基于DEM-CFD的氣吸式三七種苗定向移栽裝置研究

賴慶輝 趙瑾汶 蘇 微 賈廣鑫 李俊宏 呂 勤

(昆明理工大學農業與食品學院， 昆明 650500)

0 引言

目前，三七生產作業過程機械化程度較低，三七移栽環節全部采用傳統的人工作業方式，其勞動強度大、作業質量差、生產效率低。因此，亟需研發滿足三七種苗移栽農藝要求的移栽裝置[1-3]。在三七移栽過程中要求種苗頭部朝同一方向[4-5]，這樣可提高移栽后的成活率，有利于種苗充分吸收光照和養分，同時保證三七出苗株距相同，且出苗方向一致，既可提高三七產量，又方便田間管理。由于三七移栽采用作畦裸苗移栽，故無法確定栽植后的種苗姿態。傳統機械式移栽傷苗率高，難以實現定向移栽。因此，設計一種氣吸式三七種苗定向移栽裝置，對提高三七產量、減輕田間管理難度，實現三七規范化種植具有重要意義。

國內外關于移栽機械已有較多的報道[6-12]。意大利FABRIZIO等[13]研制的葡萄切割移栽系統和美國的FMC全自動蔬菜移栽機[14-15]，胡建平等[16-17]研制的自走式全自動缽苗移栽機，這些移栽機械融合了先進的自動控制技術，能完成相關作物的全自動移栽作業，但主要應用在蔬菜、煙草等適合缽苗移栽的經濟作物上。三七的密集種植及移栽后剪口朝向一致的要求限制了傳統移栽機械在三七種苗移栽中的應用[18]。關于其他根莖類中藥材的移栽，韓國研制了SM-205B型鏈夾式人參移栽機，但需要人工喂苗、存在苗夾夾持傷苗率高等問題[19-20]。姜彩宇等[21]研制了適用于畦床作業的半自動人參移栽機，其結構簡單，但作業速度慢，對土地平整度要求高，且無法實現種苗定向。關于定向種植裝置，澳大利亞DISSANAYAK等[22]通過對銀膠菊的研究發現，定向播種可有效改善銀膠菊的發芽和生長狀況,提高其品質及產量。王僑等[23]基于機器視覺研制了玉米種子定向擺位裝置，但其識別效率較低，同樣無法滿足三七移栽農藝要求。權龍哲等[24]基于電磁振動設計了玉米種群定向整列系統，對整個系統進行了動力學分析，在無機械結構輔助的情況下，其定向成功率和整列率均較高。目前，國內外尚未見三七種苗定向的相關研究報道。

本文設計一種氣吸式三七種苗定向移栽裝置，借助DEM-CFD耦合仿真計算方法，驗證種苗吸附調姿的可行性，進行定向移栽裝置單因素試驗和二次旋轉正交組合試驗，對其工作性能進行試驗驗證，優化主要結構參數，以期解決三七種苗機械化定向移栽的難題。

1 結構與工作原理

1.1 定向移栽裝置結構

氣吸式定向移栽裝置試驗臺主要由定向移栽裝置及支架組成，如圖1所示。定向移栽裝置主要由振動輔助吸苗機構、動吸盤、定吸盤、氣室殼體和傳動機構組成。

1.2 工作原理

定向移栽裝置工作前，先經過分離裝置[25]將三七種苗分離后放入種箱中，振動輔助吸苗機構帶動種箱上下振動，實現種苗離散化，當動吸盤轉至吸苗區時，種苗主根在振動輔助吸苗機構的作用下被吸附在動吸盤的主吸孔上，完成種苗吸附過程。動吸盤帶動種苗繼續順時針轉動至調姿定位區時，定吸盤上均勻分布的調姿轉向吸孔內氣流與動吸盤表面氣流形成流速差，進而產生壓力差，則垂直于壓力差方向產生的升力使得種苗旋轉至剛好遮擋住主吸孔右下方的輔助定位吸孔，當壓力差平衡，種苗靜止，且剪口朝向動吸盤轉動的反方向，完成調姿過程。動吸盤繼續帶動種苗轉動至投苗區，種苗依靠自身重力掉落，完成投苗過程。

