基于RecurDyn仿真玉米育種精密播種單體的設計

陳棟泉,李國瑩,李振佐,曹潘冬,楊然兵

(1.青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2.青島普蘭泰克機械科技有限公司,山東 青島 266109;3.海南大學 機電工程學院,海口 570228)

0 引言

近年來,中國市場對玉米的需求量日益劇增,由于玉米種子的品質是糧食產量的基本保證,玉米新品種的培育是至關重要的環節。在培育新品種、選育良種和對比品種的過程中,需要對種子的品質及生長環境等做出真實科學的結論。不同的播種作業條件所要求的最佳播種深度也大不相同,同時也會影響最終的產量和出苗整齊度,因此確保精確的播種深度和播深方便可調是玉米機械化育種的基本要求[1]。

?zmerzi[2]等人針對不同的播種深度對播種質量的影響進行了試驗研究,結果表明:60mm的播深播種穩定性最好,出苗整齊。Karayel[3]等人試驗研究了不同開溝器類型和作業速度對播深均勻性的影響,結果表明:雙圓盤開溝器穩定性更好,但提高作業速度會導致播深均勻性降低。侯守印[4]等設計了一種雙自由度多鉸接仿形免耕精量播種單體,通過建立種溝深度數學模型,得到了影響開溝深度的各因素,經過試驗優化,有效提高了開溝質量。白慧娟[5]等為了提高玉米播深合格率和一致性,通過對播深和壓實度控制過程進行分析,在平行四桿機構和覆土裝置上加裝液壓裝置來實時調節下壓力,實現播深和壓實的間接控制。國內外大部分學者都是針對播深對于玉米的影響及單體整體結構和控制方式進行了相關的研究,但針對仿形裝置的參數影響研究還較少。

本文對玉米繁育小區精播機播種單體的整體結構和關鍵部件進行了理論研究和參數設計,分析了影響仿形彈簧下壓力的影響因素。為保證單體輕量化,采用RecurDyn運動學仿真優化軟件對仿形拉力彈簧對播種單體所提供的下壓力進行了仿真,對其影響參數進行了優化設計,并利用田間試驗驗證單體的仿形效果,旨在為精密播種單體的研究和優化設計提供參考。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

小區玉米精密播種單體專為新品種玉米種子育種田間試驗所設計,主要由平行四桿仿形機構、排種器、開溝器、仿形鎮壓輪、破茬裝置、覆土裝置及播深控制裝置等組成,如圖1所示。

1.覆土裝置 2.播深控制裝置 3.壓重裝置 4.仿形鎮壓輪 5.開溝器 6.排種器 7.破茬裝置 8.仿形彈簧 9.平行四桿仿形機構圖1 播種單體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the seeding monomer structure

1.2 工作原理及技術參數

小區玉米精密播種單體的播種作業流程:首先,通過北斗導航信號設置小區的各種作業參數,在播種作業開始前,投種人員先將一份種子倒入排種器內的預落種腔內。播種機進入小區時,觸發行程開關激活北斗行長控制系統,預落種氣缸打開,預先準備好的種子進入種腔開始播種,經過第一個小區;接收北斗行長控制系統的信號,清種氣缸打開,多余的種子通過負壓被吸入種子回收裝置,確保小區間不混種,完成一個小區的播種作業。在一個小區的播種過程中,投種人員重復之前的動作將第二份種子倒入預落種腔內,在進入第二個小區時直接由北斗行長控制信號觸發預落種氣缸,完成落種,使得小區玉米精密播種單體可在小區間不停機的連續作業;重復上述播種作業程序,一直到播種完所有小區。

2 關鍵裝置設計

2.1 破茬裝置

東北地區育種基地耕地后,土壤中仍會留有根茬,同時由于靜置時間久,導致地面會覆有一層浮土。因此,研制的精密播種單體采用撥草輪與破茬波紋圓盤組合式破茬裝置:一方面破茬圓盤可以將殘余的根茬切碎且提前開好溝,有助于雙圓盤開溝器入土;另一方面撥草輪可以刮去浮土,撥動和側分種肥床帶上的秸稈層及清理較大土塊,方便開溝器作業,同時減少種肥床帶上秸稈覆蓋量,利于種子后期生長發育及減少病蟲害發生。破茬裝置如圖2所示。根據常用波紋圓盤刀圓盤直徑取值范圍與所設計單體的實際空間位置相結合,圓盤刀直徑取350mm。

1.破茬裝置安裝板 2.撥草輪調節板 3.波紋圓盤刀 4.圓盤刀調節裝置 5.齒盤式撥草器

2.2 開溝裝置

雙圓盤開溝器不僅對土壤適應性高,不易黏土,還能切斷殘茬,無論土壤墑情如何都能保證正常工作,狀態穩定,能保證良好的種溝深度,種溝變異系數低,故選擇雙圓盤開溝器作為所設計單體的開溝器[6]。雙圓盤開溝器的主要結構如圖3所示。

圖3 雙圓盤開溝器結構圖Fig.3 Structure diagram of double disc opener

根據圖3可得開溝寬度計算公式為

(1)

