玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機設計與仿真

戴 飛，高愛民，張鋒偉，韓正晟，趙武云，王松林

(甘肅農業大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

玉米全膜雙壟溝播農藝技術抗旱、增產，集覆蓋抑蒸、膜面集雨、壟溝種植技術于一體，能夠最大限度地保蓄自然降水，使田間地表蒸發降到最低，特別能使春季10 mm以下的降雨集中入滲于作物根部，被作物有效利用，在我國西北旱區大面積推廣應用，實現其機械化膜上播種將是必然趨勢[1-4]。

近年來，為進一步提高玉米全膜雙壟溝全程機械化作業水平，農機工作者圍繞其覆膜種床壟溝播種的作業要求，開展了與其配套裝備的應用研究，研制出電動牽引輪式穴播機和直插式系列播種機[5-9]。其中，前者僅從配套動力選取上進行了改進，緩解了人工手推播種的勞動強度，但仍舊存在由穴播輪余擺線引發的成穴器撕膜、挑膜問題；后者能夠避免穴孔錯位問題，但需要在前進速度補償裝置(凸輪-放大機構或近等速補償機構)的配合作用下實現直插式成穴器零速投種，且當進行長時間播種作業時，兩類補償機構的可靠性均可受到不同程度的影響。為此，在結合“直插、破膜、成穴”播種特性的基礎上，設計一種由氣缸輸出高壓氣體并快速推動成穴器完成壟溝內播種作業的氣動直插式穴播機很有必要。

1 整機結構與工作原理

1.1 結構組成

依據玉米全膜雙壟溝農藝技術要求，氣動直插式穴播機由兩組播種單體構成，行走輪在大壟壟體上行進，成穴器定點強制開啟，在小壟兩側壟溝完成播種作業，作業機主要由輸氣管、氣動播種單體、機架、地輪等部件組成，整機結構如圖1所示。

注：1.凸輪；2.氣體分配箱；3.輸氣管；4.傳動鏈；5.機架；6.地輪；7.氣動播種單體；8.鏈輪Note: 1.Cam; 2.Gas distribution box; 3.Gas piping; 4.Transmission chain; 5.Rack; 6. Land wheel; 7.Pneumatic seeding unit; 8.Chain wheel圖1 玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機結構圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic direct insert hill-seederof corn with whole plastic-film on double ridges

其中，氣動播種單體(圖2)是玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機的關鍵組成部件，主要由氣動活塞機構、齒輪-齒條傳動裝置、成穴器、氣缸、輸種管、種箱等部件組成。

注：1.氣缸；2.齒條；3.輪齒；4.推桿；5.錐形成穴器；6.深度調節彈簧；7.導種管；8.接種盒；9.排種盤；10.種箱Note: 1.Air Cylinder; 2.Spline; 3.Gear teeth; 4.Push rod; 5.Taper punching-opener; 6.Depth of the regulating spring; 7.Seed pipe; 8.Seed cup; 9.Discharge seed plate; 10.Seed box圖2 氣動播種單體結構圖Fig.2 Structure diagram of pneumatic seeding unit

1.2 作業原理

氣動直插式穴播機作業時，牽引機將動力傳遞至地輪，地輪通過鏈條驅動與鏈輪同軸的凸輪轉動。此時從空氣壓縮機輸出的高壓氣體通過輸氣管、氣體分配箱經進氣口傳輸到上壓蓋與內缸體形成的間隙內和上壓蓋與氣缸蓋形成的間隙內。當控制開關被凸輪轉動壓下后，上壓蓋與氣缸蓋間隙內氣壓低于上壓蓋與內缸體間隙內的氣壓，使得上壓蓋向上運動，壓緊彈簧被壓縮。此時高壓氣體進入上壓蓋與活塞之間，氣壓驅動活塞及推桿向下運動，推桿上的齒條驅動排種盤上的輪齒使之逆時針旋轉，推桿向下運動并帶動成穴器插入覆膜壟溝種床。成穴器左、右側鴨嘴分別與其兩側的限位擋板鉸接相連，當推桿向下運動時，成穴器瞬時扎入種床土壤且與限位擋板相接觸；隨著成穴器扎入深度的不斷增加，其兩側限位擋板在土壤擠壓作用下對連接復位彈簧進一步壓縮，致使成穴器左、右鴨嘴同時向兩側打開，并將導種管內輸送的種子在其重力的作用下投入至穴孔中。

與此同時，活塞下方氣流通過內缸體上的出氣孔儲存于內缸體與外缸體的間隙中。隨著凸輪繼續轉動，控制開關閉合，進氣口氣流進入上壓蓋上、下間隙中，其上下壓力逐步平衡，上壓蓋被壓縮彈簧向下壓縮，內缸體與外缸體間隙中的氣體通過出氣口進入活塞下方，并推動活塞及推桿向上運動(當成穴器至最低點離開土壤時，復位彈簧迫使其關閉)，推桿帶動排種盤順時針旋轉，種箱中的種子隨排種盤上的窩眼向下旋轉落入接種盒中，接種盒中的種子經導種管進入成穴器殼體上的充種孔內并落入成穴器內等待，一個播種周期完成。

