陳繼國(guó)，衣淑娟，劉凌峻，李怡凱

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

近年來(lái)，免耕播種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到快速發(fā)展[1-4]，學(xué)者們主要集中在玉米、小麥和花生等播種機(jī)的研究工作上[5-8]。對(duì)于玉米精量播種機(jī)而言，四桿仿形機(jī)構(gòu)是影響玉米播種機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量關(guān)鍵因素之一。作業(yè)過(guò)程中，特別是免耕播種作業(yè)中，由于播種單體相對(duì)地表上下起伏相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致排種軸與地輪之間的距離不斷變化，四桿仿形機(jī)構(gòu)仿形量變化較大，進(jìn)而影響播種的作業(yè)質(zhì)量[9]。因此，對(duì)平行四桿仿形機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)研究是保證免耕播種機(jī)作業(yè)播深一致的關(guān)鍵。

目前，對(duì)于玉米免耕播種機(jī)研究人員做了大量研究，主要有河北農(nóng)業(yè)大學(xué)[9]設(shè)計(jì)的2BMQ-4 型玉米免耕清壟施肥精密播種機(jī)、羅紅旗等[10]設(shè)計(jì)2BML-2型壟作免耕播種機(jī)、機(jī)美諾科技股份有限公司[11]設(shè)計(jì)的2BJM-4 型玉米免耕精密播種機(jī)、黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)[12]設(shè)計(jì)的2BDMJ-6 型大壟雙行免耕精量播種機(jī)以及黑龍江省農(nóng)機(jī)研究院2BJM-6 型免耕精量播種機(jī)等。以2BJM-6 型免耕精量播種機(jī)為例，該機(jī)器采用懸掛式，外形尺寸為2 450 mm×5 510 mm×2 160 mm，配套動(dòng)力55～88 KW，整機(jī)重量1 600 kg，6 行播種，播深30～70 mm，肥深80～100 mm，行距60～70 mm，大豆播種量54～90 kg·hm-2，玉米播種量15～45 kg·hm-2。該免耕精量播種機(jī)適合東北地區(qū)玉米茬地特別是旱區(qū)免耕播種作業(yè)，主要由機(jī)架、單圓盤施肥開(kāi)溝器、仿形架、地輪、雙圓盤開(kāi)溝器、波紋圓盤破茬刀、鎮(zhèn)壓輪、仿形限深輪、排種器和外槽輪排肥器等機(jī)構(gòu)組成，地輪整體驅(qū)動(dòng)單體仿形。作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)鏈輪的更換來(lái)改變種距，當(dāng)其工作一次行程就可以完成精密播種所需的六道工序，可實(shí)現(xiàn)精密播種。上述機(jī)型均采用了平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，且均存在功耗大、作業(yè)效率不高，對(duì)土壤擾動(dòng)量大的問(wèn)題[12]。

為了提高播種作業(yè)質(zhì)量和播深一致性，研究人員在仿形機(jī)構(gòu)的控制與限深裝置等方面做了大量的研究。李正義等[13]采用PLC 控制玉米精量播種，用步進(jìn)電機(jī)代替地輪控制排種器，實(shí)現(xiàn)精量播種，提高了工作效率和播種性能，但在播深控制方面闡述較少；梁方等[14]設(shè)計(jì)了開(kāi)溝深度定壓電液仿形控制系統(tǒng)，利用MATLAB 仿真獲得在20～200 N 的開(kāi)溝力、10～80 mm 開(kāi)溝深度下，系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間約在0.27～0.36 s，研究為電液仿形在土壤條件下的實(shí)際應(yīng)用，特別是固定播深下仿形機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間等方面提供了一定理論基礎(chǔ)；許光彬等[15]采用UG 仿真研究了旋播一體機(jī)彈-液雙位仿形機(jī)構(gòu)；賀俊林等[16]對(duì)2BQYF-6A 硬茬精密播種機(jī)仿形傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)改變四桿仿形機(jī)構(gòu)的尺寸方案獲得III 型樣機(jī)傳動(dòng)性能穩(wěn)定，觀察不到明顯的跳動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)；白曉虎等[17]采用ADAMS對(duì)2BG-2 型免耕播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)安裝拉力彈簧有利于開(kāi)溝深度穩(wěn)定，彈簧剛度系數(shù)越大，最大偏角越小，開(kāi)溝深度變化就越小；馬永財(cái)?shù)萚18]對(duì)比分析了基于彈簧變形的四桿仿形機(jī)構(gòu)和電液自控仿形機(jī)構(gòu)仿形精度，發(fā)現(xiàn)電液自控仿形的精度要高于基于彈簧變形的四桿仿形機(jī)構(gòu)，但要考慮地表的起伏和土質(zhì)軟硬對(duì)仿形精度影響。

