離散元模擬振動幅值對玉米種群運動速度的影響

張 濤，劉 飛，劉月琴，趙滿全，李鳳麗，張 勇，周 鵬

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

離散元模擬振動幅值對玉米種群運動速度的影響

張 濤，劉 飛，劉月琴，趙滿全，李鳳麗，張 勇，周 鵬

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

排種器是免耕播種機的重要組成部分，排種盤吸種性能直接影響免耕播種機播種合格率。排種室內種群運動速度對排種盤吸種性能影響較大，而振動是影響種群運動速度的重要因素。為此，應用離散元軟件模擬排種室內玉米種群的運動，得到排種盤和攪種輪轉速為17.8 r/min，排種室內充種3 750粒，排種器振動頻率為15Hz，振動幅值分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4mm時，振動幅值對排種室內種群運動的影響。通過離散元軟件后處理模塊得到4 s時間內，以0.02 s為間隔所有時間點的玉米種群運動最大速度、最小速度、平均速度和豎直方向玉米種群最大速度、最小速度，由Origin軟件得到排種室內玉米種群速度與振動幅值的擬合曲線。模擬結果表明：玉米種群最大速度、最小速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化；玉米種群平均速度和豎直方向種群最大速度與排種器振動幅值呈線性關系；振動幅值大于2mm時，豎直方向種群最小速度基本保持不變。本次仿真為室內排種試驗振動幅值的選擇提供了依據。

排種器；離散元；種群運動；振動

0 引言

免耕播種作業具有節省作業費、降低生產成本及增強土壤蓄水保墑能力等優點，在我國得到了大力推廣[1]。免耕播種機排種器的精量排種性能是影響其作業質量的重要因素。氣吸式排種器具有適應性強、省種、不傷種子、作業速度高和對種子尺寸要求不高的特點而得到了廣泛應用，所以優化氣吸式排種器能夠提高免耕播種的作業質量。

由于免耕地表根茬的存在，播種機整體的振動狀態與傳統耕作土地有較大差異。排種器振動幅值的大小影響種群運動狀態，從而對排種器吸種性能的影響較大[2～3]。前人對排種器振動的研究主要有：陳晨[4]等以大豆種子為研究對象，應用離散元軟件模擬了排種室內種群運動；劉文忠[5]等人通過正交試驗得到排種盤轉速為21.7r/min 時排種效果最好，合格率達到 91.26%；胡永文[6]等人通過試驗得到， 振動最大位移為 2.11mm；陳進[7]等應用離散元方法，以水稻種群為研究對象，對氣吸式精密播種機振動盤上種群的“沸騰”進行了研究，得到了吸種盤與振動種盤的較好參數組合。

本文應用離散元軟件模擬了玉米種群的運動，得到振動頻率為15 Hz時排種器振動幅值對排種室內種群運動速度的影響。

1 氣吸式排種器的結構和工作原理

本文仿真應用的排種器模型為垂直圓盤氣吸式排種器，主要由排種盤、攪種輪、排種盤軸、排種器殼體、吸氣管、刮種裝置和種箱組成。

垂直圓盤氣吸式排種器主要工作部件為排種盤，排種盤上的排種孔連接種子室與負壓室，排種盤下側為大氣壓區域。排種作業時，風機產生的負壓通過吸氣管傳遞到負壓室，再通過排種盤上的吸種孔對種群產生吸力；當種群中的1粒種子恰好將吸種口堵住，此時負壓氣流對此種子的吸力較大，使此種子吸附于吸種孔而隨排種盤轉動；當此種子隨排種盤轉動到的大氣壓區域時，種子依靠自身重力落入與排種器下端連接的導種管內，完成排種作業[8]。

攪種輪結構為帶凸起的小圓盤，與排種盤螺栓連接從而與排種盤一起轉動，可增加排種室內種群的流動性，且防止種子架空。若1個吸種孔吸附的種子多于1粒，由刮種裝置將多余種子刮掉。

2 離散元模擬方案

2.1 離散元方法簡介

離散元方法是一種不連續的數值計算方法，其根據經典力學理論計算離散的顆粒物料與幾何體模型的速度、受力和位移等試驗中較難得到的物理量。田間試驗與室內試驗都很難得到排種器內種群整體的運動速度，應用離散元方法對排種器不同振動幅值進行仿真，可以得到玉米種群的運動速度狀態[9-10]。

2.2 模擬方法

根據前人研究結果和田間試驗測得數據，設置本次仿真排種盤和攪種輪轉速為17.8 r/min(播種機作業速度為5km/h)，排種室內充種3 750粒(種群靜止時，種群上平面基本達到排種盤軸中點)。排種器整體振動頻率為15Hz，振動幅值分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 mm，用離散元軟件做8次仿真試驗。用離散元軟件的后處理模塊，以0.02 s為間隔，得到各個時刻玉米種群最大速度、種群最小速度、種群平均速度和豎直方向的玉米種群最大速度、種群最小速度[11-12]。

