滕悅江, 張愛民, 楊自棟，孫冬霞，王廷恩，王佳文

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 ，山東 淄博　255049 ； 2.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所 ，山東 濱州　256600 ；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院 ，杭州　650201)

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棉花精量免耕穴播機(jī)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)仿真

滕悅江1, 張愛民2, 楊自棟3，孫冬霞2，王廷恩1，王佳文1

(1.山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 ，山東 淄博255049 ； 2.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所 ，山東 濱州256600 ；3.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院 ，杭州650201)

摘要：黃河三角洲地區(qū)種棉歷史悠久，但棉花種植的密度相對(duì)較低，且采用大小行交錯(cuò)種植，不適宜機(jī)器采摘。為此，設(shè)計(jì)了棉花精量免耕穴播機(jī)，主要由全幅旋耕滅茬裝置、開溝器、全幅前鎮(zhèn)壓裝置及鴨嘴式穴播器等構(gòu)成。鴨嘴式穴播器主要由鴨嘴式成穴機(jī)構(gòu)和垂直轉(zhuǎn)勺式排種器組成，既具備精量取種能力，又具備定點(diǎn)投種能力。每組播種單體由兩個(gè)鴨嘴式穴播器并聯(lián)構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)(66+10)cm的播種效果。田間試驗(yàn)表明：播種、施肥平均深度分別為32.6、94.6mm,出苗率達(dá)到91.04%，提高了播種質(zhì)量，既滿足了機(jī)采棉要求，又增加土地了利用率。

關(guān)鍵詞：棉花免耕穴播機(jī)；全幅前鎮(zhèn)壓裝置；鴨嘴式穴播器；精量播種；ADAMS

0引言

黃河三角洲地區(qū)作為我國(guó)棉花種植的主要地區(qū)，種棉歷史悠久，該地區(qū)棉花種植的密度相對(duì)較低、植株相對(duì)較高，采用大小行交替的方式進(jìn)行棉花的常規(guī)種植，大行距定為90cm、小行距定為45cm。此種種植模式一方面不適合機(jī)器采摘，另一方面種植密度相對(duì)較低，對(duì)土地利用率不高[1]。此外，傳統(tǒng)的保護(hù)性耕作采用少耕或免耕播種，播種時(shí)只對(duì)苗帶進(jìn)行淺旋，容易形成種溝，不利于種子發(fā)育。為了解決上述問題，本文研制了基于麥棉輪作體系[2]的棉花雙行錯(cuò)位苗帶精量穴播機(jī)，將秸稈粉碎還田、開溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)一次性完成，采用(66+10)cm的播種模式，既能滿足機(jī)采棉的要求，又能增加土地空間利用率[3]。

1結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　結(jié)構(gòu)

棉花精量免耕穴播機(jī)主要由懸掛裝置、機(jī)架、全幅旋耕裝置、施肥開溝器、前鎮(zhèn)壓輪、鴨嘴式穴播器及后鎮(zhèn)壓輪等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。全幅旋耕裝置主要由刀軸、刀片和刀座等構(gòu)成；前鎮(zhèn)壓輪采用全幅鎮(zhèn)壓方式，由外輪、支撐盤和軸頭等構(gòu)成，既起到鎮(zhèn)壓碎土作用，又起到整機(jī)限深作用；采用外槽輪式排肥器和尖角型開溝器進(jìn)行施肥作業(yè)；采用鴨嘴式穴播器進(jìn)行棉花種子穴播[5]。

1.機(jī)架　2.變速箱　3.旋耕機(jī)構(gòu)　4.肥箱　5.肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

1.2　工作原理

機(jī)具作業(yè)時(shí)，通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)懸掛點(diǎn)連接，通過拖拉機(jī)牽引前進(jìn)進(jìn)行播種作業(yè)，動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出，經(jīng)變速箱傳給全旋耕機(jī)構(gòu)，旋耕刀在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，將麥茬及雜草打碎并均勻地散布在土壤上，降低了開溝器因纏草而發(fā)生擁堵的可能性[6]；在全旋耕過的土地上施肥開溝器開出寬度和深度合適的肥溝，鎮(zhèn)壓輪上安有防滑裝置，在平整地面的同時(shí)，將動(dòng)力經(jīng)鏈輪傳遞給肥箱，肥料便經(jīng)排肥管落入溝底，后經(jīng)鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓。該機(jī)使用的是鴨嘴式排種器，鴨嘴排種器經(jīng)單鉸接仿形機(jī)構(gòu)與機(jī)架相連。機(jī)器前進(jìn)時(shí)，排種器在拖拉機(jī)牽引力作用下自轉(zhuǎn)工作，將種子穴播入土，后經(jīng)鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓[7]。該機(jī)全鎮(zhèn)壓輪在碎土、整地的同時(shí)，還有限深作用，通過調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓輪調(diào)節(jié)裝置可實(shí)現(xiàn)不同深度的旋耕作業(yè)[8]。

