張勝偉 張瑞雨 陳天佑 付 君,2 袁洪方,2

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130025； 2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)春 130025)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，綠豆作為小宗農(nóng)作物，由于其種植地區(qū)分散、集中種植面積較小、機(jī)械化種植水平較低等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了我國(guó)綠豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展[1]。為提高綠豆機(jī)械化種植水平，近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)綠豆精密排種器進(jìn)行了相關(guān)研究[2-3]。但與主糧作物排種器的研究相比，綠豆精密排種器設(shè)計(jì)及理論研究仍較少，且實(shí)際生產(chǎn)中多采用勺輪或窩眼輪等機(jī)械式排種器進(jìn)行播種，存在播種精度低、傷種率高等問(wèn)題，而氣力式排種器可有效克服上述問(wèn)題[2]。

近年來(lái)EDEM-Fluent氣固耦合仿真方法在氣力式精密排種器研究中已被廣泛運(yùn)用，可直觀(guān)分析種子在復(fù)雜環(huán)境中的受力及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而對(duì)排種器結(jié)構(gòu)或工作參數(shù)予以?xún)?yōu)化[4-10]。在利用氣固耦合仿真法對(duì)精密排種器進(jìn)行仿真研究時(shí)，需定義仿真模型的本征參數(shù)(密度、剪切模量、泊松比等)和接觸參數(shù)(滾動(dòng)摩擦因數(shù)、靜摩擦因數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)等)[11-16]，其本征參數(shù)與實(shí)際試驗(yàn)測(cè)量值基本一致，而接觸參數(shù)難以通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)獲得，且接觸參數(shù)是影響種子的流動(dòng)特性與仿真準(zhǔn)確性的重要因素，因此有必要對(duì)其接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[17-18]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)玉米[19]、水稻[20]、小麥[21]、馬鈴薯[22]、三七[23]等種子的離散元仿真參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明不同種子之間的接觸參數(shù)具有較大差異，而對(duì)綠豆種子離散元仿真參數(shù)的標(biāo)定鮮有報(bào)道。因此為應(yīng)用離散元法優(yōu)化設(shè)計(jì)氣力式綠豆精密排種器，克服現(xiàn)有綠豆機(jī)械式排種器播種精度低、傷種率高等問(wèn)題，以綠豆種子為研究對(duì)象，基于其物理本征參數(shù)，采用Hertz Mindlin with bonding粘結(jié)模型建立種子仿真模型，標(biāo)定得到氣力式綠豆精密排種器氣固耦合仿真所需的離散元仿真參數(shù)，并利用臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證其仿真模型與仿真參數(shù)的可靠性，從而為氣力式綠豆精密排種裝置的設(shè)計(jì)與仿真研究提供參考。

1 模型建立

1.1 綠豆種子物理模型

本文綠豆種子選取白綠9號(hào)，該品種具有抗病性強(qiáng)、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。選取1 000粒種子平均分成5組，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得其含水率為(11±0.32)%，千粒質(zhì)量為(60.14±0.429)g；密度為(1 245.9±1.946)kg/m3；泊松比為0.2；彈性模量為126 MPa[24]；根據(jù)公式[25]

(1)

式中G——綠豆種子剪切模量，MPa

E——綠豆種子彈性模量，MPa

μ——綠豆種子泊松比

計(jì)算得綠豆的剪切模量為52.5 MPa。

為建立綠豆種子的仿真模型，提高仿真精確度，本文隨機(jī)選用150粒種子，通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量其三軸尺寸(長(zhǎng)度l、寬度w、厚度t)，并根據(jù)公式計(jì)算其等效直徑dp與球形率φ。

(2)

(3)

測(cè)量與計(jì)算結(jié)果如下：綠豆的平均長(zhǎng)度為5.19 mm，平均寬度為3.89 mm，平均厚度為3.93 mm，球形率為82.8%，等效直徑為4.29 mm。

