陳棟泉,李國(guó)瑩,李振佐,曹潘冬,楊然兵

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109;2.青島普蘭泰克機(jī)械科技有限公司,山東 青島 266109;3.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,海口 570228)

0 引言

近年來(lái),中國(guó)市場(chǎng)對(duì)玉米的需求量日益劇增,由于玉米種子的品質(zhì)是糧食產(chǎn)量的基本保證,玉米新品種的培育是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。在培育新品種、選育良種和對(duì)比品種的過(guò)程中,需要對(duì)種子的品質(zhì)及生長(zhǎng)環(huán)境等做出真實(shí)科學(xué)的結(jié)論。不同的播種作業(yè)條件所要求的最佳播種深度也大不相同,同時(shí)也會(huì)影響最終的產(chǎn)量和出苗整齊度,因此確保精確的播種深度和播深方便可調(diào)是玉米機(jī)械化育種的基本要求[1]。

?zmerzi[2]等人針對(duì)不同的播種深度對(duì)播種質(zhì)量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:60mm的播深播種穩(wěn)定性最好,出苗整齊。Karayel[3]等人試驗(yàn)研究了不同開(kāi)溝器類(lèi)型和作業(yè)速度對(duì)播深均勻性的影響,結(jié)果表明:雙圓盤(pán)開(kāi)溝器穩(wěn)定性更好,但提高作業(yè)速度會(huì)導(dǎo)致播深均勻性降低。侯守印[4]等設(shè)計(jì)了一種雙自由度多鉸接仿形免耕精量播種單體,通過(guò)建立種溝深度數(shù)學(xué)模型,得到了影響開(kāi)溝深度的各因素,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化,有效提高了開(kāi)溝質(zhì)量。白慧娟[5]等為了提高玉米播深合格率和一致性,通過(guò)對(duì)播深和壓實(shí)度控制過(guò)程進(jìn)行分析,在平行四桿機(jī)構(gòu)和覆土裝置上加裝液壓裝置來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)下壓力,實(shí)現(xiàn)播深和壓實(shí)的間接控制。國(guó)內(nèi)外大部分學(xué)者都是針對(duì)播深對(duì)于玉米的影響及單體整體結(jié)構(gòu)和控制方式進(jìn)行了相關(guān)的研究,但針對(duì)仿形裝置的參數(shù)影響研究還較少。

本文對(duì)玉米繁育小區(qū)精播機(jī)播種單體的整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論研究和參數(shù)設(shè)計(jì),分析了影響仿形彈簧下壓力的影響因素。為保證單體輕量化,采用RecurDyn運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真優(yōu)化軟件對(duì)仿形拉力彈簧對(duì)播種單體所提供的下壓力進(jìn)行了仿真,對(duì)其影響參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并利用田間試驗(yàn)驗(yàn)證單體的仿形效果,旨在為精密播種單體的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

小區(qū)玉米精密播種單體專(zhuān)為新品種玉米種子育種田間試驗(yàn)所設(shè)計(jì),主要由平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、排種器、開(kāi)溝器、仿形鎮(zhèn)壓輪、破茬裝置、覆土裝置及播深控制裝置等組成,如圖1所示。

1.覆土裝置 2.播深控制裝置 3.壓重裝置 4.仿形鎮(zhèn)壓輪 5.開(kāi)溝器 6.排種器 7.破茬裝置 8.仿形彈簧 9.平行四桿仿形機(jī)構(gòu)圖1 播種單體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the seeding monomer structure

