基于EDEM的高速穴播器排种性能仿真分析与试验

卢博 倪向东 李克志 李树峰 齐庆征 邵文平

摘要：为探究穴播器转速和种子初速度对穴播器排种性能的影响，对分置式排种系统及穴播器工作原理进行阐述。利用EDEM建立棉种及穴播器的仿真模型，模拟棉种具有不同的初速度及穴播器在不同转速下排种情况，根据运动轨迹曲线、受力变化曲线、速度变化曲线综合分析产生漏播、重播现象的原因。使用DesignExpert进行两因素五水平二次旋转正交组合试验设计，建立评价指标的回归方程，并通过响应曲面分析排种性能。合格率随穴播器转速的增大而先增加后降低，随种子初速度的增大而降低。优化后的仿真参数组合为穴播器转速39 r/min和种子初速度2.4 m/s，最佳优化结果为漏播率3.2%，合格率95.1%，重播率1.7%。台架验证性试验结果表明仿真试验可信，穴播器排种性能满足高速精量播种要求，为新疆地区棉花机械化高速精量穴播技术及发展提供参考。

关键词：棉种；排种性能；穴播器；精量播种；离散元法

中图分类号：S223.2

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 02004807

Symbol`@@收稿日期：2022年4月20日  修回日期：2022年6月16日

基金项目：国家自然科学基金项目（52065056）

第一作者：卢博，男，1997年生，新疆伊犁人，硕士研究生；研究方向為农业机械设计。Email： 1910386637@qq.com

通讯作者：倪向东，男，1974年生，上海人，博士，教授；研究方向为机械设计及理论。Email： nini0526@126.com

Simulation analysis and experiment of seed discharge performance of

high speed hole seeder based on EDEM

Lu Bo， Ni Xiangdong， Li Kezhi， Li Shufeng， Qi Qingzheng， Shao Wenping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

In order to investigate the effects of hole seeder speed and initial seed velocity on hole seeder seeding performance， the working principles of the split seeding system and hole seeder are described. The cottonseed and hole seeder simulation model was established using EDEM to simulate different initial speeds of cottonseed and hole seeder at different rotational speeds and to analyze the causes of missed seeding and reseeding according to the trajectory curve， force change curve， and speed change curve. A twofactor， fivelevel quadratic rotational orthogonal test design was conducted using DesignExpert to establish regression equations for the evaluation indexes， and response surfaces analyzed the seeding performance. The compliance rate increased and then decreased with the increase of the hole sower speed and decreased with the rise of the initial seed speed. The optimized parameters were 39 r/min and 2.4 m/s seed initial velocity， resulting in a 3.2% miss rate， 95.1% pass rate， and 1.7% reseed rate. The results of the bench validation test show that the simulation test is credible and the seed row performance of the hole sower meets the requirements of highspeed precision sowing， which can provide a reference for the mechanized highspeed precision hole sowing technology and development of cotton in Xinjiang.

Keywords：

cottonseed; seeding performance; hole seeder; precision seeding; discrete element method

0 引言

新疆是我国优质棉的重要生产基地，棉花总产量、单位面积产量和种植面积均居首位。目前新疆地区棉花种植都采用先覆膜后打孔的精播方式，而作业机械分为机械式和气力式两种类型［1］。棉花精量机械化播种技术，是指用精量播种机械将棉种按精准农艺要求的播种量、株距、深度精确播入土壤的技术，通常要求一穴一粒［2］。通过精量播种，可在常规播种的基础上减少用种量，无需间定苗工作，显著降低棉花生产成本，同时还可增产增效。

高速精量播种不仅要求机械能达到精播的农艺要求，同时还具有较高的作业速度。新疆棉花播种的适宜期仅有10～15天，播种机为不误农时经常连续不停运转。气力式播种机对种子外形要求不高，且不伤种，相较于机械式播种机更适宜高速播种作业。气吸式排种器在中低速作业时对种子的吸附性能较好，但高速作业时对负压能耗需求大，且对气室稳定性要求高［36］。王国伟等［7］通过改进精量排种器的结构，减少种群内摩擦，使用EDEM模拟简化后的排种器在无负压状态下的充种过程，以前进速度作为试验因素，以充种合格率作为性能指标，进行单因素试验，仿真结果表明充种合格率随着转速的降低而升高。李晓红等［8］为实现大豆高速精量播种，利用EDEM软件对内充种式排种器进行模拟仿真试验，分析工作转速对排种性能的影响，通过台架试验进行验证，结果表明随着排种器转速的增大，双粒充种现象频繁出现，单粒指数先升后降，漏播指数先降后升。张胜伟等［9］采用流固耦合的方式对绿豆种子进行仿真试验，选取种盘转速和负压进行单因素试验，结果表明随着种盘转速的增加，单粒率和漏吸率降低，重吸率升高。张宁宁等［10］利用EDEM对滚筒式穴播器及花生种子进行仿真试验，结果表明合格指数随着工作转速的增加而降低，取种器参数、工作转速及种子级别均会对排种性能产生影响。

