郭麗峰，劉宏新，賈　儒，劉俊孝（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　150030）

?

基于仿真與試驗(yàn)的可變型孔立式復(fù)合大豆種盤參數(shù)優(yōu)化

郭麗峰，劉宏新*，賈儒，劉俊孝
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：為提高立式排種器對種子尺寸適應(yīng)性，增強(qiáng)機(jī)械式精密排種器市場競爭力，研究一種型孔徑可變的復(fù)式種盤，并對其參數(shù)優(yōu)化。設(shè)計(jì)由充種勺輪、導(dǎo)種輪、護(hù)種板和調(diào)節(jié)擋板組成的可變型孔立式復(fù)合種盤，只需定量改變調(diào)節(jié)擋板的調(diào)節(jié)間隙即可播種不同尺寸大豆種子。通過EDEM仿真及試驗(yàn)，優(yōu)化得出該復(fù)合種盤型孔特征參數(shù)最優(yōu)值，仿真優(yōu)化得出種勺傾角θ的最優(yōu)參數(shù)值為30°，種子尺寸范圍4.5～6.0、6.0～8.0、8.0～10.5和10.5～13.0 mm時，對應(yīng)的調(diào)節(jié)間隙d分別為0、2.5、3和5 mm。優(yōu)化參數(shù)后的種盤經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)具有良好作業(yè)性能與種子適應(yīng)性，可為該項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)裝備；立式種盤；可變型孔；EDEM仿真；參數(shù)優(yōu)化

郭麗峰,劉宏新,賈儒,等.基于仿真與試驗(yàn)的可變型孔立式復(fù)合大豆種盤參數(shù)優(yōu)化[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(3):64-71.

Guo Lifeng,Liu Hongxin,Jia Ru,et al.Parameter optimization of vertical compound soybean plate with variable hole based on the simulation and experiment[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(3):64-71.(in Chinese with English abstract)

我國大豆品種繁多，尺寸差異大[2-3]，為精密播種，一般機(jī)械式排種器均將種子按不同尺寸分級，并選擇相應(yīng)型孔尺寸排種盤，既增加成本，也造成使用不便。

排種盤的排種單元即型孔，其形狀和幾何尺寸，種子在型孔中排列狀態(tài)和穩(wěn)定程度，所排種子形狀、尺寸均直接影響排種盤精確性[1]。于建群等研制一種組合內(nèi)窩孔精密排種器[4]，適當(dāng)選擇充填孔和階梯形內(nèi)窩定量孔形狀和尺寸，即可對不同品種玉米種子在不分級情況下精播；吳兆遷等設(shè)計(jì)一種可調(diào)式窩眼輪排種器[5]，通過改變窩眼體積改變播種量；宋井玲等設(shè)計(jì)一種型孔深度可變的排種器[6]，通過采用固定凸輪活銷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對不同形狀和尺寸種子的適應(yīng)性；湯楚宙等在偏心輪型孔輪式排種器的基礎(chǔ)上[7]，研究一種由型孔輪和調(diào)節(jié)環(huán)組成的變?nèi)萘啃涂纵喪脚欧N器，該排種器型孔輪適用于包括油菜籽在內(nèi)的各種小粒種子條播，且播量可無級調(diào)節(jié)；張宇文利用窩眼輪排種機(jī)構(gòu)與外槽輪結(jié)合[8]，實(shí)現(xiàn)對大、中、小粒種子播種。

針對上述問題，在具有軸向尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、株距變異尺寸小[9-12]等諸多優(yōu)點(diǎn)的立式復(fù)合種盤的基礎(chǔ)上，將型孔設(shè)計(jì)為由充種勺輪、調(diào)節(jié)擋板和護(hù)種板組合而成的復(fù)式型孔，僅需軸向改變調(diào)節(jié)擋板位置即可實(shí)現(xiàn)對不同尺寸的大豆種子播種。

