旱地全膜雙壟溝播直插式玉米播種裝置的仿真優(yōu)化

郭笑歡，石林榕，趙武云，戴 飛，王久鑫，趙瑞營

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 甘肅 730070)

旱地全膜雙壟溝播直插式玉米播種裝置的仿真優(yōu)化

郭笑歡，石林榕，趙武云，戴 飛，王久鑫，趙瑞營

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 甘肅 730070)

針對膜上播種需求，設(shè)計了一種新型曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動平行四桿機(jī)構(gòu)直插式播種裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)播種時成穴器“零速”播種，不易挑膜、撕膜。以成穴器相對于機(jī)架x方向的速度差v、排種管入出土后水平位移差s為優(yōu)化目標(biāo)，在Solidworks Motion中進(jìn)行了該裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真。得到結(jié)果為：當(dāng)以0.5 m·s-1為前進(jìn)速度時，曲柄Ⅱ長度69 mm、連桿長度167 mm、曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速100 r·min-1的播種裝置能得到較好的直插播種性能。

直插式；玉米播種裝置；仿真優(yōu)化

近年來，甘肅省旱地玉米全膜雙壟溝播模式得到有效推廣，經(jīng)濟(jì)效益明顯[1-4]，對具有增溫、保墑、促熟和增產(chǎn)效果顯著的地膜覆蓋技術(shù)的推廣起到了積極作用[5]。對應(yīng)機(jī)具的研究也較多，但目前，甘肅省玉米全膜雙壟溝播種植的播種環(huán)節(jié)中配套機(jī)具的研發(fā)較少?，F(xiàn)有的玉米點(diǎn)播器和手推式玉米穴播機(jī)勞動強(qiáng)度大生產(chǎn)效率低；傳統(tǒng)的滾輪式穴播器受余擺線的影響撕膜、挑膜現(xiàn)象嚴(yán)重[6-11]。趙建托等研究的直插式播種裝置，撕膜、挑膜現(xiàn)象減少，但穴播桿水平位移不精確；趙武云等設(shè)計研制了直插式精量穴播機(jī)，播種精度高，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；李星瑞等對雙面凸輪的研究，穴播桿水平位移精確，但雙面凸輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高；其余相關(guān)研究未見詳細(xì)報道[6-8，12]。

為此設(shè)計了一種新型直插式玉米播種裝置。該裝置以曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動平行四桿機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，有較高的精度，能實現(xiàn)播種時成穴器的“零速”直插播種，可改善播種作業(yè)過程中成穴器撕膜、挑膜的問題，滿足了旱地玉米全膜雙壟溝農(nóng)藝技術(shù)要求[13]。本文通過Solidworks三維造型軟件設(shè)計了一種直插式玉米播種裝置，并通過自帶的Motion插件，以播種時水平位移差為指標(biāo)，對該裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真，得到了最佳工作組合參數(shù)。在ADAMS虛擬樣機(jī)軟件中對在最優(yōu)工作組合參數(shù)的條件下的直插式玉米播種裝置進(jìn)行了指標(biāo)驗證。

1 裝置機(jī)構(gòu)和工作原理

1.1 裝置機(jī)構(gòu)

直插式玉米播種裝置由電機(jī)、彈簧張緊輪、傳動鏈Ⅰ、曲柄Ⅰ、桿身、水平桿、從動桿、入土成穴桿、頂桿、連桿、曲柄Ⅱ和傳動鏈Ⅱ組成。曲柄Ⅰ、入土成穴桿、從動桿和桿身通過鉸接形成平行四連桿機(jī)構(gòu)，桿身與機(jī)架水平方向平動連接。電機(jī)通過傳動鏈Ⅰ與平行四桿機(jī)構(gòu)的曲柄Ⅰ相連，傳動鏈Ⅰ上設(shè)置了彈簧張緊輪，電機(jī)通過傳動鏈Ⅱ與固定在機(jī)架上的曲柄Ⅱ中心連接，頂桿與水平方向平行，一端通過連桿與曲柄Ⅱ連接，另一端通過鉸接與平行四桿機(jī)構(gòu)桿身連接，中間與機(jī)架水平方向平動連接。直插式玉米播種裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.2 工作原理

曲柄Ⅰ在電機(jī)驅(qū)動下作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動入土成穴桿和從動桿回轉(zhuǎn)，曲柄Ⅱ在電機(jī)驅(qū)動下，帶動頂桿推動整個平行四桿機(jī)構(gòu)水平移動，兩路運(yùn)動并聯(lián)驅(qū)動入土成穴桿在前進(jìn)方向“零速”播種。曲柄Ⅰ回轉(zhuǎn)一周，入土成穴桿也回轉(zhuǎn)一周，同時，曲柄Ⅱ帶動頂桿推動整個平行四桿機(jī)構(gòu)水平移動，兩路運(yùn)動并聯(lián)驅(qū)動入土成穴桿在前進(jìn)方向完成一次“零速”播種過程。整機(jī)運(yùn)動過程中,入土成穴桿始終與地面保持垂直。在入土成穴桿上端設(shè)置排種器，排出的種子通過導(dǎo)種管落入成穴桿下端部內(nèi)腔中，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的播深時入土成穴桿下端強(qiáng)制開啟，使處于內(nèi)腔里的種子在重力作用下落入穴孔中。

