基于离散元的排种器振动对大粒径作物种群的影响

陈　晨，赵满全,张　涛，吕　冰，刘　飞

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



基于离散元的排种器振动对大粒径作物种群的影响

陈晨，赵满全,张涛，吕冰，刘飞

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：排种器工作效果受种群运动情况的影响较大，而振动则直接影响种群运动。为此,运用离散元软件模拟排种室内大豆种群(充种2 600粒左右)的运动，在排种盘转速为54r/min、排种器整体振动频率为14Hz情况下，振幅分别为0、1、2、3、4、5mm时，分析了振幅对排种室内种群运动的影响。通过软件后处理模块得到2~5s稳定状态内若干时间点的种群平均速度和种群所受压力。利用ORIGIN软件得到种群速度和受力同振幅的拟合曲线，结果表明：种群平均速度随排种器振幅增大而提高，种群所受压力随振幅增加而先降低后升高。本次仿真试验为室内排种试验振幅的选择提供了可靠依据。

关键词：离散元；振动；仿真；大粒径作物；排种器

0引言

免耕播种机是现代农业中的关键设备，如果在耕作过程中地表存在着大量秸秆、根茬，则对免耕播种机性能的要求会更高[1]。对于免耕播种机而言，由于地表存在根茬，所以地表不平度成为了影响机具播种效果的重要因素，使机具工作时受到较大的振动。只有当排种器内作物种群的各项参数处于适当范围，才能更好地实现精密播种[2]。

散粒体动力学理论表明：适当的振动可以使散粒物料稳定均匀运动，当散粒物料达到一定速度时，其流动性较好。所以，如果使排种器内作物种群速度处于合适范围，排种性能将会提高。

1排种器及仿真软件介绍

1.1　气吸式排种器原理及结构介绍

气吸式排种器一般分为垂直圆盘式和滚筒式：滚筒式由于性能不稳定而未被广泛使用；垂直圆盘式排种性能优越，被广泛应用于精密播种机上[3]。

气息排种器工作时，由高速风机产生负压，传给排种单体的真空室；排种盘转动时，在风机产生的负压的作用下吸附种子，带动其随排种盘一起转动，当种子转出真空室后，负压消失，靠自重自由下落[4]。其结构如图1所示。

1． 排种盘　2． 种子室　3． 真空连接管　4． 真空室壳体

1.2　离散元法介绍

离散元法是解决不连续介质问题的数值模拟方法，主要计算大量颗粒在给定条件下如何运动。其基本原理是将研究对象划分为一个个相互独立的单元，根据单元之间的相互作用和牛顿运动定律，采用动态松弛法或静态松弛法等进行循环迭代计算，确定在每一个时间步长内所有单元的受力位移并更新所有单元的位置。应用离散元模拟，可以得到在真实试验中难以测量的物理量[5]。

其计算流程可以分为以下几步：①建立所需要模型并产生颗粒; ②接触探测;③确定接触类型; ④考虑其他相互作用力;⑤考虑种子和边界间的相互作用;⑥计算中的受理、加速度;⑦更新颗粒速度、坐标;⑧保存数据;⑨分析处理。

2三维模型的建立及软件设置

2.1　仿真所需三维模型的建立

测量若干粒大豆种子的高度、宽度、厚度，取均值，长宽厚均处于6~7mm之间。用SolidWorks软件创建模型，将其导入到离散元软件作为颗粒创建模板，如图2所示。

图2　大豆三维模型

2.2　模拟方法以及物料参数

根据田间测试以及室内试验得出的排种效果最优的排种盘转速为54r/min，排种器振动频率为14Hz，设置振幅分别为0~5mm，做6次仿真，从而得到各个时刻种群平均速度和所受的压力值[6~7]。

颗粒与颗粒接触、颗粒与排种器的接触都选用hertz-mindin(no slip)but in接触模型。模拟材料包括种子、钢板和有机玻璃，查阅文献得知所需各项物理参数如表1、表2所示[8-10]。

表1　物料物理参数

表2　物料间的接触参数

2.3　几何体以及颗粒工厂的设置

将排种器模型导入后，合并为4部分：前壳体、后壳体、搅种轮和排种盘，前壳体和搅种轮材质为塑料，后壳体和排种盘材质为钢。设置种子总量为2 600粒,仿真时间步长为0.000 1s，每0.01s记录一次数据，设置网格尺寸为3.08mm。仿真总时间为4s，1s内完成充种，1s后开始运动仿真[11-13]。仿真运动4s后玉米种群运动状态如图3所示。

图3　大豆种群运动状态

3仿真结果及处理

3.1　仿真结果

由离散元软件后处理模块得到运动较平稳阶段内若干时间点的种群平均速度；将所有时刻的速度值导出为CSV格式数据，利用ORIGIN得到曲线[14-15]。为了更直观方便地进行比较，将6条曲线整合到同一坐标下，结果如图4所示。

图4　大豆种群运动速度

图4分别为排种器振幅是0、1、2、3、4、5mm时种群运动速度，得出从0~5mm的6个振幅下的种群平均速度分别为：0.029 76、0.084 55、0.153 72、0.191 18、0.247 61、0.285 17m/s。由图4中曲线可以看出：振幅为0或较小时，种群速度较小，且速度波动范围较小；随着振幅增加，种群整体的速度变化范围也变大。

同理，得到种群所受压力，如图5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

图5中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为0~5mm振幅下种群在2~5s稳定状态内所受压力值的曲线图。其平均值分别为：0.046 282、0.042 086、0.036 368、0.035 341、0.037 138、0.036 239N。由图5可以看出：振幅增大，压力先减小后增加，且从最大值突变到最小值的时间越来越短，即波动越来越剧烈。

