MBD-DEM磁耦合建模方法以及对磁针式种子计量装置的机理分析

《Computers and Electronics in Agriculture》：The MBD-DEM magnetic coupling modeling method and mechanism analysis of the magnetic pointer-type seed metering device

　　

• •
  开发了一种用于大豆的磁力高速精密播种装置。
• •
  一种结合磁力积分的新MBD-DEM耦合方法。
• •
  实现了更加稳定和高效的大豆种子机械播种。

引言

大豆作为全球主要的油料作物和粮食作物，在保障国家粮食和石油安全以及提高农民收入和产量方面发挥着关键作用（Wu等人，2023年）。近年来，中国的大豆种植面积达到了10,325千公顷。随着大豆产业的发展以及对播种质量和效率要求的提高，更加高效和精确的生产方法成为重点。这一趋势对播种设备的运行速度、性能和稳定性提出了更高的要求。因此，开发稳定、高效和精密的大豆播种设备变得越来越迫切。

作为播种机的核心部件，种子计量装置的性能直接决定了播种质量。根据其工作原理，种子计量装置主要分为两类：气动式和机械式（Li等人，2023a；Zhao等人，2024年）。气动式种子计量装置依靠气流来控制种子运动，有效防止了高速运行时因过大的离心力而导致的性能不稳定。它们的工作性能能够满足高速精密播种的要求（Gao等人，2023年；Han等人，2018年）。然而，由于其结构相对复杂、能耗较高和成本较大，其在大豆生产中的大规模应用受到限制（Wang等人，2021年；Wang等人，2024b年）。相比之下，机械式种子计量装置结构简单、能耗低、成本较低，因此在大豆生产中得到了广泛应用（Dong等人，2024年）。然而，随着运行速度的增加，其种子排出性能显著下降，不适合高速精密播种（Dong等人，2022年；Dun等人，2024年）。为了解决这个问题，研究人员从不同角度探索了多种方法来提高机械式种子计量装置的高速运行性能。提出了各种方法，例如优化种子孔的形状（Dun等人，2022年；Hou等人，2020年）、增加种子填充机构（Huang等人，2022年）以及改进种子捕捉结构以提高种子适应性（Chen等人，2017年；Chen等人，2017年；Li等人，2018年）。结构优化在一定程度上改善了高速运行下的播种性能。然而，这种方法无法根本解决由高速运动本身引起的种子混乱问题。为了解决这个问题，研究人员尝试通过将种子排出盘的设计从单排改为双排来降低旋转速度，从而提高了种子计量装置的稳定性（Li等人，2024年）。虽然这种方法有效降低了旋转速度，但排数不能无限增加以适应更高的运行速度。在高速度运行下，旋转速度的增加加速了关键机械驱动部件（如凸轮和弹簧）的磨损，从而降低了种子计量装置的可靠性。磁力传动可以有效避免关键部件的磨损，被认为是传统机械传动的替代方案之一（Naa，2019年）。然而，磁力传动系统需要很高的控制精度和系统兼容性，这限制了其在种子计量装置中的应用。因此，进一步研究磁力传动技术在种子计量装置中的应用，以实现高速条件下的精密播种，已成为一个重要的技术挑战。

在种子计量装置的设计和开发过程中，通过物理测试很难准确获得力、速度和位移等关键参数。这些参数对于种子计量系统的有效设计和优化至关重要（Zhang等人，2020年；Horabik等人，2020年；Sun等人，2022年）。数值模拟技术为这一挑战提供了有效的解决方案（Yu等人，2020年；Wang等人，2021年；Yang等人，2024年）。因此，研究人员越来越多地采用仿真软件来模拟种子计量装置的工作过程。常用的仿真方法包括离散元法（DEM）仿真（Gao等人，2021年；Jia等人，2024年）、计算流体动力学-离散元法（CFD-DEM）耦合仿真（Li等人，2024a；Li等人，2024b；Wang等人，2024a；Wang等人，2023年）以及多体动力学-离散元法（MBD-DEM）耦合仿真（Wu等人，2024年；Zhang等人，2024年；Liao等人，2023年；He等人，2025年）。这些方法主要用于模拟机械式种子计量装置，以及气动系统、柔性种子排出机构和种子颗粒与种子排出系统之间的相互作用。由于缺乏适用于磁力和种子计量装置的耦合仿真方法，探索适合磁力-机械相互作用的仿真方法成为新的挑战。

本研究旨在提高大豆种子计量装置的高速播种性能和运行稳定性，以满足高速精密播种的要求。第2节（方法）介绍了本研究的主要贡献：设计了一种低功耗的磁指针型大豆高速精密播种装置，并提出了一种等效的Adams-EDEM耦合方法来描述磁力与种子计量装置之间的相互作用。通过Adams-EDEM耦合仿真和种子计量性能测试，研究了种子计量性能。第3节分析了实验结果，包括漏播和重复播种的原因，并报告了种子排出盘关键参数的优化和验证。本研究为高速精密大豆种子计量装置的设计以及此类系统中的磁力仿真提供了参考。

章节摘录

种子计量装置结构

图1展示了磁指针型高速精密种子计量装置的整体结构。该装置主要由种子排出盘、固定磁铁板、指针板、固定磁铁、两个磁铁连接器、移动磁铁和指针组成。种子排出盘两侧交错分布着34个成形孔，这些孔的倾斜表面形成了种子导向槽。

磁感应仿真测试结果

图11显示了固定磁铁的磁通密度分布。可以观察到，随着永磁体的磁通密度从150毫特斯拉增加到270毫特斯拉，整体磁通密度呈大致线性增长趋势。在150毫特斯拉时，最大磁通密度为2.2824×10?1毫特斯拉，最小为2.4709×10??毫特斯拉。在270毫特斯拉时，最大值增加到4.6490×10?1毫特斯拉，最小值为2.7006×10??毫特斯拉。整体分布模式显示...

结论

（1）设计了一种低能耗的磁指针型大豆高速精密播种装置，在高速运行过程中实现了稳定的种子分离和保持。与气动播种机相比，该装置结构更简单，效率更高；与机械播种机相比，它提供了更好的高速播种性能。这种种子计量装置克服了高速播种时种子稳定性方面的瓶颈。使用单因素台架测试进行了验证...

CRediT作者贡献声明

Wenxue Dong：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法学，数据分析。Xuan zhao：验证，正式分析。Fei Liu：监督，项目管理，资金获取。Hengtong Hu：验证，方法学。Hongbin Bai：资源协调，概念构思。Dezheng Xuan：数据分析。Anbin Zhang：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（32060418）、内蒙古自治区科学技术计划项目（2023YFHH0012）和中央指导的地方科学技术发展资助项目（2024ZY0052）的支持。

Wenxue Dong|Xuan zhao|Fei Liu|Hengtong Hu|Hongbin Bai|Dezheng Xuan|Anbin Zhang