基于EDEM的滚筒式穴播器排种性能仿真与试验*

张宁宁，康建明，王小瑜，彭强吉，张春艳，王永烁

(山东省农业机械科学研究院，济南市，250100)

0 引言

滚筒式穴播器属于机械式精密排种器的一种，因其结构简单、粒距一致、能够实现膜上精播等优点广泛应用于棉花、花生等覆膜作物的精量播种[1]。工作时，种子被穴播器滚筒内的带翼取种器带起并进入排种口，完成播种。取种是排种器整个排种过程最关键的环节，取种器取种性能的优劣直接影响机具的播种质量。但在花生的种植中存在着取种勺与种子适配性差的问题，从而导致取种性能差、伤种严重等问题。

离散元法是一种处理非连续介质问题的数值模拟方法。20世纪90年代后，一些学者开始采用该方法研究散粒物料与农业机械部件的相互作用，并取得了良好的效果[2-7]。廖庆喜等[8]采用离散元法建立了离心式排种器的离散元仿真模型，确定了油菜籽的运动规律并研究了内锥筒中种量与临界转速的关系、排种器转速与总排量的关系；史嵩等[9]运用EDEM软件对4种不同型孔结构排种盘的种群运动进行仿真分析，以种子法向应力跳动量和种子平均法向应力综合作为指标，分析了各排种盘在不同转速下的种群内摩擦力的变化，仿真的结果为提高排种器的充种性能提供方法。花生种子的排种过程中，排种器中种子的运动也是散粒物料的运动[10-11]，为了提高花生精密播种质量，因此本研究在国内外研究的基础上，采用离散元分析软件EDEM对滚筒式穴播器进行仿真研究，分析花生种子外形尺寸、排种器工作转速及取种器结构参数对排种性能的影响，为滚筒式穴播器的优化设计提供理论依据。

1 种子特征与分级

1.1 种子特征

花生种子的外形有椭圆形、圆球形、桃形、三角形、圆柱形等5种。本文选用山东省花生研究所选育的鲁花14号花生种子，如图1所示。种子外形为椭圆形，千粒质量1 160 g。通过试验测得种子的长轴和宽轴尺寸分别集中分布在13～20 mm和8～16 mm，含水率为20%，休止角为33.5°，内摩擦角为30.2°[12]。

图1 鲁花14号花生Fig.1 Luhua No.14 peanut

1.2 种子分级

将花生种子按照大小进行分级，种子分级所用的试验仪器有标准振筛机、游标卡尺、圆孔筛等。标准振筛机型号为4DZSF525。所有种子按照大小共分为3级，即1(大粒种子)；2(中粒种子)；3(小粒种子)，各级种子的特性见表1。

表1 分级后各级种子特性Tab.1 Seed characteristics after grading

2 滚筒穴播器结构参数的确定

2.1 滚筒穴播器结构与工作原理

滚筒式穴播器如图2所示，其主要由滚筒体、取种器和成穴器三大部分构成，滚筒体为穴播器的基础部件，滚筒体内为种子室；在滚筒体的内圆周面上均布安装有取种器，在对应的外圆周壁上安装有鸭嘴式成穴器，取种器与成穴器通过滚筒体上的通孔互相连通。

图2 滚筒式穴播器Fig.2 Roller type hill-drop planter1.滚筒体 2.取种器 3.鸭嘴式成穴器 4.种子室

工作时滚筒穴播器在待播地面上，随机具前进而滚动，滚筒里的种子之间、种子与滚筒之间的摩擦力带动种子随滚筒转动，使滚筒内种子群的上表面与水平面之间形成一定角度，该角度大于休止角。滚筒内壁上的取种器在种子群中穿过时，两侧的刮种翼将种子从进种窗口带进取种勺内；根据精密播种的要求，取种器的尺寸仅能容下一颗花生种子，其余的种子随滚筒的转动在自重作用下落回到种子堆。留在取种器里的种子随滚筒转动沿取种器背上的滑槽滑动到滚筒上的排种口，再靠自重落入鸭嘴成穴器内。此时鸭嘴成穴器的定鸭嘴逐渐插入土壤，当入土达到了最深时，动鸭嘴的仿形压板压着地面，活动鸭嘴就会被地面的反作用力打开，种子便落入种穴中。整个排种过程可分为取种、清种、输种和排种四个过程，并且在滚筒旋转一周自动完成。

2.2 取种器参数的确定

取种器结构如图3所示。

图3 取种器结构示意图Fig.3 Structure of seed extractor

工作时，取种器完成取种和清种，取种器的结构参数将影响取种性能，进而影响穴播器的播种性能。为保证排种器的单粒精播，取种器在取种时不能超过1粒，取种器侧孔长度K和容腔长度L必须满足以下条件。

