指夾式玉米穴播輪鴨嘴入土軌跡仿真分析

李亞軍， 石林榕

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

西北旱區(qū)玉米全膜覆蓋雙壟溝栽培技術(shù)具有增溫、保墑、促熟和增產(chǎn)等效果[1-4]。該地區(qū)以丘陵山地、小地塊旱地為主，針對(duì)小地塊膜上穴播的排種器類(lèi)型較少。排種器有氣吸式、機(jī)械式，氣吸式排種器對(duì)種子有較好的適應(yīng)性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本和技術(shù)要求高[5]；機(jī)械式排種器又分為內(nèi)槽輪式、魔紋盤(pán)式、水平圓盤(pán)式、指夾式，但種子損傷嚴(yán)重，均勻性較差[6-7]。魔紋盤(pán)式排種器雖解決了種子適應(yīng)性問(wèn)題，但重播率較高；水平圓盤(pán)式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)種子適應(yīng)性差。為避免過(guò)高的技術(shù)條件限制、降低成本，設(shè)計(jì)一款可膜上精量播種、小田塊播種的排種器已迫在眉睫。

本文針對(duì)西北旱區(qū)小田塊，設(shè)計(jì)一種新型旱地玉米全膜覆蓋雙壟溝玉米穴播輪排種器。通過(guò)Solidworks軟件對(duì)排種器進(jìn)行建模，借助Motion插件，在排種器在整機(jī)前進(jìn)速度一定的條件下，以穴播輪在不同轉(zhuǎn)速下排種作業(yè)時(shí)水平位移差為指標(biāo)，對(duì)該裝置排種過(guò)程進(jìn)行了仿真，得到最佳工作組合參數(shù)。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

指夾式玉米穴播輪排種器主要由左固定盤(pán)、輸種筒、前蓋、垂直轉(zhuǎn)盤(pán)、取種模塊、中心軸、固定鴨嘴、活動(dòng)鴨嘴、右固定盤(pán)等組成。其中前蓋由透明觀測(cè)孔和清種毛刷組成，取種模塊由彈簧、凸輪拐臂和指夾扣等組成。取種模塊與固定鴨嘴協(xié)同固定安裝，左右固定盤(pán)之間由螺釘來(lái)固定，垂直圓盤(pán)直徑為250 mm，鴨嘴數(shù)量為6個(gè)，指夾扣采用橡膠材料制成，清種毛刷采用豬鬃制成。穴播輪結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。穴播器主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 穴播器主要技術(shù)參數(shù)

圖1 穴播輪結(jié)構(gòu)組成1.透明觀測(cè)孔；2.輸種筒；3.清種毛刷；4.前蓋；5.垂直圓盤(pán)；6.左固定盤(pán)；7.取種模塊；8.中心軸；9.右固定盤(pán)；10.活動(dòng)鴨嘴；11.固定鴨嘴

1.2 工作原理

指夾式玉米穴播排種器按工作過(guò)程可分為充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、投種區(qū)、排種區(qū)。指夾式玉米穴播輪排種原理如圖2所示。作業(yè)時(shí)，將種子經(jīng)輸種筒灌入充種區(qū)形成種群，牽引機(jī)牽引穴播排種輪前進(jìn)，穴播排種輪與地面摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，取種模塊內(nèi)凸輪拐臂與垂直圓盤(pán)上接觸促使指夾扣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)玉米種子與指夾扣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，種子在自重、離心力、其他種子作用下進(jìn)入指夾扣的夾持區(qū)域，當(dāng)凸輪拐臂與垂直圓盤(pán)結(jié)束接觸時(shí)，指夾扣在彈簧恢復(fù)力作用下將種子投入鴨嘴孔，指夾扣周?chē)嘤嗟姆N子被毛刷清理后重回充種區(qū)，進(jìn)入鴨嘴內(nèi)的種子隨穴播排種輪旋轉(zhuǎn)，到達(dá)投種區(qū)，當(dāng)活動(dòng)鴨嘴打開(kāi)后種子在自重作用下掉入穴孔內(nèi)。如此循環(huán)完成玉米籽粒的精量播種[7]。

圖2 指夾式玉米穴播輪排種原理

2 排種仿真

2.1 仿真過(guò)程

為探究牽引速度、滑移率對(duì)排種器水平方向位移的影響，應(yīng)用Solidworks軟件Motion插件進(jìn)行仿真試驗(yàn)。排種輪仿真模型僅保留垂直圓盤(pán)、取種模塊、鴨嘴。設(shè)置相應(yīng)的牽引速度和滑移率后進(jìn)行仿真，牽引速度設(shè)置為0.3 m/s、0.6 m/s、1.2 m/s，穴播輪滑移距離為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm，設(shè)置一個(gè)鴨嘴嘴尖的軌跡。仿真效果如圖3所示，仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3 穴播器仿真效果

