农业机械学报第51卷增刊2 2020年12月
doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2020.S2.006
基于EDEM的玉米精播高位投种着床位置影响因素研究 颜丙新1武广伟1付卫强1高娜娜1孟志军1朱鹏2
(1.北京农业智能装备技术研究中心，北京100097；2.山东大华机械有限公司，济宁272000)
摘要：玉米精量播种机多采用高位投种，种子着床过程弹跳移位，粒距一致性变差的问题突岀。为了探明高位投种着床位置影响因素，利用三维激光绝对臂测量机，扫描真实种沟外形，通过逆向建模方法构建种沟三维数字模型，采用正向测量和逆向验证组合标定种子与土壤接触参数：滚动摩擦因数0.22，滑动摩擦因数0.727，碰撞恢复系数 0.16。基于标定参数的仿真试验与真实试验相比，着床种子与导种管岀口距离误差为4.7%，仿真种子着床过程与
真实过程接近。以播种作业速度、粒距和投种角为因素，以种子着床点与第1落点的纵向偏移量为指标，基于种沟三维数字模型，开展单因素仿真试验和两因素四水平仿真试验，单因素试验结果表明：高位投 种过程中，粒距对种子纵向偏移量影响不显著(P>0.05)，投种角和作业速度对种子纵向偏移量有显著影响(P<0.01)；两因素四水平试验表明：相同投种角条件下，纵向偏移量随着作业速度的增大而增大；相同作业速度条件下，纵向偏移量随投种角的增大而增大；着床时种子与种床的纵向速度(种子速度沿作业方向的分量)与纵向偏移量呈线性相关关系，作业速度和投种角通过影响种子与种床的纵向速度影响种子着床分布。田间试验表明：随纵向速度增加，粒距合格指数先增大后减小，变异系数先减小后增加；粒距合格指数最大值岀现在纵向速度为0.14m/s时，粒距变异系数最小值岀现在纵向速度-0.18m/s时，说明纵向速度越接近零，播种效果越好，进一步验证了仿真试验结论。
关键词：玉米精量播种；高位投种；着床分布；种沟数字模型；EDEM仿真
中图分类号：S223.2+3文献标识码：A文章编号：1000-1298(2020)S24047鄄08
Influencing Factors of Corn Implantation Distribution for High-height
Planting Based on EDEM
YAN Bingxin1WU Guangwei1FU Weiqiang1GAO Nana1MENG Zhijun1ZHU Peng2
(1.Beijing Research Center f Intelligent Equipment for Agriculture,Beijing100097,China
2.Shandong Dahua Machinery Co.,Ltd.,Jining272000,China)
Abstract:Seed-meter is high-height installed by many precision planters.Seeds go through tube and get
a high speed before implantation in those planters.Shift caused by a collision in high speed leads to bad
uniformity of seed distance.To explore the law of seed implantation distribution based on high-height planting，an absolute arm with three-dimensional(3D)laser was used to scan the soil surface profile of seed furrow，a3D digital model of seed furrow was constructed，contact parameters between seeds and soil were calibrated.Coefficient of rolling friction，coefficient of sliding friction and collision recovery coefficient were0.22，0.727and0.16，respectively.Compared with the real test results，the distance error between implanted seed and outlet of seed tube by simulation was4.7%.Operating speed，spacing in the rows and seed throwing angle were taken into account.Longitudinal offset of seed implantation point and the first landing point were taken as the indexes.A single factor test and a2伊4full factor test were carried out.Single-factor test results showed that spacing in the row had no significant effect on longitudinal offset(P>0.05),while seed throwing angle and operation speed had significant effect on the longitudinal offset of seeds(P<0.01).Full factor test result indicated that longitudinal offset was increased with the increase of operation speed under same seed throwing an
gle;longitudinal offset was increased with the increase of seed throwing angle under the condition of same operating speed.There 收稿日期：20200730修回日期：20200916
基金项目：山东省重大科技创新工程项目(2019JZZY010732)和现代农业产业技术体系专项(CARS02)
作者简介：颜丙新(1988—)，男，博士后，主要从事农业装备及其智能化研究，E-mail：***************
通信作者：孟志军(1975—)，男，研究员，主要从事农业装备及其智能化研究，E-mail：
48农业机械学报2020年
was a linear correlation between longitudinal(along operation direction)velocity and longitudinal offset.
