基于EDEM的高速穴播器排種性能仿真分析與試驗

盧博 倪向東 李克志 李樹峰 齊慶征 邵文平

摘要：為探究穴播器轉速和種子初速度對穴播器排種性能的影響，對分置式排種系統及穴播器工作原理進行闡述。利用EDEM建立棉種及穴播器的仿真模型，模擬棉種具有不同的初速度及穴播器在不同轉速下排種情況，根據運動軌跡曲線、受力變化曲線、速度變化曲線綜合分析產生漏播、重播現象的原因。使用DesignExpert進行兩因素五水平二次旋轉正交組合試驗設計，建立評價指標的回歸方程，并通過響應曲面分析排種性能。合格率隨穴播器轉速的增大而先增加后降低，隨種子初速度的增大而降低。優化后的仿真參數組合為穴播器轉速39 r/min和種子初速度2.4 m/s，最佳優化結果為漏播率3.2%，合格率95.1%，重播率1.7%。臺架驗證性試驗結果表明仿真試驗可信，穴播器排種性能滿足高速精量播種要求，為新疆地區棉花機械化高速精量穴播技術及發展提供參考。

關鍵詞：棉種；排種性能；穴播器；精量播種；離散元法

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02004807

Symbol`@@收稿日期：2022年4月20日 ?修回日期：2022年6月16日

基金項目：國家自然科學基金項目（52065056）

第一作者：盧博，男，1997年生，新疆伊犁人，碩士研究生；研究方向為農業機械設計。Email： 1910386637@qq.com

通訊作者：倪向東，男，1974年生，上海人，博士，教授；研究方向為機械設計及理論。Email： nini0526@126.com

Simulation analysis and experiment of seed discharge performance of

high speed hole seeder based on EDEM

Lu Bo， Ni Xiangdong， Li Kezhi， Li Shufeng， Qi Qingzheng， Shao Wenping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

In order to investigate the effects of hole seeder speed and initial seed velocity on hole seeder seeding performance， the working principles of the split seeding system and hole seeder are described. The cottonseed and hole seeder simulation model was established using EDEM to simulate different initial speeds of cottonseed and hole seeder at different rotational speeds and to analyze the causes of missed seeding and reseeding according to the trajectory curve， force change curve， and speed change curve. A?twofactor， fivelevel quadratic rotational orthogonal test design was conducted using DesignExpert to establish regression equations for the evaluation indexes， and response surfaces analyzed the seeding performance. The compliance rate increased and then decreased with the increase of the hole sower speed and decreased with the rise of the initial seed speed. The optimized parameters were 39 r/min and 2.4 m/s seed initial velocity， resulting in a 3.2% miss rate， 95.1% pass rate， and 1.7% reseed rate. The results of the bench validation test show that the simulation test is credible and the seed row performance of the hole sower meets the requirements of highspeed precision sowing， which can provide a reference for the mechanized highspeed precision hole sowing technology and development of cotton in Xinjiang.

Keywords：

cottonseed; seeding performance; hole seeder; precision seeding; discrete element method

0 引言

新疆是我國優質棉的重要生產基地，棉花總產量、單位面積產量和種植面積均居首位。目前新疆地區棉花種植都采用先覆膜后打孔的精播方式，而作業機械分為機械式和氣力式兩種類型［1］。棉花精量機械化播種技術，是指用精量播種機械將棉種按精準農藝要求的播種量、株距、深度精確播入土壤的技術，通常要求一穴一粒［2］。通過精量播種，可在常規播種的基礎上減少用種量，無需間定苗工作，顯著降低棉花生產成本，同時還可增產增效。

