董智，張偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶　163319）

玉米缽盤育秧播種機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真研究

董智，張偉

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

為提高玉米移栽育苗播種效率，達(dá)到玉米增產(chǎn)目的。以窩眼式排種器播種原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種適應(yīng)于該玉米秧盤特定尺寸的播種機(jī)。利用UG三維建模仿真軟件，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)仿真。分析確定了機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，完成了一種窩眼滾筒式自走玉米缽盤育秧精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)，且能夠滿足對(duì)玉米缽盤育秧播種的農(nóng)藝技術(shù)要求，為今后玉米缽育精量播種的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。

玉米育秧；窩眼滾筒；精量播種；仿真設(shè)計(jì)

采用移栽種植方式是解決東北玉米種植受自然條件限制的有效方法之一［1-2］，而傳統(tǒng)移栽缽盤不適用于高速機(jī)械化連續(xù)移栽的要求。對(duì)能滿足連續(xù)高速機(jī)械化移栽的秧苗載具的研究中，一種以農(nóng)作物秸稈為主要原料，能夠隨秧苗移栽入土，達(dá)到秸稈還田目的，穴盤成直列式連續(xù)排列，利于移栽機(jī)實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)化作業(yè)的玉米秧盤的成功研制實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化高速移栽的要求。但是目前對(duì)該玉米缽盤的播種方式還停留在人工播種方式上。所以針對(duì)該玉米缽盤的特點(diǎn)，在滿足其農(nóng)藝要求的前提下，設(shè)計(jì)一種播種機(jī)具，以克服人工播種的弊端。

通過對(duì)相關(guān)播種機(jī)核心部件的研究中發(fā)現(xiàn)，國(guó)外精密排種機(jī)構(gòu)最早應(yīng)用于大田機(jī)械，早期以機(jī)械式排種器為主。隨著對(duì)播種精度要求的提高，排種器的研究逐漸向氣力式排種器方向發(fā)展［3］。氣力式排種器具有適于高速作業(yè)且播種精度高和傷種小的特點(diǎn)［4］，但氣力式排種器同樣也存在一些問題，如整體結(jié)構(gòu)對(duì)氣密性要求高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封結(jié)構(gòu)和部件成本高且使用壽命低，對(duì)于非球體且不規(guī)則的作物種子的適應(yīng)性差，氣壓生成裝置產(chǎn)生的噪聲和震動(dòng)不適于小區(qū)域作業(yè)環(huán)境等。對(duì)于以上弊端，人們又開始尋找新的辦法來試圖解決這些問題，于是像電磁式和液流式等新的排種原理得到研究。另一部分人則把改進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械式排種器作為了新的研究方向。國(guó)內(nèi)在小型播種機(jī)具的研制開發(fā)是一個(gè)從引進(jìn)向自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變過程［5］。

從研究方法上看，研究者們常把計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)引入到設(shè)計(jì)研究中，通過計(jì)算機(jī)程序軟件設(shè)計(jì)并仿真排種機(jī)構(gòu)和運(yùn)行環(huán)境，從而得到設(shè)計(jì)參考。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)性能參數(shù)和統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化以及利用計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)圖像進(jìn)行處理分析等方法都得到了應(yīng)用［6］。

以窩眼式排種器為基礎(chǔ)，針對(duì)玉米缽盤育秧精量播種實(shí)際需要和適應(yīng)的播種模式，設(shè)計(jì)了一種用于玉米缽盤連缽特定尺寸和播種精量要求的窩眼式排種滾筒，并通過仿真軟件分析確定了在滿足播種農(nóng)藝要求下各關(guān)鍵部件的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)，為今后研究玉米缽盤育秧播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

1　結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

玉米缽盤育秧播種機(jī)由播種窩眼滾筒、導(dǎo)種板、刮種刷、掃種滾刷、PLC可編程控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1　玉米缽盤育秧播種機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.13D structure drawing of corn bowl growing tray planter

1.2工作原理

其核心工作部件為播種窩眼滾筒，窩眼滾筒圓周方向上均布型孔窩眼，并且滾筒軸向等距分列多排窩眼可以同時(shí)完成多個(gè)穴位的播種任務(wù)。整個(gè)窩眼滾筒分為5個(gè)區(qū)域，如圖2所示。

