陳　晨，趙滿全,張　濤，呂　冰，劉　飛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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基于離散元的排種器振動(dòng)對大粒徑作物種群的影響

陳晨，趙滿全,張濤，呂冰，劉飛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：排種器工作效果受種群運(yùn)動(dòng)情況的影響較大，而振動(dòng)則直接影響種群運(yùn)動(dòng)。為此,運(yùn)用離散元軟件模擬排種室內(nèi)大豆種群(充種2 600粒左右)的運(yùn)動(dòng)，在排種盤轉(zhuǎn)速為54r/min、排種器整體振動(dòng)頻率為14Hz情況下，振幅分別為0、1、2、3、4、5mm時(shí)，分析了振幅對排種室內(nèi)種群運(yùn)動(dòng)的影響。通過軟件后處理模塊得到2~5s穩(wěn)定狀態(tài)內(nèi)若干時(shí)間點(diǎn)的種群平均速度和種群所受壓力。利用ORIGIN軟件得到種群速度和受力同振幅的擬合曲線，結(jié)果表明：種群平均速度隨排種器振幅增大而提高，種群所受壓力隨振幅增加而先降低后升高。本次仿真試驗(yàn)為室內(nèi)排種試驗(yàn)振幅的選擇提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：離散元；振動(dòng)；仿真；大粒徑作物；排種器

0引言

免耕播種機(jī)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，如果在耕作過程中地表存在著大量秸稈、根茬，則對免耕播種機(jī)性能的要求會(huì)更高[1]。對于免耕播種機(jī)而言，由于地表存在根茬，所以地表不平度成為了影響機(jī)具播種效果的重要因素，使機(jī)具工作時(shí)受到較大的振動(dòng)。只有當(dāng)排種器內(nèi)作物種群的各項(xiàng)參數(shù)處于適當(dāng)范圍，才能更好地實(shí)現(xiàn)精密播種[2]。

散粒體動(dòng)力學(xué)理論表明：適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)可以使散粒物料穩(wěn)定均勻運(yùn)動(dòng)，當(dāng)散粒物料達(dá)到一定速度時(shí)，其流動(dòng)性較好。所以，如果使排種器內(nèi)作物種群速度處于合適范圍，排種性能將會(huì)提高。

1排種器及仿真軟件介紹

1.1　氣吸式排種器原理及結(jié)構(gòu)介紹

氣吸式排種器一般分為垂直圓盤式和滾筒式：滾筒式由于性能不穩(wěn)定而未被廣泛使用；垂直圓盤式排種性能優(yōu)越，被廣泛應(yīng)用于精密播種機(jī)上[3]。

氣息排種器工作時(shí)，由高速風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓，傳給排種單體的真空室；排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓的作用下吸附種子，帶動(dòng)其隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)種子轉(zhuǎn)出真空室后，負(fù)壓消失，靠自重自由下落[4]。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1． 排種盤　2． 種子室　3． 真空連接管　4． 真空室殼體

1.2　離散元法介紹

離散元法是解決不連續(xù)介質(zhì)問題的數(shù)值模擬方法，主要計(jì)算大量顆粒在給定條件下如何運(yùn)動(dòng)。其基本原理是將研究對象劃分為一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的單元，根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，采用動(dòng)態(tài)松弛法或靜態(tài)松弛法等進(jìn)行循環(huán)迭代計(jì)算，確定在每一個(gè)時(shí)間步長內(nèi)所有單元的受力位移并更新所有單元的位置。應(yīng)用離散元模擬，可以得到在真實(shí)試驗(yàn)中難以測量的物理量[5]。

其計(jì)算流程可以分為以下幾步：①建立所需要模型并產(chǎn)生顆粒; ②接觸探測;③確定接觸類型; ④考慮其他相互作用力;⑤考慮種子和邊界間的相互作用;⑥計(jì)算中的受理、加速度;⑦更新顆粒速度、坐標(biāo);⑧保存數(shù)據(jù);⑨分析處理。

2三維模型的建立及軟件設(shè)置

2.1　仿真所需三維模型的建立

測量若干粒大豆種子的高度、寬度、厚度，取均值，長寬厚均處于6~7mm之間。用SolidWorks軟件創(chuàng)建模型，將其導(dǎo)入到離散元軟件作為顆粒創(chuàng)建模板，如圖2所示。

圖2　大豆三維模型

2.2　模擬方法以及物料參數(shù)

根據(jù)田間測試以及室內(nèi)試驗(yàn)得出的排種效果最優(yōu)的排種盤轉(zhuǎn)速為54r/min，排種器振動(dòng)頻率為14Hz，設(shè)置振幅分別為0~5mm，做6次仿真，從而得到各個(gè)時(shí)刻種群平均速度和所受的壓力值[6~7]。

顆粒與顆粒接觸、顆粒與排種器的接觸都選用hertz-mindin(no slip)but in接觸模型。模擬材料包括種子、鋼板和有機(jī)玻璃，查閱文獻(xiàn)得知所需各項(xiàng)物理參數(shù)如表1、表2所示[8-10]。

表1　物料物理參數(shù)

表2　物料間的接觸參數(shù)

2.3　幾何體以及顆粒工廠的設(shè)置

將排種器模型導(dǎo)入后，合并為4部分：前殼體、后殼體、攪種輪和排種盤，前殼體和攪種輪材質(zhì)為塑料，后殼體和排種盤材質(zhì)為鋼。設(shè)置種子總量為2 600粒,仿真時(shí)間步長為0.000 1s，每0.01s記錄一次數(shù)據(jù)，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為3.08mm。仿真總時(shí)間為4s，1s內(nèi)完成充種，1s后開始運(yùn)動(dòng)仿真[11-13]。仿真運(yùn)動(dòng)4s后玉米種群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖3所示。

