基于仿真与试验的可变型孔立式复合大豆种盘参数优化

郭丽峰，刘宏新，贾　儒，刘俊孝（东北农业大学工程学院，哈尔滨　150030）



基于仿真与试验的可变型孔立式复合大豆种盘参数优化

郭丽峰，刘宏新*，贾儒，刘俊孝
（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

摘要：为提高立式排种器对种子尺寸适应性，增强机械式精密排种器市场竞争力，研究一种型孔径可变的复式种盘，并对其参数优化。设计由充种勺轮、导种轮、护种板和调节挡板组成的可变型孔立式复合种盘，只需定量改变调节挡板的调节间隙即可播种不同尺寸大豆种子。通过EDEM仿真及试验，优化得出该复合种盘型孔特征参数最优值，仿真优化得出种勺倾角θ的最优参数值为30°，种子尺寸范围4.5～6.0、6.0～8.0、8.0～10.5和10.5～13.0 mm时，对应的调节间隙d分别为0、2.5、3和5 mm。优化参数后的种盘经样机试验具有良好作业性能与种子适应性，可为该项技术产品转化设计奠定基础。

关键词：农业装备；立式种盘；可变型孔；EDEM仿真；参数优化

郭丽峰,刘宏新,贾儒,等.基于仿真与试验的可变型孔立式复合大豆种盘参数优化[J].东北农业大学学报,2016,47(3):64-71.

Guo Lifeng,Liu Hongxin,Jia Ru,et al.Parameter optimization of vertical compound soybean plate with variable hole based on the simulation and experiment[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(3):64-71.(in Chinese with English abstract)

我国大豆品种繁多，尺寸差异大[2-3]，为精密播种，一般机械式排种器均将种子按不同尺寸分级，并选择相应型孔尺寸排种盘，既增加成本，也造成使用不便。

排种盘的排种单元即型孔，其形状和几何尺寸，种子在型孔中排列状态和稳定程度，所排种子形状、尺寸均直接影响排种盘精确性[1]。于建群等研制一种组合内窝孔精密排种器[4]，适当选择充填孔和阶梯形内窝定量孔形状和尺寸，即可对不同品种玉米种子在不分级情况下精播；吴兆迁等设计一种可调式窝眼轮排种器[5]，通过改变窝眼体积改变播种量；宋井玲等设计一种型孔深度可变的排种器[6]，通过采用固定凸轮活销机构实现对不同形状和尺寸种子的适应性；汤楚宙等在偏心轮型孔轮式排种器的基础上[7]，研究一种由型孔轮和调节环组成的变容量型孔轮式排种器，该排种器型孔轮适用于包括油菜籽在内的各种小粒种子条播，且播量可无级调节；张宇文利用窝眼轮排种机构与外槽轮结合[8]，实现对大、中、小粒种子播种。

针对上述问题，在具有轴向尺寸小、结构简单、株距变异尺寸小[9-12]等诸多优点的立式复合种盘的基础上，将型孔设计为由充种勺轮、调节挡板和护种板组合而成的复式型孔，仅需轴向改变调节挡板位置即可实现对不同尺寸的大豆种子播种。

同时，为优化可变型孔结构参数，确定最佳档位位置及数量，充分发挥该型种盘技术优势。本文采用基于离散元法EDEM仿真[13-18]及样机试验展开深入研究，为该技术转化设计奠定基础。

1　排种盘结构和工作原理

1.1复合种盘结构

立式复合种盘组件及型孔结构如图1所示。

1.2工作原理

种子由输种管进入排种器充种腔后，在排种轴转动下进入由种勺5和调节挡板3组成的型孔中，如图1所示。充种勺轮4和导种轮1同轴旋转，当转至调节挡板3最顶端时，由于失去依托，种子依靠自身重力进入导种轮1上的导种轮槽中，在护种板2的保护下转到排种器最下端的投种口投种，如图2所示。通过改变调节挡板3与充种勺轮4之间的距离改变型孔深度，从而适应不同品种及尺寸大豆播种。

图1　立式复合种盘结构Fig.1 Structure of vertical compound plate

图2　立式复合种盘工作过程Fig.2 Working process of the vertical compound plate

2　可变型孔特征及参数

2.1结构参数

可变型孔立式复合种盘特征及参数如表1所示。各参数结构如图3、4所示。

2.2调节档位

由种子尺寸域的分布特点[3,19-20]，将种子根据等效直径分为以下4个区域：4.5～6.0、6.0～8.0、8.0～ 10.5和10.5～13.0 mm。通过改变调节挡板与充种勺轮之间的间隙d改变型孔尺寸。如图5所示。

