韓丹丹 張東興 楊 麗 崔 濤 丁友強(qiáng) 卞曉慧

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

基于EDEM-CFD耦合的內(nèi)充氣吹式排種器優(yōu)化與試驗(yàn)

韓丹丹 張東興 楊 麗 崔 濤 丁友強(qiáng) 卞曉慧

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

針對內(nèi)充氣吹式排種器對圓形種子適應(yīng)性差、排種效果不佳的問題，對內(nèi)充氣吹式排種器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為增強(qiáng)種子充填容積和氣流壓附力在型孔底部開設(shè)不同結(jié)構(gòu)的槽孔?；陔x散單元法理論建立玉米籽粒粘結(jié)顆粒模型，運(yùn)用EDEM-CFD耦合分析方法，以型孔內(nèi)種子在排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所受的曳力值為指標(biāo)，在入口風(fēng)速為30 m/s、前進(jìn)速度為8 km/h的工作條件下對3種不同型孔結(jié)構(gòu)排種盤進(jìn)行圓粒種子排種效果的耦合仿真，分析排種過程中圓粒種子所受曳力的變化情況及清種和壓種性能。仿真結(jié)果表明：同一排種盤中，因大圓粒種子迎風(fēng)面積大于小圓粒種子，所受曳力均大于小圓粒，迎風(fēng)面積大的顆粒更易被清出型孔；徑向內(nèi)開方孔盤型孔內(nèi)氣流對顆粒的曳力及壓附力均較大，且增大了型孔對種子在徑向方向的充填容積，該盤對圓粒種子及混合種子的工作效果均較好。為驗(yàn)證仿真結(jié)果進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，當(dāng)前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)進(jìn)行3種排種盤工作壓強(qiáng)的單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明，徑向內(nèi)開方孔盤合格率隨工作壓強(qiáng)的增大而增大，當(dāng)工作壓強(qiáng)大于5.5 kPa時(shí)，合格率超過95%，明顯優(yōu)于其他2個(gè)排種盤；對徑向內(nèi)開方孔盤進(jìn)行前進(jìn)速度為4～12 km/h、工作壓強(qiáng)為4～8 kPa的雙因素試驗(yàn)，結(jié)果表明，合格率隨著前進(jìn)速度和工作壓強(qiáng)的增大而增大，針對不同前進(jìn)速度，當(dāng)工作壓強(qiáng)高于6 kPa時(shí)，合格率接近96%，漏播率低于1%。

精量排種器； 內(nèi)充氣吹式； 離散單元法； EDEM-CFD； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

引言

內(nèi)充氣吹式排種器采用內(nèi)充種、組合氣嘴高速氣流清種的工作原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、排種均勻、傷種率低的優(yōu)點(diǎn)。由于采用半盤圓錐孔結(jié)構(gòu)排種盤，在播扁粒玉米種子時(shí)效果優(yōu)于圓粒，崔濤等[1]已分析造成該現(xiàn)象的原因，本文針對這一問題對該排種器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

內(nèi)充氣吹式排種器利用高速氣流清種、氣壓差壓種的原理實(shí)現(xiàn)單?；麄€(gè)排種器工作空間中同時(shí)有流場和顆粒體的運(yùn)動(dòng)變化，且兩者之間相互影響。因此，需要采用流體仿真、顆粒體仿真以及流場與顆粒雙向耦合的方法來進(jìn)行仿真分析[2]。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational fluid dynamics, CFD)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過這種數(shù)值分析，可以得到流場內(nèi)各個(gè)位置上基本物理量的分布以及這些物理量隨時(shí)間的變化情況，該方法對機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究已成功應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[3-4]。離散單元法(Discrete element method，DEM)是CUNDALL和STRACK于1979年提出的基于分子動(dòng)力學(xué)原理研究非連續(xù)性顆粒物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種分析方法，該方法基于軟球模型，根據(jù)顆粒間重疊量來計(jì)算接觸力，并依次更新每個(gè)顆粒的速度和位置，進(jìn)而確定性地演化整個(gè)顆粒系統(tǒng)，具體求解過程采用顯示解法的動(dòng)力學(xué)問題求解或動(dòng)態(tài)松弛法的靜力學(xué)問題求解[5-6]。離散單元法與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的耦合方法已成功應(yīng)用于氣力輸送[7]、氣流清選[8]和流化床[9-10]等方面的研究。