3.2　速度值、压力值同振幅的二次曲线拟合

通过QRIGIN软件得到种群平均速度和振幅的拟合曲线方程如下：V=0.051 53X+0.036 5。其拟合程度较好，且拟合相关系数R2=0.93，如图6所示。

图6　种群平均速度与振幅的拟合曲线

由图6可知：大豆种群平均速度与排种器振幅呈线性变化；随着振幅的增大，种群平均速度增大，直线斜率约为0.051 53。

通过QRIGIN软件得到种群所受压力与振幅的拟合曲线方程为

F=0.0467-0.0075x-3+0.00163x-2-

1.062×10-4x。

其拟合相关系数R2=0.877，如图7所示。

图7　种群平均速度与振幅的拟合曲线

由图7可知：大豆种群所受压力随振幅的增大先减小后增加，呈三次曲线的关系，拟合程度较好；在振幅为3mm时，种群受到的压力值较小。

4结论与讨论

4.1　结论

1)大豆种群速度与排种器振幅呈正比例变化，随着振幅增大，种群速度也随之变大；种群所受压力随振幅的增加呈现先减小后增加的趋势。

2)利用离散元软件模拟相同频率不同振幅下排种室内种群运动，用种群平均速度和所受压力评价种群运动的情况，为免耕播种机室内排种试验提供依据，为播种机关键部件的优化、改进提供了参考。

4.2　讨论

1)对一定数量的大豆种子进行测量，创立三维模型，再导入离散元软件作为粒子创建的模板，会提高模拟试验数据与真实数据的接近程度。但将种子近似为球体，导致仿真种子和实际种子在物理特性上具有一定的差别，所以为了得到更接近实际情况的仿真效果，必须创建更接近实物的三维模型。

2)影响种群运动的因素是很多的，包括排种盘转速、气吸室负压及种子数量等，应该综合考虑其他因素的影响，才能更准确地得出种群的运动规律。

参考文献：

[1]高焕文,李洪文,姚宗路.我国轻型免耕播种机研究[J].农业机械学报,2008(4):78-82.

[2]赵满全,佘大庆,王春光,等.免耕播种机试验与应用研究[J].农机化研究,2006(5):134-138.

[3]赵湛,李耀明,陈进,等.气吸滚筒式排种器吸种过程的动力学分析[J].农业工程学报,2011(7):112-116.

[4]刘月琴,刘汉涛,赵满全,等.气吸式免耕播种机排种装置的振动试验分析[J].农机化研究,2015,35(4):145-149.

[5]颜辉,何昀.离散元法的应用研究[J].吉林工商学院学报,2008(3):86-90，98.

[6]张涛,刘飞,刘月琴,等.离散元模拟外槽肥器排量分析[J].农机化研究,2015,37(9):198-201.

[7]叶勇,徐西鹏.三种离散单元建模方法仿真脆性材料切削的比较研究[J].中国机械工程,2010(23):2830-2835.

[8]汤庆,吴崇友,吴俊,等.谷物清选CFD-DEM耦合模拟研究[J].农机化研究,2015,37(1):35-38.

[9]刘建英,张鹏举,刘飞.离散元模拟导种管高度对排种性能的影响[J].农机化研究,2016,01:12-16.

[10]李菊,赵德安,沈惠平,等.基于输入优选的三维并联振动筛输出特性分析[J].中国机械工程,2014,14:1852-1857.

[11]杨文敏,吴明亮,何腾飞.型孔轮式排种器排种性能的仿真分析——基于离散元法[J].农机化研究,2015,37(10):34-39.

[12]刘海涛,杨望,杨坚,等.电磁振动排种器机电磁联合仿真研究[J].农机化研究,2014,36(3):32-34.

[13]于亚军.基于三维离散元法的玉米脱粒过程分析方法研究 [D].长春：吉林大学,2013.

[14]刘俊鹏.料仓和回转机械卸料过程的离散元仿真模拟[D].上海：华东理工大学,2013.

[15]刘振宇.基于离散元法的精密排种器分析设计软件开发研究[D].长春：吉林大学,2004.

Based on the Discrete Element Method of Gas Suction Seed Metering Device Vibration on the Influence of the Large Size Crop Species: Soybeans

Chen Chen，Zhao Manquan, Zhang Tao，Lv Bing，Liu Fei

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Abstract：Air suction seed metering device performance is strongly influenced by the population movement, while vibration directly affect the population movement. In this paper, using the discrete element software to simulate row of kind of indoor soybean population (about 2600 grain filling) movement, in the row of kind of plate speed for 54 r/min, the whole vibration frequency for metering device 14 hz case, amplitude respectively 0, 1 mm, mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, analyzed the amplitude effect on seed indoor population movement. Is obtained by software post-processing module 2 s to 5 s at some time point in the stable state of population average speed and population pressure. Populations are obtained by the ORIGIN software speed and force with the amplitude of the fitting curves, the results show that the average speed of population and the metering device amplitude linear change, population pressure and the amplitude of a linear relationship. The simulation test for indoor seed experiment provides reliable evidence for the selection of amplitude.

Key words：discrete element； vibration； simulation； large size crop； metering device

中图分类号：S223.2；S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0214-05

作者简介：陈晨(1993-)，男，山西忻州人，硕士研究生，(E-mail)564474940@qq.com。通讯作者：赵满全(1955-)，男，内蒙古土右旗人，教授，博士生导师，(E-mail)nmgzmq@yahoo.com.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51365034)；中国博士后科学基金项目(2014M552532XB)；内蒙古自治区专利实施计划项目(20140185)；内蒙古农业大学科技创新团队项目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-10-19