利用高速摄像及仿真分析立式浅盆型排种器工作特性

刘宏新，徐晓萌，刘俊孝，王　晨（东北农业大学工程学院，哈尔滨　150030）



利用高速摄像及仿真分析立式浅盆型排种器工作特性

刘宏新，徐晓萌，刘俊孝，王晨
（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

摘要：为直观准确观察排种器的工作特性以及种子在其容腔内部的运动状态，利用高速摄像技术拍摄立式浅盆型排种器在不同转速下的工作过程，同时结合离散元仿真软件EDEM（engineering discrete element method）进行仿真，利用其后处理模块中的影像技术标记种子并对工作区间进行分析。采用高速摄影技术和离散元仿真分析软件EDEM分析得出：为了保证清种的可靠性，种盘的折边倾角应在67°～90°之间；同时，为了防止清种过程中带种导致的伤种现象的发生，种层高度应保证种面与护种板之间保留3～4倍种子直径的距离；投种过程中，为了保证排种的均匀性、减小株距变异，在保证型孔的光洁度的同时，投种口的尺寸应选取16 mm×30 mm。该研究为完善立式浅盆型排种器的设计、补充修正相关结构参数提供了参考。

关键词：农业机械；计算机仿真；种子；排种器；工作机理；高速摄影

刘宏新，徐晓萌，刘俊孝，王晨. 利用高速摄像及仿真分析立式浅盆型排种器工作特性[J]. 农业工程学报，2016，32（2）：13－19.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003http://www.tcsae.org

Liu Hongxin， Xu Xiaomeng， Liu Junxiao， Wang Chen. Working characteristics of vertical shallow-basin type seed-metering device based on high-speed photography and virtual simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 13－19. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003http://www.tcsae.org

Email：Lcc98@neau.edu.cn

0　引　言

立式浅盆型排种器是一种利用复合充填力进行充种的机械式精密排种器，在对其充种机理进行研究的基础上，通过离散元仿真软件（engineering discrete element method，EDEM）和物理样机试验验证了立式浅盆型排种器在高速作业时具有良好的作业性能[1]。但在已有的研究中存在一定的模型假设，如理论分析时，力学模型存在简化与假设，同时，在EDEM模拟仿真时，也存在颗粒体模型的假设[2-3]，以及EDEM仿真中不存在实际工况下由于机具的振动引发的嗑种现象等问题，因此需要观察实际工况下排种器的工作情况用以分析立式浅盆型排种器的工作机理。

国内外将影像技术应用在排种器的研究已陆续被报导，其中高速摄影技术被广泛应用在排种器试验领域中[4-5]。Karayel等[6]使用高速摄像系统拍摄种子下落时的位置关系进而推算其株距信息；Kocher等[7]采用光电方式检测直径大于4 mm种子播种株距的均匀性；国内的专家学者也相继利用高速摄影技术检测各类排种器的工作性能以及排种的均匀性为改善排种器的结构参数提供依据[8-12]。王在满等[13-14]利用高速摄影技术对型孔轮式排种器的充种和排种过程进行拍摄，并分析其在排种器内部的种子流动规律和排种轨迹，据此改进排种器的结构参数；袁月明等[15-17]和金汉学[18]在研究水稻排种器时引入了高速摄像技术，就不同转速、孔数、孔径和真空度对排种器充种、投种性能的影响进行了探索性研究；同时，EDEM后处理的影像技术也逐渐应用到排种器的研究中，如Parafiniuk P等[19]利用离散元法对油菜籽在筒仓内的流速进行测量，并进行物理样机验证；沈阳理工大学[20-21]利用EDEM模拟勺式精密排种器的工作过程，据此明确了此类排种器的工作机理；胡建平等[22-24]利用EDEM对磁吸板式排种器、永磁体磁吸式排种器和磁吸滚筒式排种器的充种过程进行模拟和分析，找出影响排种器充种性能的主要因素；石林榕等[25]利用离散元法对水平圆盘式精量排种器工作过程分析，找出了提高其排种性能的最佳排种参数。

为此，本文在已有研究的基础上，将高速摄影技术与EDEM软件后处理模块中的影像技术相结合，对立式浅盆型排种器的清种过程和投种过程进行观察和分析，并研究种子在其内部的运动规律，以期为完善排种器设计、提高排种器的工作性能提供参考。

