饒 罡 趙武云 石林榕 孫步功 郭軍海 王 尊

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 730070)

油菜是我國重要的食物油源和蜜源作物[1]。甘肅地區(qū)主要種植的油菜作物為雙低油菜,相對于傳統(tǒng)油菜,雙低油菜的硫苷和芥酸含量更低,油酸含量更高,采用雙低油菜籽生產(chǎn)的食用油具有更高的健康價值[2]。雙低油菜是甘肅地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)作物之一,對甘肅地區(qū)的油料生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)提升有促進(jìn)作用,機(jī)械化精量播種對提高油菜生產(chǎn)效率具有重要作用[3-4]。

排種器是播種機(jī)的核心部件,其結(jié)構(gòu)性能直接影響播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量[5]。目前,油菜精密排種器的研究在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)達(dá)到成熟階段,但我國仍處于技術(shù)提升階段[6]。美國約翰迪爾公司制造的Maxemerge5氣吸式精密播種機(jī),具有高速、高穩(wěn)定性和高精準(zhǔn)度的特點,可提高作業(yè)效率和播種精度[7]。英國Massey Ferguson公司推出的MF543型通用機(jī)架式播種機(jī)采用機(jī)械式與氣力式相結(jié)合的獨特設(shè)計,該設(shè)計保證機(jī)械式排種的高效率,并實現(xiàn)氣力式排種的低損傷率。該機(jī)具安裝了流量控制閥及空氣壓力表,可通過更換不同規(guī)格型號的型孔輪來滿足多種作物和不同行數(shù)的播種要求[8]。國外油菜播種機(jī)種類齊全,功能復(fù)雜,但機(jī)具體積較大操作困難,成本較高,無法滿足我國甘肅復(fù)雜地形油菜種植的農(nóng)藝要求。國內(nèi)研制的油菜播種機(jī)械主要包括2BYF-6型油菜免耕直播機(jī)、2BFQ系列油菜聯(lián)合直播機(jī)等[9-10],這些機(jī)器可以實現(xiàn)精量播種、施肥、仿形驅(qū)動、覆土等多種功能,但存在結(jié)構(gòu)功能單一、播種精度較低和通用性差等問題。張青松等[11]設(shè)計了一種具有缺口矩形勺式型孔的油菜精量穴播器;雷小龍等[12]以漸開線狀型孔為核心,設(shè)計了一種油菜精量穴播集中排種裝置。目前國內(nèi)油菜排種器在播種精度和作業(yè)效率上有明顯提升,但仍存在易傷種、易堵塞等問題,同時難以滿足西北地區(qū)雙低油菜精量播種的農(nóng)藝要求,因此需設(shè)計一款適用于甘肅地區(qū)的雙低油菜精量排種器。由于種子在排種器中受力過程復(fù)雜,難以通過物理試驗準(zhǔn)確分析種子在排種器中的受力狀態(tài)[13]。因此,采用離散元法構(gòu)建離散單元模型和確定模擬參數(shù),從而分析種子在排種器中的受力過程和運動狀態(tài)。優(yōu)化設(shè)計排種器前,確定種子的本征參數(shù)和接觸參數(shù)并構(gòu)造基本數(shù)學(xué)模型是有效模擬的重要前提[14]。國內(nèi)已對水稻[15]、小麥[16]、玉米[17]、三七[18]等作物種子的物理特性進(jìn)行了大量研究,但對于雙低油菜籽粒的物理特性研究還比較缺乏。因此,研究雙低油菜籽粒的物理特性可以為實現(xiàn)油菜精量化播種提供一定參考[19]。

為提高雙低油菜精量播種機(jī)的排種精度,降低種子在排種過程中易損傷和易堵塞的問題,本研究旨在借助物理試驗法和仿真試驗法標(biāo)定雙低油菜籽粒的本征參數(shù)和接觸參數(shù),為雙低油菜排種器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供基礎(chǔ),以期提高雙低油菜精量播種機(jī)的排種精度和作業(yè)效率。

