旱地全膜双垄沟播直插式玉米播种装置的仿真优化

郭笑欢，石林榕，赵武云，戴 飞，王久鑫，赵瑞营

(甘肃农业大学 工学院， 甘肃 730070)

旱地全膜双垄沟播直插式玉米播种装置的仿真优化

郭笑欢，石林榕，赵武云，戴 飞，王久鑫，赵瑞营

(甘肃农业大学 工学院， 甘肃 730070)

针对膜上播种需求，设计了一种新型曲柄滑块机构驱动平行四杆机构直插式播种装置，该装置结构简单，能够实现播种时成穴器“零速”播种，不易挑膜、撕膜。以成穴器相对于机架x方向的速度差v、排种管入出土后水平位移差s为优化目标，在Solidworks Motion中进行了该装置结构优化仿真。得到结果为：当以0.5 m·s-1为前进速度时，曲柄Ⅱ长度69 mm、连杆长度167 mm、曲柄机构转速100 r·min-1的播种装置能得到较好的直插播种性能。

直插式；玉米播种装置；仿真优化

近年来，甘肃省旱地玉米全膜双垄沟播模式得到有效推广，经济效益明显[1-4]，对具有增温、保墒、促熟和增产效果显著的地膜覆盖技术的推广起到了积极作用[5]。对应机具的研究也较多，但目前，甘肃省玉米全膜双垄沟播种植的播种环节中配套机具的研发较少。现有的玉米点播器和手推式玉米穴播机劳动强度大生产效率低；传统的滚轮式穴播器受余摆线的影响撕膜、挑膜现象严重[6-11]。赵建托等研究的直插式播种装置，撕膜、挑膜现象减少，但穴播杆水平位移不精确；赵武云等设计研制了直插式精量穴播机，播种精度高，但结构较复杂；李星瑞等对双面凸轮的研究，穴播杆水平位移精确，但双面凸轮结构复杂成本高；其余相关研究未见详细报道[6-8，12]。

为此设计了一种新型直插式玉米播种装置。该装置以曲柄滑块机构驱动平行四杆机构，结构简单，有较高的精度，能实现播种时成穴器的“零速”直插播种，可改善播种作业过程中成穴器撕膜、挑膜的问题，满足了旱地玉米全膜双垄沟农艺技术要求[13]。本文通过Solidworks三维造型软件设计了一种直插式玉米播种装置，并通过自带的Motion插件，以播种时水平位移差为指标，对该装置进行了结构优化仿真，得到了最佳工作组合参数。在ADAMS虚拟样机软件中对在最优工作组合参数的条件下的直插式玉米播种装置进行了指标验证。

1 装置机构和工作原理

1.1 装置机构

直插式玉米播种装置由电机、弹簧张紧轮、传动链Ⅰ、曲柄Ⅰ、杆身、水平杆、从动杆、入土成穴杆、顶杆、连杆、曲柄Ⅱ和传动链Ⅱ组成。曲柄Ⅰ、入土成穴杆、从动杆和杆身通过铰接形成平行四连杆机构，杆身与机架水平方向平动连接。电机通过传动链Ⅰ与平行四杆机构的曲柄Ⅰ相连，传动链Ⅰ上设置了弹簧张紧轮，电机通过传动链Ⅱ与固定在机架上的曲柄Ⅱ中心连接，顶杆与水平方向平行，一端通过连杆与曲柄Ⅱ连接，另一端通过铰接与平行四杆机构杆身连接，中间与机架水平方向平动连接。直插式玉米播种装置结构简图如图1所示。

1.2 工作原理

曲柄Ⅰ在电机驱动下作回转运动，带动入土成穴杆和从动杆回转，曲柄Ⅱ在电机驱动下，带动顶杆推动整个平行四杆机构水平移动，两路运动并联驱动入土成穴杆在前进方向“零速”播种。曲柄Ⅰ回转一周，入土成穴杆也回转一周，同时，曲柄Ⅱ带动顶杆推动整个平行四杆机构水平移动，两路运动并联驱动入土成穴杆在前进方向完成一次“零速”播种过程。整机运动过程中,入土成穴杆始终与地面保持垂直。在入土成穴杆上端设置排种器，排出的种子通过导种管落入成穴杆下端部内腔中，当达到规定的播深时入土成穴杆下端强制开启，使处于内腔里的种子在重力作用下落入穴孔中。