1　总体结构及工作原理

1.1总体结构

立式浅盆型排种器的结构如图1所示，该排种器主要由壳体1、排种盘2、护种板3以及排种轴4等组成[1]。

图1　立式浅盆型排种器的总体结构Fig.1　Overall structure of vertical shallow-basin type seed-metering device

1.2工作原理

由于壳体种层高度控制结构的作用，种子在排种器中处于非充满状态，排种盘在驱动轴带动下按照如图1所示方向进行旋转，

种子在复合充填力的作用下充入到型孔中，完成充种过程；型孔随即转入到清种区，种子利用复合力将型孔内多余的种子和型孔外与种盘随动的种子清掉，完成清种过程；然后型孔内的种子在护种板和型孔围成的封闭空间内运动，最后种子随排种盘转动到排种器容腔下部进入到投种区，由投种口投出，完成排种作业。排种器在排种盘不同转速下的充填率如表1[1]。

表1　在不同转速下立式浅盆型排种盘的充填率Table 1　Filling rate value of vertical shallow-basin type seed-plate at different rotational speed

2　仿真影像分析

利用CATIA三维建模软件建立排种盘直径为190 mm的立式浅盆型排种器模型，并将其存储为stp.格式导入到EDEM中，全局变量和模拟器的设置参照文献[1]。

2.1清种过程分析

排种盘在高速转动时，会带动与种盘接触的但未充入型孔内的种子一起运动，此现象为带种现象，必须保证在进入护种区之前与种盘一起随动的种子能够及时清掉，防止由于种子下落不及时，导致种子被护种板刮伤现象的发生。

图2　带种现象仿真图像Fig.2　Simulation image of bringing seed

当折边倾角（排种盘折边与竖直方向的夹角）为90°（即内环型孔式排种盘）时，经力学分析可知[1]，当排种盘高速转动时会存在较大的离心力，使种盘带动种粒一起随动，在清种过程中会发生清种不彻底导致伤种现象的发生。因此，为了验证理论分析的正确性，本文以作业速度为v＝10 km/h为例，模拟仿真排种盘折边倾角为90°时的清种过程，如图2a所示。图2a中颗粒体的颜色随种子运动速度大小而改变，图中群体点中亮绿色的种子为流动层，排种盘对种子群有明显的扰动作用。在4.87 s时，被标记的种粒（图中橘黄色颗粒）即种盘附近的群体点种粒，在排种盘的带动下逐渐向种层上方运动，进入清种区后，在4.91 s时，可以明显看到排种盘带动种层向上运动，由于离心力的作用，被标记的种粒与种盘一起随动，在4.97 s时，磕碰到护种板后开始掉落，在5.02 s时，完全落回种层。从EDEM仿真中可以清晰看到当排种盘折边倾角为90°时，高转速下会产生种子与护种板发生磕碰进而造成的伤种现象，证明了已有研究[1]中力学分析的正确性。

当作业速度v＝10 km/h时，排种盘的折边倾角为67°时的清种过程如图2b所示，从图2b中可以清晰看出排种盘对颗粒体没有明显的扰动作用，同时图2b中被标记的颗粒体在进入清种区后，随排种盘运动较小距离后便开始下落，在9.36 s时，落回种层，与理论分析[1]一致。

2种不同折边倾角的排种器的清种过程仿真对比分析可知：若想避免带种引起的伤种现象的发生，保证清种的可靠性，排种盘的折边倾角应小于90°，同时考虑折边倾角过小会造成充种效果不佳，基于以上，排种盘的折边倾角应在67°～90°之间。此外，种层高度也应该控制在一定范围内，保证充种区域足够大的同时，防止带种现象的发生，种层高度应保证种面与护种板之间保留3～4倍种子直径的距离。

2.2投种过程分析

1）投种轨迹

在后处理器设置中，手动选取即将从型孔投出的种子即投种点位置的种粒进行标记。将选取的种粒以Stream流线形式进行显示，并在选项卡中勾选全部步长，其运动轨迹如图3a。将被标记颗粒的坐标的Y值、Z值导出到EXCEL，并画出在排种盘不同转速下的投种轨迹。

