基于EDEM的不同品种花生种子填充特性仿真与试验.pdf

引用本文格式钱凯，刘龙，刘道奇，等基于 EDEM 的不同品种花生种子填充特性仿真与试验 J农业工程，2023，13（5）：97-104 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.05.017 QIAN Kai，LIU Long，LIU Daoqi，et alSimulation and experiment of seed filling characteristics of different peanutvarieties based on EDEMJAgricultural Engineering，2023，13（5）：97-104基于 EDEM 的不同品种花生种子填充特性仿真与试验钱凯1，刘龙1，刘道奇1，孙千涛1，王东伟1,2，陈凯阳1，王剑文3，李秀杰1（1.河南省农业科学院长垣分院，河南省花生耕种收加工智能设备工程研究中心，河南 长垣 453400；2.青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266000；3.河南省农业技术推广总站，河南 郑州 450008）摘要：由于河南省种植的主要花生品种尺寸差异性较大，导致在同一排种器内排种合格率差异性较大，适应性较差，需要对不同品种花生种子在内充种式排种器中的填充特性和排种最佳转速进行研究。以豫花 37、豫花 65 和豫花 9326 为试验研究对象，测量种子的三轴尺寸，并计算分析其均径、变异系数和球度等主要参数的差异与分布情况。运用 EDEM软件对不同品种花生种子在内充种式排种器的填充特性进行模拟仿真试验，并对其试验结果进行分析。试验结果表明，豫花 37、豫花 65 在排种器转速为 25 r/min 时双粒率最高，填充性能最好，双粒率分别达到 83.89%、89.56%；豫花 9326 在排种器转速为 15 r/min 时双粒率最高，填充性能最好，双粒率为 81.99%。对豫花 37 号、豫花 65 号和豫花 9326 号花生种子在最佳排种转速条件下进行验证试验，结果表明，排种双粒率分别为 84.31%、89.75%和 82.17%，与仿真结果最大误差为 0.42 个百分点。该研究利用仿真试验对不同品种的花生种子在不同转速条件下进行试验，确定了最佳转速参数，通过对最佳参数进行验证试验并与仿真试验结果进行对比，在相同条件下两者之间最大误差为 0.42 个百分点，说明仿真试验可用于对排种器参数的设计与优化，提高其研发和研究进度，降低加工制造成本。同时，针对不同品种的花生种子应进行不同转速调整，以提高播种的质量。关键词：EDEM；花生；填充特性；内充种排种器；仿真分析中图分类号：S233.2文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）05-0097-08DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.05.017Simulation and Experiment of Seed Filling Characteristics ofDifferent Peanut Varieties Based on EDEMQIAN Kai1，LIU Long1，LIU Daoqi1，SUN Qiantao1，WANG Dongwei1,2，CHEN Kaiyang1，WANG Jianwen3，LI Xiujie1（1Changyuan Branch of Henan Academy of Agricultural Sciences，Henan Peanut Farming and Harvesting Processing IntelligentEquipment Engineering Research Center，Changyuan Henan 453400，China；2College of Mechanical and Electrical Engineering，Qingdao Agricultural University，Qingdao Shangdong 226600，China；3Henan Provincial Agricultural Technology PromotionStation，Zhengzhou Henan 450008，China）Abstract：To address large variability in size of main peanut varieties grown in Henan Province，which leads to a large variability inseed discharging qualification rate and poor adaptability in the same seed discharger，it is necessary to investigate filling characteristicsand optimal speed of seed discharging in internal seed filling type seed discharger for different varieties of peanut seedsUsing Yuhua 37，Yuhua 65 and Yuhua 9326 as experimental research