为实现高速精量作业，本文采用分置式排种系统，降低高速作业时的振动对排种器充种的影响，使穴播器完成高速播种。利用离散元分析软件EDEM对种子在穴播器内部运移过程进行模拟，分析单粒精播的种子速度与受力变化，采用两因素五水平二次旋转正交组合仿真试验对穴播器的排种性能进行分析，并通过台架试验对比验证。

1 分置式排种系统工作原理与穴播器结构

1.1 分置式排种系统工作原理

基于新疆棉花精量播种的农艺要求，提出一种分置式排种系统，即排种器与穴播器分离。如图1所示，排种器可一次完成六行排种，每个穴播器单体完成一行膜上播种。排种器高频充种，穴播器与其速比进行匹配，可实现高速播种作业。气吸滚筒集排式排种器利用负压从种箱内取种，完成一次排种。输种管加载气吹正压，管内形成均匀种子流。种子进入穴播器的分种格型腔，鸭嘴成穴器完成二次膜上排种。

1.穴播器 2.输种管 3.排种器

1.2 穴播器结构

穴播器结构如图2所示，工作时，种子在正压气流的作用下加速，按一定的时间间隔从输种管进入导种口。种子以一定的初速度进入穴播器内部，在分种盘的转动下进入相邻的腔室，挡种盘及护种板保护种子在旋转的过程中不会从分种格内跑出。携带种子的型腔在转动至下方时，种子在重力作用下从挡圈缺口处落进鸭嘴，随后鸭嘴破膜成穴，种子进入种穴完成膜上播种。

2 穴播器仿真与排种过程分析

由于穴播器为实体结构，并不能观察到种子在其内部的运动轨迹，使用EDEM对模型进行仿真可清晰掌握种子在穴播器内部运动规律，并可知道任意时刻种子在任意位置处的速度，能够比较真实的模拟实际排种过程，便于改变參数，分析穴播器的排种性能。

2.1 棉种三轴尺寸测定

棉种三轴尺寸分布如表1所示。

新陆早48为北疆部分早熟地区推荐棉种，适合4月中上旬播种。本文以新陆早48棉花种子作为研究对象，测量300粒三轴尺寸。测量工具为美耐特电子数显游标卡尺，测量范围0～300 mm，测量误差为±0.02 mm，精度为0.01 mm。经过ks检验证明棉种尺寸符合正态分布。

2.2 棉种模型建立

离散元颗粒的构建在仿真中极其重要，必须建立相似的模型，其尺寸、形状高度相似才会使仿真结果更接近真实。基于三轴尺寸样本数据，棉种仿真模型在生成时标准偏差为5%，模型与实物相似度可达90%以上。脱绒棉种一端为椭球体，一端为锥体，棉花种子实物及仿真模型如图3所示。

使用EDEM软件中的Creater模块创建棉种模型，使用球面聚合的方法将7个球体聚成一粒棉种，各球体的位置及大小［11］如表2所示。

2.3 穴播器模型建立

在Solidworks中建立穴播器的三维模型，去除鸭嘴及非重要零部件后将模型简化，另存为.STEP格式后导入EDEM中，如图4所示。仿真所需的材料以及接触参数如表3所示。18 mm×18 mm的颗粒工厂被设置在二次投种口正上方，并按固定的时间间隔产生棉种颗粒，投种时间间隔与分种盘转动间隔一致，以保证相邻种子都能进入相邻分种格，投种初速度设置为3 m/s。EDEM中穴播器下方接种箱用来统计累加的棉种数量，以替代鸭嘴播种时每穴排出的棉种数量。当每个分种格转动至该区域时，一粒棉种经过接种箱数值会增加1，代表单粒精播，即合格；两粒棉种经过时会增加2，代表重播；当分种格内无棉种且经过该区域时数值不变，代表漏播；依据此现象对作业性能进行评价。

1.颗粒工厂 2.棉花种子 3.接种箱

仿真模型为15穴的穴播器，株距10.5 cm。设置穴播器转速40 r/min，即前进速度为3.96 km/h，种子初速度3 m/s。总仿真时长15 s，固定时间步长设为Rayleigh时间步长的10.007 8%，即步长为7.51×10-6 s，目标保存时间间隔为0.01 s，网格尺寸为2Rmin（一般设置为小颗粒半径的2倍及以上，网格的大小与求解精度无关），即1.7 mm。

