基于DEM的强制清种器清种性能研究.pdf

基于 的强制清种器清种性能研究葛越锋，李小帅，李春林，李飞翔，尚二飞，刘超（洛阳智能农业装备研究院有限公司，河南 洛阳 ；国创农业装备质量检验检测技术（洛阳）有限公司，河南 洛阳 ）摘要：为提高精量播种机播种的均匀性，基于离散元法对 系列播种机的强制清种器进行研究。采用 软件的 优化模块设计试验，以闭气阀位置与水平方向夹角 、强制清种器斜边与水平方向夹角 为因素，在 参数范围下，以变异系数 进行寻优求解，得到最佳参数组合为：，。根据结果 打印进行台架试验，台架试验所得种子变异系数为 、合格指数 、漏播指数 、重播指数 ，结果表明了闭气位置及强制清种组合设计的合理性，验证了仿真优化设计的可行性。关键词：精量播种机；强制清种器；离散元；优化设计；变异系数中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；（），）：，：，：；精量播种机播种要求有均匀的播种株距，均匀的播种株距需要合理的排种器装置，种子精准着地需要合理的导种管加以引导，导种管的合理设计及闭气位置的合理配合才能更好地引导种子沿着导种管内壁曲面下落，实现零速投种 。为实现种子闭气后顺利地进入导种管中，国内外学者在排种器的设计改进上已做大量的研究。张涛等为研究气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动参数及振动对排种器内玉米种群运动的影响规律，采用 加速度传感器和振动测试系统，对气吸式免耕播种机在免耕地表作业时排种器振动特性进行了测试，基于离散元法模拟了在田间作业振动条件下玉米种群运动规律，该研究可为免耕播种机气吸式排种器吸种性能的提高提供参考 。刘月琴等为提高用于免耕播种机的气吸式排种器的吸种效果，探寻最佳的排种器工作参数范围，通过离散元法对排种器内种群的离散度、种子间的作用力和种子速度进行仿真分析，得出吸种效果最佳的排种器工作参数范围，并进行排种试验，证明了仿真优化的参数范围是可靠的。在这些参数范围内，可使种箱内种子处于松散的吸种状态，种子间的碰撞和拖带作用减小，吸种性能得以提高 。陈晨等针对排种器工作效果受种群运动情况的影响较大，而振动则直接影响种群运动。运用离散元软件模拟排种室内收稿日期：基金项目：河南省 年主粮作物智慧化生成加工关键技术装备研发与应用；小麦无人播种施肥技术装备研发（）。第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，大豆种群的运动，分析了振幅对排种室内种群运动的影响。结果表明种群平均速度随排种器振幅增大而提高，种群所受压力随振幅增加而先降低后升高，仿真试验为室内排种试验振幅的选择提供了可靠依据 。史嵩等为研究种群扰动对排种器充种性能的影响，该文基于离散单元法理论，以气压组合孔式排种器为模型，运用 软件对 种不同型孔结构排种盘的种群运动进行了仿真分析，以种子法向应力跳动量和种子平均法向应力总和作为指标，分析了各排种盘在不同转速条件下的种群内摩擦力的变化。仿真结果表明，种群扰动强度的增大并不能显著减少种子法向应力的总量，但会降低种子瞬态的法向应力即瞬时种子内摩擦力，据此推断出扰动强度最大的排种盘的充种性能较其他排种盘更优。在排种器试验台上进行了验证试验，结果显示扰种强度最高的排种盘在各转速条件下的漏充率最低。对比仿真与试验结果发现，增强排种盘对种群的扰动可以在一定程度上提高种子的充种性能 。强制清种器优化方案为减小种子脱离排种盘后在导种管中出现无规则的弹跳以提高玉米大豆精量播种机播种的均匀性，基于离散元法对 系列播种机的强制清种器进行研究。采用 软件的 优化模块设计试验，以闭气阀位置与水平方向夹角 、强制清种器斜边与水平方向夹角 为因素，以株距变异系数为响应设计试验对参数进行优化求解，得到闭气位置与强制清种的最佳参数组合。根据所得最佳参数，采用 软件建立三维模型并 打印进行台架试验，结果表明了闭气位置及强制清种组合设计的合理性，验证了仿真优化设计的可行性，为玉米大豆精量播种机排种器的研究设计提供参考。接触模型接触模型是离散元法的基础，是准静态下颗粒的接触力学弹塑性分析结果，其分析计算决定了颗粒的受力与力矩大小，不同的仿真对象须采用不同的接触模型以提高仿真的准确性。参照国内外精量排种器的仿真设定研究 ，本文 颗粒间接触选用 （）模型。此模型是在 研究基础上得到的，具有准确有效的力计算，是 中默认的接触模型。当两球形颗粒发生弹性接触，在法向上的重叠量 为：（）式中，、分别为两颗粒半径，；、分别为两颗粒球心位置矢量。颗粒间法向力（）为：槡（）式中，为颗粒等效弹性模量，；为颗粒等效半径，。（）（）式中，、分别为两颗粒的弹性模量，；、分别为两颗粒的泊松比。法向阻尼 为：槡 槡 （）式中，为等效质量，；为相对速度的法向分量值，；为法向刚度，。槡（）槡（）（）（）（）式中，为恢复系数；、分别为两颗粒质量，；、分别为两颗粒碰撞前的速度，；为碰撞的法向单位矢量。