1 油菜籽粒仿真參數(shù)的確定

選用甘肅匯豐有限責(zé)任公司培育的‘青雜5號’和‘隴油19號’雙低油菜籽粒進(jìn)行物理特性測定。通過排水法測得2種種子的密度分別為1 190和1 143 kg/m3。由干燥法測得兩者平均含水率分別為4.87%和5.31%,含水率較低,種子間的粘附性可忽略不計,所以選擇Hertz-Mindlin(無滑移)接觸力學(xué)模型模擬油菜籽粒的流動特性[20]。本研究還需測量油菜籽粒的三軸尺寸、千粒重以及種子的接觸參數(shù)(碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動摩擦因數(shù))[21]。

1.1 油菜籽粒的三軸尺寸及千粒重

隨機(jī)取2種品種的油菜籽粒各1 000粒,用電子天平稱其質(zhì)量,每個品種重復(fù)5次取平均值,測得 ‘青雜5號’和‘隴油19號’油菜籽粒的平均千粒重分別為4.54和4.71 g。

隨機(jī)取2種品種的油菜籽粒各150粒,采用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)測出其三軸尺寸(長、寬、高)。對測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,其中‘青雜5號’油菜籽粒長度平均值為2.04 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.187;寬度平均值為1.95 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.206;厚度平均值為1.84 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.239?！]油19號’油菜籽的長度平均值為2.08 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.141;寬度平均值為1.99 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.147;厚度平均值為1.89 mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.198。

利用Origin 2018軟件對油菜籽粒三軸尺寸進(jìn)行擬合,結(jié)果表明油菜籽粒長、寬、高均服從正態(tài)分布(圖1)。

圖1 油菜籽粒尺寸分布

根據(jù)油菜籽的長、寬、高計算油菜籽粒的球度,公式為:

(1)

式中:s為油菜籽粒球度,%;a、b、c分別為油菜籽的長、寬、高,mm。由式(1)計算可知‘青雜5號’和‘隴油19號’油菜籽的球度分為94.81%和95.38%。油菜籽粒球度正態(tài)分布見圖2。

圖2 油菜籽粒球度分布

1.2 靜摩擦因數(shù)

1.2.1種子與材料之間的靜摩擦因數(shù)

不同種類材料和接觸面的粗糙程度是對摩擦因數(shù)產(chǎn)生影響的主要原因[22]。本研究采用斜面法測量油菜籽與材料間的靜摩擦因數(shù)[23]。試驗材料選用PLA塑料和光敏樹脂,試驗時先將材料板置于測量板上,使試驗材料板尾部貼近擋板,并將角度測量儀歸零,在材料板上隨機(jī)放置幾粒種子,勻速升高測量板至油菜籽粒有下滑趨勢時停止。記錄此時角度測量儀上的數(shù)值,其數(shù)值為材料板與水平面間的夾角,即所求靜摩擦因數(shù)的傾斜角度。通過計算傾斜角度的正切值即可得到種子與材料板間的靜摩擦因數(shù)。本試驗采用激光傳感器進(jìn)行測量(檢測精度為±2.5%),能夠在極短時間內(nèi)有效檢測出油菜籽粒的下滑趨勢,當(dāng)油菜籽粒出現(xiàn)下滑趨勢時即停止測量,不再計算籽粒后續(xù)運動。測量裝置見圖3。對本研究2個品種的油菜籽粒分別測量10組并取平均值。測量結(jié)果見表1。

表1 油菜籽粒與不同材料間的靜摩擦因數(shù)

1.角度測量儀;2.材料板;3.激光接收器;4.升降桿;5.擋板;6.測量板;7.激光傳感器;8.電動機(jī)

1.2.2種子間的靜摩擦因數(shù)

油菜籽粒間的靜摩擦因數(shù)同樣采用斜面法測量(圖3)。測量方式為:用尖嘴鑷將一定量的種子均勻粘在材料板上,且盡可能排列緊密,以降低種子間的接觸間隙。將附著種子的材料板固定在測量裝置上進(jìn)行試驗,每個品種測量10組取其平均值,測得‘青雜5號’和‘隴油19號’油菜籽粒間的靜摩擦因數(shù)分別為:0.57±0.09和0.59±0.09。