(2)

(3)

式中D—圓盤的直徑(mm);

M—雙圓盤開溝器聚點;

h—聚點相對溝底的高度(mm);

α—聚點位置夾角(°);

A—開溝器最低點;

β—雙圓盤夾角(°);

b—開溝寬度(mm)。

由上式可知,開溝寬度由D、h和β共同決定。根據常用雙圓盤開溝器圓盤半徑取值范圍與所設計單體的實際空間位置相結合,確定圓盤半徑為190mm,取聚點位置夾角α為22°,根據相關文獻和播種實際情況,取種溝寬度為25mm,計算得雙圓盤夾角β為12°。

2.3 仿形裝置

由于雙圓盤開溝器常與側位仿形限深輪配合使用,兩者緊密配合在保證開溝深度的同時,使種子順利落入開出的種溝內,結合所設計的播種單體的結構特點,因此采用側位仿形[7]。

2.3.1 仿形彈簧的設計

為保證入土性能相對較差的雙圓盤開溝器能順利開出深淺一致的種溝,采用在四桿機構上安裝拉力彈簧的方式來增加播種單體下壓力[8]。

設播種單體正常工作(無仿形運動)時的牽引角為0,其彈簧長度如圖4(a)所示。其中,AB連桿為固定于播種機機架的前連桿,單體運動方向為向右。設圖4中OF=AB=H,OE=lOE,則此時彈簧長度lT0為

(4)

當平行四桿機構進行上下浮動的仿形作業時,其彈簧狀態如圖4(b)、(c)所示。彈簧的長度隨牽引角αq的變化而變化(向上仿形時αq為正,向下仿形時αq為負),則彈簧長度lT為

(5)

設仿形彈簧原長為l0,為保證彈簧在未仿形運動時有一定的預拉力,則仿形彈簧作用力為

FT=FT0+k(lT-lT0)

(6)

FT0=k(lT0-l0)

(7)

式中FT—彈簧力(N);

FT0—彈簧預緊力(N);

k—仿形彈簧的剛度系數(N/m)。

則仿形彈簧對播種單體的下壓力FNT為

(8)

綜上所述,仿形彈簧對播種單體的下壓力主要與彈簧懸掛位置、前拉桿長度、彈簧預緊力和牽引角等有關。隨著αq的增加,仿形彈簧的下壓力也會增加。上仿形作業時,仿形彈簧被拉長,所提供的下壓力增加;下仿形作業時,仿形彈簧縮短,其所提供的下壓力減小。同時,可以通過改變彈簧的懸掛位置來改變其預緊力,不同的懸掛位置會改變lOE的長度,隨著lOE值增大,彈簧預緊力也會增大,從而使仿形彈簧所提供的下壓力變大。

圖4 仿形彈簧工作狀態Fig.4 The working state of the profiling spring

2.3.2 播種深度調節機構的設計

播深調節機構可根據不同的作物品種、作業環境特點等因素,將播種單體的播種深度調節至合適狀態[9]。所設計的播深調節機構結構簡圖如圖5所示,仿形限深輪通過限深輪臂與機架鉸接,在繞其自身軸旋轉的同時,仿形限深輪整體也可繞輪臂與機架連接的一端旋轉。播深調節裝置通過與仿形輪臂配合,通過調節手柄伸長,從而驅動仿形輪臂轉動一定角度,根據不同的工作條件對播種深度進行實時調節。

1.開溝器 2.仿形輪 3.仿形輪臂 4.播深調節裝置 5.播深調節手柄圖5 播種深度調節裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of sowing depth adjustment device

設仿形輪臂長Lb為246mm,當輪臂擺動角度為γ,輪臂與水平面夾角為γh時,播種深度為

Db=Db0+Lbsin(γ+γh)-Lbsinγh

(9)

γ=nβt,ΔL=Lbsinβt

(10)

ΔDb=Lbsin(γh+βt)-Lbsinγh

(11)

式中Db—播種深度(mm);

Db0—開溝器旋轉中心與仿形限深輪中心線共線時的播深(mm);

Lb—仿形輪輪臂長度(mm);

γ—輪臂擺動角度(°);

γh—輪臂與水平面夾角(°);

βt—每次的調節角度(°);

ΔL—每次調節的伸長量(mm);

ΔDb—播種深度的調節量(mm)。

設每次調節深度變化為10mm,Db0=30mm,γh=60°,將數值帶入式(9)～式(11),得βt=5.06°,則每次調節的伸長量ΔL=21.7mm,對其取整為22mm,可以調節0～80mm的播種深度。

3 RecurDyn運動學仿真

為了盡可能減小單體質量,保證輕量化,探究仿形彈簧的結構技術參數在實際播種單體工作過程中的影響,采用RecurDyn多體系統運動學仿真優化軟件對安裝拉力彈簧的播種單體仿形效果進行仿真與參數優化。

