（机械电子工程专业论文）磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 磁吸式精密排种技术是解决蔬菜花卉等小颗粒种子精密播种难题的一种有效 方法。本文针对原电磁铁磁吸式精密排种器体积大、易发热、结构和控制系统复 杂、所用包衣种子磁粉含量高等不足，选用体积小、磁场稳定、控制方便的圆柱 形永磁体为排种元件，设计了一种新型永磁体磁吸板式精密排种器，运用离散元 法仿真分析与物理样机试验研究相结合的方法，开展了如下研究工作： 1 、通过分析磁粉包衣种子在排种过程中的运动、受力情况，建立其力学模型， 找出影响排种器播种精度的主要影响因素。分析得到在充种过程中，永磁体磁场 强度、播种板位置角和种箱移动速度是影响排种器充种性能的主要因素；在携种 过程中，永磁体磁场强度、播种板减速阶段的加速度以及播种板翻转角速度是影 响排种器携种性能的主要因素。 2 、通过对圆柱形永磁体外磁场空间中任一点的磁场强度和梯度计算公式的简 化，得到永磁体轴线上任一点的磁场强度和梯度计算公式。利用公式计算出在磁 场强度不同的永磁体轴线上一系列点处种子所受的磁吸力，拟合出在不同磁场强 度下种子所受磁吸力与气隙高度之间的数学模型，为排种器充种过程的离散元法 仿真提供依据。利用离散元软件e d e m 的二次开发功能开发了颗粒体力插件来将 种子所受磁吸力加载到仿真中。 3 、采用离散元法对排种器充种工作过程进行了仿真研究，得到了种箱移动速 度、永磁体端面磁场强度和充种位置角对排种器充种性能的影响规律以及各因素 最优组合。仿真得出排种器充种性能最优的工作参数组合为充种位置角1 1 0 。、种 箱移动速度0 0 8m s 、永磁体端面磁场强度1 5 0 m t ；在此工作参数下排种器充种精 度最高：单播率为8 9 5 7 、重播率为7 8 6 、漏播率为2 5 7 。 4 、研制了永磁体磁吸板式精密排种器样机一台。采用单因素试验法，以铁粉 含量为1 0 的磁粉包衣种子为试验对象，进行了排种器充种性能和整机性能台架 试验研究。通过排种器充种性能的试验研究，所得试验结果与仿真结果趋势一致， 证明了仿真结果的正确性，以及应用离散元法研究磁吸式精密排种器的可行性。 通过排种器整机性能的试验研究，结果表明排种器在充种位置角为1 1 0 。、种箱移 动速度为0 0 8 m s 、永磁体端面磁场强度为1 5 0 m t 以及翻转角速度为0 5 2 r a d s 的 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 最优工作参数组合时的单播率可达9 0 ，能够满足精密播种的精度和效率要求。 本文通过对磁吸板式精密排种器进行理论分析、仿真分析和试验研究得出了 影响排种器性能的基本规律，为排种器参数的优化提供了理论依据，为磁吸板式 精密排种器实际应用打下了基础。 关键词：精密排种器，磁吸板式，离散元法，e d e m 仿真，颗粒体力的二次开发 h 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a g n e t i cp r e c i s i o ns e e d - m e t e r i n gt e c h n o l o g yi sa ne f f e c t i v ea p p r o a c hf o rs o l v i n g t h es m a l lp a r t i c l es e e d ss u c ha sf l o w e r , v e g e t a b l ea n do t h e rc r o p ss e e d st or e a l i z e p r e c i s i o ns e e d i n g f o re l e c t r o m a g n e t i cm a g n e t i cp r e c i s i o ns e e d m e t e r i n gd e v i c eh a s m o r es h o r t a g es u c ha sb u l k y , e a s yf e v e r , s t r u c t u r ea n dc o n t r o ls y s t e mc o m p l e x ，t h e p e l l e t e ds e e d sh a v eh i g hm a g n e t i cp o w d e rc o n t e n ta n ds oo n ，s e l e c t i n gc y l i n d r i c a l p e r m a n e n tm a g n e tw h i c hh a ss m a l ls i z e ，s t a b i l i t ym a g n e t i cf i e l da n de a s yc o n t r o la s s e e d i n ge l e m e n t ，a n e w t y p e o f p e r m a n e n t - m a g n e tm a g n e t i cp l a t ep r e c i s i o n s e e d m e t e r i n gd e v i c ew a sd e s i g