王風(fēng)燕，馬　茵，劉志剛

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.南昌大學(xué)，南昌　330031 )

?

耕種機(jī)虛擬樣機(jī)精密單體播深和排種仿真研究

王風(fēng)燕1，馬茵1，劉志剛2,3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.南昌大學(xué)，南昌330031 )

摘要：為了進(jìn)一步改善耕種機(jī)的播深控制和排種精度，提高耕種機(jī)的設(shè)計(jì)效率，提出了一種基于數(shù)值仿真模擬的耕種機(jī)播種精度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立了播種機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)播種參數(shù)的優(yōu)化效果進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。利用三維繪圖軟件UG設(shè)計(jì)了排種器的零部件，建立了裝配模型，設(shè)計(jì)了精密播種機(jī)的虛擬樣機(jī)模型；采用ADAMS軟件對(duì)排種器排種精度和播種機(jī)虛擬樣機(jī)的播深合格率進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。通過數(shù)值仿真模擬計(jì)算，得到了精密播種機(jī)播深隨時(shí)間的變化曲線，以及ADAMS參數(shù)優(yōu)化前后排種精度和播深合格率的結(jié)果。通過結(jié)果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化后的排種器排種精度有了明顯的改善，且變異系數(shù)??；虛擬樣機(jī)的播深合格率有了明顯的提高，并且播深控制的穩(wěn)定性較好，播深的控制精度較高，為播種機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：播深控制；虛擬樣機(jī)；排種器；仿真模擬；UG軟件；ADAMS軟件

0引言

播種技術(shù)嚴(yán)重影響著糧食的產(chǎn)量。在我國(guó)，已有近50年精密播種技術(shù)的發(fā)展歷史。精密播種機(jī)在20世紀(jì)60年代中期就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于技術(shù)方面不夠完善及農(nóng)藝要求方面還存在一些問題，在進(jìn)行精密播種試點(diǎn)時(shí)沒有達(dá)到較好的效果，最終沒有實(shí)現(xiàn)有效的推廣。近幾年，農(nóng)業(yè)得到了國(guó)家基金的大力扶持，播種技術(shù)不斷進(jìn)步，加快了精播技術(shù)的發(fā)展步伐。精密播種技術(shù)指的是按照科學(xué)的計(jì)算和農(nóng)藝要求，通過播種預(yù)定數(shù)量的種子在預(yù)測(cè)的土壤位置上，要求播種的穴距、穴粒數(shù)、播種深度等精確，并保證精確行距均。通過以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：精密播種技術(shù)大大提高了增產(chǎn)率，相比普通播種增產(chǎn)量達(dá)到了6%～25%。

精密播種技術(shù)已成功應(yīng)用于多種作物的種植，是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收和降低糧食生產(chǎn)成本的重要措施之一。為了進(jìn)一步提高耕種機(jī)的播深控制精度和排種精度，本文結(jié)合排種器排種和播種機(jī)耕種的力學(xué)原理，設(shè)計(jì)了排種速度和播深位移的模糊控制優(yōu)化算法，并采用UG和ADMAS聯(lián)合仿真的方法對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證，大大提高了播種機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

1耕種機(jī)虛擬樣機(jī)仿真模擬原理

近幾年，精密播種機(jī)的研究有了新的發(fā)展方向，通過計(jì)算機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)播種機(jī)部件和整機(jī)進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)取得了較好的效果，提高了播種機(jī)的設(shè)計(jì)效率及準(zhǔn)確性。目前，在研究播種機(jī)過程中，通過應(yīng)用Pro/E、UG等三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，仔細(xì)檢驗(yàn)整機(jī)裝配，使得產(chǎn)品在系列化設(shè)計(jì)方面有了更大的進(jìn)步。同時(shí)，應(yīng)用多種專業(yè)的分析軟件(如有限元分析軟件ANSYS、機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS等)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、力學(xué)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，使精密播種機(jī)在穩(wěn)定性、通用性、可靠性方面有了很大程度的改善，進(jìn)一步推動(dòng)了播種機(jī)械在我國(guó)的發(fā)展。

圖1為精密播種機(jī)的示意圖。多數(shù)播種機(jī)都采用了平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，在播種的單體上設(shè)計(jì)了精密的播深調(diào)整裝置，可以準(zhǔn)確地調(diào)整和指示播深，保證了播種深度的一致性。

圖1　精密播種機(jī)虛擬樣機(jī)示意圖

圖2為播種機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真過程示意圖。首先根據(jù)播種機(jī)的力學(xué)原理設(shè)計(jì)播深和排種速度的數(shù)學(xué)模型，利用模糊控制原理控制排種速度和播深的誤差，使用UG軟件建立精密播種機(jī)的虛擬樣機(jī)，采用ADMAS軟件對(duì)排種和播深進(jìn)行仿真模擬；然后，通過聯(lián)合仿真輸出優(yōu)化結(jié)果，將最終優(yōu)化結(jié)果導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后續(xù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的直接調(diào)用。

圖2　播種機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真過程示意圖

2控制算法設(shè)計(jì)