objects，triaxial dimensions of seeds were measured，and differences and distribu-tions of their main parameters such as mean diameter，coefficient of variation and sphericity were calculated and analyzedThe EDEMsoftware was used to simulate filling characteristics of different varieties of peanut seeds during discharging process of internal seed fillingand discharging deviceTest results showed that Yuhua 37 and Yuhua 65 had the highest double seed rate and the best filling perform-ance at seed rower speed of 25 r/min，with double seed rate reaching 83.89%and 89.56%，respectively；Yuhua 9326 had the highestdouble seed rate and the best filling performance at seed rower speed of 15 r/min，with double seed rate of 81.99%Validation tests wereconducted on peanut seeds of Yuhua 37，Yuhua 65 and Yuhua 9326 under the best rower speed conditions，and results showed that 收稿日期：2023-01-09修回日期：2023-04-05基金项目：国家花生产业技术体系项目（CARS-13）；河南省科技攻关项目（212102110225）；河南省科技攻关项目（232102110302）作者简介：钱凯，硕士，实习研究员，主要从事农业机械化研究E-mail：李秀杰，通信作者，博士，研究员，主要从事作物保护研究E-mail：第 13 卷 第 5 期农业工程Vol.13No.52023 年 5 月AGRICULTURAL ENGINEERINGMay 2023double grain rate of rower seeds were 82.17%，84.31%and 89.75%，respectively，with a maximum error of 0.42%from simulation res-ultsUsing simulation tests on different varieties of peanut seeds under different rotational speed conditions，the best rotational speedparameters were determined，and the maximum error between them under the same conditions was 0.42%by conducting verification testson the best parameters and comparing them with simulation test results，indicating that simulation tests could be used for design and op-timization of seed rower parameters to improve its research and development and research progress and reduce processing and manufactur-ing costsMeanwhile，different speed adjustments should be made for different varieties of peanut seeds to improve quality of seedingKeywords：EDEM，peanut，filling characteristics，internal-seed-filled planter，simulation analysis 0引言提高花生播种的精密程度是推进我国花生种植规模化、产业化发展的重要措施之一1。目前市场上花生播种机普遍采用的是内充种式排种器，具有结构简单、工作可靠、适合大田播种等优点2-3。但由于不同地区种植的花生品种不同，对排种器的适应性不同，对排种器的排种盘满足不同花生种子的充种要求也不同。针对当地种植主要品种的花生种子的外形及尺寸测量分析，并对其在排种器内的填充性能进行研究。随着计算机技术的快速发展，数值模拟试验在农业机械领域的应用逐渐广泛4-8。刘明国等9、吕小莲等10、吕小荣等11对花生的基本物理参数进行了相关测定与试验，并分析得到了花生的三轴尺寸等之间的关系。王扬等12针对大豆在排种器中的应用，对其几何形状和尺寸参数进行了测量分析，提出了一种基于球填充的大豆籽粒建模方法。陈腾等13利用离散元法对内充种排种器在不同转速下的排种过程进行仿真试验分析，通过优化得到了排种器的最佳转速。