Operation speed and seed throwing angle affected seed implantation distribution by influencing the longitudinal velocity between seed and seedbed.Field trials were conducted,results showed that with the increase of longitudinal velocity，the qualified index of spacing in the row first was increased and then decreased，and the coefficient of variation was firstly decreased and then increased，which fu
rther verified the conclusion of simulation test.
Key words:corn precision planting;high-height planting;implantation distribution;digital model of seed furrow;EDEM simulation
0引言
联合国粮农组织预测2050年全球人口将超过90亿，地球面临着巨大的粮食增产压力［1］，玉米是我国第一大粮食作物，保证玉米产量对于保证我国粮食安全具有重要意义。
稳定一致的粒距能够保证植株田间分布的均匀性，最大限度地减小植株间对土壤水分、养分和光照的竞争从而提高产量，是精密播种的重要目标之一［2-4］o随着排种器作业速度的提高，种子着床过程弹跳移位对粒距一致性的影响越来越大。零速投种能最大限度减小种子着床移位，提高粒距一致性。文献［5］设计了一款电驱式二次投种装置，试验表明，高速作业(10~14km/h)状态下，配备有电驱式二次投种装置的播种行作业效果优于传统导种管［5］o约翰迪尔公司设计了一种毛刷式二次送种装置，来自排种器的种子由毛刷与侧壁夹持，同时毛刷转速随作业速度变化，减小种子着床时竖直方向的速度并实现作业方向的零速投种［6］;Precision Planting公司采用隔断代替毛刷送种，每个隔断承接排种器的单粒种子，隔断式送种带转速随作业速度调整，实现零速投种［7］o但是由于结构复杂，成本较高，不适合我国玉米播种现状。我国目前主要使用的精密播种机多以排种器高位安装与导种管
送种组合为主。探明高位投种着床位置影响因素，对进一步提升种子着床精度，减少着床弹跳，保证粒距一致性具有重要意义。
文献［8］采用光电传感器测定种子着床速度，对种子着床后的弹跳滚动位移进行了初步测量和建模；文献［9］对理想状况下种薯与土壤接触后的弹跳进行了运动学和动力学分析，确定了种薯碰撞过程的运动轨迹方程；文献［10］采用高速摄像机和高分辨率摄像头对水稻种子与斜面碰撞运动规律进行了研究；文献［11］通过种子以已知速度和角度碰撞土壤表面，测量弹跳和滚动产生的位移量，发现碰撞速度越小，相对弹跳移位越小。上述研究为种子着床研究提供了理论根据，但针对高位投种过程种子着床位置影响因素的研究鲜见报道。
为此，本文以探明高位投种过程种子着床位置影响因素为目的，借助三维激光绝对臂测量机扫描土壤种沟表面情况，通过逆向建模方法构建种沟三维数字模型，标定种子与土壤的接触参数，开展基于离散单兀法(E-discrete element method,EDEM)的仿真试验，以种子着床纵向偏移量为指标，研究作业速度、投种角和株距对种子着床位置的影响，并通过田间播种试验，对仿真结果进行验证。
1种沟模型构建
1.1种沟三维数字模型构建