在排種的初始階段，大量的種子會(huì)涌進(jìn)排種器內(nèi)，以進(jìn)入的種子為研究對(duì)象，將位置角度記做θ，種子受力主要有重力mg、離心力mω2r、分種勺面的靜摩擦力FN和隔板間的滑動(dòng)摩擦力F′，如圖3所示。

圖3中，受力關(guān)系方程為

(1)

排種器的極限充種角度θbc，其表達(dá)式為

tanβ·tanφ′

(2)

其中，α為導(dǎo)種臺(tái)傾角；φ為種子靜摩擦角；φ′為種子滑動(dòng)摩擦角；r為種子質(zhì)心距主軸心距離；ω為角速度。其中，ω是主要可以調(diào)控的變量，為了實(shí)現(xiàn)耕種機(jī)播深和排種精度的優(yōu)化，采用模糊控制的方法對(duì)排種速度ω和播深進(jìn)行模糊控制，通過定義位移誤差和排種速度的誤差域來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先定義位移和排種速度的誤差范圍，則有

-6mm≤S(k)=S(k)-S(k-1)≤6mm

-8rad/s≤ω(i)=ω(i)-ω(i-1)≤8rad/s

(3)

播種機(jī)模糊控制位移和排種速度的基本誤差域?yàn)镾[-6,6]和ω[-8,8]，利用模糊控制將誤差域進(jìn)行離散化，則

(4)

其中，x∈[u,v]，表示誤差域；n為離散度，通過離散化共得到n個(gè)子矩陣關(guān)系。其算法為

M=M1∪M2∪…∪Mn

(5)

通過播深誤差量的反饋調(diào)節(jié)，得到模糊控制輸出量為

Y=(S×ω)·M

(6)

因此，可以利用ADMAS軟件的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，采用模糊控制的方法對(duì)播深和排種速度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3仿真模擬分析

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的播深和排種精密控制算法的有效性和可靠性，本次研究采用數(shù)值仿真模擬的形式對(duì)播深和排種精度進(jìn)行計(jì)算，得到播深的合格率和排種的精度。首先利用UG軟件建立耕種機(jī)虛擬樣機(jī)排種器的各個(gè)零部件，在虛擬裝配時(shí)采用自底向上的裝配方法，將所有零件裝配到一起，完成精密排種器的虛擬裝配，如圖4所示。

工作時(shí)，打開UG軟件，進(jìn)入裝配模式，依次調(diào)入所有的零件，并按照各零件間的相對(duì)位置和約束關(guān)系，對(duì)排種器進(jìn)行組裝；組裝完成后，可以通過ADMAS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。各變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)如圖5所示。

為了實(shí)現(xiàn)排種精度的優(yōu)化控制，需要在ADAMS軟件中使用模糊控制算法對(duì)變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化的函數(shù)為測(cè)量的目標(biāo)函數(shù)“FUNCTION_MEA_1”的最大值，優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量為“DV_1”、“DV_2”、“DV_3”，目標(biāo)函數(shù)為最大值。

如圖6所示，完成所有的設(shè)置后，敲定窗口的“Start”鍵，這時(shí)軟件將會(huì)對(duì)裝置進(jìn)行最優(yōu)化的計(jì)算分析。通過計(jì)算，可以得到排種器最佳優(yōu)化參數(shù)。其中，裝置垂直傾角為26.5°，傾角為9.9°，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為8.8rad/s。

圖4　精密排種器的裝配圖

圖5　變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)

圖6　優(yōu)化角度相對(duì)于迭代次數(shù)的變化曲線

如圖7所示，為了實(shí)現(xiàn)播深精度的優(yōu)化控制，在ADAMS環(huán)境下建立了簡(jiǎn)化的平行四桿式播種單體仿真模型，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)改變仿形機(jī)構(gòu)中關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行模型的快速修改和仿真。通過優(yōu)化，得到了如圖8所示的播深變化曲線。

圖7　播深虛擬樣機(jī)示意圖

圖8　播深隨時(shí)間變化曲線

由圖8可以看出：通過優(yōu)化后，播深在短時(shí)間內(nèi)便可以達(dá)到需要的耕種深度，而且播深控制的穩(wěn)定性較好，播深的控制精度較高。

在排種精度控制優(yōu)化前后，通過的10次仿真模擬，得到了排種準(zhǔn)確率的分析結(jié)果，如表1所示。由表1可以看出：優(yōu)化后排種的準(zhǔn)確率要明顯高于優(yōu)化前，且優(yōu)化后排種準(zhǔn)確率的變異系數(shù)也明顯比優(yōu)化前的小。

表1　排種準(zhǔn)確率分析結(jié)果

續(xù)表1

表2為優(yōu)化前后播深合格率的仿真模擬結(jié)果。由表2可以看出：優(yōu)化后的播深合格率要明顯高于優(yōu)化前的合格率，其最低合格率在95%以上，提高了播深的控制精度，滿足播深精密控制的需要。

表2　播深控制合格率

4結(jié)論

依據(jù)播種機(jī)排種和耕種的力學(xué)特性，結(jié)合模糊控制算法，設(shè)計(jì)了一種新的播種機(jī)排種精度和播深控制的優(yōu)化方法，并采用數(shù)值仿真模擬的方法對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

