基于RecurDyn-EDEM耦合的三角链杯勺式马铃薯排种器性能仿真.pdf
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1、2023 年 6 月第 3 期218227甘肃农业大学学报 JOURNAL OF GANSU AGRICULTURAL UNIVERSITY第5 8卷双 月 刊基于 RecurDyn-EDEM 耦合的三角链杯勺式马铃薯排种器性能仿真谭本芳1,段宏兵1,2,付锦1,孙海军3,蔡兴奎2,李章蓝1(1.华中农业大学工学院,湖北 武汉 430070;2.农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室,湖北 武汉 430070;3.十堰洋顺新能源科技有限公司,湖北 十堰 442000)摘要:【目的】为获得三角链杯勺式马铃薯排种器最佳排种性能参数组合,提高排种器性能。【方法】分析排种器总体结构及“充多留一”的
2、工作原理,增加设计对称弹簧自动张紧装置、稳定充种导轨。构建排种器基于RecurDyn-EDEM耦合仿真模型,分别对充种阶段、清种阶段分析,建立重播指数、漏播指数与工作转速、充种倾角、种层高度多元回归模型,并通过多目标优化方法得到最佳参数组合。【结果】当工作转速为60.0 r/min,充种倾角为72.0,种层高度为209.0 mm时,排种器的重播指数为1.48%,漏播指数为1.52%,合格指数为97.00%。在最优参数下加工排种器,进行台架试验,结果表明仿真结果与理论结果基本吻合,最大误差为 1.15%。【结论】基于RecurDyn-EDEM耦合的排种器性能仿真方法是可行的。关键词:马铃薯;排种
3、器;三角链;耦合;优化中图分类号:S223.2 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-4315(2023)03-0218-10Performance simulation of triangle Chain cup-spoon potato seed feeder based on RecurDyn-EDEM couplingTAN Benfang1,DUAN Hongbing1,2,FU Jin1,SUN Haijun3,CAI Xingkui2,LI Zhanglan1(1.Huazhong Agricultural University Colleg
4、e of Engineering,Wuhan 430070,China;2.Key Laboratory of Potato Biology and Biotechnology,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Wuhan 430070,China;3.Shiyan Yangshun New Energy Techology Co.Ltd.,Shiyan 442000,China)Abstract:【Objective】The study aimed to determine the optimal performance parameters
5、 for the triangle chain cup-spoon potato seed arranger and improve its performance.【Method】The overall structure of seed discharging device and the working principle of charging more than one were analyzed,and the symmetrical spring automatic tensioning device was designed to stabilize the seed fill
6、ing guide rail.Using the RecurDyn-EDEM coupling simulation model,a simulation model was constructed to analyze the filling stage and clearing stage separately.The multiple regression models were established for the replay index,missing sowing index,and working speed,filling inclination angle,and see
7、d layer height.The optimal parameter combination was obtained using the multi-objective optimization method.【Result】Our results showed DOI:10.13432/ki.jgsau.2023.03.027第一作者:谭本芳,硕士研究生。E-mail:通信作者:段宏兵,副研究员,硕士生导师,主要从事马铃薯机械化种植技术与装备研究。E-mail:基金项目:国家马铃薯现代农业产业技术体系项目(CARS-09-P08);湖北省现代农业产业技术体系项目(HBHZD-ZB-20
8、20-005-08);湖北省科技厅乡村振兴项目(2022BBA150);湖北省农机装备补短板核心技术应用攻关项目(HBSNYT202215)。收稿日期:2023-03-10;修回日期:2023-04-06第 3 期谭本芳等:基于RecurDyn-EDEM耦合的三角链杯勺式马铃薯排种器性能仿真that the working speed was 60.0 r/min,the filling angle was 72.0,and the height of the seed layer was 209.0 mm;and the reseeding index,missing seeding ind
