馮金龍，周文琪，唐漢，于文昌，王金武*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081）

液肥注射式變形齒輪扎穴機構設計與試驗

馮金龍1,2，周文琪1，唐漢1，于文昌3，王金武1*

（1.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，黑龍江大慶 163319；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081）

針對現(xiàn)有扎穴機構存在傳動系統(tǒng)復雜、扎穴穴口較大等問題，設計傳動系統(tǒng)簡單且可實現(xiàn)穴口小變形齒輪扎穴機構。根據(jù)變形齒輪嚙合特點，構建扎穴機構變形齒輪行星輪系節(jié)曲線數(shù)學模型。應用VB語言開發(fā)該扎穴機構仿真優(yōu)化軟件，分析變形齒輪長半軸a、變形齒輪偏心率e、變形齒輪變形系數(shù)m1等重要參數(shù)對扎穴軌跡影響，通過人機交互方式優(yōu)化可滿足扎穴機構工作要求的結構參數(shù)。應用Pro/E軟件建立扎穴機構三維模型，ADAMS軟件模擬仿真，噴肥針尖運動軌跡曲線與理論分析軌跡一致，驗證機構設計合理性。臺架試驗總平均穴口寬度為21.1 mm、穴距220.1mm。結果表明，該扎穴機構滿足噴肥針扎穴穴口性能要求，可為深施型液態(tài)施肥機設計提供理論參考。

扎穴機構；變形齒輪；仿真分析；性能試驗

chanism design was verified.This picking hole mechanism was tested on the test-bed,and the results showed that the hole width was 21.1 mm and distance between the two holes was 220.1 mm.The proposed picking hole mechanism could meet the design requirement,provide a theoretical reference for deep liquid fertilizer with simple structure and high picking hole performance.

液肥深施是將液態(tài)肥施于作物根部土壤層的施肥技術，具有加快作物吸收，提高作物產(chǎn)量特點[1]。國外針對深施型液態(tài)施肥機具及其關鍵部件研究報道較少，國內(nèi)研制的深施型液態(tài)施肥機具有一次性完成扎穴、施肥等作業(yè)特點，關鍵部件扎穴機構經(jīng)優(yōu)化設計和改型主要有曲柄搖桿式、橢圓齒輪式、全橢圓齒輪式、貝塞爾齒輪式四種結構。曲柄搖桿式扎穴機構入土時軌跡過于前傾，機構慣性力不易控制，振動加劇，穴口較大，噴肥針回帶土壤現(xiàn)象嚴重；橢圓齒輪式扎穴機構通過運動學和動力學優(yōu)化，扎穴次數(shù)提高，但機具仍振動較大，穴口較大[5]；全橢圓齒輪式扎穴機構結構簡單，扎穴效率高，但穴口過大問題仍未解決[2]。貝塞爾齒輪式扎穴機構可高速扎穴、改善寬度、振動較小，由7個貝塞爾齒輪組成，結構復雜且加工精度高，貝塞爾齒輪傳動特性難以實現(xiàn)[3]。上述扎穴機構如滿足穴口特定要求，則傳動系統(tǒng)—齒輪行星輪系結構設計復雜，難以保證齒輪傳動精度及機構最佳動力學特性。

為解決上述問題，本文提出液肥注射式變形齒輪扎穴機構，設計簡單，可滿足穴口特定要求。通過調(diào)節(jié)變形齒輪變形系數(shù)和偏心率，實現(xiàn)傳動比縱向和橫向雙向變化，增大傳動比可調(diào)范圍。本文以變形齒輪扎穴機構為研究對象，建立變形齒輪節(jié)曲線方程，開發(fā)人機對話軟件，優(yōu)化機構參數(shù)，并以扎穴機構裝置及臺架試驗驗證設計合理性。

1 液肥注射式變形齒輪扎穴機構組成及工作原理

液肥注射式變形齒輪扎穴機構結構如圖1所示，主要包括5個全等變形齒輪、行星架、搖臂和噴肥針等部分組成。O、A、B分別為變形齒輪焦點，每一個變形齒輪回轉中心均位于其焦點上，中央變形太陽齒輪4長軸兩端分別布置2對變形齒輪，行星架1與中央變形齒輪4同軸心，搖臂2與行星變形齒輪6固結為一體，噴肥針裝配固定在搖臂一端。