依據(jù)尺寸分布均值在CATIA中進(jìn)行三維建模，將建好的三維模型導(dǎo)入EDEM軟件，并運(yùn)用API 顆粒替換法建立仿真顆粒粘結(jié)模型(粘結(jié)顆粒半徑為0.3 mm，數(shù)量為207個(gè)，單位法向剛度為1×1010N/m3，單位切向剛度為1×1010N/m3，臨界法向應(yīng)力為5×1010Pa，臨界切向應(yīng)力為2×108Pa，顆粒間粘結(jié)半徑為0.6 mm)，綠豆實(shí)物圖與模型圖如圖1所示。

圖1 綠豆種子實(shí)物及仿真模型Fig.1 Physical model and simulation model of mung bean seeds

1.2 接觸模型選取

試驗(yàn)過(guò)程中，除顆粒與顆粒間接觸，還會(huì)有顆粒與其他材料之間的作用力。本文中與綠豆接觸的材料選擇有機(jī)玻璃與Somos8000樹(shù)脂，其參數(shù)如表1所示[26]。

表1 接觸材料仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of contact materials

由于實(shí)際試驗(yàn)中綠豆種子與材料表面光滑且?guī)缀鯚o(wú)粘附力，因此EDEM仿真時(shí)選用Hertz-Mindlin 無(wú)滑移接觸模型。

2 種子與材料間接觸參數(shù)標(biāo)定

2.1 種子與材料間碰撞恢復(fù)系數(shù)

如圖2a所示，采用自由落體碰撞法進(jìn)行種子與材料間的碰撞恢復(fù)系數(shù)標(biāo)定，試驗(yàn)時(shí)，在距碰撞材料板H=150 mm的高度將種子釋放，種子碰到材料板進(jìn)行反彈，通過(guò)高速攝像系統(tǒng)測(cè)定最高反彈高度h。碰撞恢復(fù)系數(shù)ex可表示為種子與材料碰撞前后在碰撞接觸點(diǎn)處的法向瞬時(shí)分離速度v1與瞬時(shí)接觸速度v0之比，即種子與材料碰撞反彈最大高度h與初始下落高度H之比，計(jì)算公式為

圖2 種子-材料碰撞恢復(fù)系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)Fig.2 Calibration test of seed-material coefficient of restitution

(4)

試驗(yàn)重復(fù)5次，并通過(guò)式(4)計(jì)算恢復(fù)系數(shù)，結(jié)果取平均值。實(shí)際試驗(yàn)得到種子與有機(jī)玻璃碰撞最高反彈高度均值為27.42 mm，恢復(fù)系數(shù)為0.428；與Somos8000樹(shù)脂碰撞最高反彈高度均值為24.26 mm，恢復(fù)系數(shù)為0.402。

仿真試驗(yàn)時(shí)，把除碰撞恢復(fù)系數(shù)以外的其他接觸參數(shù)設(shè)為0。以碰撞恢復(fù)系數(shù)ex為因素，以最高反彈高度h為指標(biāo)，選取綠豆與接觸材料的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.1～0.9，間隔均取0.1，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取均值。將試驗(yàn)結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖并擬合曲線(xiàn)(圖3)。

圖3 碰撞恢復(fù)系數(shù)與最高反彈高度擬合曲線(xiàn)Fig.3 Fitting curves of restitution coefficient and maximum springing height

擬合方程分別為

(5)

(6)

式中h1、h2——綠豆與有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂碰撞最高反彈高度

ex1、ex2——綠豆與有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂碰撞恢復(fù)系數(shù)

將實(shí)際試驗(yàn)所得的種子與材料間反彈高度均值代入式(5)、(6)，得ex1為0.445、ex2為0.434，將其分別代入EDEM仿真驗(yàn)證，仿真時(shí)最高反彈高度與實(shí)測(cè)最高反彈高度相對(duì)誤差較小，因此將ex1定為0.445、ex2定為0.434。

