張燕青，崔清亮，孫 燈，來(lái)思彤，李 浪，閆 帥

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 太谷 030801）

谷子是中國(guó)特色雜糧作物，其種子粒小質(zhì)輕，傳統(tǒng)機(jī)械條播存在播量大、播種不均勻等問(wèn)題[1-2]。排種器是播種機(jī)的核心部件之一。針對(duì)谷子機(jī)械化播種難題，課題組依據(jù)電磁振動(dòng)輸送物料技術(shù)和理論，研制了電磁直線(xiàn)振動(dòng)式谷子精少量排種器。該排種器可一器多行排種、工作效率高；由調(diào)速裝置無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)排種量，無(wú)需復(fù)雜機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且調(diào)節(jié)方便[3-4]。但因振動(dòng)排種過(guò)程復(fù)雜，現(xiàn)有排種器仍存在排量均勻穩(wěn)定差的問(wèn)題。

離散單元法是根據(jù)分子動(dòng)力學(xué)原理提出的一種顆粒離散體物料分析方法，可通過(guò)模擬散體物料加工處理過(guò)程中顆粒的行為特征，為各類(lèi)散料加工、處理設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參考[5]?；陔x散元分析方法，近年來(lái)眾多學(xué)者開(kāi)展了水稻、小麥、花生排種器排種性能的分析研究，獲得了排種器最佳工藝技術(shù)參數(shù)[6-8]。為了提高谷子電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種器的排種均勻性和穩(wěn)定性，本文基于離散元分析軟件EDEM 建立了排種器和谷子種子的仿真模型，模擬了不同振動(dòng)特性參數(shù)下排種器運(yùn)動(dòng)特性變化規(guī)律，獲得了適合谷子種子排種的最優(yōu)振幅，可為提高電磁直線(xiàn)振動(dòng)式排種器排種均勻穩(wěn)定性及其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種器結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

電磁直線(xiàn)振動(dòng)式排種器主要由種箱、種子緩存槽、排種板、導(dǎo)種管、電磁直線(xiàn)振動(dòng)輸送器、調(diào)壓控制器、種箱支架和固定底座等零部件組成[4]，如圖1所示。

圖1 排種器組成Fig.1 The composition of seed metering device

電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種器工作時(shí)，種箱內(nèi)的種子在重力作用下通過(guò)種箱下部的出種口落入種子緩存槽內(nèi)，在電磁直線(xiàn)振動(dòng)輸送器的振動(dòng)作用下，種子通過(guò)緩存槽的底部進(jìn)入到排種板的排種槽內(nèi)，并在排種槽內(nèi)均勻連續(xù)排列，被直線(xiàn)輸送至導(dǎo)種管，從而實(shí)現(xiàn)排種作業(yè)。排種速度及排種量由調(diào)壓控制器改變排種板振動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[4]。

2 EDEM仿真試驗(yàn)前處理

2.1 接觸模型選取及材料的添加

在全局設(shè)置（Globals）標(biāo)簽中需要對(duì)顆粒與顆粒，顆粒與邊界的接觸模型進(jìn)行選擇。EDEM 中主要接觸模型有Hertz-Mindlin 無(wú)滑動(dòng)接觸模型、Hertz-Mindlin 黏結(jié)接觸模型、線(xiàn)性黏附接觸模型、運(yùn)動(dòng)平面接觸模型、線(xiàn)彈性接觸模型和摩擦帶電接觸模型等[9]。谷子種子含水率一般在11%左右，表面黏附力?。环N箱、種子緩存槽、排種板材料皆為有機(jī)玻璃，表面平整光滑且黏附力小，該排種器主要接觸關(guān)系為種子與種子的接觸以及種子與有機(jī)玻璃的接觸，故接觸模型皆選擇Hertz-Mindlin 無(wú)滑動(dòng)接觸模型。根據(jù)導(dǎo)入的幾何模型來(lái)設(shè)置重力加速度的大小及方向，該仿真重力加速度的方向?yàn)閥軸，大小為-9.81 m/s2。

EDEM 仿真時(shí)需要設(shè)置仿真顆粒和排種裝置的材料屬性。EDEM 軟件中有常用材料庫(kù)，用戶(hù)也可以自定義所需材料。仿真中主要用到2 種材料，包括谷子種子和排種裝置所用材料有機(jī)玻璃，在Materials 對(duì)話(huà)框中創(chuàng)建以上2 種材料。參考國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究成果，材料參數(shù)設(shè)置如表1所示[10-11]。

