基于EDEM的大豆侧窝排种器的设计与试验.pdf

基 于 EDEM 的 大 豆 侧 窝 排 种 器 的 设 计 与 试 验李威1,徐浩1,李晓红1,2,李赫2,余永昌2(1.商丘工学院 机械工程学院,河南 商丘476000;2.河南农业大学 机电工程学院,郑州450002)摘 要:为满足目前大豆单粒精密播种的农艺需求,设计了一种大豆侧窝排种器,并对其基本结构和工作原理进行了分析。以中黄 13 种子为研究对象,利用仿真软件 EDEM 2.6 对大豆侧窝排种器的性能进行了仿真试验,结果显示:排种器转速对单粒率、重播率和漏播率均有着重要影响,排种器转速为 30r/min 时的单粒率、重播率和漏播率分别为 96.67%、2.25%和 1.08%。台架验证试验结果显示:当排种器转速为 32r/min 时,各项指标综合最优,单粒率、重播率和漏播率分别为 96.21%、2.13%和 1.66%,均符合排种器排种标准。研究结果表明:应用 EDEM 软件分析大豆侧窝排种器的工作过程是可行的,能够为排种器的设计与优化提供理论依据。关键词:大豆;排种器;侧边窝眼;EDEM中图分类号:S223.2;S220.3 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0164-060 引言目前,市场上常见的排种器主要可以分为机械式和气力式两种。其中,气力式排种器对加工精度要求较高、结构更为复杂、成本较高,故价格相对较为昂贵;机械式排种器结构具有相对简单、成本较低以及维修方便等优势,因而在国内使用较多1。王业成等2为提高机械式排种器的种子填充性能,设计了一种摩擦式排种器,通过增大种子与排种盘之间的摩擦力来提高排种器极限转速和充种性能。刘宏新等3-4从力学角度分析排种器中种子充种性能,结合现有的立式圆盘排种器,设计了一种具有高填充性能的具立式浅盆型排种器,提高了排种盘的种子充种性能和工作的极限速度。史嵩等5为简化现有的气吸式排种器的技术形式与复杂结构,同时保证排种器与种子之间的搅拌功能,设计了一种机械气力组合式排种器,利用正压气流与导槽的工作原理,大大提高了排种器的填充性能。安雪等6为实现育种过程中单粒精密播种的农艺要求,根据大豆几何形状的特点,设计了一种电控窝眼轮式大豆排种器,并利用步进电机及脉冲当量进行精准控制排种器的转速,提高了育种过程中的株距一致性,实现了单粒精密播种的功能。赵佳收稿日期:2021-12-17基金项目:农业部公益性行业专项(201303011-4)作者简介:李 威(1989-),男,河南商丘人,讲师,(E-mail)451263177 。通讯作者:余永昌(1955-),男,郑州人,教授,博士生导师,(E-mail)hhyych 。乐等7结合机械式和气吸式排种器的优点,设计了一种偏置双圆盘气吸式大豆排种器,并对排种器的排种性能进行相关试验研究,得出组合最佳参数。贾洪雷等8研制了一种双凹面摇杆式排种器,利用响应面法进行单因素、多因素之间的试验,得到排种器最佳倾斜角与排种轴最佳转速。近年来,离散元法在农业工程领域应用越来越广泛9,尤其是在排种器的加工试制前期,通过 EDEM 软件对排种器进行性能仿真,选取最佳参数范围,能够大大缩短设计周期10。为此,结合目前使用较为广泛的窝眼轮式和内充种式排种器,设计了一种大豆侧窝排种器,通过将传统的径向窝眼设计为切向窝眼,在一定程度上提高排种器的充种性能,实现排种过程中单粒精度高、低破碎的作业要求,可为精密播种机的设计提供参考。1 结构组成及工作原理1.1 结构组成大豆侧窝排种器主要由排种盘、排种轴、轴承、轴承盖、轴套和壳体组成,如图 1 所示。其中,上种口和壳体(左)为一体化设计,在外力的驱动下排种轴带动排种盘转动,两个壳体之间通过螺栓连接在一起。排种盘的外径边缘处均布一定数量的窝眼,窝眼的结构形式由传统的径向形式设计为切向,且相邻两个窝眼之间保留一定间距,以提高在充种过程中种子进入窝眼的概率,实现大豆单粒精密排种。1.2 工作原理排种器工作过程主要分为充种、清种、护种和投种 4 个过程,如图 2 所示。4612023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期1.安装孔 2.上种口 3.轴套 4.壳体(左)5.排种轴 6.排种盘 7.壳体(右)8.轴承 9.轴承盖 10.螺钉图 1 排种器整体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the seed metering device.充种区域.清种区域.护种区域.