2.2 種子與材料間靜摩擦因數(shù)

種子與材料間靜摩擦因數(shù)標(biāo)定采用斜面滑動(dòng)法，即質(zhì)量為m的物體在角度為α的斜面上靜止時(shí)，其重力可分解為平行于斜面的力F1和垂直于斜面的力F2，F(xiàn)1隨著α增大而增大，當(dāng)α大于物體滑動(dòng)臨界角時(shí)，則F1大于物體與斜面間的靜摩擦力f，物體開(kāi)始向下滑動(dòng)。其中靜摩擦因數(shù)計(jì)算式為

μf=f/F2=mgsinα/(mgcosα)=tanα

(7)

實(shí)際試驗(yàn)時(shí)將4粒綠豆種子粘結(jié)在一起(為防止種子滾動(dòng))放置于圖4a所示接觸材料的斜面左端，緩慢勻速提升放置種子的斜面端，當(dāng)種子開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，記錄斜面與水平面之間的夾角α，試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。得到綠豆與有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂的滑動(dòng)摩擦角均值分別為23.9°、30.8°，靜摩擦因數(shù)分別為0.443、0.596。

圖4 種子-材料靜摩擦因數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)Fig.4 Calibration test of seed-material coefficient of static friction

仿真時(shí)在EDEM中以種子與材料間靜摩擦因數(shù)μf為因素，斜面傾角α為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)(采用已標(biāo)定完的碰撞恢復(fù)系數(shù)，其他接觸參數(shù)設(shè)為0，選取靜摩擦因數(shù)為0.1～0.9，試驗(yàn)水平間隔為0.1)。為避免種子在斜面上滾動(dòng)，將4個(gè)粘結(jié)的顆粒替換模型放置在斜面一端，設(shè)置與實(shí)際試驗(yàn)相同的轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真，當(dāng)種子開(kāi)始滑動(dòng)時(shí)，記錄斜面傾角α，試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。將試驗(yàn)結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖并擬合曲線(xiàn)(圖5)。

圖5 靜摩擦因數(shù)與斜面傾角擬合曲線(xiàn)Fig.5 Fitting curves of static friction coefficient and inclination angle

擬合方程分別為

(8)

(9)

式中μf1、μf2——綠豆與有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂的靜摩擦因數(shù)

α1、α2——有機(jī)玻璃板、Somos8000樹(shù)脂板與水平面的夾角

把實(shí)際試驗(yàn)所測(cè)傾角分別代入式(8)、(9)，得μf1為0.458、μf2為0.556，將其分別代入EDEM驗(yàn)證，得到仿真滑動(dòng)摩擦角與實(shí)際滑動(dòng)摩擦角基本一致，因此將μf1定為0.458、μf2定為0.556。

2.3 種子與材料間滾動(dòng)摩擦因數(shù)

如圖6所示，種子與材料間滾動(dòng)摩擦因數(shù)測(cè)定采用斜面滾動(dòng)法。即在傾角為β的斜面板上以零初速度釋放種子，種子沿斜面向下滾動(dòng)一段距離S，由于受到滾動(dòng)摩擦，種子最終滾落至水平面板上并靜止，設(shè)種子水平滾動(dòng)距離為L(zhǎng)，假設(shè)種子為理想球體，在純滾動(dòng)過(guò)程中只受到滾動(dòng)摩擦力影響，則通過(guò)能量守恒定律可得

圖6 種子-材料滾動(dòng)摩擦因數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)Fig.6 Calibration test of seed-material coefficient of rolling friction

mgSsinβ=mg(Scosβ+L)μs

(10)

式中μs——滾動(dòng)摩擦因數(shù)