圖2　窩眼滾筒分區(qū)圖Fig.2Hole partition of nest

在充種區(qū)、清種區(qū)和護(hù)種區(qū)，分別由刮種刷、掃種滾刷和護(hù)種板來保證在種子隨窩眼滾筒運(yùn)動(dòng)到達(dá)投種區(qū)前，每個(gè)窩眼內(nèi)有且只有一粒玉米種子；然后由護(hù)種板保證在種子達(dá)到投種區(qū)前不會(huì)脫離滾筒窩眼；最后在投種區(qū)，種子在重力或重力和護(hù)種板刮擦力的共同作用下脫離滾筒窩眼，經(jīng)導(dǎo)種板落入缽盤中，從而實(shí)現(xiàn)“一穴一粒”的投種要求。在此過程中，刮種刷和掃種滾刷的共同作用減少了窩眼內(nèi)多粒和空穴的現(xiàn)象。通過PLC控制器控制行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)在軌道上的前進(jìn)和后退。利用傳感器判定執(zhí)行位置，PLC控制器同時(shí)根據(jù)傳感器信號(hào)信息按照設(shè)定程序控制排種驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作和停止。播種窩眼滾筒、掃種滾刷和排種驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間使用同步帶傳動(dòng)以保證運(yùn)行的平穩(wěn)，防止打滑現(xiàn)象發(fā)生。

2　分析及設(shè)計(jì)

2.1玉米種子狀態(tài)分析

根據(jù)觀察，由于玉米種子的形狀特點(diǎn)，種子在平面上自然狀態(tài)多為平臥式，豎臥式因質(zhì)心較平臥式高，所以在受到外力時(shí)玉米種子的豎臥姿態(tài)容易變?yōu)槠脚P姿態(tài)，如圖3所示。

圖3　玉米種子靜置狀態(tài)示意圖Fig.3State diagram of standing corn seeds

其中A為豎臥式，B為平臥式。所以窩眼孔型的設(shè)計(jì)以玉米籽粒最大厚度為窩眼深度的尺寸依據(jù)。

2.2受力分析

根據(jù)玉米種子形狀特點(diǎn)，選擇充種起始位置，如圖4所示。

圖4　玉米種子能進(jìn)入窩眼的極限位置和一般位置示意圖Fig.4Diagram of extreme positions and general positions on corn seeds entering the nest hole

圖中滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)轫槙r(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其中O為種子質(zhì)心，N為種子受到的滾筒對(duì)其的支持力，f為種子與滾筒間的摩擦力。同時(shí)種子還受到上層種子的壓力F以及自身的重力G的作用，在這些力的共同作用下種子落入窩眼內(nèi)，重力方向剛好落在窩眼內(nèi)角上是種子能落入到窩眼內(nèi)的極限位置。如果α角度繼續(xù)增大，則種子將無法進(jìn)入窩眼或者進(jìn)入后翻出。根據(jù)幾何關(guān)系，計(jì)算α角度：

其中D為孔徑，B為種子平均厚度，H為孔深。根據(jù)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，解得α≈56.82°，取充種起始角α與豎直方向夾角為55°。

清種位置的選擇根據(jù)刮種刷與種子相互作用位置選擇，毛刷應(yīng)與圓周法向重合，如圖5所示。

圖5　刮種刷與種子相互作用位置示意圖Fig.5Diagram of shaving seeds brush and seeds interaction

對(duì)窩眼內(nèi)多余種子進(jìn)行受力分析，窩眼內(nèi)多余的種子還受到上層種子的壓力F及自身的重力G的作用。則有x軸方向受力平衡得：

解得：F1=（F+G）（μ cosα-sinα）那么隨著毛刷安裝位置與豎直方向夾角α的減小，清種所需要的毛刷清種力越大。多余種子清出高程為m=H-B。當(dāng)滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，高程差斜面將不再與水平面重合，支持力方向?qū)⑽挥谧鴺?biāo)系第一象限。此時(shí)如果種子質(zhì)心位于窩眼邊緣豎直范圍內(nèi)，在沒有毛刷的作用下，種子將有向回滾動(dòng)或滑動(dòng)的趨勢(shì)。所以α的角度可以通過幾何關(guān)系求出，即

解得α≈9.46°，取α=10°為充種終止角，即刮種刷安置于毛刷平面與豎直方向成10°夾角，如圖6所示。根據(jù)以上計(jì)算可得種子的充種角度在與豎直方向成55°～10°的范圍內(nèi)，則充種范圍角為45°。

圖6　刮種刷安裝位置圖Fig.6Installation location of shaving seeds brush

2.3窩眼分布及滾筒直徑的設(shè)計(jì)

