旱地壟作膜面胡麻精量播種機設計和仿真

周 剛，石林榕，趙武云，辛尚龍，楊小平

(甘肅農業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

胡麻屬于亞麻科、亞麻屬，具有良好的耐旱和耐寒性[1]，在旱作農業(yè)生產中占據(jù)著其他經濟作物不可代替的地位[2-3]。胡麻在國內外種植較為廣泛，中國胡麻種植面積居世界第三，約為46.97萬hm2；種植產量居世界第二，約為42.78萬t[4]。國內胡麻種植區(qū)域大多分布于甘肅、內蒙、寧夏、河北、山西、新疆等較為干旱的地區(qū)，其中甘肅每年胡麻種植面積居全國首位，每年種植面積可達12萬hm2，占全甘肅省油料作物種植面積的50 %[5]。

目前，國外還沒有針對壟作膜面溝播技術的胡麻播種機，現(xiàn)有胡麻專用播種機，價格昂貴，體型較大；國內學者針對胡麻播種研制出2BY-26行亞麻施肥播種機、2BF-24型小麥播種機條播亞麻、2BXY-1型亞麻小區(qū)播種機等。國內胡麻種植機械化水平低，并且胡麻的播種方式主要以谷物條播機代播為主，而西北干旱地區(qū)多為人工種植，但這兩種種植方式均存在播量無法控制，播種質量差，勞動強度大等問題[6-7]。為此，本文設計了一種適合于小型旱地壟作膜面的胡麻精量播種機。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

旱地壟作膜面胡麻精量播種機(圖1)主要有手扶桿、穴播輪、仿形機構、牽引架、機架、動力機組、提升裝置等部件組成。

1.防護罩；2.手扶桿；3.穴播輪；4.仿形機構；5.牽引架；6.后輪；7.前輪；8.機架；9.電推桿；10.動力機組； 11.電池；12.提升控制按鈕；13.啟動控制按鈕；14.提升裝置1. Hood; 2. Walking stick; 3. Dibbling wheel; 4. Profiling mechanism; 5. Hitch frame; 6. Trailing wheel; 7. Front wheel; 8. Body frame; 9. Electric putter; 10. Power pack; 11. Battery; 12. Lifting control button; 13. Start control button; 14. Lifting device圖1 旱地壟作膜面胡麻精量播種機整機結構Fig.1 The machine structure of the precision flax seeder in dryland ridge plastic-film mulched surface

1.2 種植農藝

根據(jù)西北地區(qū)旱地胡麻種植農藝[8]，設定旱地壟作膜面胡麻精量播種機農藝要求(圖2)：大壟1與小壟2之間距離AC為110 cm，其中大壟寬AB為70 cm，高h1為11 cm；小壟寬BC為40 cm，高h2為16 cm，采用地膜全覆蓋技術，在壟溝內完成播種(圖2)。根據(jù)不同的年降水量，可確定播種深度h范圍為3～5 cm，株距為10～15 cm(可通過調節(jié)鴨嘴安裝個數(shù)控制)。

1.3 工作原理

旱地壟作膜面胡麻精量播種機工作時，動力傳遞為：電池動力經差速電動機傳遞到前輪，并牽引后輪運動，進而通過牽引架與仿形機構牽引穴播輪前進。前輪在兩相鄰大壟上行走，種子由取種器取出并進入鴨嘴，隨后鴨嘴與地面接觸后強制開啟，進而排出種子，從而完成播種作業(yè)。在轉彎或運輸時，按下提升控制按鈕中的提升按鈕，使電推桿工作，將穴播輪提升至適當位置，待轉彎或運輸結束后，按下下降按鈕，將其放至地面。

1.4 技術參數(shù)

根據(jù)胡麻種植模式及其他相關機型技術參數(shù)[9-10]，旱地壟作膜面胡麻精量播種機主要技術參數(shù)如表1所示。

1.大壟；2.小壟；3.地膜；4.胡麻1. Large ridge; 2.Small ridge; 3.Plastic-film; 4. Flax圖2 旱地壟作膜面胡麻精量播種機農藝圖Fig. 2 The agronomy diagram of the precision flax seeder in dryland ridge plastic-film mulched surface

