离散元模拟导种管高度对排种性能的影响

刘建英，张鹏举，刘　飞

(1.内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特　010070；2.内蒙古师范大学 计算机与信息工程学院，呼和浩特　010022；3.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



离散元模拟导种管高度对排种性能的影响

刘建英1，张鹏举2，刘飞3

(1.内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特010070；2.内蒙古师范大学 计算机与信息工程学院，呼和浩特010022；3.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：排种系统是免耕播种机的重要组成部分，其性能直接影响到免耕播种机整体工作质量。导种管为排种系统最后一个环节，主要作用是将排种器排出的种子导入开沟器并使种子能够顺利落入种沟内，其投种位置和速度对排种系统的排种均匀性有较大影响。本文用离散元软件，对导种管施加直线运动和正弦振动，模拟玉米种子由颗粒工厂生成后，经过导种管下落到土地的过程。同时，经离散元后处理模块得到玉米种子在土地上的分布图、种子的运动轨迹及种子在导种管内运动的最小速度和种子离开导种管时的速度；并用origin软件得到种子在导种管内运动的最小速度与导种管高度的拟合曲线、种子离开导种管时的速度与导种管高度的拟合曲线。模拟结果表明：当免耕播种机作业速度为1.389m/s时，最佳导种管高度应为500mm。

关键词：排种器；导种管；种子分布；投种速度；免耕播种

0引言

玉米免耕播种要求在未耕土地上一次性完成开沟、播种、施肥、覆土和镇压等多道作业工序，对免耕播种机的性能要求较高。玉米免耕播种，可节省作业费用，降低生产成本，提高粮食产量，保护环境。因此，设计更加符合作业要求的玉米免耕播种机能够加快玉米免耕播种的发展[1～2]。

玉米精量免耕播种需要满足播种均匀性指标和粒距合格率指标，导种管的高度和形状将会直接影响这两个指标[3]。种子在导种管内弹跳碰撞，一定程度上仍会影响播种均匀性[4]，当种子速度接近“零速投种”时，导种管对播种均匀性指标和粒距合格率指标影响较小[5]。本文基于离散元模拟实验，模拟免耕播种机播种玉米种子时，玉米种子经过导种管的过程。颗粒工厂生成玉米种子，种子经过导种管落到土地上。离散元仿真时，颗粒与颗粒接触、颗粒与几何体接触都选用hertz-mindin(no slip)but in接触模型，且模拟免耕播种机工作时的运动，对导种管和颗粒工厂施加振幅为5mm、频率为10Hz的正弦振动以及速度为1.389m/s的直线运动[6]。通过离散元后处理模块，得到玉米种子在土地上的分布图、玉米种子的运动轨迹图和排种管高度与玉米种子最小速度的拟合曲线，旨在为玉米免耕播种机导种管的设计提供依据[7]。

1导种管参数与离散元方法简介

1.1导种管形状

本次离散元模拟的导种管的形状如图1所示。其中，图1(a)为玉米免耕播种机导种管真实图，图1(b)为导种管三维图，图1(c)为导种管的轴线图。导种管的上端为直线，方向垂直地面，高度为h；下端为半径200mm的圆弧，圆弧与上端和地面相切[8-9]。

(a)　导种管真实图　　　(b)　导种管三维图　(c)导种管的轴线图

1.2导种管高度的确定

1.3离散元方法简介

离散元法是把研究对象分离为刚性元素的集合，使每个元素满足牛顿第二定律，并用中心差分的方法求解各元素的运动方程，得到研究对象的整体运动形态。并根据牛顿第二定律及力与位移的关系确定力、加速度、速度、位移之间的关系，适合对非连续体及离散的单元进行数值仿真[10]。

2离散元模拟方案

2.1模拟方法

本模拟实验用SolidWorks软件建立导种管、颗粒工厂和土地的三维模型。将三维模型导入离散元软件，导入后的模型如图2所示。模拟免耕播种机工作时的运动，对导种管和颗粒工厂施加振幅为5mm、频率为10Hz的正弦振动和速度为1.389m/s的直线运动。根据播种要求，本次模拟种距为280mm，播种机作业速度为1.389m/s，颗粒工厂每0.194s生成一个玉米种子，种子经过导种管后落到土地上，模拟排种后如图3所示。土地上可以看到玉米种子的分布。

图2　离散元仿真模型

图3　模拟完成图

2.2仿真参数设置

颗粒与颗粒接触、颗粒与几何体接触都选用hertz-mindin(no slip)but in接触模型。仿真材料分别为玉米、塑料和土壤。物料物理参数如表1所示，物料间的接触参数如表2所示。玉米种子的离散元建模由15个圆球累加而成，模型长为10mm，宽为8mm，厚为4mm[11]。

表1　物料物理参数

表2　物料间的接触参数

2.3颗粒工厂设置

颗粒工厂位于排种管的入口处，设置为一个动态工厂，总共生成玉米种子10粒，每秒生成5粒。种子生成的速度与免耕播种机前进速度相同，速度大小为1.389m/s，方向为排种管的前进方向[12]。