n e di n t h i sp a p e r u s i n gt h ec o m b i n i n gm e t h o d so f d i s c r e t ee l e m e n ts o f t w a r ee d e ms i m u l a t i o na n dp h y s i c a lp r o t o t y p et e s t i n g , t h em a i n r e s e a r c hw o r k sw e r ec a r r i e do u ta sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gt h ef o r c ea n dt h em o v e m e n to fp e l l e t e ds e e di nt h es e e d m e t e r i n g p r o c e s s ，t h em e c h a n i c a lm o d e l sw e r e e s t a b l i s h e dt oi d e n t i f yt h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h ，s e e db o xm o v i n gs p e e da n ds e e d - f i l l i n g p o s i t i o na n g l ew e r et h em a i n f a c t o r st oa f f e c tt h e s e e d f i l l i n gp e r f o r m a n c eo f s e e d m e t e r i n g d e v i c ei nt h e s e e d f i l l i n gp r o c e s s ；t h a tm a g n e t i c f i e l d s t r e n g t h ， a c c e l e r a t i o ni nd e c e l e r a t i o ns t a g ea n df l i pa n g l es p e e do f p l a t ew e r et h em a i nf a c t o r st o a f f e c tt h es e e d - - c a r r y i n gp e r f o r m a n c eo fs e e d - m e t e r i n gd e v i c ei nt h e s e e d - c a r r y i n g p r o c e s s 2 b ys i m p l i f y i n gt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so fm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dg r a d i e n t o fa n yp o i n ti nt h es p a c eo fc y l i n d r i c a lp e r m a n e n tm a g n e t ，t h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so f m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ha n dg r a d i e n to fa n yp o i n to nt h ea x i so fc y l i n d r i c a lp e r m a n e n t m a g n e tw e r eo b t a i n e d u s i n gt h ef o r m u l a st oc a l c u l a t et h em a g n e t i cf o r c eo fp e l l e t e d s e e da tas e r i e sp o i n to nt h ea x i so fc y l i n d r i c a lp e r m a n e n tm a g n e t ，t h em a t h e m a t i c a l m o d e lt h a tr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a g n e t i cf o r c eu n d e rd i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l da n d t h eh e i g h to fa i rg a pw a sf i t t e d ，i tp r o v i d e dab a s i sf o rd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d s i m u l a t i o no fs e e d - f i l l i n gp r o c e s s t h e nap a r t i c l ep h y s i c