表1 旱地壟作膜面胡麻精量播種機主要技術參數(shù)

2 關鍵部件設計

2.1 提升裝置

2.1.1 結構組成及原理 提升裝置主要由提升桿、搖桿、連桿、牽引桿、固定板、電推桿、銷釘?shù)冉M成。提升裝置結構如圖3所示。

1.提升桿；2.搖桿；3.電推桿；4.固定板；5.固定架；6.牽引桿1. Lifting rod; 2. Rocking bar; 3. Electric putter; 4. Fixed plate; 5. Fixed frame; 6. Traction rod圖3 提升裝置Fig.3 Lifting mechanism

電推桿通過銷軸安裝于固定板上，固定板與機架焊接在一起，電推桿中伸縮桿前端與搖桿連接，構成一個四連桿機構，搖桿前端開有U形槽，用來連接銷軸；銷軸安裝于固定架上，提升桿焊接在銷軸上；牽引桿一端與提升桿鉸接，另一端與仿形機構鉸接。機具在行走和轉彎時，按下提升控制按鈕的提升按鈕，啟動電推桿，此時電推桿內的伸縮桿移動一定的位移，帶動搖桿和提升桿轉動，使提升桿通過拉動牽引桿來提升穴播輪。本提升裝置不僅能實現(xiàn)穴播輪的提升和下降，而且提升精度較高。

2.1.2 提升桿、牽引桿桿長的確定 合理設計提升裝置的各桿長度，其目的在于精確提升穴播輪。根據(jù)本文需要設計提升穴播輪高度h=120 mm，DE桿長e=575 mm,DE桿初始角度θ=32°。

根據(jù)圖4可得：

(1)

由(1)式得：β1i=13°(i=3)，圖2可簡化為平行四桿機構(圖5)和搖桿機構(圖6)，在穩(wěn)定工作條件以及本文設計需求下，設計圖5中CD桿長c=70 mm，初始角度：α1=17°，β1=89°。已知提升桿a沿逆時針方向轉動的最大角度為α13=4°，并設β12=8°，α12=3°，則兩連架桿AB和CD相對于x軸的位置角之間的關系如下：

(2)

兩連架桿角位移的對應關系只與各構件的相關長度有關，因此以CD的長度c為基準，并設

(3)

將(3)式帶入(2)式中得：

cosβ=P0cosα+P1cos(β-α)+P2

(4)

式中，

P0=m，P1=m/p

注：β1：CD第一位置線相對于x軸的夾角；β1i：CD沿逆時針方向的對應角位移序列(i=1,2,3…)；h1：E′與x軸的垂直距離；h2：E與x軸的垂直距離。Note:β1: The angle between the first position of theCDand thexaxis;β1i: The corresponding angular displacement sequence ofCDalong the counter clockwise direction (i=1,2,3,…);h1:The vertical distance betweenE′ andxaxis;h2: The vertical distance betweenEandxaxis.圖4 穴播輪提升高度與DC桿角度關系Fig.4 The relationship between the height of the dibbling wheel and the angle of the DC bar

注：a：AB長；b：BC長；c：CD長；d：AD長；α:AB桿第i位置(AB′)相對于x軸的夾角；α1：AB第一位置線相對于x軸的夾角；α1i：AB沿逆時針方向的對應角位移序列(i=1,2,3…)；β：CD第i位置(C′D)相對于x軸的夾角；δ：B′C′與水平方向的夾角。Note:a:ABlength;b:BClength;c:CDlength;d:ADlength;α: The angle of theiposition ofAB(AB′) is relative to thexaxis;α1: The angle between the first position of theABand thexaxis;α1i: The corresponding angular displacement sequence ofABalong the counter clockwise direction (i=1,2,3,…);β: The angle of theiposition ofCD(C′D) is relative to thexaxis;δ: The angle between theB′C′ and the horizontal direction.圖5 平行四桿機構Fig.5 Parallelogram linkage mechanism