2.4仿真计算设置

根据材料的离散元瑞利时间步长，本次仿真设置时间步长为6×10-6s，仿真总时间为3s，每间隔0.01s保存一次数据，网格尺寸为7mm。颗粒工厂和排种管向左直线运动和竖直方向正弦振动；颗粒工厂生成的玉米种子经过排种管落到土地上，如图4所示。

3仿真结果分析

3.1玉米种子在土地上的分布分析

仿真计算完成后，由离散元后处理模块得到在土地上的玉米种子分布如图5所示。图5中，导种管高度h为251、300、350、400、450、500、550、600mm时对应的玉米种子分布图。由导种管不同高度的玉米种子分布图可以得到：

1)当导种管高度小于400mm时，玉米种子在土地上的分布均匀性较差；h=251mm时，重播、漏播的种子数量最多。

2)当导种管高度小于500mm时，玉米种子在土地上的分布均匀性随着导种管高度的增加而变好。

3)当导种管高度大于500mm时，玉米种子在土地上的分布均匀性随着导种管高度的增加而变坏。

4)玉米免耕播种机前进速度为1.389m/s时，导种管高度为450mm～500mm时，玉米种子在土地上的分布均匀性相对最好。

图4　离散元模拟排种效果图

3.2玉米种子运动轨迹分析

由离散元后处理模块得到玉米种子的运动轨迹如图5所示。图5中，导种管高度h为251、300、350、400、450、500、550、600mm时，对应的玉米种子运动轨迹图。由导种管不同高度的玉米种子运动轨迹图可以得到[13]：

1)排种管高度为251、300、350、550mm时，玉米种子由排种管下端下落与土地接触后，弹跳次数较多，且一些玉米种子弹跳距离较远。

2)排种管高度为400、450、550mm时，玉米种子由排种管下端下落与土地接触后弹跳次数较少，为1次、2次或3次。

3)排种管高度为500mm时，玉米种子由排种管下端下落与土地接触后弹跳次数相对最少，为1次、2次或不弹跳。

图5　种子分布图

3.3玉米种子下落最小速度分析

由离散元后处理模块得到玉米种子下落时，每间隔0.01s时刻的速度。分析得到所有玉米种子在排种管内的最小速度和离开排种管出口时的速度，取平均值。玉米种子在排种管内的最小速度和离开排种管出口时的速度如表3所示。由origin软件得到导种管内玉米种子最小速度与导种管高度的拟合曲线如图6所示，和玉米种子离开导种管处的速度与导种管高度的拟合曲线如图7所示。

表3　种子在排种管的速度分布

图6　最小速度与导种管高度的拟合曲线

图7　导种管出口速度与导种管高度的拟合曲线

由origin软件得到导种管内玉米种子最小速度与导种管高度的6次拟合曲线为

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

其相关系数R2=0.953 09。由拟合曲线可以得到：在导种管高度为500mm时，玉米种子在导种管内运动的最小速度最低；在导种管高度为300、450、600mm时，玉米种子在导种管内运动的最小速度相对较低，为0.37～0.4m/s之间。

由origin软件得到玉米种子离开导种管下端速度与导种管高度的5次拟合曲线为

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

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

其相关系数R2=0.956 32。由拟合曲线可以得到：在导种管高度由251mm增大到500mm时，玉米种子离开导种管下端速度变小；导种管高度由500mm增大到600mm时，玉米种子离开导种管下端速度变大。

导种管前进速度为1.389m/s、导种管高度为500mm时，导种管投种速度相对最小。

由离散元后处理模块观察每间隔0.01s时刻玉米种子在排种管内的速度，对每一时刻的速度分析后可以得到：

1)导种管高度小于500mm时，玉米种子在导种管内最小速度出现的位置位于导种管的圆角处，经过与导种管圆角处的碰撞接触，种子速度再次变大，所以在导种管出口处的投种速度较大。

2)导种管高度为550、600mm时，由于下落速度较大，种子到达出口时还没有达到最小速度，所以在导种管出口处的投种速度也相对较大。

3)导种管高度为500mm时，玉米种子在导种管内最小速度出现的位置位于导种管的下端出口处，所以在导种管出口处的投种速度相对较小。

4结论

本文通过对导种管排玉米种子离散元仿真实验。得到了免耕播种机作业速度为1.389m/s、振动频率为10Hz、振幅为5mm时，玉米种子在通过导种管落到土地上的运动轨迹、种子在土地上的分布，以及种子在导种管内的最小速度与导种管高度拟合曲线和种子离开导种管的投种速度与导种管高度拟合曲线。由离散元模拟实验得到：

1)导种管高度由251mm增大到500mm时，种子离开导种管下端的投种速度变小；

2)导种管高度由500mm增大到600mm时，玉米种子离开导种管下的投种端速度变大；

3)导种管高度为500mm时，导种管的投种速度较小，玉米种子在接触土地后弹跳次数较少；

4)播种机作业速度为1.389m/s时，最佳导种管高度为500mm左右。

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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

文章编号：1003-188X(2016)01-0012-05

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：刘建英(1974-)，女，内蒙古四子王旗人，副教授，博士，(E-mail)yliu741@163.com。通讯作者：张鹏举(1972-)，男，内蒙古四子王旗人，讲师，(E-mail)cieczpj@imnu.edu.cn。

基金项目：中国博士后科学基金项目(2014M552532XB)

收稿日期：2014-12-18