在圓周方向上應(yīng)至少有兩個(gè)窩眼完全暴露在充種區(qū)域45°范圍內(nèi)，以保證有足夠的充種時(shí)間和空間。則90°范圍內(nèi)應(yīng)至少有五排窩眼，那么滾筒圓周應(yīng)該至少均布20個(gè)窩眼。

清種過程中為避免多余種子被清出時(shí)干擾后面的窩眼充種［5］，窩眼間距應(yīng)大于一個(gè)窩眼孔徑的距離，如圖7所示。

圖7　窩眼分布圖Fig.7Distribution of nest hole

如果窩眼間距小于窩眼孔徑，會(huì)導(dǎo)致前面被清出的種子擋住了后面窩眼的一部分，致使其他玉米種子很難進(jìn)入窩眼，如圖8所示。

圖8　種子相互干擾圖Fig.8Graph of seeds mutual interference

故窩眼間距應(yīng)大于窩眼孔徑，所以窩眼滾筒的周長(zhǎng)計(jì)算公式為：

其中D為窩眼孔徑，L2為窩眼間距，n為窩眼滾筒圓周上均布的窩眼個(gè)數(shù)。但在窩眼數(shù)量一定的情況下，窩眼間距越大，窩眼滾筒的周長(zhǎng)越大。所以為了盡量控制窩眼滾筒尺寸，以避免整機(jī)尺寸過大，n取20，由直徑計(jì)算公式：

得其直徑D的平均值約等于159.15 mm，取窩眼滾筒直徑D為160 mm。

3　仿真模擬

3.1仿真模型建立

設(shè)置導(dǎo)種板的目的是通過導(dǎo)種板限制，減少種子相對(duì)穴位的偏移量，使玉米種子能夠準(zhǔn)確落入對(duì)應(yīng)的穴位內(nèi)。利用裝配完的虛擬樣機(jī)整機(jī)尺寸擬定了導(dǎo)種板的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為135 mm。但導(dǎo)種板的設(shè)置是否會(huì)影響正常下落種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過建立三維運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境模擬玉米種子的投種過程來研究分析玉米種子的下落軌跡是否存在與導(dǎo)種板發(fā)生碰撞的情況［6］。利用UG軟件建立導(dǎo)種板和玉米種子等相關(guān)部件的三維模型，如圖9所示。將各部件按照相應(yīng)位置關(guān)系組裝成仿真環(huán)境，在軟件中加載運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通過UG仿真運(yùn)動(dòng)分析得出玉米種子下落軌跡和水平方向加速度圖。

圖9　種子和導(dǎo)種板三維模型Fig.93D model of seeds and guiding seeds device

3.2模擬運(yùn)動(dòng)分析

假設(shè)玉米種子在窩眼內(nèi)的瞬時(shí)速度與窩眼滾筒在該點(diǎn)線速度相同，同時(shí)玉米種子還具有與機(jī)車行進(jìn)方向一直的初速度。但玉米種子與導(dǎo)種板相對(duì)碰撞位置關(guān)系與播種機(jī)前進(jìn)方向合速度無關(guān)。

按照每畝地需要5 000株玉米植株，一小時(shí)完成5畝地的育苗任務(wù)。播種機(jī)可完成一次六行播種，行進(jìn)方向缽盤穴距為42 mm。為彌補(bǔ)播種機(jī)可能存在的空穴漏播現(xiàn)象、保證移栽株數(shù)，按播種穴數(shù)的80%為移栽株數(shù)計(jì)算得出播種機(jī)的窩眼滾筒轉(zhuǎn)速公式為：

其中V為機(jī)車行進(jìn)速度，N為圓周方向窩眼數(shù)，s為秧盤穴距，解得最低轉(zhuǎn)速為n≈0.072 r·s-1。

導(dǎo)種板包角為30°。底端開口長(zhǎng)度為13 mm，將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入U(xiǎn)G運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境模擬玉米種子投種運(yùn)動(dòng)，如圖10所示。玉米種子下落軌跡仿真結(jié)果表明：0.576 s后，即玉米種子脫離窩眼后，玉米種子質(zhì)心在水平方向上的加速度沒有波動(dòng)，即沒有與導(dǎo)種板發(fā)生碰撞。所以得出的結(jié)論為：導(dǎo)種板相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，正常下落的玉米種子不會(huì)與導(dǎo)種板發(fā)生碰撞。