2 關鍵部件設計與吸附調姿過程分析

2.1 三七種苗基本參數

三七種苗含水率為66.09%～68.91%，主根平均長度l1為23.52 mm，主根平均直徑d1為12.95 mm、剪口平均長度l2為15.50 mm、剪口平均直徑d2為6.68 mm，三七種苗尺寸如圖2所示[26]。

2.2 組合吸盤設計

組合吸盤作為整個定向移栽裝置的核心部件，主要由動吸盤和定吸盤組成，其結構如圖3所示。

2.2.1動吸盤直徑

動吸盤上設有均勻分布的主吸孔和輔助定位吸孔。一般來說，主吸孔停留在吸苗區的時間越長，即認為吸苗可靠性和吸附性能越高[27]，而動吸盤參數直接決定了定向移栽裝置的整體結構及氣室結構尺寸。

為研究動吸盤直徑對于種苗吸附過程的影響，計算主吸孔在吸苗區停留時間t0為

(1)

式中L0——吸苗區弧長，m

v0——動吸盤主吸孔處線速度，m/s

Δh——動吸盤直徑與主吸孔分布圓直徑D1之差，m

D——動吸盤直徑，mm

np——動吸盤轉速，r/min

δ——吸苗區角度，rad

由式(1)可知，主吸孔在吸苗區停留時間t0只與吸苗區角度及動吸盤轉速有關，而與動吸盤直徑無關。因此其直徑的確定只需要考慮栽植作業速度、種苗主根和剪口長度以及定向移栽裝置整體結構等因素，綜合考慮后選取動吸盤直徑D=236 mm。

2.2.2主吸孔數量

在作業速度和株距確定的情況下，適當增加動吸盤上的主吸孔數量，有利于提高種苗吸附性能。但主吸孔數量過多時，在風機所提供負壓一定的情況下，每個主吸孔所分得的負壓會同步降低，不利于種苗的穩定吸附。動吸盤上主吸孔數量N應滿足[28]

(2)

式中vm——作業速度，m/s

Lb——栽植株距，m

c——地輪滑移系數

動吸盤直徑D=236 mm，移栽作業速度vm取0.3 m/s，根據農藝要求，三七種苗移栽的株距Lb為0.15 m，取動吸盤轉速np=10 r/min，地輪滑移系數0.08，綜合考慮計算結果及單個主吸孔所能獲得的負壓，選取主吸孔數量N=10。

2.2.3主吸孔直徑

主吸孔直徑是影響氣吸式定向移栽裝置性能的重要因素之一。當主氣室負壓一定時，若主吸孔直徑過大，則會造成單位面積上對種苗的吸附力不足，容易造成漏吸，反之，主吸孔直徑過小時，由于總吸附面積的限制，雖然單位面積的吸附力增加，但是無法克服種苗自身重力同樣會造成漏吸。同時，為便于加工，選取動吸盤上主吸孔類型為圓柱型孔，參考氣吸式排種器氣吸孔的相關設計公式，其直徑d計算公式為

d=(0.6～0.7)d1

(3)

因此可按式(3)確定主吸孔直徑為8.6 mm。

2.3 氣室設計

氣室結構形式主要有圓環形和馬蹄形兩種，氣室內流場滿足[29]

(4)

(5)

(6)

式中ωx、ωy、ωz——氣室內一質點x、y、z方向的旋轉角速度，rad/s

由式(4)～(6)可以看出，氣室內壓力與氣室形狀無關，因此假定其內部為等勢流場，即氣室內部壓力相等。綜合考慮氣室的結構尺寸，選擇氣室形狀為圓環型。為使種苗能獲得較大壓力差產生旋轉力矩，在原有環形主氣室的基礎上增加環形輔助氣室，其結構如圖4所示。

