基于EDEM仿真玉米高位投種結構參數分析與試驗

陳棟泉,李國瑩,曹潘冬,李振佐,楊然兵

(1.青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2.青島普蘭泰克機械科技有限公司,山東 青島 266109;3.海南大學 機電工程學院,海口 570228)

0 引言

我國是僅次于美國的玉米生產大國,產量占世界總產量的20%左右。玉米作為我國第一大糧食作物,在國家生產生活中占有重要地位。目前,限制我國玉米育種小區精密播種技術發展的主要原因是播種質量差和出苗整齊度差。在玉米種植的過程中,需進行合理密植。如果間距過小,會導致玉米在生長過程中無法獲取足夠的營養,進而影響產量和質量;如果間距過大,則會造成資源的嚴重浪費,同樣會影響玉米的最終產量[1]。

Arzu Yazgi[2]等人利用響應面法優化了氣吸式精密播種機的粒距均勻性,結果表明:排種盤的轉速越低,粒距均勻性越優。Ahmad[3]等人評估了受不同耕作水平和前進速度影響的氣動床式玉米播種機的性能,結果表明:在一輪鑿犁耕、圓盤耙整地和雙行程旋耕的耕作水平和前進速度為4.04km/h條件下,可以得到最優的播種均勻性。楊文彩[4]等人運用零速投種原理,將導種管優化設計為直線段和圓弧段的組合型結構,能夠有效改善播種均勻性和穩定性。顏丙新[5]等人建立種溝三維模型,采用EDEM仿真和田間試驗驗證了高位投種著床時種子與種床縱向速度越接近零,播種效果越好。李玉環[6]等人提出了一種利用推種裝置配合種盤吸孔實現直線投種的方法,通過試驗分析可大大改善播種效果,提高作業速度。

本文在投種過程理論分析和玉米種子物理特性研究的基礎上,采用離散元法對種子在導種管中的工作過程進行仿真模擬,針對不同的結構空間布置從微觀角度分析影響播種質量的規律,并將仿真結果與臺架試驗結果進行對比,分析排種器與導種管結構布置參數對排種性能的影響,旨在為精密播種單體的研究和優化設計提供參考。

1 投種過程理論分析

現有氣吸式玉米精密播種機多采用高位投種,落種口與地面種溝間的距離較大,需要配備導種管進行導種作業。目前,小區玉米精播機的氣吸式精量排種器多采用重力式導種管導種的方式。試驗研究發現,由于導種管自身的局限性,在高速作業工況下,不同的粒距對應的落種曲線也不同,種子射入導種管的角度存在差異,易與導種管內壁產生碰撞,破壞原本有序的種子流,降低播種粒距均勻性,影響播種質量。

玉米籽粒離開排種盤前隨排種盤轉動,故在平行于排種盤平面內具有一個初速度vh;在重力的作用下,受到一個豎直向下的重力加速度g。在以上因素共同作用下,玉米籽粒的運動軌跡為一個空間拋物線。忽略空氣阻力影響,建立落種過程運動模型,如圖1所示。

圖1 排種運動分析圖Fig.1 Analysis of seed metering movement

以排種盤圓心O為原點,建立xOy坐標系。當玉米籽粒脫離吸孔之后,受到的作用力為重力mg,其水平和豎直方向的運動方程為

(1)

(2)

vhx=vhsinδ

(3)

vhy=vhcosδ

(4)

式中vh-落種線速度(mm/s);

t-落種時間(s);

g-重力加速度(mm/s2);

vf-作業速度(mm/s);

z-排種盤型孔數,取z=10;

s-播種粒距(mm);

δ-投種角(°)。

為揭示玉米種子相對排種器下落軌跡的規律,采用通用數值分析軟件MatLab對常微分非線性方程組(1)進行數值求解。小區玉米的粒距一般在150～300mm范圍內,為便于觀察,在作業速度vf=1000mm/s、落種時間t=0.3s的條件下,選取粒距150、180、210、240、270、300mm,通過公式(2)計算出對應的落種線速度。兩者的對應關系如表1所示。

表1 粒距與落種線速度換算表Table 1 Conversion table of plant spacing and planting linear speed

在高速作業不同粒距條件下,種子脫離種盤時產生的水平方向分速度也不同,種子在導種管內產生碰撞加劇,導致其排出導種管的軌跡無法預測,播種粒距均勻性也隨之下降。因此,本文旨在找出排種器與導種管相對位置所對應的粒距均勻區間,以避免投種過程中種子與導種管內部碰撞而導致的彈跳,在不增加二次投種裝置的提前下使種子穩定、有序落入種溝,提高播種機作業質量。

2 EDEM仿真模型建立

在實際的種子投送工作過程中,由于玉米種子與工作部件間的碰撞、滑移及導送運動非常復雜,因此無法完全通過理論研究分析各因素間的相互作用。為在省時、省力和省錢的前提下研究不同的排種器與導種管結構布置對粒距均勻性的影響,運用離散元法(Discrete Element Method,DEM)及其數值模擬仿真軟件EDEM,對玉米種子在不同的排種器與導種管相對位置條件下的運動情況和導種管的投種效果進行仿真分析。

