基于EDEM的内充种式棉花排种器排种仿真试验

徐照耀，周勇，胡梦杰，柯烩彬，张梦月，吕文

(华中农业大学，农业农村长江中下游农业装备重点实验室，湖北 武汉 430070)

我国棉花主要种植方式分为直播与育苗移栽2种方式[1]，而棉花机械化直播可省本节工、效率高，是实现棉花生产可持续发展的重要途径之一[2].排种器作为机械化直播的核心工作部件，其排种性能直接决定播种质量[3].精量排种器从原理上分为气力式排种器和机械式排种器，气力式排种器对种子的适应性较强，对种子的损伤较低，但结构较为复杂，技术和成本较高.机械式排种器虽然对种子尺寸要求严格，存在高速作业适应性差及种子破损率高等问题，但有生产成本低、结构简单、利于推广等优点[4-6]，其中内充种式精量排种器作业质量好、结构简单、使用维护方便，适于作物精播作业[7-8].

国内对排种器工作原理的研究主要为设计-制造-试验-数据分析-改进，而后又重复试验、改进、制造成品这一传统方法，设计过程成本高、周期长,往往影响排种器的开发和推广.因此，探索新的低成本、短周期的排种器性能研究方法就显得非常必要[9-10].

离散单元法是专门用于解决不连续介质的一种数值模拟方法，在排种器性能设计及检验上得到了广泛的应用.刘亚夫基于EDEM软件建立了双排型孔轮式油菜排种器的离散元模型，不同排种轴转速下种群扰动强度进行分析，研究排种轴转速和不同排型孔对排种器排种量和排种均匀性变异系数的影响[11].张朋玲建立了离心式排种器的离散元仿真模型，对油菜籽在排种器中的运动过程进行了仿真分析，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，并且仿真结果与台架试验结果一致，证明采用离散元法分析离心式排种器性能是可行的[12].石林榕基于离散单元法对水平圆盘式精量排种器进行了排种数值模拟，得到玉米籽粒模型排种、重播、漏播的形成过程，并通过台架试验验证仿真试验.证明基于离散单元法的排种器仿真试验为排种器性能参数的确定提供参考是可行的[13].

本文以棉花种子为研究生对象，开展内充式棉花排种器性能设计工作，采用离散元法分析排种器的工作过程及性能，并将离散元法分析结果与排种器的台架试验结果进行对比，证明采用离散元法分析内充式排种器工作过程和性能的可行性和有效性，为内充式棉花排种器的研究和优化设计建立一种新方法.

1 内充种式棉花排种器结构和工作原理

1.1 结构

如图1所示内充种式棉花排种器主要由排种内盘、排种外盘、排种轴、凸耳、毛刷、进种管、前壳体、后壳体及入种口高度调节板等部分组成.其中排种盘是棉花排种器的核心，其设计参数直接影响棉种的排种质量.排种盘由内外盘组合而成，内外盘贴合在一起形成组合型孔，型孔参数如图1-C所示，型孔参数由矩形型孔高度b(大于最大棉种宽度)、矩形型孔长度a(大于棉种最大长度)；梯形型孔下底面长度g(大于最大棉种宽度小于两倍棉种最大厚度)、梯形型孔上底面长度e组成.内外盘相对转动可以改变内窝孔深度s，控制播量，内窝孔宽度为h.

1：毛刷；2：后壳体；3：凸耳；4：排种内盘；5：前壳体；6：进种管；7：入种口高度调节板；8：排种轴；9：排种外盘.1：Brush；2：Back shell；3：Lug；4：Inner seeding plate；5：Front shell；6：Intake pipe；7：Altitude adjusting plate for seed entrance；8：Seeding shaft；9：Outer seeding plate.图1 排种器结构示意图Figure 1 Structural diagram of seed-metering device

1.2 工作原理

排种器工作时，棉种经进种管，流入充种腔形成种子群；排种盘在排种轴的带动下做周期性逆时针转动；棉种在重力和离心力作用下充入排种盘的型孔；排种盘型孔里多余的种子被毛刷刮掉，并落回充种腔；排种盘型孔中的种子经护种区，转至投种口，在重力作用下排出.