1.3 碰撞恢復(fù)系數(shù)

表2 油菜籽粒碰撞恢復(fù)系數(shù)

(2)

式中:v1和v2分別為油菜籽粒與材料板碰撞前、后的速度,m/s;v3和v4分別為材料板與油菜籽粒碰撞前、后自身的速度,m/s;h為油菜籽粒碰撞前的高度,mm;h′為油菜籽粒碰撞后彈起的最高高度,mm。

1.4 滾動摩擦因數(shù)的標(biāo)定

1.4.1油菜籽粒與不同材料的滾動摩擦因數(shù)

滾動摩擦是指當(dāng)某個物體無滑動或有滾動趨勢滾動在另一物體表面,因接觸部分受力發(fā)生形變,產(chǎn)生阻力并阻止?jié)L動的作用[25]?；谀芰渴睾愣珊托泵鏉L動法,測定油菜籽粒與材料板間的滾動摩擦因數(shù),試驗原理見圖4。

L為油菜籽粒在水平滾動的距離;S為油菜籽粒在斜面滾動的距離;θ為斜面與水平面間的夾角。

將油菜籽粒放在傾斜角θ=20°的材料板上,并以0 m/s的初始速度使其滾動,油菜籽粒在傾斜的材料板上滾過的距離S為20 mm,因存在摩擦力,最終停在水平材料板上。測量水平滾動距離L,重復(fù)試驗15次取其平均值,測得‘青雜5號’在PLA塑料和光敏樹脂上的滾動距離分別為L1=75.03 mm、L2=83.07 mm;‘隴油19號’在PLA塑料和光敏樹脂上的滾動距離分別為L3=82.99 mm、L4=83.87 mm。根據(jù)能量守恒定律,滾動摩擦因數(shù)μ的計算公式為:

(3)

根據(jù)物理試驗測得油菜籽粒與材料板間滾動摩擦因數(shù)見表3。

表3 物理試驗滾動摩擦因數(shù)

在EDEM仿真試驗中,設(shè)置‘青雜5號’與PLA塑料的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.639、靜摩擦因數(shù)為0.35;與光敏樹脂的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.655、靜摩擦因數(shù)為0.34。設(shè)置‘隴油19號’與PLA塑料的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.662、靜摩擦因數(shù)為0.32;與光敏樹脂的碰撞恢復(fù)系數(shù)系數(shù)為0.666、靜摩擦因數(shù)為0.28。因為種子間無接觸作用,將其余參數(shù)設(shè)置為0。將物理試驗測得的滾動摩擦因數(shù)區(qū)間分為5份,以油菜籽粒與材料板的滾動摩因數(shù)X為試驗因素,滾動距離L為評價指標(biāo),進(jìn)行5組仿真試驗,每組5次取其平均值,利用EDEM軟件中Ruler工具測量試驗滾動距離,試驗結(jié)果見表4和表5。

表4 ‘青雜5號’與不同材料間滾動摩擦因數(shù)仿真結(jié)果

表5 ‘隴油19’號與不同材料間滾動摩擦因數(shù)仿真試驗結(jié)果

對表4和表5的數(shù)據(jù)進(jìn)行二階多項式曲線擬合,曲線方程為:

(4)

(5)

(6)

(7)

式中:L1和L2分別為‘青雜5號’在PLA塑料和光敏樹脂上的滾動距離,mm;L3和L4分別為‘隴油19號’在PLA塑料和光敏樹脂上的滾動距離,mm;X1和X2分別為‘青雜5號’與PLA塑料和光敏樹脂間的滾動摩擦因數(shù);X3和X4分別為‘隴油19號’與PLA塑料和光敏樹脂間的滾動摩擦因數(shù)。