表1 （與種子）材料參數(shù)表Fig.1 The composition of seed metering device

排種過(guò)程中，種子與種子、種子與排種裝置之間皆有接觸作用，在仿真時(shí)還需要定義材料之間的相互作用。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示[11]。

表2 材料相互作用參數(shù)Tab.2 The material interaction parameters

2.2 谷子種子顆粒模型的創(chuàng)建

EDEM 軟件中自帶的模型顆粒是球形顆粒，而對(duì)于形狀不規(guī)則的顆粒模型，用戶(hù)可以通過(guò)多個(gè)球形顆粒填充來(lái)實(shí)現(xiàn)。谷子種子的形狀近似為卵圓形，為了仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，采用Solidworks 軟件中建立谷子種子的三維模型，導(dǎo)入EDEM中進(jìn)行仿真。參考國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)不同品種的谷子種子三軸尺寸的研究成果，對(duì)谷子種子進(jìn)行三維建模，其外形參考圖2（a）、2（b）；具體尺寸：長(zhǎng)為2.20 mm，寬為1.90 mm，厚為1.40 mm。所繪制的種子三維模型如圖2（c）、2（d）所示，將其保存為通用格式，導(dǎo)入EDEM 中。使用不同直徑大小的球形顆粒對(duì)種子的模型進(jìn)行填充，填充效果如圖2（e）、2（f）所示。

圖2 谷子種子顆粒模型Fig.2 The grain model of millet seed

2.3 電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種裝置模型的創(chuàng)建

2.3.1 仿真模型的創(chuàng)建

本文使用Solidwork 三維繪圖軟件對(duì)電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種裝置進(jìn)行三維建模，如圖3 所示。為保證仿真試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，排種裝置中各零部件皆按照實(shí)際尺寸大小建模；為提高仿真計(jì)算的速度，去掉排種過(guò)程中與種子不發(fā)生接觸的零部件，將電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種裝置簡(jiǎn)化為種箱、種子緩存槽、排種板3個(gè)部分。建模時(shí)將各零件也進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉倒角、圓角等不影響試驗(yàn)結(jié)果的特征，將繪制完成的各零件進(jìn)行裝配，裝配體保存為EDEM 軟件兼容的格式，導(dǎo)入EDEM 中，如圖4所示。

圖3 排種裝置三維模型Fig.3 The 3D model of seed metering device

圖4 排種裝置仿真模型Fig.4 The Simulation model of seed metering device

2.3.2 仿真模型各部件運(yùn)動(dòng)的設(shè)置

EDEM 軟件前處理模塊為仿真模型提供了線(xiàn)性移動(dòng)、線(xiàn)性轉(zhuǎn)動(dòng)、正弦移動(dòng)、正弦轉(zhuǎn)動(dòng)4 種基本的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，依據(jù)模型的實(shí)際運(yùn)動(dòng)選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可模擬移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、往復(fù)運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。仿真模型包括種箱、種子緩存槽和排種板3部分，排種裝置工作過(guò)程中，種箱始終保持靜止，種子緩存槽和排種板做簡(jiǎn)諧振動(dòng)。在動(dòng)力學(xué)標(biāo)簽中為種子緩存槽和排種板添加一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閥軸，振幅為0.06～0.22 mm，頻率為50 Hz的正弦運(yùn)動(dòng)。

2.4 顆粒工廠的設(shè)置與生成

EDEM 中顆粒工廠用來(lái)定義顆粒模型粒徑分布、生成的速度、位置和數(shù)量（質(zhì)量）等參數(shù)。設(shè)置顆粒工廠生成的顆粒總質(zhì)量為0.6 kg，總數(shù)約為200 000，生成速率為0.6 kg/s。為使種子快速填充至種箱內(nèi)，為顆粒添加一個(gè)方向?yàn)閥軸向下，大小為2 m/s 的初速度。各參數(shù)設(shè)置完成后，生成顆粒，如圖5、6所示。

