基于EDEM的內充式花生排種器排種過程的離散元仿真研究

陳 騰， 翟超男， 邢志中， 郭小軍， 張海東

(云南農業大學機電工程學院，云南昆明 650201)

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基于EDEM的內充式花生排種器排種過程的離散元仿真研究

陳 騰， 翟超男， 邢志中， 郭小軍， 張海東*

(云南農業大學機電工程學院，云南昆明 650201)

摘要[目的]尋找排種器的最佳排種轉速。[方法]建立內充式花生排種器的離散元仿真模型，采用離散元的基本原理，運用EDEM軟件對內充式花生排種器排種性能進行仿真研究，測定3種不同品種的花生種子在不同轉速時排種器的排種量、清種起始角及清種終止角的變化趨勢。[結果]實際轉速為15.7 ～45.5 r/min時排種量隨著轉速的增大而增加，但與花生的品種無關；清種起始角和終止角也均隨轉速的增大而增大，但起始角的增大幅度大于終止角，導致清種區域隨轉速的增大而減小，實際轉速為38.0 r/min時雙粒率達到最高值、排種均勻性最好，仿真結果與試驗結果變化趨勢一致。[結論]基于EDEM的離散元仿真方法分析內充式花生排種器是可行的。

關鍵詞內充式排種器； 離散元； EDEM；仿真研究

播種機的排種器有很多種，花生播種機的排種器普遍采用的是內充式垂直圓盤排種器，該排種器應用了內側充式的充種原理設計，這種排種器結構簡單、工作可靠、適應性強、適合精密播種，具有極大的推廣空間[1-3]。但該類型排種器也存在一定的缺陷，如種子尺寸差距較大時排種均勻性和準確性會降低，從而影響播種質量。因此，研究內充式排種器的工作過程、改進排種器的結構對實現高質量的播種尤為重要。目前對排種器排種方面的研究大多集中在尺寸較小的種子顆粒。李鹍鵬等[4]對內充式排種器播種小麥進行了排種性能試驗并得到了最優參數組合。陳進等[5]對氣吸式精密播種機振動種盤中水稻種群運動進行了模擬仿真。王金武等[6]對排種器排種性能進行了虛擬試驗，分析了排種過程中造成不同尺寸等級玉米籽粒產生重播、漏播問題的主要原因。離散元(Discrete element method)是用來專門解決不連續介質的數值模擬方法，基本思路源于動力學。離散元素法的計算原理相對比較簡單，其分析仿真系統EDEM包括前處理模塊、核心求解器和后處理模塊[7]。20 世紀 90 年代后，一些學者開始應用該方法研究散粒物料與農業機械工作部件的相互作用[8]。花生種子的形狀一般為橢球形，具有滾動性，因此花生顆?？梢员豢闯墒巧⒘ｓw，在工作過程中種子與種子間及種子與材料間的碰撞十分復雜?，F階段有關排種器播種花生的排種過程研究較少，鑒于此，筆者以內充式花生排種器為研究對象，提出基于EDEM的離散元仿真技術的內充式花生排種器排種過程研究，對排種器排種過程中清種起始角和終止角直接影響排種器的工作性能及排種器清種區域隨轉速的變化規律進行分析，尋找排種器的最佳轉速，以期為內充種式排種器的優化和改進提供理論依據，為花生播種機的推廣提供技術支撐。

1材料與方法

1.1建模及參數的選取運用離散元法分析排種器排種時需建立排種器的離散元分析模型并選取仿真所需參數。EDEM主要有3個模塊組成，即前處理器(Creater)、求解器(Simulator)和后處理器(Analyst)[9-14]。前處理器進行模型的創建，求解器用來動態模擬，后處理器對從求解器中得到的結果進行分析。

1.1.1全局變量的設置。該研究內充式花生排種器的離散元仿真過程中顆粒-顆粒、顆粒-材料壁面受力計算采用的是Hertz模型，該模型將兩物體間的相對位置與其各自的受力處曲率半徑進行對比來計算法向及切向受力，能夠較為準確地反映剛性顆粒物體間的力學特點[15-17]；其余參數設置如表1所示。

1.1.2顆粒的建模。在EDEM中顆粒的創建不是簡單地采用球體代替，而是采用四面構型進行創建，當然軟件可以在其自身環境下進行創建，也允許導入模型模板再進行填充，該研究對花生種子進行直接定義，即用3個球面來進行顆粒模型的構建，設置球面半徑，輸入數據定義顆粒模型，如圖1所示，Calculate properties選項系統可自動獲取顆粒的重心、質量和體積。

表1　參數的選取

注：密度單位為kg/m3，剪切模量單位為MPa。

Note:Density unit was kg/m3,unit of shear modulus was MPa.