各尺寸域种子对应调节挡板调节间隙范围如下：当种子尺寸范围4.5～6 mm时，调节间隙范围0 mm≤d1≤3 mm；当种子尺寸范围在6.0～8.0 mm时，调节间隙范围2 mm≤d2≤5mm；当种子尺寸范围8.0～10.5 mm时，调节间隙范围为3 mm≤d3≤8 mm；当种子尺寸范围10.5～13.0 mm时，调节间隙范围为5 mm≤d4≤12 m m。

3　EDEM虚拟仿真

排种器工作时，始终存在种子之间、种子与排种器之间的接触作用和种子群体运动过程[21-22]，基于离散元法的EDEM仿真可较好研究排种器工作性能[14]。采用EDEM虚拟仿真确定及优化种勺倾角θ，调节间隙d。

3.1模型建立及仿真参数选取

3.1.1设置全局变量

首先要选取合适的力学模型。转动件材料为尼龙，大豆颗粒之间，大豆颗粒和壁面之间受力采用Herz模型[23]。仿真参数设置如表2所示。

表1　可变型孔立式复合种盘特征及辅助参数Table 1 Feature and assist parameter of vertical compound plate with variable hole

图4　辅助结构Fig.4 Assist structure

图5　调节挡板与充种勺之间的间隙Fig.5 Clearancesketchbetweenadjust baffleand fillingspoon

3.1.2建立颗粒体模型

为真实模拟大豆形态，将大豆颗粒创建为四面体构型[14]，如图6所示。设置颗粒类型为正态分布。模拟器设置参考文献[14]。

3.2仿真试验及因素确定

影响排种盘作业性能的结构有种勺倾角θ和调节间隙d。分别以这些参数作试验因素，采用单因素方法确定种勺倾角θ最优值及对直径范围不同的大豆播种时调节间隙d。

表2大豆颗粒的物理力学特性参数Table 2 Physical and mechanical characteristic parameters of soybean particle

图6颗粒体模型Fig.6 Particle model graph

试验因素名称、标记、代号及水平域选择如表3所示。选择漏播指数和重播指数作响应函数，分别标记为yM、yD，响应指标具体名称及代号如表4所示。试验用大豆直径范围如表5所示。选取直径范围6～8 mm大豆，8 km·h-1作业速度展开试验。

试验因素水平编码见表6。各因素试验水平点分别标记为：

种勺倾角：θ-γ、θ-1、θ0、θ1、θ+γ；调节间隙：d-γ、d-γ、d-γ、d-γ、d-γ。

表3　试验因素标记及代号Table 3 Index and code name of experimental variables

表4试验响应指标及代号Table 4 Index and code name of experimental response

表5大豆直径范围Table 5 Soybean diameter range

表6　因素水平编码Table 6 Experimental variables & levels

3.3仿真结果及分析

3.3.1种勺倾角因素

①试验方案

取种勺倾角范围为25°～35°，水平增量为“2”；试验组编号：Single.θ.（di）。其中：

Single-单因素试验标记，括号内为试验组特征参数（下同）；θ-试验因素，本例为种勺倾角；di-试验组特征参数，本例为调节间隙（d-γ、d-γ、dγ、d-γ、d-γ）。

