基于EDEM的窩眼輪小麥精量排種器排種仿真試驗

李慧琴 趙戩 劉恩光 劉存祥

摘要：設計一種窩眼輪式小麥精量排種器，確定該排種器的最佳排種性能參數（窩眼輪轉速、型孔倒角、毛刷與排種輪的傳動比）。并設計3水平3因素正交試驗，對排種器的排種性能進行模擬仿真試驗，觀察分析小麥種子在排種器中排種、重播、漏播的過程，得出影響排種性能的主次因素，從而確定最優參數，即窩眼輪轉速為40 r/min、型孔為30°倒角、毛刷與排種輪的傳動比為2 ∶1，此時排種器的排種性能最優。通過臺架試驗，驗證了仿真試驗結果的準確性，對以后排種器性能參數的優化設計提供了可靠的參考。

關鍵詞：播種器;窩眼輪式排種輪;離散元仿真;正交試驗;排種器;仿真試驗

中圖分類號：TP391.99;S223.2 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）10-0188-06

精量播種技術具有節約良種、抗旱保苗效果好、培育壯苗等優點[1]。為提高小麥播種機播種精度，各種小麥精密排種器的研究成為了熱點。市場上的小麥精密排種器多為氣吸式排種器，但是價格昂貴且需要配備氣泵，而機構簡單、動力配備適應性強和能實現密集精密播種的窩眼輪式機械排種器成為了精密播種的首選。

寬窄行小麥播種技術能增加小麥畝產，減少病害現象[2]。劉印杰等研究表明，小麥實行寬窄行種植，能充分發揮其邊行優勢 實現低群體壯個體、產量三要素協調發展，且抗倒伏、抗早衰、產量高，便于田間管理及秋作物麥壟套種與秋苗生長發育 是提高麥田產量的有效途徑[3]。黃峰等研究表明，寬窄行種植能提高畝成穗率和畝穗數 從而增加產量[4]。由于小麥種子質量小、體積小、幾何形狀不規則，難以實現機械化精量播種，因此需設計一種適用于小麥寬窄行精量播種的窩眼輪式排種器。

由于顆粒狀物質存在的廣泛性，離散單元法作為涉及相關散體顆粒物質運動的方法，在農業工程領域得到了廣泛關注[5]。本研究基于離散單元法，建立小麥種子模型，對所研制的窩眼輪式小麥精量排種器進行模擬排種試驗，并對影響其性能的參數進行優化，具有很高的研究價值。

1 排種器總體結構和工作原理

1.1 總體結構

窩眼輪式排種器由前殼體、后殼體、窩眼式排種輪、刮種毛刷、主動軸、從動軸、鏈輪組、清種扭力彈簧、連接螺栓和支撐螺栓等組成，其總體結構圖見圖1。

主動軸與排種輪中心的孔配合，從動軸與刮種毛刷中心的孔配合，主動軸與從動軸之間通過鏈輪組連接。前殼體與后殼體之間通過連接螺栓進行連接，其中前殼體也發揮著護種板的作用，后殼體上有能與播種機機架或試驗臺連接的底板。清種扭力彈簧穿過支撐螺栓，一端與后殼體接觸，另一端與排種輪型孔中間的溝槽底面接觸。

1.2 工作原理

排種器的工作過程見圖2。排種器工作時，動力輸入到主動軸，帶動排種輪轉動，主動軸經鏈輪組將動力傳遞給從動軸，帶動刮種毛刷轉動;工作狀態下，窩眼輪的轉動擾動小麥種子，種子在重力與種間作用力的共同作用下充入型孔，刮種毛刷憑借與排種輪的速度差將型孔周圍的種子清除;進入型孔的種子經護種板的阻擋下經過攜種區到達排種點，為保證種子的順利投出，利用清種扭力彈簧強制投種，種子在重力的作用下下落;排種輪繼續轉動，空程區的型孔進入充種區完成下一次充種，整個排種過程完成。

2 排種器離散元仿真模型的建立

2.1 仿真參數的確定

為簡化計算，將模型簡化為前殼體、后殼體、排種輪、刮種毛刷和扭轉彈簧5個部分。設定后殼體和扭轉彈簧材料為鋼，前殼體和排種輪材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS），刮種毛刷材料為尼龍66。仿真模型中材料屬性和接觸屬性設置參考文獻[6-7]，材料屬性見表1。接觸模型選擇Hertz-Mindlin（no slip）模型，材料接觸屬性見表2。