同時，為優(yōu)化可變型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定最佳檔位位置及數(shù)量，充分發(fā)揮該型種盤技術(shù)優(yōu)勢。本文采用基于離散元法EDEM仿真[13-18]及樣機(jī)試驗(yàn)展開深入研究，為該技術(shù)轉(zhuǎn)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1　排種盤結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1復(fù)合種盤結(jié)構(gòu)

立式復(fù)合種盤組件及型孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2工作原理

種子由輸種管進(jìn)入排種器充種腔后，在排種軸轉(zhuǎn)動下進(jìn)入由種勺5和調(diào)節(jié)擋板3組成的型孔中，如圖1所示。充種勺輪4和導(dǎo)種輪1同軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)至調(diào)節(jié)擋板3最頂端時，由于失去依托，種子依靠自身重力進(jìn)入導(dǎo)種輪1上的導(dǎo)種輪槽中，在護(hù)種板2的保護(hù)下轉(zhuǎn)到排種器最下端的投種口投種，如圖2所示。通過改變調(diào)節(jié)擋板3與充種勺輪4之間的距離改變型孔深度，從而適應(yīng)不同品種及尺寸大豆播種。

圖1　立式復(fù)合種盤結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of vertical compound plate

圖2　立式復(fù)合種盤工作過程Fig.2 Working process of the vertical compound plate

2　可變型孔特征及參數(shù)

2.1結(jié)構(gòu)參數(shù)

可變型孔立式復(fù)合種盤特征及參數(shù)如表1所示。各參數(shù)結(jié)構(gòu)如圖3、4所示。

2.2調(diào)節(jié)檔位

由種子尺寸域的分布特點(diǎn)[3,19-20]，將種子根據(jù)等效直徑分為以下4個區(qū)域：4.5～6.0、6.0～8.0、8.0～ 10.5和10.5～13.0 mm。通過改變調(diào)節(jié)擋板與充種勺輪之間的間隙d改變型孔尺寸。如圖5所示。

各尺寸域種子對應(yīng)調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)間隙范圍如下：當(dāng)種子尺寸范圍4.5～6 mm時，調(diào)節(jié)間隙范圍0 mm≤d1≤3 mm；當(dāng)種子尺寸范圍在6.0～8.0 mm時，調(diào)節(jié)間隙范圍2 mm≤d2≤5mm；當(dāng)種子尺寸范圍8.0～10.5 mm時，調(diào)節(jié)間隙范圍為3 mm≤d3≤8 mm；當(dāng)種子尺寸范圍10.5～13.0 mm時，調(diào)節(jié)間隙范圍為5 mm≤d4≤12 m m。

3　EDEM虛擬仿真

排種器工作時，始終存在種子之間、種子與排種器之間的接觸作用和種子群體運(yùn)動過程[21-22]，基于離散元法的EDEM仿真可較好研究排種器工作性能[14]。采用EDEM虛擬仿真確定及優(yōu)化種勺傾角θ，調(diào)節(jié)間隙d。

3.1模型建立及仿真參數(shù)選取

3.1.1設(shè)置全局變量

首先要選取合適的力學(xué)模型。轉(zhuǎn)動件材料為尼龍，大豆顆粒之間，大豆顆粒和壁面之間受力采用Herz模型[23]。仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1　可變型孔立式復(fù)合種盤特征及輔助參數(shù)Table 1 Feature and assist parameter of vertical compound plate with variable hole

圖4　輔助結(jié)構(gòu)Fig.4 Assist structure

圖5　調(diào)節(jié)擋板與充種勺之間的間隙Fig.5 Clearancesketchbetweenadjust baffleand fillingspoon

3.1.2建立顆粒體模型

為真實(shí)模擬大豆形態(tài)，將大豆顆粒創(chuàng)建為四面體構(gòu)型[14]，如圖6所示。設(shè)置顆粒類型為正態(tài)分布。模擬器設(shè)置參考文獻(xiàn)[14]。

