機(jī)采棉精播機(jī)關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析

孫冬霞，李明軍，石 磊，宮建勛，張愛民

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州 256600；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

機(jī)采棉精播機(jī)關(guān)鍵部件運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析

孫冬霞1，李明軍1，石 磊2，宮建勛1，張愛民1

(1.濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東 濱州 256600；2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

為了滿足棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的要求，項(xiàng)目組研發(fā)了適用于在耕整后田地上作業(yè)的2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)。為此，對(duì)2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)播種機(jī)的仿形播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并利用SolidWorks中的Simulation模塊對(duì)播種開溝器進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明：在耕整后的田地上，播種機(jī)仿形播種機(jī)構(gòu)的仿形能力能夠滿足棉花播種的要求，播種開溝器在工作狀態(tài)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，能夠滿足棉花播種的使用要求。

播種機(jī)；仿形播種機(jī)構(gòu)；機(jī)采棉；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；有限元分析

0 引言

近年來，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，勞動(dòng)力成本逐年提高，植棉成本隨之上升，植棉經(jīng)濟(jì)效益下降，棉農(nóng)植棉積極性受挫，棉花種植面積逐年減少。因此，全程機(jī)械化是棉花生產(chǎn)的根本出路[1]，加快推進(jìn)棉花生產(chǎn)的全程機(jī)械化成為棉花生產(chǎn)的必然需求；而推進(jìn)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化的關(guān)鍵之一是適于機(jī)收的播種環(huán)節(jié)，播種環(huán)節(jié)的裝備研發(fā)有助于后續(xù)管理及收獲環(huán)節(jié)機(jī)械化作業(yè)的推進(jìn)。

機(jī)采棉的種植模式不同于傳統(tǒng)的棉花種植模式，機(jī)采棉對(duì)于行距的要求十分嚴(yán)格，需要等行距種植，行距為76cm。由于黃河三角洲棉花生產(chǎn)區(qū)的地理位置及氣候特點(diǎn)，保證棉花發(fā)芽的關(guān)鍵在于保持土地墑情，而目前保持土地墑情的方法就是采用地膜覆蓋技術(shù)[2]。棉花一膜三行種植模式是由常規(guī)棉一膜兩行種植模式優(yōu)化而來，符合機(jī)采棉對(duì)于行距的要求，是一種高產(chǎn)、輕簡的種植方式。實(shí)施一膜三行栽培的棉花，通風(fēng)、透光面好、出苗壯，結(jié)的棉桃鈴大鈴重；同時(shí)與傳統(tǒng)種植技術(shù)相比還能增加地膜覆蓋率，確保達(dá)到提高單產(chǎn)和豐產(chǎn)增收的目的。

在播種機(jī)的研發(fā)過程中，機(jī)具必須有利于搶農(nóng)時(shí)，能同時(shí)完成多個(gè)工序，減少機(jī)具的進(jìn)地次數(shù)，達(dá)到保墑的效果；同時(shí)，棉花對(duì)播種深度一致性的要求較高，播深必須控制在2～3cm，種床要求下實(shí)上虛[3]。

根據(jù)機(jī)采棉種植模式的特點(diǎn)及播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目組研發(fā)了適用于在耕整后田地上作業(yè)的2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)主要由機(jī)架、劃行器、平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)、肥箱、種箱、施肥開溝器、播種開溝器、指夾式排種器、平地限深輪、鎮(zhèn)壓輪、展膜滾子、覆土滾筒、覆土圓盤及開溝圓盤等部件組成，一次進(jìn)地可完成種床碎土、側(cè)深施肥、種床鎮(zhèn)壓、精量播種、覆土鎮(zhèn)壓、寬幅覆膜及膜后覆土等工序，如圖1所示。

整機(jī)設(shè)計(jì)為幅寬76cm×3行，一膜3行。機(jī)架包括三點(diǎn)懸掛裝置、前后主梁、前上橫梁、前下橫梁、縱梁及側(cè)板等部件；平地限深輪采用通輥鎮(zhèn)壓的方式，既起到種床鎮(zhèn)壓碎土的作用，又起到整機(jī)限深的作用；施肥裝置包括肥箱、外槽輪式排肥器、電動(dòng)機(jī)及施肥開溝器等部件；三組仿形播種單體各自通過U形卡安裝在機(jī)架前上橫梁上，保證了播深的一致性；創(chuàng)新性地采用了指夾式排種器，能夠?qū)崿F(xiàn)棉花單粒精播。大田生產(chǎn)試驗(yàn)表明：單粒率95%，雙粒率2%～5%，籽粒無破碎現(xiàn)象，可增加作業(yè)速度，提高生產(chǎn)效率。

