基于EDEM的勺带式马铃薯排种器充种性能仿真研究

张涛 张万枝 陈志伟 王鑫海 徐颖 崔心杰

摘要：为提高勺带式马铃薯排种器充种性能，基于EDEM仿真软件建立了马铃薯离散元颗粒模型，通过跌落冲击试验与斜面法确定了马铃薯充种仿真试验关键参数;选取排种器倾斜角度、种勺运动速度以及供种速度进行单因素充种仿真试验。结果表明，当排种器倾斜角度75°、排种带速度0.5 m/s及供种速度15个/s时，充种性能最好，此时单粒充种比例为17.5%、2粒及2粒以上比例为83.5%、未充种比例为0。后续工作可在此基础上设计清种装置，以进一步增大单粒比例、减小多粒比例，更好地达到马铃薯精量播种要求。

关键词：马铃薯;排种装置;EDEM;仿真;排种效果

中图分类号： S223.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）12-0181-04

收稿日期：2020-11-10

基金项目：中国博士后科学基金（编号：2020M681690）;山東省自然科学基金（编号：ZR2019BC018）;山东省农业重大应用技术创新项目（编号：SD2019NJ003）;山东省现代农业产业技术体系薯类创新团队农业机械岗位专家项目（编号：SDAIT-16-10）;“十三五”国家重点研发计划智能农机装备（编号：2017YFD0700705）。

作者简介：张 涛（1998—），男，山东临沂人，硕士研究生，主要从事薯类机械设计。E-mail：1558935961@qq.com。

通信作者：张万枝，博士，硕士生导师，主要从事薯类机械理论与设计研究。E-mail：zhangwanzhi@163.com。

马铃薯是世界第四大粮食作物，但目前马铃薯种植机械化程度普遍不高，尤其是发展中国家机播率仅为30%。马铃薯种植是马铃薯生产的重要环节，其中排种器又是马铃薯种植机械的核心部件。目前勺带式排种器是世界上最常用的排种装置。勺带式排种器具有操作简便、播种均匀、可靠性和作业效率高等优点[1]，但也存在着漏种和重种等缺点。为了提高勺带式排种性能，国内外学者对其进行了相关研究。刘以昌针对勺轮式排种器传动复杂等问题开展了试验研究，研制了传动系统简单、排种性能更佳的垂直式勺轮排种器[2];吕金庆等学者针对传统排种器改进设计了双列交错式马铃薯排种器，对关键部件设计与优化，理论分析了主动轮和振动清种装置的性能特点[3];王希英等改进设计了双列交错勺带式马铃薯精量排种器，优化了双勺交错排种总成、主动驱动总成和振动清种装置结构参数[4-5]。目前相关研究主要是针对排种器结构进行优化改进，对关键部件和种薯间的相互作用研究较少。整个马铃薯排种过程可分充种、清种、携种、投种等环节，其中最重要的是充种环节。关键部件与种薯间的相互作用直接影响了马铃薯充种[6-9]。采用传统理论计算或试验法分析关键部件与种薯间的相互作用，费时费工。

离散单元法（Discrete Element Method，DEM）是目前一种比较新型的数值模拟仿真分析方法，主要用来分析比较复杂的运动规律和力学特征，在农业工程领域主要应用于土壤颗粒、小物料种子等方面的运动分析[10-11]。而鉴于马铃薯在排种过程中的运动也是属于散粒物料运动[12-14]，因此本研究在国内外研究的基础上，采用EDEM 软件对勺带式马铃薯排种器充种性能进行仿真研究，分析探讨排种器角度、供种速度以及排种带速度对充种性能的影响，以期为勺带式马铃薯精量排种器设计及优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 马铃薯离散元颗粒模型建立

选用华北和西北地区普遍适种的优质高产商品薯“荷兰十五”作为试验样本，选取质量为20～30 g 的马铃薯500粒。采用精度为0.02 mm的游标卡尺对马铃薯三轴尺寸进行测量，结果见表1。