2 EDEM仿真模型建立

2.1 棉种模型的建立

2.1.1 棉种外部尺寸 棉种的外形尺寸参数为内充种式排种器的尺寸设计提供重要参考依据.农业物料的外形尺寸测定方法较多，其中轴向尺寸法较适用于测量种子等小物料[14]，故本文采用轴向尺寸法测定棉种三轴尺寸.如图2所示定义棉种的长度(L)、宽度(W)和厚度(T)方向所在的直线分别与三维坐标系相互垂直的三轴(x、y、z轴)重合，其中，长度是指棉种在平面投影中的最大尺寸，宽度是指垂直于长度方向所在平面棉种边缘的最大直线距离，厚度是指同时垂直于长度与宽度方向棉种边缘的直线尺寸.为保证离散元仿真的准确性，对‘鄂抗棉-10’棉花种子进行外形尺寸统计.选取500粒棉花种子用数显游标卡尺对其长度、宽度和厚度直接进行测量，统计分析所得数据，得出‘鄂抗棉-10号’棉种三轴尺寸平均值.测试结果见表1.

图2 棉花种子三轴尺寸示意图Figure 2 Triaxial size diagram of cottonseed

表1 棉种三轴尺寸平均值及标准差

2.1.2 棉花种子模型建立 由于棉种颗粒外形尺寸不规则，其近似为长椭球体.为使仿真更加真实地反映出排种器工作过程，以所测棉种的平均三轴尺寸为依据，在EDEM软件前处理模块中采用多球面组合构型方式创建一个椭球体组合颗粒模型[15]，棉种颗粒模型由12个接触半径不同的球面粘合而成，并通过EDEM软件计算棉花种子模型的质心和质量.各球面参数设置参数及棉花种子模型如表2和图3所示.

表2 棉种颗粒参数设置表

图3 棉种颗粒模型Figure 3 The model of cottonseed particle

2.2 棉花排种器模型建立

将EDEM软件中颗粒所接触的几何体仿真模型可在软件中直接定义，也可从外界CAD系统中导入，本文采用后者.为提高排种器仿真求解运算速度，将排种外盘简化为一个整体，通过Pro/E软件绘制出排种器简化后的三维模型，并将已装配完成的排种器三维模型另存为“.stp”格式，在前处理模块中导入EDEM软件，其实体模型如图4所示.模型透明度设置为0.3，以便于观察排种器内部棉种运动规律.

图4 排种器模型Figure 4 The model of seed-metering device

3 EDEM仿真试验

3.1 仿真设置

在材料与物理属性设置中，排种盘采用3D打印快速成型技术构造而成，其材料选取为ABS树脂，毛刷材料简化为橡胶属性，其余零部件材料均设置成钢(steel).参考前人研究成果及前期棉花种子物料特性试验测定结果[8]，各材料特性参数设置如表3～4所示.

表3 仿真模型材料参数

Table 3 Material parameter of simulation model

材料Material泊松比 Poisson ratio剪切模量/Pa Shear modulus密度/(kg·m-3)Density棉花Cotton0.141.9×106641.39钢Steel0.287×1047 850ABS树脂ABS Resins0.393.19×1081.05×103

表4 仿真模型材料接触参数

排种盘起始旋转时间1 s，故排种器前1 s为充种阶段，排种盘旋转结束时间为120 s.棉种总颗粒数设定为2 500粒，颗粒生成的速率为1 500粒/s.仿真求解模块中，时间步长设定为Rayleigh时间步长的20%，设定仿真时间为120 s，时间步为1×10-6s.棉种生成平面网格划分的单元尺寸一般设置为颗粒最小球面半径的2倍[16].