图3　测量投种轨迹和投种角示意图Fig.3　Sketches of throwing locus and angle of throwing seed

2）投种角测量

随着种盘的转动，型孔进入投种区后,种子刚开始落出型孔时，种子重心与排种盘中心点连线和排种盘竖直中心线的夹角称为投种角。在EDEM后处理设置中，在Tools选项卡中选取Protractor项，手动选取型孔进入投种区后，恰好要脱离型孔的种粒作为起始点，设置中心点和终止点的坐标值，如图3b所示。测量排种盘每个转速下的投种角3次并取均值。

3　仪器设备与方法

3.1试验材料物理参数

试验材料选用品种为黑农38的大豆，粒径范围是5～8 mm，千粒质量约为253.83 g，自然休止角约为25°，破损率小于0.05%。

3.2测试与摄像采集系统

测试与影像采集系统主要由高速摄影系统（由美国Vision Research公司生产的Phantom V5.1-4G型）、JPS-12计算机视觉排种器性能检测试验台、立式浅盆型排种器、计算机等组成，连接关系如图4所示。立式浅盆型排种器安装在JPS-12计算机视觉排种器性能检测台（哈尔滨博纳科技有限公司制造）上，控制面板调节排种轴的转速及种床带的速度，高速摄影机拍摄排种器的工作过程，并把影像信息存储至计算机中，同时控制面板将采集的数据信息存储至计算机中。

图4　测试与摄像采集系统Fig.4　Test and image collection system

3.2.1试验台及试验装置

将立式浅盆型排种器安装在JPS-12计算机视觉排种器性能检测试验台进行台架试验，研究立式浅盆型排种器在不同作业速度下的工作情况。为了便于观察种子的运动情况，将试验装置进行可视化处理，将原有金属材质的中间挡板及后壳体改为有机玻璃材质，如图5所示。其中排种盘直径为190 mm，型孔数量为34个。

图5　试验装置Fig.5　Test device

3.2.2高速摄像系统

高速摄影系统包括高速摄像机主机、摄像头、LCD显示屏、光源、变压器、光缆、电源线等。最大分辨率1 024×1 024 pix，最大拍摄帧速为1 200帧/s。

本试验参数为：帧速300帧/s、分辨率为1 024×1 024 pix。

3.3测试方法

首先，在操作台的控制面板上设定排种轴的转速，并把高速摄像机置于准备记录状态；然后按下按钮启动电机开始排种，等转速均匀后，把高速摄像机置于开始记录状态，高速摄像机开始记录排种器的工作过程，将影像资料保存到存储卡中，在4 s后自动结束记录过程，最后关闭电机结束排种。

本文选取机组作业速度作为试验变量，变量取值分别为4、6、8、10、12 km/h（对应排种轴的转速为19.61、29.41、39.21、49.12、58.82 r/min[1]），株距为10 cm，观察并分析立式浅盆型排种器的工作情况。每组试验重复3次。

4　高速影像分析

4.1清种过程

1）清种过程分析

由于种子大小存在差异性，当作业速度较低时，为了避免重种现象，防止重播现象的发生，应保证型孔内多余的种子在进入护种区之前完全被清掉。图6为清种过程高速摄像。如图6所示，当作业速度v＝4 km/h时，实线圆圈内的种子与虚线圆圈内的种子同时充入到同一型孔中（在1.85～1.92 s之间，由于实线圆圈内的种子将型孔内部的虚线圆圈内的种子遮挡住，所以在图6中无法看到虚线圆圈内的种子），随着排种盘的转动，在1.90 s时，实线圆圈内的种子利用自身重力以及种盘对种子的辅助作用脱离型孔，在1.96 s时，完全掉落回到种层，此时，只有虚线圆圈内的种子留在型孔内部，即完成清种过程，证明已有研究[1]中对清种过程力学分析的正确性。经试验，当作业速度在6 km/h以上时，重种现象基本消失，证明此型孔大小与种子体积匹配程度较好，型孔对种子的适应性较强。

图6　清种过程高速影像Fig.6　High-speed image of cleaning process

2）带种现象分析

经试验可知，当作业速度v ＝ 8 km/h时开始出现带种现象，随着作业速度的增加，带种现象越明显。现以作业速度v ＝ 10 km/h为例进行分析，如图7所示。

图7　带种现象高速影像Fig.7　High-speed image of bringing seed

由图7可知，随着排种盘的转动，会对群体点接触种盘的种子造成一定的扰动作用，实线圆圈内的种子被带离种层，脱离种面一定高度，与种盘一起随动，在2.24 s时，实线圆圈内的种子开始脱离种盘自行下落，在2.32 s时，实线圆圈内的种子已完全脱离种盘落回种层。发生此现象的主要原因是由于立式浅盆型排种盘折边存在，使实线圆圈内的种子可以沿折边滑出，脱离种盘。这样就避免在进入护种区时，未及时清掉的种子受到护种板和型孔端面的剪切作用造成伤种，影响播种质量。

