劉建英，張鵬舉，劉　飛

(1.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術學院，呼和浩特　010070；2.內(nèi)蒙古師范大學 計算機與信息工程學院，呼和浩特　010022；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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離散元模擬導種管高度對排種性能的影響

劉建英1，張鵬舉2，劉飛3

(1.內(nèi)蒙古機電職業(yè)技術學院，呼和浩特010070；2.內(nèi)蒙古師范大學 計算機與信息工程學院，呼和浩特010022；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：排種系統(tǒng)是免耕播種機的重要組成部分，其性能直接影響到免耕播種機整體工作質量。導種管為排種系統(tǒng)最后一個環(huán)節(jié)，主要作用是將排種器排出的種子導入開溝器并使種子能夠順利落入種溝內(nèi)，其投種位置和速度對排種系統(tǒng)的排種均勻性有較大影響。本文用離散元軟件，對導種管施加直線運動和正弦振動，模擬玉米種子由顆粒工廠生成后，經(jīng)過導種管下落到土地的過程。同時，經(jīng)離散元后處理模塊得到玉米種子在土地上的分布圖、種子的運動軌跡及種子在導種管內(nèi)運動的最小速度和種子離開導種管時的速度；并用origin軟件得到種子在導種管內(nèi)運動的最小速度與導種管高度的擬合曲線、種子離開導種管時的速度與導種管高度的擬合曲線。模擬結果表明：當免耕播種機作業(yè)速度為1.389m/s時，最佳導種管高度應為500mm。

關鍵詞：排種器；導種管；種子分布；投種速度；免耕播種

0引言

玉米免耕播種要求在未耕土地上一次性完成開溝、播種、施肥、覆土和鎮(zhèn)壓等多道作業(yè)工序，對免耕播種機的性能要求較高。玉米免耕播種，可節(jié)省作業(yè)費用，降低生產(chǎn)成本，提高糧食產(chǎn)量，保護環(huán)境。因此，設計更加符合作業(yè)要求的玉米免耕播種機能夠加快玉米免耕播種的發(fā)展[1～2]。

玉米精量免耕播種需要滿足播種均勻性指標和粒距合格率指標，導種管的高度和形狀將會直接影響這兩個指標[3]。種子在導種管內(nèi)彈跳碰撞，一定程度上仍會影響播種均勻性[4]，當種子速度接近“零速投種”時，導種管對播種均勻性指標和粒距合格率指標影響較小[5]。本文基于離散元模擬實驗，模擬免耕播種機播種玉米種子時，玉米種子經(jīng)過導種管的過程。顆粒工廠生成玉米種子，種子經(jīng)過導種管落到土地上。離散元仿真時，顆粒與顆粒接觸、顆粒與幾何體接觸都選用hertz-mindin(no slip)but in接觸模型，且模擬免耕播種機工作時的運動，對導種管和顆粒工廠施加振幅為5mm、頻率為10Hz的正弦振動以及速度為1.389m/s的直線運動[6]。通過離散元后處理模塊，得到玉米種子在土地上的分布圖、玉米種子的運動軌跡圖和排種管高度與玉米種子最小速度的擬合曲線，旨在為玉米免耕播種機導種管的設計提供依據(jù)[7]。

1導種管參數(shù)與離散元方法簡介

1.1導種管形狀

本次離散元模擬的導種管的形狀如圖1所示。其中，圖1(a)為玉米免耕播種機導種管真實圖，圖1(b)為導種管三維圖，圖1(c)為導種管的軸線圖。導種管的上端為直線，方向垂直地面，高度為h；下端為半徑200mm的圓弧，圓弧與上端和地面相切[8-9]。

(a)　導種管真實圖　　　(b)　導種管三維圖　(c)導種管的軸線圖

1.2導種管高度的確定

1.3離散元方法簡介

離散元法是把研究對象分離為剛性元素的集合，使每個元素滿足牛頓第二定律，并用中心差分的方法求解各元素的運動方程，得到研究對象的整體運動形態(tài)。并根據(jù)牛頓第二定律及力與位移的關系確定力、加速度、速度、位移之間的關系，適合對非連續(xù)體及離散的單元進行數(shù)值仿真[10]。

2離散元模擬方案

2.1模擬方法

本模擬實驗用SolidWorks軟件建立導種管、顆粒工廠和土地的三維模型。將三維模型導入離散元軟件，導入后的模型如圖2所示。模擬免耕播種機工作時的運動，對導種管和顆粒工廠施加振幅為5mm、頻率為10Hz的正弦振動和速度為1.389m/s的直線運動。根據(jù)播種要求，本次模擬種距為280mm，播種機作業(yè)速度為1.389m/s，顆粒工廠每0.194s生成一個玉米種子，種子經(jīng)過導種管后落到土地上，模擬排種后如圖3所示。土地上可以看到玉米種子的分布。