K=(1.5～2)dmax

(1)

L=(1.2～1.5)dmax

(2)

式中：dmax——花生种子最大长度，mm。

将表1数据代入式(1)和式(2)，确定3组取种器参数，如表2所示。

表2 取种器参数Tab.2 Seed extractor parameters

2.3 穴播器滚筒直径的确定

排种器滚筒的直径主要与株距、播种深度及鸭嘴成穴器的数量有关，在不考虑滑移率的情况下，排种器滚筒的直径

(3)

式中：D——排种器滚筒直径，mm；

Z——鸭嘴成穴器的个数，取值为8；

γ——播种株距，mm；

H——播种深度，mm。

根据花生单粒精播农艺要求，播种株距γ取150 mm，播种深度H取30 mm，可得排种器滚筒的直径D为322 mm。

2.4 穴播器额定转速的确定

穴播器在转动工作时，滚筒内种子的受力情况如图4所示。

图4 种子受力情况Fig.4 Seed stress condition

(4)

式中：R——滚筒内径，mm；

ω——滚筒转动角速度，rad/s；

m——种子质量，kg；

F——种子与滚筒壁的摩擦力；

N——滚筒对种子的法向反力；

P——种子的离心力；

α——种子所在位置与垂直中心线的夹角；

g——重力加速度，m/s2。

3 EDEM仿真建模与分析

3.1 穴播器仿真模型的建立

采用离散元软件EDEM进行仿真分析。应用三维制图软件Solidworks对滚筒穴播器进行实体建模，以.igs格式导入EDEM软件中，网格化排种器结构如图5所示。

图5 滚筒穴播器EDEM仿真模型Fig.5 EDEM simulation model of roller type hill-drop planter

3.2 花生种子仿真模型的建立

以表2中3种尺寸等级的花生种子的外形尺寸为依据，在Solidworks中创建花生三维模型，将模型导入EDEM软件中并通过多球面组合的方式进行填充，得到花生种子的离散元颗粒模型，如图6所示。

图6 花生种子颗粒模型Fig.6 Granule model of peanut

3.3 模型变量参数的设置

本文穴播器的离散元仿真过程中种子—种子、种子—穴播器内壁受力计算采用的是Hertz模型。Hertz模型将两物体之间的相对位置与其各自的受力处曲率半径进行对比来计算法向及切向受力，能较为准确反映刚性颗粒物体间的力学特点[10-15]。其余参数的设置如表3所示。

表3 模型变量参数的设置Tab.3 Model variable parameter setting

3.4 仿真结果分析

建立EDEM颗粒工厂，根据表3数据设置材料数据及颗粒间接触参数，根据表1数据导入种子颗粒模型，设置颗粒工厂为动态生成方式，产生数量为5 000粒；产生速率为500个/s，放置颗粒最大尝试次数为 20次。

仿真过程如图7所示。

图7 仿真过程Fig.7 Simulation process

仿真时，取种器取种时会出现单粒取种、2粒取种、漏种等现象。取种器能单粒取种是排种器能实现精密播种的关键因素，仿真时取种器单粒取种是考察花生种子与取种器参数适配性的重要指标。对三个等级花生种子在不同取种器参数和工作转速下进行仿真，分别统计1 000粒种子在取种时的漏播粒数、重播粒数、单粒粒数，计算三次试验的平均值。根据GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种试验方法》，合格指数S、重播指数C和漏播指数M为仿真试验指标[16]，计算公式如式(5)～式(7)。

(5)

(6)

(7)

式中：n——理论排种数量；

n1——单粒排种数量；

n2——重播数量；

n0——漏播数量。

试验方案为设定取种器的侧孔长度32 mm，容腔长度25 mm时，分别设置穴播器的工作转速为20 r/min、25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min、50 r/min 工况下进行仿真模拟，统计结果如表4所示。设定穴播器的工作转速为40 r/min，当取种器侧孔长度和容腔长度分别设定为40 mm、32 mm、28 mm 和30 mm、25 mm、20 mm时穴播器的排种性能仿真结果如表5所示。

表4 不同大小花生种子在不同工作转速下的仿真结果Tab.4 Simulation results of different sizes of peanut seeds under different working speeds

表5 不同大小花生种子在不同取种器尺寸下的仿真结果Tab.5 Simulation results of different sizes of peanut seeds under different sizes of seed extractor