2.3 物料物理參數設置

離散元仿真時，設置玉米種子之間的接觸力學模型、玉米種子與排種器之間的接觸力學模型，都為Hertz-Mindin(no slip)but in模型[13]。仿真計算時，垂直圓盤氣吸式排種器與玉米種子接觸的零件為排種盤和前殼體，材料分別為鋼和有機玻璃。根據前人試驗測試結果，本次仿真設置上述幾種材料的物理參數如表1所示，物料間的接觸參數如表2所示[14]。

表1 仿真材料參數設置

表2 仿真材料接觸參數設置

2.4 建立玉米種子離散元模型

離散元中顆粒的模型為玉米種子，其尺寸為測量的真實玉米種子的尺寸。本文以20粒真實玉米種子的長、寬、高作為離散元顆粒尺寸的依據，離散元顆粒模型應用15個圓球面疊加建立，離散元軟件建立的玉米種子顆粒模型如圖1所示[15]。

圖1 離散元仿真顆粒模型Fig.1 Model of discrete element simulation

2.5 幾何體設置

由于排種器零件較多，將排種器三維模型導入離散元軟件后，對計算種群運動沒有影響的零件合并處理，可提高計算速度和簡化材料設置步驟。根據排種器實體結構的不同，將排種盤軸、排種器后面的殼體、吸氣管、刮種裝置合并為一部分，設置材料為鋼；其余與種群接觸零件單獨設置，排種盤材料設置為鋼，攪種輪材料設置為塑料，排種器前面殼體的材料設置為有機玻璃。

排種盤和攪種輪動力為17.8r/min 的定軸轉動，且4個部分整體進行正弦振動，正弦振動的振動頻率為15Hz，振動幅值分別為0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4mm，做8次仿真試驗[16-17]。

2.6 顆粒工廠設置與仿真計算

設置玉米種子的總數量為3 750粒，仿真時間步長為2×10-6s，網格尺寸設置為6.4mm[18-19]。離散元軟件計算2s后，玉米種群的左邊明顯高于右邊。離散元軟件計算5s后結果如圖2所示。

圖2 離散元計算的種群狀態Fig.2 Population status of discrete element calculation

3 離散元計算結果

3.1 計算結果

通過離散元后處理模塊，以0.02s為間隔，得到運動較平穩階段的2～6s內每一個時間點玉米種群最大速度、種群最小速度、種群平均速度和豎直方向的玉米種群最大速度、種群最小速度。

將2～6 s時間段平均劃分為200個時間點，由離散元后處理軟件得到每一個時間點的種群速度，將所有點的速度導出為CSV格式數據進行分析。玉米種群最大速度、種群最小速度、種群平均速度如表3所示，豎直方向的玉米種群最大速度、種群最小速度如表4所示。

由仿真結果得到：隨著振動幅值的增加，豎直方向種群運動最大速度變大；振動幅值大于2mm時，豎直方向種群運動最小速度基本不變。

表3 玉米種群絕對速度仿真結果

表4 玉米種群豎直方向速度仿真結果

3.2 種群最大速度與振動幅值二次曲線擬合

由離散元軟件后處理部分得到種群絕對速度最大值，為找到種群絕對速度最大值隨振動幅值的變化規律，應用Origin軟件得到的擬合曲線如圖3所示。

圖3 種群最大速度與振動幅值擬合曲線Fig.3 Fitting curve of maximum speed and amplitude of the population

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=-48.69612+201.07908x-27.9506x2，擬合相關系數R2=0.97473。由擬合曲線可以得到：玉米種群最大速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化；隨著振動幅值的增大，二次曲線的斜率變小；當排種器振動幅值小于2 mm時，曲線斜率較大；當排種器振動幅值大于2mm時，曲線斜率變小。

3.3 種群最小速度與振動幅值二次曲線擬合

由離散元軟件后處理部分得到玉米種群絕對速度最小值，應用Origin軟件得到種群絕對速度最大值隨振動幅值的變化的擬合曲線，如圖4所示。

圖4 種群最小速度與振動幅值擬合曲線Fig.4 The fitting curve of the minimum velocity and amplitude of the population

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=8.53681-7.41233x+5.11254x2，擬合相關系數R2=0.98854。由擬合曲線可以得到：玉米種群最小速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化；隨著振動幅值的增大，二次曲線的曲率變小；排種器振動幅值小于2mm時，曲線曲率較小，排種器振動幅值大于2mm時，曲線曲率變大。