9、ex,and qualified index were 1.48%,1.52%,and 97.00%,respectively.The bench test results under the optimal parameters showed that the simulation and theoretical results were consistent,with a maximum error of 1.15%.【Conclusion】It was concluded that the method of performance simulation based on RecurDy
10、n-EDEM coupling is feasible for analyzing and optimizing the performance of the potato seed arranger.Key words:potato;seed discharging device;triangular chain;coupling;to optimize马铃薯种植是马铃薯生产的重要环节,实现机械化播种并不断提高机械化水平是实现马铃薯高产的必经之路1-3。排种器是实现精密播种的核心工作部件,其性能的好坏直接影响种植的质量与效率4-6。链勺式排种器结构简单、维修方便、制造成本低,被广泛应用于我国
11、马铃薯播种产业7-8。但链勺式排种器排种均匀性较差、易出现漏播9-10,影响作业质量,因此对链勺式排种器进行优化设计提高排种性能具有重要意义。随着离散元法在农业工程领域的发展,学者们运用 EDEM 开展了大量马铃薯排种器的研究工作11。王希英12建立了勺带式马铃薯排种器离散元模型,分析了排种器的充种过程。牛康13将排种链条简化为直板,分析了双层种箱式马铃薯排种器的种群运动规律,未模拟排种器完整工作过程。陈志鹏14通过时域赋值法实现链勺式排种器的复杂运动,但此种方法设置步骤十分繁琐。张涛15运用Fluent-EDEM耦合的方法对气力勺带组合式马铃薯排种器进行设计。将排种链条简化为直板对链勺式排种
12、器进行仿真分析的方法,忽略了排种链条的运动状态对排种器排种性能的影响,不能真实反映链勺式马铃薯排种器的工作过程。运用多体动力学和离散元相耦合的方式建立链勺式马铃薯排种器RecurDyn-EDEM耦合仿真模型,可以真实模拟在排种链条多体动力学系统的作用下排种性能的变化情况,结果更具有准确性和有效性。针对上述问题,本文对课题组已有的三角链杯勺式马铃薯排种器进行结构优化,构建排种器基于RecurDyn-EDEM耦合仿真模型,对排种器充种、清种过程进行仿真分析,采用二次回归正交旋转组合设计试验方法确定排种器最佳工作参数。并将仿真试验结果与台架试验进行对比,验证仿真结果的合理性与有效性,为链勺式马铃薯排
13、种器的优化设计提供新的方法。1排种器结构与工作原理三角链杯勺式马铃薯排种器主要由对称弹簧自动张紧装置、稳定充种导轨、主动轮、清种链轮、第二从动轮、排种链条、种箱、种勺、回收板、导种滑道等组成,主要结构如图1所示。工作原理为:种薯放满种箱,当排种器正常工作时,种薯由于重力的作用进入充种区,种勺在链条的带动下进入充种区舀取一个或多个种薯;当种勺运行进入清种区后,在重力和链条抖动的共同作用下种勺内多余的种薯掉落并通过回收板回流到种箱,1:主动轮;2:导种滑道;3:回收板;4:第二从动轮;5:种勺;6:排种链条;7:对称弹簧自动张紧装置;8:清种链轮;9:稳定充种导轨;10:活动挡板;11:种箱。1:
14、Driving wheel;2:Seed guide rail;3:Recovery plate;4:Second driving wheel;5:Seed spoon;6:Seed chain;7:Symmetrical spring automatic tensioning device;8:Seed clearing sprocket;9:Stable seed filling guide rail;10:Movable baffle;11:Plant box.图 1三角链杯勺式马铃薯排种器结构Figure 1Triangle chain cup spoon type potato se
15、ed arranger structure diagram219甘肃农业大学学报2023 年实现“充多留一”;余下的单粒种薯随种勺运动至导种滑道末端时,失去支持力,完成投种,实现单粒精播。该排种器的排种链轮呈“三角形”排列,缩减了整机高度,增加了水平清种区,无需进行人工补种作业。2关键部件结构优化设计2.1对称弹簧自动张紧装置设计由于多变形效应及啮合冲击作用,链传动平稳性较差。种勺与链条连接,导致种勺的运动也具有不平稳性。这影响着马铃薯在种勺内的稳定性,从而影响排种器的工作性能。种勺的稳定性与排种链条的紧度相关,因此设计对称弹簧自动张紧装置,如图2所示。张紧装置与从动轴通过套筒固定连接,张紧弹
16、簧支撑座焊接在排种器侧板上,左右各一个。通过调节销轴位置改变张紧弹簧的压缩程度,从而提供不同的张紧力,改变排种链条张紧度。2.2稳定充种导轨设计种勺在排种链条的带动下以一定速度从种箱底部穿越种群,理想状态下,种勺的运动状态不会发生改变,如图3-A所示。实际作业过程中,种勺受到自重及种群作用力的影响,发生翻转,影响充种均匀性,如图3-B所示。种勺运动状态的稳定性直接影响种薯是否能够稳定地进入种勺中,完成充种。因此在充种段设计稳定充种导轨,结构如图4-A所示。稳定充种导轨限制排种链条只能在导轨内运动,如图4-B所示,降低种勺翻转的程度与频率,同时也能避免两侧不均匀受力形成的左右摆动,提高充种效果。
17、1:排种器侧板;2:张紧弹簧支撑座;3:销轴;4:张紧弹簧;5:支撑轴;6:过渡支撑座;7:套筒;8:从动轴;9:从动轴支撑。1:Seed platter side plate;2:Tensioning spring support seat;3:Pin shaft;4:Tensioning spring;5:Support shaft;6:Transition support seat;7:Sleeve;8:Driven shaft;9:Driven shaft support.图 2对称弹簧自动张紧装置结构Figure 2Structure diagram of double-spring
