基于EDEM的大豆側窩排種器的設計與試驗

李 威,徐 浩,李曉紅,,李 赫,余永昌

(1.商丘工學院 機械工程學院,河南 商丘 476000;2.河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450002)

0 引言

目前,市場上常見的排種器主要可以分為機械式和氣力式兩種。其中,氣力式排種器對加工精度要求較高、結構更為復雜、成本較高,故價格相對較為昂貴;機械式排種器結構具有相對簡單、成本較低以及維修方便等優勢,因而在國內使用較多[1]。王業成等[2]為提高機械式排種器的種子填充性能,設計了一種摩擦式排種器,通過增大種子與排種盤之間的摩擦力來提高排種器極限轉速和充種性能。劉宏新等[3-4]從力學角度分析排種器中種子充種性能,結合現有的立式圓盤排種器,設計了一種具有高填充性能的具立式淺盆型排種器,提高了排種盤的種子充種性能和工作的極限速度。史嵩等[5]為簡化現有的氣吸式排種器的技術形式與復雜結構,同時保證排種器與種子之間的攪拌功能,設計了一種機械氣力組合式排種器,利用正壓氣流與導槽的工作原理,大大提高了排種器的填充性能。安雪等[6]為實現育種過程中單粒精密播種的農藝要求,根據大豆幾何形狀的特點,設計了一種電控窩眼輪式大豆排種器,并利用步進電機及脈沖當量進行精準控制排種器的轉速,提高了育種過程中的株距一致性,實現了單粒精密播種的功能。趙佳樂等[7]結合機械式和氣吸式排種器的優點,設計了一種偏置雙圓盤氣吸式大豆排種器,并對排種器的排種性能進行相關試驗研究,得出組合最佳參數。賈洪雷等[8]研制了一種雙凹面搖桿式排種器,利用響應面法進行單因素、多因素之間的試驗,得到排種器最佳傾斜角與排種軸最佳轉速。近年來,離散元法在農業工程領域應用越來越廣泛[9],尤其是在排種器的加工試制前期,通過EDEM軟件對排種器進行性能仿真,選取最佳參數范圍,能夠大大縮短設計周期[10]。

為此,結合目前使用較為廣泛的窩眼輪式和內充種式排種器,設計了一種大豆側窩排種器,通過將傳統的徑向窩眼設計為切向窩眼,在一定程度上提高排種器的充種性能,實現排種過程中單粒精度高、低破碎的作業要求,可為精密播種機的設計提供參考。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

大豆側窩排種器主要由排種盤、排種軸、軸承、軸承蓋、軸套和殼體組成,如圖1所示。其中,上種口和殼體(左)為一體化設計,在外力的驅動下排種軸帶動排種盤轉動,兩個殼體之間通過螺栓連接在一起。排種盤的外徑邊緣處均布一定數量的窩眼,窩眼的結構形式由傳統的徑向形式設計為切向,且相鄰兩個窩眼之間保留一定間距,以提高在充種過程中種子進入窩眼的概率,實現大豆單粒精密排種。

1.安裝孔 2.上種口 3.軸套 4.殼體(左) 5.排種軸 6.排種盤 7.殼體(右) 8.軸承 9.軸承蓋 10.螺釘圖1 排種器整體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the seed metering device

1.2 工作原理

排種器工作過程主要分為充種、清種、護種和投種4個過程,如圖2所示。

Ⅰ.充種區域 Ⅱ.清種區域 Ⅲ.護種區域 Ⅳ.投種區域圖2 工作原理圖Fig.2 Working principle diagram

排種器工作之前,人工將種子倒入種箱,種子依靠自重和種子之間的擠壓力通過排種器的上種口進入內部的存種室;排種器工作時,排種盤相對種子群轉動,對種子群靠近排種盤最下方窩眼的種子及種子群靠自重與排種盤轉動的攪動作用下,優先進入窩眼和預充種空間(相鄰兩個窩眼之間的空間),完成充種過程(Ⅰ);隨著排種盤的轉動,窩眼及預充種空間內攜帶的種子隨排種盤離開種子群,進入清種區域,在次區域內由于種子受到的力系方向發生變化,使預充種空間內的種子在重力作用下滑落至存種室,使窩眼內只保留1粒種子,預充種空間內無粽子殘留,完成清種過程(Ⅱ);隨著排種盤的繼續轉動,窩眼內的種子進入護種區域,種子逐漸從窩眼內進入相鄰兩個之間的間隔空間內,并在護種板的作用下將種子運送至投種口,完成護種過程(Ⅲ);由于在護種過程中種子提前脫離窩眼,種子先于窩眼進入投種區域,便于種子在投種口處投種,防止因窩眼圓周運動將種子運送至存種室,當種子運動至投種口處,種子在自身重力和排種盤離心力的共同作用下從投種區域脫離排種器,從而進入輸種管或種床,完成投種過程(Ⅳ),完成一次排種作業。

