型孔轮式排种器排种性能的仿真分析_基于离散元法

图 3 （ a） 为 10 000 粒油菜籽装入种子箱时的截 图。由图 3（ a） 可见： 籽粒随机落入种子箱的一个位 置，在重力、摩 擦 力、碰 撞 力 联 合 作 用 达 到 稳 定 状 态； 在型孔轮的上表面籽粒随机紧凑分布，测定充填的孔 隙率为 4． 19 × 10 －9 ； 图 3 （ b） 中的点线为型孔的轮廓 线，此时最上面的一排 3 个型孔分别有 3、4、5 粒种子 冲入型孔，第 2 排型孔有籽粒开始进入型孔； 到达图 3 （ c） 时，第 1 排型孔中籽粒从种子分离开来； 图 3 （ d） 显示第 1 排型孔完成充种过程。
1． 种量调节板 2． 内齿型孔轮 3． 清种毛刷
收稿日期： 2014 － 10 － 01 基 金 项 目： “十 二 五 ”国 家 科 技 支 撑 计 划 项 目 （ 2010BAD01B06，
2011BAD20B08） ； 现代农业产业技术体系建设专项（ CAＲS － 13） ； 国家农业科技成果转化资金项目（ 2011GB2D200001） ； 湖 南省政府重大专项（ 湘府阅［2014］35 号） 作者简介： 杨文敏（ 1986 － ） ，男，湖南慈利人，副教授，（ E － mail） xyh1968@ tom． com。
对离心式排种器和水平圆盘排种器的排种性能进行了仿 真分析［4 － 5］。心男基于 EDEM － FLUENT 耦合对气吹 式排种器 工 作 过 程 进 行 了 仿 真 分 析［6］。 本 文 基 于 离
响播种作业的质量。研究排种器的排种性能一般采 散元法对偏心型孔轮式油菜排种器排种过程进行仿
用理论分析和试验方法。油菜种子是生物质材料，个 真分析，研究种子箱中活动籽粒的分布规律，测定、考
体间的机械特性呈各向异性，理论分析时一般将油菜 查排种均匀性和各行排量一致性等性能参数，探明排
种子视为 各 向 同 性 刚 体，研 究 的 结 果 存 在 一 定 的 误 种量随型孔轮转速的变化规律，并进行试验验证。
差。试验研 究 时，需 要 制 造 出 排 种 器 样 机 和 试 验 装 置，特别是研 究 结 构 参 数 对 排 种 性 能 的 影 响 时，势 必
匀程度，是衡量作物田间分布质量的主要指标。一般 用每穴种子数的变异系数来衡量： 变异系数越小，表
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示每穴播量越均匀。仿真计算完成后，对每个型孔建
立一个选择集，统计型孔轮在回转 1 圈中每行每穴的
籽粒数 目。钢 质 型 孔 轮 在 仿 真 计 算 完 成 后，抽 取 1
圈，对每行每穴的排种量进行统计分析，如表 3 所示。
由表 3 可知： 排种均匀性变异系数随着型孔轮转速的
4． 壳体 5． 卸种板 6． 转轴 图 1 偏心型孔轮式排种器三维实体模型 Fig． 1 3D entity model of eccentric round hole － wheel seedmeter
工作时，转轴经小齿轮带动内 齿 型 孔 轮 转 动，种 子箱中的种子在重力、相互挤压力及型孔轮的搅动综 合作用下，充到型孔中并随型孔轮一起运转； 清种毛
单元组，可 以 统 计 出 从 型 孔 轮 开 始 转 动 到 仿 真 结 束 时，3 个投种口的每个时步的排种量和累计排种量。 图 5 为型孔轮以 20rpm 转过后 5． 2s 时 3 排型孔的累
图 6 分层网格单元组 Fig． 6 Stratified binning groups
4． 2 排种均匀性分析 排种均匀性是指种子在同一行内纵向分布的均
3 仿真计算及后处理分析
仿真计算分成两步进行： 先用 1． 2s 的时间生成 10 000 粒（ 40g） 油菜籽粒，添加到种子箱； 再在 1． 2 ～
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计排种量，从左至右分别为 81、76、80 粒。
4 结果与分析
图 3 充种过程截图 Fig． 3 Screenshot of a seed in feeding process
图 5 每行的排种量 Fig． 5 Screenshot of seeding amount in each row
图 4 籽粒的排种过程 Fig． 4 Screenshot of a seed motion processes
3． 2 排种量的测定方法 在型孔轮 3 排型孔的投种口分别设置一个网格
5 种 型 孔 轮 转 速 下 排 种 器 中 油 菜 籽 的 运 动 过 程 进 行 仿 真 分 析 。 同 时 ，录 制 籽 粒 囊 种 － 清 种 － 护 种 － 投 种 的 运
动轨 迹 ，探 究 种 子 箱 中 活 动 籽 粒 的 分 布 规 律 ，研 究 排 种 器 的 排 量 、排 种 均 匀 性 、各 行 排 量 一 致 性 和 型 孔 轮 转 速 之
