呂小蓮，胡志超，劉敏基，于向濤，張會(huì)娟

(1 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京210014;2 滁州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 滁州239000)

花生是世界上廣泛栽培的主要油料和經(jīng)濟(jì)作物，中國是世界上主要的花生生產(chǎn)和消費(fèi)國，同時(shí)也是最大的花生出口國，年出口創(chuàng)匯達(dá)6.1 億美元［1-2］.覆膜種植是我國花生生產(chǎn)的一大特色［3］，目前花生地膜覆蓋種植機(jī)械化程度還較低，基本上是采用先播種、后覆膜，出苗前劃膜放苗的農(nóng)藝過程，嚴(yán)重制約了地膜覆蓋種植技術(shù)的推廣應(yīng)用.覆膜打穴播種是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型播種技術(shù)，因?qū)ν寥赖臄_動(dòng)小，有利于土壤的保墑和抗旱，還可省去人工破膜環(huán)節(jié)，在節(jié)省工時(shí)的同時(shí)，避免燒苗，確保全苗.國內(nèi)關(guān)于覆膜穴播的研究基本處于單項(xiàng)技術(shù)研究階段，對(duì)于系統(tǒng)集成、聯(lián)合作業(yè)技術(shù)的研究，尚處于起步階段［4-8］.本文利用虛擬設(shè)計(jì)軟件UG 對(duì)氣吸式花生覆膜穴播機(jī)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過虛擬仿真技術(shù)對(duì)該機(jī)結(jié)構(gòu)及整體配置進(jìn)行了虛擬測試，并通過樣機(jī)的田間性能試驗(yàn)對(duì)其整機(jī)及關(guān)鍵工作部件的作業(yè)性能進(jìn)行了測試.

1 花生覆膜播種農(nóng)藝技術(shù)要求

花生壟作覆膜機(jī)播時(shí)的農(nóng)業(yè)技術(shù)要求參考文獻(xiàn)［9-10］:播種前需整地，除去地表雜質(zhì)，整地后松土層需大于60 mm;起壟，壟高為100～120 mm，2行種植時(shí)多采用寬窄行種植，壟面寬通常為500～600 mm，壟上種植2 行花生株間對(duì)齊，間距為250～350 mm;最佳播種深度為50 mm，播種深度要一致，絕對(duì)誤差不超過規(guī)定的20%，對(duì)于地溫較低或土壤濕度大的地塊，可適當(dāng)淺播，但不得小于30 mm，反之可適當(dāng)加深，但不超過60 mm;播種密度要求花生2 行壟作播種穴距為155～185 mm，穴距誤差值不超過規(guī)定穴距的10%，土壤肥力好的密度相應(yīng)小一些，肥力差的密度大些.

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

該機(jī)主要由施肥裝置、起壟犁、鋪膜裝置、穴播輪、覆土裝置等部分組成，如圖1.

穴播機(jī)通過牽引架三點(diǎn)懸掛在拖拉機(jī)上，施肥開溝器、起壟犁安裝在機(jī)架前端，按照花生播種農(nóng)藝施肥及起壟要求調(diào)整位置及深度.地輪通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)排肥器工作，實(shí)現(xiàn)定量施肥.穴播輪采用壓板開啟式成穴組件，成穴組件徑向安裝在滾輪體上;采用氣吸式排種裝置，利用風(fēng)機(jī)負(fù)壓使排種盤實(shí)現(xiàn)精量取種;穴播輪通過支架掛接在機(jī)架上，保證穴播輪與地表充分接觸，當(dāng)遇到障礙物或堅(jiān)實(shí)度過大時(shí)，可隨時(shí)抬起避免成穴部件損壞.機(jī)具作業(yè)時(shí)，先由起壟犁將兩側(cè)的土推向內(nèi)側(cè)，同時(shí)施肥開溝器開出肥溝，施肥裝置在地輪的帶動(dòng)下將種肥排入肥溝內(nèi)，平土板將壟面平整，開溝器按壟寬開出膜邊溝，覆膜裝置鋪膜，并由穴播輪成穴器的壓膜輪將地膜壓入膜邊溝，同時(shí)將膜邊壓緊，成穴部件打穿地膜在土壤上完成破膜、成穴、投種過程，隨后由覆土裝置完成膜邊覆土及苗帶覆土的過程.