圖1 變形齒輪扎穴機構Fig.1Pricking hole mechanism with deformed gears

動力通過與行星架固聯(lián)變形太陽輪軸輸入，其中變形齒輪4與機架固聯(lián)為一體，工作時處于靜止狀態(tài)，不隨行星架轉動；中間變形齒輪5工作時隨行星架一起繞行星架軸線作公轉，繞固定于行星架上軸線作自轉；行星變形齒輪6工作時也隨行星架一起繞行星架軸線作公轉，同時繞固定于行星架上軸線作自轉，形成噴肥針尖軌跡。

2 液肥注射式變形齒輪扎穴機構齒輪節(jié)曲線數(shù)學模型建立

變形齒輪是橢圓齒輪經(jīng)變形得到，在上半個橢圓齒輪對應極角縮小1/m1，在下半個橢圓齒輪對應極角縮小m1/2m1-1，向徑長度不變，其中m1為變形齒輪變形系數(shù)。圖2中O1Q、O1P為橢圓齒輪向徑，極角分別為π、φ1。當極角縮小1/m1時，變形齒輪向徑為O1Q'、O1P'，對應極角為π/m1、φ2/m1。變形齒輪長半軸為a，則變形齒輪節(jié)曲線最大與最小向徑之和為2a，偏心率e=c/a，c為變形齒輪焦距。則圖1中變形齒輪扎穴機構節(jié)曲線方程r1和r2可由下式求得[4-6]。

共軛節(jié)曲線方程為：

式中，r1-變形太陽齒輪回轉中心與中間變形齒輪嚙合點K距離（mm）；r2-中間變形齒輪回轉中心與變形太陽齒輪嚙合點K距離（mm）。

同理可知圖1中變形齒輪扎穴機構節(jié)曲線方程r4和r3。

式中，r3-中間變形齒輪回轉中心與行星變形齒輪嚙合點M距離（mm）。r4-行星變形齒輪回轉中心與中間變形齒輪嚙合點M距離（mm）。

圖2 變形齒輪與橢圓齒輪曲線比較Fig.2Comparison of curve of deformed and elliptic gear

3 參數(shù)優(yōu)化與分析

3.1 人機對話仿真軟件介紹

依據(jù)建立節(jié)曲線數(shù)學模型，采用Visual Basic 6.0編寫液肥注射式變形齒輪扎穴機構仿真與優(yōu)化軟件，如圖3所示（圖中藍色橢圓形圈為參數(shù)輸入?yún)^(qū)、紅色橢圓形圈為噴肥針動軌跡模擬顯示區(qū)、黃色橢圓形圈為參數(shù)輸入?yún)^(qū)）。仿真與優(yōu)化軟件輸入?yún)?shù)包括變形齒輪長半軸a、變形齒輪偏心率e、行星架初始安裝角φ0、變形齒輪變形系數(shù)m1和噴肥針與行星變形齒輪長軸初始夾角α0等[7-11]，輸出參數(shù)值為扎穴穴口尺寸。

圖3 可視化人機交互優(yōu)化界面Fig.3Optimization interface of visible man-machine interaction

通過輸入相關參數(shù)，結合噴肥針扎穴動軌跡模擬時姿態(tài)變化及穴口尺寸，反復試驗，得到理想目標值。

3.2 主要參數(shù)對穴口影響分析

依據(jù)建立數(shù)學模型和運動學仿真分析與優(yōu)化軟件，發(fā)現(xiàn)變形齒輪扎穴機構以下參數(shù)對扎穴穴口影響顯著：變形齒輪長半軸a、變形齒輪偏心率e、行星架初始安裝角φ0、變形齒輪變形系數(shù)m1、噴肥針與行星變形齒輪長軸初始夾角α0、噴肥針長度h2。

3.2.1 長半軸a

長半軸a對扎穴軌跡和穴口影響規(guī)律，如圖4所示。當選取e=0.0718、φ0=50°、α0=125°和m1=1.4時，隨著a增大，穴口逐漸減小，但壟面下動軌跡高度逐漸增加（文中箭頭表示壟面線），說明扎穴深度逐漸增大，不利于深施肥深度要求，該部分動軌跡形成環(huán)扣，逐漸增大。當軌跡出現(xiàn)環(huán)扣時便不適合扎穴，噴肥針回帶現(xiàn)象嚴重，不利于肥口噴出肥料，造成堵塞。長半軸a對扎穴軌跡和穴口影響較大，為優(yōu)先考慮對象。

