指夹式玉米穴播轮鸭嘴入土轨迹仿真分析

李亚军， 石林榕

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

西北旱区玉米全膜覆盖双垄沟栽培技术具有增温、保墒、促熟和增产等效果[1-4]。该地区以丘陵山地、小地块旱地为主，针对小地块膜上穴播的排种器类型较少。排种器有气吸式、机械式，气吸式排种器对种子有较好的适应性，但结构复杂、成本和技术要求高[5]；机械式排种器又分为内槽轮式、魔纹盘式、水平圆盘式、指夹式，但种子损伤严重，均匀性较差[6-7]。魔纹盘式排种器虽解决了种子适应性问题，但重播率较高；水平圆盘式排种器结构简单，但对种子适应性差。为避免过高的技术条件限制、降低成本，设计一款可膜上精量播种、小田块播种的排种器已迫在眉睫。

本文针对西北旱区小田块，设计一种新型旱地玉米全膜覆盖双垄沟玉米穴播轮排种器。通过Solidworks软件对排种器进行建模，借助Motion插件，在排种器在整机前进速度一定的条件下，以穴播轮在不同转速下排种作业时水平位移差为指标，对该装置排种过程进行了仿真，得到最佳工作组合参数。通过台架试验对仿真参数进行验证。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

指夹式玉米穴播轮排种器主要由左固定盘、输种筒、前盖、垂直转盘、取种模块、中心轴、固定鸭嘴、活动鸭嘴、右固定盘等组成。其中前盖由透明观测孔和清种毛刷组成，取种模块由弹簧、凸轮拐臂和指夹扣等组成。取种模块与固定鸭嘴协同固定安装，左右固定盘之间由螺钉来固定，垂直圆盘直径为250 mm，鸭嘴数量为6个，指夹扣采用橡胶材料制成，清种毛刷采用猪鬃制成。穴播轮结构组成如图1所示。穴播器主要技术参数见表1。

表1 穴播器主要技术参数

图1 穴播轮结构组成1.透明观测孔；2.输种筒；3.清种毛刷；4.前盖；5.垂直圆盘；6.左固定盘；7.取种模块；8.中心轴；9.右固定盘；10.活动鸭嘴；11.固定鸭嘴

1.2 工作原理

指夹式玉米穴播排种器按工作过程可分为充种区、清种区、携种区、投种区、排种区。指夹式玉米穴播轮排种原理如图2所示。作业时，将种子经输种筒灌入充种区形成种群，牵引机牵引穴播排种轮前进，穴播排种轮与地面摩擦转动，取种模块内凸轮拐臂与垂直圆盘上接触促使指夹扣进行旋转运动，此时玉米种子与指夹扣产生相对运动，种子在自重、离心力、其他种子作用下进入指夹扣的夹持区域，当凸轮拐臂与垂直圆盘结束接触时，指夹扣在弹簧恢复力作用下将种子投入鸭嘴孔，指夹扣周围多余的种子被毛刷清理后重回充种区，进入鸭嘴内的种子随穴播排种轮旋转，到达投种区，当活动鸭嘴打开后种子在自重作用下掉入穴孔内。如此循环完成玉米籽粒的精量播种[7]。

图2 指夹式玉米穴播轮排种原理

2 排种仿真

2.1 仿真过程

为探究牵引速度、滑移率对排种器水平方向位移的影响，应用Solidworks软件Motion插件进行仿真试验。排种轮仿真模型仅保留垂直圆盘、取种模块、鸭嘴。设置相应的牵引速度和滑移率后进行仿真，牵引速度设置为0.3 m/s、0.6 m/s、1.2 m/s，穴播轮滑移距离为0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm，设置一个鸭嘴嘴尖的轨迹。仿真效果如图3所示，仿真参数设置见表2。

表2 仿真参数设置

图3 穴播器仿真效果

3.2 参数对排种器鸭嘴轨迹的影响

前进速度与穴播轮转速变化对成穴器的运动轨迹影响较大。本文选用穴播轮的转速、整机的前进速度仿真试验因素，研究分析成穴器相对于整机的x方向的速度差，该值越小，对排种器“零速”播种的可能性越容易实现。即成穴器入、出土时的水平位移差越小，越不易挑膜、撕膜[13]。在设计时，穴播轮转速、整机前进速度和滑移距离之间存在如下关系式。

(1)

式中，δ为滑移距离，mm；R为排种器有效半径210 mm；v为整机前进速度，mm/s。

由(1)式可知，在其他条件一定的条件下，牵引速度越大，排种轮角速度越大；当牵引速度一定时，滑移距离越大，角速度越大；穴播轮直径越大，角速度越小。

3.2.1 牵引速度对水平位移量的影响

当滑移距离为0.1 mm时，研究牵引速度(0.3 m/s，0.6 m/s，1.2 m/s)对排种轮水平方向位移量的影响。牵引速度对鸭嘴轨迹的影响如图4所示。

图4 牵引速度对鸭嘴轨迹的影响

由图4可知，当滑移距离、穴播轮直径一定的情况下，牵引速度的变化并未对鸭嘴轨迹造成影响，相应地对穴距影响较小。现实中牵引速度的快慢或多或少影响滑移距离。

3.2.2 滑移距离对鸭嘴轨迹的影响

当牵引速度为0.6 m/s时，研究滑移距离(0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm)对排种轮水平方向位移量的影响。滑移距离对鸭嘴轨迹的影响如图5所示。

由图5可知，当牵引速度一定时，滑移距离对鸭嘴轨迹造成显著影响。滑移距离越大，鸭嘴对穴孔周围土壤扰动较大，对地膜撕裂较严重。

图5 滑移距离对鸭嘴轨迹的影响

因此，增加牵引速度可增加作业效率。按照以上分析可降低滑移距离，降低滑移距离的方式有多种，可增加穴播器正压力，即增加穴播器的重量；提高穴播器外轮与地面的滚动摩擦系数。以上分析结果能为直插式播种机构设计提供有效的理论参考价值。

4 试验验证

对指夹式玉米穴播轮排种器进行了鸭嘴轨迹试验，通过降低排种轮的滑移距离来观察鸭嘴入土轨迹。滚轮式排种器试验台如图6所示。

对指夹式玉米穴播轮排种器进行了鸭嘴轨迹试验，通过降低排种轮的滑移距离来观察鸭嘴入土轨迹。当输送带速度为0.6 m/s，滑移距离为0.05 mm时，鸭嘴穴孔适中，排种器鸭嘴基本无挑膜、撕膜等问题，降低了穴孔错位率同时，满足穴播器玉米播种的农艺技术要求。

5 结论

(1)利用Solidworks的motion插件对穴播轮的鸭嘴轨迹进行仿真，以穴播轮牵引速度和滑移距离为研究因素，以鸭嘴入土轨迹交叉最大距离为指标，研究两个因素对鸭嘴轨迹的影响。

(2)仿真结果表明：当滑移距离、穴播轮直径一定的情况下，牵引速度的变化并未对鸭嘴轨迹造成影响，相应地对穴距影响较小。当牵引速度一定时，滑移距离对鸭嘴轨迹造成显著影响。滑移距离越大，鸭嘴对穴孔周围土壤扰动较大，对地膜撕裂较严重。

(3)通过穴播轮台架试验发现：当输送带速度为0.6 m/s，滑移距离为0.05 mm时，鸭嘴穴孔适中，排种器鸭嘴基本无挑膜、撕膜等问题，降低了穴孔错位率。