玉米播種機電液播深調(diào)節(jié)裝置運動仿真與優(yōu)化

陳 蔣，王淼森，趙 明，王萬章

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，鄭州 450002)

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玉米播種機電液播深調(diào)節(jié)裝置運動仿真與優(yōu)化

陳 蔣，王淼森，趙 明，王萬章

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，鄭州 450002)

針對玉米免耕播種機在起伏較大的地面工作時播種單體被架空、導(dǎo)致播種深度不合格的問題，設(shè)計了一種電液播深調(diào)節(jié)裝置。該裝置在平行四桿機構(gòu)處加裝了液壓缸，用以調(diào)節(jié)播深。通過對電液播深調(diào)節(jié)裝置進行受力分析，確定了影響液壓缸受力的因素；在ADAMS軟件中建立播深調(diào)節(jié)機構(gòu)簡化模型，采用有限元構(gòu)件法建立土壤模型，對開溝鏟入土過程進行仿真，并以液壓缸受力值為目標(biāo)函數(shù)對液壓缸進行仿真優(yōu)化。結(jié)果表明：開溝鏟入土仿真過程符合實際入土情況，確定了液壓缸的安裝位置及上-下播深休止?fàn)顟B(tài)液壓缸伸出量。該研究結(jié)果為設(shè)計智能播深控制免耕播種機提供了理論依據(jù)。

玉米播種機；播深調(diào)節(jié)；運動仿真；優(yōu)化設(shè)計

0 引言

免耕播種是在地表秸稈覆蓋或者留茬情況下不耕整地，或為了減少秸稈殘留進行粉碎、耙、少耕后播種的一項先進作業(yè)技術(shù)[1]。影響種子出苗率和一致性的主要因素是種子在種床中的空間位置，要想使種子播在種床適宜的位置上，就必須保證開溝深度穩(wěn)定性和一致性[2]。但由于地面高低不平，且殘茬和秸稈容易引起開溝鏟無法正常入土，容易導(dǎo)致開溝器工作不穩(wěn)定性。國內(nèi)玉米播種機工作過程中播深的調(diào)節(jié)主要依靠地輪與安裝在仿形機構(gòu)的彈簧掛鎖提供的壓力(或拉力)產(chǎn)生的力平衡進行機械仿形調(diào)節(jié)，而機械仿形機構(gòu)可分為單鉸鏈和平行四連桿兩種[3]。平行四桿機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、經(jīng)濟性好、安裝調(diào)整方便、仿形效果較好等特點，廣泛應(yīng)用于播種機單體的機械式仿形機構(gòu)中[4]。隨著免耕播種技術(shù)的推廣，播種深度的控制越來越受到重視。由于免耕播種地表有殘茬、秸稈和雜草覆蓋，土壤堅硬，免耕播種機的仿形量較大，普通的仿形機構(gòu)已不能滿足仿形的平穩(wěn)性要求[5]。國內(nèi)已開展對免耕播種機播深控制的研究，魯子卉等對自動播種機的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計了自適應(yīng)控制策略，使入土壓力能夠隨土壤參數(shù)而進行動態(tài)調(diào)整[6]；黃東巖等利用空氣彈簧設(shè)計的主動作用式播種深度自動控制系統(tǒng)能夠精確控制開溝深度[7]；趙金輝等通過建立開溝深度數(shù)學(xué)模型實現(xiàn)了開溝深度的精確和實時控制[8]；王熙等利用電液控制技術(shù)實現(xiàn)了對大豆播種機單獨仿形[9]。以上研究主要針對東北平原地區(qū)小麥與大豆免耕播種的播深自動調(diào)節(jié)。

黃淮海玉米種植區(qū)域具有地表起伏較大、秸稈量大及地面堅硬等特點，良好的播深一致性與穩(wěn)定性在玉米生產(chǎn)過程中顯得尤為重要。本文將在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)與金豐谷農(nóng)用播種機有限公司聯(lián)合研制的玉米免耕播種試驗樣機基礎(chǔ)上，在仿形機構(gòu)處預(yù)加裝電液控制播深調(diào)節(jié)裝置。同時，建立播深調(diào)節(jié)模型，對播深調(diào)節(jié)裝置工作狀態(tài)時的受力進行分析，利用ADAMS軟件對播深調(diào)節(jié)裝置進行運動仿真及優(yōu)化設(shè)計。