圖10　玉米種子脫離窩眼的時(shí)刻Fig.10Time of corn seeds leaving hole

圖11　玉米缽盤育秧播種機(jī)樣機(jī)Fig.11Planter prototype of corn bowl growing tray

4　播種性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證播種機(jī)構(gòu)理論設(shè)計(jì)的正確性，試制了樣機(jī)如圖11，并進(jìn)行了播種試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)機(jī)具為玉米缽育秧盤播種機(jī)樣機(jī)，試驗(yàn)秧盤為與實(shí)際秧盤尺寸一致的模擬紙質(zhì)秧盤。試驗(yàn)種子選用經(jīng)過篩選的興墾3號(hào)包衣玉米干種，長(zhǎng)度范圍8～12 mm，寬度范圍6～10 mm，厚度范圍5～9 mm，馬齒形，千粒重410 g。通過正交試驗(yàn)確定的最優(yōu)影響因素水平組合為播種試驗(yàn)臺(tái)行進(jìn)速度100 mm·s-1，窩眼型孔深度為6.5 mm，滾筒轉(zhuǎn)速0.12 r·s-1。選取開機(jī)2 s后的50穴缽盤為試驗(yàn)樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)進(jìn)行5次，通過人工計(jì)數(shù)方式統(tǒng)計(jì)播種情況。

4.2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》的規(guī)定，排種性能指標(biāo)包括合格指數(shù)：A=n1/N'× 100%；重播指數(shù)：D=n2/N'×100%；漏播指數(shù)：M=n3/ N'×100%。式中n1為單粒排種數(shù)；n2為2粒以上排種數(shù)；n3為漏播排種數(shù)；N'為理論排種數(shù)［7］。

4.3試驗(yàn)結(jié)果

表1為播種機(jī)播種質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表。由表可知，該播種機(jī)在試驗(yàn)速度下的平均播種合格率能達(dá)到90.4%，平均播種漏播率為6%，平均播種重播率為3.6%，基本滿足播種設(shè)計(jì)要求并高于國(guó)標(biāo)要求［8］。

表1　播種機(jī)播種質(zhì)量指數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1Index statistics of planter mass

5　結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種適用于玉米缽育秧盤的窩眼滾筒式播種機(jī)，該機(jī)具自動(dòng)化程度較高，節(jié)省了人力和物力。

（2）通過UG軟件建立了該播種機(jī)的三維虛擬樣機(jī)模型，并利用仿真模塊對(duì)玉米種子下落過程進(jìn)行了模擬，得到了玉米種子在導(dǎo)種板中的運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證了參數(shù)選擇和機(jī)構(gòu)設(shè)置的合理性，為今后研究玉米缽盤育秧播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

（3）對(duì)試制樣機(jī)進(jìn)行了播種試驗(yàn)，可以滿足正常的試驗(yàn)播種需要。但該播種機(jī)的播種質(zhì)量還有很大的提升空間。

［1］王秀靜.淺析玉米栽培技術(shù)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（27）：279.

［2］王嶺，李響，高樹仁.大慶地區(qū)種植密度對(duì)玉米產(chǎn)量及農(nóng)藝性狀的影響［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，25（6）：5-9.

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Design and Simulation Research of Corn Bowl Growing Tray Planter

Dong Zhi，Zhang Wei
（College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

In order to improve the efficiency of corn planting seedling transplanting，the purpose was to increase maize yield.Based on the principle of nest hole seeding，the adaptation to the specific size of the corn seedling tray planter was designed.Using the UG software of three-dimensional modeling and simulation to research the parametric design and test simulation of the key component. The article analyzed and determined the basic structural parameters and kinematics parameters of mechanism and completed the design of self-propelled nest hole corn bowl growing tray precision planter.It might meet the agronomic technical requirements of corn bowl growing tray seeding，and provided some reference for design and application of corn bowl growing precision sowing in the future.

corn seedlings；nest hole drum；precision sowing；simulation design

S223.2+6

A

1002-2090（2016）02-0086-05

10.3969/j.issn.1002-2090.2016.02.017

2015-03-11

教育部高校博士點(diǎn)基金（玉米植質(zhì)缽育移栽機(jī)械關(guān)鍵裝置的理論研究與試驗(yàn)：20092305110002）。

董智（1988-），男，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院2012級(jí)碩士研究生。

張偉，男，教授，博士研究生導(dǎo)師，E-mail：zhang66wei@126.com。