1.2 工作原理

2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)的工作原理如下：播種機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)懸掛點(diǎn)連接，通過拖拉機(jī)牽引前進(jìn)進(jìn)行播種作業(yè)。工作前，先將覆土滾筒抬起，再將地膜橫頭從膜卷上拉出，經(jīng)壓膜輪和覆土滾筒拉到機(jī)具后面，用土埋住地膜的橫頭，然后放下覆土滾筒。機(jī)組開始前進(jìn)，機(jī)具前部的平地限深輪將地表的土塊壓碎，壓平種床和膜床，以方便覆膜作業(yè)；然后施肥開溝器開溝，排肥器由電機(jī)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的施肥功能；播種開溝器同時(shí)開溝，平地限深輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)排種器排種，后面的鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓；開溝圓盤開溝，機(jī)具行走帶動(dòng)地膜輥旋轉(zhuǎn)，地膜逐漸脫離地膜輥平鋪于地表，地膜兩側(cè)通過壓膜輪壓入開溝圓盤開好的溝內(nèi)；緊接著，覆土圓盤將一部分土翻入地膜溝中，經(jīng)膜上鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)，另一部分土翻入覆土滾筒內(nèi)，覆土滾筒內(nèi)的導(dǎo)土板將土輸送到滾筒的另一端覆在地膜上，防止大風(fēng)揭膜。播種機(jī)在工作過程中采用了智能監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)播種、施肥進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)分析下種、下肥實(shí)情，出現(xiàn)問題能夠及時(shí)報(bào)警、語音輸出，避免重播(施)、漏播(施)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種、施肥，達(dá)到節(jié)種節(jié)肥目的，且報(bào)警精度不受播種機(jī)的行走速度影響；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)播種面積即時(shí)測量、液晶顯示，數(shù)據(jù)精確；另外，設(shè)置斷電記憶功能，即作業(yè)停止電源斷開后先前數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，方便查閱匯總。

2 仿形播種機(jī)構(gòu)

2.1 仿形播種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

本裝置是一種具有單體仿形、一級(jí)傳動(dòng)、智能報(bào)警及播種鎮(zhèn)壓功能的棉花單粒精播機(jī)構(gòu)，主要由弧形四連桿部件、智能報(bào)警指夾式排種器部件及同心圓一級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)等部件組成，如圖2所示。該裝置利用同心圓理論，實(shí)現(xiàn)了一級(jí)傳動(dòng)。作業(yè)時(shí)，該機(jī)構(gòu)調(diào)整播種深度時(shí)鏈條長度不變，對(duì)排種器的傳動(dòng)更為可靠，解決了在不平地面上作業(yè)時(shí)深淺不一致的問題，提高了播種深度一致性、穴距一致性及單粒率等各項(xiàng)性能指標(biāo)。其結(jié)構(gòu)簡單，新穎，性能先進(jìn)可靠。

1.弧形四連桿仿形部件 2.種箱 3.指夾式排種器 4.播種開溝器圖2 仿形播種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of planing sowing mechanism

2.2 平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)工作原理

平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)主要由前支架、上拉桿、下拉桿及后支架等部件組成，如圖3所示。

1.前支架 2.弧形上拉桿 3.后支架 4.弧形下拉桿 5.播種開溝器 6.U形卡圖3 平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)Fig.3 Parallel four-link contoured mechanism

前支架通過U形卡與機(jī)架前上橫梁連接，后支架與排種器、播種開溝器等連接。上下拉桿平行且相等，A、B兩點(diǎn)鉸接在前支架上構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)的前桿，C、D兩點(diǎn)鉸接在后支架上構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)的后桿。工作過程中，上拉桿AC桿、下拉桿BD構(gòu)成連桿系統(tǒng)繞A、B兩點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；仿形過程中，AC、BD始終做平行運(yùn)動(dòng)，從而使剛性連接在后拉桿CD的播種開溝器一直做平行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而保證播種開溝器在工作過程中，開出深淺一致的種溝。