目前，單一使用離散單元法進(jìn)行排種器仿真的研究比較廣泛[12]。史嵩等[11-12]基于氣壓組合孔式排種器，采用EDEM軟件對不同結(jié)構(gòu)排種盤對充種性能的影響進(jìn)行了模擬，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證并確定了最佳排種盤結(jié)構(gòu)；賴慶輝等[13-14]采用離散單元法分別對氣吸滾筒式和氣吸圓盤式排種器關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，并驗(yàn)證了試驗(yàn)效果與仿真結(jié)果的一致性；王金武等[15-16]對指夾式玉米精量排種器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并采用EDEM軟件對排種過程中造成不同尺寸等級籽粒重播、漏播的原因進(jìn)行分析，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與仿真基本相同；鹿芳媛等[17]基于離散元法對V-T型振盤在不同振動(dòng)頻率下進(jìn)行模擬，試驗(yàn)結(jié)果表明采用離散單元法模擬該裝置的勻種過程具有較高的準(zhǔn)確性；雷小龍等[18]采用EDEM-CFD耦合仿真方法，研究種子在油麥兼用氣送式集排器輸種管道中的遷移規(guī)律，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了輸種管道結(jié)構(gòu)對排種性能的影響；文獻(xiàn)[19-22]采用離散元法對其他農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。

離散單元法已成功應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的各個(gè)行業(yè)，而離散單元法與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)耦合的分析方法在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域鮮有報(bào)道。本文以設(shè)計(jì)的內(nèi)充氣吹式排種器為研究載體，借助工程離散元仿真軟件(Engineering discrete element method, EDEM)及CFD流體仿真軟件FLUENT，進(jìn)行不同排種盤時(shí)玉米籽粒工作效果的分析，通過顆粒-氣流耦合仿真及臺(tái)架試驗(yàn)，探尋不同型孔結(jié)構(gòu)排種盤對玉米圓粒種子及混合種子播種效果的影響。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

在內(nèi)充氣吹式排種器原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)[1]。改變底殼結(jié)構(gòu)使其在播種機(jī)上便于固定；將擋種板改為柵格擋板便于氣流通過使種子順利排出；將氣嘴由軟管改為3D打印以便于固定并有利于氣流流通均勻，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，排種器工作過程分為充種、清種-壓種、護(hù)種和投種。排種器工作時(shí)，高速氣流充滿清種區(qū)并流向充種區(qū)，種子在自身重力、離心力及氣流擾動(dòng)的共同作用下脫離種群并充填進(jìn)入型孔，隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)至清種區(qū)，在高速氣流的作用下完成清種和壓附過程。該排種器結(jié)構(gòu)簡單，充種及清種效果較好。

圖1 內(nèi)充氣吹式排種器結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of inside-filling air-blowing seed metering device1.排種盤 2.護(hù)種板 3.組合氣嘴 4.進(jìn)種口 5.傳動(dòng)軸 6.擋種板 7.排種器底殼 8.投種口 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種-壓種區(qū) Ⅲ.護(hù)種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

1.2 工作原理

1.2.1清種過程

內(nèi)充氣吹式排種器在充種過程完成后，種子隨排種盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)至清種區(qū)，清種氣嘴完成清種過程后，壓種氣嘴將種子壓附在型孔底部并隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)至護(hù)種區(qū)。在清種瞬間，將被清出的種子受力情況如圖2a所示。

圖2 種子受力分析Fig.2 Force analyses of seed

內(nèi)充氣吹式排種器工作過程中，流體與固體顆粒之間有相對運(yùn)動(dòng)，當(dāng)顆粒受到高速氣流的作用時(shí)，顆粒與流體之間將產(chǎn)生相互作用力，即發(fā)生動(dòng)量傳遞，速度低的顆粒對速度高的流體有阻力，速度高的流體則對速度低的顆粒有曳力[23]，曳力與顆粒相對運(yùn)動(dòng)方向相反。當(dāng)顆粒受到足夠大的曳力時(shí)，將被清出型孔外，種子被清出型孔的瞬間，有