a lp l u g i nw a sd e v e l o p e dt o a d dt h em a g n e t i c f o r c e ，b yu s i n gt h ea p i f u n c t i o n so ft h ee d e ms o f t w a r e 3 u s i n gd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es i m u l a t i o ns t u d i e so ns e e d - f i l l i n gw o r k i n g p r o c e s so fs e e d - m e t e r i n gd e v i c ew e r em a d e t h ei n f l u e n c er u l e so fs e e d f i l l i n ga c c u r a c y t h a te f f e c t e do nm o v i n gs p e e do fs e e db o x ，m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t ho fp e r m a n e n tm a g n e t i i i 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 a n dp o s i t i o na n g l eo fs e e d f i l l i n gw e r eo b t a i n e d ，m e a n w h i l et h eo p t i m a lc o m b i n a t i o n a n dt h e p r i m a r ys e q u e n c ew e r eg o t f r o mt h es i m u l a t i o n ，t h eo p t i m a lp a r a m e t e r c o m b i n a t i o nw a st h a ts e e d - f i l l i n gp o s i t i o na n g l ew a s1 1 0 。，s e e db o xm o v i n gs p e e dw a s 0 0 8m sa n dm a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hw a s1 5 0 m t , a n dt h es e e d f i l l i n ga c c u r a c yw a st h a t u n i c a s tr a t ew a s8 9 5 7 ，o v e r l a pr a t ew a s7 8 6 a n dm i s sr a t ew a s2 5 7 4 ap e r m a n e n t m a g n e tm a g n e t i cp l a t ep r e c i s i o ns e e d - m e t e r i n gd e v i c ep r o t o t y p i n g w a sd e v e l o p e d u s i n gs i n g l ef a c t o rt e s ta sm e t h o da n dm a g n e t i cp o w d e rp e l l e t e ds e e d s a st e s to b j e c t ，t h et e s tr e s e a r c ha b o u ts e e d - f i l l i n gp e r f o r m a n c ea n dm a c h i n ep e r f o r m a n c e o fs e e d - m e t e r i n gd e v i c ew a s f i n i s h e d b yc o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa b o u ts e e d - f i l l i n gp e r f o r m a n c e ，t h ec o r r e c t n e s so fs i m u l a t i o nr e s u l t s w a sp r o v e d ，a sw e l la st h ef e a s i b i l i t yo fs t u d yo nm a g n e t i cp r e c i s i o ns e e d m e t e r i n g d e v i c eb yt h ea p p l i c a t i o no fd i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d b ys t u d y i n go nm a c h i n e p e r f o r m a n c eo fs e e d m e t e r i n gd e v i c e ，t h eb e s tp a r a m e t e rc o m b i n a t i o nt h a ts e e d f i l l i n g p o s i t i o na n g l ew a s1 1 0 。