1.4.2油菜籽粒實際堆積角的標(biāo)定

油菜籽粒體積小,多成卵圓形或圓球形[26],難以通過試驗法直接測得油菜籽粒間的滾動摩擦因數(shù)。本研究采用仿真逼近預(yù)測法標(biāo)定油菜籽粒間的滾動摩擦因數(shù),通過圓筒提升試驗,測得油菜籽粒實際堆積角度,并逐步調(diào)整仿真油菜籽粒間的滾動摩擦因數(shù),使仿真結(jié)果與圓筒提升試驗結(jié)果基本一致,最終確定2種不同品種油菜籽粒間的滾動摩擦因數(shù)。

本研究油菜籽粒實際堆積角采用鋁質(zhì)圓筒,圓筒內(nèi)徑為27 mm,高度為200 mm進(jìn)行測定。試驗時,將60 g油菜籽粒注入到水平放置的鋁制圓筒中,以0.01 m/s的速度向上提升圓筒,此時種子在重力作用下開始下落并逐漸形成圓錐狀堆積,形成圓錐體底角即為油菜籽粒堆積角。將采集的圖像導(dǎo)入AatoCAD2019軟件中,以種子自然堆積中心O為原點,垂直于底面豎直向上為z軸正方向,水平向右為x軸正方向,垂直向外為y軸正方向建立坐標(biāo)系,分別沿x和y軸正負(fù)4個方向?qū)τ筒俗蚜６逊e角進(jìn)行標(biāo)定。利用MATLAB R2018b軟件對獲取的圖像進(jìn)行灰度和二值化處理并提取邊界輪廓。為增加提取精度,本研究采用Canny算子對圖像進(jìn)行邊緣檢測,Canny算子具有高精度、對噪聲敏感度高、不易被噪聲填充和更容易檢測到薄弱邊緣的特點[27];利用cftool工具箱對Canny算子提取的邊界輪廓進(jìn)行線性擬合(圖5),通過計算擬合線斜率的反正切值即可得到油菜籽粒的堆積角度。

l1為x軸正方向堆積角邊界提取線;α為x軸正方向擬合線與水平面間的夾角,即實際堆積角度。

油菜籽粒在x和y軸方向均存在正、負(fù)2個值,對每個品種進(jìn)行5次試驗并取平均值,由試驗結(jié)果知:‘青雜5號’在x和y軸方向堆積角度平均值分別為24.06°和23.34°,即‘青雜5號’油菜籽粒的實際堆積角度為23.70°;‘隴油19號’在x和y軸方向堆積角度平均值分別為22.34°和22.45°,即‘隴油19號’油菜籽粒的實際堆積角度為22.39°。

1.4.3堆積角仿真模型的建立

本研究2個品種油菜籽粒的平均粒徑分別為1.94和1.99 mm,球度分別為94.81%和95.38%,所以本研究采用單球體模型作為油菜籽粒的離散元模型。

在EDEM仿真試驗中,構(gòu)建1∶1仿真模型,設(shè)置空心圓筒直徑為27 mm、高度為200 mm,設(shè)置空心圓筒共產(chǎn)生60 g油菜籽粒,每1 s生成200 g籽粒,以0.01 m/s的速度沿z軸正方向運動,使油菜籽粒自然下落形成仿真堆積角。采集仿真求得的堆積角圖像,利用MATLAB R2018b軟件提取圖像邊界輪廓,通過cftool工具箱和Canny算子對圖像輪廓進(jìn)行線性擬合最后求得油菜籽粒的仿真堆積角度[28]。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[29]可知鋁管與油菜籽粒間的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動摩擦因數(shù)分別為0.35、0.38和0.023,油菜籽粒的泊松比為0.25,楊氏剪切模量為52 MPa。對采集的仿真圖像進(jìn)行邊界提取和線性擬合,仿真堆積角圖像處理過程見圖6。