3 仿形播種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

仿形播種機(jī)構(gòu)是播種機(jī)的重要工作機(jī)構(gòu)，其仿形能力的強(qiáng)弱直接影響播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)仿形播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得平地限深輪質(zhì)心、播種開溝器尖點(diǎn)、仿形輪質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡及位移等數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)仿形播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及仿形能力的強(qiáng)弱，更好地了解仿形播種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程；但由于ADAMS的優(yōu)勢在于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析上，在建模方面ADAMS存在許多不足，很難實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)零部件的三維建模[4]。使用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks來建立零件模型既快捷又準(zhǔn)確，可以通過拉伸凸臺(tái)/基體、旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體、拉伸切除、掃描及抽殼等方法建立零件實(shí)體，同時(shí)還可以建立合適的約束條件和特征間父子關(guān)系，在建模過程中可以從不同的角度觀察零件實(shí)體，以便對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行修改。三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks的應(yīng)用很好地解決了ADAMS在三維建模方面功能不足的問題，通過合適的接口程序?qū)⒃赟olidWorks中建好的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。本文是采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)仿形播種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

3.1 建立幾何模型

利用SolidWorks軟件建立仿形播種機(jī)構(gòu)的幾何模型，同時(shí)對(duì)該模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕幚?，去掉與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真不相關(guān)的部件[5]。種箱、智能報(bào)警指夾式排種器及輸種管這3個(gè)部件與此次的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真關(guān)系不大，可以進(jìn)行簡化處理，將這3個(gè)部件去除；播種開溝器、弧形四連桿仿形機(jī)構(gòu)的后支架及仿形輪的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)這3個(gè)部件焊接在一起，沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行簡化處理，將這3個(gè)部件當(dāng)成一個(gè)幾何模型；弧形四連桿仿形機(jī)構(gòu)的前支架用U形卡與機(jī)架相連，前支架與機(jī)架之間也沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以進(jìn)行簡化處理，將這兩個(gè)部件當(dāng)成一個(gè)幾何模型。簡化后的模型包括平地限深輪、簡化后的前支架、弧形上拉桿、弧形下拉桿、簡化后的后支架、仿形輪及大地共7個(gè)構(gòu)件。其中，大地的幾何模型比較簡單，可以在仿真時(shí)在ADMAS中建模，利用SolidWorks軟件建立的幾何模型如圖4～圖9所示。

圖4 平地限深輪Fig.4 Level limit wheel

圖5 簡化后的前支架Fig.5 Simplified front bracke

圖6 弧形上拉桿Fig.6 Curved upper bar

圖7 弧形下拉桿Fig.7 Curved lower rod

圖8 簡化后的后支架Fig.8 Simplified rear bracket

圖9 仿形輪Fig.9 Copying wheel

3.2 裝配幾何模型

幾何模型建立完成之后，利用SolidWorks軟件中裝配體模塊進(jìn)行幾何模型的裝配，通過裝配體配合中的重合、平行、垂直、相切、同軸心、鎖定、距離及角度等裝配配合約束類型，可在各幾何模型之間建立一定的連接關(guān)系，從而確定各幾何模型在空間的具體位置關(guān)系。仿形播種機(jī)構(gòu)的裝配根據(jù)幾何模型之間的實(shí)際裝配關(guān)系和運(yùn)動(dòng)功能來選擇相應(yīng)的裝配約束類型，使各幾何模型能夠?qū)崿F(xiàn)其運(yùn)動(dòng)功能而不會(huì)產(chǎn)生干涉。仿形播種機(jī)構(gòu)的裝配體如圖10所示。

圖10 仿形播種機(jī)構(gòu)的裝配體Fig.10 Assembly of the contoured seeding mechanism

3.3 裝配體導(dǎo)入ADAMS

使用SolidWorks軟件將幾何模型裝配好之后，將裝配體另存為ParaSolid(*.x_t)格式。需要注意的是，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中，ParaSolid(*.x_t)格式文件的存儲(chǔ)路徑中不能存在中文字符，否則數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將會(huì)失敗[6]。

在ADAMS中導(dǎo)入SolidWorks中已保存的ParaSolid(*.x_t)格式文件，將裝配體導(dǎo)入ADAMS之后，對(duì)裝配體中各個(gè)構(gòu)件的位置根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)為保證后續(xù)操作的方便性，對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行重新命名。本文中，仿形播種機(jī)構(gòu)各構(gòu)件對(duì)應(yīng)的模型名稱為：平地限深輪—PART_1；簡化后的前支架—PART_2；弧形上拉桿—PART_3；弧形下拉桿—PART_4；簡化后的后支架—PART_5；仿形輪—PART_6。導(dǎo)入ADAMS后的仿形播種機(jī)構(gòu)如圖11所示。

