基于平行四連桿機構(gòu)的垂直入土式玉米穴播機設(shè)計與試驗*

王祎才，楊正，李曉軍，楊海蘭，寇明杰

(1. 甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅武威，733006；2. 甘肅省機械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，蘭州市，730010)

0 引言

甘肅省絕大多部分地域處于干旱半干旱區(qū)域。近年來隨著國家祁連山生態(tài)戰(zhàn)略計劃和“十四五”規(guī)劃的實施，建設(shè)“綠水青山就是金山銀山”的生態(tài)理念不斷深入人心。旱地玉米全膜覆蓋雙壟溝播種技術(shù)，就是在傳統(tǒng)的地膜覆蓋技術(shù)基礎(chǔ)上，采用壟溝播種的方式進(jìn)行。該項技術(shù)是一項集雨、保墑、保濕、抗旱、抗病蟲害的一項實用新技術(shù)[1-3]。該項技術(shù)有機地結(jié)合了地膜覆蓋與壟溝種植技術(shù)特點，其主要顯著特點就是在深秋或初春季節(jié)先起好寬、窄不同的雙壟，同時對地表進(jìn)行全膜覆蓋，待播種期適時地在溝內(nèi)進(jìn)行點播，可有效接納降水、增加地溫、減少蒸發(fā)，并起到改善作物的生長環(huán)境，提高水分利用率等效果。生產(chǎn)實踐表明，全膜雙壟溝播種技術(shù)比普通的地膜覆蓋栽培單產(chǎn)增幅超過30%[4-5]，增產(chǎn)效果顯著，收到良好的經(jīng)濟(jì)效益，已在甘肅省乃至全國廣泛推廣。

由于甘肅省絕大部分地區(qū)均為半干旱和干旱區(qū)域，保護(hù)地膜不被破壞成為種植前期的重點。目前，技術(shù)成熟的垂直入土式全膜覆蓋雙壟溝播種機具在我省尚為空白，至今還沒有一套適合我省的垂直入土式全膜覆蓋雙壟溝播種機具?，F(xiàn)有的垂直入土式全膜覆蓋雙壟溝播種機具均停留在設(shè)計試驗階段，主要以甘肅省農(nóng)業(yè)鑒定總站劉軍干等[6-7]設(shè)計的直插式覆膜小麥播種機，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院趙武云等[8-9]研制的偏心輪補償式直插式穴播機為研究對象。而玉米精密穴播器已基本成形，而玉米點播器、手推式玉米穴播機均使用人力操作，勞動強度高，生產(chǎn)效率低。傳統(tǒng)玉米穴播機在播種時易出現(xiàn)挑膜、撕膜等現(xiàn)象，因此播種質(zhì)量不高，不能大面積推廣和使用。

針對上述存在的問題，本文在前期直插式玉米穴播器[10]研究的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計了適合于全膜覆蓋雙壟溝播種的垂直入土式玉米穴播機構(gòu)[11-12]。通過對垂直入土式機構(gòu)的設(shè)計，確保平行四連桿機構(gòu)控制的成穴器鴨嘴垂直入土出土，保證成穴器能夠模擬人工的“插”播動作。并對成穴器的運動軌跡進(jìn)行了分析，同時還利用SolidWorks三維設(shè)計軟件對整機進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計，使用SolidWorks motion和ADAMS軟件對整機進(jìn)行運動仿真分析。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

垂直入土式玉米穴播機主要由機架、左輪圈、擋圈、偏心輪、水平調(diào)節(jié)手柄、排種軸、六幅轉(zhuǎn)輪、接種管、連桿、成穴器、勺輪式排種器、右輪圈、輪圈連接塊等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 垂直入土式穴播機組成

1.2 樣機技術(shù)參數(shù)

垂直入土式玉米穴播機的主要參數(shù)見表1所示。

表1 垂直入土式玉米穴播機技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of vertical submerged corn hole seeder

更換成穴器可以實現(xiàn)不同種子的播種，如大豆等。更換輪圈實現(xiàn)不同株距的播種，能夠?qū)崿F(xiàn)200～500 mm的株距。

1.3 工作原理

如圖2所示，經(jīng)種箱裝入排種器殼中的玉米種子在機具轉(zhuǎn)動的帶動下帶動導(dǎo)種輪，將排種勺輪中的種子(1～2粒)隨著機具的持續(xù)轉(zhuǎn)動，導(dǎo)種輪腔體中將種子帶至垂直下端時跌入接種盒中。隨后由成穴器將種子送入土壤中。隨著機具的不斷轉(zhuǎn)動，成穴器[13-14]的鴨舌在強排檔拐的作用下打開并完成一個穴位種子的播種，隨著機具的轉(zhuǎn)動，種子連續(xù)地從成穴器中進(jìn)行循環(huán)播種，進(jìn)行地上或膜上作業(yè)。種子運動軌跡如圖3所示。

