎo)種管末端沿圓弧段切線方向射出,平均射出速度為1.289 m/s,種子在導(dǎo)種管內(nèi)經(jīng)停時(shí)間一致,均為0.30 s。

圖9 優(yōu)化前后種子運(yùn)動(dòng)軌跡對比

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果,對2BMQ-8型氣吸精量播種機(jī)單體進(jìn)行改制并試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)地點(diǎn)洛陽孟津試驗(yàn)場,如圖10所示,配套動(dòng)力為LF1304拖拉機(jī),前進(jìn)速度為8.9 km/h、10.55 km/h,調(diào)定播種株距26 cm,試驗(yàn)用種子濮玉7號,種子千粒重388.4 g,種子含水率13%,試驗(yàn)依據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》。

(a) 整機(jī)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將改進(jìn)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得:(1)優(yōu)化導(dǎo)種管與排種器布置后的播種單體,播種粒距合格指數(shù)提升7%～12%,達(dá)到92%～93%,性能指標(biāo)提升明顯。(2)重播指數(shù)下降至1%以內(nèi),漏播指數(shù)下降5%左右,滿足國標(biāo)要求。(3)合格粒距變異系數(shù)小于30%,粒距精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性有較大改善。田間試驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后播種機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)有明顯提升,達(dá)到國標(biāo)要求,改進(jìn)有效。

5 結(jié)論

以排種器及導(dǎo)種管共同組成的種子投送系統(tǒng)為研究對象,對種子投送過程進(jìn)行理論建模,對氣吸精量播種機(jī)株距均勻性指標(biāo)進(jìn)行了仿真研究,探究了影響種子運(yùn)動(dòng)軌跡的主要影響因素,對2BMQ-8型氣吸精量播種機(jī)單體進(jìn)行改進(jìn)。

1) 對種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,指出影響種子運(yùn)動(dòng)軌跡的主要因素:種盤轉(zhuǎn)速、排種器與導(dǎo)種管布置等,并簡要分析了各因素影響種子運(yùn)動(dòng)軌跡機(jī)理。

2) 利用EDEM軟件對種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,得到種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動(dòng)軌跡,并指出勻速作業(yè)時(shí),株距的均勻性取決于相鄰種子在到導(dǎo)種管中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間是否一致,種子射出導(dǎo)種管位置及角度是否一致,即株距的均勻性主要受種子運(yùn)移系統(tǒng)及著地彈跳影響。

3) 根據(jù)對種子運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度夾角、運(yùn)動(dòng)入射角及反射角等數(shù)據(jù)分析,得出種子與導(dǎo)種管首次碰撞的理想入射角為4°～6.5°,碰撞后種子沿導(dǎo)種管滾滑下落。

4) 對優(yōu)化單體后播種機(jī)進(jìn)行仿真與田間試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果顯示種子運(yùn)動(dòng)軌跡為沿導(dǎo)種管壁下滑,并在導(dǎo)種管末端沿圓弧段切線方向射出,粒距合格指數(shù)達(dá)到90%以上,合格粒距變異系數(shù)小于30%,改進(jìn)有效,播種機(jī)性能得到較大提升。