1.2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

小區(qū)玉米精密播種單體的播種作業(yè)流程:首先,通過(guò)北斗導(dǎo)航信號(hào)設(shè)置小區(qū)的各種作業(yè)參數(shù),在播種作業(yè)開(kāi)始前,投種人員先將一份種子倒入排種器內(nèi)的預(yù)落種腔內(nèi)。播種機(jī)進(jìn)入小區(qū)時(shí),觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)激活北斗行長(zhǎng)控制系統(tǒng),預(yù)落種氣缸打開(kāi),預(yù)先準(zhǔn)備好的種子進(jìn)入種腔開(kāi)始播種,經(jīng)過(guò)第一個(gè)小區(qū);接收北斗行長(zhǎng)控制系統(tǒng)的信號(hào),清種氣缸打開(kāi),多余的種子通過(guò)負(fù)壓被吸入種子回收裝置,確保小區(qū)間不混種,完成一個(gè)小區(qū)的播種作業(yè)。在一個(gè)小區(qū)的播種過(guò)程中,投種人員重復(fù)之前的動(dòng)作將第二份種子倒入預(yù)落種腔內(nèi),在進(jìn)入第二個(gè)小區(qū)時(shí)直接由北斗行長(zhǎng)控制信號(hào)觸發(fā)預(yù)落種氣缸,完成落種,使得小區(qū)玉米精密播種單體可在小區(qū)間不停機(jī)的連續(xù)作業(yè);重復(fù)上述播種作業(yè)程序,一直到播種完所有小區(qū)。

2 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

2.1 破茬裝置

東北地區(qū)育種基地耕地后,土壤中仍會(huì)留有根茬,同時(shí)由于靜置時(shí)間久,導(dǎo)致地面會(huì)覆有一層浮土。因此,研制的精密播種單體采用撥草輪與破茬波紋圓盤(pán)組合式破茬裝置:一方面破茬圓盤(pán)可以將殘余的根茬切碎且提前開(kāi)好溝,有助于雙圓盤(pán)開(kāi)溝器入土;另一方面撥草輪可以刮去浮土,撥動(dòng)和側(cè)分種肥床帶上的秸稈層及清理較大土塊,方便開(kāi)溝器作業(yè),同時(shí)減少種肥床帶上秸稈覆蓋量,利于種子后期生長(zhǎng)發(fā)育及減少病蟲(chóng)害發(fā)生。破茬裝置如圖2所示。根據(jù)常用波紋圓盤(pán)刀圓盤(pán)直徑取值范圍與所設(shè)計(jì)單體的實(shí)際空間位置相結(jié)合,圓盤(pán)刀直徑取350mm。

1.破茬裝置安裝板 2.撥草輪調(diào)節(jié)板 3.波紋圓盤(pán)刀 4.圓盤(pán)刀調(diào)節(jié)裝置 5.齒盤(pán)式撥草器

2.2 開(kāi)溝裝置

雙圓盤(pán)開(kāi)溝器不僅對(duì)土壤適應(yīng)性高,不易黏土,還能切斷殘茬,無(wú)論土壤墑情如何都能保證正常工作,狀態(tài)穩(wěn)定,能保證良好的種溝深度,種溝變異系數(shù)低,故選擇雙圓盤(pán)開(kāi)溝器作為所設(shè)計(jì)單體的開(kāi)溝器[6]。雙圓盤(pán)開(kāi)溝器的主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙圓盤(pán)開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of double disc opener

根據(jù)圖3可得開(kāi)溝寬度計(jì)算公式為

(1)

(2)

(3)

式中D—圓盤(pán)的直徑(mm);

M—雙圓盤(pán)開(kāi)溝器聚點(diǎn);

h—聚點(diǎn)相對(duì)溝底的高度(mm);

α—聚點(diǎn)位置夾角(°);

A—開(kāi)溝器最低點(diǎn);

β—雙圓盤(pán)夾角(°);

b—開(kāi)溝寬度(mm)。

由上式可知,開(kāi)溝寬度由D、h和β共同決定。根據(jù)常用雙圓盤(pán)開(kāi)溝器圓盤(pán)半徑取值范圍與所設(shè)計(jì)單體的實(shí)際空間位置相結(jié)合,確定圓盤(pán)半徑為190mm,取聚點(diǎn)位置夾角α為22°,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和播種實(shí)際情況,取種溝寬度為25mm,計(jì)算得雙圓盤(pán)夾角β為12°。