4.2投种过程

1）投种轨迹

为了能够反映种子在投种过程中真实的运动状态变化，在高速摄影软件Phantom中建立如图8a所示的坐标系，将图8a中P点位置设为原点，将长度单位设置为mm，选择“比例”项，将底部投种口处PA的长度设为实际长度。将标记的种粒（图8a中的实线圆圈内的种子）的中心点在每帧的位置坐标记录到EXCEL中，即可得出在排种盘不同转速下的颗粒的投种轨迹如图9所示。

图8　高速摄影操作界面Fig.8　Operation interface of high-speed photography

图9　种子在排种盘不同转速下的投种轨迹Fig.9　Throwing locus of seed at different rotational speed of seed-plate

图9中Y方向上的位移即为种子的投种距离，由图9可知，排种盘的转速对投种轨迹有显著的影响，排种盘各转速下的高速摄影的投种轨迹与EDEM仿真得出的运动轨迹相差不大，均表现为转速越高，抛物线开口越大，其主要原因是转速越高，种子投出去的水平初速度越大，投种距离也随之增大；但同时也存在一定的差异性，可能是EDEM仿真存在一定的模型假设以及EDEM中不存在实际工况下排种器振动从而造成的种子投种时运动轨迹的改变。

2）投种角测量

将图8b中P′点位置设置为原点，利用Distance命令量取投种点（图8b中的虚线圆圈内的种子）的位置与原点的弦长，计算出圆心角即投种角，排种盘每个转速下投种角测量3组取均值，测量结果如表2所示。由表2可知，高速摄影测量值与EDEM仿真值基本相符，两者的相对误差最大为5.6%。可能是EDEM中不存在实际工况下排种器运转不稳定造成的振动以及EDEM中存在颗粒体模型的假设造成了投种角大小的差异性。

由SPSS软件分析可知：排种盘转速与投种角的相关系数的仿真值和试验值分别为0.932、0.952，说明仿真和试验中的排种盘转速与投种角两者之间均存在着高度线性正相关。对相关系数进行显著性检验，其伴随概率P小于0.01，所以排种盘转速与投种角两者存在显著相关性，排种盘转速Y与投种角x的仿真和试验的相关函数分别为Y仿＝−0.154x＋24.835，Y试＝−0.158x＋24.236。

表2　不同转速下的排种盘投种角的仿真和试验对比Table 2　Simulation and experiment comparison of throwing seed angle at different rotational speed of seed-plate

3）投种过程分析

截取在作业速度为v＝8 km/h的投种过程的高速影像如图10a所示。由图10a可清晰看出随着排种盘的转动，种子在重力作用下转至投种口，均匀连续地呈抛物线投出；由图10b所知，在作业速度为v＝12 km/h时，实线圆圈内的种子在投种口出现弹跳现象（t＝3.14～3.16 s），运动轨迹受到影响，与其他种子的运动轨迹发生明显偏离现象（t＝3.19～3.25 s）。测量排种盘各个转速下的株距变异系数如表3所示。由表3可知，在作业速度为4～8 km/h时，株距变异系数均较低；超过8 km/h时，开始呈现明显上升趋势。

图10　投种过程高速影像Fig.10　High-speed image of throwing seed

表3　排种盘不同转速下的株距变异系数Table 3　Coefficient of variation of row spacing at different rotational speed of seed-plate

