基于RecurDyn仿真玉米育种精密播种单体的设计

陈栋泉,李国莹,李振佐,曹潘冬,杨然兵

(1.青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109;2.青岛普兰泰克机械科技有限公司,山东 青岛 266109;3.海南大学 机电工程学院,海口 570228)

0 引言

近年来,中国市场对玉米的需求量日益剧增,由于玉米种子的品质是粮食产量的基本保证,玉米新品种的培育是至关重要的环节。在培育新品种、选育良种和对比品种的过程中,需要对种子的品质及生长环境等做出真实科学的结论。不同的播种作业条件所要求的最佳播种深度也大不相同,同时也会影响最终的产量和出苗整齐度,因此确保精确的播种深度和播深方便可调是玉米机械化育种的基本要求[1]。

Özmerzi[2]等人针对不同的播种深度对播种质量的影响进行了试验研究,结果表明:60mm的播深播种稳定性最好,出苗整齐。Karayel[3]等人试验研究了不同开沟器类型和作业速度对播深均匀性的影响,结果表明:双圆盘开沟器稳定性更好,但提高作业速度会导致播深均匀性降低。侯守印[4]等设计了一种双自由度多铰接仿形免耕精量播种单体,通过建立种沟深度数学模型,得到了影响开沟深度的各因素,经过试验优化,有效提高了开沟质量。白慧娟[5]等为了提高玉米播深合格率和一致性,通过对播深和压实度控制过程进行分析,在平行四杆机构和覆土装置上加装液压装置来实时调节下压力,实现播深和压实的间接控制。国内外大部分学者都是针对播深对于玉米的影响及单体整体结构和控制方式进行了相关的研究,但针对仿形装置的参数影响研究还较少。

本文对玉米繁育小区精播机播种单体的整体结构和关键部件进行了理论研究和参数设计,分析了影响仿形弹簧下压力的影响因素。为保证单体轻量化,采用RecurDyn运动学仿真优化软件对仿形拉力弹簧对播种单体所提供的下压力进行了仿真,对其影响参数进行了优化设计,并利用田间试验验证单体的仿形效果,旨在为精密播种单体的研究和优化设计提供参考。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

小区玉米精密播种单体专为新品种玉米种子育种田间试验所设计,主要由平行四杆仿形机构、排种器、开沟器、仿形镇压轮、破茬装置、覆土装置及播深控制装置等组成,如图1所示。

1.覆土装置 2.播深控制装置 3.压重装置 4.仿形镇压轮 5.开沟器 6.排种器 7.破茬装置 8.仿形弹簧 9.平行四杆仿形机构图1 播种单体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the seeding monomer structure

1.2 工作原理及技术参数

小区玉米精密播种单体的播种作业流程:首先,通过北斗导航信号设置小区的各种作业参数,在播种作业开始前,投种人员先将一份种子倒入排种器内的预落种腔内。播种机进入小区时,触发行程开关激活北斗行长控制系统,预落种气缸打开,预先准备好的种子进入种腔开始播种,经过第一个小区;接收北斗行长控制系统的信号,清种气缸打开,多余的种子通过负压被吸入种子回收装置,确保小区间不混种,完成一个小区的播种作业。在一个小区的播种过程中,投种人员重复之前的动作将第二份种子倒入预落种腔内,在进入第二个小区时直接由北斗行长控制信号触发预落种气缸,完成落种,使得小区玉米精密播种单体可在小区间不停机的连续作业;重复上述播种作业程序,一直到播种完所有小区。

2 关键装置设计

2.1 破茬装置

东北地区育种基地耕地后,土壤中仍会留有根茬,同时由于静置时间久,导致地面会覆有一层浮土。因此,研制的精密播种单体采用拨草轮与破茬波纹圆盘组合式破茬装置:一方面破茬圆盘可以将残余的根茬切碎且提前开好沟,有助于双圆盘开沟器入土;另一方面拨草轮可以刮去浮土,拨动和侧分种肥床带上的秸秆层及清理较大土块,方便开沟器作业,同时减少种肥床带上秸秆覆盖量,利于种子后期生长发育及减少病虫害发生。破茬装置如图2所示。根据常用波纹圆盘刀圆盘直径取值范围与所设计单体的实际空间位置相结合,圆盘刀直径取350mm。

1.破茬装置安装板 2.拨草轮调节板 3.波纹圆盘刀 4.圆盘刀调节装置 5.齿盘式拨草器

2.2 开沟装置

双圆盘开沟器不仅对土壤适应性高,不易黏土,还能切断残茬,无论土壤墒情如何都能保证正常工作,状态稳定,能保证良好的种沟深度,种沟变异系数低,故选择双圆盘开沟器作为所设计单体的开沟器[6]。双圆盘开沟器的主要结构如图3所示。

图3 双圆盘开沟器结构图Fig.3 Structure diagram of double disc opener

根据图3可得开沟宽度计算公式为

(1)