3.2 排种器工作过程仿真

为探究棉种在排种器中的运动轨迹，选择棉花种子群中进入型孔的籽粒作为观察对象.为了较清楚观察籽粒的运动过程，排种器模型以Filled形式显示opacity设置为0.1.图5为内充种组合型孔式棉花排种器正常排种仿真过程.仿真时间为0 s时、种子生成平面开始生成种子模型，当仿真时间达到1 s时排种盘开始转动，带动棉种群充入排种器组合型孔中，完成充种过程.当仿真时间为 3.25 s时内外排种盘组合型孔转动至种刷区，多余棉种在毛刷和自身重力的作用下掉落至充种区，完成清种，而型孔内棉种随排种盘转动进入护种区；当仿真时间为5.58s时棉种随型孔到达排种口，棉种在自身重力和离心力的作用下在排种口处排出进入排种管，此时完成一次充种、清种、护种、排种的完整过程.

图5 排种器排种仿真过程Figure 5 Simulation process of seed-metering device

由于棉种排种过程中的随机性会出现重播和漏播两种情况，通过EDEM仿真可以发现问题原因.如图6所示重播是由于种子在型孔内排布的随机性和排种盘转速过大的综合原因下导致4颗棉花种子在型孔中未能及时清种.如图7所示漏播主要是由于型孔转入清种区时仍存在有卡滞的棉种无法通过自重落回充种腔，排种盘继续旋转至型孔再次进入充种区后，充入充填孔内的棉种因受阻无法进入内窝孔，从而导致漏播，且在重力与离心力的共同作用下，卡滞的棉种进一步压实，如此循环，此型孔处一直无棉种排出.

图6 排种器重播Figure 6 Seed-metering device reseeding

图7 排种器漏播Figure 7 Seed-metering device miss seeding

通过仿真分析可以发现排种器重播、漏播主要由充填孔结构形状造成的.因此，排种器充填孔进行仿真研究得到合理形状是十分必要的.

3.3 排种器充填孔对排种器性能影响的单因素试验

3.3.1 试验指标 按照农艺要求，棉花精量穴播要求每穴(2±1)粒.参照行业标准NY/T 987-2006《铺膜穴播机作业质量》与国家标准GB/T 6973-2005单粒(精密)播种机试验方法[17-18]，以排种合格率、漏播率、重播率为试验指标.其计算公式如下：

式中，n0指穴粒数为0粒的总穴数；n1指穴粒数为(2±1)粒的总穴数；n2指穴粒数为4粒及以上的总穴数；N为理论排种穴数.

3.3.2 试验因素 为研究充填孔结构对内充种式棉花精量排种器充种性能的影响，以排种器排种合格率、漏播率、重播率为试验指标，开展充填孔形状单因素仿真试验.充填孔结构分别设定为凸型、直线型与凹型三个水平，其所对应的排种盘型孔二维图如图8所示.试验中，排种盘内窝孔深度设置为8 mm，入种口高度为60 mm，排种盘转速为25 r/min.

3.3.3 仿真试验结果 在内窝孔深度为8 mm，入种口高度为60 mm，排种盘转速为25 r/min的条件下，凸型、直线型与凹型充填孔结构对试验指标的影响结果如表5所示.

由表5可知当排种器充填孔形状为凸型时，排种合格率较小，漏播严重，充填孔形状采用直线型时，充填孔容积相应增大，排种漏播率减小，合格率增大，当充填孔形状采用凹型时，排种器达到较优状态，此时，排种合格率为94.6%，漏播率为1.8%，满足农艺要求.

图8 排种盘型孔二维图Figure 8 Two-dimensional diagram of seeding plate hole

表5 充填孔形状对排种性能的影响

3.4 排种性能仿真试验

3.4.1 试验设计 参考研究团队前期研究成果，取内窝孔深度A、入种口高度B和排种盘转速C为主要影响因素，它们的取值范围为：内窝孔深度 6.0～10.0 mm；入种口高度 40.0～80.0 mm；排种盘转速10.0～40.0 r/min，试验采用Design-Expert软件中的 Box-Behnken方案进行三因素三水平响应面试验.因素水平编码表如表6所示[19-20].