，s e e db o xm o v i n gs p e e dw a s0 0 8r n s , m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h w a s1 5 0 m ta n d f l i pa n g l es p e e dw a s0 5 2 r a d sw a so b t a i n e d ，a n dt h eu n i c a s tr a t eo ft h e s e e d m e t e r i n g d e v i c ew a su pt o 9 0 ，w h i c hc o u l ds a t i s f y t h es e e d i n gp r e c i s i o n a c c u r a c ya n de f f i c i e n c y i nt h i sp a p e r , t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h e e x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h em a g n e t i cp l a t ep r e c i s i o ns e e d - m e t e r i n gd e v i c e ，t h eb a s i c l a wt h a t a f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft h es e e d m e t e r i n gd e v i c ew a so b t a i n e d ，i t p r o v i d e da t h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h eo p t i m i z a t i o no ft h es e e d m e t e r i n gd e v i c ep a r a m e t e r s a n dl a i daf o u n d a t i o nf o rt h ea c t u a l a p p l i c a t i o no ft h em a g n e t i cp l a t ep r e c i s i o n s e e d m e t e r i n gd e v i c e k e yw o r d s ：p r e c i s i o ns e e d - m e t e r i n gd e v i c e ，m a g n e t i cp l a t e ，d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ， e d e ms i m u l a t i o n ，s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fp a r t i c l eb o d yf o r c e i v 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 我国是一个农业大国，播种是农业生产中的一个重要环节，而播种的质量将 直接影响农作物的产量，因此实现农作物的精密播种显得尤为重要。精密播种是 指按照精确的粒数、间距和播深，将种子播入种沟或种穴中，并覆土，是一种先进 的现代化农作物种植方法【1 1 。它是农业现代化的必经之路，同时也是农业增产丰收 和降低粮食生产成本的重要措施之一。精密排种器是精密播种机的核心部件，精密 排种器的工作性能，直接影响播种机的播种质量和播种精度，因此对精密排种器 的研究显得尤为重要。 当今世界各国都很重视对精密播种技术的研究，发达国家已基本实现大、中 粒作物的精密播种，节本增效显著，但对蔬菜、花卉类等小颗粒农作物的精播技 术还有待于进一步的研究【2 3 】。针对小颗粒精密播种的难题，江苏大学胡建平教授 等提出了磁吸式精密播种理论【4 】，即在小颗粒种子外面包上一层由铁粉、粘合剂、 化肥及其他物质组成的包衣层，利用磁吸力将磁粉包衣种子从种群中精确分离出 来，再借助排种机构实现连续取种和播种，完成对小颗粒种子的精密排种。 在精密排种器的工作过程中，始终存在着种子与种子之间以及种子与排种元 件之间的相互碰撞与摩擦作用，运动学和动力学关系相当复杂【5 1 。离散元法( t h e d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ) 由美国学者c u n d a l l 6 】教授在1 9 7 1 年首先提出，是求解和 分析复杂离散系统的运动规律与力学特性的一种新型数值方法，其基本思想是把 不连续体分离为刚性元素的集合，使各个刚性元素满足运动方程，并使用时步迭 代的方法求解方程，继而求得整体运动形态。应用离散元法来研究排种器复杂地 种群运动，可以大大缩短产品的研发周期，节约研究成本。 