3.4 種群平均速度與振動幅值線性擬合

由離散元軟件后處理部分得到玉米種平均速度，應用Origin軟件得到種群平均速度與排種器振動幅值的線性擬合如圖5所示。

圖5 振動幅值變化對種群平均速度的影響Fig.5 Effects of vibration amplitude change on population mean velocity

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=29.57911+42.02012x，擬合相關系數R2=0.917150。由擬合曲線可以得到：玉米種群平均速度與排種器振動幅值呈線性變化；隨著振動幅值的增大，玉米種群平均速度線性增大。

3.5 種群豎直方向最大速度與振動幅值線性擬合

由離散元軟件后處理部分得到種豎直方向最大速度，隨振幅的增大，種群豎直方向最大速度的線性增大，擬合曲線如圖6所示。

圖6 種群豎直方向最大速度與振動幅值的線性擬合Fig.6 Linear fitting of the maximum velocity and amplitude in the vertical direction of the population

由Origin軟件得到擬合曲線的方程為y=28.63225+74.85901x，擬合相關系數R2=0.96454。由擬合曲線可以得到：種群豎直方向最大速度，隨排種器振動幅值增大而線性增大。

3.6 種群豎直方向最小速度隨振動幅值的變化

由Origin軟件得到種群豎直方向最大小速度隨振動幅值的變化，如圖7所示。

圖7 種群豎直方向最小速度隨振動幅值的變化Fig.7 The variation of the minimum velocity of the vertical direction with the amplitude of the population

由種群豎直方向最小速度隨振動幅值的變化得到：當振動幅值小于2mm時，種群豎直方向最小速度與排種器振動幅值呈線性變化；振動幅值小于2mm時，種群豎直方向最小速度基本保持不變。

綜上所述，隨著排種器振動幅值的增大，種群運動速度的絕對值增大。玉米種群最大速度、最小速度隨排種器振動幅值的增大，呈二次曲線增加；玉米種群平均速度和豎直方向種群最大速度隨排種器振動幅值的增大，線性增大；振動幅值高于2mm時，豎直方向種群最小速度基本保持不變。

4 結論

1)排種器振動幅值由0.5mm增大到4mm時，種子室內玉米種群最大速度呈二次曲線增加，曲線斜率逐漸變小。

2)玉米種群最小速度與排種器振動幅值呈二次曲線變化。隨著振動幅值的增大，二次曲線的曲率變大。

3)排種器振動幅值由0.5mm增大到4mm時，種群平均速度、豎直方向種群最大速度隨振動幅值的增大線性增大。

4)振動幅值小于2mm時，種群豎直方向最小速度與排種器振動幅值呈線性變化；振動幅值大于2mm時，種群豎直方向最小速度基本保持不變。

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The Effect of Amplitude on the Movement Speed of Maize Population Based on Discrete Element Method

Zhang Tao, Liu Fei, Liu Yueqin, Zhao Manquan, Li Fengli, Zhang Yong, Zhou Peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Metering device is an important part of the no tillage planter, disc suction performance has a direct influence on the qualified rate of no tillage planter, population movement speed to a row of plate ceiling performance impact is larger, and the vibration is one of the most important factors to influence the population movement speed. In this paper, the application of discrete element software simulated maize population movement and get row plate and stir for wheel speed for 17.8r/min, indoor filling 3750 grain, kind of oscillation frequency is 15Hz and amplitudes were 0.5, 1, 1.5, 2.0, 2.5, 3, 3.5, 4mm, the amplitude to a row of kind of laboratory population movement. By discrete element software processing module obtains to 0.02 for interval for all time points of the maize population movement maximum speed and minimum speed, average speed, and vertical corn populations maximum speed and minimum speed. Fitting curve of the speed and amplitude of the maize population in the indoor corn by Origin software. The simulation results show that the maize population maximum speed and minimum speed and row for amplitude changes showed a quadratic curve; maize population average speed and vertical direction of the population maximum speed and exhaust device amplitude showed a linear relationship; amplitude larger than 2mm, vertical direction minimum population speed basic guarantee is held constant. This simulation provided the basis for the choice of the amplitude of the indoor test.

metering device; discrete element method; population movement; vibration

2016-09-25

國家自然科學基金項目(51365034)；中國博士后科學基金項目(2014M552532XB)；內蒙古自治區博士研究生科研創新項目(B20161012902Z)

張 濤(1988-),男(滿族)，內蒙古喀喇沁旗人，博士研究生，(E-mail) 308685885@qq.com。

趙滿全(1955-),男,內蒙古土右旗人,教授,博士生導師，(E-mail)nmgzhaomq@163.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)12-0038-05