利用高速攝像及仿真分析立式淺盆型排種器工作特性

劉宏新，徐曉萌，劉俊孝，王　晨（東北農業大學工程學院，哈爾濱　150030）

?

利用高速攝像及仿真分析立式淺盆型排種器工作特性

劉宏新，徐曉萌，劉俊孝，王晨
（東北農業大學工程學院，哈爾濱150030）

摘要：為直觀準確觀察排種器的工作特性以及種子在其容腔內部的運動狀態，利用高速攝像技術拍攝立式淺盆型排種器在不同轉速下的工作過程，同時結合離散元仿真軟件EDEM（engineering discrete element method）進行仿真，利用其后處理模塊中的影像技術標記種子并對工作區間進行分析。采用高速攝影技術和離散元仿真分析軟件EDEM分析得出：為了保證清種的可靠性，種盤的折邊傾角應在67°～90°之間；同時，為了防止清種過程中帶種導致的傷種現象的發生，種層高度應保證種面與護種板之間保留3～4倍種子直徑的距離；投種過程中，為了保證排種的均勻性、減小株距變異，在保證型孔的光潔度的同時，投種口的尺寸應選取16 mm×30 mm。該研究為完善立式淺盆型排種器的設計、補充修正相關結構參數提供了參考。

關鍵詞：農業機械；計算機仿真；種子；排種器；工作機理；高速攝影

劉宏新，徐曉萌，劉俊孝，王晨. 利用高速攝像及仿真分析立式淺盆型排種器工作特性[J]. 農業工程學報，2016，32（2）：13－19.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003http://www.tcsae.org

Liu Hongxin， Xu Xiaomeng， Liu Junxiao， Wang Chen. Working characteristics of vertical shallow-basin type seed-metering device based on high-speed photography and virtual simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 13－19. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003http://www.tcsae.org

Email：Lcc98@neau.edu.cn

0　引　言

立式淺盆型排種器是一種利用復合充填力進行充種的機械式精密排種器，在對其充種機理進行研究的基礎上，通過離散元仿真軟件（engineering discrete element method，EDEM）和物理樣機試驗驗證了立式淺盆型排種器在高速作業時具有良好的作業性能[1]。但在已有的研究中存在一定的模型假設，如理論分析時，力學模型存在簡化與假設，同時，在EDEM模擬仿真時，也存在顆粒體模型的假設[2-3]，以及EDEM仿真中不存在實際工況下由于機具的振動引發的嗑種現象等問題，因此需要觀察實際工況下排種器的工作情況用以分析立式淺盆型排種器的工作機理。

國內外將影像技術應用在排種器的研究已陸續被報導，其中高速攝影技術被廣泛應用在排種器試驗領域中[4-5]。Karayel等[6]使用高速攝像系統拍攝種子下落時的位置關系進而推算其株距信息；Kocher等[7]采用光電方式檢測直徑大于4 mm種子播種株距的均勻性；國內的專家學者也相繼利用高速攝影技術檢測各類排種器的工作性能以及排種的均勻性為改善排種器的結構參數提供依據[8-12]。王在滿等[13-14]利用高速攝影技術對型孔輪式排種器的充種和排種過程進行拍攝，并分析其在排種器內部的種子流動規律和排種軌跡，據此改進排種器的結構參數；袁月明等[15-17]和金漢學[18]在研究水稻排種器時引入了高速攝像技術，就不同轉速、孔數、孔徑和真空度對排種器充種、投種性能的影響進行了探索性研究；同時，EDEM后處理的影像技術也逐漸應用到排種器的研究中，如Parafiniuk P等[19]利用離散元法對油菜籽在筒倉內的流速進行測量，并進行物理樣機驗證；沈陽理工大學[20-21]利用EDEM模擬勺式精密排種器的工作過程，據此明確了此類排種器的工作機理；胡建平等[22-24]利用EDEM對磁吸板式排種器、永磁體磁吸式排種器和磁吸滾筒式排種器的充種過程進行模擬和分析，找出影響排種器充種性能的主要因素；石林榕等[25]利用離散元法對水平圓盤式精量排種器工作過程分析，找出了提高其排種性能的最佳排種參數。

為此，本文在已有研究的基礎上，將高速攝影技術與EDEM軟件后處理模塊中的影像技術相結合，對立式淺盆型排種器的清種過程和投種過程進行觀察和分析，并研究種子在其內部的運動規律，以期為完善排種器設計、提高排種器的工作性能提供參考。