由于綠豆種子并非理想球體，當(dāng)傾角β與斜面滾動(dòng)距離S較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致種子在滾動(dòng)過(guò)程中發(fā)生彈跳，影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性，當(dāng)β與S較小時(shí)，種子滾動(dòng)距離較小，不利于試驗(yàn)測(cè)量，因此經(jīng)大量預(yù)試驗(yàn)調(diào)整，設(shè)定傾角β為20°、斜面滾動(dòng)距離S為30 mm，以零初速度釋放種子，使種子沿斜面向下滾動(dòng)，待種子靜止，測(cè)量種子水平滾動(dòng)距離L。為減小試驗(yàn)誤差，試驗(yàn)重復(fù)30次，結(jié)果取平均值。試驗(yàn)測(cè)得綠豆在有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂上的滾動(dòng)距離均值分別為193、141 mm，滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.046、0.061。

仿真試驗(yàn)采用相同的方法，EDEM中設(shè)置已標(biāo)定完畢的碰撞恢復(fù)系數(shù)與靜摩擦因數(shù)，其它接觸參數(shù)設(shè)為0，以滾動(dòng)摩擦因數(shù)μs為因素，選取因數(shù)范圍0.01～0.09，試驗(yàn)水平間隔為0.01，以水平滾動(dòng)距離L為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將試驗(yàn)結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖并擬合曲線(xiàn)(圖7)。

圖7 滾動(dòng)摩擦因數(shù)與水平滾動(dòng)距離擬合曲線(xiàn)Fig.7 Fitting curves of rolling friction coefficient and horizontal rolling distance

擬合方程分別為

(11)

(12)

式中μs1、μs2——綠豆與有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂的滾動(dòng)摩擦因數(shù)

L1、L2——種子在有機(jī)玻璃板、Somos8000樹(shù)脂板上的水平滾動(dòng)距離

將實(shí)際測(cè)得綠豆在有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂上的水平滾動(dòng)距離均值分別代入式(11)、(12)，得μs1為0.036、μs2為0.049，將其分別代入EDEM驗(yàn)證，得到仿真水平滾動(dòng)距離與實(shí)際水平滾動(dòng)距離相對(duì)誤差較小，因此μs1為0.036、μs2為0.049。

3 種間接觸參數(shù)標(biāo)定

采用上述試驗(yàn)中自由落體碰撞法、斜面滑動(dòng)法、斜面滾動(dòng)法對(duì)種子之間的接觸參數(shù)標(biāo)定時(shí)，需將種子粘結(jié)成種子板，由于粘結(jié)的底板材料不同、種子板表面凹凸不平，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此本文采用堆積角試驗(yàn)方法，以種間接觸參數(shù)為因素，以實(shí)測(cè)堆積角與仿真堆積角的相對(duì)誤差為指標(biāo)，進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)、三因素五水平旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化得到種子之間的仿真接觸參數(shù)。

3.1 實(shí)際堆積角試驗(yàn)

采用傳統(tǒng)抽板法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，由于底部材料的不同，會(huì)導(dǎo)致種子堆積角產(chǎn)生較大差異，因此底面設(shè)置一直徑為140 mm、高度為30 mm的圓筒，圓筒中先填滿(mǎn)種子并刮平，距離圓筒上端80 mm處設(shè)置一漏斗，用擋板擋住漏斗下端面，漏斗中裝適量種子，迅速抽掉擋板，在圓筒上端形成堆積錐角，裝置材料分別采用有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂，厚度均為2 mm，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩材料對(duì)堆積角影響無(wú)顯著差別，因此選用有機(jī)玻璃進(jìn)行堆積角試驗(yàn)。實(shí)際試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 堆積角試驗(yàn)Fig.8 Stacking angle test

試驗(yàn)結(jié)束后用Matlab軟件讀取顆粒堆邊緣圖像(圖9a)，對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、二值化處理并提取二值化圖像邊界輪廓(圖9b)，掃描輪廓邊緣點(diǎn)并進(jìn)行線(xiàn)性擬合，擬合直線(xiàn)(圖9c)與水平面夾角即為實(shí)測(cè)堆積角θ。