FDcosλ≥f+Gsinα+Jsin(α+β)

(1)

(2)

式中FD——種子受到的曳力，N

f——種子受到的滾動(dòng)摩擦力，N

G——種子重力，N

J——種子離心力，N

α——型孔右邊緣與水平方向的夾角，(°)

β——型孔中心軸線與排種盤豎直方向的夾角，(°)

λ——曳力與型孔右邊緣線的夾角，(°)

ρg——?dú)怏w密度，kg/m3

vg——?dú)怏w速度，m/s

vp——顆粒速度，m/s

A——顆粒的迎風(fēng)面積，m2

CD——曳力系數(shù)

由式(1)可知，當(dāng)種子顆粒所受來自流體的曳力能夠克服自身的重力、摩擦力、離心力等作用力的合力時(shí)，種子才有可能被清出型孔外。

1.2.2壓附過程

清種過程結(jié)束后，種子隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)至壓種區(qū)，此時(shí)，種子受力情況如圖2b所示，種子被壓附在型孔底部時(shí)受力為

FDcosλ+FNsin(α+β)≤f+Gsinα+
(J+FP)sin(α+β)

(3)

式中FN——型孔壁面對種子的支持力，N

FP——種子受到的壓力梯度力，N

由此可知，在壓附過程中，種子所受的壓力梯度力、離心力、摩擦力及重力的合力需克服氣流對種子顆粒的曳力才能使種子被壓附在型孔底部。

綜合清種及壓種過程分析可知，氣流對種子顆粒的曳力作用有助于清種而不利于壓種；種子在不同結(jié)構(gòu)型孔內(nèi)將受到不同的壓力梯度力，該力有利于種子在型孔底部的壓附作用。本文采用EDEM-CFD耦合仿真的方法，通過提取排種器工作過程中種子在型孔內(nèi)所受曳力及壓力梯度力的變化，以此分析在相同工作參數(shù)條件下，不同型孔結(jié)構(gòu)排種盤對種子形成的不同清種及壓附效果。

2 仿真材料與方法

2.1 顆粒建模

玉米種子根據(jù)外形差異可大體分為扁粒和圓粒，仿真顆粒選用應(yīng)用較為廣泛的鄭單958玉米種子作為建模對象，將種子分為大扁、小扁、大圓、小圓4類，在Solidworks中進(jìn)行玉米籽粒的三維模型建立，并在EDEM軟件中采用粘結(jié)顆粒模型(Bonded particle model, BPM)和API顆粒替換方法，得到仿真所需的玉米顆粒模型，如圖3所示，圖中從上到下依次為種子的實(shí)物圖、三維模型圖和顆粒粘結(jié)模型圖。

圖3 玉米籽粒仿真模型Fig.3 Simulation models of maize grain

2.2 幾何建模

本文針對現(xiàn)有半盤圓錐孔結(jié)構(gòu)排種盤播扁粒種子工作效果優(yōu)于圓粒的現(xiàn)狀，另設(shè)計(jì)2種不同型孔結(jié)構(gòu)排種盤，以便與之前設(shè)計(jì)的排種盤進(jìn)行對比，這3種排種盤型孔基本結(jié)構(gòu)參數(shù)相同[1]。A盤為圓錐孔基準(zhǔn)盤，B盤、C盤均以A盤為基礎(chǔ)，在型孔底部開設(shè)不同結(jié)構(gòu)的槽孔，達(dá)到增大泄氣量的目的。開設(shè)槽孔時(shí)，既要避免種子卡在型孔內(nèi)不易排出，又要保證合適的泄氣量，經(jīng)測量，扁粒種子最小寬度為3.6 mm，型孔底孔半徑為3 mm，因此，在A盤的周向方向每個(gè)型孔間開寬度為1 mm的周向內(nèi)開圓環(huán)盤為B盤，該盤增大了氣流向型孔周向方向流動(dòng)的能力，增大了型孔的泄氣量；在A盤型孔徑向方向開有寬度和深度分別為2 mm的徑向內(nèi)開方孔盤為C盤，該盤同時(shí)增大了種子在型孔徑向方向的充填容積和型孔底部的開孔面積，增大了單個(gè)型孔的泄氣量。3種型孔結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中從上到下依次為排種盤型孔的三維模型圖、主視圖和側(cè)視圖。