2.1 導種管離散元模型建立

利用SolidWorks2018對導種管進行1:1建模,為便于仿真試驗,簡化實體模型(見圖2),并保存.Step格式導入到EDEM軟件中,建立導種管的三維離散元分析模型,配置材料屬性為高壓聚乙烯樹脂。

圖2 導種管虛擬仿真模型Fig.2 Simulation models of seed tube

2.2 土壤、玉米顆粒離散元模型建立

為真實模擬導種部件-籽粒間作用關系,還原田間播種投送籽粒至種床的真實狀態,分別建立玉米籽粒及土壤離散元顆粒模型,并設定其相關邊界參數。為了使仿真模型的尺寸和形狀與實際玉米種子顆粒更加接近,利用球體聚合方式建立仿真模型,將SolidWorks2018建立的玉米種子三維模型導入EDEM2020仿真軟件中。

離散元中根據處理問題的不同,分為軟球模型和硬球模型。本仿真試驗采用軟球模型,選擇Hertz-Mindlin黏結接觸模型,通過最新版本的球體聚合自動填充模型功能,得到玉米種子仿真模型,如圖3所示。

圖3 玉米種子模型Fig.3 Corn seed model

土壤微粒之間情況相對復雜,為了減少仿真時間,根據文獻[7]將土壤顆粒簡化為球狀,設置其粒徑尺寸為2～5 mm,且尺寸大小呈正態分布。

2.3 仿真參數設定

離散元仿真需要設置很多參數,包括土壤顆粒和開溝器的材料屬性、開溝器的運動方式、顆粒工廠等。由于玉米顆粒與顆粒、玉米顆粒與導種管之間接觸均無黏附力,所以在EDEM2020中的前處理面板中設置玉米顆粒之間和玉米顆粒-材料的物理接觸模型均為Hertz-Mindlin(no slip)[8]。由于土壤中存在的化學鍵和毛細使土壤之間存在一定的粘聚力,所以建立土壤顆粒模型時采取Hertz-Mindlin with Bonding接觸模型來模擬土壤顆粒之間的接觸模型[9-10]。參數設置如表2和表3所示。

表2 離散元模型基本參數Table 2 Basic parameters of the discrete element model

表3 接觸模型屬性參數Table 3 Contact model property parameters

2.4 仿真試驗方案

建立排種器與導種管空間相對位置的坐標系,如圖4所示。圖4中,X軸為排種器與導種管的左右距離,Y軸為排種器與導種管的水平距離,Z軸為排種器與導種管的垂直距離。為減小種子從排種器排出的水平方向力,結合排種器的結構特征,將投種角度δ設為最小值36.5°。

圖4 導種管虛擬仿真模型Fig.4 Simulation models of seed tube

圖5 導種管運動仿真過程Fig.5 Simulation process of seed tube motion

根據經驗分析以及播種單體整體結構布置可知,排種器與導種管的左右距離應保證種子從種盤排出后沿著導種管中心對稱面下落,故只考察水平距離和垂直距離對粒距均勻性的影響。

本文默認排種器為理想狀態,為了簡化分析過程,減少試驗量和影響因素,仿真試驗將根據不同的空間位置設置顆粒工廠位置模擬排種器作業,顆粒工廠生成特定位置的玉米顆粒,并根據不同的粒距要求對其賦予相應的初始線速度,模擬投種過程。

粒距變異系數即為體現粒距均勻的指標,通過計算粒距平均值和粒距標準差來獲得。根據 GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》進行測定,各性能指標的具體計算方法及過程為

(5)

(6)

C=σ×100%

(7)

n2-實際粒距大于0.5倍又不超過1.5倍理論粒距的個數;

σ-標準差;

Xi-大于0.5倍又不超過1.5倍理論粒距的實際粒距值(mm);

C-粒距變異系數(%)。

2.5 仿真試驗過程

在顆粒工廠中,設定種子的初速度為0,總量為60粒,生成種子的速率為5000粒/s。在Simulator模塊設置固定時間為Rayleigth數據填寫20%,總仿真時間為3.5s(生成玉米籽粒時間為0.5s,排種器轉動時間為3s),數據輸出時間間隔為0.01s,網格尺寸為最小顆粒半徑的2倍。

設置前進速度為3.6km/h,根據公式(2)能夠算出不同粒距對應的排種線速度。試驗以排種器與導種管空間相對位置為試驗因素,根據播種單體結構布置特點,設置垂直距離Rz取336、344、352、360mm等4水平,水平距離Ry分別取80、82、84、86mm等4個水平,以粒距變異系數為試驗指標,每次試驗重復5次,以5次數據的均值作為試驗數據。在此,設定試驗粒距分別為150、230、300mm。

