离散元模拟振动幅值对玉米种群运动速度的影响

张 涛，刘 飞，刘月琴，赵满全，李凤丽，张 勇，周 鹏

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

离散元模拟振动幅值对玉米种群运动速度的影响

张 涛，刘 飞，刘月琴，赵满全，李凤丽，张 勇，周 鹏

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

排种器是免耕播种机的重要组成部分，排种盘吸种性能直接影响免耕播种机播种合格率。排种室内种群运动速度对排种盘吸种性能影响较大，而振动是影响种群运动速度的重要因素。为此，应用离散元软件模拟排种室内玉米种群的运动，得到排种盘和搅种轮转速为17.8 r/min，排种室内充种3 750粒，排种器振动频率为15Hz，振动幅值分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4mm时，振动幅值对排种室内种群运动的影响。通过离散元软件后处理模块得到4 s时间内，以0.02 s为间隔所有时间点的玉米种群运动最大速度、最小速度、平均速度和竖直方向玉米种群最大速度、最小速度，由Origin软件得到排种室内玉米种群速度与振动幅值的拟合曲线。模拟结果表明：玉米种群最大速度、最小速度与排种器振动幅值呈二次曲线变化；玉米种群平均速度和竖直方向种群最大速度与排种器振动幅值呈线性关系；振动幅值大于2mm时，竖直方向种群最小速度基本保持不变。本次仿真为室内排种试验振动幅值的选择提供了依据。

排种器；离散元；种群运动；振动

0 引言

免耕播种作业具有节省作业费、降低生产成本及增强土壤蓄水保墒能力等优点，在我国得到了大力推广[1]。免耕播种机排种器的精量排种性能是影响其作业质量的重要因素。气吸式排种器具有适应性强、省种、不伤种子、作业速度高和对种子尺寸要求不高的特点而得到了广泛应用，所以优化气吸式排种器能够提高免耕播种的作业质量。

由于免耕地表根茬的存在，播种机整体的振动状态与传统耕作土地有较大差异。排种器振动幅值的大小影响种群运动状态，从而对排种器吸种性能的影响较大[2～3]。前人对排种器振动的研究主要有：陈晨[4]等以大豆种子为研究对象，应用离散元软件模拟了排种室内种群运动；刘文忠[5]等人通过正交试验得到排种盘转速为21.7r/min 时排种效果最好，合格率达到 91.26%；胡永文[6]等人通过试验得到， 振动最大位移为 2.11mm；陈进[7]等应用离散元方法，以水稻种群为研究对象，对气吸式精密播种机振动盘上种群的“沸腾”进行了研究，得到了吸种盘与振动种盘的较好参数组合。

本文应用离散元软件模拟了玉米种群的运动，得到振动频率为15 Hz时排种器振动幅值对排种室内种群运动速度的影响。

1 气吸式排种器的结构和工作原理

本文仿真应用的排种器模型为垂直圆盘气吸式排种器，主要由排种盘、搅种轮、排种盘轴、排种器壳体、吸气管、刮种装置和种箱组成。

垂直圆盘气吸式排种器主要工作部件为排种盘，排种盘上的排种孔连接种子室与负压室，排种盘下侧为大气压区域。排种作业时，风机产生的负压通过吸气管传递到负压室，再通过排种盘上的吸种孔对种群产生吸力；当种群中的1粒种子恰好将吸种口堵住，此时负压气流对此种子的吸力较大，使此种子吸附于吸种孔而随排种盘转动；当此种子随排种盘转动到的大气压区域时，种子依靠自身重力落入与排种器下端连接的导种管内，完成排种作业[8]。

搅种轮结构为带凸起的小圆盘，与排种盘螺栓连接从而与排种盘一起转动，可增加排种室内种群的流动性，且防止种子架空。若1个吸种孔吸附的种子多于1粒，由刮种装置将多余种子刮掉。

2 离散元模拟方案

2.1 离散元方法简介

离散元方法是一种不连续的数值计算方法，其根据经典力学理论计算离散的颗粒物料与几何体模型的速度、受力和位移等试验中较难得到的物理量。田间试验与室内试验都很难得到排种器内种群整体的运动速度，应用离散元方法对排种器不同振动幅值进行仿真，可以得到玉米种群的运动速度状态[9-10]。

2.2 模拟方法

根据前人研究结果和田间试验测得数据，设置本次仿真排种盘和搅种轮转速为17.8 r/min(播种机作业速度为5km/h)，排种室内充种3 750粒(种群静止时，种群上平面基本达到排种盘轴中点)。排种器整体振动频率为15Hz，振动幅值分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 mm，用离散元软件做8次仿真试验。用离散元软件的后处理模块，以0.02 s为间隔，得到各个时刻玉米种群最大速度、种群最小速度、种群平均速度和竖直方向的玉米种群最大速度、种群最小速度[11-12]。