根據(jù)仿形播種機(jī)構(gòu)的實(shí)際情況，各構(gòu)件之間的約束如表1所示。

圖11 ADAMS環(huán)境下的仿形播種機(jī)構(gòu)Fig.11 Contouring seeding mechanism in ADAMS environment表1 構(gòu)件間的約束Table 1 Constraints between components

構(gòu)件運(yùn)動(dòng)副類型運(yùn)動(dòng)副名稱PART_1和PART_2轉(zhuǎn)動(dòng)副JOINT_1PART_2和PART_3轉(zhuǎn)動(dòng)副JOINT_2PART_2和PART_4轉(zhuǎn)動(dòng)副JOINT_3PART_3和PART_5轉(zhuǎn)動(dòng)副JOINT_4PART_4和PART_5轉(zhuǎn)動(dòng)副JOINT_5PART_5和PART_6轉(zhuǎn)動(dòng)副JOINT_6

在仿形播種構(gòu)件相應(yīng)的位置，將表1中構(gòu)件間的約束添加上，如圖12所示。

圖12 ADAMS環(huán)境下的仿形播種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副示意圖Fig.12 Schematic diagram of the motion pair in the ADAMS environment

3.4 仿形播種機(jī)構(gòu)上坡時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在ADAMS中建立上坡的土壤模型，重命名為PART_7。其中，PART_7和大地之間的約束為固定副，名稱為JOINT_7；PART_2和PART_7之間的約束為移動(dòng)副，名稱為JOINT_8，并在移動(dòng)副JOINT_8上添加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)名稱為MOTION_1。為了使平地限深輪、仿形輪與地面的接觸符合實(shí)際情況，將平地限深輪、仿形輪與地面的接觸分別設(shè)置為曲線與曲線的碰撞力，并設(shè)置合理的碰撞參數(shù)[7]。為了便于觀察仿形輪、播種開溝器及限深平地輪上坡時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移等數(shù)據(jù)信息，在仿形輪的質(zhì)心位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，名稱為MARKER_50；在播種開溝器的尖角位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，名稱為MARKER_51；在平地限深輪的質(zhì)心位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，名稱為MARKER_52。仿真模型如圖13所示。

圖13 仿形播種機(jī)構(gòu)上坡時(shí)仿真模型Fig.13 Simulation model of up-slope of planar sowing mechanism

設(shè)定仿真時(shí)間為50s、步數(shù)為5 000步后進(jìn)行仿真，仿真完成后進(jìn)行后處理。圖14為仿形播種機(jī)構(gòu)上坡時(shí)標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移。其中，curve_1為平地限深輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移；curve_2為仿形輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移；curve_3為播種開溝器與仿形輪距離為395mm時(shí)，播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移；curve_4為播種開溝器與仿形輪距離為195mm時(shí)播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移。

仿真結(jié)果分析：①由curve_1可知，在0～50s期間，平地限深輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上有位移，說明平地限深輪從0s時(shí)開始上坡。②由curve_2可知，在0～37s期間，仿形輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上沒有位移，說明仿形輪在平地上運(yùn)動(dòng)；在37～50s期間，仿形輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上有位移，說明仿形輪開始上坡。③由curve_3和curve_4可知，curve_3和curve_4兩條線相重合，說明播種開溝器與仿形輪之間距離的變化對(duì)播種開溝器上坡的時(shí)間點(diǎn)沒有影響。這是因?yàn)椴シN開溝器是由仿形輪帶動(dòng)的，所以播種開溝器標(biāo)記點(diǎn)與仿形輪標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相同，在0～37s期間播種開溝器沿平地運(yùn)動(dòng)，在37～50s期間播種開溝器開始上坡。

圖14 仿形播種機(jī)構(gòu)上坡時(shí)各標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移Fig.14 The displacement of the marker points in the vertical direction when the planter is uphill

圖15為仿形播種機(jī)構(gòu)上坡時(shí)各標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中，curve_5為大地表面，點(diǎn)a為上坡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；curve_6為平地限深輪標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；curve_7為仿形輪標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；curve_8為播種開溝器與仿形輪距離為395mm時(shí)，播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；curve_9為播種開溝器與仿形輪距離為195mm時(shí)播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖15 仿形播種機(jī)構(gòu)上坡時(shí)各標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.15 The trajectory of the marking points on the uphill of the planter sowing