圖4 不同類型的型孔Fig.4 Different kinds of holes

將排種器模型簡化為排種盤、底殼、組合氣嘴、進(jìn)種管、護(hù)種板和擋種板6部分并在Solidworks中進(jìn)行幾何建模，另存為Step格式文件導(dǎo)入EDEM中；流體區(qū)域網(wǎng)格劃分采用滑移網(wǎng)格法(Moving mesh)，通過該方法將型孔及各類槽孔劃分為動(dòng)區(qū)域，其余結(jié)構(gòu)劃分為靜區(qū)域。內(nèi)充氣吹式排種器在EDEM和CFD中的仿真模型如圖 5a、5b所示，3種排種盤型孔部分網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5c～5e所示。

圖5 排種器簡化模型及流體區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.5 Simplified structures of seed metering device and CFD mesh region

2.3 仿真參數(shù)確定

根據(jù)排種器加工所用材料，設(shè)定排種盤為有機(jī)玻璃，其余部件材料均為鋁合金。玉米顆粒、有機(jī)玻璃、鋁合金的力學(xué)性能和相互之間的物理特性如表1所示[24]。

表1 排種器模型參數(shù)Tab.1 Model parameters of seed-metering device

3 排種器優(yōu)化仿真

在前期研究工作過程中，已確定仿真時(shí)該排種器最佳入口風(fēng)速為30 m/s，且A盤對扁粒種子播種效果較好，為更好優(yōu)化其工作效果，在對3種排種盤進(jìn)行耦合仿真時(shí)，對其設(shè)置相同的工作參數(shù)，如入口風(fēng)速為30 m/s，前進(jìn)速度為8 km/h。首先在顆粒工廠內(nèi)生成140粒大圓粒和小圓粒種子，提取圓粒種子在工作過程中所受曳力的變化，以此分析相同工作參數(shù)條件下，3種型孔結(jié)構(gòu)對顆粒所受曳力的不同及對圓粒種子的工作效果；再按混合種子比例分別生成大扁粒種子75粒，小扁粒種子30粒，大圓粒種子25粒，小圓粒種子10粒，對3種盤進(jìn)行混合種子工作效果的仿真分析。

3.1 充種性能分析

在相同工作參數(shù)條件下，充種極限速度可以作為衡量排種器充種效果的一個(gè)重要因素。通過提取顆粒在3種排種盤充種過程中的充種極限速度，繪制如圖6所示的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)充種極限速度變化較小，即不同排種盤的充種效果較為一致。

圖6 不同排種盤的充種極限速度Fig.6 Limiting velocity of filling with different seeding discs

3.2 清種性能分析

由于氣流對種子顆粒的曳力極大地影響著清種及壓附效果，而不同的型孔結(jié)構(gòu)會(huì)影響氣流對顆粒的作用力，即影響種子所受的曳力。因此，本文通過提取相同工作參數(shù)條件下，顆粒在不同結(jié)構(gòu)型孔內(nèi)所受的曳力，作為分析氣流對顆粒在不同結(jié)構(gòu)型孔內(nèi)作用力不同的判別依據(jù)。

在分析氣流對某個(gè)被標(biāo)記顆粒所受曳力時(shí)，為避免其他顆粒運(yùn)動(dòng)對氣流的擾動(dòng)，曳力的提取從種子清種結(jié)束時(shí)刻開始，轉(zhuǎn)過壓種區(qū)，轉(zhuǎn)至護(hù)種區(qū)結(jié)束，被標(biāo)記顆粒的壓附過程及速度變化如圖7所示。

圖7 顆粒在型孔中的壓附過程及速度變化Fig.7 Process of pressing when seed in hole and changing of velocity