2.3 物料物理参数设置

离散元仿真时，设置玉米种子之间的接触力学模型、玉米种子与排种器之间的接触力学模型，都为Hertz-Mindin(no slip)but in模型[13]。仿真计算时，垂直圆盘气吸式排种器与玉米种子接触的零件为排种盘和前壳体，材料分别为钢和有机玻璃。根据前人试验测试结果，本次仿真设置上述几种材料的物理参数如表1所示，物料间的接触参数如表2所示[14]。

表1 仿真材料参数设置

表2 仿真材料接触参数设置

2.4 建立玉米种子离散元模型

离散元中颗粒的模型为玉米种子，其尺寸为测量的真实玉米种子的尺寸。本文以20粒真实玉米种子的长、宽、高作为离散元颗粒尺寸的依据，离散元颗粒模型应用15个圆球面叠加建立，离散元软件建立的玉米种子颗粒模型如图1所示[15]。

图1 离散元仿真颗粒模型Fig.1 Model of discrete element simulation

2.5 几何体设置

由于排种器零件较多，将排种器三维模型导入离散元软件后，对计算种群运动没有影响的零件合并处理，可提高计算速度和简化材料设置步骤。根据排种器实体结构的不同，将排种盘轴、排种器后面的壳体、吸气管、刮种装置合并为一部分，设置材料为钢；其余与种群接触零件单独设置，排种盘材料设置为钢，搅种轮材料设置为塑料，排种器前面壳体的材料设置为有机玻璃。

排种盘和搅种轮动力为17.8r/min 的定轴转动，且4个部分整体进行正弦振动，正弦振动的振动频率为15Hz，振动幅值分别为0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4mm，做8次仿真试验[16-17]。

2.6 颗粒工厂设置与仿真计算

设置玉米种子的总数量为3 750粒，仿真时间步长为2×10-6s，网格尺寸设置为6.4mm[18-19]。离散元软件计算2s后，玉米种群的左边明显高于右边。离散元软件计算5s后结果如图2所示。

图2 离散元计算的种群状态Fig.2 Population status of discrete element calculation

3 离散元计算结果

3.1 计算结果

通过离散元后处理模块，以0.02s为间隔，得到运动较平稳阶段的2～6s内每一个时间点玉米种群最大速度、种群最小速度、种群平均速度和竖直方向的玉米种群最大速度、种群最小速度。

将2～6 s时间段平均划分为200个时间点，由离散元后处理软件得到每一个时间点的种群速度，将所有点的速度导出为CSV格式数据进行分析。玉米种群最大速度、种群最小速度、种群平均速度如表3所示，竖直方向的玉米种群最大速度、种群最小速度如表4所示。

由仿真结果得到：随着振动幅值的增加，竖直方向种群运动最大速度变大；振动幅值大于2mm时，竖直方向种群运动最小速度基本不变。

表3 玉米种群绝对速度仿真结果

表4 玉米种群竖直方向速度仿真结果

3.2 种群最大速度与振动幅值二次曲线拟合

由离散元软件后处理部分得到种群绝对速度最大值，为找到种群绝对速度最大值随振动幅值的变化规律，应用Origin软件得到的拟合曲线如图3所示。

图3 种群最大速度与振动幅值拟合曲线Fig.3 Fitting curve of maximum speed and amplitude of the population

由Origin软件得到拟合曲线的方程为y=-48.69612+201.07908x-27.9506x2，拟合相关系数R2=0.97473。由拟合曲线可以得到：玉米种群最大速度与排种器振动幅值呈二次曲线变化；随着振动幅值的增大，二次曲线的斜率变小；当排种器振动幅值小于2 mm时，曲线斜率较大；当排种器振动幅值大于2mm时，曲线斜率变小。

3.3 种群最小速度与振动幅值二次曲线拟合

由离散元软件后处理部分得到玉米种群绝对速度最小值，应用Origin软件得到种群绝对速度最大值随振动幅值的变化的拟合曲线，如图4所示。

图4 种群最小速度与振动幅值拟合曲线Fig.4 The fitting curve of the minimum velocity and amplitude of the population

由Origin软件得到拟合曲线的方程为y=8.53681-7.41233x+5.11254x2，拟合相关系数R2=0.98854。由拟合曲线可以得到：玉米种群最小速度与排种器振动幅值呈二次曲线变化；随着振动幅值的增大，二次曲线的曲率变小；排种器振动幅值小于2mm时，曲线曲率较小，排种器振动幅值大于2mm时，曲线曲率变大。

