玉米窩眼輪排種器性能影響因素試驗研究
——基于EDEM

鹿 瑤，呂釗欽，鄭文秀，蔡玉虎，劉正鐸

(山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018)

0 引言

玉米是我國的三大糧食作物之一，又是適合精密播種的典型中耕作物，合理地應用精密播種技術是實現玉米增產、增收的關鍵。玉米的精密播種必須由性能良好的精密播種機來完成，而精密排種器是精量播種機的核心部件，排種器性能的好壞決定著播種機的播種質量[1]。

當前，我國的精密排種器主要分為水平圓盤式、傾斜圓盤式、組合內窩孔式、復合充種式及氣力式等幾種，這幾種類型又大致可分為機械式和氣力式[2]。氣力式排種器適用于高速作業，對種子適應性強、損傷輕，但存在結構復雜、加工成本高且風機動力消耗大、性能不穩定等問題[3]。現階段，機械式排種器因結構簡單、維修方便、造價低廉等特點被廣泛使用[4]。窩眼輪式精密排種器屬機械式，結構簡單、加工成本低、性能可靠，在我國精密播種機上應用廣泛[5-6]；但是對不同粒徑種子通用性差，對于玉米等扁平小籽粒種子的窩眼輪排種器設計理論不足。

目前，播種油菜、大豆等類圓形顆粒的窩眼輪式排種器設計較為成熟，但由于玉米形狀較為復雜，有關玉米窩眼輪式精量排種器的完整設計及利用EDEM離散元分析軟件對不同形狀籽粒進行排種準確分析方面的文獻還較少。本文將利用EDEM軟件，以測量的玉米種子真實三維尺寸為基礎，建立玉米籽粒模型，通過對排種器充種過程進行分析，得到窩眼輪排種室內玉米種群運動規律，并對玉米窩眼輪式排種盤型孔參數進行優化設計和試驗驗證，為窩眼輪式玉米精密排種器的設計及玉米種形狀清選工作提供理論依據。

1 排種器結構及參數

1.1 主要結構

窩眼輪式排種器主要由窩眼式排種輪、排種器外殼、清種毛刷、調節螺栓、傳動齒輪及傳動鏈等部分組成，如圖1所示。

1.2 窩眼輪型孔參數設計

窩眼輪排種器排種性能好壞主要取決于窩眼輪型孔與種子的適配度。要想提高種子填充合格率，必須根據種子尺寸設計出相配合的窩眼輪型孔尺寸。型孔與種子的尺寸配合度很重要，對單粒播種更為重要。為使窩眼輪型孔中只充填1粒種子[7-8]，其型孔尺寸設計如圖2所示。

1.清種毛刷 2.排種輪 3.排種器外殼 4.落種口 5.種箱

圖 2 窩眼型孔設計示意圖

玉米型孔參數需滿足以下條件，即

L=lmax+Δl

A=amax+Δa

B≥bmin

式中lmax—玉米種的長度最大值；

amax—玉米種的高度最大值；

bmin—玉米種寬的最小值；

Δl—玉米種與窩眼橫向間隙；

Δa—玉米種與窩眼縱相應間隙。

本次設計根據遼丹16號玉米的尺寸來進行，通過測量玉米三維尺寸，種子長、寬、厚分別取11.896、8.950、6.088mm。據資料介紹[9]，Δl取1～1.5mm，Δa取0.7～0.8，由此確定型孔長、寬、高尺寸分別為12、9、6.5mm。

根據要求，玉米穴距選定為300mm，窩眼輪直徑為290mm，窩眼輪轉動線速度選取為0.31 m/s，機組前進速度設計為2.78 m/s。查閱相關資料，地輪滑移率與播種機質量、土壤類型、松軟程度及地輪形狀有關[10]，結合山東省泰安市的山東農業大學試驗田土壤情況，得滑移率δ=8.75%。

設窩眼輪上的型孔數為m，則

式中D—窩眼輪直徑(m)；

vm—機組前進速度(m/s)；

v—窩眼輪轉動線速度(m/s)；

a—株距(m)；

δ—地輪滑移率。

根據上式計算，取排種盤型孔數為30個。

2 EDEM虛擬仿真模型建立

2.1 幾何模型建立

為便于仿真計算，將與玉米籽粒運動過程中接觸無關的部件去掉，應用三維制圖軟件SolidWorks對播種機排種裝置進行實體建模[11]，以.igs格式導入EDEM軟件中，如圖3所示。