圖1　種子的顆粒模型Fig.1　Seed particle model

1.1.3幾何模型的建立。該研究采用JS-HS1型號的內充實花生排種器為模型建立的原型，幾何模型由Creo建立，Creo是一個整合了Pro/ENGINEER、CoCreate和ProductView三大軟件并重新分發的新型CAD設計軟件包[18-20]。排種器經Creo創建后倒入EDEM后的模型如圖2所示。為了賦予機械部件的材料特性及運動屬性，對該模型機械組成進行集成，由傳動軸、排種輪、外殼和護種板組成，其余為固定件。

圖2　排種器導入EDEM后的模型Fig.2　The model after metering device imported into EDEM

1.1.4顆粒工廠的建立。定義好的種子顆粒模型若要進入排種器中進行仿真運動就需要在顆粒工廠生成顆粒模型再進入排種器模型。設置顆粒工廠為動態生成方式，生成顆?？倲禐?00，產生速率為5 000個/s，放置顆粒最大嘗試次數為20次。

1.2試驗材料選擇3種三維尺寸的不同花生品種(分別命名為大、中、小)在自行搭建的試驗臺上進行試驗，對排種器的過程和性能進行分析。采用加工定制的內充式花生排種器，該排種器使用ABS材料加工而成，外殼為透明塑料，因此可以清晰地觀察到內部運動過程。排種輪的直徑為186 mm，復式型空數為10個，內孔的長、寬分別為40、15 mm。為了使試驗過程能夠被更準確地記錄和分析，該研究對排種器進行了角度劃分。

1.3試驗方法

1.3.1排種器轉速的選取。由于設備磨損等原因，排種器的實際轉速與電動機顯示轉速會有一定的差別，因此需對排種器傳動軸的轉速重新進行標定和測量。步驟：①設定排種器轉速分別為15.0、20.0、30.0、40.0、50.0 r/min；②將轉速設定為顯示轉速值后用轉速表測試實際轉速；③將測量數據整理進行記錄。由于排種腔內種子運動的因素眾多，種子運動結果的隨機性很強，因此每種轉速試驗5～8次，排除差異很大的值后再取平均值。排種器的顯示轉速與實際轉速見表2。

表2顯示轉速與實際轉速

Table 2Comparison of actual speed and display speed

r/min

1.3.2排種器性能試驗與仿真設計。采用試驗測得的排種器實際轉速對3種種子顆粒進行試驗，根據排種輪轉速并考慮臺架試驗誤差影響，采取分析2 s內不同轉速下排出的種子顆粒數的方法研究排種器的性能。采用EDEM進行仿真時，其后處理器模塊中Selection選項能夠對模型區域進行劃分。EDEM能夠對顆粒的質量、數量等累計值進行自動累計計算，將網格數設置為1對顆粒數進行累計。在Edit Binning Group選項中創建一個新組，在Options選項中點擊Edit勾選Number of Particles，該研究測定的是一段時間內排種總量，因而勾選Total over Time選項，以便在逐步仿真時累積的顆?？倲狄脖浑S時記錄。

1.3.3清種角的試驗與仿真設計。清種角是由清種起始角和清種終止角組成的，當復型孔內的種子開始回落時，該復型孔軸線與y軸負半軸的夾角稱為起始角；當全部種子從復型孔回落時，復型孔軸線與y軸負半軸的夾角稱為清種終止角。排種器排種過程中充種過程結束后，由復型孔帶動花生種子進入清種區域，在清種區域內多余的種子在重力的作用下會回落到排種腔內防止種子的重播及破碎，所以清種角影響著花生播種的精度。采用試驗測得的排種器實際轉速對花生種子排種均勻性進行分析。仿真計算完成后自動生成仿真動畫，EDEM中有標尺和量角器工具，在Tool中點擊量角器(Protractor)選項，設置y軸負半軸為起點，點擊前進或后退按鈕觀察種子的回落情況從而找到清種起始角和終止角。

2結果與分析

2.1排種器性能試驗結果與仿真結果的對比排種過程中種子數量累計過程的仿真圖如圖3所示。2 s內不同轉速下種子排量試驗值與仿真值對比結果見表3。從表3可以看出，不同品種的種子的排量相差不大，且均隨著轉速的增大而增大；仿真值排種量隨轉速的變化呈直線上升趨勢，試驗值與仿真值存在一定的誤差，但兩者的變化趨勢是一樣的。方差分析結果表明：花生品種對種子排量影響不顯著，排種器轉速對種子排量影響顯著。

圖3　排種數累計過程仿真圖Fig.3　Simulation diagram of the accumulated process of seed metering account