投种区域图 2 工作原理图Fig.2 Working principle diagram排种器工作之前,人工将种子倒入种箱,种子依靠自重和种子之间的挤压力通过排种器的上种口进入内部的存种室;排种器工作时,排种盘相对种子群转动,对种子群靠近排种盘最下方窝眼的种子及种子群靠自重与排种盘转动的搅动作用下,优先进入窝眼和预充种空间(相邻两个窝眼之间的空间),完成充种过程();随着排种盘的转动,窝眼及预充种空间内携带的种子随排种盘离开种子群,进入清种区域,在次区域内由于种子受到的力系方向发生变化,使预充种空间内的种子在重力作用下滑落至存种室,使窝眼内只保留 1 粒种子,预充种空间内无粽子残留,完成清种过程();随着排种盘的继续转动,窝眼内的种子进入护种区域,种子逐渐从窝眼内进入相邻两个之间的间隔空间内,并在护种板的作用下将种子运送至投种口,完成护种过程();由于在护种过程中种子提前脱离窝眼,种子先于窝眼进入投种区域,便于种子在投种口处投种,防止因窝眼圆周运动将种子运送至存种室,当种子运动至投种口处,种子在自身重力和排种盘离心力的共同作用下从投种区域脱离排种器,从而进入输种管或种床,完成投种过程(),完成一次排种作业。2 关键部件结构设计2.1 排种盘设计排种盘是大豆侧窝排种器的核心部件之一,主要完成排种器工作过程的取种、清种、护种和投种作业,结构如图 3 所示。窝眼均匀分布在排种盘的外径边缘处,相邻两个窝眼之间的间隔为种子的预充种空间,为种子的充种提供良好的基础。在充种时,存种室种子群靠近窝眼的种子在自重和种子间的压力作用下优先进入窝眼和预充种空间。在实际工作时,种子靠自重充填在窝眼内随排种盘一起转动,依次经过清种、护种和投种,直至完成排种作业。1.轴孔 2.窝眼 3.排种盘图 3 排种盘结构图Fig.3 Seed plate structure diagram2.2 窝眼结构设计窝眼结构和尺寸是排种盘的关键结构,直接影响排种盘的取种性能。在充种过程中,排种盘和种子群之间处于相对运动状态,相对排种盘凸出来的窝眼在一定程度上能够搅动种子群,从而使种子群最底层的种子在自重和上方种子群的挤压作用下快速进入窝眼和预充种空间11-13。种子在单粒取种过程中的运动情况如图 4 所示。由图 4(a)可知:当窝眼运动至充种区域时,种子相对窝眼运动方向沿排种盘的切向进入,并与窝眼开口方向相反,能够提高充种性能;随着排种盘继续转动至清种区域时,预充种空间内多余的5612023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期种子掉落至存种室内,从而保证每个窝眼内只保留一粒种子,如图 4(b)所示。1.窝眼 2.种子 3.排种器壳体内壁注:A 为充种过程,B 为清种过程,v1为种子进入窝眼的速度方向,v2为多余种子从窝眼内清出运动方向,g 为重力方向,w 为排种盘转速方向。图 4 种子与排种器窝眼相对运动情况Fig.4 The relative movement of the seed and the socket of the seed metering device相关研究表明14:在窝眼式排种盘的径向开口方向形式的窝眼中,窝眼相对种子均径倍数为 1.51.7时,排种器排种的合格率最高。因此,本设计选取窝眼直径相对均径倍数为 1.6。为确定排种盘窝眼尺寸,选取常见大豆品种中黄13 种子作为试验材料,随机选取 100 粒进行测量。利用电子数显卡尺测量大豆的三轴尺寸(长 a、宽 b、厚c),测 得 种 子 的 长 均 值 为 8.9429 mm、宽 均 值 为7.3093mm、厚均值为 5.9934mm。由式(1)计算大豆种子的均径 d,即d=13(a+b+c)(1)其中,d 为种子均径(mm);a 为种子粒长(mm);b为种子粒宽(mm);c 为种子粒厚(mm)。测量结果为 d=7.4152mm,则窝眼直径应为 D=1.6d=11.8643mm。为方便加工,本设计选取窝眼直径为 12mm。d L 1.5d(2)L=12D+L1(3)其中,L 为窝眼深度。通过计算可得:7.4152L11.1228mm。本文选取 L=11mm,则 L1=5mm。2.3 窝眼分布排种盘的直径是排种器工作转速的重要设计参数,当播种机作业速度和株距要求相同时,排种盘的直径越大,相邻两个窝眼间距不变时,排种盘外径处能够分布的窝眼相对较多,此时所需排种器的转速相对较低;而排种直径增大的同时,排种器整体结构变大,在播种机上安装所需空间相对变大。直径过小,排种器在相同作业情况下所需转速较大,存种室空间也相对较小,易使种子群底层的种子不能及时进入窝眼或预充种空间,从而造成漏播。根据设计经验及相关研究6,大豆窝眼轮排种盘的直径范围为 120 140mm。为了顺利完成充种、清种,种子必须能够完全进入预充种空间内,相邻两个窝眼的间距应大于种子直径的 3 倍,故选取窝眼数量为 12 个、排种盘直径选取为 140mm。2.4 护种板起始角设计根据相关研究15-16,排种盘的窝眼完成充种后,在清种与护种过程中,预充种空间内存留的种子是否会随窝眼进入护种区域,与护种板的起始角有着重要关系,如图 5 所示。