基于以上研究，目前主要的仿形機(jī)構(gòu)包括基于彈簧變形的機(jī)械仿形和電液仿形機(jī)構(gòu)。對(duì)于機(jī)械仿形中平行四桿仿形機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)殡S著地表的起伏，彈簧會(huì)產(chǎn)生壓縮或伸長(zhǎng)，彈簧力對(duì)開(kāi)溝器的豎直壓力會(huì)產(chǎn)生變化，直接影響開(kāi)溝深度，所以基于彈簧形變的四桿仿形機(jī)構(gòu)并不能嚴(yán)格保證開(kāi)溝深度完全一致；對(duì)于電液仿形機(jī)構(gòu)來(lái)講，一般利用的機(jī)電液一體化的技術(shù)，利用PLC、傳感器等控制裝置調(diào)節(jié)液壓缸的位移，實(shí)現(xiàn)播種深度的一致性，而當(dāng)播種機(jī)處于高速作業(yè)和復(fù)雜的土壤環(huán)境時(shí)，執(zhí)行元件-液壓缸的反饋仍會(huì)出現(xiàn)一定滯后的現(xiàn)象，也就是說(shuō)在高速作業(yè)中播深控制出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。綜上所述，四桿仿形機(jī)構(gòu)是保證播深一致性的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，其的仿形性能可有效保證播種機(jī)作業(yè)過(guò)程中種溝具有一致性，最終保證種子具有較好的出苗率。因此，設(shè)計(jì)出合理性能參數(shù)的四桿仿形機(jī)構(gòu)，對(duì)智能免耕高速精量播種機(jī)仿形控制具有直接的理論與實(shí)踐指導(dǎo)意義。

1 玉米播種單體結(jié)構(gòu)、工作原理和主要參數(shù)

1.1 播種單體結(jié)構(gòu)和工作原理

玉米免耕精量播種機(jī)主要適用于干旱和半干旱地區(qū)，如中農(nóng)機(jī)2BJ-470B 型，免耕精量播種機(jī)一般是由平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、種箱、肥箱、指夾式排種器、免耕破茬裝置、雙圓盤開(kāi)溝器、覆土鎮(zhèn)壓輪和限深裝置等組成，該類型播種機(jī)一次工作行程可完成播種所需的開(kāi)溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等工序。所設(shè)計(jì)的玉米精量播種機(jī)播種單體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1 所示，主要是由平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、波紋圓盤破茬刀、播深調(diào)節(jié)裝置、雙圓盤開(kāi)溝器、限位塊、仿形限深輪和拉力彈簧等組成，該播種單體排種器采用指夾式，排肥器采用外槽輪式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用鏈條傳動(dòng)，排種開(kāi)溝器采用雙圓盤式，防堵工作部件采用波紋圓盤式。

圖1 玉米精量播種機(jī)播種單體結(jié)構(gòu)Fig.1 Seeding monomer structure of maize precise seeder