由表4数据可知，随工作转速的增加，穴播器对三个等级花生种子排种合格指数和重播指数呈下降趋势，漏播指数呈上升趋势；在20～50 r/min的转速下，穴播器对中粒尺寸的花生种子排种性能最优，合格指数均大于89%，对小粒种子的合格指数次之，大粒种子的合格指数最低；当穴播器工作转速大于40 r/min时，各级种子的合格指数下降较明显，主要由于取种器随滚筒转动加快，种子还未来得及进入取种器内而靠重力落回到种子堆。可见，在取种器参数为定值时，工作转速和种子大小对排种性能都有影响。

由表5数据可知，当工作转速额定40 r/min，随着取种器侧孔和容腔尺寸的增加，种子更容易进入取种器内使得重播指数增加，漏播指数降低。侧孔和容腔的尺寸分别为40 mm和30 mm时，对大粒种子的排种性能最优，合格指数为91.37%；侧孔和容腔的尺寸分别为32 mm和25 mm时，对中粒种子的排种性能最优，合格指数为93.07%；侧孔和容腔的尺寸分别为28 mm 和20 mm时，对小粒种子的排种性能最优，合格指数为93.02%，可见，种子与取种器的适配性影响排种性能。

4 田间试验

为验证仿真结果的可靠性，同时考察穴播器的排种性能，于2020年9月在山东省农业机械科学研究院章丘枣园试验基地进行田间试验，如图8所示。试验土地提前进行耕整作业，使其能满足花生播种农艺要求。种子为筛选分级后的鲁花14号花生。试验样机为装有滚筒式穴播器的2BM型花生起垄覆膜膜上精播机，试验设置排种器转速为40 r/min，机具前进速度为2.4 km/h，取种器侧孔长度32 mm、容腔长度25 mm。三级花生种子各1 000粒，进行3次试验验证，统计500粒种子在穴播器排种后的漏播粒数、重播粒数、单粒粒数，取三次平均值计算出漏播指数、重播指数和合格指数，结果如表6所示。

图8 田间试验Fig.8 Field experiment

表6 田间试验结果Tab.6 Results of field experiments

由表6的试验结果可知，在穴播器工作转速40 r/min，取种器侧孔长度32 mm、容腔长度25 mm条件下，对中粒种子的排种合格指数为92.54%，重播指数为3.45%，漏播指数为4.01%，排种性能最优；小粒种子的排种合格指数为90.69%，重播指数5.27%，漏播指数为4.04%，排种性能次之；对大粒种子的排种合格指数为88.26%，重播指数为2.31%，漏播株数为9.43%，排种性能最差。可见，种子外形尺寸与取种器的适配性影响排种性能。试验结果与仿真结果在反应穴播器对各级种子的排种性能趋势上是一致的，离散元分析方法应用于滚筒式花生穴播器上是可行的，为穴播器的优化设计提供了理论依据。

5 结论

1)以滚筒式花生穴播器为研究载体，将花生种子按外形尺寸筛分成了大粒、中粒、小粒三级，根据不同等级种子的尺寸确定了三种取种器的侧孔和容腔尺寸。

2)利用离散元分析软件EDEM建立穴播器及种子的仿真模型，并进行穴播器工作过程仿真试验。仿真结果表明：随着工作转速的增加，穴播器对各级花生的合格指数均呈下降趋势；当工作转速额定，侧孔和容腔的尺寸分别为40 mm和30 mm时，对大粒种子的排种性能最优，合格指数为91.37%；侧孔和容腔的尺寸分别为32 mm和25 mm时，对中粒种子的排种性能最优，合格指数为93.07%；侧孔和容腔的尺寸分别为28 mm 和20 mm时，对小粒种子的排种性能最优，合格指数为93.02%。工作转速、取种器参数和种子大小对排种性能都有影响。随工作转速的增加，各级种子的排种合格指数呈下降趋势；各级种子在与之适配性好的取种器下排种性能较好。

3)通过田间试验，在穴播器工作转速40 r/min、取种器侧孔长度32 mm，容腔长度25 mm条件下滚筒式穴播器对中粒种子的排种合格指数为92.54%，重播指数为3.45%，漏播指数为4.01%，排种性能最优；小粒种子的排种合格指数为90.69%，重播指数为5.27%，漏播指数为4.04%，排种性能次之；对大粒种子的排种合格指数为88.26%，重播指数为2.31%，漏播株数为9.43%，排种性能最差。可见，种子外形尺寸与取种器的适配性影响排种性能。试验结果与仿真结果在反应穴播器对各级种子的排种性能趋势上是一致的，离散元分析方法应用于滚筒式花生穴播器上是可行的，为穴播器的优化设计提供理论依据。