颗粒间切向力（）为：（）槡（）式中，为切向刚度，；为切向重叠量，；为等效剪切模量，。切向阻尼力（）为：槡 槡 （）式中，为切向相对速度，。仿真优化 参数选取物料采用大豆种子，导种管材质选用塑料，结合相关参考文献及软件内置 数据库，本研究中各仿真参数的取值如表 所示 。针对 系列免耕精量播种机，结合实际设计模型及相关参考文献 ，闭气阀位置与水平方向夹角 、强制清种器斜边与水平方向夹角 的选取范围如表 所示，、位置示意图如图 所示。葛越锋等：基于 的强制清种器清种性能研究表 离散元参数表 仿真参数数值大豆种子密度（）大豆种子泊松比 大豆种子剪切模量 塑料密度（）塑料泊松比 塑料剪切模量 大豆种子 大豆种子恢复系数 大豆种 大豆种子静摩擦系数 大豆种子 大豆种子滚动摩擦系数 大豆种子 塑料恢复系数 玉米种子 塑料静摩擦系数 玉米种子 塑料滚动摩擦系数 表 试验因素范围 符号低水平高水平 （）（）仿真模型利用 软件建立部件装配模型，导入 软件进行仿真。排闭气阀位置、强制清种器、导种管的装配关系如图 所示。图 仿真模型 图 、角度示意图 、正交试验 试验设计，采用 因素的 设计，共 组试验次数，以粒距变异系数为响应值进行优化求解，结果如表 所示。基于 软件 优化模块，建立 个参数与株距变异系数间的二阶回归方程为：（）表 试验及结果 运行序变异系数 优化求解根据正交试验所得的回归方程，结合所需设计的 系列免耕精量播种机，以种子变异系数 为目标进行寻优求解，得到闭气位置与强制清种的最佳参数组合为：，。采用最佳参数组合进行导种管的仿真试验，仿真试验所得种子变异系数为 。试验验证为验证仿真结果的准确性及正交试验所得最佳组合参数的合理性，采用 打印技术对强制清种器进行加工，搭建排种器试验平台进行试验研究。排种器试验平台的搭建参照 型试验台 ，结合国标标准 单粒（精密）播种机试验方法，如图 所示。图 排种器试验台 拖拉机与农用运输车第 期 年 月参照国标标准 评估计算方法，以变异系数、合格指数、漏播指数、重播指数对最佳组合参数下的排种性能进行评估。仿真试验与台架试验的结果如图 所示，仿真试验所得种子的变异系数为 、合格指数 、漏播指数 、重播指数 ；台架试验所得种子变异系数为 、合 格 指 数 、漏 播 指 数 、重播指数 ；台架试验结果表明了最佳组合参数的合理性。图 试验结果对比 结论（）采用 软件的 优化模块设计试验，以闭气阀位置与水平方向夹角 、强制清种器斜边与水平方向夹角 为因素，以株距变异系数为响应设计试验对参数进行优化求解。在 参数范围下，以变异系数 进行寻优求解，得到闭气位置与强制清种的最佳参数组合为：，。（）参照国标标准 评估计算方法，以变异系数、合格指数、漏播指数、重播指数对最佳组合参数下的排种性能进行评估。仿真试验所得种子的变异系数为 、合格指数 、漏播指数 、重播指数 。（）所得最佳参数采用 软件建立三维模型并 打印进行台架试验，台架试验所得种子变异系数为 、合格指数 、漏播指数 、重播指数 。结果表明了闭气位置及强制清种组合设计的合理性，验证了仿真优化设计的可行性，为玉米精量播种机排种器的研究设计提供参考。参考文献：姚颍飞 玉米高速精量播种机电驱排种控制系统设计与研究 石河子：石河子大学，汤允猛 玉米精量播种机排种监测系统设计 石河子：石河子大学，陈晨 精量播种机带式导种装置结构设计与性能试验研究 呼和浩特：内蒙古农业大学，张涛，刘飞，赵满全，等 基于离散元的排种器排种室内玉米种群运动规律 农业工程学报，（）：刘月琴，赵满全，刘飞，等 基于离散元的气吸式排种器工作参数仿真优化 农业机械学报，（）：陈晨，赵满全，张涛，等 基于离散元的排种器振动对大粒径作物种群的影响 农机化研究，（）：史嵩，张东兴，杨丽，等 基于 软件的气压组合孔式排种器充种性能模拟与验证 农业工程学报，（）：，：，（），（），赵淑红，杨罗罗，张鑫，等 大豆垄上双行免耕播种机锯齿式开沟器设计与试验 农业机械学报，（）：顿国强，范芯蕊，杨永振，等 基于离散元的插装式大豆排种器改进设计及试验 华中农业大学学报，（）：许健，蔡宗寿，张国帅，等 基于离散元的倾斜圆盘勺式大豆排种器取种勺优化研究 江苏农业科学，（）：张建路，王鹏飞 基于 机施有机肥离散元模型参数标定 农机化研究，（）：李飞翔，王鹏，王云飞，等 基于堆积试验的玉米包衣种子离散元参数标定 中国农业科技导报，（）：靳培英 型排种器试验台的工作原理及正确使用 当代农机，（）：李晓明，齐忠军，王涛，等 气吸式排种器批量联动试验台的设计 农业科技与装备，（）：刘虎，周纪磊，张荣芳，等 垂直振动激励下排种器振动试验台可靠性分析和验证 农机化研究，（）：（编辑张晓超）作者简介：葛越锋（），男，河南洛阳人，硕士研究生，从事农机装备研究。通讯作者：李小帅（），男，河南洛阳人，从事农机装备研发管理工作。葛越锋等：基于 的强制清种器清种性能研究