本文以油菜的铁粉包衣种子为研究对象，针对现有磁吸式精密排种器充种精 度低，工作效率低的问题，提出了一种新型磁吸板式精密排种器，通过分析磁粉 包衣种子在排种过程中的运动、受力情况，建立其力学模型，找出其主要影响因 素，并采用离散元法对磁吸板式精密排种器充种性能进行仿真研究，为磁吸板式 精密排种器的优化提供依据。 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 1 2 国内外精密播种技术的研究现状 1 2 1国内外精密排种器的研究现状 精密排种器是实现精密播种机械化的核心部件，现今代表世界先进水平的精 密排种器主要分为两大类：机械式和气力式。机械式精密排种器主要有槽轮式、 圆盘式、窝眼轮式、指夹式和型孔带式等【7 ，其优点是结构简单、维护方便、成 本低，缺点是对种子尺寸要求严格，作业速度较低，且容易伤种，常用于中小型 播种机上【埘。气力式精密排种器主要有气吸式、气吹式、气压式等【1 1 1 3 1 ，其优点 是通用性好、适应性强、对种子尺寸要求不严且不伤种，适应高速播种作业，已 广泛应用于大中型精密播种机上【1 4 1 ，缺点是结构复杂，气密性要求较高，吸孔或 吸嘴需根据种子粒型、大小不断更换，且气孔易被杂物堵塞。 国外许多发达国家从2 0 世纪4 0 年代就已经开始研究精密排种器，5 0 年代后 期开始出现气力式精密排种器，至今技术已经相当成熟。a r z u v a z g i 等人通过r s m 方法验证排种盘转速等参数，使气力式精密播种播种间距的均匀性达到最优【1 5 】；p g u a r e l l a 等人运用不同型孔大小的排种盘对蔬菜种子进行了试验，找到了不同型孔 的最适合气压【1 6 】；k a r a y e l 等人利用种子的物理特性建立数学模型，从而决定排种 器的最适宜风压【1 7 】；r c s i n g h 等学者对一种气力式棉花排种器进行了结构优化和 运行参数的优化【1 8 】。 我国精密排种器的开发和研究开始于2 0 世纪7 0 年代初，早期主要是机械式 精密排种器的研制，吉林工业大学李成华的倾斜圆盘勺式排种器【1 9 】，张波屏的纹 盘式和锥盘式小麦精量播种机【加1 ，山东工程学院设备及自动化系的宋景玲等设计 的平板刷式整苗盘排种器【2 1 】等。气力式精密排种器的研制开始于2 0 世纪8 0 年代。 南京农业机械化研究所和江苏大学共同研制的2 q b 3 3 0 型气吸振动式秧苗盘精量 播种机【2 2 1 ，播种合格率为9 0 以上。华南农业大学工程学院的夏红梅等设计研发 的气力板式蔬菜排种器【2 3 】，播种效果好，合格率高。 1 2 2 磁吸式精密排种理论的研究现状 针对不规则的小颗粒经济作物种子的精密播种问题，国内外的学者在播种原 理的研究上，也取得了一定的成果，如日本提出的适合蔬菜的静电播种，英国提 出的液体播种【刎等。磁力排种技术研究始于上世纪9 0 年代初，日本三重大学的伊 2 江苏大学硕士学位论文 腾信孝、鬼顽孝治等人于1 9 9 3 年研制了一种螺管式电磁加速播种器【2 5 删，对小颗 粒花卉种子进行了磁力播种的首次尝试。1 9 9 6 年英国p e t e ra r t h u rc h a r l e sc h o w n 发明了一种手持式磁力播种器【2 7 1 ( 专利号g b 2 2 9 3 7 4 4 a ) ，该播种器通过手动操作 磁性棒的伸缩，来精确吸取和清除磁粉丸粒化种。 2 0 0 4 年以来，江苏大学胡建平等人针对日本空心螺管式电磁播种器磁吸力小、 磁能利用率低的缺点，提出了以电磁铁为排种元件的新型磁吸式排种原理【4 】。在此 基础上，研制了磁吸摆杆式穴盘精密播种器四。同时，开展了磁吸式精密排种理 论及试验研究，利用等效电流原理建立了磁粉丸粒化种子在磁场空间所受磁吸力 的力学计算模型，得出了种子所受磁吸力与磁粉质量、比磁化系数、磁场强度和 磁场梯度成正比的重要结论【2 9 1 。但是此排种器在速度高时惯性大，排种元件吸种 位置不稳定，降低了排种精度，与此同时，由于排种器回程时为空行程，工作效 率较低。 针对摆杆式排种器的不足，李宣秋等人研制了磁吸滚筒式精密排种器刚。郑 赛男等通过磁场有限元分析，优化了排种元件结构及磁系排列结构【3 1 】；刘文东等 采用基于p r o e 和a d a m s 软件的虚拟样机技术对磁吸滚筒式精密排种器排种过程 进行了仿真，得到了种子在排种过程的运动规律和受力变化及滚筒转速、励磁电 流强度和取种位置角对种子排种运动的影响规律【3 2 】。但由于电磁铁产生的磁力有 限，容易造成播种性能不稳定。 针对电磁铁的磁场强度相对较小，长时间使用发热量大，且需要电源和控制 系统，不利于田间作业的缺点，王奇瑞研制了永磁体磁吸式精密排种器p 3 1 。但由 于排种器为单排播种，工作效率低，并且永磁体吸头安装在滚筒内部，不方便安 装和调节。 1 2 3 磁吸板式精密排种器 针对所提到几种磁吸式精密排种器的缺点和不足，本文提出一种新型磁吸板 式精密排种器，其工作原理图如图1 1 所示。 3 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 1 - 翻转轴2 播种板安装架3 导杆4 种箱5 磁粉包衣种子6 永磁体安装板 7 播种板8 永磁体9 顶杆1 0 穴盘支架1 1 穴盘 图1 - 1 磁吸板式精密排种器工作原理图 f i g1 1w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fm a g n e t i cp l a t ep r e c i s i o ns e e d - m e t e r i n gd e v i c e 磁吸板式精密排种器主要包括两个运动：播种板的翻转运动和种箱的往复运 动。