经分析可知：除种子的质量和大小的差异外，造成此现象可能有2种原因，一是由于嗑种引起的排种器振动导致种子投出时运动轨迹发生变化，变异系数增加；二是当排种盘高速转动进入到投种区时，由于型孔的加工精度导致型孔的光洁度低等原因，种子出现明显的滚动现象，由于转速较高，种子在惯性的作用下，没有及时从投种口投出，与排种器内壁发生碰撞导致弹跳现象发生，进而改变种子的运动轨迹，导致排种均匀性较差以及株距变异性增大，也会造成伤种，影响排种质量。所以改良型孔的精度保证光洁度以及排种器合理的投种口的结构设计会避免此现象的发生，降低变异系数。由图9种子的投种轨迹分析可知，为防止种子与壳体发生碰撞导致种子发生弹跳现象，图8a中的PA的长度应不小于20 mm，加之工作过程排种器振动造成的影响，同时考虑降低机具质量以及生产成本，所以投种口处PA的长度取30 mm；为了保证在工作过程中后壳体与排种盘的良好配合，保留了后壳体投种口处4 mm的厚度，由于后壳体的厚度是20 mm，选择投种口处的尺寸为16 mm×30 mm。

5　结　论

本文利用高速摄像技术拍摄立式浅盆型排种器在不同转速下的工作过程，同时结合离散元仿真软件进行仿真，得到以下结论：

1）在保证充种效果良好的前提下，为了有效避免清种过程中由于带种导致的伤种现象的发生，保证清种的可靠性，立式浅盆型种盘的折边倾角应在67°～90°；同时，种层高度应保证种面与护种板之间留出3～4倍种子直径的距离。

2）投种过程中，为了保证排种的均匀性、减小株距变异，在保证型孔的光洁度的同时，投种口的尺寸定为16 mm×30 mm。

本文为立式浅盆型排种器的技术转化及产品定型提供了参考。

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Working characteristics of vertical shallow-basin type seed-metering device based on high-speed photography and virtual simulation

Liu Hongxin, Xu Xiaomeng, Liu Junxiao, Wang Chen
（College of Engineering, Northeɑst Agriculturɑl University, Hɑrbin 150030, Chinɑ）

Abstract:Vertical shallow-basin type seed-metering device is a mechanical precision seed-metering device. Its structure is based on the traditional vertical composite plate seed-metering device， and it can utilize the gravity， centrifugal force and interaction force between the seeds as the composite filling force to fill seeds， which solves the question of single filling force of traditional vertical composite plate seed-metering device. Based on the mechanism research of filling seeds， the author utilized the discrete element simulation analysis software EDEM （engineering discrete element method） and the physical prototype test to verify if vertical shallow-basin type seed-metering device had good working performance at high working speed. Generally， there was a certain model hypothesis in the existing research， for example， in the process of theoretical analysis， mechanical model had a certain simplification and assumption， in the EDEM simulation， there was the particle model assumptions， and meanwhile the discrete element simulation had not the phenomenon of knocking on a seed caused by the vibration of the machine under the actual working condition. Therefore， in order to observe and analyze the working condition and working mechanism more actually and intuitionally in the internal of vertical shallow-basin type seed-metering device， as well as the motion state of seeds in the cavity of seed-metering device， the paper utilized the high-speed photography technology to shoot the working process of the device at different rotational speed of seed shaft， and at the same time， the paper used the EDEM to simulate the working process， used the post-processing module of EDEM to label the particle， and made the analysis on the working process. Combined with 2 kinds of image analysis technologies， the results showed that to ensure the reliability in the process of cleaning seeds， the folding angle of seed plate of vertical shallow-basin type seed-metering device should be at the range of 67°-90°; meanwhile， to avoid hurting the seeds that was caused by the phenomenon of towing seeds in the process of cleaning seeds， the height of seed layer should ensure that there was a distance of 3-4 times of seed diameter between seed layer and protecting-seed device; in the process of throwing seeds， in order to ensure the uniformity and the quality， the smooth finish of the hole should be ensured and the size of throwing-seed mouth should be 16 mm×30 mm. The simulation and physical prototype showed that the trajectory of throwing seeds was a parabola curve， which was relevant with the rotational speed and whose open mouth became bigger with the increasing of rotational speed; the seed-throwing angle was positively associated with the rotational speed. The research provides the reference and basis for refining the design of vertical shallow-basin type seed-metering device and revising the relevant structure parameters to improve the working performance and ability of the device at high working speed.

Keywords:agricultural machinery; computer simulation; seed; seed-metering device; working mechanism; high-speed photography

作者简介：刘宏新，男，教授，博士生导师，研究方向为现代农业装备、数字化设计，CAD＆CAE，哈尔滨 东北农业大学工程学院，150030。

基金项目：国家自然科学基金项目（51275086）

收稿日期：2015-08-22

修订日期：2015-12-10

中图分类号：S223.2＋3

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-02-0013-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003