2鴨嘴式穴播器

2.1　結(jié)構(gòu)

本機(jī)共安裝有4組播種單體，每組播種單體由兩個(gè)鴨嘴式穴播器并聯(lián)構(gòu)成，鴨嘴式穴播器由鴨嘴式成穴機(jī)構(gòu)和垂直轉(zhuǎn)勺式排種器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。鴨嘴式成穴機(jī)構(gòu)主要由固定鴨嘴、活動(dòng)鴨嘴、復(fù)位彈簧及中間圓環(huán)等構(gòu)成，可用于一般掘穴播種，也可用于鋪好地膜后進(jìn)行穿孔穴播。排種器是播種機(jī)的核心部件，它決定了播種機(jī)的播種方式及播種質(zhì)量。本播種機(jī)采用的是垂直轉(zhuǎn)勺式排種器，主要由中央軸、圓環(huán)底座、種刷、種箱蓋、輸種管及種勺等構(gòu)成，工作可靠，能實(shí)現(xiàn)精確播種，排種均勻性好，穩(wěn)定性高，可通過更換勺匙對(duì)不同作物播種，也可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)每穴排種數(shù)量，在運(yùn)轉(zhuǎn)中不損傷種子。

1.固定鴨嘴　2.中間圓環(huán)　3.種箱蓋　4.中央軸　5.輸種管

2.2　成穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

鴨嘴式排種器成穴機(jī)構(gòu)是穴播機(jī)主要的土壤工作部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣及運(yùn)動(dòng)速度對(duì)播種效果有直接影響。采用多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS，對(duì)鴨嘴式排種器成穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得活動(dòng)鴨嘴尖點(diǎn)及固定鴨嘴尖點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、位移等重要數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，更好地了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程。

2.2.1建立Adams幾何模型

通過SolidWorks軟件建立機(jī)構(gòu)的幾何模型，對(duì)該模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，去掉與分析不相關(guān)的部件，并通過Adams的布爾操作功能，把相對(duì)不動(dòng)的部件合并成一個(gè)部件，使模型更簡(jiǎn)潔，提高分析效率[9]。把所有部件合并為滾輪、護(hù)種板、活動(dòng)鴨嘴3個(gè)構(gòu)件。使用Adams建模功能在部件下方建立地面幾何模型，建立后的Adams模型如圖3所示，模型中的部件列表如表1所示。

圖3　Adams中的幾何模型

序號(hào)Adams部件模型名稱實(shí)際部件名稱1dongban動(dòng)板2dimian地面3gunlun滾輪4huzhongban護(hù)種板

2.2.2施壓約束、載荷和驅(qū)動(dòng)

根據(jù)機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和受力作用，建立運(yùn)動(dòng)副、接觸和彈簧。約束情況如圖4所示，約束詳細(xì)信息如表2所示。

為了讓成穴器滾輪實(shí)現(xiàn)向前(即Z軸負(fù)方向)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，在護(hù)種板的約束JOINT_huzhongban上施加直線驅(qū)動(dòng)Motion_1，對(duì)該驅(qū)動(dòng)設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即能實(shí)現(xiàn)不同速度的運(yùn)動(dòng)[10]。

圖4　約束驅(qū)動(dòng)圖

序號(hào)約束名稱類型連接部件1連接部件21JOINT_dimianFixeddimianground2JOINT_gunlunRevolutegunlunhuzhongban3JOINT_dongbanRevolutedongbangunlun4JOINT_huzhongbanTranslationalhuzhongbanground5CONTACT_2Contactdongbandimian6CONTACT_3Contactdongbangunlun7CONTACT_4Contactdongbangunlun

為方便仿真完成后對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，分別在動(dòng)板和滾輪部件上施加一個(gè)Marker點(diǎn)，其位置如圖5所示，坐標(biāo)系原點(diǎn)O′為活動(dòng)鴨嘴尖點(diǎn)，坐標(biāo)系原點(diǎn)O為固定鴨嘴尖點(diǎn)。