若α1和β1預先給定，則鉸四桿機構最多能精確實現(xiàn)兩連架桿2組對應角位移，此時(4)可寫為:

綜上所述可知a=276 mm，b=45 mm，d=306 mm。

2.1.3 電推桿伸縮量 將圖6中各桿件當作矢量桿，以A點為坐標系原點建立主直角坐標系xAy，并以B點為原點建立輔直角坐標系x′By′，可得以下矢量關系:

(5)

式中，初始參數(shù)a=90 mm，b=176 mm，c=221 mm，θ2=59°，θ3=10°，θ4=4°，由(5)式可得：θ1=22°，θ5=0.5°，b1=182 mm，即電推桿的伸縮量s=b1-b=6 mm。

2.2 仿形機構設計

2.2.1 四連桿仿形機構的組成 由于胡麻對播種深度的均勻性要求較高,因此要求播種機具有較好的仿形功能。旱地壟作膜面胡麻精量播種機選用了四連桿仿形機構(如圖7)，該仿形機構可以實現(xiàn)上下、左右仿形。四連桿仿形機構主要由提升牽引固定桿、一對橫桿、兩對上下縱桿、機架牽引固定板、限位架等組成。本機還設有限位輪與提升裝置，以保證仿形機構的初始位置，進而達到更好地仿形效果。

注：a：AC長；b：BC長；c：AB長；θ1：AB與BC的夾角；θ2：AB第一位置線相對于x′軸的夾角；θ3：AC第一位置線相對于y軸的夾角；θ4：AC與AC′的夾角；θ5：BC與BC′的夾角。Note:a:AClength;b:BClength;c:ABlength;θ1: The angle betweenABandBC;θ2: The angle between the first position of theABand thex′ axis;θ3: The angle between the first position of theACand theyaxis;θ4: The angle betweenACandAC′;θ5: The angle betweenBCandBC′.圖6 搖桿裝置Fig.6 Rocker device

四連桿仿形機構工作時，一對橫桿相對于機架轉動，隨之帶動兩對上下縱桿轉動，即實現(xiàn)穴播輪的上、下仿形。在縱桿轉動過程中，縱桿與限位架下端或上端接觸時，縱桿將停止上下運動，仿形機構達到上下仿形量的最大值；與此同時，兩對上下縱桿繞銷軸轉動，實現(xiàn)穴播輪左右仿形，縱桿一端開設有U形槽口，當縱桿轉過一定角度時，與U形槽口邊緣相接觸，此時縱桿停止左右轉動，仿形機構達到左右仿形量的最大值。

2.2.2 四連桿仿形機構主要參數(shù)的確定 合理地選擇四連桿仿形機構的參數(shù)，不僅保證四連桿仿形機構工作穩(wěn)定高效，而且顯著提高了機具播種深度的均勻性。影響四連桿仿形機構工作性能的因素很多，其中主要因素有牽引角、長度、橫向寬度等。

由圖8可知，上仿形量h1、下仿形量h2、總仿形量h與連桿長度L的關系為：

(6)

h=h1+h2=L[sinα1+sin(α+α2)]

(7)

由(7)式可知，總仿形量h相同條件下，當牽引角α變化范圍越小時，平行四桿的上、下縱桿之間長度會越長；反之，當牽引角α變化范圍越大時，平行四桿的上、下縱桿之間會越短。在機具實際工況下，需要牽引角α變化范圍較小，即要求上、下縱桿之間長度應較長。但桿長增加時，會使懸掛在其后的穴播輪向后移動，以至于機具的整體重心后移，導致機具結構不緊湊，操作不簡便。