3.1 仿真模型建立

利用SolidWorks2018對播種單體和地面進行建模,為了減少仿真時長,簡化實體模型,在確保播種單體能夠仿形作業的前提下,將不相關的部件參數忽略,并保存.x_t格式導入到RecurDyn軟件中。在RecurDyn中添加柔性彈簧,將其設置為無阻尼的純彈簧,彈簧的相關參數可以根據試驗需要進行相應的調節,仿真模型如圖6所示。

圖6 仿真模型Fig.6 Simulation model

仿真條件設置為地面與ground鎖定連接,以前后連桿長度、彈簧剛度系數和彈簧預緊力為試驗因素,單體以前進速度3.6km/h向右運動,上下仿形量最大均為110mm,仿真時間為12s。

3.2 仿真結果與分析

3.2.1 不同前后連桿長度仿真結果與分析

在分析不同前后連桿長度對播種單體下壓力的影響仿真試驗中,設置播種單體質量為108kg、彈簧預緊力為400N、彈簧剛度系數為12N/mm。

根據播種單體結構布置特點,平行四桿裝置中的前后連桿長度取195、200、205、210、215mm 5個水平,通過仿真試驗考察試驗因素對播種單體下壓力的影響,仿真結果如圖7所示。前后連桿的長度對播種單體下壓力的影響比較微弱,通過的局部放大可知:長度在195～210mm時,播種單體的下壓力相對穩定,前后連桿長度過長會導致單體結構松散,質心后移;過短的前后連桿長度會導致牽引角變大,致使單體的工作振動幅度變大。因此,結合機器整體參數,選擇前后連桿的長度為200mm。

圖7 不同前后連桿長度對播種單體下壓力的影響Fig.7 Effects of different lengths of front and rear connecting rods on the downforce of seeding monomer

3.2.2 不同彈簧剛度仿真結果與分析

在分析不同彈簧剛度系數對播種單體下壓力的影響仿真試驗中,設置播種單體質量為108kg、彈簧預緊力為400N、前后連桿長度為200mm。

彈簧剛度系數取6、9、12、15、18N/mm 5個水平,通過仿真試驗考察試驗因素對播種單體下壓力的影響,仿真結果如圖8所示。平整地面路況條件下,彈簧剛度系數對播種單體下壓力沒有影響;上仿形時,彈簧剛度系數越大,播種單體下壓力的數值和變化幅度就越大;下仿形時,彈簧剛度系數越大,播種單體下壓力就越小,且在其高于15N/mm時,下壓力值為負,失去仿形作用,無法保證播種深度。因此,在有一定的彈簧預拉力時,彈簧剛度系數不宜太大,選擇為12N/mm。

圖8 不同彈簧剛度對播種單體下壓力的影響Fig.8 Influence of different spring stiffness on the downforce

3.2.3 不同彈簧預緊力仿真結果與分析

在分析不同彈簧預緊力對播種單體下壓力的影響仿真試驗中,設置播種單體質量為108kg、彈簧剛度系數為12N/mm、前后連桿長度為200mm。

彈簧預緊力取100、200、300、400、500N 5個水平,通過仿真試驗考察試驗因素對播種單體下壓力的影響,仿真結果如圖9所示。彈簧預緊力與單體下壓力成正比,當預緊力高于300N時,下仿形作業時下壓力值為負,失去仿形作用,無法保證播種深度。過大的預緊力會導致單體仿形困難,因此本文選擇彈簧預緊力為400N。

圖9 不同彈簧預拉力對播種單體下壓力的影響Fig.9 Influence of different spring preload on the downforce

4 試驗

4.1 試驗方法

播深變異系數為體現播深均勻性的指標,通過計算播深平均值和播深標準差來獲得。根據GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》和NY/T 1768-2009《免耕播種機質量評價技術規范》進行測定[10],各性能指標的具體計算方法及過程如下,即

(12)

(13)

(14)

n2—播種深度測量點數量;

σh—播深標準差;

Ch—播深變異系數(%)。

4.2 試驗條件

播種單體裝于2BXYQ4牽引式四行玉米小區精播機,機器參數如表1所示。田間試驗于河北省保定市徐水區安肅鎮仁里村祁強金屬制品有限公司試驗田進行,播種玉米品種為鄭單958,播深設置為40mm,如圖10所示。

表1 播種機參數Table 1 Planter parameters

圖10 田間試驗Fig.10 Field trial

4.3 試驗結果

試驗結果如表2所示。設計的單體優于普通單體,符合小區玉米精密播種的作業要求。

表2 試驗結果Table 2 Test results

5 結論

1)針對東北地區玉米育種基地免耕的形式,設計了一種裝有仿形彈簧的精密播種單體,通過理論分析,對其關鍵裝置進行了優化設計,可靠性增強。

2)以前后連桿長度、彈簧剛度系數和彈簧預緊力為試驗因素,利用RecurDyn多體系統運動學仿真優化軟件對安裝拉力彈簧的播種單體仿形效果進行仿真與參數優化設計。

3)通過田間試驗對設計的播種單體的仿形效果進行了試驗驗證,結果顯示:優化設計的播種單體播深變異系數為3.47%,符合小區玉米精密播種的作業要求。