利用UG軟件建立了排種器的各種零部件和播種機(jī)虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行了裝配；采用ADAMS軟件對(duì)排種器排種精度和播種機(jī)虛擬樣機(jī)的播深合格率進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。

通過數(shù)值仿真模擬計(jì)算，得到了ADAMS參數(shù)優(yōu)化前后排種精度和播深合格率的結(jié)果。由結(jié)果分析可以看出：優(yōu)化后排種的準(zhǔn)確率要明顯高于優(yōu)化前，而且優(yōu)化后排種準(zhǔn)確率的變異系數(shù)也明顯比優(yōu)化前的??；優(yōu)化后的播深合格率要明顯高于優(yōu)化前的合格率，其最低合格率在95%以上，滿足精密播種的需求，可以在農(nóng)業(yè)精密播種技術(shù)中將其推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏紅梅,李志偉,甄文斌.氣力板式蔬菜排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(6):56-60.

[2]鐘陸明,陳學(xué)庚,溫浩軍,等.免耕播種機(jī)氣吸式排種器影響因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(5):160-164.

[3]翟力欣,姬長(zhǎng)英,丁啟朔.Irshad Ali水田土壤蠕變的粘彈性計(jì)算[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2010(4):509- 514.

[4]翟力欣,姬長(zhǎng)英,丁啟朔.流變態(tài)土壤切削試驗(yàn)用室內(nèi)土槽與測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010, 41(7):45-49 .

[5]夏俊芳.基于ADAMS 的精密播種機(jī)補(bǔ)種機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)與分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007,26(3):419-422.

[6]劉飛,趙滿全.膜下播種機(jī)的設(shè)計(jì)及排種裝置的室內(nèi)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(4):139-142.

[7]白曉虎,張祖立.基于的播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(3):40-42.

[8]包文育,林靜,霍春明,等.2BG-2型免耕播種機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性分析[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009, 40(3):370-372.

[9]王熙,張海玉,趙軍，等.大豆播種機(jī)電液仿形機(jī)構(gòu)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(1):227-229.

[10]許劍平,謝宇峰,陳寶昌.國(guó)外氣力式精密播種機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(12):13-14.

[11]Karayel D. Performance of a modified precision vacuum seeder for no-till sowing of maize and soybean[J].Soil and Tillage Research,2009, 104(1):121-125.

[12]李成華,高玉芝,張本華.氣吹式傾斜圓盤排種器排種性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(10):90 -94.

[13]曹文,丁俊華,李再臣.機(jī)械式精密排種器的研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(7):143-146.

[14]劉佳,崔濤,張東興,等.玉米種子分級(jí)處理對(duì)氣力式精量排種器播種效果的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010,26(9):109-113.

[15]鄧海燕,程禮波,杜瑞成.氣吸式精量播種機(jī)簡(jiǎn)述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007(12):58-59.

[16]李耀明,趙湛,陳迸,等.氣吸振動(dòng)式排種器種盤內(nèi)種群運(yùn)動(dòng)的離散元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009, 40(3):56-59.

[17]李耀明,趙湛,陳迸,等.氣吸振動(dòng)式排種器吸種性能數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39 (10):95-99.

[18]李明.世界玉米生產(chǎn)回顧和展望[J].玉米科學(xué),2010,18(3):165-169.

[19]郭慶海.中國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)的演變與發(fā)展[J].玉米科學(xué),2010,18(1):139-145.

[20]佟屏亞.中國(guó)玉米種業(yè)形勢(shì)和發(fā)展前景[J].玉米科學(xué),2012,20(2):144-148.

Simulation Research on Precision Monomer Sowing Depth and Seed Metering of Farming Machine Virtual Prototype

Wang Fengyan1, Ma Yin1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China; 3.Nanchang University,Nanchang 330031, China)

Abstract：In order to further improve the farming machine sowing depth control and metering accuracy, improve the design efficiency of farming machine, put forward a kind of optimization design method of machine for tilling seeding accuracy numerical simulation based on the virtual prototype model, established the seeder, and the optimization effect on seeding parameters calculated simulation. The seeding machine parts design using three-dimensional drawing software UG, assembly model is established, the design of the virtual prototype model of precision seeder, the metering device for precision seeding machine virtual prototype and the qualified rate of the sowing depth of dynamic simulation is carried out using ADAMS software. Through the numerical simulation calculation, the precise sowing machine get deep variation curves, obtained ADAMS parameters before and after optimization, the metering accuracy and sowing depth qualified rate results. The results found, sowing precision after optimization is improved obviously, and the coefficient of variation is small, the virtual prototype of the sowing depth pass rate has been significantly improved, and the sowing depth control of good stability, high control precision sowing depth, provide technical reference for optimization design of seeder the.

Key words：sowing depth control; virtual prototype; metering device; simulation; UG software; ADAMS software

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0017-05

中圖分類號(hào)：S223.2；TP391.99

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王風(fēng)燕(1981-)，女，河南南陽(yáng)人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-01-27