1 播深調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)及原理

本播深調(diào)節(jié)裝置預(yù)安裝在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)與金豐谷農(nóng)用播種機有限公司聯(lián)合研制的玉米免耕播種試驗樣機上。播深調(diào)節(jié)裝置主要由前連接件、后連接件、拉桿、尾部雙耳環(huán)液壓缸及播深限位梁等組成，如圖1所示。前連接板通過U型卡扣與播種機機架主梁相連，上下拉桿與前后連接件組成平行四連桿機構(gòu)，拉桿分別安裝在連接件的連接銷上，可以相對銷上、下轉(zhuǎn)動[10]，拉桿上下轉(zhuǎn)動的極限角度受播深限位梁的控制。為保證播種行距的一致性，在左右拉桿之間裝有套筒，拉桿相對于前、后連接件不左右移動。液壓缸鞍座端的耳環(huán)通過銷軸與前連接件鉸接，活塞桿端的耳環(huán)與播種單體的后連接件通過銷鉸接，液壓缸兩端均可繞著銷軸轉(zhuǎn)動。

1.開溝鏟 2.開溝腿 3.拉桿 4.上播深限位梁

播種機在作業(yè)過程中，液壓缸無桿腔進(出)油時帶動活塞桿伸(縮)[11]，繞著銷軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，平行四連桿機構(gòu)也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動；開溝鏟在平行四桿機構(gòu)和液壓缸的共同作用下平行于前連接件進行上下移動，在土地上開出不同深度的種溝。由于液壓缸行程的限制，為防止液壓缸在行程終點與缸蓋或缸底發(fā)生機械碰撞造成液壓缸的損壞，平行四連桿轉(zhuǎn)動一定角度時與播深限位梁發(fā)生接觸，播種單體不能繼續(xù)上下移動，即達到上下播深調(diào)節(jié)的最大量。

2 受力分析及平行四桿尺寸確定

2.1 受力分析

播種機工作狀態(tài)下，在xy平面受力平衡條件(見圖2)為[11]

Px+Cx-Bx=0

(1)

Py+Cy+By-G=0

(2)

Bx(H3+Lsinα)+By(Lcosα+H1)-

G(H2+Lcosα)+Cx(Ssinβ+h-Lsinα)+

Cy(Lcosα-Scosβ)+Pxh=0

(3)

式中Px、Py—平行四桿機構(gòu)所受牽引力(N)；

Cx、Cy—液壓桿所受牽引力(N)；

Bx、By—土壤對開溝器的前進阻力、垂直反力，Bx=fBy，f為土壤與開溝鏟之間的動摩擦系數(shù)(N)；

G—播種單體的重力(N)；

α、β—平行四桿機構(gòu)及液壓桿的牽引角(°)；

L、S—平行四桿及液壓桿的長度(mm)；

h—牽引點到鉸接點的垂直距離(mm)；

H1—土壤對開溝鏟作用力到平行四桿機構(gòu)尾部的水平距離(mm)；

H2—排種器重心距平行四桿機構(gòu)尾部的水平距離(mm)；

H3—土壤對開溝鏟作用力到平行四桿機構(gòu)底部的垂直距離(mm)。

簡化得

By[f(H3+h+Lsinα)+Lcosα+H1]}/

(4)

由式(4)可知：液壓缸所受到力的大小與播種單體重力、土壤對開溝器的前進阻力、平行四桿機構(gòu)與液壓缸牽引角及長度有關(guān)，與播種單體的尺寸及形狀有關(guān)，與排種器的重心大小和位置有關(guān)。平行四桿機構(gòu)牽引角α又與液壓缸的牽引角β有關(guān)。由于試驗樣機采用指夾式排種器及鏟式開溝器，尺寸及安裝位置已經(jīng)確定。若在工作狀態(tài)下使液壓缸所受負載合理及開溝深度的穩(wěn)定，必須選擇合適液壓缸及其安裝位置尺寸參數(shù)。