圖5　設(shè)置定點(diǎn)和動(dòng)點(diǎn)位置

2.2.3仿真計(jì)算與結(jié)果后處理

Adams模型默認(rèn)使用的單位是mm，在Motion中設(shè)置向前的速度分別為600、1 000、1 400mm/s，設(shè)定仿真運(yùn)動(dòng)距離為2 370mm。

2.2.4仿真結(jié)果分析

對(duì)3種不同的水平速度得到仿真結(jié)果進(jìn)行分析，由于數(shù)據(jù)很多，不對(duì)分方向的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1)運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)比。動(dòng)點(diǎn)和定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。其中曲線(A)代表的是定點(diǎn)軌跡,曲線(B)代表的是動(dòng)點(diǎn)軌跡。由圖6可以看出：定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈余擺線形式，但動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡并非常規(guī)余擺線，而是在成穴器入土作業(yè)時(shí)，動(dòng)點(diǎn)與定點(diǎn)產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，彼此之間的相對(duì)位移增大，其入土階段運(yùn)動(dòng)軌跡放大示意圖如圖7所示。

2)速度曲線對(duì)比。動(dòng)點(diǎn)速度曲線對(duì)比圖如圖8所示。由圖8可以看出：水平速度分別為600、1 000、1 400mm/s的情況下，動(dòng)點(diǎn)速度小值分別為100、180、200mm/s，彼此之間相差不大；但動(dòng)點(diǎn)速度最大值分別為1 875、2 375、2 900mm/s，彼此之間相差很大。由此看來，水平速度的變化對(duì)動(dòng)點(diǎn)的最小速度影響較小，對(duì)動(dòng)點(diǎn)的最大速度影響較大。3種速度情況下，運(yùn)動(dòng)速度越快，動(dòng)點(diǎn)速度變化越劇烈，越容易對(duì)播種造成不良影響。

圖6 運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖7　入土階段運(yùn)動(dòng)軌跡放大圖

圖8　動(dòng)點(diǎn)速度曲線對(duì)比圖

定點(diǎn)速度曲線對(duì)比圖如圖9所示。由圖9可知：在不同水平速度工作情況下，由于均沒有額外外力的介入，定點(diǎn)速度大小及方向均沒有劇烈變化，運(yùn)行速度都比較平穩(wěn)。由于定點(diǎn)到排種器中心的距離較動(dòng)點(diǎn)長(zhǎng)，因此定點(diǎn)的速度最大值較動(dòng)點(diǎn)的最大值要大一些。

3)動(dòng)、定點(diǎn)之間相對(duì)位移對(duì)比。動(dòng)定兩點(diǎn)相對(duì)位移對(duì)比圖如圖10所示。3種不同水平速度工作情況下，動(dòng)定點(diǎn)之間相對(duì)位移最小值均為12.5mm，最大值均為27.5mm，只是從初始狀態(tài)經(jīng)過最小值、最大值，最終回到初始狀態(tài)所用的時(shí)間不同：當(dāng)速度為600mm/s，所用時(shí)間為0.45s；速度為1 000mm/s，所用時(shí)間為0.29s；速度為1 400mm/s，所用時(shí)間為0.19s。相對(duì)位移為最小值時(shí)，成穴機(jī)構(gòu)狀態(tài)如圖11(a)所示。成穴機(jī)構(gòu)從圖11(b)所示狀態(tài)到圖11(c)所示狀態(tài)過程內(nèi)，動(dòng)、定兩點(diǎn)相對(duì)位移為最大值。由播種作業(yè)開溝過程仿真圖像可以看出：成穴機(jī)構(gòu)處于圖11(c)狀態(tài)時(shí)，雖然動(dòng)、定兩點(diǎn)相對(duì)位移依然是最大值，但此時(shí)成穴鴨嘴已經(jīng)偏離垂直位置，所以種子下落過程只有在動(dòng)點(diǎn)與定點(diǎn)相對(duì)距離從達(dá)到最小值到達(dá)到最大值期間，播種效果最佳；其余過程播種，種子均會(huì)受到鴨嘴碰撞，影響播種效果。由圖10知：速度為600、1 000、1 400mm/s時(shí)，在上述最佳播種過程所用時(shí)間分別為0.15、0.12、0.08s。

圖9　定點(diǎn)速度曲線對(duì)比圖

圖10　動(dòng)、定兩點(diǎn)相對(duì)位移對(duì)比圖

(a)　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　　(c)