圖2 排種器的組成

圖3 種子運動軌跡

采用平行四邊形機構(gòu)原理，固定平行四邊形上的一對邊保持固有的水平位置，安裝在平行四邊形底邊上的成穴器與四邊形一個邊呈90°垂直布置，即成穴器保持了垂直的向下，實現(xiàn)了直插動作，使種子通過垂直入土和垂直出土的工作部件—成穴器，直接進(jìn)入土壤的合適位置，從而省去了開溝和覆土工作環(huán)節(jié)，并且不破壞地膜，實現(xiàn)垂直入土、出土并保證成穴器沿前進(jìn)方向的絕對速度為0[15-16]。

2 垂直入土式機構(gòu)設(shè)計

平行四連桿是機械常用的機構(gòu)，因其具有保持一定的角度和兩對邊始終平行的特性，廣泛用于機械設(shè)計中。如谷物收獲機械中的撥禾輪機構(gòu)。本設(shè)計便是采用平行四連桿機構(gòu)。

平行四連桿若一端連桿固定，則無論怎么旋轉(zhuǎn)其他桿件，均能保持固定的角度和位置。若在底端的短連桿上安裝有垂直與地面的成穴器，這樣就可以保證每個成穴器均能垂直入土與出土。如圖4所示，由短連桿和長連桿構(gòu)成的平行四連桿機構(gòu)經(jīng)過使用支撐圈圓盤和六輻轉(zhuǎn)輪替代，即可實現(xiàn)平行四連桿機構(gòu)的功能。支撐圈與地面接觸最低點時前進(jìn)的絕對速度為0，垂直上下的變化隨著機具的前進(jìn)運動而變化。同時通過調(diào)節(jié)手柄還可以設(shè)置插入角度是向前傾斜或向后傾斜，從而保證入土的角度。

從成穴器入土tr開始時至播種到一定的播深ts時，又從一定的播深S至離開地膜tc時，建立參數(shù)方程式[17-19]為

式中：xr、xs、xc——tr、ts、tc時刻成穴器的值；

l——xoy原點到第一個穴孔之間的距離；

n——穴孔數(shù)量，穴孔數(shù)量為6個；

P——穴位之間的距離(株距)，設(shè)計株距為200 mm；

α——系數(shù)；

t——時間變量。

則成穴器在各個時刻的前進(jìn)速度為

本文設(shè)計的垂直入土式平行四連桿機構(gòu)如圖5所示，其D點的運動軌跡即是垂直入土運動的軌跡，是與平行四連桿機構(gòu)上短連桿連接的固定呈90°布置的成穴器頂點。成穴器D點受到地膜土壤的作用力時，C點以D點為圓心做圓周運動，C點位移量的大小取決于地膜滑移率。D點未受到地膜土壤外力作用時，在重力作用下，通過鉸鏈點C保持垂直入土狀態(tài)。C、D點運動軌跡如圖6所示。

圖5 垂直入土式穴播機機構(gòu)原理圖

圖6 垂直入土式穴播機成穴器軌跡

2.1 運動軌跡過程分析

1) 鉸接點C做余擺線運動，只要在滿足地膜滑移率一定的情況下，C點的運動軌跡才能形成余擺線的閉環(huán)曲線，閉環(huán)曲線的寬度E由垂直入土式穴播機前進(jìn)沿x方向的速度vm和C點繞著O點圓周運動的切線速度V之比值來確定，即

成穴器垂直入土、出土?xí)r：當(dāng)C點運動至Cr時為入土行程，Cr點至Cc點時為出土行程。閉環(huán)曲線上最大的圓弧CrCc點的絕對速度Ur是垂直向下的。而Cc點此時的絕對速度卻是向上的。閉環(huán)曲線一半的高度應(yīng)為播種深度S=50 mm，閉環(huán)曲線上最大的寬度E是C點在成穴器運動過程中tr時刻至tc時刻沿著x方向上最大的移動量。

2) 機具沿著x方向上前進(jìn)的速度是vm=500 mm/s，C點的切線速度則為V=Rω=602.4 mm/s，成穴器此時鉸接點C點的余擺線運動軌跡方程式為