3.2仿真試驗(yàn)及因素確定

影響排種盤作業(yè)性能的結(jié)構(gòu)有種勺傾角θ和調(diào)節(jié)間隙d。分別以這些參數(shù)作試驗(yàn)因素，采用單因素方法確定種勺傾角θ最優(yōu)值及對直徑范圍不同的大豆播種時調(diào)節(jié)間隙d。

表2大豆顆粒的物理力學(xué)特性參數(shù)Table 2 Physical and mechanical characteristic parameters of soybean particle

圖6顆粒體模型Fig.6 Particle model graph

試驗(yàn)因素名稱、標(biāo)記、代號及水平域選擇如表3所示。選擇漏播指數(shù)和重播指數(shù)作響應(yīng)函數(shù)，分別標(biāo)記為yM、yD，響應(yīng)指標(biāo)具體名稱及代號如表4所示。試驗(yàn)用大豆直徑范圍如表5所示。選取直徑范圍6～8 mm大豆，8 km·h-1作業(yè)速度展開試驗(yàn)。

試驗(yàn)因素水平編碼見表6。各因素試驗(yàn)水平點(diǎn)分別標(biāo)記為：

種勺傾角：θ-γ、θ-1、θ0、θ1、θ+γ；調(diào)節(jié)間隙：d-γ、d-γ、d-γ、d-γ、d-γ。

表3　試驗(yàn)因素標(biāo)記及代號Table 3 Index and code name of experimental variables

表4試驗(yàn)響應(yīng)指標(biāo)及代號Table 4 Index and code name of experimental response

表5大豆直徑范圍Table 5 Soybean diameter range

表6　因素水平編碼Table 6 Experimental variables & levels

3.3仿真結(jié)果及分析

3.3.1種勺傾角因素

①試驗(yàn)方案

取種勺傾角范圍為25°～35°，水平增量為“2”；試驗(yàn)組編號：Single.θ.（di）。其中：

Single-單因素試驗(yàn)標(biāo)記，括號內(nèi)為試驗(yàn)組特征參數(shù)（下同）；θ-試驗(yàn)因素，本例為種勺傾角；di-試驗(yàn)組特征參數(shù)，本例為調(diào)節(jié)間隙（d-γ、d-γ、dγ、d-γ、d-γ）。

②試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集如表7所示。

③統(tǒng)計(jì)分析

排種器主要性能指標(biāo)隨種勺傾角變化情況見圖7所示。

表7　種勺傾角因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集表Table 7 Results of single θ(di)experiment

圖7　種勺傾角因素Fig.7 Influence of angle of seed spoon

當(dāng)調(diào)節(jié)間隙>3.5 mm時，重播指數(shù)顯示為較大值，調(diào)節(jié)間隙為2 mm時，漏播指數(shù)顯示為較大值。隨著種勺傾角增大，漏播指數(shù)呈減小趨勢，重播指數(shù)呈遞增趨勢。

3.3.2調(diào)節(jié)間隙因素

①試驗(yàn)方案

取調(diào)節(jié)間隙范圍為2～5 mm，水平增量為“0.5”；試驗(yàn)組編號：Single.d.（θi）。其中：

d-試驗(yàn)因素，本例為調(diào)節(jié)間隙；θi-試驗(yàn)組特征參數(shù)，本例為種勺傾角（32°、30°、28°）。

②試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集如表8所示。

表8　調(diào)節(jié)間隙因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集Table 8 Results of single d(θi)experiment

③統(tǒng)計(jì)分析

排種器主要性能指標(biāo)隨調(diào)節(jié)間隙變化情況見圖8所示。

當(dāng)調(diào)節(jié)間隙小于2.5 mm時，調(diào)節(jié)間隙越小，漏播指數(shù)呈增長趨勢，調(diào)節(jié)間隙大于3.0 mm時，重播指數(shù)呈增長趨勢。隨種勺傾角增大，漏播指數(shù)和重播指數(shù)均呈增長趨勢。