表6 因素水平编码表

Table 6 Level coding table mm

3.4.2 试验结果与分析 根据 Box-Behnken方案共进行17组试验，试验结果见表7，合格率的方差分析见表8，漏播率的方差分析见表9.

表7 响应面试验结果

表8 合格率方差分析结果

根据表8和表9的分析结果可知：对于合格率，A影响极显著，C和B2影响显著，即内窝孔深度对穴粒数合格率影响极显著，排种盘转速对穴粒数合格率影响显著，入种口高度对穴粒合格率影响不显著.各因素对棉花排种器的影响显著性由大到小分别为内窝孔深度、排种盘转速、入种口高度；对于漏播率，C、C2影响极显著，B2影响显著，即排种盘转速对漏播率影响极显著，各因素对棉花排种器的影响显著性由大到小分别为排种盘转速、内窝孔深度、入种口高度；各因素交互作用对排种合格率和漏播率的影响较大.

表9 漏播率的方差分析

对排种合格率进行响应面分析，如图9所示.由图9-A、图9-C 可知，排种合格率随着入种口高度的增大均呈先增大后减小的趋势，合格率在入种口高度达到58 mm时最大；由图9-B 和图9-C 可知，排种合格率随排种盘转速的增加呈减小趋势；由图9-A 和图9-B可知，排种合格率随内窝孔增加而减小的趋势.

图9 交互因素的响应面Figure 9 The response surface of interaction factors

3.4.3 参数优化 当排种器内窝孔深度为6.0～10.0 mm，入种口高度为40.0～80.0 mm，排种盘转速为10.0～40.0 r/min、采用多重响应方法中的主目标函数法对排种器影响因素进行优化，分别以合格指数、重播指数和漏播指数作为性能指数函数，进行优化求解，其目标函数和约束条件为：

应用软件Design-Expert中的 Optimization 功能，以合格率最高首要目的，其次为漏播率最低，最后低重播率，进行优化分析，得最优参数组合为：内窝孔深度6.12 mm、投种口高度58.23 mm、转速12.11 r/min.预测效果为：合格率98.58%、漏播率0.08%、重播率为1.34%.

4 试验验证

内充种式棉花排种器安装在JPS-12排种器性能检测试验台上，采用优化参数组合进行台架验证试验，测定台架试验中的排种合格率和漏播率，如图10所示.台架试验共进行了 10次，对获取的排种穴粒数合格率、漏播率(空穴率)、穴距合格率、穴距变异系数数据各取平均值.台架试验结果如表10所示，内充种式棉花排种器的穴粒数合格率95.31%、漏播率1.66%、穴距合格率93.44%、变异系数24.12.

图10 排种器性能试验台Figure 10 The structural diagram of the seeder test

表10 验证试验结果

由于仿真试验中棉花籽粒模型尺寸统一，而台架试验中棉花籽粒形状大小不一，导致台架试验的合格率低于仿真试验，重播指数和漏播指数较高.而穴粒数合格率与仿真结果误差为3.27%<5%.因此，内充种式棉花排种器真试验优化排种性能参数具有可行性.

5 结论

1) 内充种式棉花排种器的仿真试验结果分析可知：内窝孔深度对重点指标穴粒合格率影响极显著，排种盘转速对穴粒合格率影响显著，入种口高度对穴粒合格率影响不显著.各因素对棉花排种器的影响显著性由大到小分别为内窝孔深度、排种盘转速、入种口高度；对于漏播率，排种盘转速对漏播率影响极显著.

2) 以穴粒数合格率最高首要目的，其次为漏播率最低，最后低重播率，进行优化分析，得最优参数组合为:内窝孔深度6.12mm、投种口高度58.23 mm、转速12.11 r/min.此时棉花排种器排种合格率为98.58%、漏播率为0.08%、重播率为1.34%.

3) 通过台架试验，在较优组合条件下测得排种合格率为95.31%、漏播率为1.66%、重播率D为3.03%，重点指标合格率误差3.27%(<5%).因此，基于EDEM的排种器离散元仿真试验为排种器性能参数的确定是可行的.