基于EDEM的谷子电磁直线振动式排种器仿真与分析

张燕青，崔清亮，孙 灯，来思彤，李 浪，闫 帅

（山西农业大学农业工程学院，山西 太谷 030801）

谷子是中国特色杂粮作物，其种子粒小质轻，传统机械条播存在播量大、播种不均匀等问题[1-2]。排种器是播种机的核心部件之一。针对谷子机械化播种难题，课题组依据电磁振动输送物料技术和理论，研制了电磁直线振动式谷子精少量排种器。该排种器可一器多行排种、工作效率高；由调速装置无级调节排种量，无需复杂机械传动系统，结构简单且调节方便[3-4]。但因振动排种过程复杂，现有排种器仍存在排量均匀稳定差的问题。

离散单元法是根据分子动力学原理提出的一种颗粒离散体物料分析方法，可通过模拟散体物料加工处理过程中颗粒的行为特征，为各类散料加工、处理设备的设计和优化提供一定的参考[5]。基于离散元分析方法，近年来众多学者开展了水稻、小麦、花生排种器排种性能的分析研究，获得了排种器最佳工艺技术参数[6-8]。为了提高谷子电磁直线振动排种器的排种均匀性和稳定性，本文基于离散元分析软件EDEM 建立了排种器和谷子种子的仿真模型，模拟了不同振动特性参数下排种器运动特性变化规律，获得了适合谷子种子排种的最优振幅，可为提高电磁直线振动式排种器排种均匀稳定性及其优化设计提供参考。

1 电磁直线振动排种器结构与工作过程

电磁直线振动式排种器主要由种箱、种子缓存槽、排种板、导种管、电磁直线振动输送器、调压控制器、种箱支架和固定底座等零部件组成[4]，如图1所示。

图1 排种器组成Fig.1 The composition of seed metering device

电磁直线振动排种器工作时，种箱内的种子在重力作用下通过种箱下部的出种口落入种子缓存槽内，在电磁直线振动输送器的振动作用下，种子通过缓存槽的底部进入到排种板的排种槽内，并在排种槽内均匀连续排列，被直线输送至导种管，从而实现排种作业。排种速度及排种量由调压控制器改变排种板振动速度来实现无级调节[4]。

2 EDEM仿真试验前处理

2.1 接触模型选取及材料的添加

在全局设置（Globals）标签中需要对颗粒与颗粒，颗粒与边界的接触模型进行选择。EDEM 中主要接触模型有Hertz-Mindlin 无滑动接触模型、Hertz-Mindlin 黏结接触模型、线性黏附接触模型、运动平面接触模型、线弹性接触模型和摩擦带电接触模型等[9]。谷子种子含水率一般在11%左右，表面黏附力小；种箱、种子缓存槽、排种板材料皆为有机玻璃，表面平整光滑且黏附力小，该排种器主要接触关系为种子与种子的接触以及种子与有机玻璃的接触，故接触模型皆选择Hertz-Mindlin 无滑动接触模型。根据导入的几何模型来设置重力加速度的大小及方向，该仿真重力加速度的方向为y轴，大小为-9.81 m/s2。

EDEM 仿真时需要设置仿真颗粒和排种装置的材料属性。EDEM 软件中有常用材料库，用户也可以自定义所需材料。仿真中主要用到2 种材料，包括谷子种子和排种装置所用材料有机玻璃，在Materials 对话框中创建以上2 种材料。参考国内学者的研究成果，材料参数设置如表1所示[10-11]。

表1 （与种子）材料参数表Fig.1 The composition of seed metering device

排种过程中，种子与种子、种子与排种装置之间皆有接触作用，在仿真时还需要定义材料之间的相互作用。相关参数设置如表2所示[11]。

表2 材料相互作用参数Tab.2 The material interaction parameters

2.2 谷子种子颗粒模型的创建

EDEM 软件中自带的模型颗粒是球形颗粒，而对于形状不规则的颗粒模型，用户可以通过多个球形颗粒填充来实现。谷子种子的形状近似为卵圆形，为了仿真结果更加准确可靠，采用Solidworks 软件中建立谷子种子的三维模型，导入EDEM中进行仿真。参考国内学者对不同品种的谷子种子三轴尺寸的研究成果，对谷子种子进行三维建模，其外形参考图2（a）、2（b）；具体尺寸：长为2.20 mm，宽为1.90 mm，厚为1.40 mm。所绘制的种子三维模型如图2（c）、2（d）所示，将其保存为通用格式，导入EDEM 中。使用不同直径大小的球形颗粒对种子的模型进行填充，填充效果如图2（e）、2（f）所示。

图2 谷子种子颗粒模型Fig.2 The grain model of millet seed

2.3 电磁直线振动排种装置模型的创建

2.3.1 仿真模型的创建

本文使用Solidwork 三维绘图软件对电磁直线振动排种装置进行三维建模，如图3 所示。为保证仿真试验结果准确可靠，排种装置中各零部件皆按照实际尺寸大小建模；为提高仿真计算的速度，去掉排种过程中与种子不发生接触的零部件，将电磁直线振动排种装置简化为种箱、种子缓存槽、排种板3个部分。建模时将各零件也进行简化，去掉倒角、圆角等不影响试验结果的特征，将绘制完成的各零件进行装配，装配体保存为EDEM 软件兼容的格式，导入EDEM 中，如图4所示。

