劉建英，張鵬舉，劉　飛

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特　010070；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，呼和浩特　010022；3.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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離散元模擬導(dǎo)種管高度對(duì)排種性能的影響

劉建英1，張鵬舉2，劉飛3

(1.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特010070；2.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，呼和浩特010022；3.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：排種系統(tǒng)是免耕播種機(jī)的重要組成部分，其性能直接影響到免耕播種機(jī)整體工作質(zhì)量。導(dǎo)種管為排種系統(tǒng)最后一個(gè)環(huán)節(jié)，主要作用是將排種器排出的種子導(dǎo)入開(kāi)溝器并使種子能夠順利落入種溝內(nèi)，其投種位置和速度對(duì)排種系統(tǒng)的排種均勻性有較大影響。本文用離散元軟件，對(duì)導(dǎo)種管施加直線運(yùn)動(dòng)和正弦振動(dòng)，模擬玉米種子由顆粒工廠生成后，經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管下落到土地的過(guò)程。同時(shí)，經(jīng)離散元后處理模塊得到玉米種子在土地上的分布圖、種子的運(yùn)動(dòng)軌跡及種子在導(dǎo)種管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的最小速度和種子離開(kāi)導(dǎo)種管時(shí)的速度；并用origin軟件得到種子在導(dǎo)種管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的最小速度與導(dǎo)種管高度的擬合曲線、種子離開(kāi)導(dǎo)種管時(shí)的速度與導(dǎo)種管高度的擬合曲線。模擬結(jié)果表明：當(dāng)免耕播種機(jī)作業(yè)速度為1.389m/s時(shí)，最佳導(dǎo)種管高度應(yīng)為500mm。

關(guān)鍵詞：排種器；導(dǎo)種管；種子分布；投種速度；免耕播種

0引言

玉米免耕播種要求在未耕土地上一次性完成開(kāi)溝、播種、施肥、覆土和鎮(zhèn)壓等多道作業(yè)工序，對(duì)免耕播種機(jī)的性能要求較高。玉米免耕播種，可節(jié)省作業(yè)費(fèi)用，降低生產(chǎn)成本，提高糧食產(chǎn)量，保護(hù)環(huán)境。因此，設(shè)計(jì)更加符合作業(yè)要求的玉米免耕播種機(jī)能夠加快玉米免耕播種的發(fā)展[1～2]。

玉米精量免耕播種需要滿足播種均勻性指標(biāo)和粒距合格率指標(biāo)，導(dǎo)種管的高度和形狀將會(huì)直接影響這兩個(gè)指標(biāo)[3]。種子在導(dǎo)種管內(nèi)彈跳碰撞，一定程度上仍會(huì)影響播種均勻性[4]，當(dāng)種子速度接近“零速投種”時(shí)，導(dǎo)種管對(duì)播種均勻性指標(biāo)和粒距合格率指標(biāo)影響較小[5]。本文基于離散元模擬實(shí)驗(yàn)，模擬免耕播種機(jī)播種玉米種子時(shí)，玉米種子經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管的過(guò)程。顆粒工廠生成玉米種子，種子經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管落到土地上。離散元仿真時(shí)，顆粒與顆粒接觸、顆粒與幾何體接觸都選用hertz-mindin(no slip)but in接觸模型，且模擬免耕播種機(jī)工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)種管和顆粒工廠施加振幅為5mm、頻率為10Hz的正弦振動(dòng)以及速度為1.389m/s的直線運(yùn)動(dòng)[6]。通過(guò)離散元后處理模塊，得到玉米種子在土地上的分布圖、玉米種子的運(yùn)動(dòng)軌跡圖和排種管高度與玉米種子最小速度的擬合曲線，旨在為玉米免耕播種機(jī)導(dǎo)種管的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[7]。