播種單體的工作原理為作業(yè)前需設(shè)置播深，作業(yè)過(guò)程中，通過(guò)調(diào)定播深調(diào)節(jié)裝置（6）的調(diào)節(jié)手柄調(diào)整限深輪與雙圓盤的相對(duì)位置，來(lái)控制播深。調(diào)節(jié)手柄在調(diào)節(jié)板上共有7 個(gè)檔位，從而調(diào)節(jié)限深塊的位置，滿足不同條件對(duì)播深的要求。當(dāng)播深確定后，仿形限深輪（9）沿地表運(yùn)動(dòng)，配合平行四桿仿形機(jī)構(gòu)（3）作用，播種單體可以自動(dòng)調(diào)節(jié)上下位置，保證播種深度的穩(wěn)定一致；波紋圓盤破茬刀（7）將秸稈切斷，雙圓盤開(kāi)溝器（8）開(kāi)出種溝；排種器排種導(dǎo)管導(dǎo)出種溝，然后完成覆土鎮(zhèn)壓。設(shè)計(jì)單體四桿方形機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)的配合，解決了播種單體的播深一致性問(wèn)題，既能保證穩(wěn)定的機(jī)械仿形，也可滿足足夠的機(jī)械強(qiáng)度要求。

1.2 主要參數(shù)

播種機(jī)一次作業(yè)可完成破茬、開(kāi)溝、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等多項(xiàng)作業(yè)，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 玉米播種機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of corn planting monomer

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與分析

2.1 四桿仿形部件的結(jié)構(gòu)原理

平行四桿仿形機(jī)構(gòu)保證了玉米播種機(jī)播深一致性的要求，保證播種單體開(kāi)溝深淺一致，進(jìn)而對(duì)種子出苗和做作生長(zhǎng)的均勻性提供了有力條件[18]。根據(jù)仿形輪和開(kāi)溝器的位置關(guān)系，四桿仿形機(jī)構(gòu)可分為前位、側(cè)位、后位三種類型仿形形式。采用側(cè)位仿形，即將仿形輪放置在開(kāi)溝器兩側(cè)，與開(kāi)溝器緊密貼合，與其它兩類仿形相比而言，側(cè)位仿形精度較高，但開(kāi)溝器與仿形限深輪之間會(huì)存在間隙，作業(yè)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的發(fā)生。播種單體四桿仿形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2 所示，主要是由機(jī)架AC、上連架桿AB、下連架CD 和連桿BD 等組成。

圖2 四桿仿形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Four rod profiling mechanism diagram

由圖2 可見(jiàn)，四桿仿形機(jī)構(gòu)的上連架桿AB 和下連架桿CD 平行且相等，A 和C 點(diǎn)鉸鏈在機(jī)架AC上，B 和D 點(diǎn)鉸鏈在連桿BD 上，由上連架桿AB、下連架桿CD 和連桿BD 組成四桿機(jī)構(gòu)繞鉸鏈點(diǎn)A 和C 轉(zhuǎn)動(dòng)。鑒于平行四邊形的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，作業(yè)過(guò)程中，由于上連架桿AB 和下連架桿CD 做平行運(yùn)動(dòng)，因此與連桿BD 相連的雙圓盤開(kāi)溝器總是做上下的平行運(yùn)動(dòng)，保證了播種作業(yè)過(guò)程中的種子溝的深度相同，進(jìn)而保證播深一致性。

2.2 四桿仿形部件的受力分析

研究表明[19-20]，平行四桿仿形機(jī)構(gòu)的土壤對(duì)鎮(zhèn)壓輪的支反力主要因素包括單體的配重、牽引角及開(kāi)溝部件所受的阻力。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)開(kāi)溝器與仿形輪與土壤相接觸的底端垂直距離決定了播種單體的播深。為了保證開(kāi)溝器和仿形輪在隨地面輪廓上下起伏的作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性，因此，對(duì)開(kāi)溝器、限深輪和鎮(zhèn)壓輪的受力分析對(duì)四桿仿形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在田間作業(yè)過(guò)程中，為保證播深的穩(wěn)定性和仿形的流暢性，四桿仿形機(jī)構(gòu)應(yīng)保持受力平衡。四桿仿形機(jī)構(gòu)的受力分析見(jiàn)圖3 所示，對(duì)播種單體進(jìn)行受力分析，可得其受力平衡和力矩平衡方程：