通過EDEM虛擬仿真分析影響排種盤作業(yè)性能參數(shù)，通過單因素試驗(yàn)確定種勺傾角的最優(yōu)參數(shù)為θ=30°，對6～8 mm種子，調(diào)節(jié)間隙為d=2.5 mm，同時分別確定各尺寸域種子對應(yīng)調(diào)節(jié)擋板調(diào)節(jié)間隙：當(dāng)種子尺寸范圍分別為4.5～6、6.0～8.0、8.0～10.5和10.5～13.0 mm時，調(diào)節(jié)間隙分別為0、2.5、3和5 mm。

圖8　調(diào)節(jié)間隙因素Fig.8 Influence of adjusting depth

4　樣機(jī)試制與試驗(yàn)

4.1樣機(jī)試制

根據(jù)理論及仿真分析確定型孔形狀、尺寸及適合尺寸域種子調(diào)節(jié)間隙展開樣機(jī)試制及試驗(yàn)。為加快進(jìn)度及減少樣機(jī)加工成本，通過3D打印[24]制作充種勺輪、導(dǎo)種輪及護(hù)種板采用尼龍材料，并在對試驗(yàn)結(jié)果無影響前提下，以單腔單盤形式試制與試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖9所示。

選用JPS-12計(jì)算機(jī)視覺排種器性能實(shí)驗(yàn)臺（哈爾濱博納科技有限公司制造）作臺架試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如圖10所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)遵照國家標(biāo)準(zhǔn)“GB6973-86單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法（Testing methods of Single seed precision drills）”[25]進(jìn)行，每組試驗(yàn)重復(fù)3次以上，剔除明顯異常數(shù)據(jù)并取均值。

圖9　排種器樣機(jī)Fig.9 Seed-metering device prototype

圖10　樣機(jī)試驗(yàn)過程Fig.10 Experiment process of prototype

4.2試驗(yàn)

以漏播指數(shù)（M）和重播指數(shù)（D）為目標(biāo)函數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對照如表9所示。

表9　數(shù)據(jù)對照Table 9 Data adjustin

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10所示。根據(jù)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“JB/T 10293-2001中耕作物精密播種機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等”[26]，由試驗(yàn)結(jié)果可知，各個檔位在不同速度下符合株距≤10 cm時優(yōu)等品評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[11]，從而證明理論分析結(jié)合EDEM虛擬仿真得出的結(jié)果真實(shí)可靠，這種可變型孔立式復(fù)合種盤可滿足不同尺寸域大豆種子播種。

表10　樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Results of prototype

5　結(jié)　論

a.可變型孔立式復(fù)合種盤種勺傾角θ最優(yōu)值為30°，種子尺寸范圍4.5～6、6～8、8～10.5和10.5～ 13 mm時的調(diào)節(jié)間隙d分別為0、2.5、3和5 mm。

b.可變型孔立式復(fù)合種盤在保持原型立式種盤高速作業(yè)能力基礎(chǔ)上，無需更換零件，僅按照種子尺寸范圍簡單調(diào)節(jié)型孔深度，即可適應(yīng)不同尺寸大豆的充種，調(diào)整簡便、工作可靠。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張慶峰,耿端陽,李丹,等.水平圓臺式排種器型孔結(jié)構(gòu)尺寸對囊種率影響的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011(11):143-147.

[2]Yu J M,Holland J B,McMullen M D,et al.Genetic design and statistical power of nested association mapping in maize[J].Genetics,2008,178:539-551.

[3]Liu Y H,Guan R X,Liu Z X,et al.Genetic structure and diversity of cultivated soybean(Glycine max(L.)Merr.)landraces in China[J].Theor Appl Genet,2008,117(6):857-871.

[4]于建群,馬成林,楊海寬,等.組合內(nèi)窩孔玉米精密排種器型孔的研究[J].吉林工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2000(1):16-20.

[5]吳兆遷,才麗華.可調(diào)式窩眼輪排種器的設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與土木設(shè)備,2002(2):9-10.