高速精量播種不僅要求機械能達到精播的農藝要求，同時還具有較高的作業速度。新疆棉花播種的適宜期僅有10～15天，播種機為不誤農時經常連續不停運轉。氣力式播種機對種子外形要求不高，且不傷種，相較于機械式播種機更適宜高速播種作業。氣吸式排種器在中低速作業時對種子的吸附性能較好，但高速作業時對負壓能耗需求大，且對氣室穩定性要求高［36］。王國偉等［7］通過改進精量排種器的結構，減少種群內摩擦，使用EDEM模擬簡化后的排種器在無負壓狀態下的充種過程，以前進速度作為試驗因素，以充種合格率作為性能指標，進行單因素試驗，仿真結果表明充種合格率隨著轉速的降低而升高。李曉紅等［8］為實現大豆高速精量播種，利用EDEM軟件對內充種式排種器進行模擬仿真試驗，分析工作轉速對排種性能的影響，通過臺架試驗進行驗證，結果表明隨著排種器轉速的增大，雙粒充種現象頻繁出現，單粒指數先升后降，漏播指數先降后升。張勝偉等［9］采用流固耦合的方式對綠豆種子進行仿真試驗，選取種盤轉速和負壓進行單因素試驗，結果表明隨著種盤轉速的增加，單粒率和漏吸率降低，重吸率升高。張寧寧等［10］利用EDEM對滾筒式穴播器及花生種子進行仿真試驗，結果表明合格指數隨著工作轉速的增加而降低，取種器參數、工作轉速及種子級別均會對排種性能產生影響。

為實現高速精量作業，本文采用分置式排種系統，降低高速作業時的振動對排種器充種的影響，使穴播器完成高速播種。利用離散元分析軟件EDEM對種子在穴播器內部運移過程進行模擬，分析單粒精播的種子速度與受力變化，采用兩因素五水平二次旋轉正交組合仿真試驗對穴播器的排種性能進行分析，并通過臺架試驗對比驗證。

1 分置式排種系統工作原理與穴播器結構

1.1 分置式排種系統工作原理

基于新疆棉花精量播種的農藝要求，提出一種分置式排種系統，即排種器與穴播器分離。如圖1所示，排種器可一次完成六行排種，每個穴播器單體完成一行膜上播種。排種器高頻充種，穴播器與其速比進行匹配，可實現高速播種作業。氣吸滾筒集排式排種器利用負壓從種箱內取種，完成一次排種。輸種管加載氣吹正壓，管內形成均勻種子流。種子進入穴播器的分種格型腔，鴨嘴成穴器完成二次膜上排種。

1.穴播器 2.輸種管 3.排種器

1.2 穴播器結構

穴播器結構如圖2所示，工作時，種子在正壓氣流的作用下加速，按一定的時間間隔從輸種管進入導種口。種子以一定的初速度進入穴播器內部，在分種盤的轉動下進入相鄰的腔室，擋種盤及護種板保護種子在旋轉的過程中不會從分種格內跑出。攜帶種子的型腔在轉動至下方時，種子在重力作用下從擋圈缺口處落進鴨嘴，隨后鴨嘴破膜成穴，種子進入種穴完成膜上播種。

2 穴播器仿真與排種過程分析

由于穴播器為實體結構，并不能觀察到種子在其內部的運動軌跡，使用EDEM對模型進行仿真可清晰掌握種子在穴播器內部運動規律，并可知道任意時刻種子在任意位置處的速度，能夠比較真實的模擬實際排種過程，便于改變參數，分析穴播器的排種性能。

2.1 棉種三軸尺寸測定

棉種三軸尺寸分布如表1所示。

新陸早48為北疆部分早熟地區推薦棉種，適合4月中上旬播種。本文以新陸早48棉花種子作為研究對象，測量300粒三軸尺寸。測量工具為美耐特電子數顯游標卡尺，測量范圍0～300 mm，測量誤差為±0.02 mm，精度為0.01 mm。經過ks檢驗證明棉種尺寸符合正態分布。

2.2 棉種模型建立

離散元顆粒的構建在仿真中極其重要，必須建立相似的模型，其尺寸、形狀高度相似才會使仿真結果更接近真實。基于三軸尺寸樣本數據，棉種仿真模型在生成時標準偏差為5%，模型與實物相似度可達90%以上。脫絨棉種一端為橢球體，一端為錐體，棉花種子實物及仿真模型如圖3所示。