2 關鍵部件結構設計

2.1 排種盤設計

排種盤是大豆側窩排種器的核心部件之一,主要完成排種器工作過程的取種、清種、護種和投種作業,結構如圖3所示。窩眼均勻分布在排種盤的外徑邊緣處,相鄰兩個窩眼之間的間隔為種子的預充種空間,為種子的充種提供良好的基礎。在充種時,存種室種子群靠近窩眼的種子在自重和種子間的壓力作用下優先進入窩眼和預充種空間。在實際工作時,種子靠自重充填在窩眼內隨排種盤一起轉動,依次經過清種、護種和投種,直至完成排種作業。

1.軸孔 2.窩眼 3.排種盤圖3 排種盤結構圖Fig.3 Seed plate structure diagram

2.2 窩眼結構設計

窩眼結構和尺寸是排種盤的關鍵結構,直接影響排種盤的取種性能。在充種過程中,排種盤和種子群之間處于相對運動狀態,相對排種盤凸出來的窩眼在一定程度上能夠攪動種子群,從而使種子群最底層的種子在自重和上方種子群的擠壓作用下快速進入窩眼和預充種空間[11-13]。種子在單粒取種過程中的運動情況如圖4所示。由圖4(a)可知:當窩眼運動至充種區域時,種子相對窩眼運動方向沿排種盤的切向進入,并與窩眼開口方向相反,能夠提高充種性能;隨著排種盤繼續轉動至清種區域時,預充種空間內多余的種子掉落至存種室內,從而保證每個窩眼內只保留一粒種子,如圖4(b)所示。

1.窩眼 2.種子 3.排種器殼體內壁注:A為充種過程,B為清種過程,v1為種子進入窩眼的速度方向,v2為多余種子從窩眼內清出運動方向,g為重力方向,w為排種盤轉速方向。圖4 種子與排種器窩眼相對運動情況Fig.4 The relative movement of the seed and the socket of the seed metering device

相關研究表明[14]:在窩眼式排種盤的徑向開口方向形式的窩眼中,窩眼相對種子均徑倍數為1.5～1.7時,排種器排種的合格率最高。因此,本設計選取窩眼直徑相對均徑倍數為1.6。

為確定排種盤窩眼尺寸,選取常見大豆品種中黃13種子作為試驗材料,隨機選取100粒進行測量。利用電子數顯卡尺測量大豆的三軸尺寸(長a、寬b、厚c),測得種子的長均值為8.9429 mm、寬均值為7.3093mm、厚均值為5.9934mm。

由式(1)計算大豆種子的均徑d,即

(1)

其中,d為種子均徑(mm);a為種子粒長(mm);b為種子粒寬(mm);c為種子粒厚(mm)。測量結果為d=7.4152mm,則窩眼直徑應為D=1.6d=11.8643mm。為方便加工,本設計選取窩眼直徑為12mm。

d≤L≤1.5d

(2)

(3)

其中,L為窩眼深度。通過計算可得:7.4152≤L≤11.1228mm。本文選取L=11mm,則L1=5mm。

2.3 窩眼分布

排種盤的直徑是排種器工作轉速的重要設計參數,當播種機作業速度和株距要求相同時,排種盤的直徑越大,相鄰兩個窩眼間距不變時,排種盤外徑處能夠分布的窩眼相對較多,此時所需排種器的轉速相對較低;而排種直徑增大的同時,排種器整體結構變大,在播種機上安裝所需空間相對變大。直徑過小,排種器在相同作業情況下所需轉速較大,存種室空間也相對較小,易使種子群底層的種子不能及時進入窩眼或預充種空間,從而造成漏播。根據設計經驗及相關研究[6],大豆窩眼輪排種盤的直徑范圍為120～140mm。為了順利完成充種、清種,種子必須能夠完全進入預充種空間內,相鄰兩個窩眼的間距應大于種子直徑的3倍,故選取窩眼數量為12個、排種盤直徑選取為140mm。

2.4 護種板起始角設計

根據相關研究[15-16],排種盤的窩眼完成充種后,在清種與護種過程中,預充種空間內存留的種子是否會隨窩眼進入護種區域,與護種板的起始角有著重要關系,如圖5所示。

圖5 護種板起始角示意圖Fig.5 Schematic diagram of starting angle of seed guard

圖5中,護種板的起始角分別為起角α、終角β。在清種過程中,預充種空間的種子依靠自重、窩眼內種子的支持力的共同作用下掉落至存種室。當起始角過小時,預充種空間內的種子尚未完全從掉落至存種室,而被窩眼及窩眼內的種子攜帶至護種區域,造成重播;當起始角過大時,窩眼內的種子尚未進入護種過程,種子在重力分力的作用下開始從窩眼內脫離,從而掉落至存種室,造成漏播。前期通過試驗可知:當護種板的起角α=175°、終角β=330°時,可保證窩眼內只保留1粒種子。

3 離散元仿真試驗

3.1 離散元仿真參數與模型構建

根據大豆物理參數,將中黃13大豆種子的三軸尺寸作為種子的三維模型建模參數,采用多球面堆疊法進行種子建模,與種子模型輪廓較為吻合[17]。同時,在SolidWorks三維建模軟件中對排種器進行簡化建模,去除非關鍵部件,并保存為.stl格式,導入至EDEM2.6軟件中進行仿真。大豆種子與排種器仿真模型及仿真過程如圖6所示。

