基于EDEM的气吸式排种器排种过程的仿真研究_李玉道.pdf

2023年第2期基于 EDEM 的气吸式排种器排种过程的仿真研究李玉道，孙学振*（山东农业大学 机械与电子工程学院，271018，山东泰安）摘要：以离散元法为基础，运用EDEM软件对气吸式排种器的排种过程进行仿真，并对仿真数据进行分析，得出最优的播种方案来指导生产。将颗粒模型设置为棉种参数，设置好机器行进速度、排种器旋转绝对速度（转化为角速度）、株距等参数，运用求解器进行仿真并在后处理中对种子的落地速度、弹跳高度、弹跳次数和种子落地后的纵向位移统计分析。综合所有数据得出最优方案：播种机行进速度0.2m/s，排种器的转速24 r/min，株距16.8 cm。排种均匀性较高，表明排种器工作性能较优，台架试验排种效果良好。关键词：离散元；仿真；气吸式排种器排种器的性能直接影响棉花在地里的分布，所以在选择良好的播种机和播种方式的同时，也要注意播种过程中运动参数等要素对播种均匀性的影响。虽然我国大部分地区已经实现了播种机械化，但是依然有很多地区存在着播种效率低的问题，这对作物的产量有着极大的影响。针对以上问题，本文基于EDEM软件研究种子的播种过程，在提高工作效率、工作质量等问题上进行深入研究。利用离散元仿真的方法，研究气吸式排种器在排种时种子的落地过程，以及种子与地面碰撞时速度、弹跳高度、纵向位移对播种的影响，找出种子竖直下落（竖直方向初速度为0）时的播种机行进速度与排种器转速，并选择合适的参数，这对棉花小区播种作业过程中各项数据的选择有重要的参考意义。1EDEM的模型制作及种子下落的仿真模拟1.1模型及参数的确定1.1.1棉花种子模型的建立定义颗粒，运用图1两种模型及球体代替棉花种子的外形。棉花种子颗粒建模过程：先在CAD制图软件中绘制出颗粒的轮廓，同时在颗粒轮廓的基础上用尽可能少的球型填充这个轮廓，并在CAD制图软件中记录填充球的球心坐标和半径；然后利用EDEM中的球填充建模的功能，把已经得到的各个球的圆心坐标和半径输入到EDEM中，将得到的模型直径定义为5mm1-2。制作好填充球模型之后，计算机会根据Globs中的材料数据自动求解出种子的质量、体积、密度等相关参数。图1棉花种子填充模型1.1.2参数的确定如图2所示，Globs是EDEM前处理的第一部分，它首先定义给颗粒一个加速度，这个加速度可以沿X、Y、Z不同方向，是方便定义重力的，所以选择Y方向加速度为-9.81 m/s2，给予种子在Y方向的重力。其实，这个加速度可以作为一个力，但是只能在X、Y、Z三个方向上赋予，在仿真中有很大的限制性。因此，当有力的作用时，需要用到EDEM与其他软件的耦合。图2排种器运动参数的选择第二个选项是指材料的各个参数，即排种器的材料参数，是指材料的泊松比、切变模量、密度等。依据气吸式排种器材料强度的数据进行填写。除此之外，还要模拟土壤的相关参数，在此处，运用具有代表性的黏土的相关参数填写3-4。种子的参数也是必不可少的，以棉花种子为对象，填写关于棉花种子的泊松比、切变模量、密度等信息。第三栏中的数据是静弹性模量、静摩擦因数和动摩擦因数。在这项数据中，存在着种子、排种器、土壤之间的相互作用力，包括种子与排种器接触的摩擦力、种子与土壤接触的摩擦力，以及种子与种子之间的作用基金项目：山东省棉花产业技术体系(SDAIT-03)。作者简介：李玉道（1986），男，山东济南人，博士，高级实验师，主要研究方向为农业工程。通信作者：孙学振（1964），男，山东菏泽人，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向为作物栽培学与耕作学。技术设计与试验应用71行进速度/（ms-1）0.50.81.11.4纵向位移/cm272217127株距16 cm株距22 cm株距19 cm株距25 cm力。仿真以单粒种子为单位进行研究，不会出现种子之间的作用力。这三个数据直接影响着种子在排种器中和种子落地时的运动轨迹。