2.3 仿形裝置

由于雙圓盤(pán)開(kāi)溝器常與側(cè)位仿形限深輪配合使用,兩者緊密配合在保證開(kāi)溝深度的同時(shí),使種子順利落入開(kāi)出的種溝內(nèi),結(jié)合所設(shè)計(jì)的播種單體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),因此采用側(cè)位仿形[7]。

2.3.1 仿形彈簧的設(shè)計(jì)

為保證入土性能相對(duì)較差的雙圓盤(pán)開(kāi)溝器能順利開(kāi)出深淺一致的種溝,采用在四桿機(jī)構(gòu)上安裝拉力彈簧的方式來(lái)增加播種單體下壓力[8]。

設(shè)播種單體正常工作(無(wú)仿形運(yùn)動(dòng))時(shí)的牽引角為0,其彈簧長(zhǎng)度如圖4(a)所示。其中,AB連桿為固定于播種機(jī)機(jī)架的前連桿,單體運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橄蛴摇ＴO(shè)圖4中OF=AB=H,OE=lOE,則此時(shí)彈簧長(zhǎng)度lT0為

(4)

當(dāng)平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行上下浮動(dòng)的仿形作業(yè)時(shí),其彈簧狀態(tài)如圖4(b)、(c)所示。彈簧的長(zhǎng)度隨牽引角αq的變化而變化(向上仿形時(shí)αq為正,向下仿形時(shí)αq為負(fù)),則彈簧長(zhǎng)度lT為

(5)

設(shè)仿形彈簧原長(zhǎng)為l0,為保證彈簧在未仿形運(yùn)動(dòng)時(shí)有一定的預(yù)拉力,則仿形彈簧作用力為

FT=FT0+k(lT-lT0)

(6)

FT0=k(lT0-l0)

(7)

式中FT—彈簧力(N);

FT0—彈簧預(yù)緊力(N);

k—仿形彈簧的剛度系數(shù)(N/m)。

則仿形彈簧對(duì)播種單體的下壓力FNT為

(8)

綜上所述,仿形彈簧對(duì)播種單體的下壓力主要與彈簧懸掛位置、前拉桿長(zhǎng)度、彈簧預(yù)緊力和牽引角等有關(guān)。隨著αq的增加,仿形彈簧的下壓力也會(huì)增加。上仿形作業(yè)時(shí),仿形彈簧被拉長(zhǎng),所提供的下壓力增加;下仿形作業(yè)時(shí),仿形彈簧縮短,其所提供的下壓力減小。同時(shí),可以通過(guò)改變彈簧的懸掛位置來(lái)改變其預(yù)緊力,不同的懸掛位置會(huì)改變lOE的長(zhǎng)度,隨著lOE值增大,彈簧預(yù)緊力也會(huì)增大,從而使仿形彈簧所提供的下壓力變大。

圖4 仿形彈簧工作狀態(tài)Fig.4 The working state of the profiling spring

2.3.2 播種深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同的作物品種、作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)等因素,將播種單體的播種深度調(diào)節(jié)至合適狀態(tài)[9]。所設(shè)計(jì)的播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示,仿形限深輪通過(guò)限深輪臂與機(jī)架鉸接,在繞其自身軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí),仿形限深輪整體也可繞輪臂與機(jī)架連接的一端旋轉(zhuǎn)。播深調(diào)節(jié)裝置通過(guò)與仿形輪臂配合,通過(guò)調(diào)節(jié)手柄伸長(zhǎng),從而驅(qū)動(dòng)仿形輪臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度,根據(jù)不同的工作條件對(duì)播種深度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

1.開(kāi)溝器 2.仿形輪 3.仿形輪臂 4.播深調(diào)節(jié)裝置 5.播深調(diào)節(jié)手柄圖5 播種深度調(diào)節(jié)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of sowing depth adjustment device

設(shè)仿形輪臂長(zhǎng)Lb為246mm,當(dāng)輪臂擺動(dòng)角度為γ,輪臂與水平面夾角為γh時(shí),播種深度為

Db=Db0+Lbsin(γ+γh)-Lbsinγh

(9)

γ=nβt,ΔL=Lbsinβt

(10)

ΔDb=Lbsin(γh+βt)-Lbsinγh

(11)