圖1 2BQHM-2 型花生覆膜穴播機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural sketches of 2BQHM-2 type peanut mulching film and punching planter

3 關(guān)鍵工作部件的設(shè)計(jì)

3.1 穴播輪的設(shè)計(jì)

穴播輪主要由成穴器、傳動(dòng)系統(tǒng)及氣吸式排種裝置三部分構(gòu)成，如圖2.其在機(jī)具作業(yè)中主要完成膜上成穴及精量取種、播種的作用，是花生覆膜穴播機(jī)的核心部件，其工作質(zhì)量的好壞決定該機(jī)的作業(yè)性能.

3.1.1 成穴器的設(shè)計(jì) 成穴器是穴播輪的主要工作部件之一，由滾輪體、壓膜輪、成穴組件等部分組成.其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括:滾輪體半徑(R)、成穴組件個(gè)數(shù)(Z)、成穴深度(H)、固定鴨嘴傾角(鴨嘴前面與其中線夾角，α)、活動(dòng)鴨嘴傾角(鴨嘴后面與其中線夾角，β)及鴨嘴開度(d).滾輪體半徑與播種穴距、成穴深度、成穴組件個(gè)數(shù)等有關(guān)，其關(guān)系如下.

圖2 穴播輪結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural sketches of the dibbler

式中，R 表示滾輪體半徑(mm);Z 表示成穴組件數(shù)(個(gè));t 表示播種穴距(mm);H 表示成穴深度(mm).

由于穴播輪工作過程中依靠滾輪體滾動(dòng)前進(jìn)成穴并帶動(dòng)吸種盤取種，其轉(zhuǎn)速過高對(duì)精量取種及成穴均不利，因此，為了使成穴器有較高的理想工作速度，R 取值應(yīng)大，但R 過大，滾輪結(jié)構(gòu)尺寸過大，使整機(jī)質(zhì)量加大，不利于機(jī)組懸掛，同時(shí)對(duì)壟面質(zhì)量、機(jī)組作業(yè)的靈活性均產(chǎn)生不利的影響.根據(jù)花生壟作覆膜播種農(nóng)藝可知，通常情況下最佳播種深度為50 mm，常用穴距為155～185 mm，滾輪體半徑的取值范圍一般在340～480 mm 之間［5-11］，依據(jù)作業(yè)及技術(shù)要求，設(shè)計(jì)時(shí)選擇滾輪體半徑(R)為460 mm，播種深度(H)為50 mm，綜合考慮各參數(shù)代入上式得到，成穴組件個(gè)數(shù)Z≈10.

成穴鴨嘴傾角對(duì)成穴效果、入土性能、充種效果等均有較大影響.固定鴨嘴傾角(α)是引起挑膜的主要因素，其大小影響成穴器入土性能、出土?xí)r是否挑膜及出土?xí)r的動(dòng)土量，由分析可知其越小挑膜越嚴(yán)重，且隨作業(yè)速度的增加加劇，但其過大則不利于入土，造成膜孔增大，活動(dòng)鴨嘴傾角(β)的存在，使穴孔、膜孔增大，但其過小，則難保證鴨嘴內(nèi)充種，在參考文獻(xiàn)［1-13］及分析的基礎(chǔ)上，固定鴨嘴傾角(α)取15°～25°，一般取β 等于α，設(shè)計(jì)的成穴組件結(jié)構(gòu)對(duì)稱且活動(dòng)鴨嘴頂端各點(diǎn)的軌跡落在固定鴨嘴頂端各點(diǎn)軌跡形成的包絡(luò)線內(nèi)，降低其對(duì)膜孔及穴孔的影響.鴨嘴開度決定種子排出效果，為使種子順利排出，鴨嘴開啟時(shí)開口大小應(yīng)滿足1.2dmax～1.5dmax(dmax為花生種子最大尺寸)，其大小可由下式確定.