由表1可见，马铃薯种薯的几何外形近似于椭球形，但其长轴两端大小并不相同。对于这种不规则椭球体， 本研究首先在EDEM中建立一个半径为

14 mm的球体作为颗粒中心;其次保持x轴、z轴方向基本不变，在y轴方向上一次生成8个半径大小不同的球体（表2），每个球体半径以及坐标位置均不相同，通过这种组合得到马铃薯颗粒模型（图1）。

1.2 充种性能仿真参数确定

充种是指种薯以一定速度从大种箱流向小种箱，然后种勺以一定速度向上舀取种薯。马铃薯属于散粒体，确定其与排种器间的力学特性参数对研究充种性能具有重要意义。马铃薯与排种器间的力学特性参数主要包括马铃薯-马铃薯间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数;马铃薯-种勺间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数以及马铃薯-种箱间的碰撞恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数。

1.2.1 碰撞恢复系数确定 采用跌落冲击试验法确定马碰撞恢复系数。碰撞恢复系数是两物体碰撞后的分离速度与碰撞前的接近速度的比值。试验中，设被撞物料静止不动，将马铃薯从高度为H处静止释放，马铃薯做自由落体运动与碰撞物体发生碰撞，然后被弹起，高度为h。根据能量守恒定律可得碰撞恢复系数计算公式为

Cr=（0-v1′）（v1-0）=2gh2gH=h/H。（1）

式中：g为重力加速度;v1为马铃薯碰撞前的速度;v1′为马铃薯碰撞后的速度;被撞物料速度始终为0;H为300 mm。

马铃薯碰撞恢复系数测定试验装置如图2所示，所采用设备有：高速摄像系统、自制跌落架、刻度纸、橡胶纸、塑料板、镀锌钢板。

分别测定马铃薯-马铃薯、马铃薯-塑料板、马铃薯-镀锌钢板的碰撞恢复系数。每种情况重复5次，取平均值，结果见表3。

1.2.2 摩擦系数确定 采用斜面法来测定马铃薯与塑料板、镀锌钢板间的摩擦系数，测量装置如图3所示。

初始时，马铃薯在斜面上静止，马铃薯受到的摩擦力为

Fs=μ2Gcosα。（2）

式中：Fs為摩擦力;μ1为静摩擦系数;G为马铃薯重力;α为斜面倾斜角。当α增大到一定值时，马铃薯有向下滑动的趋势;此时为滑动摩擦角，对应的滑动摩擦系数为

μ2=tanα。（3）

每种材料重复试验5次，最终测得结果见表4。

1.3 充种仿真模型建立

在Solid Works中建立马铃薯排种器三维模型（图4），设置排种带倾斜角度分别为90°、75°、60°等3种情况，分别导入EDEM中。在EDEM中种箱设置为镀锌钢板材料、种勺和排种带为塑料材料;马铃薯颗粒间及与排种器间的接触模型均采用Hertz-Mindlin无滑移模型;选定转动轴并在Dynamics选项卡中设置转速分别为0.4、0.5、0.6 m/s;在Factories模块中建立颗粒工厂，设定颗粒以动态方式生成; 其他参数设置见表5。 为保证仿真的连续性，设置时间步长为Rayleigth时间步长的20%，总仿真时间为20 s。在排种口处通过网格划分设置网格单元体，每次仿真结束均通过网格单元体对试验指标进行统计，为了便于观察，将种箱、导种管设置为网格显示。EDEM仿真模型见图5。