在设置颗粒工厂之前，在气吸式排种器内部寻找一个多面体，使颗粒生成。在槽轮处设置一个正方体，设置多边形的宽度为5 mm（小于颗粒的直径即可），X方向的偏斜角度是1.5 rad，保证生成颗粒处与土壤平面平行。在设置完多边形后，给予这个多边形相同的行进运动，使这个多边形与播种机同步运动5。1.2种子的仿真模拟图3表示排种器的运动状态及种子从排种口落下后的运动状况。选用Mesh网格结构，也可选用Point点状结构，但是点状结构不能观察出排种器的旋转过程，所以选择网格结构最为合适。除此之外，还要勾选Auto Update，对仿真进行实时更新，保证仿真在每一个瞬间都能被清楚地捕捉6。图3种子在排种器及在下落过程的仿真2对后处理的实验数据分析2.1对仿真数据的分析2.1.1基于实验数据的分析基于实验数据，整理出图4。图4不同行进速度和株距下种子落地速度图4显示，落地速度随着播种机的行进速度的增大而增大。在不同的株距情况下，播种机不同的行进速度对应的落地速度图像有着极大的相似性，播种机的行进速度为0.5 m/s、0.8 m/s、1.1 m/s时的落地速度图像几乎重合。当播种机的行进速度为0.5 m/s，种子落地速度极差为0.06 m/s；当播种机行进速度在0.8 m/s时，种子落地速度的极差为0.06 m/s；当播种机行进速度为1.1 m/s时，种子落地速度极差为0.04 m/s；但播种机的行进速度为1.4 m/s时，种子的落地速度差距较大，极差为0.28 m/s。综合图与分析，能够得出的结论：在相同的株距下，播种机不同的行进速度对应的落地速度不同。播种机行进速度越大，落地速度也越大，这是由于播种机行进时，在水平方向给种子提供了一个初速度，而落地速度是自由落体和水平初速度在落地时的合速度，水平方向上的初速度越大，落地时种子的合速度也就越大7。图5所示，种子的纵向位移随着行进速度的增大而增大。纵向位移是由水平初速度直接决定的，是播种机的行进速度和气吸式排种器最低处切速度的合速度决定的8。在仿真中，种子的纵向位移代表了种子落地后的滚动位移，其值越大，偏移的距离也就越大9。如图5所示，纵向位移最小值为9.37 cm，最大值达到了25.48cm，株距仅有1625 cm，纵向位移最大值超过了株距，极大地干扰排种的均匀性，是不利于排种均匀的。图5不同行进速度和株距对应的种子纵向位移2.1.2对于种子轨迹的分析如图6所示，播种机的行进速度和排种器最低处切速度不同，对应三种不同的种子运动轨迹。当播种机的行进速度大于排种器最低处切速度时，种子落地后的运动方向与播种机的运动方向一致，弹跳数次后继续滚动，如（a）所示；当播种机的行进速度与排种器最低处切速度相同时，种子落地后基本竖直弹跳，最后静止点在种子落地点附近，如（b）所示；当播种机的行进速度小于排种器最低处切速度时，种子落地后的运动方向与播种机的行进方向相反，并沿该方向继续弹跳滚动，如（c）所示10。（a）行进速度大于排种器最低处切速度（c）行进速度小于排种器最低处切速度（b）行进速度等于排种器最低处切速度图6种子运动轨迹示意图行进速度/（ms-1）0.50.81.11.4落地速度/（ms-1）2.72.52.32.11.91.71.5株距16 cm株距22 cm株距19 cm株距25 cm技术设计与试验应用722023年第2期落地后，运动方向无论沿播种机的行进方向还是与播种机行进方向相反，都会影响到排种的株距，对播种的均匀性造成影响，因此，种子在落地后能够竖直弹跳，最终落到落地点附近，是最好的方案。2.2种子竖直下落的分析表1是种子竖直下落的仿真数据。当种子竖直下落时，决定最低处切速度的排种器的转速和播种机的行进速度的比值为一个定值，改变任意一个速度，另一个速度也要随之改变。因此，株距过小的问题，改变播种的速度和排种器的转速并不能解决问题，而选择其他的排种器会使问题复杂化。可以将吸种盘封死，这种情况相当于撤离了真空室中的负真空度，造成漏播，能够增大株距11。表1种子竖直下落的仿真数据但是，这种解决方案只能将株距提高到4.2 cm的倍数。