由式(2)知，曳力是顆粒迎風(fēng)面積、風(fēng)速及顆粒速度的綜合函數(shù)，考慮到曳力與顆粒迎風(fēng)面積有關(guān)，本文首先從A盤的仿真過程中隨機(jī)選取一顆大圓粒和小圓粒種子，輸出其從清種結(jié)束時(shí)刻至護(hù)種區(qū)過程中顆粒受到的曳力及速度隨時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。仿真選用的鄭單958玉米雜交種在含水率12.5%時(shí)千粒質(zhì)量約為351 g，即單粒種子重力約為0.003 4 N，大圓粒顆粒受到的曳力最大值(0.015 9 N，約為重力的4.68倍)大于小圓粒顆粒受到的曳力最大值(0.013 7 N)。

在種子壓附過程中，型孔逐漸轉(zhuǎn)至組合氣嘴下方，型孔與氣嘴的相對距離逐漸減小，當(dāng)型孔轉(zhuǎn)至清種氣嘴與壓種氣嘴的中間位置時(shí)，顆粒在型孔內(nèi)受到最大的氣流擾動(dòng)，顆粒速度突增到最大值，之后只受到壓種氣嘴的壓附作用，壓附力主要使顆粒穩(wěn)定位于型孔底部，因此，在整個(gè)過程中，顆粒速度呈現(xiàn)逐漸增大而后趨于平穩(wěn)的變化趨勢。

圖8 壓附過程中顆粒所受曳力及速度隨時(shí)間的變化過程Fig.8 Changing of drag force and velocity with time of circle seed during process of pressing

曳力的大小不僅與顆粒迎風(fēng)面積有關(guān)，還與風(fēng)速與顆粒速度的差值有關(guān)。型孔轉(zhuǎn)至壓種氣嘴的過程中，氣流在型孔內(nèi)形成的風(fēng)速與顆粒速度具有相同的變化趨勢，只是在型孔轉(zhuǎn)過壓種氣嘴至護(hù)種區(qū)的過程中，型孔與氣嘴相對距離逐漸增大，氣流在型孔內(nèi)形成的風(fēng)速一直減小，因此，在整個(gè)壓附過程中，氣流在型孔內(nèi)的風(fēng)速與顆粒速度的差值呈現(xiàn)先增大后一直減小的趨勢，顆粒在型孔內(nèi)受到的曳力值也呈現(xiàn)相同的變化趨勢。

由于曳力同時(shí)與顆粒的迎風(fēng)面積有關(guān)，因此從各排種盤的仿真過程中，任選10顆大圓粒和10顆小圓粒，提取每一粒種子在壓附過程中所受曳力的最大值，取其均值，結(jié)果如圖9所示，在相同工作參數(shù)條件下，即當(dāng)排種器工作參數(shù)入口風(fēng)速為30 m/s，前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)，受顆粒迎風(fēng)面積的影響，同一排種盤中，大圓粒種子在型孔內(nèi)受的最大曳力值均大于小圓粒；對3種排種盤相同類型種子所受曳力進(jìn)行對比，由大到小依次為B盤、C盤、A盤。

圖9 不同排種盤曳力變化Fig.9 Changing of drag force of different seeding discs

在A盤的基礎(chǔ)上，對排種盤型孔底部開不同類型的槽孔，將影響氣流在型孔內(nèi)的流動(dòng)形式，進(jìn)而影響氣流對型孔內(nèi)種子的作用力。由式(1)、(3)可知，氣流對顆粒的曳力將同時(shí)影響清種及壓種效果，曳力越大越有利于清種但不利于壓種，易造成漏播，曳力太小又不利于清種易造成重播。

3.3 壓種性能分析

對EDEM與Fluent耦合計(jì)算完成后的文件進(jìn)行后處理，得到3種排種盤清種過程結(jié)束后同一時(shí)刻氣流的跡線圖如圖10所示，圖中流線代表氣流流向及流速。從圖中可以明顯看出，EDEM與Fluent的耦合仿真是雙向的，組合氣嘴流出的高速氣流在充種區(qū)會(huì)產(chǎn)生明顯的繞流作用，氣流在不同結(jié)構(gòu)型孔內(nèi)的流向也是不同的，如圖10紅色框圖所示，型孔內(nèi)氣流遇到顆粒也會(huì)改變氣流的流向，這種現(xiàn)象完全符合排種器的工作過程。