2 充种仿真及结果分析

2.1 充种仿真试验

选取排种器倾斜角度、种勺运动速度以及供种速度进行单因素充种仿真试验。通过调节排种带 moving plane运动速度控制其工作速度（0.4、0.5、0.6 m/s）;通过调节排种器整体倾斜角度控制取种舀勺角度（90°、75°、60°）;通过观察确定每个种勺里种薯是否为单粒、2粒及2粒以上或未充种等状态。参考 GB/T 6242—2006《种植机械马铃薯种植机试验方法》和 NY/T 1415—2007《马铃薯种植机质量评价技术规范》，选取马铃薯种薯单粒充种比例Y1、2粒及2粒以上比例Y2、未充种比例Y3等3个指标为试验考核指标。

Y1=n1N×100%;（4）

Y2=n2N×100%;（5）

Y3=n3N×100%。（6）

式中：n1为马铃薯种薯单粒充种数;n2为2粒及2粒以上充种数;n3为未充种数。充种仿真试验如图6所示。

2.2 结果分析

2.2.1 排种带倾斜角度对充种运移性能的影响 设定排种带倾斜角度分别为90°、75°、60°，保持排种带运动速度为0.4 m/s、供种速度为15个/s，结果见表6。由表6可见，倾斜角度60°时，种勺2粒及2粒以上充种比例最大（92.2%），但单粒充种比例较少（3.9%），同时存在未充种现象;倾斜角度90°时，种勺单粒充种比例最大（25%），但未充种比例也最大（11.5%）;倾斜角度75°时，种勺单粒充种比例为8.5%，2粒及2粒以上比例为91.5%，未充种比例为0，充种性能最优。结果也证实了英国农业工程研究所的 L·P·帕夫顿等提出的“‘零速投种并非要求种子落到地面时的水平分速度为零，种子落下时应该具有一定的垂直速度，但并不是90°时播种质量是最好的，而是投种角度在75°左右时最好，种子的平均位移最小”这一观点。

2.2.2 种勺运动速度对充种运移性能的影响 设定种勺运动速度分别为0.4、0.5、0.6 m/s，保持排种带倾斜角为75°、供种速度为15个/s，结果见表7。由表7可见，种勺运动速度为0.4 m/s时，单粒充种比例最低（8.5%），2粒及2粒以上充种比例最高（91.5%）;种勺运动速度为0.6 m/s时，单粒充种比例为10.4%，2粒及2粒以上充种比例为85.1%，但未充种比例为5.5%;种勺运动速度为 0.5 m/s 时，单粒充种比例最高（17.5%），2粒及2粒以上充种比例最低（83.5%），且不存在未充种现象，充种性能最优。

2.2.3 供种速度对充种运移性能的影响 当向种箱里倒入种薯速度过快时，一方面会在种箱内产生结拱的现象，影响播种效果;另一方面，也会因为倒入速度过快使种箱内存有大量的种薯，当种勺舀取种薯时会有多个马铃薯种薯被舀取，从而增加了2粒及2粒以上所占比例。设定供种速度分别为 12个/s、15个/s、18个/s，保持排种带倾斜角为75°、种勺运动速度为0.5 m/s，结果见表8。由表8可见，供种速度为12个/s时，单粒充种比例最大（21.5%），2粒及2粒以上比例最小（74.9%），但未充种比例为4.6%;供种速度为18个/s时，单粒充种比例最小（12.3%），2粒及2粒以上比例最大（87.7%），未充种比例为0;供种速度为15个/s时，单粒充种比例为17.5%，2粒及2粒以上比例为83.5%，与供种速度为18个/s时相比，单粒充种比例提高、2粒及2粒以上比例下降，充种性能最优。

3 结论

基于EDEM仿真软件建立了马铃薯离散元颗粒模型，通过跌落冲击试验与斜面法确定了马铃薯充种仿真试验关键参数。选取排种器倾斜角度、种勺运动速度以及供种速度进行单因素充种仿真试验。结果表明，当排种器倾斜角度75°、排种带速度0.5 m/s及供种速度15个/s时，充种性能最好，此时单粒充种比例为17.5%， 2粒及2粒以上比例为

83.5%，未充种比例为0。

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