圖3　大豆種群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

3仿真結(jié)果及處理

3.1　仿真結(jié)果

由離散元軟件后處理模塊得到運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)階段內(nèi)若干時(shí)間點(diǎn)的種群平均速度；將所有時(shí)刻的速度值導(dǎo)出為CSV格式數(shù)據(jù)，利用ORIGIN得到曲線[14-15]。為了更直觀方便地進(jìn)行比較，將6條曲線整合到同一坐標(biāo)下，結(jié)果如圖4所示。

圖4　大豆種群運(yùn)動(dòng)速度

圖4分別為排種器振幅是0、1、2、3、4、5mm時(shí)種群運(yùn)動(dòng)速度，得出從0~5mm的6個(gè)振幅下的種群平均速度分別為：0.029 76、0.084 55、0.153 72、0.191 18、0.247 61、0.285 17m/s。由圖4中曲線可以看出：振幅為0或較小時(shí)，種群速度較小，且速度波動(dòng)范圍較?。浑S著振幅增加，種群整體的速度變化范圍也變大。

同理，得到種群所受壓力，如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖5中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為0~5mm振幅下種群在2~5s穩(wěn)定狀態(tài)內(nèi)所受壓力值的曲線圖。其平均值分別為：0.046 282、0.042 086、0.036 368、0.035 341、0.037 138、0.036 239N。由圖5可以看出：振幅增大，壓力先減小后增加，且從最大值突變到最小值的時(shí)間越來越短，即波動(dòng)越來越劇烈。

3.2　速度值、壓力值同振幅的二次曲線擬合

通過QRIGIN軟件得到種群平均速度和振幅的擬合曲線方程如下：V=0.051 53X+0.036 5。其擬合程度較好，且擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.93，如圖6所示。

圖6　種群平均速度與振幅的擬合曲線

由圖6可知：大豆種群平均速度與排種器振幅呈線性變化；隨著振幅的增大，種群平均速度增大，直線斜率約為0.051 53。

通過QRIGIN軟件得到種群所受壓力與振幅的擬合曲線方程為

F=0.0467-0.0075x-3+0.00163x-2-

1.062×10-4x。

其擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.877，如圖7所示。

圖7　種群平均速度與振幅的擬合曲線

由圖7可知：大豆種群所受壓力隨振幅的增大先減小后增加，呈三次曲線的關(guān)系，擬合程度較好；在振幅為3mm時(shí)，種群受到的壓力值較小。

4結(jié)論與討論

4.1　結(jié)論

1)大豆種群速度與排種器振幅呈正比例變化，隨著振幅增大，種群速度也隨之變大；種群所受壓力隨振幅的增加呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。

2)利用離散元軟件模擬相同頻率不同振幅下排種室內(nèi)種群運(yùn)動(dòng)，用種群平均速度和所受壓力評(píng)價(jià)種群運(yùn)動(dòng)的情況，為免耕播種機(jī)室內(nèi)排種試驗(yàn)提供依據(jù)，為播種機(jī)關(guān)鍵部件的優(yōu)化、改進(jìn)提供了參考。

4.2　討論

1)對一定數(shù)量的大豆種子進(jìn)行測量，創(chuàng)立三維模型，再導(dǎo)入離散元軟件作為粒子創(chuàng)建的模板，會(huì)提高模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的接近程度。但將種子近似為球體，導(dǎo)致仿真種子和實(shí)際種子在物理特性上具有一定的差別，所以為了得到更接近實(shí)際情況的仿真效果，必須創(chuàng)建更接近實(shí)物的三維模型。

2)影響種群運(yùn)動(dòng)的因素是很多的，包括排種盤轉(zhuǎn)速、氣吸室負(fù)壓及種子數(shù)量等，應(yīng)該綜合考慮其他因素的影響，才能更準(zhǔn)確地得出種群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

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Based on the Discrete Element Method of Gas Suction Seed Metering Device Vibration on the Influence of the Large Size Crop Species: Soybeans

Chen Chen，Zhao Manquan, Zhang Tao，Lv Bing，Liu Fei

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Abstract：Air suction seed metering device performance is strongly influenced by the population movement, while vibration directly affect the population movement. In this paper, using the discrete element software to simulate row of kind of indoor soybean population (about 2600 grain filling) movement, in the row of kind of plate speed for 54 r/min, the whole vibration frequency for metering device 14 hz case, amplitude respectively 0, 1 mm, mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, analyzed the amplitude effect on seed indoor population movement. Is obtained by software post-processing module 2 s to 5 s at some time point in the stable state of population average speed and population pressure. Populations are obtained by the ORIGIN software speed and force with the amplitude of the fitting curves, the results show that the average speed of population and the metering device amplitude linear change, population pressure and the amplitude of a linear relationship. The simulation test for indoor seed experiment provides reliable evidence for the selection of amplitude.

Key words：discrete element； vibration； simulation； large size crop； metering device

中圖分類號(hào)：S223.2；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0214-05

作者簡介：陳晨(1993-)，男，山西忻州人，碩士研究生，(E-mail)564474940@qq.com。通訊作者：趙滿全(1955-)，男，內(nèi)蒙古土右旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)nmgzmq@yahoo.com.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51365034)；中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552532XB)；內(nèi)蒙古自治區(qū)專利實(shí)施計(jì)劃項(xiàng)目(20140185)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-10-19