山地水平圓盤式排種器設(shè)計及EDEM仿真試驗

李帥奇， 王應(yīng)彪， 李 瑋， 楊 潭， 張兆順， 顏 旭

(西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院，云南昆明 650224)

作為我國主要的糧食作物，玉米的種植面積正在逐年增加，在糧食生產(chǎn)中的地位也不斷加大，玉米的種植面積及產(chǎn)量已經(jīng)位居我國第一。作為我國三大玉米產(chǎn)區(qū)之一，西南山地玉米區(qū)是以四川省、云南省、貴州省為主的丘陵地區(qū)，因其地塊小、伴有斜坡、形狀不規(guī)則，導(dǎo)致大型農(nóng)業(yè)機械無法順利作業(yè)，玉米機械化水平較低。

我國的玉米排種器主要分為氣力式和機械式，機械式中的水平圓盤式排種器排種性能好，能夠克服種子的雜亂排序，制造容易，造價低廉，而且排種器為水平結(jié)構(gòu)，平穩(wěn)性好，適宜山地丘陵地區(qū)。國內(nèi)外的學(xué)者們對排種器進行了各個方面的研究，Garcia通過試驗證明了型孔尺寸和形狀對排種精度有重要影響。梁天也等改良了水平圓盤排種器的結(jié)構(gòu)并進行試驗，降低了種子的破碎率。廖慶喜等依據(jù)種子的幾何尺寸和排種器的工作原理，建立數(shù)學(xué)模型，提供了水平圓盤排種器型孔的參數(shù)依據(jù)，排種器的性能試驗證明了合理匹配種子幾何尺寸和型孔參數(shù)，會對水平圓盤排種器的排種效率產(chǎn)生顯著影響，破損試驗證明影響種子破損的主要因素是動盤與定盤間隙和推種器彈簧壓力。石林榕等通過離散單元法對設(shè)計的排種器進行仿真試驗，得出優(yōu)化排種器的動排種盤速度、動排種盤厚度、型孔圓角半徑這3個性能參數(shù)，可顯著提高水平圓盤排種器的播種合格指數(shù)。劉艷芬等設(shè)計分析及優(yōu)化了水平圓盤排種器試驗設(shè)計的數(shù)學(xué)分析求解方法。劉彩玲設(shè)計了一種錐面導(dǎo)流式水平盤排種器，通過試驗驗證了錐面導(dǎo)流結(jié)構(gòu)可以有效提高排種性能并且降低破損率。

針對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展存在的問題，本研究設(shè)計一種適用于丘陵地區(qū)的水平圓盤式排種器，并用EDEM軟件進行排種仿真試驗，對排種器的各個性能參數(shù)進行優(yōu)化求解，獲得最優(yōu)性能參數(shù)組合，以期為丘陵地區(qū)的水平圓盤式排種器的研發(fā)設(shè)計和參數(shù)選擇提供方法參考。

1 材料與方法

1.1 水平圓盤排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

水平圓盤排種器結(jié)構(gòu)見圖1。工作時，動力由橫軸經(jīng)錐齒輪傳入如排種立軸，帶動軸套和連接在軸套的動排種盤轉(zhuǎn)動。種箱用螺栓固定在底座上，落入種箱內(nèi)的種子在重力和離心力的共同作用下充入型孔，完成充種，動排種盤帶動種子運動過程中，經(jīng)導(dǎo)流板分流后的種子經(jīng)刮種板刮掉多余的種子，結(jié)束清種，型孔內(nèi)的種子在重力作用下離開動排種盤落入定排種盤的漏種孔內(nèi)，經(jīng)底座的排種管道完成排種、導(dǎo)種過程。

1.2 排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計

1.2.1 排種器型孔尺寸 排種盤是整個排種器的關(guān)鍵部件之一，其結(jié)構(gòu)影響充種、清種和排種，與排種性能息息相關(guān)，在排種器高速運轉(zhuǎn)下，種子極容易出現(xiàn)來不及充入型孔而產(chǎn)生漏播的情況，或2粒種子同時充入型孔而產(chǎn)生重播的情況，影響播種效率。本研究設(shè)計的排種器型孔結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸使其充種容易，可使排種器在高速作業(yè)條件下良好充種。選取玉米品種鄭單958進行試驗研究，因其具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的優(yōu)勢，經(jīng)濟效益好且種植面積逐年遞增。從種子中隨機抽取100粒，用游標(biāo)卡尺測量其長度()、寬度()、厚度()的最大值、最小值，計算出平均值。種子尺寸統(tǒng)計見表1，種子籽粒見圖2。