圖2　離散元仿真模型

圖3　模擬完成圖

2.2仿真參數(shù)設置

顆粒與顆粒接觸、顆粒與幾何體接觸都選用hertz-mindin(no slip)but in接觸模型。仿真材料分別為玉米、塑料和土壤。物料物理參數(shù)如表1所示，物料間的接觸參數(shù)如表2所示。玉米種子的離散元建模由15個圓球累加而成，模型長為10mm，寬為8mm，厚為4mm[11]。

表1　物料物理參數(shù)

表2　物料間的接觸參數(shù)

2.3顆粒工廠設置

顆粒工廠位于排種管的入口處，設置為一個動態(tài)工廠，總共生成玉米種子10粒，每秒生成5粒。種子生成的速度與免耕播種機前進速度相同，速度大小為1.389m/s，方向為排種管的前進方向[12]。

2.4仿真計算設置

根據(jù)材料的離散元瑞利時間步長，本次仿真設置時間步長為6×10-6s，仿真總時間為3s，每間隔0.01s保存一次數(shù)據(jù)，網(wǎng)格尺寸為7mm。顆粒工廠和排種管向左直線運動和豎直方向正弦振動；顆粒工廠生成的玉米種子經(jīng)過排種管落到土地上，如圖4所示。

3仿真結果分析

3.1玉米種子在土地上的分布分析

仿真計算完成后，由離散元后處理模塊得到在土地上的玉米種子分布如圖5所示。圖5中，導種管高度h為251、300、350、400、450、500、550、600mm時對應的玉米種子分布圖。由導種管不同高度的玉米種子分布圖可以得到：

1)當導種管高度小于400mm時，玉米種子在土地上的分布均勻性較差；h=251mm時，重播、漏播的種子數(shù)量最多。

2)當導種管高度小于500mm時，玉米種子在土地上的分布均勻性隨著導種管高度的增加而變好。

3)當導種管高度大于500mm時，玉米種子在土地上的分布均勻性隨著導種管高度的增加而變壞。

4)玉米免耕播種機前進速度為1.389m/s時，導種管高度為450mm～500mm時，玉米種子在土地上的分布均勻性相對最好。

圖4　離散元模擬排種效果圖

3.2玉米種子運動軌跡分析

由離散元后處理模塊得到玉米種子的運動軌跡如圖5所示。圖5中，導種管高度h為251、300、350、400、450、500、550、600mm時，對應的玉米種子運動軌跡圖。由導種管不同高度的玉米種子運動軌跡圖可以得到[13]：

1)排種管高度為251、300、350、550mm時，玉米種子由排種管下端下落與土地接觸后，彈跳次數(shù)較多，且一些玉米種子彈跳距離較遠。

2)排種管高度為400、450、550mm時，玉米種子由排種管下端下落與土地接觸后彈跳次數(shù)較少，為1次、2次或3次。

3)排種管高度為500mm時，玉米種子由排種管下端下落與土地接觸后彈跳次數(shù)相對最少，為1次、2次或不彈跳。

圖5　種子分布圖

3.3玉米種子下落最小速度分析

由離散元后處理模塊得到玉米種子下落時，每間隔0.01s時刻的速度。分析得到所有玉米種子在排種管內(nèi)的最小速度和離開排種管出口時的速度，取平均值。玉米種子在排種管內(nèi)的最小速度和離開排種管出口時的速度如表3所示。由origin軟件得到導種管內(nèi)玉米種子最小速度與導種管高度的擬合曲線如圖6所示，和玉米種子離開導種管處的速度與導種管高度的擬合曲線如圖7所示。

表3　種子在排種管的速度分布

圖6　最小速度與導種管高度的擬合曲線

圖7　導種管出口速度與導種管高度的擬合曲線

由origin軟件得到導種管內(nèi)玉米種子最小速度與導種管高度的6次擬合曲線為

Y=-85.016 7+1.540 32X-0.011 17X2+

4.178 24E-5X3-8.515 51E-8X4+8.981 47E-

11X5-3.837 46E-14X6

其相關系數(shù)R2=0.953 09。由擬合曲線可以得到：在導種管高度為500mm時，玉米種子在導種管內(nèi)運動的最小速度最低；在導種管高度為300、450、600mm時，玉米種子在導種管內(nèi)運動的最小速度相對較低，為0.37～0.4m/s之間。

由origin軟件得到玉米種子離開導種管下端速度與導種管高度的5次擬合曲線為

Y=22.884 77-0.298 99X+0.001 58X2-4.019 26E-

6X3+4.945 41E-9X4-2.35126E-12X5

其相關系數(shù)R2=0.956 32。由擬合曲線可以得到：在導種管高度由251mm增大到500mm時，玉米種子離開導種管下端速度變??；導種管高度由500mm增大到600mm時，玉米種子離開導種管下端速度變大。

導種管前進速度為1.389m/s、導種管高度為500mm時，導種管投種速度相對最小。

由離散元后處理模塊觀察每間隔0.01s時刻玉米種子在排種管內(nèi)的速度，對每一時刻的速度分析后可以得到：

1)導種管高度小于500mm時，玉米種子在導種管內(nèi)最小速度出現(xiàn)的位置位于導種管的圓角處，經(jīng)過與導種管圓角處的碰撞接觸，種子速度再次變大，所以在導種管出口處的投種速度較大。