仿真結(jié)果分析：①由curve_6可知，平地限深輪從a點(diǎn)開始沿大地表面上坡。②由curve_7可知，仿形輪在a點(diǎn)之前在平地上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過a點(diǎn)之后沿大地表面上坡。③由curve_8和curve_9可知，curve_8和curve_9在上坡之前的運(yùn)動(dòng)軌跡相重合，在上坡時(shí)仿形存在一定的滯后性，播種開溝器的播種深度與平地相比會(huì)變深；同時(shí)，在上坡時(shí)curve_9的播種深度比curve_8更接近于平地時(shí)的播種深度，仿形更精確，因此縮短播種開溝器與仿形輪之間的距離，可以提高仿形能力，提高播種深度的一致性。

由于2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)適用于在耕整后田地上進(jìn)行作業(yè)，田地的坡度很小，相當(dāng)于平地，所以仿形播種機(jī)構(gòu)在上坡時(shí)的仿形能力滿足使用要求。

3.5 仿形播種機(jī)構(gòu)下坡時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在ADAMS中建立下坡的土壤模型，重命名為PART_8。其中，PART_8與大地之間的約束為固定副，名稱為JOINT_8；PART_2和PART_8之間的約束為移動(dòng)副，名稱為JOINT_9，并在移動(dòng)副JOINT_9上添加驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)名稱為MOTION_2。為了使平地限深輪、仿形輪與地面的接觸符合實(shí)際情況，將平地限深輪、仿形輪與地面的接觸分別設(shè)置為曲線與曲線的碰撞力，同時(shí)設(shè)置合理的碰撞參數(shù)。為了便于觀察仿形輪、播種開溝器及限深平地輪下坡時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位移等數(shù)據(jù)信息，在仿形輪的質(zhì)心位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，名稱為MARKER_53；在播種開溝器的尖角位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，名稱為MARKER_54；在平地限深輪的質(zhì)心位置設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，名稱為MARKER_55。仿真模型如圖16所示。

圖16 仿形播種機(jī)構(gòu)下坡時(shí)仿真模型Fig.16 Simulation model of downhill slanting mechanism

設(shè)定仿真時(shí)間為50s、步數(shù)為5 000步后進(jìn)行仿真，仿真完成后進(jìn)行后處理。圖17為仿形播種機(jī)構(gòu)下坡時(shí)標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移。其中，curve_10為平地限深輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移；curve_11為仿形輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移；curve_12為播種開溝器與仿形輪距離為395mm時(shí)，播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移；curve_13為播種開溝器與仿形輪距離為195mm時(shí)播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移。

仿真結(jié)果分析：①由curve_10可知，在0～50s期間，平地限深輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上有位移，說明平地限深輪從0s時(shí)開始下坡。②由curve_11可知，在0～40s期間，仿形輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上沒有位移，說明仿形輪在平地上運(yùn)動(dòng)；在40～50s期間，仿形輪標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上有位移，說明仿形輪開始下坡。③由curve_12和curve_13可知，curve_12和curve_13兩條線相重合，這說明播種開溝器與仿形輪之間距離的變化對(duì)播種開溝器下坡的時(shí)間點(diǎn)沒有影響。這是因?yàn)椴シN開溝器是由仿形輪帶動(dòng)的，所以播種開溝器標(biāo)記點(diǎn)與仿形輪標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相同。在0～40s期間，播種開溝器沿平地運(yùn)動(dòng)，在40～50s期間，播種開溝器開始下坡。

圖17 仿形播種機(jī)構(gòu)下坡時(shí)各標(biāo)記點(diǎn)在豎直方向上的位移Fig.17 The displacement of the marker points in the vertical direction when the planter sowing mechanism descends the slope

圖18為仿形播種機(jī)構(gòu)下坡時(shí)個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中，curve_14為大地表面，點(diǎn)b為下坡的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；curve_15為平地限深輪標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；curve_16為仿形輪標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；curve_17為播種開溝器與仿形輪距離為395mm時(shí)，播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡；curve_18為播種開溝器與仿形輪距離為195mm時(shí)播種開溝器尖角上標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖18 仿形播種機(jī)構(gòu)下坡時(shí)各標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.18 The trajectory of the marking points in the downhill of the contoured seeding