圖9 Matlab軟件圖像處理Fig.9 Image processed by Matlab

每組試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值，實(shí)際測(cè)得綠豆種子堆積角θ均值為22.1°。

3.2 最陡爬坡試驗(yàn)

為確定三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)的零水平及因素水平的最優(yōu)值區(qū)間，進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)。在EDEM中設(shè)置已標(biāo)定的種子與有機(jī)玻璃間的接觸參數(shù)，以顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)e、靜摩擦因數(shù)μn、滾動(dòng)摩擦因數(shù)μr為因素，以實(shí)測(cè)堆積角θ與仿真堆積角θ′相對(duì)誤差σ為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[1,14-16,21]發(fā)現(xiàn)，大部分糧谷類(lèi)種子之間的碰撞恢復(fù)系數(shù)在0.15～0.85之間，靜摩擦因數(shù)在0.1～0.6之間，滾動(dòng)摩擦因數(shù)在0.01～0.08之間，因此方案設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 最陡爬坡試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Scheme and results of the steepest ascent experiment

由表2可知，采用第2組組合試驗(yàn)仿真得到堆積角與實(shí)測(cè)堆積角相對(duì)誤差最小，為1.81%，因此分別選用第1組、第2組、第3組作為三因素五水平旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)編碼值。

3.3 二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)

以顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)為試驗(yàn)因素，以實(shí)測(cè)堆積角θ與仿真堆積角θ′相對(duì)誤差Y為指標(biāo)，進(jìn)行三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，利用響應(yīng)面法尋找最佳參數(shù)組合。其因素編碼如表3所示。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示，A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Experiment factors and codes

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Experiment scheme and results

各參數(shù)對(duì)堆積角相對(duì)誤差的方差分析如表5所示。由表5可知，3個(gè)試驗(yàn)因素中，顆粒間靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響均極顯著，而顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)無(wú)顯著影響，分析其原因可能是：①試驗(yàn)前為排除底部碰撞材料的影響，底部圓筒中先充滿(mǎn)顆粒，而顆粒形成的表面凹凸不平，試驗(yàn)時(shí)顆粒碰撞在顆粒群表面上更易受其形狀影響，限制了其碰撞后反彈運(yùn)動(dòng)。②由于顆粒群內(nèi)部孔隙率較大，且呈現(xiàn)松散狀態(tài)，相比密度均勻無(wú)孔隙的材料板，顆粒群的吸能性更好，顆粒碰撞在顆粒群上能量耗散會(huì)更快，顆粒碰撞后運(yùn)動(dòng)速度急劇下降。

表5 堆積角相對(duì)誤差的方差分析Tab.5 Analysis of variance for the relative error in stacking angle

去除對(duì)指標(biāo)影響的不顯著項(xiàng)后，通過(guò)Design-Expert軟件得擬合回歸方程為

Y=6.37-5.98B-2.94C+1.95AB+
4.12A2+4.85B2+2.26C2

(13)

由表5可知，該回歸模型極顯著，且模型的失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明擬合的回歸方程具有高度可靠性，能夠準(zhǔn)確反映各顯著因素與堆積角相對(duì)誤差之間的關(guān)系。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程，將非顯著因素——顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)設(shè)為中間水平，以相對(duì)誤差最小為目標(biāo)，尋找顆粒間靜摩擦因數(shù)與滾動(dòng)摩擦因數(shù)的最優(yōu)組合，其設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及約束條件為

(14)