圖3 四桿仿形機(jī)構(gòu)受力分析圖Fig.3 Stress analysis diagram of four rod profiling mechanism

式中：

FQX、FQY—分別為播種單體所受牽引力的水平分力和垂直分力；

FKX、FKY—分別為開(kāi)溝器水平和垂直方向所受的阻力，F(xiàn)KX=fFKY，f 為土壤阻力系數(shù)；

FSX、FSY—分別為限深輪水平和垂直方向所受的阻力，F(xiàn)SX=μFSY，μ 為限深輪所受阻力系數(shù)；

FZX、FZY—分別為鎮(zhèn)壓輪水平和垂直方向所受的阻力，F(xiàn)ZX=f1FZY，f1為鎮(zhèn)壓輪所受阻力系數(shù)；

M—為牽引力在xy 平面上的力矩；

rk—為開(kāi)溝器的半徑；

rS—為限深輪的半徑；

rZ—為鎮(zhèn)壓輪的半徑；

G—為播種單體的重力；

H1—為播種單體所受牽引力受力點(diǎn)距鉸鏈點(diǎn)C在y 坐標(biāo)軸上的距離；

H2—為限深輪回轉(zhuǎn)中心距鉸鏈點(diǎn)D 在y 坐標(biāo)軸上的距離；

H3—為限深輪回轉(zhuǎn)中心距鉸鏈點(diǎn)D 在x 坐標(biāo)軸上的距離；

H4—為開(kāi)溝器回轉(zhuǎn)中心距鉸鏈點(diǎn)D 在y 坐標(biāo)軸上的距離；

H5—為開(kāi)溝器回轉(zhuǎn)中心距鉸鏈點(diǎn)D 在x 坐標(biāo)軸上的距離；

H6—為播種單體重力作用點(diǎn)距鉸鏈點(diǎn)D 在x 坐標(biāo)軸上的距離；

H7—為鎮(zhèn)壓輪回轉(zhuǎn)中心距鉸鏈點(diǎn)D 在x 坐標(biāo)軸上的距離；

H8—為鎮(zhèn)壓輪回轉(zhuǎn)中心距鉸鏈點(diǎn)D 在y 坐標(biāo)軸上的距離；

α—為連架桿CD 與x 標(biāo)軸所夾的角度。

由公式（1）、（2）和（3）可得，限深輪所受的阻力為：

由公式（4）可見(jiàn)，仿形限深輪所受的阻力與重力G、開(kāi)溝器的工作阻力FXY、鎮(zhèn)壓輪的工作阻力FZY和水平角α 等有關(guān)，當(dāng)播種單體的重力G 恒定不變時(shí)，隨著FKY、FZY和α 的增加，仿形限深輪受到的阻力減小。相反，隨著FKY、FZY和α 的減少，仿形限深輪所受的阻力值就變大。限深輪所受的阻力將直接影響仿形的精度和播深的準(zhǔn)確。同時(shí)，要保證開(kāi)溝部件在作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性，覆土鎮(zhèn)壓輪與地面之間有合適的垂直阻力FZY。若垂直阻力FZY的值越大，則容易導(dǎo)致鎮(zhèn)壓輪的下陷量越大，致使鎮(zhèn)壓輪所受的前進(jìn)阻力FZX就越大；相反，若垂直阻力FZY的值越小，則機(jī)器重力G 不足，導(dǎo)致開(kāi)溝部件不能夠穩(wěn)定工作，最終導(dǎo)致不能保證播深的一致性。

2.3 四桿仿形部件的參數(shù)設(shè)計(jì)