2.2 小麥種子模型的建立

種子自身的物理特性是排種器設計的重要參考依據[8]。由于小麥尺寸不規則，而且個體尺寸差異較大，因此將小麥簡化為長大于寬、寬大于厚的幾何體，其外形尺寸見圖3。選取濟麥22為研究對象，經測量所得的小麥種子尺寸參數見表3。

根據濟麥22測量的參數，將小麥顆粒模型建立為由5個球體填充而成的幾何體，其半徑分別為1.1、1.4、1.6、1.4、1.1 mm，中心坐標分別為（0，-2，0）、（0，-1，0）、（0 ，0，0）、（0，1，0）、（0，2，0），該幾何體如圖4所示。

2.3 排種器模型的建立

排種輪作為排種器的主要工作部件，其結構及參數設計直接影響播種效果。

首先對窩眼式排種輪的直徑進行設計，根據《農業機械設計手冊》，窩眼輪直徑如果過小，則其曲率較大，不利于種子充入型孔而造成漏播，一般取50～140 mm[9]。參考已有的大豆窩眼式排種輪，取窩眼輪直徑（dω）為130 mm。

其次設計型孔的個數，根據設計要求，播種行數為2行，播種行距受排種器外接的導種管影響，因此僅考慮單行型孔的個數。單行型孔的個數受排種輪轉動的線速度影響，取排種輪轉速（n）為 60 r/min。則排種輪轉動的線速度（vω）為

vω=nπdω60=0.408 2 m/s。（1）

單行型孔個數T為

T=πdωvmQvω。（2）

式中：vm為播種機作業速度，m/s;Q為株（穴）距，m。

拖拉機行駛速度取值不超過3.5 km/h，即vm =0.972 m/s，根據小麥播種農藝要求，株距范圍為 15～45 mm，取理論株距Q=30 mm，代入公式（2）得 T=32.4 個，因此確定單行型孔數為32 個。

然后對型孔的形狀及尺寸進行設計，根據劉俊峰等的分析及觀察[10]，小麥種子充入型孔的穩定狀態一般以腹溝平面向下或向上居多。因此將型孔設計為橢球孔，孔長（橢球長軸）為A，孔長沿排種輪轉動圓周方向，孔寬（橢球短軸）為B，孔深為C。為徹底排種，型孔中心軸處有扭轉彈簧通過的槽，槽寬為H，型孔尺寸如圖5所示。

排種過程中為避免種子落入槽內，槽寬必須小于種子最小尺寸（2.51 mm），考慮種子尖角部分一側會過多進入槽內，將槽寬H確定為1.7 mm。為保證每個型孔只能容納1顆種子，根據劉彩玲等的研究[11]，型孔尺寸應滿足：

amax<A<a+12c;（3）

bmax<B<2cmin;（4）

cmax<C<2cmin;（5）

A>B>C。（6）

式中：amax表示小麥長度最大值，mm; a表示小麥長度平均值 mm; bmax表示小麥寬度最大值，mm; cmin

表示小麥厚度最小值，mm;cmax表示小麥厚度最大值，mm;c表示小麥厚度平均值，mm。

由測量的小麥尺寸參數（表3）可知，7.39<A<7.72，4.21<B<5.02，3.59<C<5.02，型孔的長、寬、深分別取7.70、5.00、3.85 mm。另外，為減少充種過程中種子的破碎率，在型孔上設計30°倒角R。為改善充種和清種性能，提高排種頻率，將2排型孔設計成交錯排列。

利用SolidWorks軟件對排種器進行三維建模，其排種輪模型見圖6。省略掉不必要的零件后進行裝配，另存為.igs格式后導入EDEM軟件幾何體模塊中，保留的零部件分別為排種輪、前殼體、后殼體、刮種毛刷和扭轉彈簧。在排種器進種口定義顆粒工廠，生成顆粒總數為2 200粒，生成顆粒速率為 4 400粒/s，完成參數設置后的仿真模型見圖7。

3 排種器EDEM仿真試驗

3.1 試驗設計

試驗采用EDEM軟件進行仿真試驗，分別建立小麥種子模型和排種器模型，對排種過程進行運動仿真，利用EDEM強大的后處理功能對試驗數據進行處理，選用正交試驗設計的方法對排種器的參數進行優化。選用窩眼輪轉速、型孔倒角、毛刷與排種輪的傳動比3個因素作為可變參數，選用L9（34）正交表。試驗因素取值見表4。

3.2 模擬仿真過程及分析

仿真選用Hertz-Mindlin接觸模型，種子顆粒總數為2 200粒，生成顆粒速率為4 400粒/s，設置仿真Rayleigth時間步長百分比為20%，輸出時間步長為0.01 s，網格大小為最小顆粒半徑的2倍，仿真時間為60 s，定義排種輪和刮種毛刷在1 s時開始轉動。仿真結束后，將模型設置為Mesh形式顯示，透明度設置為0.1，將種子顆粒以速度染色，觀察其運動狀態。