(2)

(3)

式中D—圆盘的直径(mm);

M—双圆盘开沟器聚点;

h—聚点相对沟底的高度(mm);

α—聚点位置夹角(°);

A—开沟器最低点;

β—双圆盘夹角(°);

b—开沟宽度(mm)。

由上式可知,开沟宽度由D、h和β共同决定。根据常用双圆盘开沟器圆盘半径取值范围与所设计单体的实际空间位置相结合,确定圆盘半径为190mm,取聚点位置夹角α为22°,根据相关文献和播种实际情况,取种沟宽度为25mm,计算得双圆盘夹角β为12°。

2.3 仿形装置

由于双圆盘开沟器常与侧位仿形限深轮配合使用,两者紧密配合在保证开沟深度的同时,使种子顺利落入开出的种沟内,结合所设计的播种单体的结构特点,因此采用侧位仿形[7]。

2.3.1 仿形弹簧的设计

为保证入土性能相对较差的双圆盘开沟器能顺利开出深浅一致的种沟,采用在四杆机构上安装拉力弹簧的方式来增加播种单体下压力[8]。

设播种单体正常工作(无仿形运动)时的牵引角为0,其弹簧长度如图4(a)所示。其中,AB连杆为固定于播种机机架的前连杆,单体运动方向为向右。设图4中OF=AB=H,OE=lOE,则此时弹簧长度lT0为

(4)

当平行四杆机构进行上下浮动的仿形作业时,其弹簧状态如图4(b)、(c)所示。弹簧的长度随牵引角αq的变化而变化(向上仿形时αq为正,向下仿形时αq为负),则弹簧长度lT为

(5)

设仿形弹簧原长为l0,为保证弹簧在未仿形运动时有一定的预拉力,则仿形弹簧作用力为

FT=FT0+k(lT-lT0)

(6)

FT0=k(lT0-l0)

(7)

式中FT—弹簧力(N);

FT0—弹簧预紧力(N);

k—仿形弹簧的刚度系数(N/m)。

则仿形弹簧对播种单体的下压力FNT为

(8)

综上所述,仿形弹簧对播种单体的下压力主要与弹簧悬挂位置、前拉杆长度、弹簧预紧力和牵引角等有关。随着αq的增加,仿形弹簧的下压力也会增加。上仿形作业时,仿形弹簧被拉长,所提供的下压力增加;下仿形作业时,仿形弹簧缩短,其所提供的下压力减小。同时,可以通过改变弹簧的悬挂位置来改变其预紧力,不同的悬挂位置会改变lOE的长度,随着lOE值增大,弹簧预紧力也会增大,从而使仿形弹簧所提供的下压力变大。

图4 仿形弹簧工作状态Fig.4 The working state of the profiling spring

2.3.2 播种深度调节机构的设计

播深调节机构可根据不同的作物品种、作业环境特点等因素,将播种单体的播种深度调节至合适状态[9]。所设计的播深调节机构结构简图如图5所示,仿形限深轮通过限深轮臂与机架铰接,在绕其自身轴旋转的同时,仿形限深轮整体也可绕轮臂与机架连接的一端旋转。播深调节装置通过与仿形轮臂配合,通过调节手柄伸长,从而驱动仿形轮臂转动一定角度,根据不同的工作条件对播种深度进行实时调节。

1.开沟器 2.仿形轮 3.仿形轮臂 4.播深调节装置 5.播深调节手柄图5 播种深度调节装置示意图Fig.5 Schematic diagram of sowing depth adjustment device

设仿形轮臂长Lb为246mm,当轮臂摆动角度为γ,轮臂与水平面夹角为γh时,播种深度为

Db=Db0+Lbsin(γ+γh)-Lbsinγh

(9)

γ=nβt,ΔL=Lbsinβt

(10)

ΔDb=Lbsin(γh+βt)-Lbsinγh

(11)

式中Db—播种深度(mm);

Db0—开沟器旋转中心与仿形限深轮中心线共线时的播深(mm);

Lb—仿形轮轮臂长度(mm);

γ—轮臂摆动角度(°);

γh—轮臂与水平面夹角(°);

βt—每次的调节角度(°);

ΔL—每次调节的伸长量(mm);

ΔDb—播种深度的调节量(mm)。

设每次调节深度变化为10mm,Db0=30mm,γh=60°,将数值带入式(9)～式(11),得βt=5.06°,则每次调节的伸长量ΔL=21.7mm,对其取整为22mm,可以调节0～80mm的播种深度。

3 RecurDyn运动学仿真

为了尽可能减小单体质量,保证轻量化,探究仿形弹簧的结构技术参数在实际播种单体工作过程中的影响,采用RecurDyn多体系统运动学仿真优化软件对安装拉力弹簧的播种单体仿形效果进行仿真与参数优化。

