棉花精量免耕穴播機設計及關鍵部件運動仿真

滕悅江, 張愛民, 楊自棟，孫冬霞，王廷恩，王佳文

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院 ，山東 淄博　255049 ； 2.濱州市農業機械化科學研究所 ，山東 濱州　256600 ；3.浙江農林大學 工程學院 ，杭州　650201)

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棉花精量免耕穴播機設計及關鍵部件運動仿真

滕悅江1, 張愛民2, 楊自棟3，孫冬霞2，王廷恩1，王佳文1

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院 ，山東 淄博255049 ； 2.濱州市農業機械化科學研究所 ，山東 濱州256600 ；3.浙江農林大學 工程學院 ，杭州650201)

摘要：黃河三角洲地區種棉歷史悠久，但棉花種植的密度相對較低，且采用大小行交錯種植，不適宜機器采摘。為此，設計了棉花精量免耕穴播機，主要由全幅旋耕滅茬裝置、開溝器、全幅前鎮壓裝置及鴨嘴式穴播器等構成。鴨嘴式穴播器主要由鴨嘴式成穴機構和垂直轉勺式排種器組成，既具備精量取種能力，又具備定點投種能力。每組播種單體由兩個鴨嘴式穴播器并聯構成，能實現(66+10)cm的播種效果。田間試驗表明：播種、施肥平均深度分別為32.6、94.6mm,出苗率達到91.04%，提高了播種質量，既滿足了機采棉要求，又增加土地了利用率。

關鍵詞：棉花免耕穴播機；全幅前鎮壓裝置；鴨嘴式穴播器；精量播種；ADAMS

0引言

黃河三角洲地區作為我國棉花種植的主要地區，種棉歷史悠久，該地區棉花種植的密度相對較低、植株相對較高，采用大小行交替的方式進行棉花的常規種植，大行距定為90cm、小行距定為45cm。此種種植模式一方面不適合機器采摘，另一方面種植密度相對較低，對土地利用率不高[1]。此外，傳統的保護性耕作采用少耕或免耕播種，播種時只對苗帶進行淺旋，容易形成種溝，不利于種子發育。為了解決上述問題，本文研制了基于麥棉輪作體系[2]的棉花雙行錯位苗帶精量穴播機，將秸稈粉碎還田、開溝、施肥、播種、覆土、鎮壓等作業一次性完成，采用(66+10)cm的播種模式，既能滿足機采棉的要求，又能增加土地空間利用率[3]。

1結構與工作原理

1.1　結構

棉花精量免耕穴播機主要由懸掛裝置、機架、全幅旋耕裝置、施肥開溝器、前鎮壓輪、鴨嘴式穴播器及后鎮壓輪等構成，結構如圖1所示[4]。全幅旋耕裝置主要由刀軸、刀片和刀座等構成；前鎮壓輪采用全幅鎮壓方式，由外輪、支撐盤和軸頭等構成，既起到鎮壓碎土作用，又起到整機限深作用；采用外槽輪式排肥器和尖角型開溝器進行施肥作業；采用鴨嘴式穴播器進行棉花種子穴播[5]。

1.機架　2.變速箱　3.旋耕機構　4.肥箱　5.肥量調節機構

1.2　工作原理

機具作業時，通過三點懸掛與拖拉機懸掛點連接，通過拖拉機牽引前進進行播種作業，動力由拖拉機動力輸出軸輸出，經變速箱傳給全旋耕機構，旋耕刀在高速旋轉時，將麥茬及雜草打碎并均勻地散布在土壤上，降低了開溝器因纏草而發生擁堵的可能性[6]；在全旋耕過的土地上施肥開溝器開出寬度和深度合適的肥溝，鎮壓輪上安有防滑裝置，在平整地面的同時，將動力經鏈輪傳遞給肥箱，肥料便經排肥管落入溝底，后經鎮壓輪覆土鎮壓。該機使用的是鴨嘴式排種器，鴨嘴排種器經單鉸接仿形機構與機架相連。機器前進時，排種器在拖拉機牽引力作用下自轉工作，將種子穴播入土，后經鎮壓輪覆土鎮壓[7]。該機全鎮壓輪在碎土、整地的同時，還有限深作用，通過調節鎮壓輪調節裝置可實現不同深度的旋耕作業[8]。

