铲式玉米播种机清种过程的离散元仿真分析

张　宇，李成华，纪玉杰，孙裕晶

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.吉林大学 生物与农业工程学院，吉林 长春 130025)



铲式玉米播种机清种过程的离散元仿真分析

张宇1，李成华1，纪玉杰1，孙裕晶2

(1.沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159；2.吉林大学 生物与农业工程学院，吉林 长春 130025)

摘要：排种器的清种过程决定铲式玉米精密播种机的排种质量，为研究铲式玉米精密播种机排种器的清种过程，建立铲式玉米精密播种机排种器的离散元法分析模型和持种空间与分种勺结构关系式。利用EDEM软件仿真分析排种器在不同转速和垂直倾角情况下对排种器清种角和重播率的影响。得到排种器工作转速和垂直倾角配合的最佳参数，并将仿真结果与试验结果进行比较，两者的数值与变化趋势基本一致，由此证明了应用EDEM分析排种器的正确性和可行性。

关键词：排种器；EDEM；仿真；试验

近年来，随着精密播种技术的不断发展，精密播种机的广泛应用已成为现代播种技术的主要发展方向[1-2]。在国外，精密播种机被广泛用来点播玉米和大豆等中耕作物[3]。 其中影响精密播种机播种质量的因素有很多，但排种器的排种性能是主要的影响要素之一。勺式精密排种器是铲式玉米精密播种机的重要部件，采用传统连续介质的方法研究排种器，只能把种子作为一个整体来考虑，无法分析单个种子的运动过程和种子之间的相互作用，不能很好的分析种子在排种器中的运动过程[4-5]。应用离散元法可以描述颗粒物料之间的相互作用关系，模拟种子在排种器中的工作状态，更加真实地分析排种器的工作性能。本文采用离散元仿真分析技术，对勺式玉米精密排种器分种勺盘与种子群间的相互作用及清种过程进行仿真，为排种器的参数设计提供理论依据。

离散元法是颗粒离散体物料分析的一种重要方法。其理论基础是结合不同本构关系的牛顿第二定律，采用动态松弛法求解方程[5-7]。经过近 40 年的发展，离散元法已在许多散体物料处理领域得到成功应用。

1　勺式精密排种器的结构特点及工作过程

勺式精密排种器的结构如图1所示。

图1　排种器的结构

分种勺盘在转轴带动下转动时，充种区内的种子进入到由分种勺和隔板组成的持种空间内，并在其带动下由排种器下部向上部运动。当分种勺转到一定的高度时，处于分种勺开口上部的种子就在重力和种勺推力共同作用下落入到投种轮中，从而完成投种过程[9-11]。

2　排种器清种过程分析

分种勺盘顶端曲面与排种器隔板平面共同构成一个可以囊种的空间，此区间的容积称为持种空间Vz。图2为排种器持种空间示意图。

图2　持种空间示意图

由图2可知，分种勺开口的方向相对于种子在重力作用下的下落方向随转轴的转动而变化。对分种勺顶端曲面上圆弧的投影曲线(pq)进行计算，则持种空间容积为

Vz=hs·Spqr/cosβ

(1)

式中：hs为分种勺顶部厚度；Spqr为种子与排种器的接触面积；β为排种器垂直倾角。

Spqr=Spqs+Sqsr

(2)

式中，Spqs取决于排种勺盘参数，在工作过程中保持不变；Sqsr随分种勺盘的转角φ(设q点位于排种平面最低处时φ=0°)而变化。

分种勺从充种区的最下部开始转出时，在持种空间中的部分种子开始脱离分种勺回落，此时分种勺转过的角度为清种起始角φq1；当其转到一定角度，多余的种子脱离分种勺回落到充种区，最后分种勺中仅剩下一粒种子，此时分种勺盘转过的角度称为清种结束角φq2。

3　排种器转速对清种过程的影响

玉米种子在排种器中的实际运动情况与种子的形状﹑尺寸和含水率有关，而种子的形状﹑尺寸和含水率为随机变量，为便于仿真计算分析，将玉米种子简化为圆球形颗粒。由于圆球模型与玉米实际颗粒形状之间存在差异，所以模拟过程为近似结果。由文献[10]可知，沈9729玉米种子长度尺寸相对较小，宽度和长度尺寸接近，厚度尺寸相对较大，外型上近似于圆形种子，试验也说明勺式排种器对此种玉米种子有较好的适应性[8]。沈9729玉米种子的半径为3mm，种子含水率为3%，以下研究均在此参数下进行。分种勺盘转速分别在30r/min、50r/min时进行仿真，得到仿真结果如图3～5所示。其中排种器的勺式分种圆盘直径为278mm，其余参数均不变。由仿真结果可以看出，随着排种轮转速的增加，清种起始角和清种结束角均增加，但转速过大，清种结束角过大，超过排种器的隔板开口时，将造成多余种子进入到排种轮中，进而导致种子重播，增加重播率。