2.2清種角的試驗結果與仿真結果的對比清種起始角和終止角的仿真圖與試驗圖分別如圖4、5所示。清種起始角、終止角試驗值與仿真值結果分別見表4、5。從表4、5可以看出，排種起始角、終止角的仿真值與試驗值存在一定差異，但兩者的變化趨勢是一致的，隨著轉速的增大清種起始角和清種終止角也在增加，但起始角的增幅比終止角的增幅大，從而導致整個清種區域隨轉速的增大而減小。圖6為2 s內排種器不同轉速的排種仿真情況。從圖6可以看出，在轉速達到38.0 r/min之前排種量隨著排種轉速的增加而增加，且雙粒率也隨之增大，均勻性越來越好，轉速為38.0 r/min時雙粒率達到最高值、排種均勻性最好，當轉速達到45.5 r/min時雙粒率及均勻性均有所下降。

表3　2 s內不同轉速下種子排量試驗值與仿真值對比

圖4　清種起始角和終止角仿真圖Fig.4　Simulation diagrams of starting angle and ending angle

圖5　清種起始角和終止角試驗圖Fig.5　The experiment diagrams of starting angle and ending angle

轉速Rotatespeedr/min起始角Startingangle∥°大Large中Middle小Small終止角Endingangle∥°大Large中Middle小Small15.790929114514614920.110510510415515215430.311111511316516016038.011511511517116917245.5120120125173175175

表5　清種起始角、終止角仿真值

注：a.轉速為15.7r/min時排種情況；b.轉速為20.1r/min時排種情況；c.轉速為30.3r/min時排種情況；d.轉速為38.8r/min時排種情況；e.轉速為45.5r/min時排種情況。 Note:a.Meteringsituationat15.7r/minrotatespeed;b.Meteringsituationat20.1r/minrotatespeed;c.Meteringsituationat30.3r/minrotatespeed;d.Meteringsituationat38.8r/minrotatespeed;e.Meteringsituationat45.5r/minrotatespeed. 圖6　2s內排種器不同轉速的排種仿真情況 Fig.6　Meteringsimulationsituationatdifferentrotatespeedswithin2s

3結論

(1)分析了排種輪在不同的轉速下大、中、小3種種子顆粒的排種量，結果顯示：種子排量隨著轉速的增大而增加，但轉速為15.7 、20.1 r/min時排量的試驗值略大于仿真值。

(2)分析了排種輪不同轉速時內充式花生排種器的清種起始角和清種終止角，結果顯示：清種起始角比仿真值小，而清種終止角比仿真值大，但兩者的變化趨勢是一致的，均隨轉速的增大而增加，清種區域隨轉速的增大而減小。

(3)綜合分析可知，內充式花生排種器在轉速為38.0 r/min時排種均勻性較好。

仿真結果與試驗結果變化趨勢一致，基于EDEM的離散元仿真方法分析內充式花生排種器是可行的。

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基金項目云南農業大學學生科技創新創業行動(2016ZKX121)；云南農業大學博士科研啟動基金。

作者簡介陳騰(1992- )，男，江蘇揚州人，碩士研究生，研究方向：農業機械及設施。*通訊作者，副教授，博士，從事農業機械及其自動化研究。

收稿日期2016-05-08

中圖分類號S 223.2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)16-250-04

Discrete Element Simulation Study of Seed Metering Process of Inside-Filling Meter Based on EDEM

CHEN Teng,ZHAI Chao-nan,XING Zhi-zhong,ZHANG Hai-dong*et al

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan Agricultural University,Kunming,Yunnan 650201)

Abstract[Objective] To find the optimal meter rotational speed of seed metering.[Method] Discrete element simulation model was established for the Inside-Filling Meter.EDEM software was used for simulation study on seed metering property of inside-filling meter.Change trends of seed metering amount,seed-clearing starting angle,and seed-clearing ending angle of three varieties of peanut seeds were detected in different rotate speeds.[Result] When the rotate speed was 15.7-45.5 r/min,seed metering amount enhanced as the rotate speed increased,but had no correlation with peanut varieties.Seed starting angle and ending angle enhanced as the rotate speed increased,but the increase amplitude of starting angle was greater than that of ending angle,which led to the decrease of cleaning area with the increase of rotate speed.When the rotate speed was 38.0 r/min,double grain rate reached the maximum value,and the uniformity of seed metering was the optimal.Change trend of simulation result was consistent with that of experimental results.[Conclusion] It is feasible to analyze the inside-filling meter by discrete element simulation based on EDEM.

Key wordsInside-filling meter; Discrete element; EDEM; Simulation research