圖2 播深調(diào)節(jié)裝置在XY平面的受力圖

2.2 平行四桿機構(gòu)尺寸的確定

播種調(diào)節(jié)范圍示意圖如圖3所示。上下播深調(diào)節(jié)范圍總量[12]為

h=L(sinα2-sinα1)

(5)

在上下播深休止?fàn)顟B(tài)液壓缸伸出量(長度差)為

F=S2-S1

(6)

圖3 播深調(diào)節(jié)范圍示意圖

本文是在現(xiàn)有播種機樣機的基礎(chǔ)上進行的改進，該試驗樣機的目標(biāo)播深為5cm，初始工作角度α為25°，上播深休止角α1為15°，下播深休止角α2為35°，連桿長度L為330mm，上下連桿的距離為190mm，左右連桿寬度為85mm，開溝鏟寬度為40mm。因此，上下播深調(diào)節(jié)總量△h=103.8mm，符合播種機播深調(diào)節(jié)范圍的要求[13]。

3 播深調(diào)節(jié)裝置模型的建立

為驗證該調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計合理性，利用動力學(xué)仿真軟件ADAMS進行模擬分析及優(yōu)化設(shè)計。將在SolidWorks中建立的模型輸出為帶有合適坐標(biāo)系的Parasolid格式文件，然后導(dǎo)入到ADAMS中進行運動仿真[14-16]。

1)施加約束：在ADAMS 中對導(dǎo)入的播深調(diào)節(jié)裝置模型各構(gòu)件進行材料屬性定義并施加約束，約束形式如表1所示。

表1 約束形式

續(xù)表1

2)參數(shù)化設(shè)置：對液壓缸的位置及長度進行參數(shù)化，同時對“Joint_12”和“Joint_13”的位置進行參數(shù)化。

3)驗證模型：在仿真計算之前，對播深調(diào)節(jié)裝置系統(tǒng)模型的進行檢驗，以保證所建模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，所建模型驗證有效。

4)施加驅(qū)動：在“Joint_9”處添加移動驅(qū)動。試驗樣機的正常播種前進速度為6km/h，設(shè)置移動驅(qū)動函數(shù)為1.6m/s。

利用ADAMS中有限元構(gòu)件工具(FE Part)建立土壤模型。由文獻[17]知：土壤含水率為(10±1)%時，楊氏模量為2.76MPa，密度為1263kg/m3，泊松比為0.38，土壤與開溝器的動摩擦系數(shù)為0.32，土壤與開溝器的靜摩擦系數(shù)為0.5。將土壤模型簡化為長方體模型，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，整體模型如圖4所示。

圖4 播深調(diào)節(jié)裝置的仿真模型

4 仿真與優(yōu)化設(shè)計

播種機從初始狀態(tài)到正常工作狀態(tài)，開溝鏟需經(jīng)歷接觸地面—入土—到達目標(biāo)開溝深度整個過程。為了仿真開溝鏟從初始位置到目標(biāo)開溝深度位置的過程，在開溝鏟模型與土壤模型之間添加接觸[17]，選擇接觸類型為“Solid to Solid”，設(shè)置接觸摩擦因數(shù)及參數(shù)。同時，設(shè)定仿真時間為4s，步數(shù)為500步。

以液壓缸的受力為目標(biāo)函數(shù)，對液壓缸鞍座端及活塞桿端的安裝位置進行優(yōu)化分析?？紤]到平行四連桿機構(gòu)的對稱性及活塞桿端在后連接板上安裝空間的限制，液壓缸需安裝在Z平面上，活塞桿端x坐標(biāo)為-100mm，故只以鞍座端的X、Y坐標(biāo)及活塞桿端的Y坐標(biāo)為設(shè)計變量進行優(yōu)化分析，各設(shè)計變量的取值如表2所示。優(yōu)化過程如圖5所示，優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