图 5 护种板起始角示意图Fig.5 Schematic diagram of starting angle of seed guard图 5 中,护种板的起始角分别为起角、终角。在清种过程中,预充种空间的种子依靠自重、窝眼内种子的支持力的共同作用下掉落至存种室。当起始角过小时,预充种空间内的种子尚未完全从掉落至存种室,而被窝眼及窝眼内的种子携带至护种区域,造成重播;当起始角过大时,窝眼内的种子尚未进入护种过程,种子在重力分力的作用下开始从窝眼内脱离,从而掉落至存种室,造成漏播。前期通过试验可知:当护种板的起角=175、终角=330时,可保证窝眼内只保留 1 粒种子。3 离散元仿真试验3.1 离散元仿真参数与模型构建根据大豆物理参数,将中黄 13 大豆种子的三轴尺寸作为种子的三维模型建模参数,采用多球面堆叠法进行种子建模,与种子模型轮廓较为吻合17。同时,在 SolidWorks 三维建模软件中对排种器进行简化6612023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期建模,去除非关键部件,并保存为.stl 格式,导入至EDEM2.6 软件中进行仿真。大豆种子与排种器仿真模型及仿真过程如图 6 所示。1.上种口 2.窝眼 3.壳体 4.轴孔 5.投种口 6.种子颗粒图 6 排种器简化模型及仿真过程图Fig.6 Simplified model of seed metering device and simulation process diagram在 EDEM2.6 软件中需对种子、排种器等进行相关参数设置,在仿真中的接触模型采用 Hertz-Mindlin 无滑动接触模型18,相关参数设置如表 1 所示。表 1 相关参数表Table 1 Related parameter table材料参数单位数值种子泊松比0.23剪切模量Pa6.3107密度kg/m31290壳体泊松比0.50剪切模量Pa3.5107密度kg/m31180种子-种子碰撞恢复系数0.30静摩擦因数0.39滚动摩擦因数0.17种子-壳体碰撞恢复系数0.47静摩擦因数0.49滚动摩擦因数0.15 将颗粒(种子)生成方式设置为动态,根据排种器的存种空间,设置生成的颗粒总数为 200 粒,生成速率为 5000 个/s,颗粒大小服从正态分布;参照表 1 设置颗粒半径,设置模拟时长 10 s,离散元仿真过程中设置固定步长为 4.6310-6 s,输出时间步长为 0.01 s。3.2 仿真试验与结果分析该排种器的最佳性能为每个窝眼内只保留 1 粒种子,即每次排种为单粒排种。根据相关要求19-20,排种器转速是影响排种器工作性能的关键因素之一。因此,试验选取排种器的工作转速为仿真试验的影响因素,即排种单粒率、重播率和漏播率为试验指标。根据相关文献17,排种器转速为 2040r/min,故设置排种器转速为 20、25、30、35、40r/min 在软件 EDEM2.6 中进行仿真。试验结果如图 7 所示。图 7 仿真试验结果Fig.7 Simulation test results由图 7 可知:当排种器转速为 20 r/min 时,单粒率、重 播 率 和 漏 播 率 分 别 为 94.61%、2.56%和2.83%;随着排种器转速的逐渐增大,排种单粒率呈现上升的趋势、重播率和漏播率均呈现下降趋势;当排种器转速为 30r/min 时,排种器的排种单粒率最高、重播率最低,此时单粒率为 96.67%、重播率为 2.25%、漏播率为 1.08%;随着排种器转速继续增大,排种单粒率呈现下降的趋势、重播率呈现升高的趋势、漏播率呈现下降趋势;当排种器转速为 40 r/min 时,排种器的单粒率、重播率和漏播率分别为 95.43%、3.74%和 0.83%。由仿真试验过程和结果可知:随着排种盘的转动,靠近窝眼及预充种空间的种子优先进入窝眼;当排种器转速过高时,窝眼预充种空间内多余的种子尚未完全掉落至存种室,而直接进入护种区域,造成排种器的重播现象。4 台架试验4.1 材料与方法为验证 EDEM 仿真试验的准确性,找出最佳参数,将设计的大豆侧窝排种器进行加工试制,安装在STB-700 排种试验台(中国农业大学研制)进行台架试验(河南农业大学机电工程学院农机试验室,20217612023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期年 10 月 21 日),并选取中黄 13 为研究对象。根据仿真试验结果可知:排种器转速在 35r/min与 30r/min 时的排种单粒率差异性较小,且排种器的工作效率更高。因此,在排种器台架试验验证时,设置排种器转速为 30、32、34、36r/min,对试验结果的单粒率、重播率和漏播率进行统计。4.2 结果与讨论台架试验结果如表 2 所示。