l2為y軸正方向堆積角邊界提取線;β為y軸正方向擬合線與水平面間的夾角,即仿真堆積角度。

為提高仿真效率,提前開展預(yù)試驗[30]。由預(yù)試驗確定‘青雜5號’油菜籽粒的滾動摩擦因數(shù)為0.052～0.056,‘隴油19號’油菜籽粒的滾動摩擦因數(shù)為0.045～0.050,為更接近真實堆積角的試驗數(shù)據(jù),需要進(jìn)一步細(xì)化油菜籽粒的滾動摩擦因數(shù),使‘青雜5號’的滾動摩擦因數(shù)縮小為0.053～0.055,‘隴油19號’的滾動摩擦因數(shù)縮小為0.045～0.047,為獲取堆積角最優(yōu)值,分別在不同的滾動摩擦因數(shù)下進(jìn)行仿真試驗,每種5次并取平均值,堆積角仿真結(jié)果見表6?？芍?當(dāng)‘青雜5號’的滾動摩擦因數(shù)為0.054時,仿真堆積角平均值為23.61°,與實際堆積角23.70°的相對誤差為0.38%。當(dāng)‘隴油19號’的滾動摩擦因數(shù)為0.046時,仿真堆積角平均值為22.25°,與實際堆積角22.39°的相對誤差為0.63%。所以確定‘青雜5號’籽粒間的滾動摩擦因數(shù)為0.054,‘隴油19號’籽粒間的滾動摩擦因數(shù)為0.046。

表6 油菜籽粒仿真堆積角

1.4.4滾動摩擦因數(shù)對堆積角形成過程的影響

滾動摩擦因數(shù)對油菜籽粒仿真結(jié)果影響顯著。為研究其對油菜籽粒堆積角的影響,在3種不同滾動摩擦因數(shù)下,研究2種品種油菜籽粒形成堆積角的過程。分析不同滾動摩擦因數(shù)下油菜籽粒與底板接觸數(shù)量及能量轉(zhuǎn)化規(guī)律[31]。

利用Origin 2018軟件對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,油菜籽粒與底板接觸數(shù)量的變化趨勢見圖7。由仿真結(jié)果知,‘青雜5號’油菜籽粒在滾動摩擦因數(shù)分別為0.053、0.054、0.055時,堆積角與底板的接觸數(shù)量分別為2 565、2 462、2 431;‘隴油19號’油菜籽粒在滾動摩擦因數(shù)分別為0.045、0.046、0.047時,接觸數(shù)量分別為2 515、2 499、2 471,由此可知在相同條件下,滾動摩擦因數(shù)越大對堆積角的限制越大,形成的堆積角與底板的接觸面積越小。

圖7 不同滾動摩擦因數(shù)(μ)下油菜籽粒與底板接觸數(shù)量隨時間的變化

油菜籽粒堆積角形成過程中,轉(zhuǎn)動動能的轉(zhuǎn)化效率受滾動摩擦力影響(圖8)。隨著時間的延長,油菜籽粒的轉(zhuǎn)動動能呈先增大后減小的趨勢,在1.4 s時有最大轉(zhuǎn)動動能,此時滾動摩擦因數(shù)越小,顆粒向外發(fā)散程度越大,堆積角度越小,說明轉(zhuǎn)動動能受到滾動摩擦力的抑制。所以滾動摩擦因數(shù)越小,顆粒下落時的轉(zhuǎn)動動能越大,向外發(fā)散程度越大,形成的堆積角越小。

圖8 不同滾動摩擦因數(shù)(μ)下油菜籽粒轉(zhuǎn)動動能隨時間的變化

籽粒自由落體過程中重力勢能逐漸轉(zhuǎn)化為動能,且滾動摩擦力影響動能轉(zhuǎn)化效率。滾動摩擦因數(shù)對勢能的影響見圖9,當(dāng)時間為0～0.5 s時,油菜籽粒重力勢能無明顯變化;當(dāng)時間為0.5～2.5 s時,油菜籽粒開始形成堆積,此時重力勢能逐漸轉(zhuǎn)化為動能;當(dāng)時間為2.5～3.8 s時,重力勢能與動能趨于動態(tài)平衡。仿真穩(wěn)定情況下,‘青雜5號’油菜籽粒在滾動摩擦因數(shù)分別為0.053、0.054和0.055時,重力勢能分別為-4.736×10-6、-4.724×10-6和-4.720×10-6J?！]油19號’油菜籽粒在滾動摩擦因數(shù)分別為0.045、0.046和0.047時,重力勢能分別為-4.795×10-6、-4.789×10-6、-4.785×10-6J。由于重力勢能為標(biāo)量,所以滾動摩擦因數(shù)越大,阻力越大,動能消耗越大,重力勢能越大。