圖3 窩眼式排種器仿真模型

2.2 玉米種子離散模型建立

研究選取遼丹16號玉米種子為實驗材料，隨機選取1 000粒種子，分別測定每粒玉米種的幾何尺寸，并對測量參數進行統計分析。玉米種子主要可分為3種形狀，分別為矩型、錐型和球型(見圖4)，幾何尺寸如表1所示。

圖4 玉米籽粒EDEM模型

籽粒形狀上底寬下底寬上底厚下底厚高矩型8.7058.9604.7015.03110.485錐型6.0127.7324.0014.80211.223球型8.0238.3416.1416.0888.212

2.3 模型變量參數設定

由于玉米種子表面沒有粘附性，所以本試驗選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為籽粒與籽粒之間及籽粒與排種器之間的接觸模型[12]。其具體參數如表2、表3所示。

表2 仿真模型材料參數

表3 仿真模型材料接觸參數

續表3

3 EDEM排種虛擬仿真與分析

3.1 仿真

設置EDEM顆粒工廠，以1 000個/s的速率生成初速度為0的玉米籽粒模型。為保證種箱內有充足的籽粒進行仿真，設置籽粒總量為10 000粒，固定時間步長為1.26×10-6s，仿真Rayleigth時間步長百分比設置為20%，輸出時間步長為0.01s，網格大小2mm，生成籽粒總時間為1s。模擬仿真排種器排種過程，由于每粒種子尺寸差異，種子在進入型孔時存在平躺、直立、側臥3種狀態[13]。充種狀態不同，充種合格率則會產生波動。統計排種過程中種子在窩眼輪內填充方式，可為提高窩眼充種率提供理論支持，統計結果如圖5所示。

圖 5 玉米籽粒不同充種狀態比例圖

觀察統計排種器仿真過程可看出：大部分玉米籽粒是以平躺狀態進入窩眼輪型孔，而以直立方式進入型孔的大都是尺寸較小的球形顆粒，以側臥方式進入型孔的籽粒多為寬度較窄的錐形籽粒。該結論為提高玉米籽粒充種率打下了理論基礎。

在排種器的仿真過程中，主要存在單播、重播、漏播3種狀態。為分析轉速對排種質量的影響，選取排種輪轉速分別為10、15、20、25、30、35 r/min下的排種器工作過程進行研究。為便于觀察排種情況，設置排種器顯示模式為Mesh狀態，具體情況如圖6所示。圖6(a)顯示為合格狀態下的播種情況，1個窩眼只充1粒種子；(b)顯示為漏播狀態，排種過程中出現空穴現象；(c)顯示為重播狀態，1個窩眼充種兩粒。

圖6 EDEM仿真中籽粒的3種狀態

3. 2 仿真結果分析

窩眼輪排種器在排種時，排種量會產生過盈和不足的變化，就會分成合格、漏播和重播3個區間，從而產生窩眼輪排種器性能的3個基本指標，即合格指數、漏播指數和重播指數[14]。

式中N—理論排種數；

N0—漏空排種數；

N1—單粒排種數；

N2—重復排種數。

將仿真數據輸出至Excel表格中，繪制出3種不同形狀顆粒在不同速度下對應的合格指數、漏播指數及重播指數的趨勢折線圖，如圖7所示。

圖7 EDEM排種性能仿真變化趨勢圖

圖7(a)表明：隨著排種速度的增加，3種形狀顆粒排種合格指數均下降；在相同轉速條件下，錐形顆粒合格指數>球形顆粒合格指數>矩形顆粒合格指數；當排種輪轉速為10r/min時，錐形顆粒合格指數為96.1%，矩形顆粒合格指數為92.8%。圖7(b)表明：隨著排種速度的增加，3種形狀顆粒漏播指數均上升；在相同轉速條件下，矩形顆粒漏播指數>錐形顆粒漏播指數>球形顆粒漏播指數；當排種輪轉速為35r/min時，3種顆粒漏播指數差異最大，矩形顆粒漏播指數達到9.31%，而錐形顆粒漏播指數僅為3.87%。圖7(c)表明：隨著排種速度的增加，3種形狀顆粒重播指數呈下降趨勢；由于顆粒形狀尺寸的差異，當兩粒玉米籽粒同時出現在型孔上方時，球形顆粒更易重播，其重播指數大于錐形顆粒和矩形顆粒；當排種輪轉速為10r/min時，錐形顆粒重播指數為14.0%，矩形顆粒重播指數為9.48%。