在小区作业许可的范围内（10 cm以上），最合适的株距是12.6 cm和16.8 cm，也就是每三个孔封住前两个孔和每四个孔封住前三个孔12。综上所述，可行的数据如表2所示。表2种子竖直下落条件下的数据在表2中，排种器的转速出现了38（36）r/min13，这表示排种器在计算中的转速应该是36 r/min，但是在仿真中，36 r/min的转速并不能将种子的纵向位移保证在2 cm以内，所以即使在这种情况下种子能够竖直下落，但不能作为最终的仿真结论。在仿真过程中，将转速逐一调整，当排种器的转速调整到38 r/min时，种子的纵向位移为1.972 cm，可以作为仿真的结论。但24 r/min完全满足种子竖直下落条件并且能够将种子落地后的纵向位移控制在2 cm以内，所以是排种器转速的最佳参数。2.3关于排种不均匀的分析为探讨排种器转速对排种均匀性的影响，运用仿真得出种子与挡板接触的临界条件，如表3所示。表3种子与挡板接触的临界值图7是种子与挡板三种接触形式仿真与实物图。图7种子与挡板三种接触形式的仿真与实物对照图（1）在排种器旋转过程中，从0开始逐渐提高转速。当排种器的转速过低（3 r/min）时，种子开始下落时由于重力受到挡板前侧的阻挡，但接近排种口时，排种器口趋于平缓，种子受到较大的动摩擦力，使得种子停止在排种器中，由后侧挡板将种子推下排种口14。由于排种器的转速过小，在实践过程中不会发生这种情况。（2）继续提高排种器转速，当排种器转速335.3r/min时，种子被排种器前侧挡板挡住，掉落时种子轨迹受到挡板的限制不会有太大的变化，不会造成排种不均匀。当排种器的转速在35.366.8 r/min时，种子会处于排种槽中间不确定的位置，导致种子掉落的轨迹不同，造成排种不均匀。（3)当排种器的转速66.8 r/min时，种子会被挡板推下排种口，种子受到挡板限制，轨迹基本相同，不会导致排种不均匀。故在选用排种器转速时，要选用n35.3 r/min和n66.8 r/min。3实验验证排种作业阶段，棉花种子以“前端掉落”、“中段株距/cm转速/（rmin-1）行进速度/（ms-1）落地速度/（ms-1）弹跳高度/cm弹跳次数纵向位移/cm4.2240.21.967.2141.974.238（36）0.31.947.2341.564.246（48）0.41.987.2841.96株距/cm转速/（rmin-1）行进速度/（ms-1）落地速度/（ms-1）弹跳高度/cm弹跳次数纵向位移/cm12.6240.21.967.2141.9716.8240.21.967.2141.9712.638（36）0.31.947.2341.5616.838（36）0.31.947.2341.5612.646（48）0.41.987.2541.9616.846（48）0.41.987.2541.96种子与挡板的接触形式排种器的转速n/（rmin-1）种子与挡板前侧接触n35.3种子与挡板不接触35.3n66.8种子与挡板后侧接触n66.8（c）种子与挡板后侧接触（b）种子与挡板不接触（a）种子与挡板前侧接触技术设计与试验应用73掉落”和“后端掉落”三者中的哪种掉落情况从强制排种器掉落，最终决定了排种的均匀性。通过分析和预实验，只有气吸盘转速在排种阶段直接影响了棉花种子的最终掉落情况，进而影响排种均匀性，对1050 r/min范围内的气吸盘转速进行试验，取曲面响应法得到的槽宽2.83 mm、真空度2.36 kPa的最佳试验组合，进行气吸盘转速对均匀性变异系数影响的单因素试验，每次试验排种100粒种子。试验结果见表4。对试验结果进行单因素方差分析，结果见表5。通过单因素方差分析得知，P-value小于0.05，吸盘转速对排种均匀性变异系数影响显著。转速/(rmin-1)101520253035404550均匀性变异系数/%13.6217.8316.5411.8715.0319.6919.6618.9319.11为更好地观察播种均匀性随着气吸盘转速