于佳楊，盧彩云，衛(wèi)如雪，付興蘭，李 科，唐兆家，王鳳花

（1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明650500；2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京100097；3.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京100097）

小麥精量播種是余松烈院士提出的小麥種植方式，較傳統(tǒng)小麥種植方式增產(chǎn)10%以上。小麥精量播種要求種子行距、株距確定［1－2］。傳統(tǒng)的小麥排種器為外槽輪式排種器，難以實現(xiàn)小麥精播［3］，因此本研究提出了1種窩眼輪式小麥精量排種器，其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于大面積推廣。

傳統(tǒng)的設(shè)計加工方式試驗周期長，成本高，而計算機輔助設(shè)計分析能夠縮短加工周期，其中離散元法是分析與求解復(fù)雜離散系統(tǒng)動力學(xué)問題的一種新型數(shù)值方法，可通過建立固體顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，進行顆粒行為模擬和分析［4－6］。劉濤等應(yīng)用離散元法分析了不同型孔倒角對窩眼式油菜排種器的影響［7］；Zhang等采用離散元法研究了大豆在水平圓盤式精量排種器上的工作過程［8］；Liu等應(yīng)用離散元法對不同尺寸垂直圓盤式大豆精密排種器進行了研究［9］。為研究筆者設(shè)計的窩眼式小麥精量排種器性能，本研究應(yīng)用離散元分析軟件EDEM對小麥精量排種器排種過程進行仿真試驗，分析排種器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對排種性能的影響，為排種器的加工提供數(shù)據(jù)支撐。

1 小麥精量排種器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

小麥精量排種器主要由清種刷、排種盒、護種板、接口、推種片、排種輪和導(dǎo)向板等構(gòu)成（圖1）。小麥種子播量大，為提高充種弧長，將核心部件排種輪直徑設(shè)為100 mm，部有4排，每排26個型孔，型孔設(shè)計成直角梯形體結(jié)構(gòu)，直角梯形體的斜腰面為敞口面，敞口四周有倒角；每排型孔居中開有1圈1.5 mm寬、5 mm深的溝槽，使推種片能夠插入，能夠清理卡在型孔中的種子；因小麥種子為橢球形，為提高其充種效率，排種盒內(nèi)設(shè)導(dǎo)向板，導(dǎo)向板為倒“V”形結(jié)構(gòu)，底部為弧形，包裹排種輪，相鄰導(dǎo)種板最小間距為5 mm，間距小于小麥種子長軸尺寸，可使種子按其長軸方向平行于導(dǎo)向板定向排列，提高充種效率；護種板與排種盒為一體結(jié)構(gòu)，呈圓弧形包裹排種輪，防止種子在未到達排種區(qū)域脫離型孔，護種板與排種輪留有0.5 mm間隙，防止較大粒種子與護種板摩擦損壞；接口連接有4根獨立的細(xì)排種管，分別對應(yīng)排種輪的4排型孔，代替?zhèn)鹘y(tǒng)1根粗管排種，減少種子與管壁的碰撞，將種子更快速準(zhǔn)確地播入土中［10］。

1.2 工作原理

工作中，小麥種子從種箱落入排種盒內(nèi)，在導(dǎo)向板的導(dǎo)向作用下，種子定向排列，準(zhǔn)備充入型孔，充入型孔的種子隨排種輪轉(zhuǎn)動至清種刷，清種刷將多余的種子清出型孔，保證每個型孔只充入1粒種子，種子繼續(xù)隨排種輪轉(zhuǎn)動，在護種板的保護下，種子不會脫離型孔，種子轉(zhuǎn)離護種板保護的區(qū)域后會在自身重力和離心力的作用下脫離型孔，未脫離型孔的種子在推種片的輔助推動下落入接口中，種子經(jīng)接口連接的4根排種管分別排出，完成整個排種過程。

2 排種器仿真模型建立

2.1 仿真模型建立

2.1.1 種子模型建立 取150粒京冬8號小麥種子為測試對象，用精度0.01 mm的游標(biāo)卡尺測量其三軸尺寸，測量結(jié)果如表1所示。

表1 小麥種子三軸尺寸測量值

根據(jù)所測數(shù)據(jù)，通過EDEM 2.6軟件的Particles模塊建立種子模型，將小麥種子簡化成橢球體，其長軸取6.3 mm，短軸取3.6 mm。軟件默認(rèn)以球體填充的方式來建立種子模型，為使模型更接近種子形狀，采用5個球體進行填充，球體半徑分別為 1、1.5、1.8、1.5、1 mm，種子模型如圖 2所示。

軟件中種子模型屬性參數(shù)見表2。在顆粒工廠中，種子模型生成的尺寸分布為隨機分布，分布范圍為基準(zhǔn)尺寸的0.89～1.08倍，可保證生成的種子模型尺寸更接近實際小麥種子的尺寸分布［11］。