由表 2 可知:当排种器转速为 30r/min 时,单粒率、重播率和漏播率分别为95.84%、2.37%和 1.79%,与仿真试验结果差异性较小;随着排种器转速的增大,排种单粒率呈现先上升后降低的趋势,重播率和漏播率呈现先降低后上升的趋势;当排种器转速为 32r/min 时,排种器的排种单粒率最高、重播率最小,此时单粒率为 96.21%、重播率为 2.13%、漏播率为 1.66%;当排种器转速大于 32r/min 时,排种器的单粒率降低、重播率上升,故确定该排种器转速的最佳参数为 32r/min。表 2 台架试验结果Table 2 Bench test results排种器转速/rmin-1单粒率/%重播率/%漏播率/%3095.842.371.793296.212.131.663496.082.461.463695.263.231.51 通过台架试验与仿真试验结果对比分析可知:两者之间存在一定误差,可能是由于在台架试验过程中排种器转动使得试验台出现振动等影响,导致进入窝眼及预充种空间的种子之间产生跳动;在排种器相同转速的条件下,台架试验中单粒率略低于仿真试验结果,但台架试验结果的所有指标均符合 GB/T 6973-2005单粒(精密)播种机试验方法中的标准21。5 结论1)在常见窝眼轮式大豆排种器的基础上,设计了一种大豆侧窝排种器,并对其关键零部件的结构和工作原理进行分析。利用 EDEM 软件对设计的排种器进行仿真,结果显示排种器转速对排种的单粒率、重播率和漏播率均有着重要影响。仿真结果中,排种器转速为 30r/min 时,排种器的单粒率、重播率和漏播率分别为 96.67%、2.25%和 1.08%。2)台架验证试验结果显示:当排种器转速为 32r/min 时,排种器的各项指标综合最优,排种器单粒率、重播率和漏播率分别为 96.21%、2.13%和 1.66%,均符合排种器排种标准。验证试验与仿真试验结果误差相对较小,即 EDEM 仿真软件可用于排种器的工作性能的分析,为排种器的设计与优化提供理论依据。参考文献:1 陈玉龙,贾洪雷,王佳旭,等.大豆高速精密播种机凸勺排种器设计与试验J.农业机械学报,2017,48(8):95-104.2 王业成,邱立春,张文娇,等.摩擦型立式圆盘精密排种器的设计与试验J.农业工程学报,2012,28(1):22-26.3 刘宏新,徐晓萌,郭丽峰,等.具有复合充填力的立式浅盆型排种器充种机理J.农业工程学报,2014,30(21):9-16.4 刘宏新,王福林.立式圆盘排种器工作过程的高速影像分析J.农业机械学报,2008(4):60-64,46.5 史嵩,张东兴,杨丽,等.气压组合孔式玉米精量排种器设计与试验J.农业工程学报,2014,30(5):10-18.6 安雪,余泳昌,付广超,等.电控窝眼轮式大豆排种器的设计与试验J.河南农业大学学报,2017,51(6):828-833.7 赵佳乐,贾洪雷,姜鑫铭,等.大豆播种机偏置双圆盘气吸式排种器J.农业机械学报,2013,44(8):78-83.8 贾洪雷,赵佳乐,郭明卓,等.双凹面摇杆式排种器设计与性能试验J.农业机械学报,2015,46(1):60-65,72.9马征,李耀明,徐立章.农业工程领域颗粒运动研究综述J.农业机械学报,2013,44(02):22-29.10 ZHOU H B,CHEN Y,SADEK M A.Modelling of soil-seed contact suing the discrete element method(DEM)J.Biosystems engineering,2014,121:56-66.11 刘彩玲,王亚丽,都鑫,等.摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器充种性能分析与验证J.农业工程学报,2019,35(4):29-36.12 廖庆喜,高焕文,臧英.玉米水平圆盘精密排种器型孔的研究J.农业工程学报,2003(2):109-113.13 顿国强,于春玲,杨永振,等.大豆育种排种盘型孔参数仿真优化与试验J.农业工程学报,2019,35(19):62-73.14 顿国强,陈海涛,查韶辉.基于 EDEM 的大豆窝眼轮式排种盘型孔参数优化与验证J.大豆科学,2016,35(5):830-839.15 凌轩,王旭东.花生播种机内侧充种式排种器设计与试验J.现代农业装备,2014(5):47-51.16 杨红光,杨然兵,尚书旗,等.内侧充种式花生精密排种器性能分析与破碎试验J.农业现代化研究,2017,38(2):360-366.17 顿国强,杨永振,郭艳玲,等.不同品种大豆种子充填特性的 EDEM 仿真分析J.