1.提升牽引固定桿；2.橫桿；3.機架牽引固定板；4.機架；5.縱桿；6.限位架；7.銷軸1. Lift the traction anchor; 2. Horizontal bar; 3. Frame traction fixed plate; 4. Frame; 5. Longitudinal bar; 6. Limit frame; 7. Pin圖7 四連桿仿形機構Fig.7 Four-bar link profiling mechanism

通常情況下，播種機的上下仿形量各為80～120 mm，左右仿形量各為80～120 mm[11]。根據(jù)機具作業(yè)的工況條件，將該仿形機構的上下仿形量各設計為90 mm。查文獻[12]可知，牽引角α可取范圍為0°～20°；上仿形角α+α1可取范圍為15°～20°；下仿形角度α2可取范圍為15°～30°。由于本機型需適應于西北地區(qū)種植胡麻，而西北地區(qū)較干旱，田間土壤硬度大，所以確定參數(shù)α=0°，α1=15°，α2=15°,α′=15°。此時可計算出仿形桿長度L與左右仿形量h′的值。

(8)

由(8)式得L≈347.49 mm，為使機具重心前移，取L=347 mm。將L值代入(6)式中，可得h1=89.87 mm，h2=89.87 mm，即上仿形量h1和下仿形量h2滿足仿形量各為80～120 mm要求；已知h′≈89.81 mm，滿足左右仿形量為80～120 mm的要求，即取h′=90 mm。

考慮運動的干涉性和播種效率的高效性，確定出兩連桿架之間間距LAD=150 mm?？v桿后端連接有穴播輪，即兩縱桿橫向距離s直接影響到播種的穩(wěn)定性。如果橫向距離偏小，導致穴播輪容易擺動，播種直線性差；反之，橫向距離偏大，導致仿形機構寬度增加，以至于播種行距設計困難。因此，在滿足實際工況條件下，橫向距離應為最小值。根據(jù)上述各個參數(shù)和文獻資料，確定橫向距離s=200 mm。

注：B′C′：BC上仿形量最大位置；B″C″：BC下仿形量最大位置；α：仿形機構的牽引角；α1：上仿形牽引角；α2：下仿形角Note:B′C′: The maximum position of the amount of upward profiling on theBC;B″C″: The maximum position of the amount of downward profiling on theBC;α：Traction angle of profiling mechanism;α1: Upward profile traction angle;α2: Downward profiling angle圖8 四連桿上下仿形參數(shù)Fig.8 The profiling parameters of four-bar links on upward and downward

2.3 播種裝置

2.3.1 穴播輪結構及其工作原理 穴播輪主要有成穴器、輪軸、取種器、引種器以及動盤、彈簧等組成，穴播輪結構如圖9所示。

該機播種作業(yè)時，穴播輪在機組動力的牽引下隨中心軸轉動，此時，穴播輪底部的胡麻進入取種器，取種器隨著穴播輪轉過一定角度后，將胡麻倒入安裝在取種器下方的引種器內，同時引種器也會隨穴播輪轉動，將胡麻引至成穴器內；直到活動鴨嘴與地面接觸時，成穴器被強制打開，胡麻在自身重力作用下掉入土壤中，隨后成穴器出土，完成一次播種。

2.3.2 取種裝置 取種裝置結構如圖10所示，該取種裝置主要由取種器和引種器組成。取種器外壁、擋板a以及成穴器固定板構成取種槽；引種器外壁、擋板b以及成穴器固定板構成引導槽a與引導槽b；將取種器與引種器兩端相互交叉，以減緩穴播輪內胡麻的流動性。播種裝置工作時，胡麻由于自重填充取種槽，取種槽在穴播輪帶動下逆時針轉動，當穴播輪轉動一定角度后，引導槽a內的胡麻二次填充取種槽并使多余的胡麻掉落至穴播輪內；隨后穴播輪到達一定角度后，取種槽內的胡麻將倒入引導槽a內；此時，穴播輪繼續(xù)轉動，使引導槽a內的胡麻掉入引導槽b內，進而流入成穴器，完成一次取種作業(yè)。該取種裝置結構簡單、質量輕、取種穩(wěn)定，能滿足旱地壟作膜面胡麻精量播種機取種要求。

