基于EDEM的自擾動內勺式大豆精密排種器的設計與試驗

牛媛媛 徐銘辰 屈哲 安雪 李赫 余永昌

摘要：為提高大豆精密排種器的充種性能，研究了一款自擾動內勺式大豆精密排種器，通過攪動桿隨排種軸的轉動提高了排種器勺輪孔內的充種率。研究測量了黃淮海地區常見大豆品種的物理參數，并應用EDEM軟件對自擾動內勺式大豆精密排種器進行了仿真試驗。結果表明，單粒率最大為97.15%，最小為94.81%;重播指數最大為3.84%，最小為1.95%;漏播指數最小為0.52%，最大為3.64%。臺架試驗結果顯示，單粒率最小為93.31%，重播指數最大為3.92%，漏播指數最大為4.03%，與仿真結果的最小單粒率誤差為1.01%，最大重播指數誤差為2.08%，最大漏播指數誤差為9.68%。說明應用EDEM軟件分析自擾動內勺式大豆精密排種器的工作過程是可行的，可以為排種器的優化提供理論基礎。

關鍵詞：大豆;精密排種器;EDEM;排種性能;設計;仿真;臺架試驗

中圖分類號：S223.23 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0202-06

收稿日期：2021-07-27

基金項目：國家大豆產業技術體系建設專項（編號：CARS-04）。

作者簡介：牛媛媛（1987—），女，河南南陽人，碩士，講師，主要從事農業機械及其自動化研究。E-mail：874086154@qq.com。

通信作者：余永昌，教授，主要從事農業裝備與機器系統的研究。E-mail：hnyych@163.com。

大豆是中國主要的糧食作物和油料作物，是中美貿易戰的首要競爭對象。隨著人們生活質量的提高，對豆制品的需求也越來越高，因此，大豆產量不僅對我國農業競爭力至關重要，也關系著我國的糧食安全。播種是農耕的重要環節，其作業質量嚴重影響著作物生長與產量，而排種器是播種機的關鍵部件，排種器的性能直接影響著播種質量的好壞。目前精密排種器的充種有內充種式、外充種式和側充種式，由于大豆在播種期間對種子的完整性要求極高，種皮一旦出現損傷就會影響后期種子的發芽和出苗，而內充種式排種器由于其特殊的充種方式可以對種皮起到一定的保護作用，因此，內充種式排種器在播種應用方面備受好評。EDEM是目前工程研究中常用的一款離散元模型分析軟件，在農業上的應用也越來越廣泛，不僅可以用于農機的結構設計，還可以用來優化零部件的結構參數。

目前關于EDEM軟件的研究主要集中在農業機具的優化設計。樸順男等利用離散元方法模擬分析了雙翼式深松鏟在土壤中的運動過程，通過研究深松鏟結構參數和耕作速度對深松鏟耕作阻力的影響規律，最終確定了雙翼式深松鏟的最佳工作參數，即鏟翼翻土角為30°、起土角為30°、耕作速度為0.75 m/s時雙翼式深松鏟的耕作阻力最小。劉宏新等根據排種器的工作原理，對置斜盤高速精密大豆排種器進行建模，并利用工程離散元方法模擬分析了對置斜盤高速精密大豆排種器的排種性能，結果表明種盤最佳傾角為20°、排種盤轉速為22.01～29.41 r/min時的平均合格指數提高了3.6%。史麗娜等利用EDEM軟件針對果園不同地塊土壤肥力問題對有機肥深施機施肥控制系統的施肥轉盤旋轉角度與施肥流量進行仿真，與田間試驗結果對比后顯示施肥結果一致性良好，施肥量的變異系數最大為1.9%。頓國強等利用EDEM軟件對優化設計的外槽輪式排肥器進行仿真分析，并對2種排肥器的排肥流量均勻性進行對比，驗證試驗結果較仿真結果誤差均小于2%，說明仿真具有較好的應用性和可靠性。張大斌等針對煙稈拔稈粉碎機進行結構參數優化設計，利用EDEM對拔稈刀輥進行切削煙壟的功耗仿真分析，結果顯示作業平均功耗為 3.02 kW，與公式推導值誤差為5.63%，驗證了設計的合理性。聶慶亮等對花生分級機進行設計計算，并利用EDEM軟件對其進行仿真分析，通過仿真確定了影響分級精度的主要因素，并結合試驗驗證得到最佳參數，在最佳參數下花生種子的分級精確率可達 93.69%。