使用EDEM軟件中的Creater模塊創建棉種模型，使用球面聚合的方法將7個球體聚成一粒棉種，各球體的位置及大小［11］如表2所示。

2.3 穴播器模型建立

在Solidworks中建立穴播器的三維模型，去除鴨嘴及非重要零部件后將模型簡化，另存為.STEP格式后導入EDEM中，如圖4所示。仿真所需的材料以及接觸參數如表3所示。18 mm×18 mm的顆粒工廠被設置在二次投種口正上方，并按固定的時間間隔產生棉種顆粒，投種時間間隔與分種盤轉動間隔一致，以保證相鄰種子都能進入相鄰分種格，投種初速度設置為3 m/s。EDEM中穴播器下方接種箱用來統計累加的棉種數量，以替代鴨嘴播種時每穴排出的棉種數量。當每個分種格轉動至該區域時，一粒棉種經過接種箱數值會增加1，代表單粒精播，即合格；兩粒棉種經過時會增加2，代表重播；當分種格內無棉種且經過該區域時數值不變，代表漏播；依據此現象對作業性能進行評價。

1.顆粒工廠 2.棉花種子 3.接種箱

仿真模型為15穴的穴播器，株距10.5 cm。設置穴播器轉速40 r/min，即前進速度為3.96 km/h，種子初速度3 m/s。總仿真時長15 s，固定時間步長設為Rayleigh時間步長的10.007 8%，即步長為7.51×10-6 s，目標保存時間間隔為0.01 s，網格尺寸為2Rmin（一般設置為小顆粒半徑的2倍及以上，網格的大小與求解精度無關），即1.7 mm。

2.4 仿真結果分析

2.4.1 種子運移軌跡分析

為了掌握種子如何在穴播器內部運動，在EDEM中選擇Analyst模塊，在Set up中添加Manual Selection，使用十字光標在模型中選取10號種子作為研究對象，并勾選Stream All Steps顯示全部軌跡曲線，如圖5所示。

種子若從導種口順利進入分種格后，攜帶種子的該分種格由上方轉動至水平時，種子所處的位置首先會靠近分種格內圈；攜帶種子的該分種格由水平轉動至下方時，種子會沿著分種格側板由內圈運動至外圈；運動至外圈的種子會與擋圈發生碰撞，緊接著會被分種格另一側的側板攜帶至擋圈缺口處進行投種。

2.4.2 種子合力與速度變化分析

該粒種子從生成到排出全過程如圖6所示，共分為3階段進行：投種區Ⅰ、種子跟隨區Ⅱ、排種區Ⅲ。1～1.04 s為第一階段，由于設定生成的種子初速度較快，種子僅在重力作用下（0.001 6 N），由導種口快速進入穴播器內部，種子與分種格底板發生劇烈碰撞后速度急劇降低，由3.1 m/s先降至1.7 m/s再降至0.6 m/s，所受合力為0.11 N，圖中表現為突躍狀態。1.05～1.61 s為第二階段，種子速度處于較低水平，分種盤由上方轉動至水平時，種子與分種格側板發生微小碰撞和摩擦，速度略有增大后再降低，所受合力在這一階段小幅度波動，分種盤由水平轉動至下方時分種格內的種子速度逐漸增大至1.1 m/s，當到達底部時速度減小至0.3 m/s。1.61～1.7 s為第三階段，此時速度處于較低水平，種子受到分種格側板的推動加速至0.9 m/s，所受合力為0.18 N，從擋圈缺口處排出。種子脫離穴播器后，在重力的作用下加速至1.11 m/s，投種軌跡類似于平拋運動。