仿真結(jié)果分析：①由curve_15可知，平地限深輪從b點(diǎn)開始沿大地表面下坡。②由curve_16可知，仿形輪在b點(diǎn)之前在平地上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過b點(diǎn)之后沿大地表面下坡。③由curve_17和curve_18可知，curve_17和curve_18在下坡之前的運(yùn)動(dòng)軌跡相重合，在下坡時(shí)，仿形存在一定的滯后性，播種開溝器的播種深度與平地相比會(huì)變淺；在下坡時(shí)，curve_18的播種深度比curve_17更接近于平地時(shí)的播種深度，仿形更精確，因此縮短播種開溝器與仿形輪之間的距離，可以提高仿形能力，提高播種深度的一致性。

由于2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)適用于在耕整后田地進(jìn)行作業(yè)，田地的坡度很小，相當(dāng)于平地，所以仿形播種機(jī)構(gòu)在下坡時(shí)的仿形能力滿足使用要求。

4 仿形播種機(jī)構(gòu)有限元分析

仿形播種機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)時(shí)，播種開溝器需入土開溝，由于田間地表的起伏不平及土壤內(nèi)根茬等其他雜物的存在，對(duì)播種開溝器的強(qiáng)度提出了很高的要求。與人工計(jì)算相比，利用軟件進(jìn)行物體的有限元分析既準(zhǔn)確又方便快捷。本文利用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對(duì)播種開溝器進(jìn)行有限元分析，檢驗(yàn)播種開溝器的強(qiáng)度能否達(dá)到要求，在工作狀態(tài)時(shí)會(huì)不會(huì)因受力過大而產(chǎn)生屈服變形等現(xiàn)象[8]。

播種開溝器在工作狀態(tài)時(shí)上部受到平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)的約束，中部受到指夾式排種器的約束。播種開溝器在工作狀態(tài)時(shí)受到的力主要有土壤給予播種開溝器的牽引阻力、播種開溝器自身的重力及土壤給予播種開溝器的支持力。其中，土壤給予播種開溝器的牽引阻力對(duì)于播種開溝器的力學(xué)性能影響最大；播種開溝器自身重力與土壤給予播種開溝器的支持力相平衡，對(duì)于播種開溝器的力學(xué)性能影響不大，在力學(xué)分析時(shí)可忽略不計(jì)，這里主要分析土壤阻力對(duì)于播種開溝器的力學(xué)影響。

4.1 播種開溝器的材料

設(shè)置播種開溝器的材料為Q235A，其材料特性如表2所示。

表2 Q235A的材料特性

4.2 夾具(約束)

播種開溝器的約束位置有兩處，一處為播種開溝器上部與平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)的接觸處，另一處為播種開溝器中部與指夾式播種器的接觸處。約束情況如圖19所示。

圖19 播種開溝器的約束情況Fig.19 Sowing opener constraints

4.3 外部載荷

播種開溝器的牽引阻力是指土壤作用在播種開溝器上的總阻力沿前進(jìn)方向的水平分力。目前，常用如下公式進(jìn)行播種開溝器牽引阻力的計(jì)算，即

P=Knab

式中P—牽引阻力(N)；

n—播種開溝器的個(gè)數(shù)；

a—溝深(cm)；

b—溝寬(cm)；

K—土壤的比阻(N/cm2)。

土壤的比阻K是指作用于土垡每單位橫斷面積的阻力，包括土壤性質(zhì)、機(jī)具的性能及前進(jìn)速度等各項(xiàng)因素在內(nèi)，是一個(gè)綜合性系數(shù)。播種開溝器在各種土壤條件下的比阻值如表3所示。

表3 各種土壤條件下的比阻值

Table 3 Specific soil resistance under various soil conditions N/cm2

土壤類型K土壤類型K輕型土壤(沙壤土)2～3一般土壤(壤土)4～5粘重土壤(粘土)6～8特別粘重土壤(重粘土)9～15

為了保證播種開溝器在工作狀態(tài)時(shí)的安全性，此次力學(xué)分析土壤的比阻K取最大值15N/cm2；因?yàn)槭菃蝹€(gè)播種開溝器的力學(xué)分析，故播種開溝器的個(gè)數(shù)n為1；播種時(shí)棉花的播種深度一般為1～3cm，故溝深a取最大值3cm；根據(jù)實(shí)際測量，播種開溝器的最大寬度為3.6cm，故取溝寬b=3.6cm。將上述數(shù)值代入播種開溝器牽引阻力的計(jì)算公式中，得到播種開溝器的牽引阻力P=162N。將牽引阻力P做為外部載荷加載到播種開溝器上，載荷加載情況如圖20所示。