3.4 种群平均速度与振动幅值线性拟合

由离散元软件后处理部分得到玉米种平均速度，应用Origin软件得到种群平均速度与排种器振动幅值的线性拟合如图5所示。

图5 振动幅值变化对种群平均速度的影响Fig.5 Effects of vibration amplitude change on population mean velocity

由Origin软件得到拟合曲线的方程为y=29.57911+42.02012x，拟合相关系数R2=0.917150。由拟合曲线可以得到：玉米种群平均速度与排种器振动幅值呈线性变化；随着振动幅值的增大，玉米种群平均速度线性增大。

3.5 种群竖直方向最大速度与振动幅值线性拟合

由离散元软件后处理部分得到种竖直方向最大速度，随振幅的增大，种群竖直方向最大速度的线性增大，拟合曲线如图6所示。

图6 种群竖直方向最大速度与振动幅值的线性拟合Fig.6 Linear fitting of the maximum velocity and amplitude in the vertical direction of the population

由Origin软件得到拟合曲线的方程为y=28.63225+74.85901x，拟合相关系数R2=0.96454。由拟合曲线可以得到：种群竖直方向最大速度，随排种器振动幅值增大而线性增大。

3.6 种群竖直方向最小速度随振动幅值的变化

由Origin软件得到种群竖直方向最大小速度随振动幅值的变化，如图7所示。

图7 种群竖直方向最小速度随振动幅值的变化Fig.7 The variation of the minimum velocity of the vertical direction with the amplitude of the population

由种群竖直方向最小速度随振动幅值的变化得到：当振动幅值小于2mm时，种群竖直方向最小速度与排种器振动幅值呈线性变化；振动幅值小于2mm时，种群竖直方向最小速度基本保持不变。

综上所述，随着排种器振动幅值的增大，种群运动速度的绝对值增大。玉米种群最大速度、最小速度随排种器振动幅值的增大，呈二次曲线增加；玉米种群平均速度和竖直方向种群最大速度随排种器振动幅值的增大，线性增大；振动幅值高于2mm时，竖直方向种群最小速度基本保持不变。

4 结论

1)排种器振动幅值由0.5mm增大到4mm时，种子室内玉米种群最大速度呈二次曲线增加，曲线斜率逐渐变小。

2)玉米种群最小速度与排种器振动幅值呈二次曲线变化。随着振动幅值的增大，二次曲线的曲率变大。

3)排种器振动幅值由0.5mm增大到4mm时，种群平均速度、竖直方向种群最大速度随振动幅值的增大线性增大。

4)振动幅值小于2mm时，种群竖直方向最小速度与排种器振动幅值呈线性变化；振动幅值大于2mm时，种群竖直方向最小速度基本保持不变。

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The Effect of Amplitude on the Movement Speed of Maize Population Based on Discrete Element Method

Zhang Tao, Liu Fei, Liu Yueqin, Zhao Manquan, Li Fengli, Zhang Yong, Zhou Peng

(College of Mechanical and Electrical Engineering of Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China)

Metering device is an important part of the no tillage planter, disc suction performance has a direct influence on the qualified rate of no tillage planter, population movement speed to a row of plate ceiling performance impact is larger, and the vibration is one of the most important factors to influence the population movement speed. In this paper, the application of discrete element software simulated maize population movement and get row plate and stir for wheel speed for 17.8r/min, indoor filling 3750 grain, kind of oscillation frequency is 15Hz and amplitudes were 0.5, 1, 1.5, 2.0, 2.5, 3, 3.5, 4mm, the amplitude to a row of kind of laboratory population movement. By discrete element software processing module obtains to 0.02 for interval for all time points of the maize population movement maximum speed and minimum speed, average speed, and vertical corn populations maximum speed and minimum speed. Fitting curve of the speed and amplitude of the maize population in the indoor corn by Origin software. The simulation results show that the maize population maximum speed and minimum speed and row for amplitude changes showed a quadratic curve; maize population average speed and vertical direction of the population maximum speed and exhaust device amplitude showed a linear relationship; amplitude larger than 2mm, vertical direction minimum population speed basic guarantee is held constant. This simulation provided the basis for the choice of the amplitude of the indoor test.

metering device; discrete element method; population movement; vibration

2016-09-25

国家自然科学基金项目(51365034)；中国博士后科学基金项目(2014M552532XB)；内蒙古自治区博士研究生科研创新项目(B20161012902Z)

张 涛(1988-),男(满族)，内蒙古喀喇沁旗人，博士研究生，(E-mail) 308685885@qq.com。

赵满全(1955-),男,内蒙古土右旗人,教授,博士生导师，(E-mail)nmgzhaomq@163.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)12-0038-05