1導(dǎo)種管參數(shù)與離散元方法簡(jiǎn)介

1.1導(dǎo)種管形狀

本次離散元模擬的導(dǎo)種管的形狀如圖1所示。其中，圖1(a)為玉米免耕播種機(jī)導(dǎo)種管真實(shí)圖，圖1(b)為導(dǎo)種管三維圖，圖1(c)為導(dǎo)種管的軸線圖。導(dǎo)種管的上端為直線，方向垂直地面，高度為h；下端為半徑200mm的圓弧，圓弧與上端和地面相切[8-9]。

(a)　導(dǎo)種管真實(shí)圖　　　(b)　導(dǎo)種管三維圖　(c)導(dǎo)種管的軸線圖

1.2導(dǎo)種管高度的確定

1.3離散元方法簡(jiǎn)介

離散元法是把研究對(duì)象分離為剛性元素的集合，使每個(gè)元素滿足牛頓第二定律，并用中心差分的方法求解各元素的運(yùn)動(dòng)方程，得到研究對(duì)象的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)。并根據(jù)牛頓第二定律及力與位移的關(guān)系確定力、加速度、速度、位移之間的關(guān)系，適合對(duì)非連續(xù)體及離散的單元進(jìn)行數(shù)值仿真[10]。

2離散元模擬方案

2.1模擬方法

本模擬實(shí)驗(yàn)用SolidWorks軟件建立導(dǎo)種管、顆粒工廠和土地的三維模型。將三維模型導(dǎo)入離散元軟件，導(dǎo)入后的模型如圖2所示。模擬免耕播種機(jī)工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)種管和顆粒工廠施加振幅為5mm、頻率為10Hz的正弦振動(dòng)和速度為1.389m/s的直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)播種要求，本次模擬種距為280mm，播種機(jī)作業(yè)速度為1.389m/s，顆粒工廠每0.194s生成一個(gè)玉米種子，種子經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管后落到土地上，模擬排種后如圖3所示。土地上可以看到玉米種子的分布。

圖2　離散元仿真模型

圖3　模擬完成圖

2.2仿真參數(shù)設(shè)置

顆粒與顆粒接觸、顆粒與幾何體接觸都選用hertz-mindin(no slip)but in接觸模型。仿真材料分別為玉米、塑料和土壤。物料物理參數(shù)如表1所示，物料間的接觸參數(shù)如表2所示。玉米種子的離散元建模由15個(gè)圓球累加而成，模型長(zhǎng)為10mm，寬為8mm，厚為4mm[11]。

表1　物料物理參數(shù)

表2　物料間的接觸參數(shù)

2.3顆粒工廠設(shè)置

顆粒工廠位于排種管的入口處，設(shè)置為一個(gè)動(dòng)態(tài)工廠，總共生成玉米種子10粒，每秒生成5粒。種子生成的速度與免耕播種機(jī)前進(jìn)速度相同，速度大小為1.389m/s，方向?yàn)榕欧N管的前進(jìn)方向[12]。

2.4仿真計(jì)算設(shè)置

根據(jù)材料的離散元瑞利時(shí)間步長(zhǎng)，本次仿真設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為6×10-6s，仿真總時(shí)間為3s，每間隔0.01s保存一次數(shù)據(jù)，網(wǎng)格尺寸為7mm。顆粒工廠和排種管向左直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向正弦振動(dòng)；顆粒工廠生成的玉米種子經(jīng)過(guò)排種管落到土地上，如圖4所示。

3仿真結(jié)果分析

3.1玉米種子在土地上的分布分析

仿真計(jì)算完成后，由離散元后處理模塊得到在土地上的玉米種子分布如圖5所示。圖5中，導(dǎo)種管高度h為251、300、350、400、450、500、550、600mm時(shí)對(duì)應(yīng)的玉米種子分布圖。由導(dǎo)種管不同高度的玉米種子分布圖可以得到：

1)當(dāng)導(dǎo)種管高度小于400mm時(shí)，玉米種子在土地上的分布均勻性較差；h=251mm時(shí)，重播、漏播的種子數(shù)量最多。