1　總體結構及工作原理

1.1總體結構

立式淺盆型排種器的結構如圖1所示，該排種器主要由殼體1、排種盤2、護種板3以及排種軸4等組成[1]。

圖1　立式淺盆型排種器的總體結構Fig.1　Overall structure of vertical shallow-basin type seed-metering device

1.2工作原理

由于殼體種層高度控制結構的作用，種子在排種器中處于非充滿狀態，排種盤在驅動軸帶動下按照如圖1所示方向進行旋轉，

種子在復合充填力的作用下充入到型孔中，完成充種過程；型孔隨即轉入到清種區，種子利用復合力將型孔內多余的種子和型孔外與種盤隨動的種子清掉，完成清種過程；然后型孔內的種子在護種板和型孔圍成的封閉空間內運動，最后種子隨排種盤轉動到排種器容腔下部進入到投種區，由投種口投出，完成排種作業。排種器在排種盤不同轉速下的充填率如表1[1]。

表1　在不同轉速下立式淺盆型排種盤的充填率Table 1　Filling rate value of vertical shallow-basin type seed-plate at different rotational speed

2　仿真影像分析

利用CATIA三維建模軟件建立排種盤直徑為190 mm的立式淺盆型排種器模型，并將其存儲為stp.格式導入到EDEM中，全局變量和模擬器的設置參照文獻[1]。

2.1清種過程分析

排種盤在高速轉動時，會帶動與種盤接觸的但未充入型孔內的種子一起運動，此現象為帶種現象，必須保證在進入護種區之前與種盤一起隨動的種子能夠及時清掉，防止由于種子下落不及時，導致種子被護種板刮傷現象的發生。

圖2　帶種現象仿真圖像Fig.2　Simulation image of bringing seed

當折邊傾角（排種盤折邊與豎直方向的夾角）為90°（即內環型孔式排種盤）時，經力學分析可知[1]，當排種盤高速轉動時會存在較大的離心力，使種盤帶動種粒一起隨動，在清種過程中會發生清種不徹底導致傷種現象的發生。因此，為了驗證理論分析的正確性，本文以作業速度為v＝10 km/h為例，模擬仿真排種盤折邊傾角為90°時的清種過程，如圖2a所示。圖2a中顆粒體的顏色隨種子運動速度大小而改變，圖中群體點中亮綠色的種子為流動層，排種盤對種子群有明顯的擾動作用。在4.87 s時，被標記的種粒（圖中橘黃色顆粒）即種盤附近的群體點種粒，在排種盤的帶動下逐漸向種層上方運動，進入清種區后，在4.91 s時，可以明顯看到排種盤帶動種層向上運動，由于離心力的作用，被標記的種粒與種盤一起隨動，在4.97 s時，磕碰到護種板后開始掉落，在5.02 s時，完全落回種層。從EDEM仿真中可以清晰看到當排種盤折邊傾角為90°時，高轉速下會產生種子與護種板發生磕碰進而造成的傷種現象，證明了已有研究[1]中力學分析的正確性。

當作業速度v＝10 km/h時，排種盤的折邊傾角為67°時的清種過程如圖2b所示，從圖2b中可以清晰看出排種盤對顆粒體沒有明顯的擾動作用，同時圖2b中被標記的顆粒體在進入清種區后，隨排種盤運動較小距離后便開始下落，在9.36 s時，落回種層，與理論分析[1]一致。

2種不同折邊傾角的排種器的清種過程仿真對比分析可知：若想避免帶種引起的傷種現象的發生，保證清種的可靠性，排種盤的折邊傾角應小于90°，同時考慮折邊傾角過小會造成充種效果不佳，基于以上，排種盤的折邊傾角應在67°～90°之間。此外，種層高度也應該控制在一定范圍內，保證充種區域足夠大的同時，防止帶種現象的發生，種層高度應保證種面與護種板之間保留3～4倍種子直徑的距離。

2.2投種過程分析

1）投種軌跡

在后處理器設置中，手動選取即將從型孔投出的種子即投種點位置的種粒進行標記。將選取的種粒以Stream流線形式進行顯示，并在選項卡中勾選全部步長，其運動軌跡如圖3a。將被標記顆粒的坐標的Y值、Z值導出到EXCEL，并畫出在排種盤不同轉速下的投種軌跡。