2.4.3 排種性能分析

每穴一粒是精量播種的要求，漏播與重播現象的發生都會使合格率降低。如圖7所示，觀察穴播器各分種格中種子分布，可清晰掌握排種結果。此時刻t=6 s，存在漏播與重播現象，重播出現時漏播一般也會發生，原因是上一個種子若與分種格底板碰撞后反彈回入種口，會與下一粒種子同時進入同一個分種格內，此時前一個分種格就會沒有種子，而后一個分種格會有兩粒種子。

此時刻t=2.78 s，只有漏播現象，原因在于若一粒種子隨分種盤轉動至擋圈缺口前與擋圈發生碰撞，反彈較大且跳過缺口，會在當前時刻無種子排出。該粒種子隨著分種格進入下一周循環，新產生的種子進入這個分種格內，在轉動至擋圈缺口處僅會產生重播現象。另外，在仿真的過程中未出現連續漏播及重播的現象，表明該仿真參數設置較為可靠。

為便于分析仿真結果，在穴播器下方擋圈缺口處設置合適大小的Grid Bin Group，記錄仿真全過程從該處排出的種子數量，將Result Data導出并在origin中繪制點線圖，進一步分析漏播及重播現象。

如圖8所示，在0～0.76 s時為水平線，此時還未有種子進入擋圈缺口，之后排出的種子數量沿著線性階梯狀上升。

仿真過程中穴播器轉速恒定，意味著每個分種格經過缺口區域的時長一致。進一步分析局部放大圖可知，短水平線之后上升，表明在該時刻范圍內分種格內單粒棉種排出；長水平線之后上升，表明在該時刻范圍內分種格內無種子從缺口處排出，此時產生漏播現象；長水平線之后短時間內躍升，表明在該時刻范圍內前一個分種格內未有種子排出，后一個分種格超過一粒種子從缺口處排出，此時產生重播現象。圖8中2.78 s僅出現漏播現象，6 s和7.9 s同時產生漏播與重播現象，其余時刻為合格。基于此可對排種性能進行精確描述，得到各仿真條件下的漏播指數、合格指數以及重播指數。

3 仿真試驗

3.1 試驗方案

試驗依據GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》［12］，以穴播器轉速、種子初速度作為試驗因素，將漏播率Y0、合格率Y1與重播率Y2作為作業性能評價指標。根據單因素試驗得到的結果，設置各因素水平及編碼值如表4所示。各指標的計算公式如式（1）～式（3）所示。

Y0=n0250×100%

（1）

Y1=n1250×100%

（2）

Y2=n2250×100%

（3）

式中：

n0——1穴0粒種子的穴數；

n1——1穴1粒種子的穴數；

n2——1穴2粒及以上種子的穴數。

使用DesignExpert軟件設計兩因素五水平二次旋轉正交組合試驗方案，穴中無種子記作漏播，穴中有一粒種子記作合格，穴中有兩粒及以上記作重播。各參數組合下的仿真試驗結果如表5所示，其中X1、X2為各因素編碼值。

3.2 試驗結果分析

決定系數R2是判定回歸方程直線擬合度的重要指標，通過試驗設計軟件及表6可知，漏播率方程的決定系數為0.955 5，合格率方程的決定系數為0.964 9，重播率方程的決定系數為0.951 3。由此可判斷，Y0的變異95.55%是由X1、X2造成的，Y1的變異96.49%是由X1、X2造成的，Y2的變異95.13%是由X1、X2造成的，回歸方程的預測值與實測值具有極高的相關性。

F值可以判別影響評價指標的主次因素，由表6可知，種子初速度比穴播器轉速對各評價指標的影響更大。漏播率、合格率、重播率模型均達到極顯著水平，失擬項不顯著。

P值可以判定回歸項參數的影響是否顯著，由表6可知，X1X2對漏播率影響不顯著（P>0.05），X1對漏播率影響顯著（0.05≥P≥0.01），其余回歸項系數對漏播率影響都極其顯著（P<0.01）；X1對合格率影響顯著（0.05≥P≥0.01），X1X2對合格率影響不顯著（P>0.05），其余各項對合格率影響極其顯著（P<0.01）；X1X2對重播率影響不顯著（P>0.05），X1對重播率影響顯著（0.05≥P≥0.01），其余回歸項系數對重播率影響都極其顯著（P<0.01）。剔除不顯著相分別建立漏播率、合格率、重播率與試驗因素編碼之間的二次多項式回歸方程如式（4）～式（6）所示。