式中Db—播種深度(mm);

Db0—開(kāi)溝器旋轉(zhuǎn)中心與仿形限深輪中心線(xiàn)共線(xiàn)時(shí)的播深(mm);

Lb—仿形輪輪臂長(zhǎng)度(mm);

γ—輪臂擺動(dòng)角度(°);

γh—輪臂與水平面夾角(°);

βt—每次的調(diào)節(jié)角度(°);

ΔL—每次調(diào)節(jié)的伸長(zhǎng)量(mm);

ΔDb—播種深度的調(diào)節(jié)量(mm)。

設(shè)每次調(diào)節(jié)深度變化為10mm,Db0=30mm,γh=60°,將數(shù)值帶入式(9)～式(11),得βt=5.06°,則每次調(diào)節(jié)的伸長(zhǎng)量ΔL=21.7mm,對(duì)其取整為22mm,可以調(diào)節(jié)0～80mm的播種深度。

3 RecurDyn運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了盡可能減小單體質(zhì)量,保證輕量化,探究仿形彈簧的結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)在實(shí)際播種單體工作過(guò)程中的影響,采用RecurDyn多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真優(yōu)化軟件對(duì)安裝拉力彈簧的播種單體仿形效果進(jìn)行仿真與參數(shù)優(yōu)化。

3.1 仿真模型建立

利用SolidWorks2018對(duì)播種單體和地面進(jìn)行建模,為了減少仿真時(shí)長(zhǎng),簡(jiǎn)化實(shí)體模型,在確保播種單體能夠仿形作業(yè)的前提下,將不相關(guān)的部件參數(shù)忽略,并保存.x_t格式導(dǎo)入到RecurDyn軟件中。在RecurDyn中添加柔性彈簧,將其設(shè)置為無(wú)阻尼的純彈簧,彈簧的相關(guān)參數(shù)可以根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié),仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型Fig.6 Simulation model

仿真條件設(shè)置為地面與ground鎖定連接,以前后連桿長(zhǎng)度、彈簧剛度系數(shù)和彈簧預(yù)緊力為試驗(yàn)因素,單體以前進(jìn)速度3.6km/h向右運(yùn)動(dòng),上下仿形量最大均為110mm,仿真時(shí)間為12s。

3.2 仿真結(jié)果與分析

3.2.1 不同前后連桿長(zhǎng)度仿真結(jié)果與分析

在分析不同前后連桿長(zhǎng)度對(duì)播種單體下壓力的影響仿真試驗(yàn)中,設(shè)置播種單體質(zhì)量為108kg、彈簧預(yù)緊力為400N、彈簧剛度系數(shù)為12N/mm。

根據(jù)播種單體結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn),平行四桿裝置中的前后連桿長(zhǎng)度取195、200、205、210、215mm 5個(gè)水平,通過(guò)仿真試驗(yàn)考察試驗(yàn)因素對(duì)播種單體下壓力的影響,仿真結(jié)果如圖7所示。前后連桿的長(zhǎng)度對(duì)播種單體下壓力的影響比較微弱,通過(guò)的局部放大可知:長(zhǎng)度在195～210mm時(shí),播種單體的下壓力相對(duì)穩(wěn)定,前后連桿長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致單體結(jié)構(gòu)松散,質(zhì)心后移;過(guò)短的前后連桿長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳亲兇?致使單體的工作振動(dòng)幅度變大。因此,結(jié)合機(jī)器整體參數(shù),選擇前后連桿的長(zhǎng)度為200mm。

圖7 不同前后連桿長(zhǎng)度對(duì)播種單體下壓力的影響Fig.7 Effects of different lengths of front and rear connecting rods on the downforce of seeding monomer

3.2.2 不同彈簧剛度仿真結(jié)果與分析

在分析不同彈簧剛度系數(shù)對(duì)播種單體下壓力的影響仿真試驗(yàn)中,設(shè)置播種單體質(zhì)量為108kg、彈簧預(yù)緊力為400N、前后連桿長(zhǎng)度為200mm。