2.4 仿真结果分析

2.4.1 种子运移轨迹分析

为了掌握种子如何在穴播器内部运动，在EDEM中选择Analyst模块，在Set up中添加Manual Selection，使用十字光标在模型中选取10号种子作为研究对象，并勾选Stream All Steps显示全部轨迹曲线，如图5所示。

种子若从导种口顺利进入分种格后，携带种子的该分种格由上方转动至水平时，种子所处的位置首先会靠近分种格内圈；携带种子的该分种格由水平转动至下方时，种子会沿着分种格侧板由内圈运动至外圈；运动至外圈的种子会与挡圈发生碰撞，紧接着会被分种格另一侧的侧板携带至挡圈缺口处进行投种。

2.4.2 种子合力与速度变化分析

该粒种子从生成到排出全过程如图6所示，共分为3阶段进行：投种区Ⅰ、种子跟随区Ⅱ、排种区Ⅲ。1～1.04 s为第一阶段，由于设定生成的种子初速度较快，种子仅在重力作用下（0.001 6 N），由导种口快速进入穴播器内部，种子与分种格底板发生剧烈碰撞后速度急剧降低，由3.1 m/s先降至1.7 m/s再降至0.6 m/s，所受合力为0.11 N，图中表现为突跃状态。1.05～1.61 s为第二阶段，种子速度处于较低水平，分种盘由上方转动至水平时，种子与分种格侧板发生微小碰撞和摩擦，速度略有增大后再降低，所受合力在这一阶段小幅度波动，分种盘由水平转动至下方时分种格内的种子速度逐渐增大至1.1 m/s，当到达底部时速度减小至0.3 m/s。1.61～1.7 s为第三阶段，此时速度处于较低水平，种子受到分种格侧板的推动加速至0.9 m/s，所受合力为0.18 N，从挡圈缺口处排出。种子脱离穴播器后，在重力的作用下加速至1.11 m/s，投种轨迹类似于平抛运动。

2.4.3 排种性能分析

每穴一粒是精量播种的要求，漏播与重播现象的发生都会使合格率降低。如图7所示，观察穴播器各分种格中种子分布，可清晰掌握排种结果。此时刻t=6 s，存在漏播与重播现象，重播出现时漏播一般也会发生，原因是上一个种子若与分种格底板碰撞后反弹回入种口，会与下一粒种子同时进入同一个分种格内，此时前一个分种格就会没有种子，而后一个分种格会有两粒种子。

此时刻t=2.78 s，只有漏播现象，原因在于若一粒种子随分种盘转动至挡圈缺口前与挡圈发生碰撞，反弹较大且跳过缺口，会在当前时刻无种子排出。该粒种子随着分种格进入下一周循环，新产生的种子进入这个分种格内，在转动至挡圈缺口处仅会产生重播现象。另外，在仿真的过程中未出现连续漏播及重播的现象，表明该仿真参数设置较为可靠。

为便于分析仿真结果，在穴播器下方挡圈缺口处设置合适大小的Grid Bin Group，记录仿真全过程从该处排出的种子数量，将Result Data导出并在origin中绘制点线图，进一步分析漏播及重播现象。

如图8所示，在0～0.76 s时为水平线，此时还未有种子进入挡圈缺口，之后排出的种子数量沿着线性阶梯状上升。

仿真过程中穴播器转速恒定，意味着每个分种格经过缺口区域的时长一致。进一步分析局部放大图可知，短水平线之后上升，表明在该时刻范围内分种格内单粒棉种排出；长水平线之后上升，表明在该时刻范围内分种格内无种子从缺口处排出，此时产生漏播现象；长水平线之后短时间内跃升，表明在该时刻范围内前一个分种格内未有种子排出，后一个分种格超过一粒种子从缺口处排出，此时产生重播现象。图8中2.78 s仅出现漏播现象，6 s和7.9 s同时产生漏播与重播现象，其余时刻为合格。基于此可对排种性能进行精确描述，得到各仿真条件下的漏播指数、合格指数以及重播指数。

3 仿真试验

3.1 試验方案

试验依据GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》［12］，以穴播器转速、种子初速度作为试验因素，将漏播率Y0、合格率Y1与重播率Y2作为作业性能评价指标。根据单因素试验得到的结果，设置各因素水平及编码值如表4所示。各指标的计算公式如式（1）～式（3）所示。

Y0=n0250×100%

（1）

Y1=n1250×100%

（2）

Y2=n2250×100%

（3）

式中：

n0——1穴0粒种子的穴数；

n1——1穴1粒种子的穴数；

n2——1穴2粒及以上种子的穴数。

使用DesignExpert软件设计两因素五水平二次旋转正交组合试验方案，穴中无种子记作漏播，穴中有一粒种子记作合格，穴中有两粒及以上记作重播。各参数组合下的仿真试验结果如表5所示，其中X1、X2为各因素编码值。

