一種型孔式棉花精量穴播器的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真分析

李俊偉 ，羅 昕 ，魏 敏，蒙賀偉

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

膜上精量穴播器是實(shí)施棉花精量播種所必需的核心工作部件[1~3]。石河子大學(xué)機(jī)電學(xué)院與石河子精博利科技有限公司等單位針對(duì)國(guó)內(nèi)幾種典型的機(jī)械式棉花精量穴播器存在傷種、卡種及點(diǎn)播精度不高、取種裝置易疲勞損壞等缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有型孔式穴播器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，將傳統(tǒng)的型孔式取種器與接種杯進(jìn)行組合，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新的型孔式棉花精量穴播器。首先運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)型孔式穴播器進(jìn)行三維造型，再運(yùn)用ADAMS分析軟件對(duì)該新型穴播器進(jìn)行多體系動(dòng)力學(xué)仿真，以期揭示種子在整個(gè)點(diǎn)播過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為型孔式穴播器的物理樣機(jī)的制作提供理論基礎(chǔ)，并為后期的臺(tái)架點(diǎn)播試驗(yàn)提供指導(dǎo)思路。

1 穴播器的結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

該新型穴播器主要由滾筒、成穴器、取種裝置、支撐軸等零件組成（圖1）。該穴播器的取種裝置由取種杯、接種杯、基體及調(diào)節(jié)螺絲等零件組成（圖2），接種杯與基體通過(guò)兩對(duì)固定螺栓與腰帶固定在一起做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。取種杯卡在基體一端的楔形槽里，以便于更換不同的取種杯從而滿足不同作物種子的點(diǎn)播要求；取種杯的深度可通過(guò)調(diào)節(jié)螺絲來(lái)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變量播種的農(nóng)藝要求。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)模型

圖2 取種裝置結(jié)構(gòu)模型

2 穴播器的工作原理

工作時(shí)，滾筒在鋪好的地膜上滾動(dòng)，種子由滾筒定盤(pán)上的進(jìn)種口進(jìn)入滾筒內(nèi)腔，種子室內(nèi)的種子在排種輪的帶動(dòng)下，呈半月環(huán)流群。其工作過(guò)程分四個(gè)階段:取種充種、清種、投種接種和點(diǎn)種過(guò)程，工作原理示意如圖3。

3 穴播器虛擬仿真

3.1 穴播器多體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型的建立

3.1.1 建模假設(shè)

由于整個(gè)穴播器的零部件達(dá)170多個(gè)，需要設(shè)置的約束關(guān)系至少90個(gè)，通過(guò)設(shè)置相關(guān)參數(shù)（如轉(zhuǎn)速n等）模擬種子隨穴播器轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況即可得出種子的清種情況，采用的簡(jiǎn)化模型方案如下，省略定嘴、動(dòng)嘴等不需進(jìn)行仿真的部件，由于ADAMS軟件的局限性，本文主要采用圖4所示的仿真模型，只有一個(gè)取種裝置，設(shè)置了一個(gè)點(diǎn)種口，避免了在仿真中種子飛出穴播器。

圖3 穴播器工作原理示意

圖4 ADAMS中穴播器簡(jiǎn)化模型

3.1.2 虛擬樣機(jī)建立

對(duì)型孔式棉花精量穴播器進(jìn)行合理簡(jiǎn)化并導(dǎo)入ADAMS軟件中。設(shè)置種子（棉種）質(zhì)量為0.96 g，體積為104.5262mm3。本文設(shè)置為5粒種子，并將種子全部移動(dòng)定位在種子室，使其成為自然堆積狀態(tài)，然后用contact命令為種子和各部件間施加接觸約束。此外，在modify中，輸入試驗(yàn)獲得的棉籽密度，虛擬樣機(jī)簡(jiǎn)化模型如圖4[4~5]。在ADAMS虛擬環(huán)境中，仿真此穴播器的工作過(guò)程分別采用小于3.0 km/h、小于4.0 km/h和大于4.0 km/h三種線速度(V)進(jìn)行仿真。

3.2 仿真結(jié)果分析

對(duì)模型樣機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，排除隱含錯(cuò)誤，建立正確初始條件后，設(shè)定仿真終止時(shí)間（End time=1s）和仿真工作步(Steps=1 000)，進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7。在此次仿真試驗(yàn)過(guò)程中，共5粒種子。

在ADAMS/PostProcessor界面上點(diǎn)擊plot_tracking按鈕得出被清掉的種子的位移、速度等相關(guān)仿真參數(shù)值。

圖5 V=2.5 km/h時(shí)種子的位移模擬

圖6 V=3.5 km/h時(shí)種子的位移模擬

圖7 V=4.2 km/h時(shí)種子的位移模擬

從上述仿真結(jié)果可以總結(jié)出以下結(jié)論：由圖5與圖6對(duì)比可知，隨著排種輪線速度的增大，清種區(qū)域也相應(yīng)的增大，速度較小時(shí)的清種效果較好（圖5）。當(dāng)排種輪線速度＜3.0 km/h時(shí)，種子在較低位移時(shí)即被清掉，而在排種輪線速度≥3.5 km/h時(shí)（圖6），種子位移量是最大且清種區(qū)域也是最大的，在該速度下的種子可能會(huì)被拋打在腰帶上，而且種子的水平位移量也增大，也可能打在接種壁上；如圖7，當(dāng)排種輪線速度＞4.0 km/h時(shí)，多余的種子來(lái)不及被清掉就被拋帶到接種杯內(nèi)，與充種室底部的那粒種子一起被點(diǎn)播到地里，從而造成多粒播種，影響穴播器的播種質(zhì)量。由此可知排種輪的轉(zhuǎn)速是影響該穴播器清種性能的重要因素之一，線速度減小，清種的效果較好，從而精量點(diǎn)播質(zhì)量提高，但生產(chǎn)實(shí)踐中速度減小會(huì)影響生產(chǎn)效率，因此轉(zhuǎn)速大小要合理，而3.0～3.5 km/h的排種速度較符合現(xiàn)今棉花播種的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

（1）仿真結(jié)果表明該型孔式穴播器不卡種、傷種，清種效果較好；

（2）仿真結(jié)果顯示清種效果最好的線速度是3.0～3.5 km/h；

（3）本研究為系統(tǒng)建立該穴播器的設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，樣機(jī)的制作及臺(tái)架試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。

[1]胡斌，羅昕，坎雜，等.新型指夾式膜上精量點(diǎn)播器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2004，（01）:28~30.

[2]王吉奎，張乃軍，王止戈.夾持自鎖式棉花精量穴播器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2006，（03B）：140~141.

[3]王吉奎，劉春景，吳杰.棉花寬膜點(diǎn)播機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].新疆農(nóng)機(jī)化,2005,37（3）;36~37.

[4]高廣娣，胡斌，溫寶琴.基于ADAMS的型孔式棉花精量穴播器排種性能影響因素分析[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,40(1):41~44.

[5]范成建，熊光明，周明飛編著.虛擬樣機(jī)軟件MSC.ADAMS應(yīng)用與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.