圖3　測量投種軌跡和投種角示意圖Fig.3　Sketches of throwing locus and angle of throwing seed

2）投種角測量

隨著種盤的轉動，型孔進入投種區后,種子剛開始落出型孔時，種子重心與排種盤中心點連線和排種盤豎直中心線的夾角稱為投種角。在EDEM后處理設置中，在Tools選項卡中選取Protractor項，手動選取型孔進入投種區后，恰好要脫離型孔的種粒作為起始點，設置中心點和終止點的坐標值，如圖3b所示。測量排種盤每個轉速下的投種角3次并取均值。

3　儀器設備與方法

3.1試驗材料物理參數

試驗材料選用品種為黑農38的大豆，粒徑范圍是5～8 mm，千粒質量約為253.83 g，自然休止角約為25°，破損率小于0.05%。

3.2測試與攝像采集系統

測試與影像采集系統主要由高速攝影系統（由美國Vision Research公司生產的Phantom V5.1-4G型）、JPS-12計算機視覺排種器性能檢測試驗臺、立式淺盆型排種器、計算機等組成，連接關系如圖4所示。立式淺盆型排種器安裝在JPS-12計算機視覺排種器性能檢測臺（哈爾濱博納科技有限公司制造）上，控制面板調節排種軸的轉速及種床帶的速度，高速攝影機拍攝排種器的工作過程，并把影像信息存儲至計算機中，同時控制面板將采集的數據信息存儲至計算機中。

圖4　測試與攝像采集系統Fig.4　Test and image collection system

3.2.1試驗臺及試驗裝置

將立式淺盆型排種器安裝在JPS-12計算機視覺排種器性能檢測試驗臺進行臺架試驗，研究立式淺盆型排種器在不同作業速度下的工作情況。為了便于觀察種子的運動情況，將試驗裝置進行可視化處理，將原有金屬材質的中間擋板及后殼體改為有機玻璃材質，如圖5所示。其中排種盤直徑為190 mm，型孔數量為34個。

圖5　試驗裝置Fig.5　Test device

3.2.2高速攝像系統

高速攝影系統包括高速攝像機主機、攝像頭、LCD顯示屏、光源、變壓器、光纜、電源線等。最大分辨率1 024×1 024 pix，最大拍攝幀速為1 200幀/s。

本試驗參數為：幀速300幀/s、分辨率為1 024×1 024 pix。

3.3測試方法

首先，在操作臺的控制面板上設定排種軸的轉速，并把高速攝像機置于準備記錄狀態；然后按下按鈕啟動電機開始排種，等轉速均勻后，把高速攝像機置于開始記錄狀態，高速攝像機開始記錄排種器的工作過程，將影像資料保存到存儲卡中，在4 s后自動結束記錄過程，最后關閉電機結束排種。

本文選取機組作業速度作為試驗變量，變量取值分別為4、6、8、10、12 km/h（對應排種軸的轉速為19.61、29.41、39.21、49.12、58.82 r/min[1]），株距為10 cm，觀察并分析立式淺盆型排種器的工作情況。每組試驗重復3次。

4　高速影像分析

4.1清種過程

1）清種過程分析

由于種子大小存在差異性，當作業速度較低時，為了避免重種現象，防止重播現象的發生，應保證型孔內多余的種子在進入護種區之前完全被清掉。圖6為清種過程高速攝像。如圖6所示，當作業速度v＝4 km/h時，實線圓圈內的種子與虛線圓圈內的種子同時充入到同一型孔中（在1.85～1.92 s之間，由于實線圓圈內的種子將型孔內部的虛線圓圈內的種子遮擋住，所以在圖6中無法看到虛線圓圈內的種子），隨著排種盤的轉動，在1.90 s時，實線圓圈內的種子利用自身重力以及種盤對種子的輔助作用脫離型孔，在1.96 s時，完全掉落回到種層，此時，只有虛線圓圈內的種子留在型孔內部，即完成清種過程，證明已有研究[1]中對清種過程力學分析的正確性。經試驗，當作業速度在6 km/h以上時，重種現象基本消失，證明此型孔大小與種子體積匹配程度較好，型孔對種子的適應性較強。