表1 玉米種子的外型尺寸

排種盤型孔的形狀尺寸取決于種子形狀、尺寸、穴播數(shù)和種子的填充方式。為了增加種子進入型孔的概率，提高充填性能，在型孔上設(shè)有傾角，使其易于送入型孔且易于刮種，型孔的上部邊緣比中部邊緣多出3～5 mm，為便于排種，型孔底部尺寸比型孔長度大1～2 mm。排種器型孔結(jié)構(gòu)見圖3。

型孔的長度()，寬度()要求為

(1)

式中：為型孔上部長度，mm；為型孔下部長度，mm；為型孔中部長度，mm；為型孔寬度，mm；Δ為槽間間隙，mm；為種子長度的最大值，mm；為種子厚度的最大值，mm；為種子長度的平均值。根據(jù)測得種子的尺寸參數(shù)，型孔上部長度()為 15 mm，下部長度()為16 mm，中部長度()為 12 mm，寬度()為7 mm。

1.2.2 排種器型孔傾角的設(shè)計 參照文獻[10]的試驗證明，排種器型孔附近的種子受到的支撐力來自型孔上緣，在型孔周圍設(shè)置傾角會使種子在重力和摩擦力共同作用下加速充入型孔(圖4)。

在型孔邊緣設(shè)置傾角可以加速種子充入型孔，傾角()的設(shè)置需保證種子受重力作用的分力()大于摩擦力()，即：

(sin)-(cos)·>0。

(2)

式中：為種子的平均質(zhì)量，g；為重力加速度，m/s；為種子與材料之間的靜摩擦系數(shù)，當(dāng)試驗材料為鋁合金時，靜摩擦系數(shù)為0.342。對應(yīng)型孔的最小傾角為19°。

1.2.3 排種器型孔深度 排種器的型孔深度，取決于種子充入型孔的形態(tài)，本研究設(shè)計的型孔對于種子充種形態(tài)有3種情況：側(cè)臥、直立、倒立(圖5)。

對于玉米種子，形態(tài)結(jié)構(gòu)大致分為種皮(果皮)、胚、胚乳和位于基部的果柄，其中胚和胚乳部分占絕大部分體積和質(zhì)量。型孔要保證胚和胚乳部分完全充入型孔，避免充種異常而導(dǎo)致漏播、重播(圖6)。

所以，對于型孔的深度，即動排種盤的厚度要求為

(3)

式中：為最大玉米籽粒的胚乳圓形輪廓半徑，為5.4 mm；為種子寬度的最小值，mm；為種子厚度的最小值。根據(jù)測得種子的尺寸參數(shù)，型孔的深度范圍為6～10 mm。

1.2.4 動排種盤其他參數(shù)的確定 排種盤在作業(yè)時，種子靠重力和離心力充入型孔，當(dāng)排種盤的轉(zhuǎn)速過高，型孔的充填率會下降，造成漏播。同時刮種板的清種時間會變短，種子落入漏種孔的時間也越短，造成漏播。排種盤的極限線速度()的計算公式為

(4)

式中：為型孔中部長度，m；為種子的平均長度，m；為種子的最大寬度，m；為重力加速度，m/s。

當(dāng)排種器穩(wěn)定作業(yè)時，設(shè)線速度為極限線速度。排種盤的轉(zhuǎn)速()、線速度()的計算公式為

(5)

式中：為播種機的作業(yè)速度，搭載水平圓盤排種器的播種機多為小型播種機，在丘陵地區(qū)的小型播種機作業(yè)速度一般為4～6 km/h，為保證播種效率和播種作業(yè)的穩(wěn)定，作業(yè)速度選為6 km/h；為株距，鄭丹958的適宜株距為0.25 m；為排種盤型孔數(shù)，孔；為動排種盤直徑，m。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，減小排種器的直徑或增加型孔數(shù)，會使種盤的線速度變小，可知動排種盤型孔數(shù)及轉(zhuǎn)速隨動排種盤直徑的變化而變化。但排種器的孔間間隔厚度要大于型孔的長度，否則將導(dǎo)致種子分離的混亂。因此，對于排種器型孔數(shù)()的要求為

(6)

