摘要：本研究设计一台双镇压辊结构花生播种单体，并采用基于DEM-MBD耦合的方法建立了几组作业过程的仿真动力学模型。通过参数化方法选用合理的力学模型。获取仿真所需参数和设置仿真参数等一系列操作完成了耦合模型的建立。研究表明，基于DEM-MBD耦合的方法为花生播种单体作业性能评价和机具设计提供了一种新研究方法。
关键词：花生播种，离散元，多体动力学，耦合仿真
一、研究背景及目的
花生，原名落花生，是我国产量丰富、食用广泛的一种坚果，也是世界上最主要的经济作物与油料作物之一。我国的花生种植面积非常广泛，由图1可以看出全国各地基本均有种植地区。但由于近年来气候变化等自然和人为原因导致花生产量锐减。因此，我们在人为原因造成的花生减产方面进行控制。如图2所示为2023年某教授团队研究了一款2BMF-48花生覆膜播种机，这是国内目前较为先进的花生播种机。该款花生播种机适用于有覆膜要求的花生播种方法，能一次性完成花生的播种及覆膜过程。但是，目前花生播种单体起垄质量大多都是能够满足现在生产要求，但是效果不理想。为了研究提高花生播种单体起垄质量，本研究采用DEM-MBD耦合的方法设计花生播种单体，并对其进行验证，确保其准确性。
二、建模过程
本研究设计的机具主要由施肥开沟器、圆盘回填器、起垄铲、牵引装置、肥箱、变速箱、种箱、排种器、传动装置、主机架、及镇压装置等组成，如图3所示。
接触的土壤部分选用Hertz-JKR模型，土壤颗粒模型分为1球、3球、3球，如图4所示。土槽模型的长宽高分别为4000mm、1200mm、300mm，如图5所示。
花生品种挑选“豫花22”，随机挑选1000粒，想对花生进行建模，需要先对实际的花生种子其进行分类、三轴尺寸测量，如表1与表2所示，根据数理统计结果建立花生模型，如图6所示。
在建立花生模型时，需要对其进行参数的标定，本研究测定的参数有泊松比、摩擦系数、碰撞恢复系数，如图7所示。参数标定结果如表3、表4、表5所示。
种子模型建立完成之后，需要进行验证。采用堆积实验，按照比例放入花生种子，最终测得实际堆积角29.3°，仿真堆积角为28.9°，验证了花生种子模型的准确性，如图8所示。
三、试验工况设计及试验结果
进行DEM-MBD耦合试验时，离散元的参数设置如表6所示，RecurDyn中的建立的约束关系如图9所示。
仿真分析结果如图10所示，垄高149.04mm，垄面宽259.2mm，垄底宽为751.68mm，当地要求花生种植垄高一般在100mm-200mm之间，垄面底部宽度在500-600mm之间，垄底宽度在700mm-1000mm之间，垄高和垄底均满足当地种植要求。
研究发现设计的花生播种单体的前镇压辊在运动过程中应力集中在轴承处如图11所示，制造时应加强对此处刚度的控制，降低机器故障率。
整机和排种器的运动曲线如图12、13所示，机器在运动过程中并未出现较大的突变，证明设计研究的样机在运动过程中十分的稳定。
四、结论
本文通过DEM-MBD的方法对设计研究的样机进行分析，最终确定样机符合实际生产要求，仿真的结果和实测数据相符，也进一步验证了建立模型的准确性。采用DEM-MBD的方法极大地减少了制造时间和成本，可以发现所设计的机器前期不足的地方，提高了花生播种机的工作效率与强度，提高产能，减少故障率。
作者：范靖