2)當(dāng)導(dǎo)種管高度小于500mm時(shí)，玉米種子在土地上的分布均勻性隨著導(dǎo)種管高度的增加而變好。

3)當(dāng)導(dǎo)種管高度大于500mm時(shí)，玉米種子在土地上的分布均勻性隨著導(dǎo)種管高度的增加而變壞。

4)玉米免耕播種機(jī)前進(jìn)速度為1.389m/s時(shí)，導(dǎo)種管高度為450mm～500mm時(shí)，玉米種子在土地上的分布均勻性相對(duì)最好。

圖4　離散元模擬排種效果圖

3.2玉米種子運(yùn)動(dòng)軌跡分析

由離散元后處理模塊得到玉米種子的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。圖5中，導(dǎo)種管高度h為251、300、350、400、450、500、550、600mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的玉米種子運(yùn)動(dòng)軌跡圖。由導(dǎo)種管不同高度的玉米種子運(yùn)動(dòng)軌跡圖可以得到[13]：

1)排種管高度為251、300、350、550mm時(shí)，玉米種子由排種管下端下落與土地接觸后，彈跳次數(shù)較多，且一些玉米種子彈跳距離較遠(yuǎn)。

2)排種管高度為400、450、550mm時(shí)，玉米種子由排種管下端下落與土地接觸后彈跳次數(shù)較少，為1次、2次或3次。

3)排種管高度為500mm時(shí)，玉米種子由排種管下端下落與土地接觸后彈跳次數(shù)相對(duì)最少，為1次、2次或不彈跳。

圖5　種子分布圖

3.3玉米種子下落最小速度分析

由離散元后處理模塊得到玉米種子下落時(shí)，每間隔0.01s時(shí)刻的速度。分析得到所有玉米種子在排種管內(nèi)的最小速度和離開(kāi)排種管出口時(shí)的速度，取平均值。玉米種子在排種管內(nèi)的最小速度和離開(kāi)排種管出口時(shí)的速度如表3所示。由origin軟件得到導(dǎo)種管內(nèi)玉米種子最小速度與導(dǎo)種管高度的擬合曲線如圖6所示，和玉米種子離開(kāi)導(dǎo)種管處的速度與導(dǎo)種管高度的擬合曲線如圖7所示。

表3　種子在排種管的速度分布

圖6　最小速度與導(dǎo)種管高度的擬合曲線

圖7　導(dǎo)種管出口速度與導(dǎo)種管高度的擬合曲線

由origin軟件得到導(dǎo)種管內(nèi)玉米種子最小速度與導(dǎo)種管高度的6次擬合曲線為

Y=-85.016 7+1.540 32X-0.011 17X2+

4.178 24E-5X3-8.515 51E-8X4+8.981 47E-

11X5-3.837 46E-14X6

其相關(guān)系數(shù)R2=0.953 09。由擬合曲線可以得到：在導(dǎo)種管高度為500mm時(shí)，玉米種子在導(dǎo)種管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的最小速度最低；在導(dǎo)種管高度為300、450、600mm時(shí)，玉米種子在導(dǎo)種管內(nèi)運(yùn)動(dòng)的最小速度相對(duì)較低，為0.37～0.4m/s之間。

由origin軟件得到玉米種子離開(kāi)導(dǎo)種管下端速度與導(dǎo)種管高度的5次擬合曲線為

Y=22.884 77-0.298 99X+0.001 58X2-4.019 26E-

6X3+4.945 41E-9X4-2.35126E-12X5

其相關(guān)系數(shù)R2=0.956 32。由擬合曲線可以得到：在導(dǎo)種管高度由251mm增大到500mm時(shí)，玉米種子離開(kāi)導(dǎo)種管下端速度變小；導(dǎo)種管高度由500mm增大到600mm時(shí)，玉米種子離開(kāi)導(dǎo)種管下端速度變大。