將種苗主根吸附在主吸孔上時剪口的位置劃分為4個區域，如圖5所示，其中區域Ⅰ和區域Ⅳ由于需要旋轉的角度過大，不利于種苗在調姿定位區的旋轉調姿。因此，為使種苗能夠按照預期進行調姿，在氣室體表面設有一個撥苗桿，使剪口位于區域Ⅰ和區域Ⅳ的種苗隨動吸盤轉動的過程中，在撥苗桿的作用下旋轉至剪口位于區域Ⅱ。同時，由于種苗主根下方的根部較長，而剪口長度較短，撥苗桿僅對剪口位于區域Ⅰ和區域Ⅳ的種苗起作用，最終種苗的吸附狀態應為剪口位于區域Ⅱ和區域Ⅲ。

2.4 振動輔助吸苗機構設計

三七種苗存在流動性差的問題，不利于種苗吸附。因此針對三七種苗設計出一種偏心輪式振動輔助吸苗機構，可降低種群內部摩擦力，促使單個種苗從種群中分離出來。

振動輔助吸苗機構如圖6所示，直流電機的轉動帶動偏心凸輪逆時針旋轉，在連桿長度及直線軸承的限位作用下，連桿帶動種箱上下往復振動，從而增大種群擾動。

計算出三七種苗在豎直方向速度vy和加速度ay以及種箱加速度a′分別為

vy=Aksinθcos(kt)

(7)

ay=-Ak2sinθsin(kt)

(8)

a′=2Aπ2f2(cos(2πft)+λcos(2πft))

(9)

式中f——振動頻率，Hz

A——振動幅度，m

θ——該點振動方向與水平方向的夾角，(°)

k——振動圓頻率,rad/s

t——振動時間，sλ——常數

為了使種群處于“沸騰”狀態，則振動板加速度的最大值應滿足

max(a′)>g

(10)

式中g——重力加速度，m/s2

由式(9)、(10)可知，振動頻率和振動幅度會影響種群的運動狀態，因此引入拋擲指數，拋擲指數Kp與振動頻率f、振動幅度A之間的關系為

(11)

當Kp=1時，種箱最大加速度等于重力加速度，種苗在種箱中處于臨界狀態；當Kp>1時，振動板最大加速度大于重力加速度，種苗被分離開，且連續被拋起[30]。因此令Kp>1，經過計算后選取振動頻率為5 Hz，振動幅度為25 mm時，種群離散度較高，利于種苗在吸苗區的吸附。

2.5 吸附過程分析

為研究吸附過程中種苗的受力情況，建立種苗吸附模型，種苗位于攜苗區Ⅰ時受力情況如圖7所示

當動吸盤轉動時，種苗受到的外力主要有種苗自身重力G、吸附力P、旋轉慣性力J，動吸盤對種苗的支持力N以及種苗與動吸盤之間的摩擦力Ff，種苗在振動輔助吸苗機構作用下離開種群開始移動時所產生的摩擦力忽略不計。其中慣性力J計算式為

J=mrω2

(12)

式中m——種苗質量，kg

r——主吸孔中心到動吸盤轉動軸的距離，m

ω——動吸盤轉動角速度，rad/s

吸附力P計算式為

(13)

式中p1——標準大氣壓，kPa

p2——主吸孔負壓，kPa

重力G與慣性力J的夾角為α，合力為T，其計算式為

(14)

為了使種苗被穩定吸附在主吸孔上，應滿足

(15)

式中b——種苗重心與動吸盤的距離，mm

k1——種苗重心距主吸孔中心距離與主吸孔直徑的比值

已知種苗重心距主吸孔中心距離為3 mm，計算出k1=0.35，取主吸孔負壓為1 kPa，代入式(15)成立，則在此條件下種苗能被穩定吸附在主吸孔上。

2.6 調姿過程分析

當動吸盤開始轉動時，種苗受到的慣性力J大小保持不變，但其方向在不斷改變，而重力G的大小和方向都保持不變，由圖5可以得出，種苗在吸苗區時吸附力達到最大值，隨后逐漸減小，在到達動吸盤頂部時所受的吸附力最小，因此，將調姿定位區設計至動吸盤頂端。