圖10 不同排種盤氣流跡線Fig.10 Air flow trajectories of three kinds of seeding discs

由于B盤、C盤是在A盤型孔的底部開設(shè)不同結(jié)構(gòu)的槽孔，這些槽孔會(huì)在A盤的基礎(chǔ)上相應(yīng)的增大排種盤的泄氣量，進(jìn)而增大型孔內(nèi)氣流對種子的壓附力，壓附力的大小用種子受到的壓強(qiáng)差來表示。對3種排種盤選取同一時(shí)刻，即當(dāng)型孔轉(zhuǎn)至氣嘴下的同一位置時(shí)，分別提取型孔內(nèi)顆粒上表面及下表面M、N兩點(diǎn)的壓強(qiáng)，如圖10a所示，得到顆粒在型孔內(nèi)受到的壓強(qiáng)差，如表2所示。A盤型孔內(nèi)顆粒上下的壓差最小，對種子的壓附力最?。籅盤和C盤都在型孔底部開設(shè)槽孔，相對于A盤，很大幅度增大了對種子的壓附力，整體上，3種排種盤對顆粒在型孔內(nèi)受到的壓強(qiáng)差由大到小依次為B盤、C盤、A盤。結(jié)合以上分析，型孔底部的開口面積很大程度影響著氣流對型孔內(nèi)種子的曳力及壓附力，即型孔底部的開口面積極大地影響著排種器的工作性能。

表2 不同排種盤型孔內(nèi)壓強(qiáng)差Tab.2 Pressure difference in holes of differentkinds of discs Pa

3.4 工作性能分析

當(dāng)入口風(fēng)速為30 m/s、排種器前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)，3種排種盤對圓粒種子的排種效果及型孔的局部放大圖如圖11所示，綜合前期分析，A盤對顆粒的曳力和壓附力都最小，且A盤為半盤圓錐型孔，對圓粒種子的排種效果較差，因此，其漏播最多；B盤為在排種盤周向方向每個(gè)型孔間開有寬度為1 mm的周向內(nèi)開圓環(huán)盤，雖在型孔底部增大了泄氣面積，對種子的曳力及壓附力都較大，但是沒有改變半盤圓錐型孔的基本結(jié)構(gòu)，沒有增大圓粒種子在型孔徑向方向的充填容積，因此B盤對圓粒種子依然易造成漏播；C盤對顆粒的曳力及壓附力都與B盤接近，但由于C盤在型孔徑向方向開有寬度和深度分別為2 mm的塊孔槽，增大了型孔在徑向方向?qū)A粒種子的容納容積，因此，其對圓粒種子的排種效果最好。

圖11 不同排種盤對圓粒種子仿真效果Fig.11 Simulation diagrams of three kinds of discs of sowing circle seeds

在排種器內(nèi)生成140粒混合種子，再次對3種排種盤進(jìn)行EDEM-CFD耦合仿真，在入口風(fēng)速為30 m/s、前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)，不同排種盤對混合種子的播種效果如圖12所示，A盤在工作時(shí)仍出現(xiàn)少量漏播，B盤和C盤由于壓附力較大，漏播很少。

圖12 不同排種盤對混合種子的仿真效果Fig.12 Simulation diagrams of different discs of sowing mixed seeds

4 試驗(yàn)

4.1 材料與方法

加工試制仿真時(shí)所用的3種排種盤，將其分別安裝在內(nèi)充氣吹式排種器上進(jìn)行試驗(yàn)，為便于觀察，排種盤均選為透明有機(jī)玻璃材料加工。試驗(yàn)種子選用仿真過程中所用的金博士鄭單958玉米雜交種，籽粒黃色，半馬齒型，千粒質(zhì)量351 g，含水率12.5%，未分級[12]，試驗(yàn)在JPS-12型排種器性能檢測臺(tái)上進(jìn)行，種床帶相對于排種器同向運(yùn)動(dòng)，模擬播種機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，噴油泵將油噴于種床帶上，玉米籽粒從排種口通過導(dǎo)種管落至涂有油層的種床帶上，通過攝像處理裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測并采集數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量各項(xiàng)排種性能指標(biāo)，如圖13所示。