1.電機(jī)；2.彈簧張緊輪；3.傳動鏈Ⅰ；4.曲柄Ⅰ；5.桿身；6.水平桿；7.從動桿；8. 入土成穴桿；9.頂桿；10.連桿；11.曲柄Ⅱ；12.傳動鏈Ⅱ

1.Power-driven; 2.Spring tensioner; 3.Drive chain I; 4.Crank I; 5.Rod; 6.Horizontal rod; 7.Driven rod; 8.The soil plug rod; 9.Push rod; 10.Connecting rod; 11.CrankⅡ; 12.Drive chainⅡ

圖1 直插式玉米精量播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure diagram of direct insert precision seeder of corn

2 仿真優(yōu)化

2.1 仿真模型的建立

在Solidworks中設(shè)計并建立直插式播種裝置的簡化三維模型，在裝配體中為各零件添加相應(yīng)約束。新建一個運(yùn)動算例，在Solidworks Motion 中為曲柄Ⅰ和曲柄Ⅱ添加同方向的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，為直插式播種裝置添加水平方向的線性馬達(dá)，開始仿真分析。直插式播種裝置的簡化仿真模型如圖2所示。

圖2 直插式播種裝置仿真模型

Fig.2 Simulated model of direct-insert planting device

2.2 仿真分析

設(shè)定整機(jī)的前進(jìn)速度為0.5 m·s-1，入土成穴桿初始長為494 mm，桿身初始長為247 mm，曲柄Ⅰ初始長為127 mm，曲柄Ⅰ轉(zhuǎn)速w1與曲柄Ⅱ轉(zhuǎn)速w2相等。以曲柄Ⅱ長度l1、連桿長度l2及曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速w為仿真對象，以成穴器相對于機(jī)架x方向的瞬時速度差v、排種管入出土的水平位移s為目標(biāo)進(jìn)行仿真。成穴器相對于機(jī)架前進(jìn)方向的瞬時速度差越小，越容易實現(xiàn)“零速”直插播種，排種管入出土的水平位移差越小，精確度高，越不容易撕膜、挑膜[14]。直插式播種裝置仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1仿真試驗結(jié)果可得直插式播種裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合為：當(dāng)曲柄Ⅱ長度為69 mm，連桿長度為167 mm和曲柄轉(zhuǎn)速為100 r·min-1時，成穴器相對于機(jī)架前進(jìn)方向的瞬時速度差為5 mm·s-1，排種管入出土的水平位移為6 mm，在這組工作參數(shù)組合下，成穴器相對于機(jī)架前進(jìn)方向的瞬時速度差小，容易實現(xiàn)“零速”直插播種；排種管入、出土的水平位移差小，精度高，不容易撕膜、挑膜。最優(yōu)工作參數(shù)組合的鴨嘴運(yùn)動軌跡如圖3所示。

由圖3可知，最優(yōu)工作參數(shù)組合的鴨嘴運(yùn)動軌跡出現(xiàn)了適量余擺線，但余擺線水平位移量很小，不足以引起撕膜、挑膜，因此該工作參數(shù)組合下可實現(xiàn)“零速”直插播種。在最優(yōu)工作參數(shù)組合下，仿真得到成穴器在x方向的瞬時速度，及x、y方向的位移，如圖4所示。

表1 直插式播種裝置仿真數(shù)據(jù)

圖3 最優(yōu)工作參數(shù)組合的鴨嘴運(yùn)動軌跡

Fig.3 The trajectory of the optimal operational parameter of duckbill

以第一個周期為例，播深要求為25 mm，測得最低點(diǎn)的y軸坐標(biāo)為-90 mm,取y軸坐標(biāo)為-65 mm來研究其瞬時時間，第一次到達(dá)-65 mm的時間是0.07 s，第二次到達(dá)-65 mm的時間是0.23 s。在0.07 s與0.23 s時，測得成穴器相對與機(jī)架前進(jìn)方向的瞬時速度差為5 mm·s-1，表明投種時實現(xiàn)“零速”直插播種；在時間為0.07 s時，x軸的位移坐標(biāo)是35 mm，在時間為0.23 s時，x軸的位移坐標(biāo)是41 mm，可得出成穴器相對地面滑行了6 mm，表明水平位移量很小，精確度高，不易撕膜、挑膜。