圖4 不同長半軸a對軌跡和穴口影響Fig.4Effect of different long semi-axis a on the curve and hole

3.2.2 偏心率e

偏心率e對扎穴軌跡和穴口影響規(guī)律，如圖5所示。當選取a=30mm、α0=125°、φ0=50°和m1=1.4時，隨著e增大，穴口增大，壟面下動軌跡高度減小，該動軌跡形成環(huán)扣減小至消失。其動軌跡形狀存在向左傾斜變化過程，說明噴肥針扎穴時姿態(tài)向前傾斜，壟面上不易出現(xiàn)小穴口。

3.2.3 變形系數(shù)m1

變形系數(shù)m1對扎穴軌跡和穴口影響規(guī)律，如圖6所示。當選取α0=125°、e=0.0718、φ0=50°、a= 30 mm時，隨變形齒輪變形系數(shù)m1增大，穴口逐漸增大。壟面下動軌跡形成環(huán)扣減小至消失，其動軌跡形狀存在由左向右傾斜變化過程，變化幅度較大，說明噴肥針后仰姿態(tài)嚴重。

圖5 不同偏心率e對軌跡和穴口影響Fig.5Effect of different eccentricity e on the curve and hole

圖6 不同變形系數(shù)m1對軌跡和穴口影響Fig.6Effect of different coefficient m1on the curve and hole

3.2.4 噴肥針與行星變形齒輪長軸初始夾角α0

噴肥針與行星變形齒輪長軸初始夾角α0對扎穴軌跡和穴口影響規(guī)律，如圖7所示。當選取a= 30 mm、e=0.0718、m1=1.4和φ0=50°時，隨α0增大，穴口逐漸增大，壟面下動軌跡形成環(huán)扣減小至消失。動軌跡形狀存在由右向左傾斜變化過程，變化幅度不大，說明噴肥針扎穴時姿態(tài)前傾幅度較小。

圖7 不同α0對軌跡和穴口影響Fig.7Effect of different α0on the curve and hole

依據(jù)人機對話軟件，以噴肥針入出土過程中軌跡姿態(tài)和穴口寬度較小為目標，軌跡優(yōu)化，得到較優(yōu)參數(shù)為：a=30 mm、e=0.0718、φ0=50°、m1= 1.4、α0=125°和h2=165mm，此時扎穴噴肥針動軌跡姿態(tài)較為豎直，壟面下軌跡無環(huán)扣，穴口為19.9 mm，滿足機構穴口較小要求，如圖3所示。

4 液肥注射式變形齒輪扎穴機構仿真

將運動學仿真與優(yōu)化軟件得到變形系數(shù)和偏心率等數(shù)據(jù)輸入變形齒輪齒廓生成軟件，在軟件繪圖區(qū)顯示變形齒輪齒廓形狀，軟件將顯示齒廓對應坐標點生成文件，將齒廓坐標點文件導入CAD軟件中，繪制變形齒輪齒廓圖。齒廓生成界面如圖8所示。

依據(jù)繪制變形齒輪齒廓和優(yōu)化機構參數(shù)對扎穴機構完成結構設計，運用Pro/E軟件對變形齒輪扎穴機構完成三維實體建模及虛擬裝配，導入ADAMS軟件中，運動學仿真，將得到噴肥針尖相對運動軌跡仿真結果與仿真優(yōu)化軟件中理論分析結果對比，驗證變形齒輪扎穴機構設計合理性，噴肥針尖軌跡曲線形狀對比如圖9所示。

由圖9可知，仿真優(yōu)化軟件得到理論軌跡曲線與Adams仿真得到軌跡曲線走勢一致，說明變形齒輪扎穴機構三維設計和虛擬裝配正確。

圖8 變形齒輪齒廓生成軟件界面Fig.8Deformed gear tooth profile generation software interface

圖9 優(yōu)化軟件理論軌跡與Adams仿真結果比較Fig.9Comparison validation between the theoretical calculation by software VB and the virtual simulation by Adams

5 臺架試驗

5.1 試驗材料及方法

為驗證變形齒輪扎穴機構扎穴性能，在自主設計變形齒輪扎穴機構試驗臺完成扎穴性能驗證試驗。以實際測量穴口寬度、穴距與變形齒輪扎穴機構仿真優(yōu)化軟件比較結果，驗證理論分析和結構設計合理性。

試驗臺結構，如圖10所示。主要由電動機、試驗臺車、傳動裝置、變頻柜和變形齒輪扎穴機構等部分組成。試驗地點是東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)具實驗室，槽內(nèi)土壤為典型黑壤土，調(diào)整土壤硬度為0.8～1.0 MPa，含水量為25%～30%，與中耕追肥時期土壤參數(shù)一致。