圖13 排種試驗(yàn)臺(tái)Fig.13 Seed metering test platform1.種床帶 2.傳動(dòng)系統(tǒng) 3.內(nèi)充氣吹式排種器 4.驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 5.導(dǎo)種管

圖14 3種排種盤性能隨工作壓強(qiáng)變化曲線Fig.14 Changing curves of performance with working pressure of three kinds of discs

4.2 3種排種盤對比試驗(yàn)

針對3種排種盤在前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)進(jìn)行工作壓強(qiáng)為4.0～8.0 kPa的單因素試驗(yàn)，每間隔0.5 kPa取一水平，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，每次測定250粒種子，按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取其均值作為每組試驗(yàn)的最終結(jié)果，合格率、重播率和漏播率隨工作壓強(qiáng)變化趨勢如圖14所示。

3種排種盤的重播率、漏播率如圖14a、14b所示，A盤因型孔底部開孔面積最小，對種子的壓附力最小，不易將清種后剩余的單粒種子壓附在型孔內(nèi)，漏播率較高，在氣流對種子的曳力作用最小且壓附力最小的綜合作用下，A盤的重播率最?。籅盤和C盤相對于A盤都增大了型孔底部的開孔面積，對種子的壓附力都大于A盤，重播率較高、漏播率較低，C盤因增大了種子在型孔徑向方向的充填容積，可使種子充填并穩(wěn)定位于型孔內(nèi)的各個(gè)方向，對種子造成的漏播率低于B盤，3種排種盤的重播率均隨著工作壓強(qiáng)的增大而減小，漏播率隨著工作壓強(qiáng)的增大而增大。

綜合3種盤對排種器工作過程造成重播率和漏播率的分析，A盤、B盤和C盤在工作壓強(qiáng)低于5 kPa時(shí)，工作效果相差較小，隨著工作壓強(qiáng)的增大，A盤因漏播率的顯著增大其合格率逐漸減小；B盤和C盤隨著工作壓強(qiáng)的增大，因漏播率增大較小而重播率逐漸降低因而合格率逐漸增大。整體上，C盤因增大了種子在型孔內(nèi)的填充面積，其在高壓時(shí)，合格率最高。

4.3 C盤雙因素試驗(yàn)

對C盤進(jìn)行前進(jìn)速度為4～12 km/h、工作壓強(qiáng)為4～8 kPa的雙因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取其均值，繪制合格率、重播率和漏播率隨前進(jìn)速度及工作壓強(qiáng)的變化趨勢如圖15所示。C盤在前進(jìn)速度為4～6 km/h各工作壓強(qiáng)下，其漏播率都很小，幾乎為0，隨著前進(jìn)速度和工作壓強(qiáng)的增大，其漏播率逐漸增大，但是在各工作條件下，其漏播率都低于1%；綜合圖15，影響C盤合格率的主要因素為重播，C盤在各前進(jìn)速度下，工作壓強(qiáng)在5.5 kPa以下時(shí)，重播率較高，隨著工作壓強(qiáng)的增大，重播率逐漸減小，在5.5 kPa以上時(shí)，重播率低于4%；綜合以上分析，C盤隨著前進(jìn)速度和工作壓強(qiáng)的增大，其合格率逐漸增大，C盤各前進(jìn)速度在工作壓強(qiáng)為6 kPa以上時(shí)，合格率接近于96%，漏播率均低于1%。