3.2 參數(shù)對(duì)排種器鴨嘴軌跡的影響

前進(jìn)速度與穴播輪轉(zhuǎn)速變化對(duì)成穴器的運(yùn)動(dòng)軌跡影響較大。本文選用穴播輪的轉(zhuǎn)速、整機(jī)的前進(jìn)速度仿真試驗(yàn)因素，研究分析成穴器相對(duì)于整機(jī)的x方向的速度差，該值越小，對(duì)排種器“零速”播種的可能性越容易實(shí)現(xiàn)。即成穴器入、出土?xí)r的水平位移差越小，越不易挑膜、撕膜[13]。在設(shè)計(jì)時(shí)，穴播輪轉(zhuǎn)速、整機(jī)前進(jìn)速度和滑移距離之間存在如下關(guān)系式。

(1)

式中，δ為滑移距離，mm；R為排種器有效半徑210 mm；v為整機(jī)前進(jìn)速度，mm/s。

由(1)式可知，在其他條件一定的條件下，牽引速度越大，排種輪角速度越大；當(dāng)牽引速度一定時(shí)，滑移距離越大，角速度越大；穴播輪直徑越大，角速度越小。

3.2.1 牽引速度對(duì)水平位移量的影響

當(dāng)滑移距離為0.1 mm時(shí)，研究牽引速度(0.3 m/s，0.6 m/s，1.2 m/s)對(duì)排種輪水平方向位移量的影響。牽引速度對(duì)鴨嘴軌跡的影響如圖4所示。

圖4 牽引速度對(duì)鴨嘴軌跡的影響

由圖4可知，當(dāng)滑移距離、穴播輪直徑一定的情況下，牽引速度的變化并未對(duì)鴨嘴軌跡造成影響，相應(yīng)地對(duì)穴距影響較小。現(xiàn)實(shí)中牽引速度的快慢或多或少影響滑移距離。

3.2.2 滑移距離對(duì)鴨嘴軌跡的影響

當(dāng)牽引速度為0.6 m/s時(shí)，研究滑移距離(0.05 mm，0.1 mm，0.15 mm)對(duì)排種輪水平方向位移量的影響?；凭嚯x對(duì)鴨嘴軌跡的影響如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)牽引速度一定時(shí)，滑移距離對(duì)鴨嘴軌跡造成顯著影響?；凭嚯x越大，鴨嘴對(duì)穴孔周?chē)寥罃_動(dòng)較大，對(duì)地膜撕裂較嚴(yán)重。

圖5 滑移距離對(duì)鴨嘴軌跡的影響

因此，增加牽引速度可增加作業(yè)效率。按照以上分析可降低滑移距離，降低滑移距離的方式有多種，可增加穴播器正壓力，即增加穴播器的重量；提高穴播器外輪與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)。以上分析結(jié)果能為直插式播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有效的理論參考價(jià)值。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)指夾式玉米穴播輪排種器進(jìn)行了鴨嘴軌跡試驗(yàn)，通過(guò)降低排種輪的滑移距離來(lái)觀察鴨嘴入土軌跡。滾輪式排種器試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示。

對(duì)指夾式玉米穴播輪排種器進(jìn)行了鴨嘴軌跡試驗(yàn)，通過(guò)降低排種輪的滑移距離來(lái)觀察鴨嘴入土軌跡。當(dāng)輸送帶速度為0.6 m/s，滑移距離為0.05 mm時(shí)，鴨嘴穴孔適中，排種器鴨嘴基本無(wú)挑膜、撕膜等問(wèn)題，降低了穴孔錯(cuò)位率同時(shí)，滿足穴播器玉米播種的農(nóng)藝技術(shù)要求。

5 結(jié)論

(1)利用Solidworks的motion插件對(duì)穴播輪的鴨嘴軌跡進(jìn)行仿真，以穴播輪牽引速度和滑移距離為研究因素，以鴨嘴入土軌跡交叉最大距離為指標(biāo)，研究?jī)蓚€(gè)因素對(duì)鴨嘴軌跡的影響。

(2)仿真結(jié)果表明：當(dāng)滑移距離、穴播輪直徑一定的情況下，牽引速度的變化并未對(duì)鴨嘴軌跡造成影響，相應(yīng)地對(duì)穴距影響較小。當(dāng)牽引速度一定時(shí)，滑移距離對(duì)鴨嘴軌跡造成顯著影響?；凭嚯x越大，鴨嘴對(duì)穴孔周?chē)寥罃_動(dòng)較大，對(duì)地膜撕裂較嚴(yán)重。

(3)通過(guò)穴播輪臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)輸送帶速度為0.6 m/s，滑移距離為0.05 mm時(shí)，鴨嘴穴孔適中，排種器鴨嘴基本無(wú)挑膜、撕膜等問(wèn)題，降低了穴孔錯(cuò)位率。