表 1 材料的特性参数［9］ Table 1 Properties parameter of meterial
平均粒径 千粒质量 密度
剪切模量
特性参数
泊松比
/ mm
/g
/ kg·m － 3
/ Pa
油菜籽 钢
2． 0
4． 0
680
0． 28
/
/
7 800
0． 3
表 2 材料的接触参数 Table 2 Contact parameters of materials
1． 1 × 107 7． 0 × 107
图 2 离散元仿真模型 Fig． 2 DEM model of the seedmeter
3． 1 籽粒的排种过程分析 排种器的排种过 程 包 括 囊 种 、清 种 、护 种 、投 种 等
过程。将型孔轮以点线形式显示，仅截取种子箱局部 各关键时刻点的图片，如图 3 所示。
2 排种器的离散元模型的建立
油菜籽是散粒物 料，在 播 种 作 业 中 表 现 出 复 杂 的 运动和力学行为，适宜用离散元法来求解。油菜籽粒 表面光滑、无 粘 附 力、流 动 性 好，形 态 为 球 形，在 仿 真 计算中将其简化为硬球模型。排种作业时，籽粒和籽 粒之间、籽 粒 和 实 体 边 界 之 间 有 接 触 和 分 离 两 种 状 态。籽粒之间的物理机械特性呈各向异性，从统计意 义上看在特定范围内呈正态分布。籽粒之间、籽粒与 壳体和型孔轮之间的接触模型，选 用 Hertz － Mindlin 无滑动接触模型。试验用油菜籽为湘杂油 1613 号， 其物理特性参数及接触参数如表 1 所示。
接触参数
恢复因数
静摩擦因数 动摩擦因数来自籽粒与籽粒0． 6
0． 5
0． 01
籽粒与钢
0． 6
0． 3
0． 01
籽粒与塑料
0． 5
0． 5
0． 01
为减少计算量，对实体模型进行简化。省略与籽 粒没有直接 接 触 的 零 件，因 为 暂 不 研 究 籽 粒 与 外 壳 、 籽粒与卸种 板 的 作 用 力，将 外 壳 与 卸 种 板 联 成 一 体， 建立其内腔的表面模型； 型孔轮采用实体模型建立。 几何模型简化为由型孔轮和壳体两个零件组装而成 的装配体，两零件的材料为钢材。将几何模型导入离 散元软件 EDEM，设置好物理特性参数、接触参数、运 动参数，建立籽粒模型和粒子工厂，生成籽粒并充填， 得到离散元仿真模型，如图 2 所示。
为了呈现某粒种 子 完 整 的 排 种 过 程，将 排 种 器 壳 体透明显示，选定其中的 1 粒种子，设置以流线方式 显示，以不同的颜色代表籽粒的速度； 在后处理模块 中，录制排种图片和动画。
图 4 为 4770#籽粒经历的囊种—清种—护种—投 种的排种过程图。该粒种子在 1． 88s 时，进入第 3 排 的型孔； 在 2． 24s 通过清种毛刷； 2． 24 ～ 3． 22s 这一时 间段在型 孔 轮 和 护 种 环 的 联 合 作 用 下，完 成 护 种 过 程； 在 3． 26s 时从型孔中脱出、投种。逐桢播放动画， 可截取囊种、投种等关键时刻点的图片。
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型孔轮式排种器排种性能的仿真分析
杨文敏1，2 ，吴明亮1，2 ，何腾飞1，2
—基于离散元法
（ 1． 湖南农业大学 工学院，长沙 410128； 2． 湖南省现代农业装备工程技术研究中心，长沙 410128）
摘 要： 为 探 明 偏 心 型 孔 轮 式 排 种 器 适 宜 的 工 作 转 速 、降 低 试 验 成 本 ，建 立 型 孔 轮 式 排 种 器 的 离 散 元 模 型 ，对
4． 1 种子箱中种群运动分析 籽粒落到种子箱中，稳定状态时是 无 序 地、随 机
地分布在种子箱中，如图 3 （ a） 所示。随着型孔轮的 转动，紧贴型 孔 轮 外 表 面 的 籽 粒 在 摩 擦 力 作 用 下，随 着型孔轮 运 动，种 子 群 逐 渐 并 沿 圆 周 方 向 排 列 成 行 （ 见图 4） ） ； 充入型孔的种子由上面和两边的籽粒补 充入行，碰 到 清 种 毛 刷 的 籽 粒 被 反 向 刷 回 到 种 子 箱 内。为了研究种子箱中籽粒的运动情况，将种子箱中 的种子沿型孔轮的径向方向，由 内 向 外 每 隔 4mm 分 成 7 层（ 见图 6 ） ，统计每层中活动籽粒的数目（ 见图 7） 。由图 7 可知： 最内层型孔中的籽粒均随着型孔轮 在运动，由 内 向 外，活 动 的 籽 粒 数 目 越 来 越 少。第 4 层中活动的籽粒仅占 35% ，并且速度均低于 0． 048m / s。可见，型孔轮搅动的籽粒主要集中在靠 近 型 孔 轮 表面的内面 3 层，3 层以外被搅动的籽粒很少。
1 型孔轮式排种器的结构和主要参数
要制作一系 列 的 排 种 器，试 验 成 本 较 高、周 期 长。 随
型孔轮式排种器的结构如图 1 所示。
着计算机软件技术和硬件水平的提高，近年来有学者