2鴨嘴式穴播器

2.1　結構

本機共安裝有4組播種單體，每組播種單體由兩個鴨嘴式穴播器并聯構成，鴨嘴式穴播器由鴨嘴式成穴機構和垂直轉勺式排種器構成，其結構如圖2所示。鴨嘴式成穴機構主要由固定鴨嘴、活動鴨嘴、復位彈簧及中間圓環等構成，可用于一般掘穴播種，也可用于鋪好地膜后進行穿孔穴播。排種器是播種機的核心部件，它決定了播種機的播種方式及播種質量。本播種機采用的是垂直轉勺式排種器，主要由中央軸、圓環底座、種刷、種箱蓋、輸種管及種勺等構成，工作可靠，能實現精確播種，排種均勻性好，穩定性高，可通過更換勺匙對不同作物播種，也可在一定范圍內調節每穴排種數量，在運轉中不損傷種子。

1.固定鴨嘴　2.中間圓環　3.種箱蓋　4.中央軸　5.輸種管

2.2　成穴機構運動學仿真

鴨嘴式排種器成穴機構是穴播機主要的土壤工作部件，其結構設計的優劣及運動速度對播種效果有直接影響。采用多體動力學仿真分析軟件ADAMS，對鴨嘴式排種器成穴機構進行運動學仿真，獲得活動鴨嘴尖點及固定鴨嘴尖點的運動軌跡、速度、位移等重要數據，檢驗機構設計的合理性，更好地了解機構的運動過程。

2.2.1建立Adams幾何模型

通過SolidWorks軟件建立機構的幾何模型，對該模型進行適當的簡化，去掉與分析不相關的部件，并通過Adams的布爾操作功能，把相對不動的部件合并成一個部件，使模型更簡潔，提高分析效率[9]。把所有部件合并為滾輪、護種板、活動鴨嘴3個構件。使用Adams建模功能在部件下方建立地面幾何模型，建立后的Adams模型如圖3所示，模型中的部件列表如表1所示。

圖3　Adams中的幾何模型

序號Adams部件模型名稱實際部件名稱1dongban動板2dimian地面3gunlun滾輪4huzhongban護種板

2.2.2施壓約束、載荷和驅動

根據機構中各個部件之間的運動關系和受力作用，建立運動副、接觸和彈簧。約束情況如圖4所示，約束詳細信息如表2所示。

為了讓成穴器滾輪實現向前(即Z軸負方向)滾動運動，在護種板的約束JOINT_huzhongban上施加直線驅動Motion_1，對該驅動設置不同的運動參數，即能實現不同速度的運動[10]。

圖4　約束驅動圖

序號約束名稱類型連接部件1連接部件21JOINT_dimianFixeddimianground2JOINT_gunlunRevolutegunlunhuzhongban3JOINT_dongbanRevolutedongbangunlun4JOINT_huzhongbanTranslationalhuzhongbanground5CONTACT_2Contactdongbandimian6CONTACT_3Contactdongbangunlun7CONTACT_4Contactdongbangunlun

為方便仿真完成后對機構運動過程進行分析，分別在動板和滾輪部件上施加一個Marker點，其位置如圖5所示，坐標系原點O′為活動鴨嘴尖點，坐標系原點O為固定鴨嘴尖點。

圖5　設置定點和動點位置

2.2.3仿真計算與結果后處理

Adams模型默認使用的單位是mm，在Motion中設置向前的速度分別為600、1 000、1 400mm/s，設定仿真運動距離為2 370mm。

2.2.4仿真結果分析

對3種不同的水平速度得到仿真結果進行分析，由于數據很多，不對分方向的數據進行對比。

1)運動軌跡對比。動點和定點的運動軌跡如圖6所示。其中曲線(A)代表的是定點軌跡,曲線(B)代表的是動點軌跡。由圖6可以看出：定點的運動軌跡呈余擺線形式，但動點運動軌跡并非常規余擺線，而是在成穴器入土作業時，動點與定點產生了相對運動，彼此之間的相對位移增大，其入土階段運動軌跡放大示意圖如圖7所示。

2)速度曲線對比。動點速度曲線對比圖如圖8所示。由圖8可以看出：水平速度分別為600、1 000、1 400mm/s的情況下，動點速度小值分別為100、180、200mm/s，彼此之間相差不大；但動點速度最大值分別為1 875、2 375、2 900mm/s，彼此之間相差很大。由此看來，水平速度的變化對動點的最小速度影響較小，對動點的最大速度影響較大。3種速度情況下，運動速度越快，動點速度變化越劇烈，越容易對播種造成不良影響。