式中，φ 表示活動(dòng)嘴轉(zhuǎn)角(°);d 表示鴨嘴開度(mm);l 表示活動(dòng)嘴長度(mm).

3.1.2 穴播輪傳動(dòng)系統(tǒng) 主要由連接盤、傳動(dòng)軸、掛輪機(jī)構(gòu)等部分組成，如圖3.

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)配置圖Fig.3 Configuration diagrams of the transmission system

分析得排種盤吸種孔線速度vp與穴播輪前進(jìn)速度vm關(guān)系如下:

式中，D 表示排種盤直徑(cm);q 表示每穴粒數(shù)(個(gè));η 表示穴播輪滑移率(%);Z 表示排種盤吸種孔數(shù)(個(gè));t 表示穴距或株距(cm);n 表示排種盤吸種孔排數(shù)(排).

由上式可知，穴播輪前進(jìn)速度直接影響排種盤吸種孔線速度大小，進(jìn)而影響種子充填性能，當(dāng)vp過高時(shí)，吸種孔充種時(shí)間短，易造成漏播，且排種盤轉(zhuǎn)速較大，種子產(chǎn)生的離心力就大，需要的吸種負(fù)壓也越高，由于穴播輪吸種負(fù)壓是由拖拉機(jī)輸出軸間接提供的，因此轉(zhuǎn)速范圍受到限制.一般排種盤吸種孔線速度vp不易超過0.35 m/s［10］，由此可確定機(jī)具作業(yè)的速度范圍.

由于掛輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比為內(nèi)輥?zhàn)渔溳喤c鏈輪配合比值，其值大小決定排種盤吸孔線速度大小，該值越大，排種盤轉(zhuǎn)速越低，吸種時(shí)間越長，利于吸種，但其值的大小影響到排種盤吸種孔數(shù)及尺寸參數(shù).根據(jù)播種要求及便于穴距調(diào)整，設(shè)計(jì)中選取掛輪機(jī)構(gòu)比值為1.5 ∶1.0.

3.1.3 氣吸式排種裝置 主要由氣室、排種盤、種子室等組成，見圖4.排種盤孔徑大小由播種花生的幾何尺寸決定［10］，設(shè)計(jì)中選取大?；ㄉ托×；ㄉ欧N盤的吸孔直徑分別為6.0 和5.0 mm，排種盤吸種孔按徑向分為2 排，根據(jù)選取掛輪機(jī)構(gòu)比值及成穴部件個(gè)數(shù)，確定每排吸種孔為15 個(gè)，滿足每穴播種量為2 粒.

氣室吸種負(fù)壓是決定穴播輪吸種能力的主要因素，不同品種的花生種子由于物理特性的差別，所需吸附力的大小也不同.在豎直面內(nèi)回轉(zhuǎn)的排種盤上，1 個(gè)吸種孔吸住1 粒種子所需吸附力為［10，14-15］:

式中，p0表示單個(gè)吸種孔吸力(N);d 表示吸種孔直徑(cm);Q 表示單粒種子的重力、離心力及種子群內(nèi)摩擦力的合力(N);C 表示種子重心與排種盤之間距離(cm).

由于實(shí)際作業(yè)中，受外界環(huán)境條件影響較大，因此引入吸種可靠性系數(shù)K1(K1=1.8～2.0，一般種子千粒質(zhì)量小，形狀近似球形時(shí)，取小值)和工作穩(wěn)定可靠系數(shù)K2(K2=1.6～2.0，種子千粒質(zhì)量大時(shí)，取大值)，針對(duì)不同種子，在最大極限條件下，可求出氣室所需最大吸種負(fù)壓為［10］:

式中，m 表示單粒種子質(zhì)量(kg);g 為重力加速度(m/s2);d 為吸種孔直徑(cm);vp為吸種孔中心處線速度(cm/s);r 為吸種孔轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(m);λ 為種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，α 為種子自然休止角.