圖15 C盤播混合種子性能變化曲面Fig.15 Performance diagrams of disc C of sowing mixed seeds

5 結(jié)論

(1)基于離散單元法理論建立了玉米籽粒粘結(jié)顆粒模型，運(yùn)用EDEM-CFD耦合分析方法，對3種型孔結(jié)構(gòu)排種盤進(jìn)行圓粒種子的耦合仿真。當(dāng)入口風(fēng)速為30 m/s，前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)，同一排種盤中，大圓粒種子所受曳力均大于小圓粒，迎風(fēng)面積大的顆粒種子更易被清出型孔；對3種排種盤進(jìn)行清種及壓種性能分析，徑向內(nèi)開方孔盤型孔內(nèi)氣流對顆粒的曳力及壓附力均較大，且該盤增大了型孔在徑向方向?qū)ΨN子的充填容積，通過仿真發(fā)現(xiàn)，該盤對圓粒種子及混合種子的播種效果都較好。

(2)對3種排種盤進(jìn)行前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)工作壓強(qiáng)的單因素試驗(yàn)，徑向內(nèi)開方孔盤在工作壓強(qiáng)低于5 kPa時(shí)，與其余2個(gè)盤的合格率相差較小，隨著工作壓強(qiáng)的增大，該盤的合格率逐漸增大，并明顯高于其余2個(gè)排種盤。對徑向內(nèi)開方孔盤進(jìn)行前進(jìn)速度為4～12 km/h、工作壓強(qiáng)為4～8 kPa的雙因素試驗(yàn)，該盤隨著前進(jìn)速度和工作壓強(qiáng)的增大，合格率逐漸增大，各前進(jìn)速度在工作壓強(qiáng)為6 kPa以上時(shí)，合格率接近96%，漏播率低于1%。

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OptimizationandExperimentofInside-fillingAir-blowingSeedMeteringDeviceBasedonEDEM-CFD

HAN Dandan ZHANG Dongxing YANG Li CUI Tao DING Youqiang BIAN Xiaohui

(CollegeofEngineering，ChinaAgriculturalUniversity，Beijing100083，China)

According to the present situation of the sowing effect of original inside-filling air-blowing seed metering device for flat seeds is better than circles, the phenomenon of drag force greatly affects the cleaning and pressing effect was found through the force analysis of seed in cleaning and pressing process for optimization the sowing effect of circle and mixed seeds. For analyzing the changing of drag force of different seed metering discs in the process of working under the same operational parameter, the bonded particle model was used to model maize based on theory of discrete element method, the coupling analysis method of EDEM-CFD was applied to couple simulation circle seeds with three different hole structures of seed metering discs. The value of drag force of seed in the hole during rotation of seed metering disc was taken as indicator, the changing situation of drag force of seed was analyzed under the operational parameter of inlet air velocity was 30 m/s and forward speed was 8 km/h with different seed metering discs. Simulation results showed that the drag force of big circle seed was larger than that of small circle due to different particle windward areas in the same type seed metering disc under the same working conditions. In other words, large granular seeds were more likely to be cleaned out of holes. Based on cleaning and pressing performance analysis of different seed discs, the drag force and pressing force in the hole of seed disc with block slot were both larger. And due to the volume of seed filling in the holes was increased compared with other discs, the effect of seed disc with block slot sowing circle and mixed seeds were both better through simulation. The single factor test of working pressure was carried out when forward speed of the different seed discs was 8 km/h, experimental results showed that the qualified rate of seed disc with block slot was increased gradually with the increase of working pressure, which was better than the other two. The full factorial experiments were conducted on the seed disc with block slot forward speed of 4～12 km/h and working pressure of 4～8 kPa, experimental results showed that the qualified rate was increased gradually with the increase of forward speed and working pressure, the qualified rate was close to 96% and leakage rate was less than 1% when working pressure was above 6 kPa.

precision seed metering device; inside-filling air-blowing; discrete element method; EDEM-CFD; structure optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.11.006

S223.2

A

1000-1298(2017)11-0043-09

2017-03-20

2017-05-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375483、51575515)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目(21226003)和農(nóng)業(yè)部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目

韓丹丹(1988—)，女，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與計(jì)算機(jī)測控研究，E-mail: handd@cau.edu.cn

崔濤(1985—)，男，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與計(jì)算機(jī)測控研究，E-mail: cuitao850919@163.com