由于土壤的复杂性和多样性，目前没有准确的土壤数字模型。国内外学者往往以特定土壤类型为研究对象，采用Hertz-Mindlin with JKR Cohesion、The Edinburgh Elasto—Plastic Cohesion、Hysteretic spring contact model及liner Cohesion model等模型基于颗粒填充方法构建土壤数字模型［12］o由于实际土壤颗粒绝对尺寸小，而相对尺寸差异大，为减小运算量，降低颗粒数量，仿真时在实际土壤颗粒直径0.02~2mm的基础上放大数十倍甚至上百倍，将仿真颗粒设置为2~10mm不等。在触土部件尺寸与土壤颗粒直径差异较大时，这种土壤颗粒半径的设置对实际仿真效果影响不大，但在种子与土壤的接触过程中，土壤颗粒的放大设置对运动状态的影响较大。而按实际尺寸采用球面填充构建土壤模型，颗粒数量多，运算量大。种子与土壤接触碰撞，受种子外形和种沟土壤轮廓影响较大，受土壤颗粒间作用力的影响较小，故本研究借助三维激光绝对臂测量机扫描土壤种沟表面情况，通过逆向建模方法构建具有实际种沟外形特征的三维数字模型。
礼仪的功能种沟模型构建所需硬件如图1所示，微型土槽土壤取自北京市昌平区小汤山镇国家精准农业研究示范基地，褐土，含水率12%。采用玉米精量播种机常用典型双圆盘开沟器，进行播深3cm的开沟，开沟圆盘直径380m m，夹角15°，聚点高度55°。双圆盘开沟器匀速划过土壤表层后留下种沟。在微型土槽上方放置中间开口的白纸板，开口处为种沟,
增刊2颜丙新等：基于EDEM的玉米精播高位投种着床位置影响因素研究49
选用绝对臂测量机（海克斯康测量技术（青岛）有限公司，RS2型激光探头，扫描速度460000点/s，精度30滋m，最小点间距0.014mm）扫描种沟表面，为了减小扫描点的数量，仅扫描白纸板内的区域，获取种沟点云。对点云进行多边形拟合，曲面构造，最终形成三维种沟实体模型，如图2所示。对模型进行拼接，构建长度为10m的仿真用种沟模型。
■
■3
图1种沟模型构建硬件组成
Fig.1Test devices for seed-bed modelling
1.绝对臂测量机
2.计算机
3.RS2型激光探头
4.微型土槽
5.种沟
何实际种沟（b）扫描种沟（c）种沟表面
图2种沟模型
Fig.2Seed-bed model
1.2玉米种子与土壤参数标定
EDEM已经广泛应用于农业研究，种子、土壤本征参数以及种子与不同物料间的接触参数被广泛研究［13-14］，研究方法成熟且数据完备［15-17］。本研究选用郑单958玉米种子，其本征参数参照文献［18］确定。土壤本征参数参照文献［19］。种子与导种管接触参数参照文献［20］中种子与塑料排种盘接触参数，具体参数见表1。
1.2.1玉米种子与土壤接触参数标定
仿真过程除了需要确定种子、导种管、土壤本征参数（泊松比、密度、剪切模量等），种子与导种管接触参数（碰撞恢复系数、滑动摩擦因数、滚动摩擦因数等）外，还需确定种子与土壤的接触参数。本文采用正向测量和逆向验证结合的方式确定种子与土壤的接触参数。首先实测玉米种子与土壤接触的滚
表1物料参数
供配电系统设计Tab.1Physical parameters
材料泊松比
剪切模量/
MPa
密度/
(g・cm-3玉米种子0.40137 1.197
导种管0.50177 1.180
土壤0.381 1.850
玉米种子与导
滑动摩擦因数0.0931
滚动摩擦因数0.4820
种管接触参数
碰撞恢复系数0.6210
动摩擦因数、滑动摩擦因数和碰撞恢复系数；然后进行真实种子着床分布试验；最后开展仿真试验，以真实试验测定的种子着床分布规律为指标，逆向验证接触参数。
滚动摩擦因数的测定根据能量守恒定律，构建土壤平面，如图3所示，种子从土壤平面A点静止开始纯滚动到达B点满足公式［21］
=0(1)式中m---种子质量,kg
g---重力加速度,m/s2
L---种子在土壤表面滚动的长度,m
兹---土壤表面与水平面夹角，（°）
滋—
标准普尔
—滚动摩擦因数
V---种子离开土壤表面时的速度,m/s
血浆胶体渗透压图3滚动摩擦因数测量原理图
Fig.3Measuring schematic for coefficient of rolling friction 从B点到达C点满足公式
=V v t+1gt2
L=皿
式中V v---种子速度竖直分量,m/s
(2)
V!——种子速度水平分量,m/s
H—种子离开土壤表面位置与落点平面的
高度,m