變頻柜6控制電動機1和電動機2，電動機1控制試驗臺車2在土槽導軌上往復運動即牽連速度，電動機2通過傳動裝置控制變形齒輪扎穴機構4轉動即相對速度，兩者合成運動構成噴肥針動軌跡，變形齒輪扎穴機構轉動一周完成兩次扎穴運動。

利用變形齒輪扎穴機構仿真優(yōu)化分析軟件，在保證具有較小穴口前提下，調(diào)節(jié)其工作參數(shù)：機構前進速度0.6 m·s-1，扎穴機構轉速80 r·min-1。因此，本試驗選取扎穴機構轉速80 r·min-1，臺車速度0.6 m·s-1，由變頻柜調(diào)頻臺架上兩部電機轉速，臺車速度和行星架轉速達到試驗要求標準，作5組重復試驗，測量穴口寬度與穴距，結果如表1。

圖10 變形齒輪扎穴機構試驗臺Fig.10Test-bed of deformable gears trains pricking hole mechanism

5.2 試驗結果與分析

由表2可知，5組重復試驗穴口寬度與穴距總平均值為21.1 mm與220.1 mm，與變形齒輪扎穴機構仿真優(yōu)化分析軟件得到機構輸出參數(shù)19.9 mm相比，誤差為1.2 mm、穴距誤差為0.1 mm（標準220 mm），試驗過程中臺車振動、土壤情況與理想狀態(tài)差距是試驗結果偏大主因，實際測量穴口寬度在農(nóng)藝要求范圍內(nèi)，滿足深施型液態(tài)施肥機扎穴要求。

表1 扎穴穴口寬度測量值Table 1Measured of the hole

表2 扎穴穴距測量值Table 2Measured of between the two holes

6 結論

a.本文根據(jù)變形齒輪傳動嚙合特點，設計液肥注射式變形齒輪扎穴機構，建立齒輪行星輪系節(jié)曲線方程。

b.基于VB編程語言，開發(fā)變形齒輪扎穴機構仿真分析與優(yōu)化軟件，以穴口較小為優(yōu)化目標，優(yōu)化機構結構參數(shù)：a=30 mm、e=0.0718、m1=1.4、φ0=50°、α0=125°和h2=165 mm，穴口寬度19.9 mm。

c.根據(jù)計算機構優(yōu)化參數(shù)開展臺架驗證試驗，扎穴穴口寬度與穴距總平均值為21.1 mm與220.1 mm，驗證整體設計合理。

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Design and experiment of picking hole mechanism based on deformableelliptic gears of liquid fertilizer injection type

Aiming at the existing problems of big hole and complex transmission system of picking hole mechanism,a kind of picking hole mechanism based on deformable-elliptic gearsofsimpletransmissionsystemandsmallholewasdesigned.Accordingtothe characteristics of the meshing of the deformation gears,the mathematical model of the nodal curve of the planetary gear train with deformation gears was built.The kinematic simulation optimization software of the picking hole mechanism is developed by VB software. The effects of the long semi-axisa,eccentricitye,coefficientm1on the picking hole trajectory were analyzed.Through the type of human-computer interaction,a set of optimal parameters were obtained,the picking hole mechanism model was established by applying Pro/E software.With the ADAMS software,the trajectory curves were got.The correctness of the me

S224.1+3

A

1005-9369（2017）02-0090-07/FENG Jinlong1,2,ZHOU Wenqi1, TANG Han1,YU Wenchang3,WANG Jinwu1(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.School of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing Heilongjiang 163319,China;3.Scientific Research Institute of Agriculture Mechanical Engineering in Heilongjiang Province,Harbin 150081,China)

2016-12-01

國家自然科學基金項目（51675093）

馮金龍（1979-），男，講師，博士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)機械裝備。E-mail:fj_long@163.com

*通訊作者：王金武，教授，博士生導師，研究方向為田間機械及機械可靠性。E-mail:jinwuw@163.com

時間2017-3-7 16:19:24[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170307.1619.024.html

馮金龍,周文琪,唐漢,等.液肥注射式變形齒輪扎穴機構設計與試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2017,48(2):90-96.

Feng Jinlong,Zhou Wenqi,Tang Han,et al.Design and experiment of picking hole mechanism based on deformable-elliptic gears of liquid fertilizer injection type[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(2):90-96.(in Chinese with English abstract)