式中：R——成穴器鉸接點至排種軸之間的距離(長連桿的長度為200 mm)。

3) 閉環(huán)曲線最大寬度CrCc的距離計算。如圖7所示，成穴器入土和出土過程中，平行四連桿機構(gòu)上C點的轉(zhuǎn)動角分別為θr=56.80°(設(shè)計值)和θc=123.20°(設(shè)計值)。目前已知Cr和Cc點處的速度導(dǎo)數(shù)為0，即

推導(dǎo)后得

θr=π-arcsinλ

從整句看，這是對比的最佳使用：當(dāng)聽者沉浸于對秀才的失利的嘆息，詞作者卻將筆鋒一轉(zhuǎn)，畫面切換到秀才與妻子相處的畫面?！帮L(fēng)雪之中咳嗽/依偎在她胸口”既是寫夫妻情誼，又是貧賤夫妻身份的交代。至此“離開清貧如水巷口便不再回頭”的種子在秀才心中扎根，而妻子仍等在原處。丈夫的“動”與妻子的“靜”形成對比；但同時“她立春/她立秋/她人比黃花瘦/霜白了頭”，可見妻子也是動態(tài)的。這樣動與靜的二人之間的對比、靜中有動的妻子主觀“不動”但客觀卻老去的對比可以說幾乎是完美顯現(xiàn)了兩者之間的區(qū)別，也預(yù)示了悲劇的必然性。

θc=arcsinλ

將θr和θc代入擺線方程式中，即

xr=R[λ(C-θc)-cosθc]

xc=R(λθc+cosθc)

計算得閉環(huán)曲線最大的寬度

圖7 成穴器入土和出土?xí)r連桿OC轉(zhuǎn)角的變化

4) 計算出土角、入土角。由圖8可知，成穴器上承載點C分別處于Cr和Cc時，成穴器頂點D點進(jìn)入土壤和離開土壤，則有以下公式

5) 對D點進(jìn)入土壤時進(jìn)行分析。如圖8所示，成穴器最低端D點插入土壤中，理想狀態(tài)下穴形孔位呈現(xiàn)“V”字形，然而由于土壤的擠壓或地膜的滑移等因素，使得成穴器的形狀呈現(xiàn)不規(guī)則的穴形。由于平行四連桿機構(gòu)的連桿B、C、D在B點上會做相對的運動滑移，故成穴器穴形最大的寬度TrTc有以下公式

式中：p——連桿長度，60 mm。

因為S、p、CrCc均是結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，均為已知數(shù)據(jù)，所以可以計算出TrTc=10.956 mm。

圖8 成穴器形成的穴形圖

2.2 SolidWorks仿真分析

將建立好的樣機實體模型在SolidWorks motion中進(jìn)行仿真分析。機具前進(jìn)的速度vm與機具滾動轉(zhuǎn)動的速度Vx存在以下關(guān)系，如圖9所示。

圖9 SolidWorks軌跡仿真分析

基于以上分析得出，3號曲線為接近理想的垂直入土和出土動作。

2.3 ADAMS模擬仿真

為了再一次驗證垂直入土式穴播機的運動軌跡是否符合設(shè)計的要求，是否解決了撕膜和種穴錯位等問題。將SolidWorks中設(shè)計的樣機模型導(dǎo)入ADAMS軟件中。使用ViewFlex柔性體將地面轉(zhuǎn)換為柔性體模塊。使其更加逼真模擬地膜上作業(yè)的過程。材料上選擇橡膠皮帶rubber_belt來模擬地膜。完成仿真后使用ADAMS中的創(chuàng)建點的軌跡分析運動的軌跡情況。為了便于觀察，需在成穴器的鴨嘴上創(chuàng)建標(biāo)記點Marker點相對于對面的運動軌跡情況。成穴器上Marker點生成的軌跡見圖10所示。

(a) 添加約束

(b) 仿真過程

(c) 仿真結(jié)果

仿真過程忽略成穴器強制開啟機構(gòu)的延遲、土壤的含水率以及播種深度等因素。依照壟溝播種中的農(nóng)藝要求，成穴器的播種深度為50 mm，由圖10(c)可知，滿足播深要求。同時可以看出，其播種時成穴器的運動軌跡不是余擺線，而是V型曲線，從而克服了傳統(tǒng)穴播器撕膜、種穴錯位等問題。通過上述的設(shè)計、推算與分析，平行四連桿機構(gòu)能夠達(dá)到垂直入土、出土的直插動作，更好地提高了播種效率。

3 田間試驗與分析

3.1 試驗材料與方法

垂直入土式玉米穴播機田間的播種試驗[20-21]在甘肅省臨洮縣五里鋪甘肅洮河拖拉機制造有限公司后院試驗場地進(jìn)行。試驗田地地勢平整，南北走向，呈方形，土壤含水率為13.6%～16.9%，土壤堅實度為1 059.7 kPa，試驗前，地面進(jìn)行了整地和鋪膜。