1.固定鴨嘴；2.彈簧；3.成穴器固定板；4.墊片；5.活動鴨嘴；6.輪軸軸套；7.輪軸；8.引種器；9.取種器；10.動盤1. Fixed duck-bill; 2. Spring; 3. Indenting tool fixed plate; 4. Gaskets; 5. Active duck-bill; 6. Axle bushing; 7. Axle; 8. Introduction device; 9. Seed metering device; 10. Dynamic plate圖9 穴播輪結構Fig.9 Dibbling wheel structure

2.3.3 穴播輪成穴過程 穴播輪在機組動力的牽引下隨中心軸轉動，繼而成穴器定期插入和退出土壤。在此過程中，成穴器不斷對土壤進行擠壓，克服摩擦，形成穴孔[13-15]。成穴器簡圖如圖11所示，對穴孔分析時，可取特殊點A、B、C的運動進行詳細分析。

A點運動軌跡方程：

(9)

式中,RA：A點到穴播輪中心的距離；αA：A點到穴播輪中心的連線與y軸的夾角；l：成穴器寬度;θ：成穴器在一定時間內轉過的角度；ΔS:滑移量。

1.取種器；2.取種槽；3.引導槽a；4.擋板b；5.引導器；6.引導槽b；7.擋板a1. Seed metering device; 2. Seed metering groove; 3. Guide groove a; 4. Baffle b; 5. Pilot; 6. Guide groove b; 7. Baffle a圖10 取種裝置Fig.10 Seed metering device

注：R：穴播輪半徑；R′：穴播輪實際滾動半徑；h：成穴器長度；α：入土成穴器上任意一點到穴播輪中心的連線與y軸的夾角；α′：動瓣AB與定瓣BC之間的夾角。Note:R: The radius of dibbling wheel;R′: Actual rolling radius of dibbling wheel;h: Length of the indenting tool;α: The angle between the connection to the center of dibbling wheel and theyaxis;α′: The angle between the movable flapABand the fixed flapBC.圖11 成穴器簡圖Fig.11 The schematic of indenting tool

B點運動軌跡方程：

(10)

式中,RB：B點到穴播輪中心的距離；αB：B點到穴播輪中心的連線與y軸的夾角。

C點運動軌跡方程：

(11)

式中,RC：C點到穴播輪中心的距離；αC：C點到穴播輪中心的連線與y軸的夾角；hC：C點到穴播輪中心的垂直距離;φ：成穴器開度。

3 穴播輪成穴過程的仿真分析

3.1 穴播輪與膜面受力分析

穴播輪在地膜表面滾動，安裝在穴播輪上的成穴器進、出土壤形成穴孔。影響穴孔形狀的主要因素為滑移量ΔS與滑移率δ等。由式(12)可知，當穴距一定時，增大穴播輪半徑，可使鴨嘴進、出土壤時的穴播輪轉角減小，滑移率δ與滑移量ΔS減小[16]。成穴器的鴨嘴在入、出土時其運動軌跡相對地面的位移量直接影響膜面開孔大小，位移量較大會出現(xiàn)撕膜、挑膜等現(xiàn)象，進而影響地膜保墑效果。

(12)

式中,R：穴播輪半徑；R′：穴播輪實際滾動半徑；θ：成穴器轉角

整機前進時，牽引穴播輪在膜面上滾動，穴播輪的受力可簡化為重力、穴播輪與地膜的摩擦力以及牽引力等，穴播輪受力如圖12所示。

對圖12分析得以下方程：

(13)

(14)