對于適宜丘陵地區(qū)的山地小型播種機，考慮排種器的結(jié)構(gòu)大小對于播種機空間的影響，排種盤的直徑不易過大，為保證排種效率和連續(xù)作業(yè)性，排種盤的直徑也不易太小。本試驗設(shè)計選取排種盤直徑范圍為170～230 mm，為目前水平圓盤式排種器排種盤直徑的主要規(guī)格，并通過仿真試驗確定最優(yōu)的動排種盤直徑。依照公式(4)、公式(5)、公式(6)可以確定排種器動排種盤的型孔數(shù)范圍為16～22孔，對應(yīng)的排種盤的轉(zhuǎn)速范圍為18～25 r/min。

1.2.5 漏種孔尺寸 種子顆粒在型孔中隨著動排種盤運動，最后在定排種盤的漏種孔落出，漏種孔尺寸會直接影響排種過程的質(zhì)量，漏種孔長度過大，會造成多粒種子同時排出產(chǎn)生重播，漏種孔過小會造成型孔內(nèi)種子無法順利排出，造成漏播現(xiàn)象或卡種現(xiàn)象(圖7)，對接下來的排種過程產(chǎn)生影響。

所設(shè)計的漏種孔的弧長既要保證種子在重力作用下的落出時間內(nèi)完全排除，又要避免型孔上方的下一粒種子落出型孔，對于漏種孔弧長的要求為

(7)

式中：為種子籽粒的最大高度，m；為下落時間，s；為種子籽粒的最小厚度，m；為排種盤半徑；為種子質(zhì)心距離排種盤中心的半徑，m；為漏種孔的弧長，m；為落種孔的弦長，m；>11.4 mm。由此可以確定漏種孔的最小弧長為12.45 mm。

在初步的仿真試驗中發(fā)現(xiàn)弧長為19～20 mm時易發(fā)生重播，為18～19 mm時易出現(xiàn)卡種現(xiàn)象，為18 mm以下時排種效果明顯好轉(zhuǎn)。弧長的最大值應(yīng)小于18 mm，漏種孔的弧長范圍為12.45 mm<<18.00 mm。

1.3 仿真模型建立

1.3.1 各試驗參數(shù)的確定 本試驗選用的鄭丹958玉米種子，其籽粒的平均密度為 1 250 kg/m。排種器的試驗材料為鋁合金，仿真模型各參數(shù)的取值參照文獻[18-20]，具體見表2、表3。

表2 仿真模型材料參數(shù)

表3 仿真模型材料接觸參數(shù)

1.3.2 種子模型的建立 依照種子實體，在Pro/E軟件中繪制種子三維模型(圖8-a)，在EDEM軟件中以球面組合方式填充種子的顆粒模型(圖8-b)。

1.3.3 排種器模型的建立 在Pro/E軟件中繪制排種器的三維模型，以stp格式導(dǎo)入EDEM軟件中，為提高求解速度，導(dǎo)入排種器的關(guān)鍵部件。在前處理界面中，模型如圖9所示，圖9-a為實體模型，圖 9-b 為Mesh單元化網(wǎng)格模型，有利于觀察排種器中種子的運動規(guī)律。

2 試驗及結(jié)果分析

2.1 仿真試驗

2.1.1 仿真參數(shù)設(shè)置 在Creator模塊中添加種子顆粒模型和排種器模型，定義材料屬性，輸入排種器和種子的各個參數(shù)，在排種器模型中添加部件的運動，將排種盤起始轉(zhuǎn)動時間設(shè)置為0，結(jié)束時間大于仿真時長。顆粒和顆粒、顆粒和材料的接觸模型為Hertz-Mindlin (no slip)模型。添加顆粒工廠模擬種子投入種箱，設(shè)置顆粒的初始速度為0。顆粒需一次性蓋滿種盤且為了保持排種器工作排種的連續(xù)性，顆粒一次性生成總量為800粒，生成速度為1 600粒/s。在Simulator模塊種，設(shè)定時間步長為1×10s，仿真時間為30 s，種子顆粒生成平面網(wǎng)格劃分單元尺寸設(shè)置為最小球面半徑的2倍，為便于觀察將部分模型以Mesh形式顯示。