表2 設(shè)計變量取值

圖5 優(yōu)化過程目標(biāo)函數(shù)的測量曲線

由圖5可以看出：在1.3s處開溝鏟開始接觸土壤，在接觸土壤之后產(chǎn)生了1次振動，振動時長為0.1s左右；而后開溝鏟開始入土并在3s時達到目標(biāo)開溝深度，期間牽引力逐漸增大；3s以后開溝器在穩(wěn)定的土壤深度前進，液壓缸受力恒定。仿真結(jié)果符合開溝鏟整個入土過程[18]。

圖6 優(yōu)化報告

由圖5、圖6可知：Trial_7時目標(biāo)函數(shù)值最小，所以選取Trial_7的設(shè)計變量取值作為優(yōu)化后的最優(yōu)解。液壓缸在初始狀態(tài)時優(yōu)化前受力為1 311.6N，優(yōu)化后受力為1 039.5N，優(yōu)化后受力減少了20.7%；達到目標(biāo)開溝深度后，液壓缸優(yōu)化前受力為1 219.7N，優(yōu)化后受力為966.2N，優(yōu)化后受力減少了20.8%。從入土到目標(biāo)溝深液壓缸受力差值從優(yōu)化前的1 153.8N減少到了914.7N。綜合比較，優(yōu)化后的液壓缸受力平穩(wěn)、震動減小，此優(yōu)化設(shè)計得到了良好的結(jié)果。

表3 優(yōu)化后設(shè)計變量取值

此時，液壓缸牽引角度約為55.2°，液壓缸長度S為596.4mm。由式(6)計算得：在上下播深休止?fàn)顟B(tài)液壓缸長度差(伸出量)F為57.87mm。考慮到液壓缸“折力”作用的影響，液壓缸的行程不宜過長，初步確定液壓缸的行程為140mm。

5 結(jié)論

1)對該播深調(diào)節(jié)裝置進行了受力分析，得出影響液壓缸受力的因素有平行四桿機構(gòu)與液壓缸牽引角及長度、播種單體的尺寸及形狀、排種器的重力大小和重心位置。

2)播深調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)范圍滿足農(nóng)藝對播深的要求。液壓缸的伸縮量與連桿長度和牽引角液壓缸初始長度牽引角、上(下)休止角度有關(guān)。

3)播種單體模型的仿真過程符合播種機從初始狀態(tài)到工作狀態(tài)的運動情況，以液壓缸的受力為目標(biāo)函數(shù)，確定了液壓缸鞍座端和活塞桿端的安裝位置。計算得出在上下播深休止?fàn)顟B(tài)液壓缸長度差(伸出量)F為57.87mm，并初步確定液壓缸的行程。

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Motion Simulation and Optimization Design of Electro-hydraulic Sowing Depth Adjusting Device for Corn Seeder

Chen Jiang，Wang Miaosen， Zhao Ming, Wang Wanzhang

( College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Henan，Zhengzhou 450002， China)

The corn no-tillage planter in undulating ground where the seeding monomer is overhead,usually resulting sowing depth is qualified, this research designed a sowing depth adjusting device for it.The device is provided with a hydraulic cylinder to adjust the sowing depth in parallel four-bar mechanism.The analysis of depth adjusting device of the electro-hydraulic sowing force was made to find out the influencing factors of hydraulic cylinder force.This research establish the sowing depth adjusting mechanism of the simplified model in the ADAMS,and the soil model by the finite element method to simulate the process of component and furrower buried; based on the hydraulic cylinder force value as the objective functions simulation this research optimize the hydraulic cylinder. The results show that the trenching shovel the grave are in conformity with the actual simulation process, find out the installation position of the hydraulic cylinder and sowing depth under-inactivity hydraulic cylinder volume. The results of this study provide theoretical basis for the design of intelligent sowing machine for deep control of notillage.

corn seeder；sowing depth adjustment；motion simulation；optimal design

2016-10-24

河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系玉米全程機械化崗位專項(16S10-02-G07)

陳 蔣(1991-)，男，河南南陽人，碩士研究生，(E-mail)272110550@qq.com。

王萬章(1963-)，男，河南孟津人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)wangwz@126.com。

S223.2；S237

A

1003-188X(2017)10-0128-05