图3 排种装置三维模型Fig.3 The 3D model of seed metering device

图4 排种装置仿真模型Fig.4 The Simulation model of seed metering device

2.3.2 仿真模型各部件运动的设置

EDEM 软件前处理模块为仿真模型提供了线性移动、线性转动、正弦移动、正弦转动4 种基本的运动状态，依据模型的实际运动选择相应的运动状态，通过设置运动参数，可模拟移动、转动、往复运动等运动状态。仿真模型包括种箱、种子缓存槽和排种板3部分，排种装置工作过程中，种箱始终保持静止，种子缓存槽和排种板做简谐振动。在动力学标签中为种子缓存槽和排种板添加一个运动方向为y轴，振幅为0.06～0.22 mm，频率为50 Hz的正弦运动。

2.4 颗粒工厂的设置与生成

EDEM 中颗粒工厂用来定义颗粒模型粒径分布、生成的速度、位置和数量（质量）等参数。设置颗粒工厂生成的颗粒总质量为0.6 kg，总数约为200 000，生成速率为0.6 kg/s。为使种子快速填充至种箱内，为颗粒添加一个方向为y轴向下，大小为2 m/s 的初速度。各参数设置完成后，生成颗粒，如图5、6所示。

图5 颗粒生成开始Fig.5 The particle formation start

图6 颗粒生成结束Fig.6 The end of particle generation

2.5 仿真时间的选取和网格尺寸的设置

EDEM的求解器中设置仿真时间步长、仿真总时间、网格尺寸等参数。仿真时间步长是仿真计算中2次迭代计算之间的时间间隔，决定数据输出的时间间隔。时间步长越短，输出数据量越大，求解器对颗粒运动参数计算的越准确，但会增加求解器的运算量，导致仿真时间增加；时间步长越长，输出数据量越小，求解器对颗粒运动参数计算越模糊，可能造成仿真结果不准确，无参考意义。为尽快得到准确可靠的仿真结果，仿真时间步长一般设置为Rayleigh时间步长的20%～40%，这里设置为30%，数据写出时间间隔为0.05 s。

离散元网格尺寸的大小虽然不会影响仿真的结果，但会影响仿真模拟计算的时间，为确保仿真的效率设置时总的网格单元数目需少于100 000 个。理想的网格大小为最小粒子半径的2倍，本仿真设置为2倍。设置完成后即可开始仿真。

3 仿真结果与分析

排种装置中排种板的振幅对种子的运动速度有直接的影响，从而影响排种量和排种的效果。利用EDEM 软件对电磁直线振动式排种装置排种过程进行仿真，仿真试验以矩形截面排种槽为例，在排种板振幅分别为0.06 mm、0.10 mm、0.14 mm、0.18 mm、0.22 mm 时，利用后处理模块输出种子在排种方向（x方向）和垂直于排种板方向（y方向）的运动速度曲线变化曲线。部分仿真结果如图7所示。

图7（a）所示为振幅为0.18 mm 时种子沿x方向的速度曲线，图7（b）所示为振幅为0.22 mm 时种子沿x方向的速度曲线。由图7（a）、7（b）可知，沿x方向种子运动的平均速度（虚线）随着排种板的振幅的增大而增大，即同一截面形状的排种槽，排种板振幅越大排种速度越快，排量越大。在排种板振幅＜0.06 mm 时，种子的运动速度较小，几乎保持静止，并不适合机械排种作业；当振幅＞0.22 mm 时，种子运动速度较大，种子成股流下，易造成堆积导致播量较大。

图7 不同振幅下的振动速度曲线Fig.7 The vibration velocity curves at different amplitudes

图7（c）所示为振幅为0.14 mm 时种子沿y方向的速度曲线，图7（d）所示为振幅为0.18 mm 时种子沿y方向的速度曲线。由图7（c）、7（d）可知，沿y方向种子运动的速度随着排种板振幅的增大而增大。在振幅为0.06～0.14 mm 时，速度曲线高低起伏均匀，排种槽内的种子随排种板一起沿y方向运动；当振幅大于0.14 mm时，速度曲线波动较大，此时排种槽内的种子与排种槽脱离做抛掷运动。

4 结语

本文基于EDEM 对电磁直线振动排种器排种过程进行仿真，结果表明，排种器的排种速度随排种板振幅的增大而增大，排种量也增大。随着振幅增大种子的运动状态也发生改变，当排种板振幅＜0.06 mm 时，种子运动速度较慢，几乎与排种板保持相对静止；当振幅＞0.14 mm 时，种子脱离排种槽底面做抛掷运动；当振幅位于0.06～0.14 mm，种子始终与排种槽底面接触做滑动运动，适合谷子振动排种作业。本研究为谷子电磁直线振动排种器振动特性参数的选取提供参考。