注：G：穴播輪重力；FN：壓力；Ff：穴播輪與地膜的摩擦力；F：牽引力；Fx：F在x軸方向的分力；Fy：F在y方向的分力；γ：牽引力與x軸方向的夾角。Note:G: Dibbling wheel gravity;FN: Pressure;Ff: The frictional force of dibbling wheel and plastic-film;F: Traction force;Fx: The force ofFin the direction ofx;Fy: The force ofFin the direction ofy;γ: The angle between the traction force and thexaxis.圖12 穴播輪受力圖Fig.12 The force diagram of dibbling wheel

式中,μ：地膜摩擦系數(shù)；m：穴播輪質量；a：穴播輪加速度；ω：穴播輪轉速；v：整機前進速度；h1：入土深度；RH：穴播輪中心到成穴器最頂端的距離。

將式(14)帶入式(13)中可得：

(15)

由式(15)可知，穴播輪與地膜的摩擦力的大小主要由整機前進速度、滑移率以及入土深度決定，因此，在仿真過程中，不僅要設計整機前進速度、滑移率以及入土深度三者之間相互影響的仿真方案，還要設置穴播輪與地膜、土壤的接觸參數(shù)。

3.2 穴播輪成穴過程的仿真和優(yōu)化

在Solidworks中建立穴播輪的三維模型，并導入Solidworks motion中，在仿真計算前，首先設置穴播輪中心軸到地面的距離參數(shù)，以保證穴播輪的入土深度；其次，設置接觸參數(shù)，而在Solidworks motion中有兩種接觸模型，分別是泊松模型(恢復系數(shù))和沖擊模型[17]，由于成穴器與地膜、土壤不是持續(xù)撞擊，所以我們選用泊松模型，但是在Solidworks motion中設置整機速度難度較大，所以仿真中根據(jù)式(14)將整機速度轉化為穴播輪角速度，進而得出穴播輪仿真結果，其穴播輪仿真方案與結果如表2所示。

表2 穴播輪仿真方案與結果

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和仿真結果(表2)，可得最優(yōu)仿真數(shù)據(jù)：滑移率為11%，整機速度為0.5 m·s-1，入土深度為0.03 m，穴播輪角速度為140.90 °·s-1。在最優(yōu)工作參數(shù)下，穴播輪滑移量較小，撕膜、挑膜現(xiàn)象不易產生，并且在此工作參數(shù)下，成穴器上B點的運動軌跡如圖13所示，成穴器上B點x和y方向的位移如圖14所示。

由圖14可知，在 0.52秒與0.76秒時，B點兩次在y方向經過30 mm。測量出0.52秒與0.76秒時，B點在x方向的位移分別為-597 mm與-593 mm，即B點相對于地面的滑移量為4 mm，表明成穴器相對于地面的滑移量很小，撕膜、挑膜現(xiàn)象不易產生，地膜的保墑效果很好。即最優(yōu)組合參數(shù)為滑移率δ=11%，整機速度v=0.5 m·s-1，入土深度h1=0.03 m。

圖13 B點運動軌跡Fig.13 The trajectory of the B point

圖14 B點在x和y方向的位移Fig.14 The displacement in the x and ydirection of the B point

4 結 論

1) 本文采用平行四桿機構和搖桿裝置，解決了傳統(tǒng)播種機轉向和運輸時手動提升穴播輪等問題，大大節(jié)省了人們的勞動力和時間，有效地提高了該機的安全性和可靠性；采用四連桿仿形機構，實現(xiàn)了旱地壟作膜面胡麻精量播種機上下、左右的仿形，解決了由地面不平引起的穴播輪播種直線性差和膜下播種深度均勻性差等問題；設計了一種新型取種裝置，實現(xiàn)了播種機的精量播種。

2) 借助Solidworks 軟件中的插件motion，對旱地壟作膜面胡麻精量播種機進行了優(yōu)化仿真，得到最優(yōu)組合參數(shù)：滑移率δ=11%，整機速度v=0.5 m·s-1，入土深度h1=0.03 m。該穴播輪滑移量很小，撕膜、挑膜現(xiàn)象不易產生，進而提高地膜的保墑效果，此最優(yōu)組合參數(shù)滿足穴播機設計要求。