播种板的翻转运动是指播种板以翻转轴为转轴作间歇来回摆动，摆动角0 大 于9 0 度，小于1 8 0 度，水平位置为清种位置，左侧位置为充种位置；种箱的往复 运动是种箱在导杆的导向作用下沿着播种板上下往复移动。排种器的工作原理为： 驱动翻转轴使播种板翻转至充种位置并停止，驱动种箱驱动齿轮使种箱在导杆导 向作用下由底端位置向上运动至顶端，而后反向驱动使种箱向下运动。在向下运 动过程中种箱内的磁粉包衣种子在永磁体排种元件作用下被吸附在播种板上，从 而完成充种动作。当种箱到达底端位置并停止时，驱动翻转轴带动播种板摆动至 水平清种位置，同时永磁体安装板被顶杆顶起，此时种子与永磁体端面便会分离， 受到的磁吸力逐步减小，当种子受到的磁吸力小于其重力时便会在重力的作用下 掉入穴盘之中，完成播种动作。最后驱动翻转轴使播种板返回，永磁体安装板在 压簧的作用下回复原位，等待下次充种动作进行，至此完成一个循环。 该排种器结构简单，永磁体按穴盘规格安装在永磁体安装板上，并与种箱所 组成的充种机构配合，与滚筒式播种器相比，播种方式由单排间隙穴播变为整盘 穴播，提高了播种效率；永磁体由安装在滚筒内部变为直接在排种器外部安装， 使得安装方便、调整方便；永磁体所能提供的磁场强度也比较大，安装及清种过 4 江苏大学硕士学位论文 程简单，可以通过改变永磁吸头的伸出长度方便的调节磁吸力的大小，提高了对 不同种子的适应性和排种器的播种性能。 1 2 4 离散元法在农业领域中的应用 近年来，应用高速摄像技术、离散元法等先进技术来研究农业装备的工作性 能受到人们越来越多的重视，其中离散元法首当其冲。目前，离散元法在岩土工 程，结构工程，能源化工，制药，农业，粉体工程加工等领域得到广泛应用 3 年3 5 1 。 离散元法用于农业工程领域的研究始于9 0 年代以后，m a k a n g a 等研究了铲柄 的不同宽深比和倾角对土壤耕作后的宏观失效的影响，并推出来一系列的数学表 达式m 】。t a n a k a 等利用离散元法对金属棒插入土壤的过程进行了仿真，分析了土 壤阻力以及变形情况，得出离散元法能很好的模拟土壤的运动和变形情况，且计 算时步的选取对计算求解的稳定性有一定的影响【3 7 1 。于建群、钱立彬等建立了芯 铧式开沟器和播种施肥开沟器与土壤颗粒的二维离散元法分析模型，采用离散元 法研究开沟器的工作过程及工作阻力，分析不同条件下开沟器的工作阻力【矧。 s h m u l e v i c h 利用离散元软件对四种切土刀的切土过程进行了模拟，模拟结果显示 水平作用力趋势基本相同，垂直作用力差距较大【3 9 1 。 吉林大学于建群教授等开发了基于c a d 边界模型的离散元分析软件，并利用 开发的软件模拟了垂直圆盘型孔轮排种器的排种过程，分析了种子在输种管中的 运动，为研究输种管的设计提供了依据【4 1 1 。申燕芳建立了基于离散元法的大豆 种子的二维圆形与组合椭圆形的计算模型，对组合内窝孔精密排种器的清种过程 进行仿真分析，并将仿真结果、试验结果和采用连续介质力学法得到的结果进行 比较，体现了离散元法的优越性【4 2 】。愈良群和邢继波运用t h o r n t o n 的d e m 球元 模型，模拟研究了筒仓内部压力和物料颗粒速度场，并探讨了颗粒密度和物料密 实度的影响【4 3 1 。杨明芳运用离散元法分别对不同转速下的组合内窝孔式玉米排种 器、型孔轮式排种器和窝眼轮式排种器的充种开始角、充种终止角、种子面倾角 和单粒种子的投种和充种曲线进行了研究。江苏大学的陈进等运用e d e m 软件 对气吸式精密播种机振动种盘中水稻种群运动进行模拟仿真，分析了不同频率、 振幅、种层厚度对种群空间分布密度的影响【4 5 1 。李耀明等根据离散元法的基本思 想，采用线性弹簧阻尼滑动接触力学模型，编写m a t l a b 模拟程序，分析了气吸 振动式精密排种器振动种盘内种群的三维运动规律【矧。江苏大学的邵秀平运用 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 e d e m 的h e r t z m i n d l i n 无滑动接触模型，仿真研究了排种器种箱内种子在种箱不同 振动频率下的供种情况【5 】o 江苏大学的姜国微基于离散元法运用e d e m 软件建立了 谷物籽粒与升运器的离散元模型，完成了谷物籽粒流对承载板碰撞过程的离散元仿 真研究；通过仿真分析了谷物质量与承载板所受的平均法向冲击力的关系m 。 1 3 本文的研究内容和方法 基于磁吸式排种原理，提出了一种新型磁吸板式精密排种器，本文通过对磁 粉包衣种子在排种过程中进行受力分析，建立力学模型，给出影响排种器性能的 主要因素，并使用离散元软件e d e m 对排种器的充种工作过程进行了仿真分析， 最后利用单因素试验法进行了排种器台架实验，具体工作如下： 1 、分析磁粉包衣种子从种箱到穴盘穴孔整个运动过程中的受力情况，建立相 应的力学模型，分析种子排种的磁力条件，找出影响种子排种的主要因素。 