彈簧剛度系數(shù)取6、9、12、15、18N/mm 5個(gè)水平,通過(guò)仿真試驗(yàn)考察試驗(yàn)因素對(duì)播種單體下壓力的影響,仿真結(jié)果如圖8所示。平整地面路況條件下,彈簧剛度系數(shù)對(duì)播種單體下壓力沒(méi)有影響;上仿形時(shí),彈簧剛度系數(shù)越大,播種單體下壓力的數(shù)值和變化幅度就越大;下仿形時(shí),彈簧剛度系數(shù)越大,播種單體下壓力就越小,且在其高于15N/mm時(shí),下壓力值為負(fù),失去仿形作用,無(wú)法保證播種深度。因此,在有一定的彈簧預(yù)拉力時(shí),彈簧剛度系數(shù)不宜太大,選擇為12N/mm。

圖8 不同彈簧剛度對(duì)播種單體下壓力的影響Fig.8 Influence of different spring stiffness on the downforce

3.2.3 不同彈簧預(yù)緊力仿真結(jié)果與分析

在分析不同彈簧預(yù)緊力對(duì)播種單體下壓力的影響仿真試驗(yàn)中,設(shè)置播種單體質(zhì)量為108kg、彈簧剛度系數(shù)為12N/mm、前后連桿長(zhǎng)度為200mm。

彈簧預(yù)緊力取100、200、300、400、500N 5個(gè)水平,通過(guò)仿真試驗(yàn)考察試驗(yàn)因素對(duì)播種單體下壓力的影響,仿真結(jié)果如圖9所示。彈簧預(yù)緊力與單體下壓力成正比,當(dāng)預(yù)緊力高于300N時(shí),下仿形作業(yè)時(shí)下壓力值為負(fù),失去仿形作用,無(wú)法保證播種深度。過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)導(dǎo)致單體仿形困難,因此本文選擇彈簧預(yù)緊力為400N。

圖9 不同彈簧預(yù)拉力對(duì)播種單體下壓力的影響Fig.9 Influence of different spring preload on the downforce

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

播深變異系數(shù)為體現(xiàn)播深均勻性的指標(biāo),通過(guò)計(jì)算播深平均值和播深標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)獲得。根據(jù)GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》和NY/T 1768-2009《免耕播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)定[10],各性能指標(biāo)的具體計(jì)算方法及過(guò)程如下,即

(12)

(13)

(14)

n2—播種深度測(cè)量點(diǎn)數(shù)量;

σh—播深標(biāo)準(zhǔn)差;

Ch—播深變異系數(shù)(%)。

4.2 試驗(yàn)條件

播種單體裝于2BXYQ4牽引式四行玉米小區(qū)精播機(jī),機(jī)器參數(shù)如表1所示。田間試驗(yàn)于河北省保定市徐水區(qū)安肅鎮(zhèn)仁里村祁強(qiáng)金屬制品有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行,播種玉米品種為鄭單958,播深設(shè)置為40mm,如圖10所示。

表1 播種機(jī)參數(shù)Table 1 Planter parameters

圖10 田間試驗(yàn)Fig.10 Field trial

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。設(shè)計(jì)的單體優(yōu)于普通單體,符合小區(qū)玉米精密播種的作業(yè)要求。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

5 結(jié)論

1)針對(duì)東北地區(qū)玉米育種基地免耕的形式,設(shè)計(jì)了一種裝有仿形彈簧的精密播種單體,通過(guò)理論分析,對(duì)其關(guān)鍵裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),可靠性增強(qiáng)。

2)以前后連桿長(zhǎng)度、彈簧剛度系數(shù)和彈簧預(yù)緊力為試驗(yàn)因素,利用RecurDyn多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真優(yōu)化軟件對(duì)安裝拉力彈簧的播種單體仿形效果進(jìn)行仿真與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3)通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的播種單體的仿形效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果顯示:優(yōu)化設(shè)計(jì)的播種單體播深變異系數(shù)為3.47%,符合小區(qū)玉米精密播種的作業(yè)要求。