在0.50 s時，顆粒工廠生成種子模型完成，完全落入排種器內;在0.60 s時，刮種毛刷將多余的種子清理出窩眼型孔，使其進入到攜種區;在1.27 s時，種子到達排種點，在重力作用下下落（圖8）。

3.3 仿真試驗指標

在排種過程中，除了正常排種外，還有2種特殊情況——漏播和重播。仿真結果中，單個型孔里僅有1粒種子表示合格，沒有種子表示漏播，種子數量大于1粒表示重播，如圖9所示。

統計每組理論排種數N、重復排種數n0、單粒排種數n1和漏排種數n2，計算合格率S、漏播率M和重播率D[12]。考慮到實際播種中“寧重不漏”的原則，引入排種性能指數Z[13]，將重播率折算后計入。其計算公式如下：

S=n1N×100%;（7）

M=n0N×100%;（8）

D=n2N×100%;（9）

Z=S+D2.5×100%。（10）

3.4 仿真試驗結果與分析

正交試驗方案和結果見表5，極差分析結果見表6。選擇對排種最為重要的漏播指數和排種性能指數作為分析指標，觀察9次試驗數據，對于漏播指數，最大值為15.63%，最小值為4.17%，平均值為8.65%。從表6可以得出，其影響漏播指數和排種性能指數的主次因素均表現為A（窩眼輪轉速）>B（型孔倒角）>C（毛刷與排種輪的傳動比），影響較大的因素為窩眼輪轉速，但是水平1與水平2相差不大，說明窩眼輪轉速和排種性能指數在此區間的影響一致，較優水平組合：漏播指數為A1B2C1、排種性能指數為A1B3C1。考慮到排種性能指數和離散元仿真試驗結果，選擇排種器的最優參數為A2B3C3，即窩眼輪轉速為40 r/min 、型孔為30°倒角、毛刷與排種輪的傳動比為2 ∶1，對此模型進行仿真試驗，得到合格指數為93.66%，重播指數為2.13%，漏播指數為4.21%，排種性能指數為94.73%。

4 臺架試驗

4.1 試驗條件

在河南農業大學第三生活區農業機械車間，采用與仿真試驗一致的濟麥22種子進行臺架試驗，試驗設備為中國農業大學研制的STB-700播種試驗臺，將制作的窩眼輪式排種器搭建在試驗臺上，由控制中心控制排種輪的轉速和傳送帶速度，試驗臺搭建效果如圖10所示。

4.2 試驗方法

選用上述仿真試驗結果最優的排種輪，即窩眼輪排種器型孔倒角為30°、毛刷與排種輪的傳動比為 2 ∶1。將排種輪轉速設定為40 r/min，傳送帶速度設定為0.65 m/s，進行5組試驗，統計各項數據取平均值。根據GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，計算出試驗理論株距SL，分別對每組試驗重播率、漏播率、合格率進行統計。理論株距SL計算公式如下：

SL=1 000×60vsTns=30.5 mm。

式中：SL表示理論株距，mm;vs表示傳送帶速度，m/s;ns表示排種輪轉速，m/s;T表示排種輪單行型孔個數。

4.3 試驗結果

試驗臺播種效果如圖11所示。根據試驗方法，統計播種性能指數，結果見表7。此排種器在試驗中合格指數為89.53%，重播指數為4.31%，漏播指數為6.16%，排種性能指數為91.69%，最重要的排種綜合指數與仿真試驗結果的誤差為3.04%（<5%），說明利用EDEM優化排種器性能參數的方法可行。

5 結論

根據寬窄行播種技術，設計了窩眼輪小麥精量排種器，并利用EDEM軟件對排種器進行離散元仿真分析。仿真分析結果表明，影響窩眼輪式小麥精量排種器排種性能的主次因素順序為窩眼輪轉速、型孔倒角、毛刷與排種輪的傳動比，當窩眼輪轉速為40 r/min、型孔為30°倒角、毛刷與排種輪的傳動比為2 ∶1時排種器的排種性能最優。根據仿真試驗結果的最優參數，制作排種器并進行臺架試驗，將臺架試驗與EDEM仿真試驗的數據對比，排種綜合指數誤差為3.04%（<5%），說明利用EDEM軟件優化排種器性能參數的方法是可行的，可以省去大量的人力、物力以及大田試驗。

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