1.电机；2.弹簧张紧轮；3.传动链Ⅰ；4.曲柄Ⅰ；5.杆身；6.水平杆；7.从动杆；8. 入土成穴杆；9.顶杆；10.连杆；11.曲柄Ⅱ；12.传动链Ⅱ

1.Power-driven; 2.Spring tensioner; 3.Drive chain I; 4.Crank I; 5.Rod; 6.Horizontal rod; 7.Driven rod; 8.The soil plug rod; 9.Push rod; 10.Connecting rod; 11.CrankⅡ; 12.Drive chainⅡ

图1 直插式玉米精量播种机结构示意图

Fig.1 Structure diagram of direct insert precision seeder of corn

2 仿真优化

2.1 仿真模型的建立

在Solidworks中设计并建立直插式播种装置的简化三维模型，在装配体中为各零件添加相应约束。新建一个运动算例，在Solidworks Motion 中为曲柄Ⅰ和曲柄Ⅱ添加同方向的旋转马达，为直插式播种装置添加水平方向的线性马达，开始仿真分析。直插式播种装置的简化仿真模型如图2所示。

图2 直插式播种装置仿真模型

Fig.2 Simulated model of direct-insert planting device

2.2 仿真分析

设定整机的前进速度为0.5 m·s-1，入土成穴杆初始长为494 mm，杆身初始长为247 mm，曲柄Ⅰ初始长为127 mm，曲柄Ⅰ转速w1与曲柄Ⅱ转速w2相等。以曲柄Ⅱ长度l1、连杆长度l2及曲柄机构转速w为仿真对象，以成穴器相对于机架x方向的瞬时速度差v、排种管入出土的水平位移s为目标进行仿真。成穴器相对于机架前进方向的瞬时速度差越小，越容易实现“零速”直插播种，排种管入出土的水平位移差越小，精确度高，越不容易撕膜、挑膜[14]。直插式播种装置仿真数据如表1所示。

由表1仿真试验结果可得直插式播种装置的最优工作参数组合为：当曲柄Ⅱ长度为69 mm，连杆长度为167 mm和曲柄转速为100 r·min-1时，成穴器相对于机架前进方向的瞬时速度差为5 mm·s-1，排种管入出土的水平位移为6 mm，在这组工作参数组合下，成穴器相对于机架前进方向的瞬时速度差小，容易实现“零速”直插播种；排种管入、出土的水平位移差小，精度高，不容易撕膜、挑膜。最优工作参数组合的鸭嘴运动轨迹如图3所示。

由图3可知，最优工作参数组合的鸭嘴运动轨迹出现了适量余摆线，但余摆线水平位移量很小，不足以引起撕膜、挑膜，因此该工作参数组合下可实现“零速”直插播种。在最优工作参数组合下，仿真得到成穴器在x方向的瞬时速度，及x、y方向的位移，如图4所示。

表1 直插式播种装置仿真数据

图3 最优工作参数组合的鸭嘴运动轨迹

Fig.3 The trajectory of the optimal operational parameter of duckbill

以第一个周期为例，播深要求为25 mm，测得最低点的y轴坐标为-90 mm,取y轴坐标为-65 mm来研究其瞬时时间，第一次到达-65 mm的时间是0.07 s，第二次到达-65 mm的时间是0.23 s。在0.07 s与0.23 s时，测得成穴器相对与机架前进方向的瞬时速度差为5 mm·s-1，表明投种时实现“零速”直插播种；在时间为0.07 s时，x轴的位移坐标是35 mm，在时间为0.23 s时，x轴的位移坐标是41 mm，可得出成穴器相对地面滑行了6 mm，表明水平位移量很小，精确度高，不易撕膜、挑膜。