由實(shí)際情況可知，待播種子離地面高度為30mm,種子播種深度約為25mm，則播種時(shí)種子下落距離為55mm,自由落體所用時(shí)間約為0.1s，在這種情況下，采用1 000mm/s水平速度進(jìn)行播種作業(yè)較合適。

3結(jié)論

1)提出了在棉花免耕播種機(jī)前端采用全幅旋耕滅茬裝置，其后采用全幅鎮(zhèn)壓裝置的方案，不僅能將地表秸稈、雜草粉碎還田，還能有效解決滅茬時(shí)地表土壤偏移以及作業(yè)后形成種溝的問題[11]。

2)穴播機(jī)采用兩個(gè)鴨嘴式排種器并聯(lián)的方案，實(shí)現(xiàn)(66+10)cm的播種效果，增加了土地資源利用率，增加了產(chǎn)量。

3)對(duì)棉花精量免耕穴播機(jī)鴨嘴式排種器進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出機(jī)器最優(yōu)作業(yè)速度為1m/s。

參考文獻(xiàn)：

[1]王漢羊, 陳海濤, 紀(jì)文義.2BMFJ-3 型麥茬地免耕精播機(jī)防堵裝置 [J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013, 44(4): 64-69.

[2]楊自棟,劉寧寧,耿端陽(yáng),等.2BYM-12 型折疊式動(dòng)力防堵免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013(S1):46-50.

[3]李復(fù)輝,杜瑞成,刁培松,等.舵輪式玉米免耕精量施肥播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013, 44(S1):33-38.

[4]朱惠斌,李洪文,何進(jìn),等.稻茬地雙軸驅(qū)動(dòng)防堵式小麥免耕播種機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013(6): 9.

[5]Tangyuan N, Bin H, Nianyuan J, et al.Effects of conservation tillage on soil porosity in maize-wheat cropping system[J].Plant Soil Environ, 2009, 55(8): 327-333.

[6]賈洪雷,趙佳樂,姜鑫銘, 等.行間免耕播種機(jī)防堵裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2013,29(18):16-25.

[7]王慶杰,何進(jìn),李洪文,等.免耕播種機(jī)開溝防堵單元體設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(1): 27-31.

[8]張軍昌,閆小麗,薛少平,等.秸稈粉碎覆蓋玉米免耕施肥播種機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012,43(12):51-55.

[9]白曉虎,李芳,張祖立,等.基于 ADAMS 的免耕播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)優(yōu)化[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2014(6):46.

[10]胡軍,馬旭.基于 ADAMS 的精密播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化, 2012(3):81-84.

[11]姚宗路,李洪文,高煥文,等.一年兩熟區(qū)玉米覆蓋地小麥免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(8):57-61.

Abstract ID:1003-188X(2016)11-0177-EADesign and Motion Simulation of a Precision No-tillageHill-planter for Cotton

Teng Yuejiang1，Zhang Aimin2， Yang Zidong3， Sun Dongxia2， Wang Ting’en1， Wang Jiawen1

(1.School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.Binzhou Agricultural Machinery Research Institute,Binzhou 256600,China 3.School of Engineering, Zhejiang A&F University,Hangzhou 650201，China)

Abstract：Cotton planting density in the Yellow River Delta is relatively low and its planting pattern adopting a line size crisscross cultivation is not suitable for picking machine.To solve this problem, a precision no-tillage hill-planter for cotton was designed.It was mainly composed of full-width rotary tillage stubble cleaning device,furrow opener,full-width front press device and duck-billed dibbler.The dibbler was composed with duck-billed cavitation mechanism and vertical disk-scoop-type metering device,which could achieve precision metering and throwing seeds in fixed point.Seeding monomer was made up of two duck-billed type dibbler in parallel, which could realize the 66+10cm cultivation mode. The field experiment result showed that the average depth of sowing and fertilization were 32.6 mm and 94.6mm, the germination rate was improved to 91.4%.It satisfied the requirements of picking cotton with machinery and increased the proportion of land utilization in the experimental area．

Key words：no-tillage cotton hill-seeder; full-width front press device; duck-billed dibbler; precision sowing; ADAMS

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0177-04

作者簡(jiǎn)介：滕悅江(1989-)，男，山東煙臺(tái)人，博士研究生，(E-mail)tengyuejiang@163.com。通訊作者：楊自棟(1970-)，男，甘肅張掖人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yzd66@126.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B02-02)

收稿日期：2015-10-28