Y0=

3.76+0.683 7X1+1.78X2+2.04X12+

1.57X22

（4）

Y1=

94.16-1.21X1-2.91X2-3.66X12-

2.54X22

（5）

Y2=

2.08+0.526 4X1+1.13X2+1.62X12+

0.966 3X22

（6）

響應面可清晰反應穴播器的作業性能與各試驗因素之間的關系，利用DesignExpert13.0可得到穴播器轉速、種子初速度對漏播率、合格率、重播率的響應曲面，如圖9所示。

由圖9（a）可知，當穴播器轉速一定時，隨著種子初速度的增加，漏播率逐漸增大，是因為種子速度越大，進入穴播器內腔后與分種格底板碰撞越劇烈，有可能導致種子反彈回入種口或彈出分種格。當種子初速度一定時，漏播率隨著穴播器轉速的增加而先減小后增大。由圖9（b）可知，當穴播器轉速一定時，隨著種子初速度的增加，合格率逐漸減小。當種子初速度一定時，隨著穴播器轉速的增加，合格率先增大后減小，是因為種子初速度與穴播器轉速要相匹配，當穴播器轉速在一定小范圍內變化時，種子能更好地進入分種格。由圖9（c）可知，當穴播器轉速一定時，隨著種子初速度的增加，重播率逐漸增大，是因為種子速度過大，進入穴播器內腔后與分種格底板碰撞后導致種子反彈回入種口，進而錯過當前分種格，下一粒種子會與之前滯留在入種口處的種子共同進入同一個分種格。當種子初速度一定時，隨著穴播器轉速的增加，重播率先減小后增大。

3.3 參數優化

為了使穴播器達到最佳的作業性能，以漏播率、重播率最小，合格率最大作為目標，用多目標優化的方法對排種性能各回歸模型進行求解［13］。使用的約束條件及所求的目標函數可用式（7）表示。

minY0

maxY1

minY2

s.t.

48 r/min≥X1≥32 r/min

4 m/s≥X2≥2 m/s

（7）

求解得到最佳參數組合為：穴播器轉速39 r/min，種子初速度2.4 m/s。最佳作業性能為：漏播率3.2%，合格率95.1%，重播率1.7%。

3.4 臺架試驗驗證

為驗證仿真結果是否準確，同時測試穴播器的作業性能，在排種器性能檢測試驗室進行臺架試驗［1415］。將氣吸滾筒式排種器轉速與穴播器轉速相匹配，在輸種管上方加載正壓使種子在出口的速度達到要求，穩定運行后，進行3次重復性試驗并取平均值，臺架試驗結果為漏播率3.4%，合格率94.8%，重播率為1.8%。

4 結論

1） ?通過使用EDEM分析了穴播器的排種過程，得到種子在穴播器內部的運動軌跡，種子所受合力與運動速度變化曲線。分析了造成漏播與重播現象的原因，種子的初速度及穴播器轉速對種子進入分種格后的運動起重要作用，進而影響排種性能。

2） ?通過使用DesignExpert進行試驗方案設計，以穴播器轉速、種子初速度作為試驗因素，以漏播率、合格率、重播率作為排種性能的評價指標，進行兩因素五水平二次旋轉正交組合仿真試驗。對仿真結果分析，并進行多目標優化得到最佳工作參數組合及優化結果。臺架驗證性試驗表明，在穴播器轉速39 r/min和種子初速度2.4 m/s的最佳參數組合下，得到的試驗結果：漏播率為3.4%，合格率為94.8%，重播率為1.8%，滿足精量播種作業要求。

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