顿国强等14利用EDEM 软件分析不同品种大豆的三轴尺寸、球度等因素对窝眼轮式排种器排种过程中的填充性能。陆永光等15通过对花生的物理参数进行相关测试，得到了花生籽粒恢复系数和滑动摩擦系数，为花生排种器的离散元仿真研究提供了一定的参考依据。鲍秀兰等16在排种器结构参数优化过程中，采用 EDEM 软件进行动态捕捉仿真，研究种子在其内部的运动状态，为排种器的优化设计提供了一定的参考思路。刘龙等17对内充种式排种器进行优化，设计了一种型孔可调式花生排种器，并利用 EDEM 软件进行仿真研究。以上分析研究，主要是将离散元法运用到排种器的排种性能分析研究当中，目前对于不同品种的花生种子在排种器内填充特性影响方面的研究较少。本研究通过针对不同品种花生种子的尺寸、球度等进行分析，利用离散元法对其进行充填仿真，来研究不同品种花生间的差异，以及品种差异、排种器转速对排种过程的影响，旨在为内充种花生排种器型孔的设计和优化提供理论依据。1材料和方法 1.1试验材料目前种子的分类方法较多，按照种子 4 种分类法，种子可以分为圆球形、椭球形、宾豆形和棉种状18。花生种子在形态分类上可以近似为椭球形，不同品种的花生种子之间具有一定的差异性，主要体现在种子形状和尺寸上的不同；即使是同一品种的种子在筛选后同样具有一定的差异性，尺寸也会存在一定的差异19。本研究以河南省农业科学院近年来主要培育、推广的花生品种为主，选取豫花 37、豫花 65 和豫花 9326 为研究对象，通过种子的尺寸探究不同品种之间几何特征的差异性，以及其在内充种式花生排种器的充填性能的差异及最佳转速。随机选取豫花 37、豫花 65 和豫花 9326 花生种子各 100 粒，百粒质量分别为 68.17、77.52 和 88.23 g。选用桂林量具刃具有限责任公司生产的电子数显游标卡尺（量程为 1150 mm，精度为 0.01 mm），对种子的尺寸参数（长 L、宽 W、厚 T）进行测量，测量方法如图 1 所示。图 1花生种子几何尺寸Fig.1 Geometric size of peanut seeds 对 3 个品种的花生种子长、宽、厚的测量数据进行分析，可得其极值、均值和标准差等参数，为在EDEM 软件内进行种子颗粒建模提供相关参数，如表 1 所示。花生种子的几何平均径计算公式为9Dg=（LWT）1/3（1）式中Dg花生几何平均径，mmL花生长度，mmW花生宽度，mm 98 农业工程设计制造与理论研究 T花生厚度，mm花生种子在均径方面的变异系数在一定程度上能够体现出花生种子均值上的离散程度。计算公式为C=SM100%（2）式中C变异系数S标准差M平均值球度在一定程度上能够体现出物料实际形状与球体之间存在的差异程度，球度数值越大，说明花生种子在实际形状方面越接近球体。花生种子的球度测定可为花生排种器的设计与优化提供理论依据。其公式为Sq=3LWTL100%（3）式中Sq花生种子球度，mm通过式（1）、式（2）和式（3）计算可得 3 个品种花生种子的均径、变异系数和球度，结果如表 2 所示。表 2数据参数Tab.2 Data parameters花生品种均径/mm均径标准差/mm均径变异系数球度/%豫花 3711.120.4800.04366.03豫花 6512.510.5900.04774.37豫花 932612.080.6990.05866.98 由表 2 可 知，在 球 度 方 面，豫 花 65 最 大（74.37%）、豫花 9326 次之（66.98%）、豫花 37 最小（66.03%）；在均径变异方面，豫花 9326 最大（0.058）、豫花 65 次之（0.047）、豫花 37 最小（0.043）。3 个品种中豫花 9326 花生种子的离散程度最大，即其长、宽、厚的差异性较大；豫花 65 的离散程度次之，豫花 37 最小的离散程度最小。1.2试验方法 1.2.1花生种子尺寸分析花生种子的三轴尺寸比例分布如图 2 所示。图 2花生种子几何尺寸分布Fig.2 Distribution of peanut seed geometric size 由图 2a 可知，长度尺寸中，豫花 37、豫花 65 和豫花 9326 种子都集中在 15.018.0 mm，其中豫花 37均径最小，豫花 9326 均径最大。由图 2b 可知，宽度尺寸中，豫花 37、豫花 65 和豫花 9326 种子都集中在9.010.5 mm，其中豫花 37 均径最小，豫花 65 均径最 表 13 个品种花生种子尺寸分析结果Tab.1 Size analysis results of 3 peanut varieties seeds指标花生品种最小值/mm最大值/mm均值/mm标准差/mmL豫花 3713.4318.2916.070.924豫花 6515.0519.3616.441.105豫花 932615.2319.8917.270.966W豫花 378.1810.989.370.564豫花 659.8811.9711.100.612豫花 93269.1511.3710.060.572T豫花 376.569.787.910.689豫花 658.9810.469.970.538豫花 93267.7710.188.920.568 钱凯等：基于 EDEM 的不同品种花生种子填充特性仿真与试验 99 大。由图 2c 可知，厚度尺寸中，豫花 65 和豫花 9326种子都集中在 8.59.0 mm，其中豫花 37 均径略小。