圖20 播種開溝器載荷加載情況Fig.20 Load loading of seeding opener

4.4 劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格在Simulation模塊有限元分析中十分重要，網(wǎng)格劃分的好壞直接關(guān)系到有限元分析最后的結(jié)果。將播種開溝器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖21所示。

圖21 播種開溝器劃分網(wǎng)格Fig.21 Sowing opener divides the grid

4.5 結(jié)果分析

1)應(yīng)力。播種開溝器應(yīng)力分析結(jié)果如圖22所示。

結(jié)果分析：播種開溝器的最大應(yīng)力位于播種開溝器與指夾式播種器接觸處的下部位置，最大應(yīng)力值為60 397 344N/m2，小于材料的屈服應(yīng)力2.75×108N/m2。這說明，播種開溝器在工作狀態(tài)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生屈服現(xiàn)象，無需加強(qiáng)。

圖22 播種開溝器應(yīng)力分析結(jié)果Fig.22 Stress analysis of seeding opener

2)位移。播種開溝器位移分析結(jié)果如圖23所示。

圖23 播種開溝器位移分析結(jié)果Fig.23 Displacement analysis of seeding opener

結(jié)果分析：播種開溝器的最大位移位于播種開溝器側(cè)板的后下部，最大位移值為1.371×10-1mm，數(shù)值很小，可忽略不計(jì)。

3)應(yīng)變。播種開溝器應(yīng)變分析結(jié)果如圖24所示。

圖24 播種開溝器應(yīng)變分析結(jié)果Fig.24 Strain analysis results of sowing opener

結(jié)果分析：播種開溝器的最大應(yīng)變位于播種開溝器與指夾式排種器接觸處的下部位置，最大應(yīng)變值為2.087×10-4。

由結(jié)果分析可知：播種開溝器在工作狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生屈服，強(qiáng)度合適，滿足使用條件。

5 結(jié)論

1)對(duì)2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹。

2)采用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks和機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS相結(jié)合的方法，對(duì)2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)仿形播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。通過仿真分析可知：播種機(jī)仿形播種機(jī)構(gòu)存在一定的滯后性，當(dāng)縮短播種開溝器與仿形輪的距離時(shí)，可以提高仿形能力，提高播種深度的一致性，為后續(xù)機(jī)具的優(yōu)化提升提供了可參考的理論和設(shè)計(jì)思路。由于2BMJ-3A型基于機(jī)采棉的智能精量播種機(jī)適用于在耕整后的田地上進(jìn)行作業(yè)，田地的坡度很小，相當(dāng)于平地，故仿形播種機(jī)構(gòu)的仿形能力滿足使用要求。

3)利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中的Simulation模塊對(duì)播種開溝器進(jìn)行了有限元分析，結(jié)果表明：播種開溝器在工作狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生屈服變形，滿足使用條件。

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Motion Simulation and Mechanical Analysis of Key Components of Machine - picking Cotton

Sun Dongxia1， Li Mingjun1， Shi Lei2， Gong Jianxun1， Zhang Aimin1

(1.Binzhou Agricultural Machinery Research Institute,Binzhou 256600,China; 2. Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization,Ministry of Agriculture,Nanjing 210014,China)

In order to meet the full mechanization of cotton production requirements, the project team developed for the field after the tillage in the work of 2BMJ-3A-based intelligent machine precision cotton seeding machine.In this paper, the structure and working principle of 2BMJ-3A intelligent precision planter based on machine-picked cotton are introduced.The kinematics simulation of the planter seeding mechanism of the seeder was carried out by using the 3D design software SolidWorks and the mechanical system dynamic analysis software ADAMS.The simulation of the seeding opener was carried out by using the Simulation module in SolidWorks.The results showed that the profiling ability of the planer sowing mechanism of the planter could meet the requirement of cotton seeding in the field after tillage, and the sowing device could not produce yield in the working state and meet the requirement of cotton planting.

planter; planing sowing mechanism; machine picking cotton; kinematics simulation; finite element analysis

2017-02-14

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GNC112007)

孫冬霞(1981-)，女，山東壽光人，副研究員，碩士，(E-mail)bznjsdx@163.com。

石 磊(1963-)，男，西安人，研究員，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)shileijsnj@126.com。

S223

A

1003-188X(2018)02-0046-10