2.1.2 排種器模型建立 在三維軟件 CREO 2.0中建立三維模型，以.stp格式保存，將模型文件導(dǎo)入EDEM 2.6軟件中并進行必要的仿真設(shè)置，清種刷設(shè)置為尼龍材料，排種器其他部分設(shè)置為樹脂材料，與后期的排種器加工材料保持一致，參數(shù)見表2，參數(shù)設(shè)置完成后，所生成的小麥精量排種器模型見圖3。

表2 EDEM中仿真材料屬性

2.2 仿真參數(shù)確定

在對小麥排種器工作過程進行仿真之前，需確定排種器模型中各零件間的相互作用參數(shù)，以及小麥種子模型與排種器模型中各零件的相互作用參數(shù)。小麥排種器主要是靠種子自身重力充入排種輪上的型孔，通過排種輪的旋轉(zhuǎn)帶動種子運動。所以，種子模型與排種器模型中各零件的接觸均采用Hertz－Mindlin接觸力學(xué)模型［12－15］。仿真過程中，材料間的相互作用參數(shù)見表3。

表3 EDEM中材料間的相互作用參數(shù)

3 仿真試驗

3.1 仿真設(shè)置

仿真模擬小麥種子顆粒從生成到排出的整個過程，每根排種管采集100組數(shù)據(jù)，由于是單粒播種，每組包含1粒種子，整個排種器（4根排種管）理論總排種子數(shù)共400粒。顆粒工廠生產(chǎn)顆粒的方式為動態(tài)生成，生成總顆粒數(shù)為3 000粒。排種輪運動方式為線性旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大小可根據(jù)不同試驗安排設(shè)定，在每根排種管口處增設(shè)Grid Bin Group，統(tǒng)計通過該排種管的種子數(shù)，統(tǒng)計后在Greate Graph模塊中進行數(shù)據(jù)保存，根據(jù)采集數(shù)據(jù)組數(shù)，每根排種管口處設(shè)置的Grid Bin Group采集100個數(shù)據(jù)點。當(dāng)數(shù)據(jù)點的值為1時，表示型孔正常充種；值為0時，表示漏充種子；值為2時，表示重復(fù)充種；100組數(shù)據(jù)點值的和為總排種數(shù)。將采集的數(shù)據(jù)以.csv格式保存并導(dǎo)入Excel中，在Excel中統(tǒng)計重復(fù)充種數(shù)、漏充種子數(shù)、各排種管排種數(shù)和總排種數(shù)。

EDEM軟件主要是應(yīng)用離散元法來計算顆粒的運動，假設(shè)在一個時間步長內(nèi)顆粒所受的力不變，這個時間步長是EDEM仿真準(zhǔn)靜態(tài)微粒集合中時間步長在理論上的最大值，每個顆粒的配位數(shù)保持大于1。配位數(shù)由下式確定：

式中：R是顆粒半徑；ρ是顆粒密度；G是剪切模量；σ是泊松比。一般配位顆粒數(shù)≥4的選取瑞利時間步的20%作為時間步長，配位顆粒數(shù)＜4的選取瑞利時間步的40%作為時間步長較為合適，經(jīng)計算，本研究選取瑞利時間步的20%作為時間步長。仿真過程中，仿真區(qū)域網(wǎng)格尺寸定義的大小對仿真時間的影響較大，如果定義的網(wǎng)格尺寸中顆粒數(shù)不多于1個，那么該網(wǎng)格中就沒有接觸發(fā)生，仿真時間就減少，這里我們設(shè)置網(wǎng)格單元邊長為2倍的顆粒半徑，可在保證仿真精度的同時降低仿真時間［16－17］。

3.2 試驗因素和指標(biāo)

對排種器的工作原理進行分析可知，型孔倒角類型、清種刷安裝角度以及排種輪轉(zhuǎn)速為影響排種器排種性能的主要因素。重復(fù)充種數(shù)D、漏充種子數(shù)M、各排種管排種數(shù)P、總排種數(shù)S、各排種管排種量的標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)Q是該排種器排種性能的重要評價指標(biāo)。為分析不同參數(shù)對排種器排種性能的影響，安排單因素試驗，分別以型孔倒角類型、清種刷安裝角度以及排種輪轉(zhuǎn)速為變量進行數(shù)值模擬。分別統(tǒng)計D、M、P、S，計算出各排種管排種量的標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)Q（Q為各排種管排種量標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值），從而分析出各因素對排種器排種性能的影響，其中S越接近理論排種數(shù)越好，D、M、Q越小越好。型孔倒角類型及清種刷安裝位置如圖4所示。

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 型孔倒角對排種器排種性能的影響 試驗安排排種軸轉(zhuǎn)速45 r／min，清種刷安裝角度35°為定量，型孔倒角類型為變量，不同型孔倒角條件下的各排種管排種數(shù)量仿真結(jié)果如表4所示，漏充種子數(shù)、重復(fù)種子數(shù)和變異系數(shù)結(jié)果如圖5所示。