圖6　清種過程高速影像Fig.6　High-speed image of cleaning process

2）帶種現象分析

經試驗可知，當作業速度v ＝ 8 km/h時開始出現帶種現象，隨著作業速度的增加，帶種現象越明顯。現以作業速度v ＝ 10 km/h為例進行分析，如圖7所示。

圖7　帶種現象高速影像Fig.7　High-speed image of bringing seed

由圖7可知，隨著排種盤的轉動，會對群體點接觸種盤的種子造成一定的擾動作用，實線圓圈內的種子被帶離種層，脫離種面一定高度，與種盤一起隨動，在2.24 s時，實線圓圈內的種子開始脫離種盤自行下落，在2.32 s時，實線圓圈內的種子已完全脫離種盤落回種層。發生此現象的主要原因是由于立式淺盆型排種盤折邊存在，使實線圓圈內的種子可以沿折邊滑出，脫離種盤。這樣就避免在進入護種區時，未及時清掉的種子受到護種板和型孔端面的剪切作用造成傷種，影響播種質量。

4.2投種過程

1）投種軌跡

為了能夠反映種子在投種過程中真實的運動狀態變化，在高速攝影軟件Phantom中建立如圖8a所示的坐標系，將圖8a中P點位置設為原點，將長度單位設置為mm，選擇“比例”項，將底部投種口處PA的長度設為實際長度。將標記的種粒（圖8a中的實線圓圈內的種子）的中心點在每幀的位置坐標記錄到EXCEL中，即可得出在排種盤不同轉速下的顆粒的投種軌跡如圖9所示。

圖8　高速攝影操作界面Fig.8　Operation interface of high-speed photography

圖9　種子在排種盤不同轉速下的投種軌跡Fig.9　Throwing locus of seed at different rotational speed of seed-plate

圖9中Y方向上的位移即為種子的投種距離，由圖9可知，排種盤的轉速對投種軌跡有顯著的影響，排種盤各轉速下的高速攝影的投種軌跡與EDEM仿真得出的運動軌跡相差不大，均表現為轉速越高，拋物線開口越大，其主要原因是轉速越高，種子投出去的水平初速度越大，投種距離也隨之增大；但同時也存在一定的差異性，可能是EDEM仿真存在一定的模型假設以及EDEM中不存在實際工況下排種器振動從而造成的種子投種時運動軌跡的改變。

2）投種角測量

將圖8b中P′點位置設置為原點，利用Distance命令量取投種點（圖8b中的虛線圓圈內的種子）的位置與原點的弦長，計算出圓心角即投種角，排種盤每個轉速下投種角測量3組取均值，測量結果如表2所示。由表2可知，高速攝影測量值與EDEM仿真值基本相符，兩者的相對誤差最大為5.6%。可能是EDEM中不存在實際工況下排種器運轉不穩定造成的振動以及EDEM中存在顆粒體模型的假設造成了投種角大小的差異性。

由SPSS軟件分析可知：排種盤轉速與投種角的相關系數的仿真值和試驗值分別為0.932、0.952，說明仿真和試驗中的排種盤轉速與投種角兩者之間均存在著高度線性正相關。對相關系數進行顯著性檢驗，其伴隨概率P小于0.01，所以排種盤轉速與投種角兩者存在顯著相關性，排種盤轉速Y與投種角x的仿真和試驗的相關函數分別為Y仿＝?0.154x＋24.835，Y試＝?0.158x＋24.236。

表2　不同轉速下的排種盤投種角的仿真和試驗對比Table 2　Simulation and experiment comparison of throwing seed angle at different rotational speed of seed-plate

3）投種過程分析

截取在作業速度為v＝8 km/h的投種過程的高速影像如圖10a所示。由圖10a可清晰看出隨著排種盤的轉動，種子在重力作用下轉至投種口，均勻連續地呈拋物線投出；由圖10b所知，在作業速度為v＝12 km/h時，實線圓圈內的種子在投種口出現彈跳現象（t＝3.14～3.16 s），運動軌跡受到影響，與其他種子的運動軌跡發生明顯偏離現象（t＝3.19～3.25 s）。測量排種盤各個轉速下的株距變異系數如表3所示。由表3可知，在作業速度為4～8 km/h時，株距變異系數均較低；超過8 km/h時，開始呈現明顯上升趨勢。

圖10　投種過程高速影像Fig.10　High-speed image of throwing seed

表3　排種盤不同轉速下的株距變異系數Table 3　Coefficient of variation of row spacing at different rotational speed of seed-plate