最終得到當(dāng)顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.3、靜摩擦因數(shù)為0.23、滾動(dòng)摩擦因數(shù)為0.03時(shí)，堆積角實(shí)測(cè)值與仿真值相對(duì)誤差為3.91%。將上述參數(shù)代入EDEM仿真驗(yàn)證后，結(jié)果表明與實(shí)際試驗(yàn)誤差較小，因此將上述3個(gè)參數(shù)值作為其初步標(biāo)定結(jié)果。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證上述標(biāo)定的仿真參數(shù)能夠應(yīng)用于排種器的仿真模擬中，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)際試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[2]所設(shè)計(jì)的自吸式綠豆精密排種器(種腔為有機(jī)玻璃，種盤(pán)為Somos8000樹(shù)脂)，選取含水率為11%的白綠9號(hào)種子。試驗(yàn)臺(tái)選擇吉林大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室的JPS-12型排種器試驗(yàn)臺(tái)(圖10)。

圖10 排種器試驗(yàn)臺(tái)Fig.10 Test bed of seed-metering device1.真空計(jì) 2.臺(tái)架 3.自吸式排種器 4.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5.高速攝像機(jī) 6.攝像機(jī)控制系統(tǒng) 7.試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集顯示器 8.試驗(yàn)控制臺(tái)

由于該排種器利用機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)氣壓進(jìn)行吸種，因此仿真試驗(yàn)采用EDEM-Fluent流固耦合方式進(jìn)行仿真，為提高流體域網(wǎng)格劃分質(zhì)量與耦合仿真速度，將排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，省略種腔內(nèi)部不規(guī)則結(jié)構(gòu)，與實(shí)際種腔(圖11a)相對(duì)比，簡(jiǎn)化模型只保留種盤(pán)、種腔、負(fù)壓吸氣口3部分，所建立的排種器簡(jiǎn)化模型如圖11b所示。仿真時(shí)當(dāng)種子被吸附在型孔中轉(zhuǎn)過(guò)吸氣口掉落時(shí)，仍可回到種腔繼續(xù)應(yīng)用于仿真，目的是為了生成少量的種子而提高仿真速度。

圖11 排種器模型Fig.11 Model of seed-metering device

利用ICEM軟件對(duì)圖11b對(duì)應(yīng)的流體域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中種腔與負(fù)壓吸氣口對(duì)應(yīng)流體域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，型孔流體域采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，將種腔流體一側(cè)壁面設(shè)為inlet，負(fù)壓吸氣口流體一側(cè)壁面設(shè)為outlet，種腔流體與型孔流體接觸面、型孔流體與負(fù)壓吸氣口流體接觸面均設(shè)置interface面，結(jié)果如圖12所示。

圖12 流體域網(wǎng)格劃分圖Fig.12 Diagram of grid of fluid area

4.2 試驗(yàn)方法

實(shí)際試驗(yàn)以排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為因素，以漏播率、重播率、合格率為指標(biāo)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定排種軸轉(zhuǎn)速分別為90、100、110、120、130 r/min，其對(duì)應(yīng)的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速分別為27.8、30.9、34、37、40.1 r/min。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取均值。

仿真試驗(yàn)將圖11b排種器簡(jiǎn)化模型保存為stp格式導(dǎo)入EDEM，種腔材料設(shè)置為有機(jī)玻璃，種盤(pán)設(shè)置為樹(shù)脂，其相關(guān)材料及接觸參數(shù)參照上述標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，隨后在種腔內(nèi)生成120粒顆粒模型，并保存成0 s時(shí)刻的文件。顆粒替換成功，打開(kāi)保存好的0 s時(shí)dem文件，并啟動(dòng)耦合按鈕Show Coupling Server，將劃分的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent 17.0軟件中，根據(jù)不同的種盤(pán)轉(zhuǎn)速及負(fù)壓進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。仿真試驗(yàn)以種盤(pán)轉(zhuǎn)速為因素(排種盤(pán)轉(zhuǎn)速分別為27.8、30.9、34、37、40.1 r/min時(shí)，利用真空計(jì)測(cè)得相對(duì)應(yīng)的實(shí)際負(fù)壓分別為-1.84、-2.62、-3.36、-4.15、-4.93 kPa)，以漏吸率(未充填種子的型孔數(shù)除以120)、重吸率(充填兩粒及以上的型孔數(shù)除以120)、單粒率(充填一粒種子的型孔數(shù)除以120)為指標(biāo)(由于仿真速度與時(shí)長(zhǎng)的限制，本次試驗(yàn)只統(tǒng)計(jì)120個(gè)型孔)，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取均值。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