2 、确定合适地接触模型，建立准确地几何模型和颗粒模型，确定合适地仿真 时间步长。通过对圆柱形永磁体外磁场空间中任一点的磁场强度和梯度计算公式 的简化，计算出种子在永磁体轴线上的一系列点处的磁吸力，进而拟合出种子所 受磁吸力与气隙高度之间的数学模型；研究在e d e m 中添加磁吸力的方法和条件， 使用a p i 二次开发接口开发一个颗粒体力插件，将磁吸力添加到仿真过程中。 3 、对排种器充种工作过程进行离散元法仿真分析，研究不同的充种位置角、 不同的种箱移动速度和不同的永磁体端面磁场强度对排种器充种精度的影响，以 得到最优的参数组合。 4 、磁吸板式精密排种器性能试验研究。通过对排种器进行充种工作过程性能 和整体工作过程性能的试验研究，找出使排种器排种性能最好的参数组合，并将 充种工作过程试验结果与仿真结果进行对比，得出相应结论。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章排种器充排种过程的力学建模及分析 由磁吸板式精密排种器的工作原理可知，磁粉包衣种子被永磁体排种元件从 种箱中吸取到最后准确的排入穴盘孔中，主要包括三个阶段，即充种阶段、携种 阶段以及清种阶段。1 ) 充种阶段：种箱沿着导轨方向向下移动，种箱内的磁粉包 衣种子紧贴播种板也向下运动，当种子在装有永磁体的地方滑过时，永磁体产生 的磁场将种子吸附在永磁体端面；2 ) 携种阶段：当充种完毕、种箱停止在确定的 位置后，吸附有种子的播种板绕翻转轴翻转至清种位置，在此过程中种子必须能 有效地吸附在播种板上；3 ) 清种阶段：当播种板到达清种位置后，在清种机构的 作用下，永磁吸头远离种子，使种子所受磁场力减小，在重力的作用下完成清种。 下面将对种子的排种过程进行力学建模，分析种子排种的力学条件，找出影响种 子排种的主要因素，为排种器参数优化设计提供理论参考依据。 2 1 充种阶段分析。 在精密排种过程中，影响吸种效果的因素很多，为便于力学建模分析，对单粒 包衣种子进行受力分析，可以将吸排种的力学模型简化为单刚体系统。由于铁粉 油菜包衣种子可近似球形，假设包衣种子的尺寸均匀一致，受到的所有力作用于 质心。 在充种过程中，播种板停止在一个固定的位置上，装有磁粉包衣种子的种箱 沿着播种板方向向下运动。当种箱运动至永磁体排种元件所在区域时，种箱中最 下层的种子最先受到磁吸力，但是由于处于下层的种子受到上层种子的挤压力、 摩擦力等阻力而使此处种子所受合力方向与种箱移动方向相同，所以此时种子不 能被永磁体吸起。但随着种箱继续向下运动，当处于永磁体所在区域的种子是最 上面一层或次上面一层的种子时，种箱中其他种子对其作用力将减小，在磁吸头 具有足够大的磁吸力的情况下，一粒种子会被吸附在永磁体的端面，此时此处永 磁体排种元件就完成了充种过程。 通过仔细分析充种过程，我们可以知道在种箱以一定的切向速度k 向下移动 时，种箱内的种子会受到种箱的限制而与种箱有相同的切向速度。这是因为种箱 以一个恒定的速度运动，而种箱内的种子都是从零开始运动，种子沿着播种板方 7 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 向就存在一个切向加速度g c o s o ，种子就会在很短的时间内到达种箱的运动速度， 之后就会在种箱的限制下而无法继续加速，故种子会保持与种箱相同的切向速度 运动。 如图2 1 所示，在种子从种箱中被吸附到永磁体端面过程中，作用在种子上的 力主要有：永磁体的磁吸力e ，种子自身重力g ，种子受到播种板的支撑力e ， 种子受到播种板的摩擦力，种箱内其他种子对被吸附种子的法向作用力和切 向作用力只以及种子间的内摩擦力；同时种子还受到速度从k 骤减为零时的力 f 。沿着种子与播种板接触的法向和切向建立辅助坐标系，建立动力学平衡方程： 8 l y l g 。1 3 l x 图2 1 充种阶段种子受力分析 f i g 2 1s t r e s sa n a l y s i so fs e e di ns e e d f i l l i n gs t a g e f e = 吒+ 只+ g s 加9 一e = 0 【e = g c o s o + + 疋+ f f l = 0 五= et 肌饩 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 江苏大学硕士学位论文 元= t 趾仍 ( 2 3 ) 护= 属一 ( 2 4 ) 式中： 秒播种板与垂直方向的夹角，r a d 磊播种板充种位置角，r a d 馈种子与播种板的摩擦角，f a d 仍种子间的摩擦角，r a d 把式( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) 代入( 2 - 1 ) 中，得到 巴g c o s 0 + f + p r + p t a n ( 0 2 一g s i n o p n ( 2 5 ) m 一 7 t a n 昭 若忽略种子间的相互作用，则有： v m g c o s o + f g s 伽口= c , c o i s _ ( o + 一一i - 上 ( 2 6 ) t a n 识6 z 疗仍t a n 识 由文献【3 3 】中研究得出的磁吸力公式来计算磁吸力民，即： 毛= 去警曰瓦d y 一一： ( 2 1 ， 式中：心为铁粉的磁化率；2 0 为磁粉含量；五为磁化率与铁粉含量的比例系数丑 与包衣种子体积的影响系数五的乘积，其中五= o 1 4 m 3 k g ；d 为永磁体端面直 径：b 为磁场强度；华为磁场梯度。 