經分析可知：除種子的質量和大小的差異外，造成此現象可能有2種原因，一是由于嗑種引起的排種器振動導致種子投出時運動軌跡發生變化，變異系數增加；二是當排種盤高速轉動進入到投種區時，由于型孔的加工精度導致型孔的光潔度低等原因，種子出現明顯的滾動現象，由于轉速較高，種子在慣性的作用下，沒有及時從投種口投出，與排種器內壁發生碰撞導致彈跳現象發生，進而改變種子的運動軌跡，導致排種均勻性較差以及株距變異性增大，也會造成傷種，影響排種質量。所以改良型孔的精度保證光潔度以及排種器合理的投種口的結構設計會避免此現象的發生，降低變異系數。由圖9種子的投種軌跡分析可知，為防止種子與殼體發生碰撞導致種子發生彈跳現象，圖8a中的PA的長度應不小于20 mm，加之工作過程排種器振動造成的影響，同時考慮降低機具質量以及生產成本，所以投種口處PA的長度取30 mm；為了保證在工作過程中后殼體與排種盤的良好配合，保留了后殼體投種口處4 mm的厚度，由于后殼體的厚度是20 mm，選擇投種口處的尺寸為16 mm×30 mm。

5　結　論

本文利用高速攝像技術拍攝立式淺盆型排種器在不同轉速下的工作過程，同時結合離散元仿真軟件進行仿真，得到以下結論：

1）在保證充種效果良好的前提下，為了有效避免清種過程中由于帶種導致的傷種現象的發生，保證清種的可靠性，立式淺盆型種盤的折邊傾角應在67°～90°；同時，種層高度應保證種面與護種板之間留出3～4倍種子直徑的距離。

2）投種過程中，為了保證排種的均勻性、減小株距變異，在保證型孔的光潔度的同時，投種口的尺寸定為16 mm×30 mm。

本文為立式淺盆型排種器的技術轉化及產品定型提供了參考。

[參考文獻]

[1] 劉宏新，徐曉萌，郭麗峰，等. 具有復合充填力的立式淺盆型排種器充種機理[J]. 農業工程學報，2014，30（21）：9－16. Liu Hongxin， XuXiaomeng， GuoLifeng， et al. Research on seed-filling mechanism of vertical shallow basin type seed-metering device with composite filling force[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2014， 30（21）: 9－16. （in Chinese with English abstract）

[2] 胡國明. 顆粒系統的離散元素法分析仿真[M]. 武漢：武漢理工大學出版社，2010：87－88.

[3] 王國強，郝萬軍，王繼新. 離散單元法及其在EDEM上的實踐[M]. 西安：西北工業大學出版社，2010：45－46.

[4] 王順利，馬蓉，胡斌. 高速攝像系統在機械式排種器動態特性研究中的應用[J]. 新疆農業科技，2008 （6）：33.

[5] 廖慶喜，鄧在京，黃海東. 高速攝影在精密排種器性能檢測中的應用[J]. 華中農業大學學報，2004，23（5）：570－573. Liao Qingxi， Deng Zaijing， Huang Haidong. Application of the high speed photography checking the precision metering performances[J]. Journal of Huazhong Agricultural University， 2004， 23（5）: 570－573. （in Chinese with English abstract）

[6] Karayela D， Wiesehoffb M， ?zmerzia A， et al. Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-speed camera system[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2006， 50（2）: 89－96.

[7] Kocher M F， Lan Y， Chen C ，et al. Opto-electronic sensor system for rapid evaluation of planter seed spacing uniformity[J]. Transactions of the ASAE， 1998， 41（1）: 237－245.

[8] 邢赫，臧英，曹曉曼，等. 水稻氣力式排種器投種軌跡試驗與分析[J]. 農業工程學報，2015，31（12）：23－30. Xing He， Zang Ying， Cao Xiaoman， et al. Experiment and analysis of dropping trajectory on rice pneumatic metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2015， 31（12）: 23－30. （in Chinese with English abstract）

[9] 臧英，邢赫，王在滿，等. 水稻氣力式排種器擋種裝置設計與試驗[J]. 農業機械學報，2015，46（5）：33－38. Zang Ying， Xing He， Wang Zaiman， et al. Design and experiment of shield device on rice pneumatic metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（5）: 33－38. （in Chinese with English abstract）

[10] 劉宏新，王福林. 立式圓盤排種器工作過程的高速影像分析[J]. 農業機械學報，2008，39（4）：60－64. Liu Hongxin， Wang Fulin. Study on high-speed image of working principle of vertical plate seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2008， 39（4）: 60－64. （in Chinese with English abstract）