種苗位于調姿定位區時，動吸盤上一點處壓力為p3，其大小為大氣壓力，調姿轉向吸孔內壓力為p4。根據伯努利原理，即截面積越小，流速越大，截面積越大，流速越小，因此流速差導致了壓力差，則垂直于壓力差方向產生升力，進而產生旋轉力矩使種苗開始旋轉，當種苗旋轉至根部剛好遮擋住輔助定位吸孔內的氣流時，根據連續性原理，即流速大的地方壓力小，流速小的地方壓力大，則p3與p4之間壓力平衡，種苗靜止，調姿完成，種苗調姿原理如圖8所示。

種苗最終的吸附狀態有3種，如圖9所示，其中，吸附狀態3為理想位姿，不需要對其進行調姿；吸附狀態1和吸附狀態2均是由壓力差產生升力FL1和FL2，進而產生旋轉力矩M1和M2。當種苗處于吸附狀態1時，FL1產生向下力矩，FL2產生向上力矩，合力矩使種苗逆時針旋轉；當種苗處于吸附狀態2時，FL1產生向上力矩，FL2產生向下力矩，合力矩使種苗順時針旋轉。

根據伯努利方程，p3與p4之間應滿足

(16)

式中v1——空氣流速，m/s

v2——調姿轉向吸孔內流體流速，m/s

ρ——空氣密度，kg/m3

h1——動吸盤上一點距基準面的高度，m

h2——調姿轉向吸孔中心距基準面高度，m

為方便計算，忽略動吸盤上一點距基準面與調姿轉向吸孔中心距基準面之間的高度差，則所產生壓力差為

(17)

根據式(17)種苗所獲得的升力Fs計算式為

(18)

式中S——種苗被吸附在調姿轉向吸孔上的作用面積，m2

3 DEM-CFD吸孔耦合仿真驗證與分析

3.1 仿真模型建立

以云南文山三七種植基地的三七種苗為建模對象，選取與種苗平均三軸尺寸相接近的三七種苗，利用三維激光掃描得到三七種苗的三維空間點云數據，運用Geomagic studio軟件后處理獲得三七種苗網格幾何模型[31]。將模型導入EDEM軟件并利用非球顆?？焖偬畛涔δ?，獲得三七種苗離散元模型，如圖10所示。

利用UG軟件建立吸孔計算域的仿真模型，導入到EDEM軟件中，對其用ICEM-CFD軟件劃分六面體非結構網格，設定壓力出入口，其余邊界定義為壁面，之后導入Fluent軟件中，如圖11所示。

3.2 仿真參數確定

經種苗接觸參數標定后確定種苗-種苗和種苗-吸孔計算域模型的接觸參數，三七種苗和不銹鋼本征參數如表1所示[26]。

表1 三七種苗仿真參數

3.3 吸孔吸附種苗過程模擬

為了驗證種苗旋轉調姿的可行性，對應調姿過程分析中的前兩種吸附狀態，進行了基于歐拉(Eulerian)模型[32]的吸孔吸附種苗氣固兩相流耦合仿真，如圖12所示。

種苗由設置在氣流入口處的顆粒工廠生成，生成的種苗在豎直方向以速度2 m/s及自身重力的作用下進入吸孔計算域模型內。設置壓力入口邊界條件為0 kPa，主吸孔壓力出口1邊界條件為2 kPa，調姿轉向吸孔壓力出口2邊界條件為1.3 kPa。種苗在壓力差的作用下被吸附在主吸孔上并進行旋轉調姿，在此過程中EDEM軟件獲取組成種苗顆粒的實時位置與接觸信息，將所獲取的信息通過耦合接口傳遞到Fluent軟件中，利用Fluent軟件根據顆粒場對流場的影響情況進行計算，最后將所獲得的流場信息傳遞到EDEM軟件中，模擬流場對顆粒體的影響情況，氣固雙向耦合仿真中上述過程依次循環。仿真過程中設置EDEM時間步長為1×10-5s，Fluent時間步長為5×10-4s，為EDEM的整數倍；設置Fluent計算步數為6 000步，每個時間步長仿真迭代50次；為盡可能詳細獲取顆粒運動信息，在EDEM和Fluent內，每0.002 s保存一次數據。根據組合吸盤的設計，取主吸孔與輔助定位吸孔夾角為23°，主吸孔與調姿轉向吸孔夾角分別為20°、25°和30°時進行仿真，探尋能使種苗進行調姿定位的臨界角。