平行四桿仿形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸如桿長(zhǎng)尺寸、牽引角、橫向?qū)挾取?qiáng)度和剛度等，是影響四桿仿形機(jī)構(gòu)仿形性能主要因素[20]。為保證開(kāi)溝器穩(wěn)定工作，牽引角的變化范圍越小越好。仿形機(jī)構(gòu)中上下連架桿要有但一定強(qiáng)度，且長(zhǎng)度適合。若連架桿長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致播種機(jī)構(gòu)重心后移，破壞作業(yè)工作時(shí)的穩(wěn)定性。結(jié)合農(nóng)藝要求和土地處理程度，來(lái)確定四桿仿形機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)尺寸。通常，上下仿形量為80～120 mm，橫向?qū)挾冗x定為350 mm，其四桿機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)見(jiàn)圖4 所示。

圖4 上下仿形的尺寸參數(shù)Fig.4 Dimension parameters of the upper and lower profiles

上下仿形機(jī)構(gòu)的總仿形量h、連架桿長(zhǎng)度L 和上仿形量h1分別為：

式中：

h—為總仿形量，mm；

h1—為上仿形量，mm；

h2—為下仿形量，mm；

L—為四桿機(jī)構(gòu)的連架桿長(zhǎng)度，mm；

α1—為上仿形角，°；

α2—為下仿形角，°；

α—為牽引角，°。

由公式（5）可見(jiàn)，若上下仿形量相同時(shí)，上下連架桿越短，則牽引角變化范圍越大；反之牽引角變化范圍則越小。為了保證玉米精密播種單體在作業(yè)過(guò)程的穩(wěn)定性，牽引角取值應(yīng)小一些更為有利[20]。同時(shí)，四桿仿形機(jī)構(gòu)的上下連架桿越長(zhǎng)，則可以提高播種機(jī)具作業(yè)的穩(wěn)定性。但是上下連架桿過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)播種單體尺寸過(guò)大，整機(jī)尺寸過(guò)大和重心轉(zhuǎn)移，不利于播種單體作業(yè)的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)選定上仿形角為15 °，牽引角為0 °，下仿形角為20 °，則得到四桿機(jī)構(gòu)中機(jī)架LAC長(zhǎng)度為205 mm。在此基礎(chǔ)上，假定上下仿形量相等，進(jìn)一步確定四桿機(jī)構(gòu)的連架桿L長(zhǎng)度。由公式（6）可得到連架桿AB 的長(zhǎng)度。取下仿形量h2為120 mm，下仿形角α2為20 °，算的連架LAB桿長(zhǎng)度為350.86 mm，取LAB為350 mm。同時(shí)，將LAB為350 mm，上仿形角α1為15 °帶入公式（7），可得上仿形量h1為90.58 mm，滿足上下仿形量80～120 mm的使用要求。

2.4 四桿仿形機(jī)構(gòu)拉力彈簧分析

對(duì)于四桿仿形機(jī)構(gòu)中的雙圓盤開(kāi)溝器需要播種單體提供一定的向下壓力，在作業(yè)過(guò)程中可以保證以一致的深度平滑開(kāi)出種子溝。在設(shè)計(jì)中設(shè)置在平行四桿上的拉力彈簧向下方供給壓力，對(duì)彈簧的力分析將有力于四桿仿形機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。四桿機(jī)構(gòu)處于水平、上浮和下浮三種不同位置時(shí)彈簧的狀態(tài)見(jiàn)圖5 所示。

圖5 四桿機(jī)構(gòu)處于不同位置時(shí)彈簧的狀態(tài)Fig.5 State of spring when four rod profiling mechanism in the condition of different positions

由圖5 可見(jiàn)，當(dāng)玉米精密播種單體的四桿機(jī)構(gòu)處于水平狀態(tài)時(shí)，連架桿AB 為上連桿，播種單體主梁上連接的是機(jī)架AC，播種機(jī)前進(jìn)方向?yàn)樗较蜃螅藭r(shí)彈簧的長(zhǎng)度為lOQ；當(dāng)玉米精密播種單體的四桿機(jī)構(gòu)處于上下浮動(dòng)時(shí)時(shí)，機(jī)架AC 和連架桿AB 的夾角θ 發(fā)生變化，此時(shí)彈簧的長(zhǎng)度為lOQ′。經(jīng)分析可得四桿機(jī)構(gòu)分別處于水平時(shí)、上浮動(dòng)時(shí)和下浮動(dòng)時(shí)下彈簧的長(zhǎng)度分別為：