[6]宋井玲,楊自棟,楊善東,等.一種型孔深度可變的排種器[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(12):103-105.

[7]湯楚宙,羅海峰,吳明亮,等.變?nèi)萘啃涂纵喪脚欧N器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(12):114-119.

[8]張宇文.機(jī)械式多功能精密排種器的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015(3):50-53.

[9]Garcia P P.Participatory development of a corn seeder[C].Philippines:College Laguna,1993:119.

[10]劉剛.常用精量排種器分析比較[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2012(9):27-30.

[11]劉宏新.大豆密植平播機(jī)關(guān)鍵部件研究及整機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2007.

[12]Richard L Parish.Development of a Narrow-Row Vertical-Plate planter[J].Transaction of the ASAE,1972,15(4):636-637.

[13]Liu H X,Guo L F,Fu L L,et al.Study on multi- size seedmetering device for vertical plate soybean precision planter[J].Int JAgric & Biol Eng,2015(2):1-8.

[14]王福林,尚家杰,劉宏新,等.EDEM顆粒體仿真技術(shù)在排種機(jī)構(gòu)研究上的應(yīng)用[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,44(2):110-114.

[15]李政權(quán),于建群,張尉林,等.內(nèi)充式排種器工作過程和性能的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(11):32-36.

[16]于建群,王剛,心男,等.形孔輪式排種器工作過程與性能仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(12):83-87.

[17]于建群,申燕芳,牛序堂,等.組合內(nèi)窩孔精密排種器清種過程的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(5):105-108.

[18]劉宏新.2B-JP-FL01排種器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(9):106-110.

[19]Yu J M,Holland J B,MeMullen M D,et al.Genetic design and statistical Power of nested association mapping in maize[J].Genetics,2008,178:539-550.

[20]Marjoram P?Nordborg M.AnarabidoPsis example of assoeiation mappingin struetured samples[J].PloS Geneties,2007(3):71-82.

[21]胡國明.顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社,2010.

[22]王國強(qiáng),郝萬軍,王繼新.離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2010.

[23]Resort G S,Nevada C R.Material and interaction properties of selected grains and oil seeds for modeling discrete particles[J].ASABE Annual International Meeting,2009(7):3-16.

[24]王沖,宋建農(nóng),李永磊.基于三維打印的型孔排種輪制造技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011(3):108-111.

[25]GB-6973-86單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1986-11-01.

[26]JB/T 10293－2001中耕作物精密播種機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等[S].北京:機(jī)械工業(yè)局,1999.

Parameter optimization of vertical compound soybean plate with variable hole based on the simulation and experiment

GUO Lifeng,LIU Hongxin,JIA Ru,LIU Junxiao(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Abstract:In order to improve the adaptation to seed size of the vertical plate,and enhance market competitiveness of the mechanical seed-metering device,a compound plate with variable hole was researched,and the parameters of the hole was optimized.The vertical compound plate with variable hole constituted by filling spoon,guide wheel,seed- shielding plate and adjust baffle.The objective of sowing with different sizes of soybean seeds was implemented only by quantitatively changing adjusting depth of adjust baffle.Optimized through the software EDEM virtual simulation,get the result that the optimal parameter value for the angle of seed spoon θ was 30°,when the seed size range ware 4.5-6.0,6.0-8.0,8.0-10.5,10.5-13.0 mm,regulating clearances d ware 0,2.5,3,5 mm respectively.The prototype was indicated that seed-metering device with optimum parameters had good operating performance and seed adaptability.

Key words:agricultural equipment; vertical plate; variable hole; EDEM simulation; parameter optimization

*通訊作者：劉宏新，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備、數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、CAD & CAE。E-mail:Lcc98@neau.edu.cn

作者簡介：郭麗峰（1986-），女，工程師，碩士，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。E-mail:lifeng_guo@126.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275086）

收稿日期：2015-04-28

中圖分類號：TH224；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）03-0064-08