t—种子离开土壤表面到接触落点平面消耗的时间，s
S—种子从B点到接触落点C的水平距
离,m
整理式（2）
得滚动摩擦因数
50农业机械学报2020年
滋={Lsin兹-S2/[4cos2兹(H-StanO)]}/Leos兹
(3)
滚动摩擦因数测定基于玉米种子纯滚动，玉米
种子外形差异较大，为获取较为准确的测量结果，选
取球度大于0.8的10粒种子进行试验。测量S的
数值，并计算对应滚动摩擦因数,10粒种子平均滚
动摩擦因数为0.22。
滑动摩擦因数仏采用斜面法测定，将种子置于土
壤表面，缓慢增加倾角，直到种子滑动，记录10次倾角
结果，平均值为36.02。，滑动摩擦因数为0.727。
碰撞恢复系数是两物体碰撞后的分离速度与碰
撞前的接近速度的比值，将玉米种子从高度0处静
止释放，自由落体运动与土壤碰撞弹跳，弹起高度为
仏，碰撞恢复系数可表示为
0-”'丿2gh]匹”-0=2gH j=H1(4)
式中C r——碰撞恢复系数
”-----碰撞前种子接近土壤的速度,m/s
”'------碰撞后种子远离土壤的速度,m/s 在距离土壤平面600mm高度释放种子，利用高速相机记录种子下落过程，到种子弹跳恢复到最高点时的高度，记录10粒种子的结果，并计算平均碰撞恢复系数为0.16。
1.2.2仿真参数验证
1. 2.2.1台架试验
如图4a所示排种器米用Precision Planting公司的精量玉米排种器，排种器安装在排种质量检测仪上，由排种质量检测仪风机提供风压，由排种质量检测仪电机提供排种盘转动动力。导种管在排种器正下方排种口处，以投种角40°，距离种床4cm安装。导种管出口处固定有微型土槽。
2-
(a)试验装社(c)种『着床区域分布
图4种子着床分布试验
Fig.4Seed implantation distribution test
1.排种质量检测仪
2.排种器
3.导种管4•微型土槽5.种床
试验材料选取郑单958玉米种子，千粒质量307g o作业速度设置为6km/h，粒距为30cm。进行无种子固定结构的种子自由着床试验。为避免种子间碰撞造成非播种状态的弹跳，每次试验种子数不超过3粒，每组试验累计取20粒种子，用摄像机记录种子静止后的种床状态。以导种管出口为起点，每隔2cm为一个区域长度，统计种子落在不同区域的情况，如图4c所示。
种子着床平均所在区间为5.35，即着床种子与导种管出口平均距离差为10.7cm。
1.2.2.2仿真试验
按实测接触参数开展种子着床静态分布仿真试验，各试验参数与真实试验一致。每次仿真最多产生3粒种子，共记录20粒种子的着床分布。仿真中着床种子与导种管出口平均距离差为11.2cm，与真实试验相比误差为4.7%，该套仿真参数使仿真种子着床过程与真实过程相近。说明仿真建立的种子、种沟模型及对应参数可靠，能基本反映真实种子着床情况。
2着床位置影响因素试验
种子着床位置受作业速度、投种角、播种深度、土壤含水率、土壤紧实度等因素的影响[11]o实际播种作业过程中，由于土壤自身条件复杂多变，不宜控制变量；高位投种作业，播种深度的变化不影响导种管与种床高度差；低位投种过程中，粒距变化对种子着床分布影响显著，高位投种过程中粒距对着床速度的影响不明确，所以本研究选择作业速度V。、投种角琢、粒距n为影响因素开展研究。
根据玉米实际播种状况，选择粒距15、20、25、30cm，作业速度4、6、8、10km/h，投种角30°、40°、50°、60°，进行试验。
仿真模型如图5所示，导种管正上方布置有颗粒工厂，颗粒工厂按落种频率产生种子颗粒，种子颗粒采用球面填充方式建模[21]；投种角琢定义为导种管出口切线与水平面的夹角；导种管距离种床高度以实测德邦大为4行气吸式精密播种机(田间试验选用的机型)为准，取4cm。仿真选用Hertz Mindlin接触模型，仿真瑞利时间步长设置为1.4伊10-5s，保存时间步长设为0.005s。
2.1评价方法
由于种沟限制，种子在幅宽方向的着床位置变异系数低于4%，变化不显著[22]，本研究重点考察沿播种机作业方向的着床位置纵向偏移量。定义种子着床点与第1落点沿作业方向的距离差为纵向偏移量AL，定义种子着床时刻沿作业方向的速度为纵