②试验结果

试验数据采集如表7所示。

③统计分析

排种器主要性能指标随种勺倾角变化情况见图7所示。

表7　种勺倾角因素试验数据采集表Table 7 Results of single θ(di)experiment

图7　种勺倾角因素Fig.7 Influence of angle of seed spoon

当调节间隙>3.5 mm时，重播指数显示为较大值，调节间隙为2 mm时，漏播指数显示为较大值。随着种勺倾角增大，漏播指数呈减小趋势，重播指数呈递增趋势。

3.3.2调节间隙因素

①试验方案

取调节间隙范围为2～5 mm，水平增量为“0.5”；试验组编号：Single.d.（θi）。其中：

d-试验因素，本例为调节间隙；θi-试验组特征参数，本例为种勺倾角（32°、30°、28°）。

②试验结果

试验数据采集如表8所示。

表8　调节间隙因素试验数据采集Table 8 Results of single d(θi)experiment

③统计分析

排种器主要性能指标随调节间隙变化情况见图8所示。

当调节间隙小于2.5 mm时，调节间隙越小，漏播指数呈增长趋势，调节间隙大于3.0 mm时，重播指数呈增长趋势。随种勺倾角增大，漏播指数和重播指数均呈增长趋势。

通过EDEM虚拟仿真分析影响排种盘作业性能参数，通过单因素试验确定种勺倾角的最优参数为θ=30°，对6～8 mm种子，调节间隙为d=2.5 mm，同时分别确定各尺寸域种子对应调节挡板调节间隙：当种子尺寸范围分别为4.5～6、6.0～8.0、8.0～10.5和10.5～13.0 mm时，调节间隙分别为0、2.5、3和5 mm。

图8　调节间隙因素Fig.8 Influence of adjusting depth

4　样机试制与试验

4.1样机试制

根据理论及仿真分析确定型孔形状、尺寸及适合尺寸域种子调节间隙展开样机试制及试验。为加快进度及减少样机加工成本，通过3D打印[24]制作充种勺轮、导种轮及护种板采用尼龙材料，并在对试验结果无影响前提下，以单腔单盘形式试制与试验，试验装置如图9所示。

选用JPS-12计算机视觉排种器性能实验台（哈尔滨博纳科技有限公司制造）作台架试验。试验过程如图10所示。试验数据采集及统计遵照国家标准“GB6973-86单粒（精密）播种机试验方法（Testing methods of Single seed precision drills）”[25]进行，每组试验重复3次以上，剔除明显异常数据并取均值。

图9　排种器样机Fig.9 Seed-metering device prototype

图10　样机试验过程Fig.10 Experiment process of prototype

4.2试验

以漏播指数（M）和重播指数（D）为目标函数，试验数据对照如表9所示。

表9　数据对照Table 9 Data adjustin

试验数据如表10所示。根据中华人民共和国机械行业标准“JB/T 10293-2001中耕作物精密播种机产品质量分等”[26]，由试验结果可知，各个档位在不同速度下符合株距≤10 cm时优等品评价标准[11]，从而证明理论分析结合EDEM虚拟仿真得出的结果真实可靠，这种可变型孔立式复合种盘可满足不同尺寸域大豆种子播种。

表10　样机试验结果Table 10 Results of prototype

5　结　论

a.可变型孔立式复合种盘种勺倾角θ最优值为30°，种子尺寸范围4.5～6、6～8、8～10.5和10.5～ 13 mm时的调节间隙d分别为0、2.5、3和5 mm。

b.可变型孔立式复合种盘在保持原型立式种盘高速作业能力基础上，无需更换零件，仅按照种子尺寸范围简单调节型孔深度，即可适应不同尺寸大豆的充种，调整简便、工作可靠。

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Parameter optimization of vertical compound soybean plate with variable hole based on the simulation and experiment

GUO Lifeng,LIU Hongxin,JIA Ru,LIU Junxiao(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Abstract:In order to improve the adaptation to seed size of the vertical plate,and enhance market competitiveness of the mechanical seed-metering device,a compound plate with variable hole was researched,and the parameters of the hole was optimized.The vertical compound plate with variable hole constituted by filling spoon,guide wheel,seed- shielding plate and adjust baffle.The objective of sowing with different sizes of soybean seeds was implemented only by quantitatively changing adjusting depth of adjust baffle.Optimized through the software EDEM virtual simulation,get the result that the optimal parameter value for the angle of seed spoon θ was 30°,when the seed size range ware 4.5-6.0,6.0-8.0,8.0-10.5,10.5-13.0 mm,regulating clearances d ware 0,2.5,3,5 mm respectively.The prototype was indicated that seed-metering device with optimum parameters had good operating performance and seed adaptability.

Key words:agricultural equipment; vertical plate; variable hole; EDEM simulation; parameter optimization

*通讯作者：刘宏新，教授，博士生导师，研究方向为现代农业装备、数字化设计技术、CAD & CAE。E-mail:Lcc98@neau.edu.cn

作者简介：郭丽峰（1986-），女，工程师，硕士，研究方向为农业机械化工程。E-mail:lifeng_guo@126.com

基金项目：国家自然科学基金项目（51275086）

收稿日期：2015-04-28

中图分类号：TH224；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1005-9369（2016）03-0064-08