張　宇，李成華，紀(jì)玉杰，孫裕晶

(1.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

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鏟式玉米播種機清種過程的離散元仿真分析

張宇1，李成華1，紀(jì)玉杰1，孫裕晶2

(1.沈陽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110159；2.吉林大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

摘要：排種器的清種過程決定鏟式玉米精密播種機的排種質(zhì)量，為研究鏟式玉米精密播種機排種器的清種過程，建立鏟式玉米精密播種機排種器的離散元法分析模型和持種空間與分種勺結(jié)構(gòu)關(guān)系式。利用EDEM軟件仿真分析排種器在不同轉(zhuǎn)速和垂直傾角情況下對排種器清種角和重播率的影響。得到排種器工作轉(zhuǎn)速和垂直傾角配合的最佳參數(shù)，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，兩者的數(shù)值與變化趨勢基本一致，由此證明了應(yīng)用EDEM分析排種器的正確性和可行性。

關(guān)鍵詞：排種器；EDEM；仿真；試驗

近年來，隨著精密播種技術(shù)的不斷發(fā)展，精密播種機的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代播種技術(shù)的主要發(fā)展方向[1-2]。在國外，精密播種機被廣泛用來點播玉米和大豆等中耕作物[3]。 其中影響精密播種機播種質(zhì)量的因素有很多，但排種器的排種性能是主要的影響要素之一。勺式精密排種器是鏟式玉米精密播種機的重要部件，采用傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)的方法研究排種器，只能把種子作為一個整體來考慮，無法分析單個種子的運動過程和種子之間的相互作用，不能很好的分析種子在排種器中的運動過程[4-5]。應(yīng)用離散元法可以描述顆粒物料之間的相互作用關(guān)系，模擬種子在排種器中的工作狀態(tài)，更加真實地分析排種器的工作性能。本文采用離散元仿真分析技術(shù)，對勺式玉米精密排種器分種勺盤與種子群間的相互作用及清種過程進行仿真，為排種器的參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

離散元法是顆粒離散體物料分析的一種重要方法。其理論基礎(chǔ)是結(jié)合不同本構(gòu)關(guān)系的牛頓第二定律，采用動態(tài)松弛法求解方程[5-7]。經(jīng)過近 40 年的發(fā)展，離散元法已在許多散體物料處理領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

1　勺式精密排種器的結(jié)構(gòu)特點及工作過程

勺式精密排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　排種器的結(jié)構(gòu)

分種勺盤在轉(zhuǎn)軸帶動下轉(zhuǎn)動時，充種區(qū)內(nèi)的種子進入到由分種勺和隔板組成的持種空間內(nèi)，并在其帶動下由排種器下部向上部運動。當(dāng)分種勺轉(zhuǎn)到一定的高度時，處于分種勺開口上部的種子就在重力和種勺推力共同作用下落入到投種輪中，從而完成投種過程[9-11]。

2　排種器清種過程分析

分種勺盤頂端曲面與排種器隔板平面共同構(gòu)成一個可以囊種的空間，此區(qū)間的容積稱為持種空間Vz。圖2為排種器持種空間示意圖。

圖2　持種空間示意圖

由圖2可知，分種勺開口的方向相對于種子在重力作用下的下落方向隨轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動而變化。對分種勺頂端曲面上圓弧的投影曲線(pq)進行計算，則持種空間容積為

Vz=hs·Spqr/cosβ

(1)

式中：hs為分種勺頂部厚度；Spqr為種子與排種器的接觸面積；β為排種器垂直傾角。

Spqr=Spqs+Sqsr

(2)

式中，Spqs取決于排種勺盤參數(shù)，在工作過程中保持不變；Sqsr隨分種勺盤的轉(zhuǎn)角φ(設(shè)q點位于排種平面最低處時φ=0°)而變化。

分種勺從充種區(qū)的最下部開始轉(zhuǎn)出時，在持種空間中的部分種子開始脫離分種勺回落，此時分種勺轉(zhuǎn)過的角度為清種起始角φq1；當(dāng)其轉(zhuǎn)到一定角度，多余的種子脫離分種勺回落到充種區(qū)，最后分種勺中僅剩下一粒種子，此時分種勺盤轉(zhuǎn)過的角度稱為清種結(jié)束角φq2。