增刊 2颜丙新等：基于EDEM 的玉米精播高位投种着床位置影响因素研究51
1-----•
图5仿真模型Fig. 5 Simulation model
1.颗粒工厂
2.导种管
3.种子
4.种沟
向速度AV 。
AL = $- X,
(5)
式中X 1------第1落点纵坐标,mm
X z ------着床点纵坐标,mm
以仿真过程中的某粒种子为例，绘制种子速度、 纵向坐标随仿真时间变化曲线，如图6所示。种子
接触种床后，运动状态发生改变(种子弹跳、滚动、
减速等)，造成速度突变，突变后第1个低速点对应
的位置为第1落点位置，着床点为纵向坐标稳定后
的值，着床点和第1落点之间的纵向坐标差即为纵
向偏移量，着床速度沿作业方向的分量即为纵向 速度。
-67()6-6708
-6710
-1-6712
种子速度 狄向坐标一
-6704
-6716
仿真时间人
(b)着床点在第1落点后方
种子速度、纵向坐标随仿真时间变化曲线
图6仿真时间沧
(a)苕床点在第1落点前方
第I 落点
种子速度-]纵向坐标--4910-4912
-4914
-1-4916-4918
-4920-4922
-4924
-4926 H-4928 J-4930.70
Fig. 6 Changing trend of seed velocity/longitudinal
coordinates with simulation time
2.2单因素试验
分别对粒距、作业速度、投种角进行单因素试
验，考察各因素对纵向偏移量是否有影响。不同因
素水平下进行一次仿真，每次仿真提取20粒种子的
试验数据，方差分析结果如表2所示。
表2单因素试验方差分析结果
Tab. 2 ANOVA of single factor experiment
注:“一”表示无显著性差异(P >0.05),“ **冶表示有显著差异(P <0.01) o
因素Sig.相关性
粒距
0. 395—
投种角
0**作业速度
**
粒距对种子纵向偏移量没有显著影响(P >
0. 05)，投种角和作业速度对种子偏移量有显著影
响(P <0.01)。这一结果与低位投种不同，低位投 种时，纵向速度直接由作业速度、排种盘型孔数和粒
距决定，而高位投种时，种子经过导种管的加速或者
减速，纵向速度被改变，削弱了粒距对纵向偏移量的
影响。
社会主义初级阶段的基本矛盾
2.3两因素四水平试验
为进一步探明投种角和作业速度对纵向偏移量
的影响规律，开展两因素四水平试验。作业过程中
导种管与颗粒工厂沿种沟方向移动，试验安排和仿
真参数设置如表3所示，仿真初始参数包括投种角、
落种频率、初始水平速度和初始垂直速度。落种频 率通过粒距、作业速度之间函数关系确定；初始水平
速度为作业速度；初始垂直速度为种子离开排种盘
的线速度，落种频率F r 和初始垂直速度V v 计算式为
缝隙腐蚀
=2 仔r X 100
V 。3. 6n
(6)
V 。
3. 6nN h
(7)
表3试验安排和仿真参数设置
Tab. 3 Test arrangement and simulation parameters
序号
投种角/作业速度/落种频率/
初始垂直速
(。)(km*h -1)
Hz
度/(m ・s -1 )
130
4 3. 704 1.111
2406
5. 556 1.667
3
5087. 407 2. 222460109. 259 2. 7785
30
6
5. 556 1. 667
6404 3. 704 1.111
7
5010
9. 259 2. 77886087. 407 2. 222930
87. 407 2. 22210
4010
9. 259 2. 77811504 3. 704 1.11112
606 5. 556 1. 667
1330
10
9. 259 2. 77814
4087. 407 2. 22215506
5. 556 1. 667
16
60
4 3. 704
1.111
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