图3　不同转速下清种角的仿真

图4　排种轮转速对清种角的影响

图5　排种轮转速对重播率的影响

4　排种器垂直倾角对清种过程的影响

排种器的垂直倾角β分别为10°、20°、30° 、40°时得到仿真结果如图6～8所示。排种轮的转速取30r/min，由图6～8可以看出，随着垂直倾角的增加，清种起始角和清种结束角均在增加，随着垂直倾角的增加导致分种勺对玉米种子的把持作用增强，分种机构的清种能力下降，重播率增加。

图6　排种器垂直倾角对种子运动的影响

图7　排种器垂直倾角对清种角的影响

图8　排种器垂直倾角对重播率的影响

5　试验与仿真结果对比

在吉林工业大学农机实验室的排种器试验台上进行试验，试验时选择倾角的变化范围为β=15°～40°，排种器的工作转速为n=30～60r/min。排种器的勺式分种圆盘直径为278mm。试验过程中将排种器的重播率作为评价排种器性能的指标[8]，试验结果与仿真结果对比如图9、图10所示。

图9　排种器垂直倾角对重播率的影响

图10　排种轮转速对重播率的影响

从图9和图10可以看出，试验结果与仿真结果的变化趋势基本一致。

6　结论

(1)在其他条件一定的情况下，随着排种轮转速的增加，清种开始角和结束角均增加。随着排种器的垂直倾角增加，清种开始角和清种结束角也都增加。

(2)随着排种器的垂直倾角和排种轮转速的增加，排种器重播率先减小后增大。

(3)排种器的转速在40r/min、垂直倾角在20o时，排种器的重播率最小，清种效果最佳。

参考文献：

[1]Barut ，Zeliha Bereket.Effect of different operating parame-ters on seed holding in the single seed metering unit of a pneumatic;planter [J] .Turkish Journal of Agricultural Ma-chine，2004，28(6):435-441.

[2]冯晓静，杨欣，桑永英，等.玉米精密播种机械发展现状[J].江苏农业科学，2010，(4)：422-424.

[3]D Karayl，Z B Barat.Mathematical Modelling of Vacuum Pressure on a Precision Seeder [J] .Biosystems Engineering，2004，87(4):437-444.

[4]韩建国，王金斌，于磊.补偿式玉米精密播种机的研究[J].农业装备与车辆工程，2010,(8):10-12.

[5]李洪昌，李耀明，唐忠.基于EDEM的振动筛分数值模拟与分析[J].农业工程学报，2011,27(5)：117-121.

[6]王国强,好万军,王继新.离散单元法及其在EDEM上的实践[M].西安：西北工业大学出版社,2010.

[7]于建群，申燕芳，牛序堂，等.组合内窝孔精密排种器清种过程的离散元法仿真分析[J].农业工程学报，2008，24(5)：105-109.

[8]李成华，何波.铲式玉米精密播种机仿真及虚拟设计[M] 北京:中国农业大学出版社，2007.

[9]Martin Oberma,Klaus Dressleer,Christos Vrettosb.Prediction of draft forces in cohesionless soil with the Discrete Element Method[J].Journal of Terramechanics,2011,48:347-358.

[10]纪玉杰,薛宏达,李成华.玉米精密排种器工作过程的离散元仿真分析[J].计算机仿真,2013,30(3):393-397.

[11]郭雪峰，李成华，刘玉静.基于ADAMS的勺式玉米精密排种器的动态仿真[J].农机化研究，2007(6)：146-148.

(责任编辑：赵丽琴)

Simulation Analysis of Seeding Process for Corn Seed

Metering Device Based on Discrete Element Method

ZHANG Yu1,LI Chenghua1,JI Yujie1,SUN Yujing2

(1.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；

2.Biological and Agricultural Engineering of Jinlin University,Changchun 130025，China)

Abstract：The cleaning process determines the seeding quality of the shovel-type precision planter.To research cleaning process for Corn Seed Metering Device,the discrete analysis model of Metering Device the relation between space and one scoop of structure are established.The influence of Metering Device on angle and replay rate under the condition of different speed and vertical angle is simulated and analyzed using EDEM.Comparing the test results with the simulation result，the opital parameters of the rotation speed and the vertical angle are obtained.The numerical value and variation of the two parameters are corresponding consistent,and the correctness and feasibility of application of EDEM is proved.

Key words：seeding；EDEM；simulation；test

中图分类号：S223.2+3

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2015)01-0001-04

通讯作者：

作者简介：张宇(1989—)，男，硕士研究生；李成华(1958—)，教授，博士，博士生导师，研究方向：农业生产机械化及其自动化.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075282)

收稿日期：2014-09-02