圖5 顆粒生成開(kāi)始Fig.5 The particle formation start

圖6 顆粒生成結(jié)束Fig.6 The end of particle generation

2.5 仿真時(shí)間的選取和網(wǎng)格尺寸的設(shè)置

EDEM的求解器中設(shè)置仿真時(shí)間步長(zhǎng)、仿真總時(shí)間、網(wǎng)格尺寸等參數(shù)。仿真時(shí)間步長(zhǎng)是仿真計(jì)算中2次迭代計(jì)算之間的時(shí)間間隔，決定數(shù)據(jù)輸出的時(shí)間間隔。時(shí)間步長(zhǎng)越短，輸出數(shù)據(jù)量越大，求解器對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算的越準(zhǔn)確，但會(huì)增加求解器的運(yùn)算量，導(dǎo)致仿真時(shí)間增加；時(shí)間步長(zhǎng)越長(zhǎng)，輸出數(shù)據(jù)量越小，求解器對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算越模糊，可能造成仿真結(jié)果不準(zhǔn)確，無(wú)參考意義。為盡快得到準(zhǔn)確可靠的仿真結(jié)果，仿真時(shí)間步長(zhǎng)一般設(shè)置為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的20%～40%，這里設(shè)置為30%，數(shù)據(jù)寫(xiě)出時(shí)間間隔為0.05 s。

離散元網(wǎng)格尺寸的大小雖然不會(huì)影響仿真的結(jié)果，但會(huì)影響仿真模擬計(jì)算的時(shí)間，為確保仿真的效率設(shè)置時(shí)總的網(wǎng)格單元數(shù)目需少于100 000 個(gè)。理想的網(wǎng)格大小為最小粒子半徑的2倍，本仿真設(shè)置為2倍。設(shè)置完成后即可開(kāi)始仿真。

3 仿真結(jié)果與分析

排種裝置中排種板的振幅對(duì)種子的運(yùn)動(dòng)速度有直接的影響，從而影響排種量和排種的效果。利用EDEM 軟件對(duì)電磁直線(xiàn)振動(dòng)式排種裝置排種過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真試驗(yàn)以矩形截面排種槽為例，在排種板振幅分別為0.06 mm、0.10 mm、0.14 mm、0.18 mm、0.22 mm 時(shí)，利用后處理模塊輸出種子在排種方向（x方向）和垂直于排種板方向（y方向）的運(yùn)動(dòng)速度曲線(xiàn)變化曲線(xiàn)。部分仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7（a）所示為振幅為0.18 mm 時(shí)種子沿x方向的速度曲線(xiàn)，圖7（b）所示為振幅為0.22 mm 時(shí)種子沿x方向的速度曲線(xiàn)。由圖7（a）、7（b）可知，沿x方向種子運(yùn)動(dòng)的平均速度（虛線(xiàn)）隨著排種板的振幅的增大而增大，即同一截面形狀的排種槽，排種板振幅越大排種速度越快，排量越大。在排種板振幅＜0.06 mm 時(shí)，種子的運(yùn)動(dòng)速度較小，幾乎保持靜止，并不適合機(jī)械排種作業(yè)；當(dāng)振幅＞0.22 mm 時(shí)，種子運(yùn)動(dòng)速度較大，種子成股流下，易造成堆積導(dǎo)致播量較大。

圖7 不同振幅下的振動(dòng)速度曲線(xiàn)Fig.7 The vibration velocity curves at different amplitudes

圖7（c）所示為振幅為0.14 mm 時(shí)種子沿y方向的速度曲線(xiàn)，圖7（d）所示為振幅為0.18 mm 時(shí)種子沿y方向的速度曲線(xiàn)。由圖7（c）、7（d）可知，沿y方向種子運(yùn)動(dòng)的速度隨著排種板振幅的增大而增大。在振幅為0.06～0.14 mm 時(shí)，速度曲線(xiàn)高低起伏均勻，排種槽內(nèi)的種子隨排種板一起沿y方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)振幅大于0.14 mm時(shí)，速度曲線(xiàn)波動(dòng)較大，此時(shí)排種槽內(nèi)的種子與排種槽脫離做拋擲運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于EDEM 對(duì)電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種器排種過(guò)程進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，排種器的排種速度隨排種板振幅的增大而增大，排種量也增大。隨著振幅增大種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也發(fā)生改變，當(dāng)排種板振幅＜0.06 mm 時(shí)，種子運(yùn)動(dòng)速度較慢，幾乎與排種板保持相對(duì)靜止；當(dāng)振幅＞0.14 mm 時(shí)，種子脫離排種槽底面做拋擲運(yùn)動(dòng)；當(dāng)振幅位于0.06～0.14 mm，種子始終與排種槽底面接觸做滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，適合谷子振動(dòng)排種作業(yè)。本研究為谷子電磁直線(xiàn)振動(dòng)排種器振動(dòng)特性參數(shù)的選取提供參考。