上述研究充分說明了EDEM軟件可以很好地用來優化設計農機零部件的結構參數，但是上述研究中沒有應用該軟件對大豆內充種式排種器的擾動裝置進行優化設計和分析，而自擾動裝置可以提高內充種式排種器的充種性能。因此，本研究利用EDEM優化設計自擾動內勺式大豆精密排種器，旨在提高大豆精密排種器的充種性能，從而提高排種器的工作質量。

1 總體設計與工作原理

1.1 總體設計

自擾動內勺式排種器主要由自擾動排種盤、外殼、進種口、徑向護種板、攪種桿、軸等組成，排種器整體結構如圖1所示。該排種器結合了內充種排種器和勺輪式排種器的優點，有良好的充種性能，能夠實現清種定量準確，投種均勻。

1.2 工作原理

自擾動排種盤安裝在排種器內腔，通過改變齒輪傳動比和地輪轉速比將地輪轉速和動力傳遞給排種器，并改變其轉速，排種盤每轉1圈完成1個排種周期。如圖2所示，排種器的主要工作過程分為充種、清種、護種和排種4個部分。種子從排種器的進種口倒入后進入存種室，隨著排種盤的轉動，種子在離心力、重力、攪種桿和種子群的共同作用下，使靠近勺輪孔的種子進入勺輪孔中;勺輪孔中的種子在排種盤的轉動作用下進入清種區，勺輪孔內多余的種子在重力的作用下從勺輪孔內掉落，只保留1粒種子;當種子進入護種區時，種子在護種板的保護作用下進入排種區;勺輪孔的種子進入投種區，在重力、離心力和刮種板的作用下完成整個排種過程。

2 關鍵結構與參數設計

2.1 排種盤結構設計

排種盤是自擾動內勺式排種器核心部件，排種盤結構尺寸的合理設計和參數確定是提高播種質量的必要條件。在結構設計過程中不僅要保證勺輪孔空間的尺寸，還要保證適宜的隔板傾斜角度。當勺輪孔的空間不足時，種子無法進入勺輪孔易造成漏播;當勺輪孔的空間過盈時，易造成重播。當隔板傾斜角度過大時，進入勺輪孔內的種子過多，在清種過程中需要的時間會加長，易造成勺輪孔進入護種過程時勺輪孔內種子超過1粒，導致重播;傾斜角度過小時，種子群進入勺輪孔需要的時間較長，在有效時間內降低了排種盤勺輪孔內的概率，導致勺輪孔無種子，易造成漏播（圖3）。因此，在設計排種盤時要充分考慮大豆種子的尺寸和空間排布。

2.2 勺輪孔結構尺寸

為使得排種盤有較好的排種性能，達到單粒精密排種的效果，確定排種盤參數特選用黃淮海地區種植的3個大豆品種進行物理參數測量，以實現該地區系列大豆的精密播種。其中選取河南地區主要種植的品種商豆1201、皖豆35、中黃13為研究對象，隨機選取該3種大豆種子各100粒，實測百粒質量為24.61、19.01、22.53 g，使用數顯電子游標卡尺（精度0.01 mm），測量種子的長L、寬W、厚T，并計算種子的球形度、平均粒徑、標準差（表1）。根據相關研究計算大豆的幾何平均直徑GMD和球形度Φ，其計算公式為式（1）、式（2），大豆種子在均徑方面的變異系數在一定程度上能夠體現出大豆種子均值上的離散程度，計算公式為式（3）：

GMD=（LWT）;（1）

Φ=（LWT）/L;（2）

C=SM×100%。（3）

式中：L為種子的長;W為種子的寬;T為種子的厚，C為幾何平均直徑變異系數;S為標準差;M為平均值。

通過表1可知，5個品種的長度L均值在7.62～8.94 mm，選取型孔長度M為11 mm;寬度W均值在7.18～7.43 mm，選取型孔寬度P為9 mm;厚度T均值在5.87～6.29 mm，選取型孔深度H為 7.5 mm。該排種器的排種盤外半徑R為140 mm。