3.4 仿真結果分析

根據仿真結果，分析夾角不同時種苗的調姿和定向效果。主吸孔與調姿轉向吸孔夾角為20°時，位于吸附狀態1和吸附狀態2的種苗均不會發生旋轉；夾角為25°時，位于吸附狀態2的種苗會發生旋轉，而位于吸附狀態1的種苗有開始旋轉的趨勢，氣流僅對其產生了一定的擾動作用；夾角為30°時，位于吸附狀態1和吸附狀態2的種苗均發生了旋轉，且在輔助定位吸孔的作用下，達到理想位姿后靜止，如圖13、14所示。

4 性能試驗與分析

4.1 試驗材料與儀器設備

試驗采用云南文山三七種植基地的三七種苗，根據國際標準ISO 20408《中醫藥——三七種子和種苗》對三七種苗進行分級，挑選出一、二級種苗，試驗地點為昆明理工大學農業與食品學院。試驗采用自制定向移栽裝置試驗臺，如圖15所示，試驗過程中，定向移栽裝置固定安裝在JPS-12型視覺排種器性能試驗臺上，并利用合肥富煌君達高科信息技術有限公司提供的千眼狼5F01型高速攝像機拍攝調姿定向情況，在定向移栽裝置穩定作業階段連續測量200棵三七種苗的定向移栽效果為一組試驗，每組試驗重復3次取平均值。

4.2 單因素試驗

根據預試驗結果，以定向合格(主吸孔吸取一棵種苗，使其剪口朝向動吸盤轉動的反方向且種苗剪口與主根連線方向與水平方向夾角為20°～30°)指數和漏吸(主吸孔沒有吸附到種苗)指數為試驗指標，選取對試驗指標影響較為顯著的主吸孔負壓、動吸盤轉速和調姿轉向吸孔直徑為試驗因素，進行單因素試驗，試驗結果如圖16所示。隨主吸孔負壓的增大，定向合格指數呈先升高后降低趨勢，漏吸指數呈逐漸減小趨勢。主氣室負壓在2 kPa時定向合格指數達到最高，為82.33%。隨動吸盤轉速的增大，定向合格指數呈逐漸下降趨勢，漏吸指數呈逐漸增大趨勢。動吸盤轉速在5.5 r/min以下時定向合格指數大于80%。隨調姿轉向吸孔直徑的增大，定向合格指數呈先升高后降低趨勢，漏吸指數呈先降低后升高趨勢。調姿轉向吸孔直徑在4.5 mm時定向合格指數達到最高，為84.67%。

4.3 二次回歸旋轉正交試驗

為進一步研究主吸孔負壓、動吸盤轉速和調姿轉向吸孔直徑及各因素二次項和交互項對定向移栽裝置工作性能的影響，基于單因素試驗的結果采用二次回歸旋轉正交組合試驗研究定向移栽裝置最佳作業性能參數。試驗因素編碼如表2所示，試驗設計方案與結果如表3所示，其中X1、X2、X3分別為主吸孔負壓、動吸盤轉速和調姿轉向吸孔直徑的編碼值，試驗指標分別為定向合格指數Y1和漏吸指數Y2。

表2 試驗因素編碼

表3 試驗方案與結果

4.4 試驗結果分析

4.4.1定向合格指數Y1

(19)

4.4.2漏吸指數Y2

表4 定向合格指數與漏吸指數的方差分析

(20)