3 验 证

将在Solidworks中建立的直插式播种装置的简化三维模型导入ADAMS中。为曲柄Ⅰ与杆身、杆身与从动杆、从动杆与入土成穴杆、入土成穴杆与曲柄Ⅰ、电机与曲柄Ⅱ、曲柄Ⅱ与连杆、连杆与顶杆之间添加转动副，为顶杆与机架之间添加移动副，为顶杆与从动杆之间添加固定副。施加Rotational Motion驱动曲柄Ⅰ、曲柄Ⅱ同方向转动，施加Translational Motion 驱动直插式播种装置水平运动。在入土成穴杆下端点运用创建轨迹曲线功能，得到鸭嘴的运动轨迹仿真图如图5。

图4 成穴器x方向的瞬时速度，x、y方向的位移图

Fig.4 The instantaneous velocity of the hole forming device of x axis, and the displacement of x、y axis

图5 鸭嘴的运动轨迹仿真图

Fig.5 Simulated diagram of trajectory of duckbill device

在仿真过程中得到成穴器在y方向的位移图，x方向的位移图及x方向的瞬时速度图。分别如图6，图7，图8所示。

图6 成穴器在y方向的位移图

Fig.6 The displacement of the hole forming device of y axis

图7 成穴器在x方向的位移图

Fig.7 The displacement of the hole forming device of x axis

图8 成穴器在x方向的瞬时速度图

Fig.8 The instantaneous velocity of the hole forming device of x axis

由图6可测得两次到达播深为25 mm的时间分别为0.38 s和0.54 s。由图7得当时间为0.38 s和0.54 s时，x方向的水平位移分别为-554 mm和-548 mm，得出成穴器相对地面滑行了6 mm；由图8测得x方向成穴器相对与机架前进方向的瞬时速度差为5 mm·s-1。与在Solidworks中得到的结论相同。表明当以0.5 m·s-1为前进速度，曲柄Ⅱ长度69 mm、连杆长度167 mm、曲柄机构转速100 r·min-1的工作参数组合为最佳工作参数组合。表明该参数组合下可实现“零速”直插播种，精确度高，不易撕膜、挑膜，为直插式播种机的设计提供了理论基础。

4 结 论

设计了一种新型曲柄滑块机构驱动平行四杆机构直插式播种装置，以成穴器相对于机架x方向的瞬时速度差v、排种管入出土后水平位移差s为优化目标，在Solidworks Motion中进行了该直插式播种装置的结构优化仿真。得到最佳工作组合参数为：当以0.5 m·s-1为前进速度时，曲柄Ⅱ长度69 mm、连杆长度167 mm、曲柄机构转速100 r·min-1的播种装置能实现“零速”直插播种。与优化前相比，余摆线不明显，水平位移量减小，不足以引起撕膜、挑膜，满足直插播种性能要求。

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Optimization of simulation of direct-insert corn planting furrow seeder for whole plastic-film mulching on double ridges in dry land

GUO Xiao-huan, SHI Lin-rong, ZHAO Wu-yun, DAI Fei, WANG Jiu-xin, ZHAO Rui-ying

(CollegeofEngineering,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730030,China)

To meet the demand of seeding on film, a new type of direct-eeding device, with a parallel four-bar mechanism driven by crank slider mechanism, was designed. Due to its simple structure and high precision, the device could achieve “zero speed” sowing of hole-forming device. Aiming at the optimization of the speed differencevof the hole forming device with respect to thexdirection of the frame, and the horizontal displacement differencesbetween buried and the pipe line, the structure of the device was optimized in Solidworks Motion. It was found that when using 0.5 m·s-1as the forward speed, the length of the crank II and the length of connecting rod were 69 mm and 167 mm respectively, and the speed of crank was 100 r·min-1. Thus the optimal direct seeding performance could be achieved.

direct insert; furrow seeder of corn; simulation optimization

1000-7601(2017)02-0278-04

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.44

2015-12-16基金项目：甘肃省科技重大专项计划资助项目(143NKDF016)；国家自然科学基金资助项目(51405086)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2013BAD08B01)

郭笑欢(1991—)，女，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事农业工程技术与装备研究。 E-mail:270407626@qq.com。

赵武云(1966—)，男，甘肃兰州人，教授，博士生导师，主要从事农业工程技术与装备研究。 E-mail：zhaowy@gsau.edu.cn。

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