當(dāng)仿形四桿機(jī)構(gòu)處于水平位置時(shí)，設(shè)此時(shí)的彈簧拉力為F0，由公式（10）可見(jiàn)，隨著夾角θ 的增加，則彈簧的拉伸量增加，彈簧拉力增加，迫使仿形四桿機(jī)構(gòu)由向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，也就是說(shuō)當(dāng)隨著夾角θ 增加時(shí)，由彈簧所產(chǎn)生的垂直向下的分力增加，即當(dāng)仿形四桿機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧會(huì)對(duì)四桿仿形機(jī)構(gòu)產(chǎn)生垂直向下的壓力，以確保播深的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)為了保證彈簧不同的預(yù)緊力、單體重量和下壓力的需求，在仿形四桿機(jī)構(gòu)的連架桿上通過(guò)一根橫梁來(lái)掛接四個(gè)彈簧，并設(shè)置了兩個(gè)擋位，分別為Q 點(diǎn)和R 點(diǎn)，距離鉸接點(diǎn)A的距離長(zhǎng)度分別為lAQ為170 mm，lAR為230 mm，彈簧下端固定在下桿的點(diǎn)O 上，lOC為92.5 mm。

針對(duì)上述彈簧的分析，彈簧主要承受拉伸載荷，選用圓柱螺旋拉伸彈簧，具體技術(shù)參數(shù)為碳素彈簧鋼絲C 級(jí)，端部結(jié)構(gòu)采用兩端具有可轉(zhuǎn)鉤環(huán)，彈簧簧絲直徑d 為5 mm，彈簧中徑D 為30 mm，有效圈數(shù)n為28 圈，自由長(zhǎng)度H0為207.5 mm，初拉力P0為164N，工作極限載荷Pj為960N，實(shí)際極限載荷Pn為768N。

3 結(jié)果與分析

3.1 四桿仿形機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)玉米精量播種機(jī)的工作原理，在充分考了各個(gè)零部件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用UG 軟件對(duì)玉米精量播種機(jī)播種單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化三維建模，見(jiàn)圖6所示，主要是由平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、波紋圓盤破茬刀、播深調(diào)節(jié)裝置、雙圓盤開(kāi)溝器、限位塊、仿形限深輪和拉力彈簧等組成。仿真設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了各個(gè)零件之間裝配所需的同軸、同心和平行等約束關(guān)系和運(yùn)動(dòng)副的連接關(guān)系，通過(guò)對(duì)裝配體的干涉檢查、碰撞檢查和動(dòng)態(tài)間隙檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)干涉區(qū)域，據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，經(jīng)驗(yàn)證各零件和部件間不存在干涉現(xiàn)象，單體的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行合理。仿真設(shè)計(jì)的播種單體播深的調(diào)節(jié)范圍10～70 mm，對(duì)應(yīng)的限深輪拐臂長(zhǎng)度為260 mm，經(jīng)計(jì)算仿形限深輪直徑為367.7 mm，最終選用仿形限深輪規(guī)格為101.6 mm×406.4 mm（寬×直徑），即可滿足不同地塊玉米精密播種的播深要求。

圖6 玉米精量播種機(jī)播種單體結(jié)構(gòu)Fig.6 Seeding monomer structure of maize precise seeder