[11] 劉宏新. 大豆密植平播機關鍵部件研究及整機設計[M]. 北京：中國農業出版社，2007：121－136

[12] 馬蓉，王順利，曹衛彬，等. 鉗夾式棉種精量穴播器清種過程研究[J]. 江蘇大學學報，2010，31（4）：388－392. Ma Rong， Wang Shunli， Cao Weibin， et al. Study on seed-clearing process of forceps holder type precision dibbler[J]. Journal of Jiangsu University， 2010， 31（4）: 388－392. （in Chinese with English abstract）

[13] 王在滿，羅錫文，黃世醒，等. 型孔式水稻排種輪充種過程的高速攝像分析[J]. 農業機械學報，2009，40（12）：56－61. Wang Zaiman， Luo Xiwen， Huang Shixing， et al. Rice seeds feeding process in cell wheel based on high-speed photography technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2009， 40（12）: 56－61. （in Chinese with English abstract）

[14] 王在滿，楊文武，蔣恩臣，等. 型孔輪式水稻排種器排種機構的優化設計[J]. 農機化研究，2010，32（8）：16－19. Wang Zaiman， Yang Wenwu， Jiang Enchen， et al. The optimal design of the seed-falling device of cell wheel rice feed mechanism[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research， 2010， 32（8）: 16－19. （in Chinese with English abstract）

[15] 袁月明. 氣吸式圓盤排種器工作過程的高速攝像分析[C]//創新農業工程科技推進現代農業發展—中國農業工程學會2011年學術年會論文集. 重慶：重慶西南大學出版社，2011：438－443. Yuan Yueming. Analysis of working process for seed-metering device based on high-speed photography technology[C]// Innovation of Agricultural Engineering Science and Technology to Promote the Development of Modern Agriculture—Academic Annual Meeting Symposium of Chinese Society of Agricultural Engineering in 2011. Chongqing: ChongqingSouthwestern University Press，2011: 438－443. （in Chinese with English abstract）

[16] 袁月明，馬旭，朱艷華，等. 基于高速攝像技術的氣吸式排種器投種過程的分析[J]. 吉林農業大學學報，2008，30（4）：617－620. Yuan Yueming， Ma Xu， Zhu Yanhua， et al. Analysis of working process for seed-metering device based on high speed video camera system technique[J]. Journal of Jilin Agricultural University， 2008， 30（4）: 617－620. （in Chinese with English abstract）

[17] 陳麗梅，袁月明，尹海燕，等. 水稻芽種氣吸式直播排種器充種過程的研究[J]. 吉林農業大學學報，2005，27（4）：464－467.Chen Limei， Yuan Yueming， Yin Haiyan， et al. Study on seed-filling process of direct air-sucking seed-metering device in rice bud-sowing[J]. Journal of Jilin Agricultural University， 2005， 27（4）: 464－467. （in Chinese with English abstract）

[18] 金漢學. 基于高速攝像技術的水稻芽播精密排種器研究[D].長春：吉林大學，2004. Jin Hanxue. Research on Rice Bud-Sowing Precision Seed Metering Device Based on High Speed Video Technology[D]. Changchun: Jilin University， 2004. （in Chinese with English abstract）

[19] Horabik J， Molenda M， Parafiniuk P. Discharge of rapeseeds from a model silo: Physical testing and discrete element method simulations[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2013， 97: 40－46.

[20] 張宇，李成華，紀玉杰，等. 鏟式玉米播種機清種過程的離散元仿真分析[J]. 沈陽理工大學學報，2015，34（1）：1－4. Zhang Yu， Li Chenghua， Ji Yujie， et al. Simulation analysis of seeding process for corn seed metering device based on discrete element method[J].Journal of Shenyang Ligong University， 2015， 34（1）: 1－4. （in Chinese with English abstract）

[21] 紀玉杰，薛宏達，李成華. 玉米精密排種器工作過程的離散元仿真分析[J]. 計算機仿真，2013，30（3）：393－397. Ji Yujie， Xue Hongda， Li Chenghua. Simulation analysis of working process for core seed metering device based on discrete element method[J]. Computer Simulation， 2013，30（3）: 393－397. （in Chinese with English abstract）