3.2 试验结果分析

决定系数R2是判定回归方程直线拟合度的重要指标，通过试验设计软件及表6可知，漏播率方程的决定系数为0.955 5，合格率方程的决定系数为0.964 9，重播率方程的决定系数为0.951 3。由此可判断，Y0的变异95.55%是由X1、X2造成的，Y1的变异96.49%是由X1、X2造成的，Y2的变异95.13%是由X1、X2造成的，回归方程的预测值与实测值具有极高的相关性。

F值可以判别影响评价指标的主次因素，由表6可知，种子初速度比穴播器转速对各评价指标的影响更大。漏播率、合格率、重播率模型均达到极显著水平，失拟项不显著。

P值可以判定回归项参数的影响是否显著，由表6可知，X1X2对漏播率影响不显著（P>0.05），X1对漏播率影响显著（0.05≥P≥0.01），其余回归项系数对漏播率影响都极其显著（P<0.01）；X1对合格率影响显著（0.05≥P≥0.01），X1X2对合格率影响不显著（P>0.05），其余各项对合格率影响极其显著（P<0.01）；X1X2对重播率影响不显著（P>0.05），X1对重播率影响显著（0.05≥P≥0.01），其余回归项系数对重播率影响都极其显著（P<0.01）。剔除不显著相分别建立漏播率、合格率、重播率与试验因素编码之间的二次多项式回归方程如式（4）～式（6）所示。

Y0=

3.76+0.683 7X1+1.78X2+2.04X12+

1.57X22

（4）

Y1=

94.16-1.21X1-2.91X2-3.66X12-

2.54X22

（5）

Y2=

2.08+0.526 4X1+1.13X2+1.62X12+

0.966 3X22

（6）

响应面可清晰反应穴播器的作业性能与各试验因素之间的关系，利用DesignExpert13.0可得到穴播器转速、种子初速度对漏播率、合格率、重播率的响应曲面，如图9所示。

由图9（a）可知，当穴播器转速一定时，随着种子初速度的增加，漏播率逐渐增大，是因为种子速度越大，进入穴播器内腔后与分种格底板碰撞越剧烈，有可能导致种子反弹回入种口或弹出分种格。当种子初速度一定时，漏播率随着穴播器转速的增加而先减小后增大。由图9（b）可知，当穴播器转速一定时，随着种子初速度的增加，合格率逐渐减小。当种子初速度一定时，随着穴播器转速的增加，合格率先增大后减小，是因为种子初速度与穴播器转速要相匹配，当穴播器转速在一定小范围内变化时，种子能更好地进入分种格。由图9（c）可知，当穴播器转速一定时，随着种子初速度的增加，重播率逐渐增大，是因为种子速度过大，进入穴播器内腔后与分种格底板碰撞后导致种子反弹回入种口，进而错过当前分种格，下一粒种子会与之前滞留在入种口处的种子共同进入同一个分种格。当种子初速度一定时，随着穴播器转速的增加，重播率先减小后增大。

3.3 参数优化

为了使穴播器达到最佳的作业性能，以漏播率、重播率最小，合格率最大作为目标，用多目标优化的方法对排种性能各回归模型进行求解［13］。使用的约束条件及所求的目标函数可用式（7）表示。

minY0

maxY1

minY2

s.t.

48 r/min≥X1≥32 r/min

4 m/s≥X2≥2 m/s

（7）

求解得到最佳参数组合为：穴播器转速39 r/min，种子初速度2.4 m/s。最佳作业性能为：漏播率3.2%，合格率95.1%，重播率1.7%。

3.4 台架试验验证

为验证仿真结果是否准确，同时测试穴播器的作业性能，在排种器性能檢测试验室进行台架试验［1415］。将气吸滚筒式排种器转速与穴播器转速相匹配，在输种管上方加载正压使种子在出口的速度达到要求，稳定运行后，进行3次重复性试验并取平均值，台架试验结果为漏播率3.4%，合格率94.8%，重播率为1.8%。

4 结论

1）  通过使用EDEM分析了穴播器的排种过程，得到种子在穴播器内部的运动轨迹，种子所受合力与运动速度变化曲线。分析了造成漏播与重播现象的原因，种子的初速度及穴播器转速对种子进入分种格后的运动起重要作用，进而影响排种性能。

2）  通过使用DesignExpert进行试验方案设计，以穴播器转速、种子初速度作为试验因素，以漏播率、合格率、重播率作为排种性能的评价指标，进行两因素五水平二次旋转正交组合仿真试验。对仿真结果分析，并进行多目标优化得到最佳工作参数组合及优化结果。台架验证性试验表明，在穴播器转速39 r/min和种子初速度2.4 m/s的最佳参数组合下，得到的试验结果：漏播率为3.4%，合格率为94.8%，重播率为1.8%，满足精量播种作业要求。

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