圖9 不同滾動摩擦因數(shù)(μ)下油菜籽粒重力勢能隨時間的變化

2 排種仿真與試驗驗證

為驗證本研究油菜籽粒標(biāo)定參數(shù)的準(zhǔn)確性,進(jìn)行異形槽口窩眼輪排種仿真試驗和臺架驗證試驗,并對結(jié)果進(jìn)行對比。

2.1 排種模型的建立及參數(shù)設(shè)置

窩眼輪是排種器的重要部件[32],本研究采用的異形槽口窩眼輪直徑為55 mm,厚度為45 mm,軸向共有4排,徑向共有5個窩眼。異形槽口的長度、寬度和厚度分別為6.60、2.38和2.27 mm,導(dǎo)種槽角度為15.7°,圓角為0.3 mm,側(cè)壁為95°的梯形,基本結(jié)構(gòu)見圖10。設(shè)計每個異形槽口取種量為3粒,以單次播種合格率、重播率、漏播率為評價指標(biāo),異形槽口填滿3粒表示播種合格,少于3粒表示漏播,多于3粒表示重播。經(jīng)過計算確定轉(zhuǎn)速為20 r/min,在相同工作速度下對各指標(biāo)的仿真值和實測值進(jìn)行對比分析。分別以‘青雜5號’和‘隴油19號’2種油菜籽粒為試驗對象,試驗分為5組,每組測量100穴,重復(fù)5次取其平均值。排種仿真過程中,油菜籽粒主要與異型槽口窩眼輪、排種器、種刷和隔種板4個部件接觸,其中異型槽口窩眼輪和排種器的材料分別為光敏樹脂和PLA塑料,種刷和隔種板的材料均為橡膠。利用3D打印機(jī)制作的光敏樹脂異形槽口窩眼輪模型見圖10(c)。通過查閱文獻(xiàn)[12,33-34]和物理試驗確定排種過程中與油菜籽粒接觸材料的相關(guān)參數(shù)(表7)。

表7 油菜籽粒本征參數(shù)及接觸參數(shù)

圖10 異形槽口窩眼輪結(jié)構(gòu)圖

2.2 排種仿真過程分析

油菜籽粒的排種仿真過程見圖11:油菜籽粒因重力作用從種箱落下并逐漸填充到異形槽口,旋轉(zhuǎn)過程中,窩眼輪與種刷相互作用清理出窩眼孔以外的種子;當(dāng)窩眼孔通過種刷后,油菜籽粒在重力作用下逐漸掉出排種器,從而完成投種過程,并由EDEM軟件后處理功能對仿真結(jié)果進(jìn)行計算分析。

1.種群;2.異形槽口窩眼輪;3.重播;4.漏播

2.3 臺架試驗驗證

將一定量的油菜籽粒倒入種箱,啟動異步電動機(jī)并將轉(zhuǎn)速調(diào)至20 r/min,種子下落后經(jīng)過排種器落入傳送帶,待油菜籽粒均勻排出時,記錄280穴中的合格數(shù)、漏播數(shù)和重播數(shù),試驗重復(fù)5次取其平均值。排種器試驗臺架見圖12;‘青雜5號’和‘隴油19號’油菜籽粒仿真試驗與臺架驗證試驗結(jié)果分別見表8和表9。

表8 ‘青雜5號’油菜籽粒排種性能仿真試驗及臺架驗證試驗結(jié)果

表9 ‘隴油19號’油菜籽粒排種性能仿真試驗及臺架驗證試驗結(jié)果

1.種箱;2.排種器;3.導(dǎo)向輪;4.傳送帶;5.傳送帶速度控制器;6.窩眼輪速度控制器;7.異步電動機(jī)