河南农业大学学报,2019,538612023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期(1):93-98.18 LIU H X,GUO L F,FU L L,et al.Study on multi-size seed-metering device for vertical plate soybean precision planterJ.International Journal of agricultural&biological engineering,2015,8(1):1-8.19 杨善东,张东兴,刁培松,等.侧正压玉米排种器的设计与试验J.农业工程学报,2015,31(S1):8-13.20 王汉羊,陈海涛,纪文义,等.2BMFJ-3 型麦茬地免耕精密播种机排种器选型试验研究J.大豆科学,2013,32(2):257-261.21 中华人民共和国农业部.单粒(精密)播种机作业质量:NY/T 503-2015 S.北京:中国农业出版社,2015.Design and Experiment of Soybean Side Nest Seed Meter Based on EDEM Li Wei1,Xu Hao1,Li Xiaohong1,2,Li He2,Yu Yongchang2(1.School of Mechanical Engineering,Shangqiu Institute of Technology,Shangqiu 476000,China;2.College of Me-chanical and Electrical Engineering,Henan Agricultural University,Zhengzhou 450002,China)Abstract:In order to meet the current agronomic needs for precision single-seed soybean seeding,a soybean side nest metering device was designed,and its basic structure and working principle were analyzed.Taking Zhonghuang 13 seeds as the research object,the simulation software EDEM 2.6 was used to simulate the performance of soybean side nest me-tering device.The results showed that the speed of the metering device has an effect on the single seed rate and reseeding rate of seeding.When the rotation speed of the seed meter is 30 r/min in the simulation test results,the single seed rate,replay rate and missed seed rate of the seed meter are 96.67%,2.25%and 1.08%.The bench verification test results show that when the rotation speed of the seed meter is 32 r/min,the indicators of the seed meter are comprehensively op-timal,and the single seed rate,replay rate and missed seed rate of the seed meter are 96.21%,2.13%and 1.66%,the results are in line with the seed metering standard of the seed metering device.The results show that it is feasible to sue the EDEM software to analyze the working process of the soybean side nest seed metering device,which provides a theoretical basis for the design and optimization of the seed metering device.Key words:soybean;seed meter;side socket;EDEM9612023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期