如圖13所示，截取仿真過(guò)程中的一些時(shí)刻，0.39 s時(shí)3個(gè)型孔已經(jīng)分別成功充填3粒種子，無(wú)產(chǎn)生漏吸與重復(fù)吸種現(xiàn)象，仿真進(jìn)行到0.64 s時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)漏吸，仿真0.98 s時(shí)，種子已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)負(fù)壓區(qū)產(chǎn)生掉落現(xiàn)象，1.25 s時(shí)，型孔中已經(jīng)產(chǎn)生種子重復(fù)吸種的現(xiàn)象。

圖13 仿真過(guò)程圖Fig.13 Diagram of simulation process

仿真與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖14所示。

圖14 仿真與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果Fig.14 Comparison result of simulation test and bench test

從圖14中可以看出，隨著種盤(pán)轉(zhuǎn)速的提升，仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)的3個(gè)指標(biāo)變化趨勢(shì)基本一致。漏吸率、漏播率均隨著種盤(pán)轉(zhuǎn)速加快而下降，兩者最大相對(duì)誤差為4.71%；重吸率、重播率均隨著種盤(pán)轉(zhuǎn)速加快而上升，最大相對(duì)誤差為4.94%；單粒率、合格率均隨著種盤(pán)轉(zhuǎn)速加快而下降，最大相對(duì)誤差為0.98%。臺(tái)架試驗(yàn)的性能指標(biāo)總體上均劣于仿真試驗(yàn)，由于仿真試驗(yàn)比較理想，臺(tái)架試驗(yàn)存在振動(dòng)、種子在種管中碰撞等因素，因此存在一定差距是合理的，但性能指標(biāo)總體變化趨勢(shì)一致，且誤差不大于5%，說(shuō)明標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用離散元仿真軟件EDEM，分別采用自由落體碰撞法、斜面滑動(dòng)法、斜面滾動(dòng)法對(duì)綠豆種子與接觸材料(有機(jī)玻璃、Somos8000樹(shù)脂)間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。綠豆與有機(jī)玻璃碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.445、0.458、0.036，綠豆與Somos8000樹(shù)脂碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.434、0.556、0.049。

(2)采用堆積角試驗(yàn)方法，以種間接觸參數(shù)為因素，以實(shí)測(cè)堆積角與仿真堆積角的相對(duì)誤差為指標(biāo)，進(jìn)行最陡爬坡試驗(yàn)、三因素五水平旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以實(shí)測(cè)堆積角與仿真堆積角相對(duì)誤差最小為約束條件，取非顯著因素——顆粒間碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.3，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果尋優(yōu)得到綠豆種間靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.23、0.03。

(3)選用自吸式綠豆精密排種器為試驗(yàn)裝置，以種盤(pán)轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，臺(tái)架試驗(yàn)以漏播率、重播率、合格率為指標(biāo)，仿真試驗(yàn)以漏吸率、重吸率、單粒率為指標(biāo)，在EDEM中設(shè)置已標(biāo)定的仿真參數(shù)，進(jìn)行單因素對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：仿真試驗(yàn)漏吸率與臺(tái)架試驗(yàn)漏播率最大相對(duì)誤差為4.71%，重吸率與重播率最大相對(duì)誤差為4.94%，單粒率與合格率最大相對(duì)誤差為0.98%，性能指標(biāo)總體變化趨勢(shì)一致，且誤差均不大于5%，說(shuō)明標(biāo)定的仿真參數(shù)可用于離散元仿真試驗(yàn)。