3.2 四桿仿形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真與分析

四桿仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真方案見(jiàn)圖7 所示。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，為減少運(yùn)動(dòng)副的數(shù)量，同時(shí)也能將各個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)關(guān)系表達(dá)清楚，提高在運(yùn)動(dòng)仿真操作時(shí)的效率，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析前，要根據(jù)各運(yùn)動(dòng)副對(duì)單體運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，在定義連桿時(shí)，將具有相同運(yùn)動(dòng)形式的部件視為同一連桿。由于在運(yùn)動(dòng)仿真中的彈簧柔性形變涉及到有限元分析，將仿形機(jī)構(gòu)上的四個(gè)壓力彈簧去除，即對(duì)于四桿仿形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，要根據(jù)各運(yùn)動(dòng)副對(duì)單桿運(yùn)動(dòng)的影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。在定義連桿時(shí)，將具有相同運(yùn)動(dòng)形式的部件視為同一連架桿，依次完成四桿機(jī)構(gòu)機(jī)架、連架桿和連桿定義，依次將固定機(jī)架定義為L(zhǎng)001，上連架桿定義為L(zhǎng)002，下連架桿定義為L(zhǎng)003，連桿整體定位為L(zhǎng)004。對(duì)四桿仿形機(jī)構(gòu)的機(jī)架、連架桿和連桿所形成的轉(zhuǎn)動(dòng)副，完成J001～J009 轉(zhuǎn)動(dòng)副的創(chuàng)建，以L002 連架桿為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，定義諧波函數(shù)，幅值35 °，頻率為180 °·s-1，名稱定義為Drv001。進(jìn)入結(jié)算方案后，分析類型為常規(guī)型，時(shí)間為1s，步數(shù)為300，指定重力方向，數(shù)值為默認(rèn)。解算完成后，可通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真觀察平行四桿仿形的整體運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)導(dǎo)出J004 旋轉(zhuǎn)副在300 步中所轉(zhuǎn)過(guò)的角度數(shù)據(jù)表，為了方便分析，取步長(zhǎng)為0～4 和160～165，見(jiàn)表2 所示。

圖7 四桿仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真方案Fig.7 Motion simulation scheme of four rod profiling mechanism

表2 運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)Table 2 Motion simulation data

由設(shè)計(jì)結(jié)果可得，上仿形角為15 °，下仿形角為20 °，由表2 可見(jiàn)，連架桿從最低點(diǎn)到最高點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)角度為35 °，滿足其仿形要求。運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)論為：最終確定四桿仿形機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為：橫向?qū)挾葹?50 mm，機(jī)架長(zhǎng)度為205 mm，連架桿長(zhǎng)度為350 mm，牽引角為0°，上仿形角為15°，下仿形角為20°，仿形限深輪的直徑為406.4 mm，限深輪寬為101.6 mm，播種深度的范圍為10～70 mm；所設(shè)計(jì)的四桿仿形機(jī)構(gòu)滿足使用要求，驗(yàn)證了平行四桿仿形機(jī)構(gòu)的合理性。

4 結(jié)論

（1）研究設(shè)計(jì)的玉米精量播種機(jī)播種單體結(jié)構(gòu)是由平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、波紋圓盤破茬刀、播深調(diào)節(jié)裝置、雙圓盤開(kāi)溝器、限位塊、仿形限深輪和拉力彈簧等組成，該播種單體排種器采用指夾式，排肥器采用外槽輪式，覆土鎮(zhèn)壓采用V 型橡膠圓盤式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用鏈條傳動(dòng)，排種開(kāi)溝器采用雙圓盤式，防堵工作部件采用波紋圓盤式。利用UG 仿真軟件建立玉米播種單體的關(guān)鍵部件模型特別是四桿仿形機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢查了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，提高了關(guān)鍵部件和整機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（2）播種單體所配置的四桿仿形機(jī)構(gòu)的仿形量可調(diào)，可以適應(yīng)不同仿形量需求，同時(shí)該四桿仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)適合高速作業(yè)。所設(shè)計(jì)的四桿仿形機(jī)構(gòu)的橫向?qū)挾葹?50 mm，機(jī)架長(zhǎng)度為205 mm，連架桿長(zhǎng)度為350 mm，經(jīng)仿真驗(yàn)證分析得到所設(shè)計(jì)的四桿仿形機(jī)構(gòu)滿足上下仿形量80～120 mm 的使用要求，且滿足高速作業(yè)的需求，適應(yīng)性強(qiáng)。