精密播种单体及其关键部件工作过程的试验研究与仿真分析

精密播种机工作时,始终存在着工作部件——开沟器、排肥器、排种器、覆土和镇压部件与散粒物料——土壤颗粒、肥料和种子的接触作用及散粒物料颗粒的流动过程,精密播种种子的最终位置,是由仿形机构、开沟器、排种器、覆土和镇压部件等综合作业的结果。由于精密播种过程的复杂性,到目前为止,国内外进行精密播种机的设计、性能分析和优化,大都依靠设计者的经验,或采用试验方法,或采用传统连续介质力学的分析方法,如牛顿力学、多刚体动力学和光滑粒子法等。但这些方法均不能很好地解决精密播种机性能分析和优化设计的问题。为此,本文首先采用试验的方法,研究了排种器的工作过程、排种器投种时种子与土壤的接触碰撞过程、投种后的覆土和镇压过程等,研究了各个因素的影响,在此基础上,采用离散元法和离散元法与多刚体动力学耦合的方法,从微观角度分析了排种器的工作过程、排种器投种时种子与土壤的接触碰撞过程、投种后的覆土和镇压过程等,并将试验结果与仿真分析结果进行对比,以检验采用离散元法和离散元法与多刚体动力学耦合的方法,分析精密播种单体及其关键部件工作过程的可行性和有效性,本文的主要工作及结论如下。(1)对土壤颗粒的物理力学属性进行测试分析,采用球填充组合形式建立了3种具有不同形状和尺寸的土壤颗粒模型。采用Hertz-Mindlin+JKR模型,计算土壤颗粒的接触作用力。通过圆筒堆积角度试验、圆锥贯入所受阻力试验的仿真与试验对比,验证了所建立的土壤模型的可行性。研究可知,随着土壤颗粒摩擦系数、土壤颗粒的表面能的减小,土壤颗粒的流动性增大,更易散落;贯入速度对贯入阻力的影响较大,且贯入速度越大,所受阻力越大。(2)以4个品种的大豆种子为研究对象,对其颗粒的几何形状与椭球(基于大豆种子三轴尺寸建立的椭球)之间的近似程度进行定量分析,发现两者形状较为接近,所以可以将大豆种子简化成椭球建模。对种子颗粒的几何尺寸进行了测试分析,在此基础上,提出一种基于多球填充的单个大豆种子颗粒和群体大豆种子颗粒的建模方法。分别采用堆积试验、“自流筛分”试验,对所建立的大豆种子模型进行了分析,通过堆积角度、流型及透筛率的仿真与试验结果对比,验证本文提出的大豆种子颗粒建模方法的可行性和有效性。(3)以2种排种器为研究对象,采用台架试验对2种排种器的工作过程及性能进行了试验研究,同时利用EDEM软件对排种器工作过程及性能进行仿真,分析了各种因素对排种性能的影响,通过排种性能及种子群体运动的仿真结果与试验结果的对比,发现两者结果接近且变化趋势一致,进一步地验证提出的大豆种子建模方法的可行性和有效性。(4)对大豆种子投种后种子与土壤接触的弹跳滚动位移进行了台架试验,研究了土壤含水率、投种高度、传送带带速以及排种盘圆周速度等因素,对种子弹跳滚动位移的影响,通过对试验结果的分析可知,影响种子间距不均匀性的主次因素依次为:投种高度>传送带带速>土壤的含水率>排种轮圆周速度。同时采用离散元软件EDEM,对大豆种子的触土弹跳滚动过程进行仿真,通过种子触土后的横向位移和纵向位移的试验值与仿真值对比,发现两者数值接近且变化趋势一致,由此验证采用离散元法分析种子与土壤接触的弹跳滚动位移的可行性。(5)分别进行了播种后覆土的土槽试验和播种覆土后的镇压的土槽试验,研究了台车的前进速度、覆土圆盘张角对试验结果的影响。推导离散元法DEM与多刚体动力学法MBD的耦合算法。同时采用离散元软件EDEM和多刚体动力学软件ADAMS的耦合,对覆土及镇压过程进行仿真分析,并将仿真结果与试验结果进行对比,发现二者趋势相同且数值相近,由此验证该耦合方法的可行性和有效性。