采用的玉米種子為寧單12號種子，1 000粒質(zhì)量為370 g，玉米含水率為12.1%，種子大小平均值為8.122 mm×7.653 mm×4.966 mm，播種量為45.0 kg/hm2。動力采用東風(fēng)12 kW手扶拖拉機，前進(jìn)速度為0.5 m/s。完成整個作業(yè)后按照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》[22]標(biāo)準(zhǔn)對垂直入土式玉米穴播機進(jìn)行測定與計算。計算機具播種時種子的播深、地膜破損程度大小等試驗數(shù)據(jù)。

3.1.1 種子的播深、穴位錯孔率以及穴粒數(shù)的測定

以樣機作業(yè)1.2 m幅寬，長寬10 m為一個作業(yè)區(qū)域。測定作業(yè)區(qū)域內(nèi)所有的空穴、穴位錯位等。使用長鋼卷尺人工進(jìn)行測量。按照最上層和最下層覆蓋的種子以及土壤厚度、種穴不同步測定個數(shù)。

式中：z——總測定種穴個數(shù)；

Kx——空穴個數(shù)；

Ck——空穴率；

Qx——播深合格個數(shù)；

Cl——播深合格率；

Rx——膜穴錯位占種穴直徑一半以上的個數(shù)；

Cc——錯位率。

取作業(yè)區(qū)域的5個種穴為平均值進(jìn)行計算。

3.1.2 地膜采光面機械破損率的測定

測定試驗播種區(qū)域的地膜。寬度為幅寬，取長度5 m，計算地膜破損程度。

式中：δ——地膜破損程度，mm/m2；

Li——播種區(qū)域內(nèi)第i處地膜破損程度，mm；

b——地膜采光面的平均寬度值。

取作業(yè)區(qū)域的5個種穴為平均值進(jìn)行計算。

3.2 試驗結(jié)果分析

使用上述測定方法測定數(shù)據(jù)結(jié)果見表2所示。

由表2可知，垂直入土式玉米穴播機作業(yè)后種子的空穴率為0.62%，播種深度合格率為94.2%，膜下種穴錯位率為0.8%，地膜破損程度率為48.9 mm/m2。各項指標(biāo)均在農(nóng)業(yè)農(nóng)藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)NY/T987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》的評價技術(shù)規(guī)范要求范圍內(nèi)。播種作業(yè)過程中，樣機基于雙壟溝溝底處進(jìn)行作業(yè)，作業(yè)性能穩(wěn)定可靠，且在水平分速度上能夠保證絕對為0，更好地解決了不挑膜、不撕膜和種穴不錯位等技術(shù)難題，各項試驗規(guī)范均在農(nóng)藝試驗要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的[23-24]，各項試驗數(shù)據(jù)均滿足農(nóng)藝技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 田間試驗播種機性能結(jié)果Tab. 2 Field trial planter performance results

4 結(jié)論

1) 為了更好地解決傳統(tǒng)穴播機由于播種過程中的挑膜、撕膜、種穴錯位等問題，設(shè)計了垂直入土式玉米穴播機。垂直入土式玉米穴播機是一種基于平行四連桿機構(gòu)，播種過程中能保證成穴器的入土和出土垂直向下，且水平絕對分速度為0。更換穴播盤還可以實現(xiàn)多種株距播種。

2) 根據(jù)設(shè)計和仿真數(shù)據(jù)，垂直入土式玉米穴播機的長連桿為180 mm，播深為50 mm，機具前進(jìn)速度為500 mm/s，入土角為48.59°，出土角為131.41°。滑移產(chǎn)生的最大交叉曲線寬度為10.798 mm，入土和出土?xí)r的最大V型楔角寬度為10.956 mm。在實際播種過程中適當(dāng)增加機具的重量是解決滑移的方法之一。

3) 田間試驗的數(shù)據(jù)表明，垂直入土式玉米穴播機作業(yè)后種子的空穴率為0.62%，播種深度達(dá)到25 mm的合格率為94.2%，膜下種穴錯位率為0.8%，地膜破損程度率為48.9 mm/m2。各項指標(biāo)均達(dá)到了NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》的評價技術(shù)規(guī)范要求。

4) 通過設(shè)計研究數(shù)據(jù)獲知，垂直入土式玉米穴播機的研究還可以增加智能化裝備，如檢測根深和種子播量檢測等。同時將調(diào)整數(shù)據(jù)反饋用于智能優(yōu)化播種過程，以達(dá)到種子播量和根度的優(yōu)化。