3种花生种子的长、宽、厚都符合正态分布，并且通过图 2b 与图 2c 对比分析可知，豫花 65 的球度略大于豫花 37 和豫花 9326 种子，与表 2 对花生种子球度分析基本一致，豫花 65 种子的球度最大。1.2.2离散元中建模与参数设置根据表 1 和表 2 选取每个品种花生种子的长、宽、厚均值分别作为种子的三轴三维建模参数，首先利用SolidWorks 软件根据实际花生种子的三轴尺寸建立三维模型，再导入 EDEM 2.6 软件中20-21。该研究主要针对 3 种不同品种的花生种子进行仿真研究，采用多个球面进行填充至与种子模型外轮廓较为吻合的颗粒，如图 3 所示。图 3花生种子三维模型与实物对比Fig.3 Comparison of three-dimensional model and real object ofpeanut seeds 将排种器的材料属性设置为 ABS 材料，与实际所用的排种器材料一致，有相关研究表明，花生种子与ABS 材料的泊松比、剪切模量和密度均为定值，相关参数如表 3 所示。表 3参数的选取Tab.3 Selection of parameters材料参数数值花生种子泊松比0.300剪切模量/MPa5.72密度/（kgm3）1 030排种器泊松比0.394剪切模量/MPa790.00密度/（kgm3）1 050种子与种子碰撞恢复系数0.60静摩擦系数0.42滚动摩擦系数0.06种子与排种器碰撞恢复系数0.50静摩擦系数0.30滚动摩擦系数0.03 将颗粒生成方式设置为动态，根据实际排种器内存种室的大小设置生成颗粒总数为400，产生速率为5 000个/s，其中颗粒尺寸大小设置为正态分布，参照表 1 设置种子模型尺寸的标准差（豫花 37、豫花 65、豫花9326）。设置模拟时长为 20 s，仿真过程中设置固定步长为 3.64105 s。为提高计算机的仿真速度，降低仿真所需的时间，以天艺公司生产的内充种式花生排种器（双粒）为模型，利用 SolidWorks 软件建立简化后的模型导入到EDEM 中。对 EDEM 中模型的零部件进行重新命名（便于后期参数的输入），并设置排种器的材料属性。简化后的内充种排种器由排种盘、刮种板、清种毛刷和外壳组成，其中以排种盘作为转动件，其余均为固定件，如图 4 所示。1.清种毛刷2.外壳3.排种盘4.刮种板5.种子图 4内充种排种器简图与仿真过程Fig.4 Filling seed metering device and simulation process 2结果与分析 2.1仿真结果影响排种器种子填充性能最大的两个因素为种子品种和排种器转速，将 3 个品种（豫花 37、豫花 65、豫花 9326）花生种子模型分别作为不同的仿真颗粒进行离散元仿真。以花生品种和排种器转速为因素，试验过程中以每次排种颗粒的个数结果为指标进行仿真，每组仿真重复 3 次。根据试验结果，对每组试验中的种子数进行统计分析，如图 5 所示。2.2仿真结果分析 2.2.1填充结果与品种差异之间的关系花生品种不同，种子的尺寸、球度均有所差异，由表 1 可知，豫花 65 的球度最大，豫花 9326 球度次之，豫花 37 球度最小。双粒率为合格率，通过对表 1和图 5 分析，在排种器转速相同下，填充性能不同，其中豫花 65 在排种器内的双粒率最高，填充效果最好，此时排种器转速为 25 r/min；豫花 37 在 3 个品种中尺寸最小、球度略小（与豫花 9326 球度相近），多粒率最大，填充效果次之；豫花 9326 尺寸最大，球度较小，空穴率和单粒率均高于豫花 65，填充效果最差。通过花生种子的球度、尺寸综合分析，该 3 种花生种子在 100 农业工程设计制造与理论研究 同一转速条件下，尺寸、球度不同的花生种子的填充特性有所差异。2.2.2填充结果与排种器转速的关系排种器转速是影响种子填充性能的关键因素之一，较好的填充性能能够提高排种器的排种合格率，从而提高播种质量20-21。豫花 37、豫花 65、豫花 9326 花生种子在不同转速下 515 s 内的填充结果如图 6、图7 和图 8 所示。由图 6 和图 7 可知，豫花 37、豫花 65 在转速达到25 r/min 之前双粒率也随之增大，均匀性越来越好；该2 种花生种子在转速为 25 r/min 时双粒率最高，同时排种均匀性也最好，此时豫花 37 号双粒率为 83.89%、豫花 65 号双粒率为 89.56%；当转速超过 25 r/min 时，双粒率及均匀性有所下降，在 30 r/min 时排种均匀性及双粒率相对 25 r/min 有明显降低。由图 8 可知，豫花9326 种子在排种器转速达到 15 r/min 之前双粒率逐渐增大，排种效果越来越好；当排种器转速为 15 r/min 时，排种效果最好，此时双粒率为 81.99%；当排种器的转速15 r/min 时排种效果有所下降，排种器转速越大，排种效果越差。对 3 个品种花生种子在排种器内的填充性能对比分析发现，对于不同品种的花生种子在不同的转速下填充性能有一定的差异，在播种时应根据实际播种品种进行调整转速。3验证试验 3.1材料与方法为验证 EDEM 仿真试验的准确性，将设计的种窝可调式内充种花生排种器进行加工试制，台架验证试验于 2022 年 9 月 21 日，在河南省花生耕种收加工智能设备工程研究中心的土槽试验台（河南省农业科学院长垣分院自制）上进行试验。根据上述 EDEM 仿真试验结果，随机选取 3 个品种的花生种子各 200 粒，试验选取豫花 37 和豫花 65（排种器转速 25 r/min）、豫花 9326（排种器转速15 r/min）为试验因素进行试验。