3 驗 證

將在Solidworks中建立的直插式播種裝置的簡化三維模型導(dǎo)入ADAMS中。為曲柄Ⅰ與桿身、桿身與從動桿、從動桿與入土成穴桿、入土成穴桿與曲柄Ⅰ、電機(jī)與曲柄Ⅱ、曲柄Ⅱ與連桿、連桿與頂桿之間添加轉(zhuǎn)動副，為頂桿與機(jī)架之間添加移動副，為頂桿與從動桿之間添加固定副。施加Rotational Motion驅(qū)動曲柄Ⅰ、曲柄Ⅱ同方向轉(zhuǎn)動，施加Translational Motion 驅(qū)動直插式播種裝置水平運(yùn)動。在入土成穴桿下端點(diǎn)運(yùn)用創(chuàng)建軌跡曲線功能，得到鴨嘴的運(yùn)動軌跡仿真圖如圖5。

圖4 成穴器x方向的瞬時速度，x、y方向的位移圖

Fig.4 The instantaneous velocity of the hole forming device of x axis, and the displacement of x、y axis

圖5 鴨嘴的運(yùn)動軌跡仿真圖

Fig.5 Simulated diagram of trajectory of duckbill device

在仿真過程中得到成穴器在y方向的位移圖，x方向的位移圖及x方向的瞬時速度圖。分別如圖6，圖7，圖8所示。

圖6 成穴器在y方向的位移圖

Fig.6 The displacement of the hole forming device of y axis

圖7 成穴器在x方向的位移圖

Fig.7 The displacement of the hole forming device of x axis

圖8 成穴器在x方向的瞬時速度圖

Fig.8 The instantaneous velocity of the hole forming device of x axis

由圖6可測得兩次到達(dá)播深為25 mm的時間分別為0.38 s和0.54 s。由圖7得當(dāng)時間為0.38 s和0.54 s時，x方向的水平位移分別為-554 mm和-548 mm，得出成穴器相對地面滑行了6 mm；由圖8測得x方向成穴器相對與機(jī)架前進(jìn)方向的瞬時速度差為5 mm·s-1。與在Solidworks中得到的結(jié)論相同。表明當(dāng)以0.5 m·s-1為前進(jìn)速度，曲柄Ⅱ長度69 mm、連桿長度167 mm、曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速100 r·min-1的工作參數(shù)組合為最佳工作參數(shù)組合。表明該參數(shù)組合下可實現(xiàn)“零速”直插播種，精確度高，不易撕膜、挑膜，為直插式播種機(jī)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

設(shè)計了一種新型曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動平行四桿機(jī)構(gòu)直插式播種裝置，以成穴器相對于機(jī)架x方向的瞬時速度差v、排種管入出土后水平位移差s為優(yōu)化目標(biāo)，在Solidworks Motion中進(jìn)行了該直插式播種裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真。得到最佳工作組合參數(shù)為：當(dāng)以0.5 m·s-1為前進(jìn)速度時，曲柄Ⅱ長度69 mm、連桿長度167 mm、曲柄機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速100 r·min-1的播種裝置能實現(xiàn)“零速”直插播種。與優(yōu)化前相比，余擺線不明顯，水平位移量減小，不足以引起撕膜、挑膜，滿足直插播種性能要求。

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Optimization of simulation of direct-insert corn planting furrow seeder for whole plastic-film mulching on double ridges in dry land

GUO Xiao-huan, SHI Lin-rong, ZHAO Wu-yun, DAI Fei, WANG Jiu-xin, ZHAO Rui-ying

(CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730030,China)

To meet the demand of seeding on film, a new type of direct-eeding device, with a parallel four-bar mechanism driven by crank slider mechanism, was designed. Due to its simple structure and high precision, the device could achieve “zero speed” sowing of hole-forming device. Aiming at the optimization of the speed differencevof the hole forming device with respect to thexdirection of the frame, and the horizontal displacement differencesbetween buried and the pipe line, the structure of the device was optimized in Solidworks Motion. It was found that when using 0.5 m·s-1as the forward speed, the length of the crank II and the length of connecting rod were 69 mm and 167 mm respectively, and the speed of crank was 100 r·min-1. Thus the optimal direct seeding performance could be achieved.

direct insert; furrow seeder of corn; simulation optimization

1000-7601(2017)02-0278-04

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.44

2015-12-16基金項目：甘肅省科技重大專項計劃資助項目(143NKDF016)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51405086)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B01)

郭笑歡(1991—)，女，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究。 E-mail:270407626@qq.com。

趙武云(1966—)，男，甘肅蘭州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)工程技術(shù)與裝備研究。 E-mail：zhaowy@gsau.edu.cn。

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