勺輪孔每次取種個數與型孔參數和種子大小有直接關系，其主要參數為排種盤勺輪孔總長S、寬度P、有效長度L及勺輪孔的深度H。排種器在工作時，為了能夠順利完成取種，至少要保證1粒種子能夠完全進入勺輪孔容種空間內，勺輪孔的寬度W應不小于d（最大種子直徑），勺輪孔上邊緣到排種盤內壁的有效距離深度H應不小于d（圖4-a）。為了保證單粒精播，避免重播，種子進入勺輪孔后，多余的種子應能夠及時清除，使勺輪孔只保留1粒，若勺輪孔的有效長度L過大，當第2粒種子超過一半進入勺輪孔，在排種盤的轉動下，易造成重播（圖4-b）。當勺輪孔的寬度W和深度H≤d時（圖4-c），種子在進入勺輪孔時，無法進入勺輪孔的容種空間，造成漏播;當勺輪孔的深度H>1.5d時，在排種盤轉動時，種子受到離心力，使勺輪孔內的種子多于1粒，在清種過程中僅依靠種子自身的重力無法及時清除（圖4-d），易造成重播。所以，勺輪孔的尺寸應滿足：

dmax

0.5lmax

d

2.3 勺輪孔分布

排種盤是排種器的關鍵部件，其直徑是關鍵的設計參數。當播種機同一前進速度、株距保持不變的情況下，勺輪孔數目與排種軸轉速成反比，排種盤直徑越小，周向分布的勺輪孔數量越少，所需排種盤轉速越大，充種性能越差;排種盤直徑越大，所需轉速越小，充種性能越好，但排種器結構也隨之越大。在排種盤直徑一定時，排種盤上分布的勺輪孔數目越多，排種盤轉速越小，有利于充種。同一直徑的排種盤，若勺輪孔數目過多，相鄰2個勺輪孔間隙過近，在充種時種子之間產生的干涉較大，影響充種效果。因此在設計自擾動內勺式排種器的排種盤時，首先保證具有較好的充種性能。

根據現有的內充種排種器的結構參數，結合表1不同品種的大豆種子幾何尺寸，確定該排種器的勺輪孔數目為12個，勺輪孔有效長度L為11 mm、寬度P為9 mm、深度H為9 mm。

3 排種器工作性能的離散元仿真分析

3.1 仿真平臺的搭建

如圖5所示，將自擾動內勺式排種器通建模后，去除較為復雜結構，保留核心部件并導入到EDEM 2.6中。

將大豆物理特性參數測試結果中每個品種大豆種子的長、寬、厚均值分別作為種子的三維建模參數，首先利用SOLIDWORKS軟件根據實際大豆種子的三軸尺寸建立三維模型，再導入EDEM 2.6軟件中。該研究主要針對3種不同品種的大豆種子進行仿真研究，采用多個球面填充與種子模型外輪廓較為吻合的顆粒（圖6）。

3.2 仿真參數設置

在進行仿真計算時，需要設置相關參數。設置顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型為Hertz-Mindlin（no slip）built-in。設置的排種器材料為塑料，與實際所用的排種器材料一致。將導入模型的各部分進行重新命名，并設置相關材料屬性。相關研究表明，大豆種子和塑料的泊松比、剪切模量和密度均為定值，參數選取如表2所示。

設置顆粒工廠為動態生成方式，生成顆粒總數為400粒，產生速率為5 000個/s，顆粒大小服從正態分布方式，參照表1設置顆粒半徑的標準差，設置模擬時長10 s，離散元仿真過程中設置固定步長為4.63×10 s，輸出時間步長為0.01 s，網格大小為3 Rmin（最小顆粒半徑）。

3.3 仿真試驗與結果分析

該排種器的最佳性能為每個勺輪孔內1粒大豆種子，根據現有文獻發現，排種器轉速在一定程度上影響排種器的型孔充種。因此，試驗選取排種器的工作轉速為影響因素，在軟件EDEM 2.6中進行仿真試驗。根據相關文獻設置的排種器工作轉速為20、30、40、50 r/min，選取單粒率為評價指標進行試驗。

