精密播种机工作时,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。其中,投种过程种子与土壤接触后的弹跳滚动以及覆土镇压过程种子位置的变化是造成播种均匀性降低的重要原因。以往大都采用试验的方法来研究播种过程种子的弹跳位移,以此来优化相关机械部件的结构和工作参数。但是试验方法费时费力,而且受时节限制,还很难获得颗粒与机械部件的作用力、颗粒位移和颗粒速度等信息,而这些信息对农机部件的设计、优化十分重要。采用离散元法(DEM)来分析颗粒与机械部件的接触作用可以解决上述问题。为了实现对玉米种子投种过程和播种单体的覆土镇压过程的仿真分析,本文对中国大陆三大玉米主栽区的主栽品种进行形状和尺寸分析,提出了一种基于多球方法的通用玉米种子建模方法,对其中很难通过试验测量的参数进行了标定。通过对比容积密度、休止角和“自流筛分”试验的仿真结果与实际试验结果,验证了建立的玉米种子颗粒模型的可行性和有效性。针对多球颗粒模型存在的多接触点问题,探究了多接触点问题对种子颗粒的群体行为(动态行为和静态行为)的影响。建立了土壤颗粒模型,采用爱丁堡模型计算了土壤颗粒间、土壤颗粒与种子颗粒间以及土壤颗粒与边界间的接触作用力,采用Plackett-Burman试验和中心组合试验对参数进行了标定。通过单因素仿真试验对影响种子弹跳位移的因素(种子颗粒与土壤的法向相对速度、切向相对速度、土壤坡度、种子颗粒的转速、含水率、种子落地姿态)进行了研究,并采用正交试验对其中的显著因素进行了分析,得到了最优参数组合。采用离散元法(DEM)与多刚体动力学(MBD)耦合的方法,仿真分析了不同前进速度下播种单体的覆土镇压过程对种子位移的影响。本文的主要工作与结论如下。(1)对中国大陆三个玉米主产区的9个主栽品种进行形状分析可得,玉米种子的颗粒形状可以用马齿形、三棱台形、椭球锥形、类球形及非规则形5种形状表示。根据种植面积和种子形状分布的均匀性,选取了其中三个主栽品种(良玉99、先玉335以及正大999)进行进一步的研究。对各形状玉米种子颗粒的特征尺寸进行分析发现,各特征尺寸之间存在一定的函数关系。此外,对玉米种子的物理参数及接触参数进行了测定。(2)提出了一种基于多球方法的通用玉米种子建模方法,结论如下:①根据各形状种子颗粒的形状特点,将各形状种子简化为相应的规则形状进行建模,采用内切于相应的规则形状的方法进行球充填建模,并根据相应规则形状的质心计算公式可以计算得到种子模型的质心,同时以质心位置为笛卡尔坐标系的原点,根据种子特征尺寸,计算得到了每个填充球的球心坐标及半径。并根据填充精度,建立了不同填充球数的颗粒模型。提出了一种可以衡量各形状种子颗粒模型的填充精度的方法,即通过计算了马齿形、三棱台形及椭球锥形种子模型的表面伪粗糙度,用以衡量填充模型的充填精度。此外,给出了一个根据各形状种子颗粒的特征尺寸来计算颗粒的质量与转动惯量的方法。②通过全面试验研究了颗粒间滚动摩擦系数以及颗粒与边界间的滚动摩擦系数对静态休止角的敏感程度,结果表明颗粒间滚动摩擦系数对休止角有显著影响,但颗粒与边界间的滚动摩擦系数对静态休止角不敏感,从而为采用单因素试验标定颗粒间滚动摩擦系数以及颗粒与边界间的滚动摩擦系数提供了依据。③通过对比容积密度、休止角及“自流筛分”的仿真结果与实际试验结果,验证了提出的玉米种子建模的可行性。并对不同研究者建立的种子颗粒模型进行了分析比较,结果可知,本文建立的种子颗粒模型更满足试验要求;④研究了在玉米种子的不同杨氏模量下,多接触点问题对多球方法建立的种子模型的动态行为和静态行为的影响。结果表明:虽然多接触点问题对单个颗粒的运动会产生较显著的影响,但对于颗粒的群体行为,当接触点数少于一定值,多接触点问题不会对颗粒群体的群体行为有显著影响。而当接触点数超过一定值,多接触点问题不仅对颗粒群体的动态行为有显著影响,还会对颗粒群体的静态行为产生较大影响。(3)对土壤颗粒间、土壤颗粒与种子颗粒间以及土壤颗粒与边界间的参数进行了标定,结论如下:①对三个含水率下土壤与种子、土壤与边界法向接触时的最大粘附力进行了分析,证明了种子与土壤间、边界与土壤间的粘附作用对接触碰撞有显著影响。因此,采用爱丁堡模型(EEPA)计算土壤颗粒与种子颗粒间以及土壤颗粒与边界间的接触作用力。②通过Plackett-Burman试验对EEPA模型中的输入参数进行显著性研究,结果表明:土壤颗粒间的静摩擦系数、滚动摩擦系数以及表面能对休止角试验有极显著影响,碰撞恢复系数对休止角试验有显著影响,;玉米种子与土壤颗粒间的静摩擦系数与表面能对休止角试验有极显著影响,接触塑性比对休止角试验有显著影响;土壤颗粒与边界间的静摩擦系数对滑落试验有极显著影响,土壤颗粒与边界间的表面能对滑落试验有显著影响。并通过中心组合试验对土壤颗粒间、土壤颗粒与种子颗粒间以及土壤颗粒与边界间的参数进行了优化,得到了最优参数组合。(4)对投种过程玉米种子触土后的弹跳位移进行了研究,结论如下:①采用单因素试验对影响玉米种子触土后弹跳位移的因素进行了研究,结果表明:影响种子颗粒触土弹跳的显著因素为种子颗粒的法向相对速度、土壤的含水率、种子颗粒的切向相对速度以及土壤的坡度。②通过正交设计方法对影响种子颗粒触土弹跳的显著因素进行了研究,得到了使种子颗粒触土弹跳最小的各因素水平组合:种子颗粒的法向相对速度为1m/s,土壤含水率为20%或25%,种子颗粒的切向相对速度为0.5m/s,土壤坡度为10度。通过实际玉米种子的投种过程对优化得到的结果进行了验证。(5)采用离散元法(DEM)与多刚体动力学(MBD)的耦合计算方法,对播种单体的覆土镇压过程进行了仿真分析。相关结论如下。①研究了播种单体的前进速度对开沟器的开沟情况的影响,结果表明:随着播种单体前进速度的增大,种沟坡度随之减小。②通过仿真分析了在播种单体不同前进速度下,覆土镇压前后种子颗粒的位置变化(纵向、横向、播深方向),结果表明:随着播种单体覆土速度的增大,各形状的种子颗粒在纵向的位移显著增大,而种子颗粒在横向和播深方向的位移随单体前进速度的增大而减小;随着播种单体镇压速度的增大,各形状的种子颗粒在纵向和横向的位移逐渐增大,各形状的种子颗粒在播深方向的位移减小。③随着作业速度的增大,播种均匀性降低。