3 仿真結果與分析

3.1 150mm粒距仿真結果分析

在粒距為150mm的條件下,排種器與導種管相對位置仿真試驗結果如表4所示。

表4 150mm粒距仿真試驗結果Table 4 Simulation test results of 150 mm plant spacing

仿真試驗結果表明:在粒距為150mm的條件下,垂直距離過大會導致粒距變異系數增大;最小垂直距離僅在水平距離為80mm時粒距變異系數最小,在其他水平距離的條件下粒距變異系數波動較大;垂直距離Rz為344mm時,在水平距離80～82mm范圍內粒距變異系數較小,其余水平距離條件下均波動較大;當垂直距離Rz為336mm、水平距離Ry為80mm時,粒距均勻性最優,平均粒距變異系數為9.19%。播種效果如圖6所示。

圖6 150mm粒距仿真試驗結果Fig.6 Simulation test results of 150 mm plant spacing

3.2 230mm粒距仿真結果分析

在粒距為230 mm的條件下,排種器與導種管相對位置仿真試驗結果如表5所示。

表5 230mm粒距仿真試驗結果Table 5 Simulation test results of 230 mm plant spacing

仿真試驗結果表明:在粒距為230mm的條件下,仍具有垂直距離過大會導致粒距變異系數增大這一特點;當垂直距離Rz為336mm、水平距離Ry為80mm時,粒距變異系數較大且存在突變現象;當垂直距離Rz為336mm、水平距離Ry為84mm時,粒距均勻性最優,粒距變異系數為9.91%。播種效果如圖7所示。當垂直距離Rz為344mm時,4個水平距離下的平均粒距變異系數分別為10.57%、10.86%、10.49%、12.89%,粒距均勻性相對更穩定。

圖7 230mm粒距仿真試驗結果Fig.7 Simulation test results of 230 mm plant spacing

3.3 300mm粒距仿真結果分析

在粒距為300mm的條件下,排種器與導種管相對位置仿真試驗結果如表6所示。

表6 300mm粒距仿真試驗結果Table 6 Simulation test results of 300 mm plant spacing

仿真試驗結果表明:在粒距為300 mm的條件下,當水平距離為80mm和82mm時,所有垂直距離所對應的粒距變異系數都相對較高;當水平距離為84mm和86mm時,4個垂直距離的粒距變異系數的差異不太大;當垂直距離Rz為336mm、水平距離Ry為84mm時,粒距均勻性最優,平均粒距變異系數為10.09%。播種效果如圖8所示。

圖8 300mm粒距仿真試驗結果Fig.8 Simulation test results of 300 mm plant spacing

根據上述仿真試驗結果可知:雖然單體適用的最低垂直距離336 mm在各粒距條件下的播種質量都相對較好,但其在不同粒距區間所對應的水平距離也各不相同,從而導致需要頻繁調整排種器與導種管相對位置,以滿足不同的粒距需求;而垂直距離為344mm時,雖然較前者的播種質量略微不足,但其在農藝要求的150～300mm粒距里僅需調整1次,即150～230mm粒距采用水平距離82mm、230～300mm粒距采用水平距離84mm。

4 臺架試驗

4.1 試驗臺設計及搭建

根據仿真試驗結果得到的最優結構參數,在青島農業大學JPS-12型排種器性能試驗臺的基礎上,運用SolidWorks軟件設計排種器和導種管在試驗平臺上的安裝固定方式。為了方便調節相對位置,購置工業鋁型材、連接角碼、螺栓以及法蘭螺母搭建排種器試驗臺,如圖9所示。

圖9 粒距均勻性臺架試驗Fig.9 Bench test for uniformity of grain spacing

4.2 試驗結果

為驗證仿真試驗所得出的最佳垂直距離與水平距離的匹配參數,設置傳送帶前進速度3.6 km/h,上下距離為344mm,粒距為150、170、190、210、230、250、270、300mm,前4個粒距對應的前后距離為82mm,后4個粒距所對應的前后距離為84mm,測定其對應的粒距并計算粒距均勻性變異系數,每個試驗重復3次取平均值。性能試驗結果如表7所示。

表7 排種器與導種管相對位置性能試驗結果Table 7 Performance test results of relative position between seed metering and seed tube

粒距均勻性變異系數測定結果顯示:對比未優化單體,播種單體上下距離為344mm時,150～230mm株距采用前后距離82mm,230～300 mm株距采用前后距離84mm,能夠獲得較好的播種質量,粒距均勻性變異系數最大為 12.04%,滿足《GB/T 6973-2005》所述質量要求。

5 結論

1)通過對投種過程理論分析,建立了小區玉米氣吸式精量排種器排種的運動軌跡方程,得出結論:在高速作業不同粒距條件下,種子脫離種盤時產生的水平方向分速度也不同,致使種子可能在導種管內產生碰撞,導致其排出導種管的軌跡無法預測,播種粒距均勻性也隨之下降。

2)利用EDEM離散元軟件,對不同排種器與導種管相對位置的粒距均勻性進行了仿真分析,得出結論:在垂直距離344mm的條件下,150～230mm粒距采用水平距離82mm,230～300mm粒距采用水平距離84mm,即可滿足農藝要求,又能獲得較好的粒距均勻性。

3)通過臺架試驗對仿真試驗得出的結論進行了對比驗證,結果表明:優化后的單體比未優化單體能夠獲得較好的播種質量,粒距均勻性變異系數最大為 12.04%,符合小區玉米精密播種的作業要求。