仿真試驗結果如表3所示，以皖豆35為試驗對象，排種軸轉速為40 r/min時單粒率最大，為97.15%;以商豆1201為試驗對象，排種軸轉速為 20 r/min 時的單粒率最低，為94.81%;以商豆1201為試驗對象，排種軸轉速為50 r/min時的重播指數最大，為3.84%;以中黃13為試驗對象，排種軸轉速為30 r/min時的重播指數最小，為1.95%;以商豆1201為試驗對象，排種軸轉速為40 r/min時的漏播指數最小，為0.52%;以中黃13為試驗對象，排種軸轉速為20 r/min時的漏播指數最大，為3.64%。在轉速40 r/min時，商豆1201、中黃13和皖豆35這3個品種的單粒率均高于其他轉速下的單粒率，漏播指數也均小于其他轉速。這可能是由于在充種過程中，當轉速升高至一定程度時，排種軸工作的穩定性開始下降，面對出現雙粒充種的情況，由于排種軸的高速運轉，使得排種器刮種板在刮去多余種子的效果上受到一定影響，不能及時將多余的種子刮去，因此，在排種軸轉速為50 r/min時的重播指數明顯大于20、30、40 r/min的重播指數。由此可以看出，增加了自擾動裝置的內勺式大豆排種器能夠有效提高排種器的充種效果和排種性能。

4 臺架試驗

4.1 材料與方法

為驗證EDEM仿真試驗的準確性，將設計的自擾動內勺式大豆精密排種器進行加工試制，安裝在STB-700排種器試驗臺（中國農業大學研制）進行臺架試驗（河南農業大學機電工程學院農機實驗室，2021年5月16日）。試驗選取商豆1201、中黃13和皖豆35為研究對象，排種軸轉速設置為20、30、40、50 r/min，完成排種試驗后統計單粒率、重播指數和漏播指數。

4.2 臺架試驗結果與分析

臺架試驗結果如圖7所示，從該結果中可以看出，臺架試驗中排種器性能指標隨排種軸轉速變化的趨勢與仿真結果類似。在轉速為20～40 r/min時的排種單粒率逐漸增大，重播指數和漏播指數逐漸減小;40～50 r/min范圍內單粒率呈現減小趨勢，重播指數和漏播指數開始增加。臺架試驗中，中黃13在排種軸轉速20 r/min時的單粒率最小，為93.31%，與EDEM仿真試驗結果誤差為1.01%;商豆1201在排種軸轉速為50 r/min重播指數最大，為3.92%，與EDEM仿真試驗結果誤差為2.08%;中黃13在排種軸轉速20 r/min時的漏播指數最大，為4.03%，與EDEM仿真試驗結果誤差為9.68%。這可能是由于在臺架試驗過程中，排種軸的轉動受到試驗臺的影響，排種器安裝在試驗臺上的硬連接使得在試驗過程中排種軸的轉動不穩定，振動可能使得勺輪孔內的種子在排種過程中脫落，從而使得臺架試驗的漏播指數明顯高于EDEM仿真試驗結果，但臺架試驗結果的所有指標均符合GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》中的標準，且單粒率和重播指數優于沒有自擾動裝置排種器的結果。因此，該排種器能夠有效提高排種器的排種性能。

5 結論

本研究設計了一款自擾動內勺式大豆精密排種器，通過攪動桿隨排種軸的轉動提高排種器勺輪孔內的充種率，以自擾動內勺式大豆精密排種器為研究對象，測量了黃淮海地區常見大豆品種的物理參數，根據結果建立了離散元仿真模型，并應用EDEM軟件對自擾動內勺式大豆精密排種器進行了仿真試驗，結果顯示，單粒率最大為97.15%，最小為94.81%;重播指數最大為3.84%，最小為1.95%;漏播指數最小為0.52%，最大為3.64%。

臺架試驗結果顯示，單粒率最小為93.31%，重播指數最大為3.92%，漏播指數最大為4.03%，其結果均符合排種器排種性能標準。對比臺架試驗結果與仿真試驗結果，二者各項指標的變化趨勢類似。最小單粒率誤差為1.01%，最大重播指數誤差為2.08%，最大漏播指數誤差為9.68%;臺架試驗與仿真試驗結果誤差相對較小，說明應用EDEM軟件分析自擾動內勺式大豆精密排種器的工作過程是可行的，該軟件可以應用于分析排種器工作性能，為排種器的優化提供理論基礎。

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