表4 型孔倒角對排種管排種數(shù)量的影響

表5 清種刷安裝角度對排種管排種數(shù)量的影響

從表4可以看出，S倒圓角＞S無倒角＞S倒邊角，其中 S倒邊角為411粒，最接近理論總排種數(shù)400粒。

從圖5可以看出，D倒圓角＞D無倒角＞D倒邊角，型孔倒邊角的排種輪重復(fù)充種數(shù)最少；M無倒角＞M倒邊角＞M倒圓角，型孔倒邊角的排種輪漏充種子數(shù)為8粒，型孔倒圓角的排種輪漏充種子數(shù)為6粒，兩者漏充種子數(shù)相差不大；Q無倒角＞Q倒圓角＞Q倒邊角，型孔倒邊角的排種輪各排種管排種量標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)最小。綜合考慮，型孔倒邊角的排種輪的總排種數(shù)為411粒，型孔倒邊角的排種輪重復(fù)充種數(shù)為19粒，型孔倒邊角的排種輪各排種管排種量標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)為1.26%，均小于其他2種型孔倒角方式的對應(yīng)值，所以型孔倒邊角的排種器排種性能優(yōu)于其他2種型孔倒角的排種器的排種性能。

3.3.2 清種刷安裝角度對排種器排種性能的影響 試驗安排型孔倒邊角，以排種軸轉(zhuǎn)速45 r／min為定量，清種刷安裝角度為變量，不同清種刷安裝角度下的各排種管排種數(shù)量仿真結(jié)果如表5所示，漏充種子數(shù)、重復(fù)種子數(shù)和變異系數(shù)結(jié)果如圖6所示。

從表5、圖6可以看出，S15°＝S35°＞S25°，其中 S25°為 394粒，最接近理論排種數(shù)400粒，由 M25°＞M15°＞M35°可知，清種刷安裝角度為25°的排種器漏充種子數(shù)量最多，所以清種刷安裝角度為25°的排種器排種數(shù)最接近理論排種數(shù)是由漏充種子數(shù)量較多造成的。對比另外2種安裝角度發(fā)現(xiàn)，S15°＝S35°，D15°＞D35°，Q15°＞Q35°，清種刷安裝角度為 35°時所對應(yīng)的重復(fù)充種數(shù)、各排種管排種量標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)均小于清種刷安裝角度為15°的排種器，所以清種刷安裝角度為35°的排種器的工作性能更優(yōu)。

3.3.3 排種軸轉(zhuǎn)速對排種器排種性能的影響 試驗以型孔倒角類型為倒邊角，清種刷安裝角度35°為定量，排種軸轉(zhuǎn)速為變量進行單因素試驗，不同排種軸轉(zhuǎn)速下的各排種管排種數(shù)量仿真結(jié)果如表6所示，漏充種子數(shù)、重復(fù)種子數(shù)和變異系數(shù)結(jié)果如圖7所示。

表6 排種輪轉(zhuǎn)速對排種管排種數(shù)量的影響

從表6可以看出，隨著排種輪轉(zhuǎn)速增加，總排種數(shù)S逐漸減少，轉(zhuǎn)速為50 r／min時，總排種數(shù)為409粒，最接近理論排種數(shù)400粒。

從圖7可以看出，隨著排種輪轉(zhuǎn)速的增加，漏充種子數(shù)逐漸增加，重復(fù)充種數(shù)逐漸減少，且在某一轉(zhuǎn)速下，漏充種子數(shù)和重復(fù)充種數(shù)相等，在排種輪轉(zhuǎn)速為50 r／min時，變異系數(shù)最小，為1.92%。綜合考慮，排種輪轉(zhuǎn)速為50 r／min時，仿真總排種數(shù)為409粒，與理論排種數(shù)400粒相差9粒，重復(fù)充種率為5%，漏充種子率為2.75%，各排種管排種量標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)為1.92%，排種器排種性能最優(yōu)。

4 結(jié)論

針對小麥精量播種缺乏合適的排種器，設(shè)計了窩眼輪式小麥精量排種器，型孔形狀設(shè)計為梯形，便于橢球形的小麥種子充種和清種；排種盒增設(shè)導(dǎo)種隔板，能使小麥種子定向排列，提高了充種效率。

采用離散元法對排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真分析，當(dāng)型孔倒角類型為倒邊角，清種刷安裝角度為35°時，排種器總排種數(shù)最接近理論排種數(shù)，漏充種子數(shù)、重復(fù)充種數(shù)、各排種管排種量變異系數(shù)均較低。

采用離散元素法對排種輪轉(zhuǎn)速進行仿真分析，隨著排種輪轉(zhuǎn)速的增加，漏充種子數(shù)逐漸增加，重復(fù)充種數(shù)逐漸減少，在某一轉(zhuǎn)速下漏充種子數(shù)和重復(fù)充種數(shù)相等，在排種輪轉(zhuǎn)速為50 r／min時，總排種數(shù)為409粒，各排種管排種量變異系數(shù)為1.92%，漏充種子率為2.75%，重復(fù)充種率為5%，排種性能最優(yōu)。

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