2)導種管高度為550、600mm時，由于下落速度較大，種子到達出口時還沒有達到最小速度，所以在導種管出口處的投種速度也相對較大。

3)導種管高度為500mm時，玉米種子在導種管內(nèi)最小速度出現(xiàn)的位置位于導種管的下端出口處，所以在導種管出口處的投種速度相對較小。

4結論

本文通過對導種管排玉米種子離散元仿真實驗。得到了免耕播種機作業(yè)速度為1.389m/s、振動頻率為10Hz、振幅為5mm時，玉米種子在通過導種管落到土地上的運動軌跡、種子在土地上的分布，以及種子在導種管內(nèi)的最小速度與導種管高度擬合曲線和種子離開導種管的投種速度與導種管高度擬合曲線。由離散元模擬實驗得到：

1)導種管高度由251mm增大到500mm時，種子離開導種管下端的投種速度變小；

2)導種管高度由500mm增大到600mm時，玉米種子離開導種管下的投種端速度變大；

3)導種管高度為500mm時，導種管的投種速度較小，玉米種子在接觸土地后彈跳次數(shù)較少；

4)播種機作業(yè)速度為1.389m/s時，最佳導種管高度為500mm左右。

參考文獻：

[1]高煥文,李問盈,李洪文.中國特色保護性耕作技術[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2003,19(3):1-4.

[2]王宏力,張祖力.農(nóng)機化保護性耕作免耕播種機的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機化研究,2006(10):22-24.

[3]耿端陽,張道林,王相友,等.新編農(nóng)業(yè)機械學[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[4]周軍平,劉立晶,劉忠軍,等.精密播種機株距均勻性影響因素分析[J].農(nóng)機化研究,2014,36(7):49-53.

[5]馮利臻,陳立東,何堤,等.單盤雙條精密播種機“零速”衩形導種管的設計[J].農(nóng)機化研究,2008(10):84-86.

[6]胡永文.氣吸式排種裝置試驗臺的設計與研究[J].農(nóng)機化研究,2011,33(6):111-114.

[7]侯彥龍,徐麗明,陳莉明.玉米機械化定向播種技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機化研究,2012,34(2):10-14.

[8]劉孝民,鄧江玉.高速精密播種機導種管合理形狀的理論分析[J].農(nóng)機化研究,1987(4):35-39.

[9]鞠錫慶.JOHN·DEERE 7000型精密播種機的導種管分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,1981(2):78-82.

[10]徐泳,孫其城,張凌,等.顆粒離散元發(fā)研究進展[J].力學進展，2003,5(2):251-260.

[11]張朋玲. 2BF-6型油菜聯(lián)合直播機關鍵部件設計與試驗研究[D].武漢：華中農(nóng)業(yè)大學,2013.

[12]龔智強.氣吸振動盤式精密排種裝置理論與試驗研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學,2013.

[13]王樂,邱立春,李永奎.玉米種子在導種管中運動過程的高速攝像分析[J].農(nóng)機化研究,2010,32(10):130-132.

The Discrete Element Simulation Guide Tube Height Effects on Seeding Performance

Liu Jianying1，Zhang Pengju2， Liu Fei3

(1.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics, Hohhot 010070, China; 2.Computer and Information Engineering College, Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China; 3.Electrical and Mechanical College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：The metering system is an important part of no tillage planter, its performance directly affects the overall quality of the work of no tillage planter. Seed tube is the last link of metering system, the main role is to be discharged from the seed metering device into the opener and allow the seed to smoothly fall into a ditch, the investment for the position and speed of metering system metering has great influence on uniformity. In this paper, using the discrete element software, to guide tube applied linear motion and sinusoidal vibration, simulation of corn seeds generated by particle factory, after seed tube fall into the land of the process. Discrete element post-processing module obtains the distribution graph of corn seed in the ground and motion trajectory of seeds, seed left seed tube when the velocity at the minimum speed and seed seed guide tube movement; and use the origin software to obtain seeds at the minimum speed and a guide pipe motion in pipe fitting curve, the seeds degree of the left guide tube with the speed at which a guide tube height fitting curve. The simulation results show that: no tillage seeding machine operation speed of 1.389m/s, the best guide tube height is about 500mm.

Key words：metering device; the guide tube; seed distribution; cast speed; no tillage plant

文章編號：1003-188X(2016)01-0012-05

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

作者簡介：劉建英(1974-)，女，內(nèi)蒙古四子王旗人，副教授，博士，(E-mail)yliu741@163.com。通訊作者：張鵬舉(1972-)，男，內(nèi)蒙古四子王旗人，講師，(E-mail)cieczpj@imnu.edu.cn。

基金項目：中國博士后科學基金項目(2014M552532XB)

收稿日期：2014-12-18