3.2 覆土裝置

主要由覆土圓盤及覆土滾輪兩部分組成.覆土圓盤主要完成膜邊覆土及苗帶供土作用，工作時(shí)將壟溝兩側(cè)的土推向壟溝并帶入覆土滾輪，完成膜邊及苗帶覆土，通過調(diào)節(jié)其角度及入土深度可改變?nèi)⊥亮看笮?覆土圓盤、覆土滾輪與穴播輪的相互配置，見圖5.覆土裝置均采用彈簧連接的方式，通過調(diào)節(jié)彈簧可改變覆土圓盤及覆土滾輪對(duì)地表的壓力，同時(shí)遇到障礙物時(shí)可自行抬起，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)的作用.覆土滾輪主要由拉桿、大(小)滾輪、調(diào)節(jié)軸等組成，見圖6.

圖5 覆土裝置配置圖Fig.5 Configuration diagrams of the casing soil device

圖6 覆土滾輪結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure sketches of the casing soil wheel

通過拉桿掛接在機(jī)架連接軸上，與覆土圓盤配合進(jìn)行苗帶覆土.拉桿由兩部分組成，拉桿2 空套在拉桿1 中，可調(diào)節(jié)其前后位置.機(jī)具前進(jìn)時(shí)通過拉桿帶動(dòng)滾輪前進(jìn)，當(dāng)覆土圓盤將土送入滾輪后通過大滾輪內(nèi)的導(dǎo)土片及小滾輪內(nèi)的擋土板共同實(shí)現(xiàn)苗帶覆土.覆土滾輪通過螺釘固定在調(diào)節(jié)軸上，可對(duì)滾輪在一定范圍內(nèi)進(jìn)行左右調(diào)節(jié)，滿足不同種植模式的需要.

3.3 鋪膜裝置

鋪膜裝置主要由固定座、調(diào)節(jié)桿、地膜安裝輪等部件組成(圖7).通過調(diào)節(jié)桿可實(shí)現(xiàn)對(duì)地膜鋪放高度的調(diào)節(jié)，同時(shí)可滿足不同寬度的膜輥安裝.設(shè)計(jì)的樣機(jī)鋪膜裝置可滿足寬度為800～1 200 mm 的地膜鋪放，可通過高度調(diào)節(jié)滿足不同作業(yè)條件下地膜鋪放的要求，提高鋪膜質(zhì)量為后續(xù)成穴提供良好的作業(yè)條件.

圖7 鋪膜裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure sketches of the mulching film device

4 樣機(jī)虛擬檢測與制作

利用UG 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)具進(jìn)行整體裝配及虛擬仿真運(yùn)動(dòng)分析，測試各運(yùn)動(dòng)部件的協(xié)調(diào)性、合理性，檢驗(yàn)穴播機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中是否發(fā)生干涉，能否達(dá)到設(shè)計(jì)過程的預(yù)期效果，虛擬仿真過程如下.

先建立2BHQM-2 型覆膜穴播機(jī)零部件三維實(shí)體模型，虛擬裝配穴播機(jī)，建立運(yùn)動(dòng)分析主模型(施加載荷，添加約束與驅(qū)動(dòng))，然后定義測試內(nèi)容，進(jìn)行虛擬仿真分析，輸出測試參數(shù)曲線及數(shù)據(jù).最后，分析測試結(jié)果，進(jìn)行結(jié)構(gòu)與參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì).