4.5 各因素交互作用對定向合格指數的影響

通過對試驗數據進行處理，可得主吸孔負壓、動吸盤轉速、調姿轉向吸孔直徑交互作用對定向合格指數Y1的影響，其響應曲面如圖17所示。

4.5.1主吸孔負壓和動吸盤轉速的交互作用

由圖17a可知，在主吸孔負壓為1.58～1.82 kPa，動吸盤轉速為4.81～5.19 r/min時，定向合格指數較高。主吸孔負壓一定時，隨著動吸盤轉速的增大，定向合格指數呈先上升后下降的趨勢。動吸盤轉速一定時，隨著主吸孔負壓的增加，定向合格指數呈先上升后下降的趨勢。

4.5.2主吸孔負壓和調姿轉向吸孔直徑的交互作用

由圖17b可知，在主吸孔負壓為1.08～2.41 kPa，調姿轉向吸孔直徑為3.50～4.35 mm時，定向合格指數較高。主吸孔負壓一定時，隨著調姿轉向吸孔直徑的增大，定向合格指數呈下降的趨勢。調姿轉向吸孔直徑一定時，隨著主吸孔負壓的增大，定向合格指數呈先上升后下降的趨勢。

4.5.3動吸盤轉速和調姿轉向吸孔直徑的交互作用

由圖17c可知，在動吸盤轉速為4.58～6.56 r/min，調姿轉向吸孔直徑為3.50～4.29 mm時，定向合格指數較高。動吸盤轉速一定時，隨著調姿轉向吸孔直徑的增大，定向合格指數呈下降趨勢。調姿轉向吸孔直徑一定時，隨著動吸盤轉速的增大，定向合格指數呈先上升后下降的趨勢。

4.6 參數優化

為確定最佳參數取值范圍，設定定向合格指數大于81%，漏吸指數小于9%，設置調姿轉向吸孔直徑為4.5 mm，優化所得最佳參數范圍如圖18所示，得到主吸孔負壓范圍為1.03～2.11 kPa，動吸盤轉速范圍為4.67～6.08 r/min。

為驗證優化分析結果，在相同試驗條件下，選取調姿轉向吸孔直徑為4.5 mm，主吸孔負壓為1.03～2.11 kPa、動吸盤轉速為4.67～6.08 r/min時進行3次重復驗證試驗，可得該條件下定向移栽裝置平均定向合格指數為85.87%，平均漏吸指數為6.33%。驗證試驗結果表明，優化結果可靠。

5 結論

(1)設計了氣吸式三七種苗定向移栽裝置，通過理論計算和分析確定了動吸盤及振動輔助吸苗機構的基本參數，確定動吸盤直徑為236 mm，主吸孔數量為10個，主吸孔直徑為8.6 mm，振動輔助吸苗機構振動頻率為5 Hz，振動幅度為25 mm。

(2)對種苗吸附和調姿過程進行分析，得出當主吸孔負壓為1 kPa時，種苗能被穩定吸附在主吸孔上，從而驗證了種苗因受壓力差而在升力作用下產生旋轉力矩的理論可行性。建立了種苗離散元模型和型孔計算域仿真模型，借助DEM-CFD氣固兩相流耦合仿真驗證了種苗在升力作用下能達到理想位姿并定位的可行性，最后確定了主吸孔與輔助定位吸孔夾角為23°、主吸孔與調姿轉向吸孔夾角為30°時，種苗達到調姿定位的臨界角度。進行了單因素試驗，為正交試驗選取了試驗水平中心點。

(3)以主吸孔負壓、動吸盤轉速和調姿轉向吸孔直徑為試驗因素，以定向合格指數和漏吸指數為試驗指標，進行了二次回歸旋轉正交組合試驗，結果表明，當調姿轉向吸孔直徑為4.5 mm、主吸孔負壓為1.03～2.11 kPa、動吸盤轉速為4.67～6.08 r/min 時，定向移栽裝置平均定向合格指數為85.87%，平均漏吸指數為6.33%，滿足三七移栽要求。