2.1.2 仿真過程 如圖10所示，排種器開始工作，種子充入種箱，仿真時間達(dá)到0.80 s時，種子已全部落到種盤上并鋪滿種盤，并向周圍擴散充入型孔；仿真時間達(dá)到0.96 s時，第1粒種子在通過刮種板，刮種板將種子上方的種子刮開，排種盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動；仿真時間達(dá)到1.20 s時，第1粒種子落入漏種口， 經(jīng)歷了投種、清種、排種，完成正常排種過程。仿真時間達(dá)到4.54 s時， 排種器完成了1個周期的排種過程，此時排種器進入了穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2.1.3 排種器的優(yōu)化 在初步的仿真試驗中發(fā)現(xiàn)，種子受離心力作用逐漸向排種盤邊緣運動，在刮種板前聚集，造成堵塞，易產(chǎn)生卡種現(xiàn)象，既影響后續(xù)刮種板的清種工作，又會對型孔內(nèi)的種子產(chǎn)生擠壓，增加種子的破損。為解決這一問題，在刮種板前安放一導(dǎo)流板對即將進入清種階段的種群起到限流作用，減輕清種階段的負(fù)擔(dān)。同時在其對稱位置也設(shè)置導(dǎo)流板同樣改變種子的運動軌跡，在導(dǎo)流板后部改變弧度，使其大于刮種板弧度，保證刮種板清出的種子能夠較穩(wěn)定地進入下一周期的排種作業(yè)，在EDEM軟件中用顆粒的矢量(vector)模式能清晰的體現(xiàn)出種子的運動方向(圖11)。

2.2 試驗研究及結(jié)果分析

2.2.1 試驗因素及試驗指標(biāo) GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》中規(guī)定3個指標(biāo)用以衡量排種器的排種性能，分別是合格指數(shù)()、重播指數(shù)()、漏播指數(shù)()。其中，合格指數(shù)代表著排種器的直觀排種效率，本研究將合格指數(shù)作為仿真試驗指標(biāo)，其計算公式如下：

(8)

式中：為理論排種數(shù)；為單粒排種數(shù)。

動排種盤的適宜轉(zhuǎn)速、型孔數(shù)，在已知排種機作業(yè)速度和株距的情況下隨排種盤直徑變化而變化。結(jié)合水平圓盤式排種器的工作特點，通過改變排種器模型參數(shù)的動排種盤直徑、動排種盤厚度、漏種孔弧長這3個因素進行仿真試驗，排種器的3個因素取值范圍：動排種盤的直徑為170～230 mm，動排種盤的厚度為6～10 mm，漏種孔的弧長為12.5～17.5 mm。每個因素設(shè)置3個水平(表4)。

表4 排種器性能試驗因素水平

2.2.2 試驗結(jié)果與分析 試驗需考慮各因素間的交互作用，選擇正交表L(3)安排試驗，試驗結(jié)果和方差分析結(jié)果見表5、表6。由表6可知，動排種盤直徑和動排種盤厚度對合格指數(shù)影響極顯著，漏種孔弧長對合格指數(shù)影響顯著。分析這3個試驗因素間的交互作用發(fā)現(xiàn)，動排種盤直徑與動排種盤厚度、動排種盤直徑與漏種孔弧長、動排種盤厚度與漏種孔弧長這3個交互作用對合格指數(shù)的影響均不顯著。以合格指數(shù)高為指標(biāo)，以因素方差顯著性確定因素間主次順序為動排種盤厚度>動排種盤直徑>漏種孔弧長，選取3個因素的最優(yōu)水平為ABC，即當(dāng)動排種盤直徑為200 mm、動排種盤厚度為10 mm、漏種孔弧度為15.0 mm時，合格指數(shù)為98.78%。

表5 排種器性能正交試驗結(jié)果

表6 排種器性能試驗方差分析結(jié)果

3 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種適用于山地丘陵地區(qū)的小型水平圓盤式排種器。通過分析其工作原理，以鄭丹958玉米種子為研究對象，對排種器的各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計，保證了排種器良好的排種效果。

確定了影響排種器排種效果的3個關(guān)鍵因素(動排種盤直徑、動排種盤厚度及漏種孔弧長)，以這3個因素設(shè)計3因素3水平的正交試驗，應(yīng)用離散元仿真軟件EDEM進行了仿真試驗。對試驗結(jié)果進行了方差分析，得出3個因素的最優(yōu)組合水平，并進行了顯著性比較。以合格指數(shù)為指標(biāo)，當(dāng)動排種盤直徑為200 mm，動排種盤厚度為10 mm，漏種孔弧長為15.0 mm時，合格指數(shù)最優(yōu)，為98.78%。