1.上種口 2.窩眼 3.殼體 4.軸孔 5.投種口 6.種子顆粒圖6 排種器簡化模型及仿真過程圖Fig.6 Simplified model of seed metering device and simulation process diagram

在EDEM2.6軟件中需對種子、排種器等進行相關參數設置,在仿真中的接觸模型采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[18],相關參數設置如表1所示。

表1 相關參數表Table 1 Related parameter table

將顆粒(種子)生成方式設置為動態,根據排種器的存種空間,設置生成的顆粒總數為200粒,生成速率為5000個/s,顆粒大小服從正態分布;參照表1設置顆粒半徑,設置模擬時長10 s,離散元仿真過程中設置固定步長為4.63×10-6s,輸出時間步長為0.01 s。

3.2 仿真試驗與結果分析

該排種器的最佳性能為每個窩眼內只保留1粒種子,即每次排種為單粒排種。根據相關要求[19-20],排種器轉速是影響排種器工作性能的關鍵因素之一。因此,試驗選取排種器的工作轉速為仿真試驗的影響因素,即排種單粒率、重播率和漏播率為試驗指標。根據相關文獻[17],排種器轉速為20～40r/min,故設置排種器轉速為20、25、30、35、40r/min在軟件EDEM2.6中進行仿真。試驗結果如圖7所示。

圖7 仿真試驗結果Fig.7 Simulation test results

由圖7可知:當排種器轉速為20 r/min時,單粒率、重播率和漏播率分別為94.61%、2.56%和2.83%;隨著排種器轉速的逐漸增大,排種單粒率呈現上升的趨勢、重播率和漏播率均呈現下降趨勢;當排種器轉速為30r/min時,排種器的排種單粒率最高、重播率最低,此時單粒率為96.67%、重播率為2.25%、漏播率為1.08%;隨著排種器轉速繼續增大,排種單粒率呈現下降的趨勢、重播率呈現升高的趨勢、漏播率呈現下降趨勢;當排種器轉速為40 r/min時,排種器的單粒率、重播率和漏播率分別為95.43%、3.74%和0.83%。由仿真試驗過程和結果可知:隨著排種盤的轉動,靠近窩眼及預充種空間的種子優先進入窩眼;當排種器轉速過高時,窩眼預充種空間內多余的種子尚未完全掉落至存種室,而直接進入護種區域,造成排種器的重播現象。

4 臺架試驗

4.1 材料與方法

為驗證EDEM仿真試驗的準確性,找出最佳參數,將設計的大豆側窩排種器進行加工試制,安裝在STB-700排種試驗臺(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試驗室,2021年10月21日),并選取中黃13為研究對象。

根據仿真試驗結果可知:排種器轉速在35r/min與30r/min時的排種單粒率差異性較小,且排種器的工作效率更高。因此,在排種器臺架試驗驗證時,設置排種器轉速為30、32、34、36r/min,對試驗結果的單粒率、重播率和漏播率進行統計。

4.2 結果與討論

臺架試驗結果如表2所示。由表2可知:當排種器轉速為30r/min時,單粒率、重播率和漏播率分別為95.84%、2.37%和1.79%,與仿真試驗結果差異性較小;隨著排種器轉速的增大,排種單粒率呈現先上升后降低的趨勢,重播率和漏播率呈現先降低后上升的趨勢;當排種器轉速為32r/min時,排種器的排種單粒率最高、重播率最小,此時單粒率為96.21%、重播率為2.13%、漏播率為1.66%;當排種器轉速大于32r/min時,排種器的單粒率降低、重播率上升,故確定該排種器轉速的最佳參數為32r/min。

表2 臺架試驗結果Table 2 Bench test results

通過臺架試驗與仿真試驗結果對比分析可知:兩者之間存在一定誤差,可能是由于在臺架試驗過程中排種器轉動使得試驗臺出現振動等影響,導致進入窩眼及預充種空間的種子之間產生跳動;在排種器相同轉速的條件下,臺架試驗中單粒率略低于仿真試驗結果,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[21]。

5 結論

1)在常見窩眼輪式大豆排種器的基礎上,設計了一種大豆側窩排種器,并對其關鍵零部件的結構和工作原理進行分析。利用EDEM軟件對設計的排種器進行仿真,結果顯示排種器轉速對排種的單粒率、重播率和漏播率均有著重要影響。仿真結果中,排種器轉速為30r/min時,排種器的單粒率、重播率和漏播率分別為96.67%、2.25%和1.08%。

2)臺架驗證試驗結果顯示:當排種器轉速為32r/min時,排種器的各項指標綜合最優,排種器單粒率、重播率和漏播率分別為96.21%、2.13%和1.66%,均符合排種器排種標準。驗證試驗與仿真試驗結果誤差相對較小,即EDEM仿真軟件可用于排種器的工作性能的分析,為排種器的設計與優化提供理論依據。