把式( 2 7 ) 代入( 2 6 ) 中，得到充种阶段永磁体的磁力条件： 瓦1 了n f f 3 曰面d b 掣+ 击 c 2 8 ， 式( 2 8 ) 表明，在充种阶段，种子能否被吸附与种子的磁化率、磁粉含量、 磁场梯度、种子自重、种子与播种板的摩擦角、播种板的位置角以及种箱移动速 度等因素有关。增大种子与播种板的摩擦角和增大播种板充种位置角可以减小充 种所需的磁吸力；同时，减小种箱移动速度相当于减小了种箱内种子在被吸附时 的初始移动速度，种子所受的力，将减小，那么所需磁吸力也将减小。因此，选 择适当地磁场梯度和播种板材料，增大播种板充种位置角，降低种箱移动速度， 9 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 可以提高充种效果。 2 2 携种阶段分析 种子在充种完成后就被吸附在播种板上，此时主要受到永磁体的磁吸力b 、 自身重力g 、播种板对种子的法向支撑力e 、切向摩擦力石以及播种板在速度下 翻转时种子受到的惯性离心力f o 的作用。由于磁吸板式精密排种器是在水平位置 进行清种的，故携种阶段播种板的运动范围为：0 。 p o 。在整个携种过程中， 播种板的运动主要包括三个阶段：加速阶段、匀速阶段和减速阶段。然而种子在 0 。 9 0 。以及9 0 。 屁两个运动范围里以及在播种板翻转开始之时和停止 之时存在的加速和减速阶段中，种子所受的力是不同的，因此力学建模时需要分 别讨论。 由于种子随播种板做翻转运动，按达朗伯原理，在种子运动的发现方向施加 惯性离心力f o ，则可以将动力学问题转化为静力学问题求解。 f o = 1 1 ( 0 2 ， ( 2 9 ) 式中：m 磁粉包衣种子的质量，k g ，永磁吸头轴线与翻转中心的距离，m 缈播种板的翻转角速度，r a d s 1 、9 0 。 p o 当播种板处于9 0 。 属这个运动范围时，它主要有两个运动状态：加速状 态和匀速状态。加速状态是播种板开始翻转时角速度从静止加速至国的过程；匀 速状态是播种板以角速度国翻转的过程。种子在播种板的这两种不同状态下的受 力情况是不同的，因此进行力学建模时需要分别分析。 加速状态 在播种板加速过程中，被吸附在播种板上的种子不仅受到永磁体的磁吸力l 、 自身重力g 、播种板对种子的法向支撑力e 、切向摩擦力石以及播种板在速度下 翻转时种子受到的惯性离心力磊的作用，而且还受到在加速度为a 的翻转角速度 下的作用力只。种子的受力图如图2 2 所示，按图中辅助坐标系建立动力学平衡方 程。 1 0 江苏大学硕士学位论文 图2 2 播种板加速状态下种子受力分析 f i g2 2s t r e s sa n a l y s i so f s e e di np l a t ea c c e l e r a t e ds t a t e j 三e = 匕+ e + g 锄秒一e = 0 ( 2 - 1 0 ) 【e = g c o s o - 磊+ 五= 0 e = m r ( 2 1 1 ) f o = m q 2 r ( 2 1 2 ) 式中：m 为播种板加速状态任一时刻瞬时角速度；a 为播种板加速状态时的加速 度。 把式( 2 - 2 ) 、( 2 - 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 代入( 2 - 1 0 ) ，得到 e m c o l 2 r - g c o s o g s i n o 历a ( 2 1 3 ) 1 m t a n 仍 “ 一 匀速状态 种子的受力图如图2 3 所示，按图中辅助坐标系建立动力学平衡方程。 磁吸板式精密排种器充排种过程动力学建模与仿真分析 图2 3 播种板匀速状态下种子受力分析 f i g 2 3s t r e s sa n a l y s i so f s e e di np l a t eu n i f o r ms t a t e j e2 己+ 郐切秒e = 0 ( 2 - 1 4 ) 【e = g c o s o f o + 五= 0 把式( 2 - 2 ) 和( 2 9 ) 代入( 2 1 4 ) ，得到 f m c 0 2 r - g c o s o g s i n o ( 2 1 5 ) m 一 一 2 、0 0 9 0 0 当播种板处于9 0 。 属这个运动范围时，它主要有两个运动状态：匀速状 态和减速状态。匀速状态是播种板以角速度国翻转的过程；减速状态是播种板即 将达到水平位置时角速度从国减速至零的过程。种子在播种板的这两种不同状态 下的受力情况是不同的，因此进行力学建模时需要分别分析。 匀速状态 种子的受力图如图2 4 所示，按图中辅助坐标系建立动力学平衡方程。 1 2 江苏大学硕士学位论文 图2 4 播种板匀速状态下种子受力分析 f i g2 4s t r e s sa n a l y s i so f s e e di np l a t eu n i f o r m s t a t e j 三e = 艺一鼢良e = 0 ( 2 - 1 6 ) 【e = g c o s o 晶+ 五= o 把式( 2 2 ) 和( 2 9 ) 代