18、 automatic symmetric tensioning device图 3种勺运动工作状态Figure 3Type spoon movement working condition1:稳定充种导轨;2:排种链条;3:种勺。1:Stable filling guide rail;2:Seeding chain;3:Seed spoon.图 4稳定充种导轨Figure 4Stable filling guide rail表 1三角链杯勺式马铃薯排种器技术参数Table 1Technical parameters of potato seed arranger with triangle c
19、hain cup and spoon参数Parameter株距/mm Plant spacing播种行数 Seeding row行距/mm Row spacing工作转速/(r min-1)Working speed数值Value可调21503060220第 3 期谭本芳等:基于RecurDyn-EDEM耦合的三角链杯勺式马铃薯排种器性能仿真3RecurDyn-EDEM仿真分析3.1仿真模型建立近年来,多体动力学(Model based definition,MBD)和离散元法(Discrete element method,DEM)逐渐由工业领域推广到农业工程等诸多领域16-18。在排种器工
20、作过程中,种勺随链条的运动以一定速度从种箱底部穿过种群舀取种薯,并对种群产生扰动。链条的运动状态对排种器的工作性能有较大影响,不可忽略19。因此采用RecurDyn-EDEM耦合方法进行分析。3.1.1耦合模型RecurDyn适合求解大规模复杂的多体系统动力学问题20。三角链杯勺式马铃薯排种器的传动复杂,因此通过Pro/E建立其简化几何模型,以stp.格式文件导入RecurDyn中,添加约束、接触等属性建立多体动力学模型。通过RecurDyn内置耦合接口将排种器各部件以 wall 文件导入EDEM建立离散元模型。根据湖北地区农作物中马铃薯种植情况,选取常见的马铃薯种薯(中薯5号)作为试验材料,
21、通过查阅文献得到45号钢的泊松比、剪切模量和密度21,结合前期物料特性测定研究得到马铃薯参数,如表2所示。种薯颗粒通过多球面聚合填充的方式在EDEM中生成,如图5所示。3.1.2接触模型链节和链轮之间多为 Point接触,多体动力学接触模型选用Solid Contact,链节为Action Body,链轮为Base Body。种薯间及种薯与排种器工作部件间并无粘附作用,因此离散元接触模型中采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型22。为提高仿真效率,对模型进行进一步简化23,使用单排链条进行仿真,仿真界面如图6所示。3.2充种性能结果分析排种器充种阶段是保证其工作性能的首要阶段,在该阶段应
22、尽可能保证种勺能够一次性舀取一个或多个种薯,实现“充多”的效果,即充种阶段需尽可能避免漏播。在此前提下,重播指数越低越好,合格指数不予考虑。排种器的充种性能与主动轮工作转速、充种倾角、种层高度有关。为探究各因素对排种器充种性能的影响,开展单因素试验研究。试验结束后,利用EDEM后处理功能,分别在充种区末表 2离散元仿真参数Table 2Simulation parameters of discrete element参数Parameter泊松比 Poissons ratio密度/(kg m-3)Density剪切模量/Pa Shear modulus碰撞恢复系数 Collision recov
23、ery factor静摩擦系数 Coefficient of static friction滚动摩擦系数 Coefficient of rolling friction45号钢Steel No.450.307.8103710100.580.3910.249马铃薯颗粒Potato granules0.571.041031.4241060.600.4240.087图 5马铃薯种薯Figure 5Seed potato1:稳定充种导轨;2:对称弹簧自动张紧装置。1:Stabilize the filling guide rail;2:Symmetrical spring automatic tens
24、ioning device.图 6排种器耦合仿真Figure 6Coupling simulation of seed disperser221甘肃农业大学学报2023 年端、清种区末端建立监测器,统计排种性能指标变化情况,如图7所示。3.2.1不同工作转速对充种性能的影响通过RecurDyn改变主动轮工作转速,并分析其对充种性能的影响。排种链的线速度以不超过0.55 m/s为宜24,链轮规格为 10 A、28齿,即工作转速不超过74 r/min。因此分别在工作转速为 30、40、50、60、70 r/min时进行单因素试验。试验结果如表3所示。随着主动轮工作转速的增加,充种阶段漏播指数逐渐增
25、大。当工作转速达到70 r/min时,漏播指数超过10%。兼顾排种器工作效率,确定主动轮工作转速为5070 r/min。3.2.2不同充种倾角对充种性能的影响为探讨充种倾角 对排种器充种性能的影响规律,利用Pro/E分别按照充种倾角为45、55、65、75、90 装配(图8),建立仿真模型进行单因素试验,试验结果如表4所示。表 3不同工作转速对充种性能的影响试验结果Table 3Experimental results of the influence factors of different working speeds on seed filling performance工作转速/(r
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