圖6 運動軌跡圖

圖7　入土階段運動軌跡放大圖

圖8　動點速度曲線對比圖

定點速度曲線對比圖如圖9所示。由圖9可知：在不同水平速度工作情況下，由于均沒有額外外力的介入，定點速度大小及方向均沒有劇烈變化，運行速度都比較平穩。由于定點到排種器中心的距離較動點長，因此定點的速度最大值較動點的最大值要大一些。

3)動、定點之間相對位移對比。動定兩點相對位移對比圖如圖10所示。3種不同水平速度工作情況下，動定點之間相對位移最小值均為12.5mm，最大值均為27.5mm，只是從初始狀態經過最小值、最大值，最終回到初始狀態所用的時間不同：當速度為600mm/s，所用時間為0.45s；速度為1 000mm/s，所用時間為0.29s；速度為1 400mm/s，所用時間為0.19s。相對位移為最小值時，成穴機構狀態如圖11(a)所示。成穴機構從圖11(b)所示狀態到圖11(c)所示狀態過程內，動、定兩點相對位移為最大值。由播種作業開溝過程仿真圖像可以看出：成穴機構處于圖11(c)狀態時，雖然動、定兩點相對位移依然是最大值，但此時成穴鴨嘴已經偏離垂直位置，所以種子下落過程只有在動點與定點相對距離從達到最小值到達到最大值期間，播種效果最佳；其余過程播種，種子均會受到鴨嘴碰撞，影響播種效果。由圖10知：速度為600、1 000、1 400mm/s時，在上述最佳播種過程所用時間分別為0.15、0.12、0.08s。

圖9　定點速度曲線對比圖

圖10　動、定兩點相對位移對比圖

(a)　　　　　　　　　(b)　　　　　　　　　　(c)

由實際情況可知，待播種子離地面高度為30mm,種子播種深度約為25mm，則播種時種子下落距離為55mm,自由落體所用時間約為0.1s，在這種情況下，采用1 000mm/s水平速度進行播種作業較合適。

3結論

1)提出了在棉花免耕播種機前端采用全幅旋耕滅茬裝置，其后采用全幅鎮壓裝置的方案，不僅能將地表秸稈、雜草粉碎還田，還能有效解決滅茬時地表土壤偏移以及作業后形成種溝的問題[11]。

2)穴播機采用兩個鴨嘴式排種器并聯的方案，實現(66+10)cm的播種效果，增加了土地資源利用率，增加了產量。

3)對棉花精量免耕穴播機鴨嘴式排種器進行了運動學分析，得出機器最優作業速度為1m/s。

參考文獻：

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0177-EADesign and Motion Simulation of a Precision No-tillageHill-planter for Cotton

Teng Yuejiang1，Zhang Aimin2， Yang Zidong3， Sun Dongxia2， Wang Ting’en1， Wang Jiawen1

(1.School of Agricultural Engineering and Food Science, Shandong University of Technology,Zibo 255049,China; 2.Binzhou Agricultural Machinery Research Institute,Binzhou 256600,China 3.School of Engineering, Zhejiang A&F University,Hangzhou 650201，China)

Abstract：Cotton planting density in the Yellow River Delta is relatively low and its planting pattern adopting a line size crisscross cultivation is not suitable for picking machine.To solve this problem, a precision no-tillage hill-planter for cotton was designed.It was mainly composed of full-width rotary tillage stubble cleaning device,furrow opener,full-width front press device and duck-billed dibbler.The dibbler was composed with duck-billed cavitation mechanism and vertical disk-scoop-type metering device,which could achieve precision metering and throwing seeds in fixed point.Seeding monomer was made up of two duck-billed type dibbler in parallel, which could realize the 66+10cm cultivation mode. The field experiment result showed that the average depth of sowing and fertilization were 32.6 mm and 94.6mm, the germination rate was improved to 91.4%.It satisfied the requirements of picking cotton with machinery and increased the proportion of land utilization in the experimental area．

Key words：no-tillage cotton hill-seeder; full-width front press device; duck-billed dibbler; precision sowing; ADAMS

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0177-04

作者簡介：滕悅江(1989-)，男，山東煙臺人，博士研究生，(E-mail)tengyuejiang@163.com。通訊作者：楊自棟(1970-)，男，甘肅張掖人，教授，博士生導師，(E-mail)yzd66@126.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02-02)

收稿日期：2015-10-28