綜合上述分析可得出結論：工作轉速和玉米籽粒性狀是影響窩眼輪式排種器排種性能的兩大重要因素。當工作轉速在10～35 r/min時，錐形玉米籽粒排種性能最優，其合格指數大于90%；球形玉米籽粒排種性能次之；矩形顆粒排種性能最差，其合格率大于84%，且矩形顆粒漏播指數較大。所以，針對于矩形窩眼式排種器，在進行玉米種清選時，盡量選擇錐形及球形玉米籽粒。

4 田間試驗與結果

4.1 試驗基本條件

在山東農業大學機電學院機械實驗室進行驗證試驗，窩眼輪式排種器如圖8所示。試驗臺主要由排種外殼、排種輪、清種毛刷、傳動軸及傳動鏈輪構成。

圖8 窩眼輪排種器試驗

以遼丹16號玉米籽粒為試驗材料，試驗設備主要有已進行分類清選的3種不同形狀的玉米籽粒、12 V電瓶、轉速控制器、數字式高精度測速儀、秒表、直流電動機( 調速范圍0 ～ 200 r/min) 。試驗用玉米籽粒的千粒質重43.5g，種子含水率11.2%，播種量為300kg/hm2。

4.2 試驗結果

對本窩眼輪式排種器進行不同形狀籽粒在不同排種轉速下的排種試驗，并整理數據，畫出折線圖如圖9所示。

圖9 排種性能臺架試驗結果

對比圖7及圖9發現：試驗中各排種性能指標與仿真結果在數值上有所偏差，但其變化趨勢及相互之間的大小關系與仿真結果基本一致。對比圖7(a)及圖9(a)可知：臺架試驗較仿真實驗充種合格率偏低，且隨轉速升高，合格率降低，但其仍然滿足精密播種器的精度要求。對比圖7(b)及圖9(b)可知：臺架試驗中玉米籽粒的漏播指數明顯高于相同轉速下仿真實驗中的漏播指數，且受轉速影響漏播指數變化明顯。仿真中，當轉速為10r/min時，矩形顆粒、球形顆粒及錐形顆粒的漏播率分別為4.0%、1.9%及2.1%；而在臺架試驗中，三者的漏播率分別為5.0%、3.5%及2.7%。對比圖7(c)及圖9(c)可知：各種形狀玉米籽粒漏播指數在臺架試和仿真試驗中結果差異不明顯。

對比發現：錐形顆粒充種合格指數明顯高于矩形顆粒和球形顆粒，其漏播指數和重播指數較低且受速度變化影響較小，更適合窩眼輪式精密排種的要求。

5 結論

1)對窩眼輪進行尺寸及型孔參數設計，借助離散元軟件EDEM，根據實際測得玉米籽粒尺寸，建立3種基本的玉米籽粒模型。

2)運用EDEM軟件對該窩眼輪排種器進行排種性能驗證試驗，分析了排種過程中由于不同籽粒形狀所造成的漏播、重播等問題的原因，研究了玉米籽粒形狀及工作轉速對排種性能的影響。仿真和試驗結果表明：當工作轉速在10～35 r/min時，錐形玉米顆粒排種合格指數為88.1%～96.3%，優于球形玉米顆粒的87.1%～93.5%和矩形玉米顆粒的85.5%～91.8%；且隨工作轉速的增加排種合格指數下降，漏播指數提高，重播指數下降。優化型孔的窩眼輪排種盤滿足精密排種的要求。

3)試驗結果與仿真結果在數值上有所偏差，但其變化趨勢及相互之間的大小關系與仿真結果基本一致，表明用EDEM對排種器排種過程進行分析具有可行性。

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