在穴播輪三維實(shí)體主模型上依據(jù)實(shí)際工作中各部件的連接形式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在主模型上設(shè)定添加相應(yīng)的邊界條件、載荷、運(yùn)動(dòng)副等，添加約束時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇約束的類型、作用點(diǎn)和方向，得運(yùn)動(dòng)分析模型.利用運(yùn)動(dòng)分析模型對(duì)成穴過程進(jìn)行仿真，模擬成穴鴨嘴的入土、開啟、出土過程，研究設(shè)定條件下成穴部件相關(guān)位置及參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)要求.通過UG 中運(yùn)動(dòng)分析模塊，分別在固定鴨嘴及活動(dòng)鴨嘴的外圓尖點(diǎn)上建立測試點(diǎn)Marker1、Marker2，然后在后處理(Postprocessor)中用跟蹤(Trace)Marker 點(diǎn)繪制出其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，對(duì)成穴性能進(jìn)行測試.由整機(jī)裝配及虛擬仿真運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果可知，該機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，各部件結(jié)構(gòu)尺寸及運(yùn)動(dòng)過程較好地滿足了設(shè)計(jì)需要，整機(jī)質(zhì)量為236.5 kg(由于虛擬裝配時(shí)省去了螺栓等連接件，整機(jī)質(zhì)量比實(shí)際較輕)，重心有些偏后，在此基礎(chǔ)上對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，使其重心接近中心位置.在虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了樣機(jī)制作.

5 田間性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)在江蘇省農(nóng)科院試驗(yàn)田進(jìn)行，土壤類型為輕壤土，按照國家農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY/T 987-2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的要求［16］，在滿足作業(yè)效率的前提下，對(duì)該機(jī)的工作流暢性、可靠性及不同作業(yè)速度、吸種負(fù)壓下作業(yè)效果進(jìn)行測試.表1 為滿足作業(yè)要求及條件下最高作業(yè)速度(機(jī)具作業(yè)速度為0.82 m/s，吸種負(fù)壓為4.35 kPa)播種四粒紅時(shí)測試結(jié)果，機(jī)具田間作業(yè)效果良好.

表1 性能試驗(yàn)結(jié)果Tab．1 The performance test results

由試驗(yàn)結(jié)果及分析可知:在滿足作業(yè)效率的前提下，該機(jī)作業(yè)穩(wěn)定、各部件工作流暢，成穴質(zhì)量、播種質(zhì)量等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足氣吸式覆膜穴播機(jī)作業(yè)技術(shù)要求;隨著作業(yè)速度的增加，成穴部件撕膜、挑膜現(xiàn)象加劇，膜孔長度變大，均勻性變差，孔穴錯(cuò)位合格率降低，分析是由于隨機(jī)具作業(yè)速度的增加，成穴部件對(duì)地膜及穴孔土壤的作用力加劇所致;隨吸種負(fù)壓增加，合格率增加的同時(shí)，重播率也相應(yīng)提高;成穴過程出現(xiàn)部分穴播深度不能滿足要求，甚至出現(xiàn)無法破膜現(xiàn)象，造成種子播種深度不足，有些種子播在膜上，分析原因主要由于苗帶土壤堅(jiān)實(shí)度過大或出現(xiàn)大塊較硬的雜物，使成穴部件無法進(jìn)入土壤造成;播種過程中存在漏播問題，分析原因除了排種器吸種問題外，還存在鴨嘴開啟不及時(shí)或未開啟的現(xiàn)象，這是由于土壤較松軟，壓板無法將鴨嘴及時(shí)打開或無法開啟所致，此外夾雜引起鴨嘴關(guān)閉不嚴(yán)，造成漏播.

6 結(jié)論

利用UG 虛擬設(shè)計(jì)與仿真軟件對(duì)氣吸式花生覆膜穴播機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，針對(duì)該機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)及農(nóng)藝要求，對(duì)該機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，通過虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真，測試組成部件相互間的協(xié)調(diào)性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并通過對(duì)成穴部件的成穴過程及成穴軌跡的虛擬仿真，對(duì)其成穴性能進(jìn)行了測試，在此基礎(chǔ)上完成了樣機(jī)制作.由樣機(jī)田間性能試驗(yàn)結(jié)果可知，該機(jī)作業(yè)穩(wěn)定、各部件工作流暢，成穴質(zhì)量、播種質(zhì)量均能較好地滿足氣吸式覆膜穴播機(jī)作業(yè)技術(shù)要求;虛擬仿真結(jié)果與該機(jī)實(shí)際情況較為一致，表明基于虛擬仿真技術(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果與測試結(jié)果是合理的，為穴播機(jī)的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ).

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