‘青雜5號’油菜籽粒仿真結(jié)果合格率為91.80%、重播率為7.80%、漏播率為0.40%;臺架試驗穴粒數(shù)合格率為91.36%、重播率為8.21%、漏播率為0.43%。對比仿真結(jié)果和臺架試驗結(jié)果,兩者合格率的相對誤差為0.48%,重播率的相對誤差為4.99%,漏播率的相對誤差為6.98%(表8)。

‘隴油19號’油菜籽粒仿真結(jié)果合格率為93.20%、重播率為6.60%、漏播率為0.20%;臺架試驗穴粒數(shù)合格率為92.93%、重播率為6.86%、漏播率為0.21%。對比仿真試驗和臺架試驗結(jié)果,兩者合格率的相對誤差為0.29%,重播率的相對誤差為3.79%,漏播率的相對誤差為4.76%(表9)。由仿真和臺架試驗結(jié)果可知,雙低油菜籽粒離散元模型和標(biāo)定參數(shù)可用于離散元仿真試驗。

3 結(jié) 論

本研究采用物理試驗與仿真試驗相結(jié)合的方法,對雙低油菜籽?！嚯s5號’和‘隴油19號’的本征參數(shù)和接觸參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定,主要結(jié)論如下:

1)通過試驗法對‘青雜5號’和‘隴油19號’油菜籽粒進(jìn)行基本物理參數(shù)標(biāo)定。2種油菜籽粒的三軸尺寸均為正態(tài)分布,‘青雜5號’與PLA塑料和光敏樹脂的靜摩擦因數(shù)分別為0.35和0.34,碰撞恢復(fù)系數(shù)分別為0.639和0.655?！]油19號’與PLA塑料和光敏樹脂的靜摩擦因數(shù)分別為0.32和0.28,碰撞恢復(fù)系數(shù)分別為0.662和0.666。油菜籽粒間靜摩擦因數(shù)分別為0.57和0.59;碰撞恢復(fù)系數(shù)分別為0.384和0.397;

2)采用斜面滾動試驗和EDEM仿真標(biāo)定‘青雜5號’與PLA塑料和光敏樹脂的滾動摩擦因數(shù)分別為0.064和0.060;‘隴油19號’與PLA塑料和光敏樹脂的滾動摩擦因數(shù)分別為0.059和0.058。通過仿真逼近預(yù)測法標(biāo)定油菜籽粒間滾動摩擦因數(shù)分別為0.054和0.046。對堆積角形成過程的研究發(fā)現(xiàn):滾動摩擦因數(shù)越大,油菜籽粒與底板的接觸數(shù)量越小;相同時間下,顆粒間重力勢能越大;顆粒間轉(zhuǎn)動動能越小,且顆粒間轉(zhuǎn)動動能呈先增大后減小的趨勢。

3)基于標(biāo)定的雙低油菜籽粒仿真參數(shù),采用異形槽口窩眼輪排種器進(jìn)行仿真試驗和臺架驗證試驗。針對‘青雜5號’油菜籽粒,仿真試驗結(jié)果合格率為91.80%、重播率7.80%、漏播率0.40%;臺架試驗結(jié)果合格率為91.36%、重播率8.21%、漏播率0.43%。兩者合格率的相對誤差為0.48%,重播率的相對誤差為4.99%,漏播率的相對誤差為6.98%。針對‘隴油19號’油菜籽粒,仿真試驗結(jié)果合格率為93.20%、重播率6.60%、漏播率0.20%;臺架試驗結(jié)果合格率為92.93%、重播率6.86%、漏播率0.21%。兩者合格率的相對誤差為0.29%,重播率的相對誤差3.79%,漏播率的相對誤差4.76%。本研究雙低油菜籽粒標(biāo)定的仿真參數(shù)對優(yōu)化油菜播種機(jī)具的作業(yè)性能具有一定意義。