3.1 仿真模型建立

利用SolidWorks2018对播种单体和地面进行建模,为了减少仿真时长,简化实体模型,在确保播种单体能够仿形作业的前提下,将不相关的部件参数忽略,并保存.x_t格式导入到RecurDyn软件中。在RecurDyn中添加柔性弹簧,将其设置为无阻尼的纯弹簧,弹簧的相关参数可以根据试验需要进行相应的调节,仿真模型如图6所示。

图6 仿真模型Fig.6 Simulation model

仿真条件设置为地面与ground锁定连接,以前后连杆长度、弹簧刚度系数和弹簧预紧力为试验因素,单体以前进速度3.6km/h向右运动,上下仿形量最大均为110mm,仿真时间为12s。

3.2 仿真结果与分析

3.2.1 不同前后连杆长度仿真结果与分析

在分析不同前后连杆长度对播种单体下压力的影响仿真试验中,设置播种单体质量为108kg、弹簧预紧力为400N、弹簧刚度系数为12N/mm。

根据播种单体结构布置特点,平行四杆装置中的前后连杆长度取195、200、205、210、215mm 5个水平,通过仿真试验考察试验因素对播种单体下压力的影响,仿真结果如图7所示。前后连杆的长度对播种单体下压力的影响比较微弱,通过的局部放大可知:长度在195～210mm时,播种单体的下压力相对稳定,前后连杆长度过长会导致单体结构松散,质心后移;过短的前后连杆长度会导致牵引角变大,致使单体的工作振动幅度变大。因此,结合机器整体参数,选择前后连杆的长度为200mm。

图7 不同前后连杆长度对播种单体下压力的影响Fig.7 Effects of different lengths of front and rear connecting rods on the downforce of seeding monomer

3.2.2 不同弹簧刚度仿真结果与分析

在分析不同弹簧刚度系数对播种单体下压力的影响仿真试验中,设置播种单体质量为108kg、弹簧预紧力为400N、前后连杆长度为200mm。

弹簧刚度系数取6、9、12、15、18N/mm 5个水平,通过仿真试验考察试验因素对播种单体下压力的影响,仿真结果如图8所示。平整地面路况条件下,弹簧刚度系数对播种单体下压力没有影响;上仿形时,弹簧刚度系数越大,播种单体下压力的数值和变化幅度就越大;下仿形时,弹簧刚度系数越大,播种单体下压力就越小,且在其高于15N/mm时,下压力值为负,失去仿形作用,无法保证播种深度。因此,在有一定的弹簧预拉力时,弹簧刚度系数不宜太大,选择为12N/mm。

图8 不同弹簧刚度对播种单体下压力的影响Fig.8 Influence of different spring stiffness on the downforce

3.2.3 不同弹簧预紧力仿真结果与分析

在分析不同弹簧预紧力对播种单体下压力的影响仿真试验中,设置播种单体质量为108kg、弹簧刚度系数为12N/mm、前后连杆长度为200mm。

弹簧预紧力取100、200、300、400、500N 5个水平,通过仿真试验考察试验因素对播种单体下压力的影响,仿真结果如图9所示。弹簧预紧力与单体下压力成正比,当预紧力高于300N时,下仿形作业时下压力值为负,失去仿形作用,无法保证播种深度。过大的预紧力会导致单体仿形困难,因此本文选择弹簧预紧力为400N。

图9 不同弹簧预拉力对播种单体下压力的影响Fig.9 Influence of different spring preload on the downforce

4 试验

4.1 试验方法

播深变异系数为体现播深均匀性的指标,通过计算播深平均值和播深标准差来获得。根据GB/T 6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》和NY/T 1768-2009《免耕播种机质量评价技术规范》进行测定[10],各性能指标的具体计算方法及过程如下,即

(12)

(13)

(14)

n2—播种深度测量点数量;

σh—播深标准差;

Ch—播深变异系数(%)。

4.2 试验条件

播种单体装于2BXYQ4牵引式四行玉米小区精播机,机器参数如表1所示。田间试验于河北省保定市徐水区安肃镇仁里村祁强金属制品有限公司试验田进行,播种玉米品种为郑单958,播深设置为40mm,如图10所示。

表1 播种机参数Table 1 Planter parameters

图10 田间试验Fig.10 Field trial

4.3 试验结果

试验结果如表2所示。设计的单体优于普通单体,符合小区玉米精密播种的作业要求。

表2 试验结果Table 2 Test results

5 结论

1)针对东北地区玉米育种基地免耕的形式,设计了一种装有仿形弹簧的精密播种单体,通过理论分析,对其关键装置进行了优化设计,可靠性增强。

2)以前后连杆长度、弹簧刚度系数和弹簧预紧力为试验因素,利用RecurDyn多体系统运动学仿真优化软件对安装拉力弹簧的播种单体仿形效果进行仿真与参数优化设计。

3)通过田间试验对设计的播种单体的仿形效果进行了试验验证,结果显示:优化设计的播种单体播深变异系数为3.47%,符合小区玉米精密播种的作业要求。