3　排種器轉(zhuǎn)速對清種過程的影響

玉米種子在排種器中的實際運動情況與種子的形狀﹑尺寸和含水率有關(guān)，而種子的形狀﹑尺寸和含水率為隨機變量，為便于仿真計算分析，將玉米種子簡化為圓球形顆粒。由于圓球模型與玉米實際顆粒形狀之間存在差異，所以模擬過程為近似結(jié)果。由文獻(xiàn)[10]可知，沈9729玉米種子長度尺寸相對較小，寬度和長度尺寸接近，厚度尺寸相對較大，外型上近似于圓形種子，試驗也說明勺式排種器對此種玉米種子有較好的適應(yīng)性[8]。沈9729玉米種子的半徑為3mm，種子含水率為3%，以下研究均在此參數(shù)下進行。分種勺盤轉(zhuǎn)速分別在30r/min、50r/min時進行仿真，得到仿真結(jié)果如圖3～5所示。其中排種器的勺式分種圓盤直徑為278mm，其余參數(shù)均不變。由仿真結(jié)果可以看出，隨著排種輪轉(zhuǎn)速的增加，清種起始角和清種結(jié)束角均增加，但轉(zhuǎn)速過大，清種結(jié)束角過大，超過排種器的隔板開口時，將造成多余種子進入到排種輪中，進而導(dǎo)致種子重播，增加重播率。

圖3　不同轉(zhuǎn)速下清種角的仿真

圖4　排種輪轉(zhuǎn)速對清種角的影響

圖5　排種輪轉(zhuǎn)速對重播率的影響

4　排種器垂直傾角對清種過程的影響

排種器的垂直傾角β分別為10°、20°、30° 、40°時得到仿真結(jié)果如圖6～8所示。排種輪的轉(zhuǎn)速取30r/min，由圖6～8可以看出，隨著垂直傾角的增加，清種起始角和清種結(jié)束角均在增加，隨著垂直傾角的增加導(dǎo)致分種勺對玉米種子的把持作用增強，分種機構(gòu)的清種能力下降，重播率增加。

圖6　排種器垂直傾角對種子運動的影響

圖7　排種器垂直傾角對清種角的影響

圖8　排種器垂直傾角對重播率的影響

5　試驗與仿真結(jié)果對比

在吉林工業(yè)大學(xué)農(nóng)機實驗室的排種器試驗臺上進行試驗，試驗時選擇傾角的變化范圍為β=15°～40°，排種器的工作轉(zhuǎn)速為n=30～60r/min。排種器的勺式分種圓盤直徑為278mm。試驗過程中將排種器的重播率作為評價排種器性能的指標(biāo)[8]，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比如圖9、圖10所示。

圖9　排種器垂直傾角對重播率的影響

圖10　排種輪轉(zhuǎn)速對重播率的影響

從圖9和圖10可以看出，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的變化趨勢基本一致。

6　結(jié)論

(1)在其他條件一定的情況下，隨著排種輪轉(zhuǎn)速的增加，清種開始角和結(jié)束角均增加。隨著排種器的垂直傾角增加，清種開始角和清種結(jié)束角也都增加。

(2)隨著排種器的垂直傾角和排種輪轉(zhuǎn)速的增加，排種器重播率先減小后增大。

(3)排種器的轉(zhuǎn)速在40r/min、垂直傾角在20o時，排種器的重播率最小，清種效果最佳。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Simulation Analysis of Seeding Process for Corn Seed

Metering Device Based on Discrete Element Method

ZHANG Yu1,LI Chenghua1,JI Yujie1,SUN Yujing2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；

2.Biological and Agricultural Engineering of Jinlin University,Changchun 130025，China)

Abstract：The cleaning process determines the seeding quality of the shovel-type precision planter.To research cleaning process for Corn Seed Metering Device,the discrete analysis model of Metering Device the relation between space and one scoop of structure are established.The influence of Metering Device on angle and replay rate under the condition of different speed and vertical angle is simulated and analyzed using EDEM.Comparing the test results with the simulation result，the opital parameters of the rotation speed and the vertical angle are obtained.The numerical value and variation of the two parameters are corresponding consistent,and the correctness and feasibility of application of EDEM is proved.

Key words：seeding；EDEM；simulation；test

中圖分類號：S223.2+3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1003-1251(2015)01-0001-04

通訊作者：

作者簡介：張宇(1989—)，男，碩士研究生；李成華(1958—)，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化及其自動化.

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51075282)

收稿日期：2014-09-02