[22] 胡建平，周春健，侯沖，等. 磁吸板式排種器充種性能離散元仿真分析[J]. 農業機械學報，2014，45（2）：94－101. Hu Jianping， Zhou Chunjian， Hou Chong， et al. Simulation analysis of seed-filling performance of magnetic plate seed-metering device by discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014， 45（2）: 94－101. （in Chinese with English abstract）

[23] 胡建平，王奇瑞，邵秀平. 永磁體磁吸式排種器充種性能仿真與實驗[J]. 農業機械學報，2010，41（12）：34－38. Hu Jianping， Wang Qirui， Shao Xiuping. Simulation on magnetic precision on seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010，41（12）: 34－38. （in Chinese with English abstract）

[24] 胡建平，郭坤，周春健，等. 磁吸滾筒式排種器種箱振動供種仿真與試驗[J]. 農業機械學報，2014，45（8）：61－65. Hu Jianping， Guo Kun， Zhou Chunjian， et al. Simulation and experiment of supplying seeds in box of magnetic precision cylinder-seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2014， 45（8）: 61－65. （in Chinese with English abstract）

[25] 石林榕，吳建民，孫偉，等. 基于離散單元法的水平圓盤式精量排種器排種仿真試驗[J]. 農業工程學報，2014，30（8）：40－48. Shi Linrong， Wu Jianmin， Sun Wei， et al. Simulation test for metering process of horizontal disc precision metering device based on discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2014， 30（8）: 40－48. （in Chinese with English abstract）

Working characteristics of vertical shallow-basin type seed-metering device based on high-speed photography and virtual simulation

Liu Hongxin, Xu Xiaomeng, Liu Junxiao, Wang Chen
（College of Engineering, Northeɑst Agriculturɑl University, Hɑrbin 150030, Chinɑ）

Abstract:Vertical shallow-basin type seed-metering device is a mechanical precision seed-metering device. Its structure is based on the traditional vertical composite plate seed-metering device， and it can utilize the gravity， centrifugal force and interaction force between the seeds as the composite filling force to fill seeds， which solves the question of single filling force of traditional vertical composite plate seed-metering device. Based on the mechanism research of filling seeds， the author utilized the discrete element simulation analysis software EDEM （engineering discrete element method） and the physical prototype test to verify if vertical shallow-basin type seed-metering device had good working performance at high working speed. Generally， there was a certain model hypothesis in the existing research， for example， in the process of theoretical analysis， mechanical model had a certain simplification and assumption， in the EDEM simulation， there was the particle model assumptions， and meanwhile the discrete element simulation had not the phenomenon of knocking on a seed caused by the vibration of the machine under the actual working condition. Therefore， in order to observe and analyze the working condition and working mechanism more actually and intuitionally in the internal of vertical shallow-basin type seed-metering device， as well as the motion state of seeds in the cavity of seed-metering device， the paper utilized the high-speed photography technology to shoot the working process of the device at different rotational speed of seed shaft， and at the same time， the paper used the EDEM to simulate the working process， used the post-processing module of EDEM to label the particle， and made the analysis on the working process. Combined with 2 kinds of image analysis technologies， the results showed that to ensure the reliability in the process of cleaning seeds， the folding angle of seed plate of vertical shallow-basin type seed-metering device should be at the range of 67°-90°; meanwhile， to avoid hurting the seeds that was caused by the phenomenon of towing seeds in the process of cleaning seeds， the height of seed layer should ensure that there was a distance of 3-4 times of seed diameter between seed layer and protecting-seed device; in the process of throwing seeds， in order to ensure the uniformity and the quality， the smooth finish of the hole should be ensured and the size of throwing-seed mouth should be 16 mm×30 mm. The simulation and physical prototype showed that the trajectory of throwing seeds was a parabola curve， which was relevant with the rotational speed and whose open mouth became bigger with the increasing of rotational speed; the seed-throwing angle was positively associated with the rotational speed. The research provides the reference and basis for refining the design of vertical shallow-basin type seed-metering device and revising the relevant structure parameters to improve the working performance and ability of the device at high working speed.

Keywords:agricultural machinery; computer simulation; seed; seed-metering device; working mechanism; high-speed photography

作者簡介：劉宏新，男，教授，博士生導師，研究方向為現代農業裝備、數字化設計，CAD＆CAE，哈爾濱 東北農業大學工程學院，150030。

基金項目：國家自然科學基金項目（51275086）

收稿日期：2015-08-22

修訂日期：2015-12-10

中圖分類號：S223.2＋3

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-02-0013-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003