導(dǎo)種管前進(jìn)速度為1.389m/s、導(dǎo)種管高度為500mm時(shí)，導(dǎo)種管投種速度相對(duì)最小。

由離散元后處理模塊觀察每間隔0.01s時(shí)刻玉米種子在排種管內(nèi)的速度，對(duì)每一時(shí)刻的速度分析后可以得到：

1)導(dǎo)種管高度小于500mm時(shí)，玉米種子在導(dǎo)種管內(nèi)最小速度出現(xiàn)的位置位于導(dǎo)種管的圓角處，經(jīng)過(guò)與導(dǎo)種管圓角處的碰撞接觸，種子速度再次變大，所以在導(dǎo)種管出口處的投種速度較大。

2)導(dǎo)種管高度為550、600mm時(shí)，由于下落速度較大，種子到達(dá)出口時(shí)還沒(méi)有達(dá)到最小速度，所以在導(dǎo)種管出口處的投種速度也相對(duì)較大。

3)導(dǎo)種管高度為500mm時(shí)，玉米種子在導(dǎo)種管內(nèi)最小速度出現(xiàn)的位置位于導(dǎo)種管的下端出口處，所以在導(dǎo)種管出口處的投種速度相對(duì)較小。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)導(dǎo)種管排玉米種子離散元仿真實(shí)驗(yàn)。得到了免耕播種機(jī)作業(yè)速度為1.389m/s、振動(dòng)頻率為10Hz、振幅為5mm時(shí)，玉米種子在通過(guò)導(dǎo)種管落到土地上的運(yùn)動(dòng)軌跡、種子在土地上的分布，以及種子在導(dǎo)種管內(nèi)的最小速度與導(dǎo)種管高度擬合曲線和種子離開(kāi)導(dǎo)種管的投種速度與導(dǎo)種管高度擬合曲線。由離散元模擬實(shí)驗(yàn)得到：

1)導(dǎo)種管高度由251mm增大到500mm時(shí)，種子離開(kāi)導(dǎo)種管下端的投種速度變小；

2)導(dǎo)種管高度由500mm增大到600mm時(shí)，玉米種子離開(kāi)導(dǎo)種管下的投種端速度變大；

3)導(dǎo)種管高度為500mm時(shí)，導(dǎo)種管的投種速度較小，玉米種子在接觸土地后彈跳次數(shù)較少；

4)播種機(jī)作業(yè)速度為1.389m/s時(shí)，最佳導(dǎo)種管高度為500mm左右。

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The Discrete Element Simulation Guide Tube Height Effects on Seeding Performance

Liu Jianying1，Zhang Pengju2， Liu Fei3

(1.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics, Hohhot 010070, China; 2.Computer and Information Engineering College, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China; 3.Electrical and Mechanical College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：The metering system is an important part of no tillage planter, its performance directly affects the overall quality of the work of no tillage planter. Seed tube is the last link of metering system, the main role is to be discharged from the seed metering device into the opener and allow the seed to smoothly fall into a ditch, the investment for the position and speed of metering system metering has great influence on uniformity. In this paper, using the discrete element software, to guide tube applied linear motion and sinusoidal vibration, simulation of corn seeds generated by particle factory, after seed tube fall into the land of the process. Discrete element post-processing module obtains the distribution graph of corn seed in the ground and motion trajectory of seeds, seed left seed tube when the velocity at the minimum speed and seed seed guide tube movement; and use the origin software to obtain seeds at the minimum speed and a guide pipe motion in pipe fitting curve, the seeds degree of the left guide tube with the speed at which a guide tube height fitting curve. The simulation results show that: no tillage seeding machine operation speed of 1.389m/s, the best guide tube height is about 500mm.

Key words：metering device; the guide tube; seed distribution; cast speed; no tillage plant

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0012-05

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉建英(1974-)，女，內(nèi)蒙古四子王旗人，副教授，博士，(E-mail)yliu741@163.com。通訊作者：張鵬舉(1972-)，男，內(nèi)蒙古四子王旗人，講師，(E-mail)cieczpj@imnu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2014M552532XB)

收稿日期：2014-12-18