在排种器稳定排种阶段连续测量 50 粒的排种效果为 1 组试验，每组重复3 次，测量 3 次取平均值。更换花生种子品种时，及时记录统计双粒率、单粒率和重播率。3.2结果分析排种器排种性能验证试验结果可知，在排种器转速为 25 r/min 时，豫花 37 和豫花 65 花生种子的排种双粒率分别为 84.31%和 89.75%；在排种器转速为 15 r/min时，豫花 9326 花生种子的排种双粒率为 82.17%。将验证试验结果与仿真结果进行对比，3 个品种之间的误差分别为 0.42、0.19 和 0.18 个百分点，说明排 图 5不同花生种子和不同转速下的仿真结果Fig.5 Simulation results of different peanut seeds and different speeds 钱凯等：基于 EDEM 的不同品种花生种子填充特性仿真与试验 101 图 6豫花 37 填充结果与排种器转速的关系Fig.6 Relationship between filling results of Yuhua 37 and rotationspeed of seed metering device 图 7豫花 65 填充结果与排种器转速的关系Fig.7 Relationship between filling results of Yuhua 65 and rotationspeed of seed metering device 102 农业工程设计制造与理论研究 种器性能验证试验与 EDEM 仿真之间存在一定误差。主要可能是排种器在排种轴转动的作用下引起振动，使种子在充种和清种过程中造成一定影响，从而引起一定误差，最大误差为 0.42 个百分点，说明仿真试验对排种器的设计有较好的应用意义。4结束语（1）对不同品种花生种子进行的测量数据分析可知，豫花 37、豫花 65 和豫花 9326 种子长、宽、厚分别集中在 15.018.0、9.010.5 和 7.59.0 mm，其中豫花 37 长均径最小，豫花 9326 长均径最大；豫花 37宽均径最小，豫花 65 宽均径最大；豫花 37 厚均径最小，豫花 65 厚均径最大。3 种花生种子的长、宽、厚都符合正态分布，豫花 65 的球度（74.37%）略大于豫花 37（66.03%）和豫花 9326（66.98%）；在均径变异方 面，豫花 9326（0.058）离 散 程 度 最 大、豫 花65（0.047）离散程度次之、豫花 37（0.043）离散程度最小。（2）运用 EDEM 软件对不同品种的花生种子在内充种式排种器的填充特性进行仿真试验。试验结果表明，不同品种的花生种子在不同的转速下，在排种器的填充性能有着一定的差异，其中豫花 37、豫花 65 最佳排种转速为 25 r/min，双粒率最高，填充性能最好，双粒率分别为 83.89%、89.56%；豫花 9326 种子在排种器转速为 15 r/min 时双粒率达到最高，填充性能最好，双粒率为 81.99%。（3）对豫花 37 号、豫花 65 号和豫花 9326 号花生种子在最佳排种转速条件下进行验证试验，结果表明，排种双粒率分别为 84.31%、89.75%和 82.17%，与仿真结果最大误差为 0.42 个百分点。参考文献 李洪昌，高芳，赵湛，等国内外精密排种器研究现状与发展趋势J中国农机化学报，2014，35（2）：12-16，56LI Hongchang，GAO Fang，ZHAO Zhan，et alDomestic and over-seas research status and development trend of precision seed-meteringdeviceJ Journal of Chinese Agricultural Mechanization，2014，35（2）：12-16，561 刘恩宏，吴家安，高明宇我国精密播种机械的现状及发展趋势J现代化农业，2016（10）：60-612 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）：360-366YANG Hongguang，YANG Ranbing，SHANG Shuqi，et al Per-formance analysis and damaging experiment in inside-filling peanut pre-cision metering deviceJ Research of Agricultural Modernization，2017，38（2）：360-3663 王金武，唐汉，王奇，等基于 EDEM 软件的指夹式精量排种器4 图 8豫花 9326 填充结果与排种器转速的关系Fig.8 Relationship between filling results of Yuhua 9326 and rotationspeed of seed metering device 钱凯等：基于 EDEM 的不同品种花生种子填充特性仿真与试验 103 排种性能数值模拟与试验J农业工程学报，2015，31（21）：43-50WANG Jinwu，TANG Han，WANG Qi，et alNumerical simulationand experiment on seeding performance of pickup finger precision 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