1.3 主要技術參數

玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機技術參數如表1所示。

表1 作業機主要技術參數

2 關鍵參數計算及運動軌跡仿真

2.1 氣缸內播種氣體壓力計算

依據田間試驗測定，玉米全膜雙壟溝頂凌覆膜、秋覆膜播種期田間播深50 mm處種床土壤的緊實度為323～380 kPa之間，則依據式(1)計算氣缸內高壓氣體的壓力可得：

(1)

式中,F為氣缸內高壓氣體的壓力，N；F′為成穴器播種成穴力，N；R為內部氣缸半徑值，為0.045 m；κ為玉米全膜雙壟溝播深50 mm處種床土壤的最大緊實度，為3.80×105kPa；η為播種機的氣缸效率，取0.85；計算得出，氣缸內高壓氣體的壓力為2 842.6 N；成穴器播種成穴力為2 416.2 N。

2.2 運動軌跡仿真

如圖1所示，為適宜于玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機田間運輸行走，在非工作狀態下其錐形成穴器離地面的高度設計為100 mm，且氣動直插式穴播機的播種深度控制在30～50 mm，因此，氣缸活塞帶動成穴器的運動位移最大值為150 mm。為實現快速扎穴播種并補償作業機前進速度，需要在0.70 s內完成成穴、投種，則成穴器垂直向下的運動速度約為0.21 m·s-1。

為了便于結合SolidWorks Motion進行仿真分析，將裝置模型簡化，簡化的氣動直插式播種單體運動軌跡如圖3所示。

注：1.氣動直插式播種單體；2.播種運動軌跡Note: 1.Pneumatic seeding unit; 2.Seeding trajectories圖3 虛擬樣機模型與運動軌跡Fig.3 Simplified model and trajectories of virtual prototype

玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機田間作業時，成穴器在“直插、破膜、成穴”投種及其復位運動過程中需有往復間歇，故需要對播種單體垂直方向上的線性馬達編制運動函數表達式。其中，成穴器向下播種運動的線性馬達函數表達式(2)和向上復位運動的線性馬達函數表達式(3)分別如下：

STEP(time,0.70,45,0.701,0)+STEP(time,1.40,45,1.401,0)+STEP(time,2.10,45,2.101,0)

專家的報告固然精彩，但是，焊接裝備企業的演講也絲毫不遜色。深圳市麥格米特焊接技術有限公司銷售總監何志軍、賓采爾（廣州）焊接技術有限公司銷售總監魏武、上海發那科機器人有限公司研發中心副主任孔萌分別做了“智能焊接技術的發展”、“高效智能焊接技術分享與應用”、“發那科智能制造解決方案”的報告，更是展示了企業最新的智能制造解決案例和能力，滿足了大家對智能制造知識的需求。

(2)

STEP(time,0.701,0,0.702,45)+STEP(time,1.401,0,1.402,45)+STEP(time,2.101,0,2.102,45)

(3)

由仿真運動軌跡可以看出：當穴播機前進作業時，播種單體成穴器能夠滿足高速向下運動插穴投種并在瞬間復位，實現了氣動直插式往復運動，有效地避免撕膜、挑膜、穴孔與膜孔錯位現象的發生。

3 成穴器-種床土壤互作機理與仿真

成穴器是影響玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機作業性能的關鍵部件，研究其與全膜雙壟溝種床土壤插穴互作關系對于樣機氣動直插播種特性的影響至關重要。采用ABAQUS有限元軟件建立氣動直插式播種單體成穴器與全膜雙壟溝種床相互作用的三維模型，通過從模擬結果的Mises應力云圖、空間位移云圖和塑性應變云圖三方面分析成穴器-種床互作機理。

3.1 有限元模型的建立

種床土壤模型根據玉米全膜雙壟溝農藝技術參數設定。其中，大壟壟體寬度為700 mm，高度為100～150 mm，小壟壟體寬度為400 mm，高度為150-200 mm。為節省模型運算時間，選取關于大、小壟體中垂線各半，建立雙壟溝三維實體模型，溝壟土壤模型采用修正后的Drucker-Prager蓋帽類型，該模型能反映種床土體壓縮導致的屈服，種床網格劃分選擇C3D8R(即選擇八節點的線性六面體單元)，采用縮減積分的計算方式并控制沙漏，如圖4所示[10-11]。

圖4 種床土壤模型建立Fig.4 Simplified model of seedbed soil

全膜雙壟溝種床土壤的具體特性參數設置如表2所示。

表2 土壤特性參數

成穴器的形狀(圖5)直接影響著氣動直插式播種單體的入土性能。常見的成穴器類型有錐形和楔形2種，其網格劃分種類選擇C3D8R[12]。其中，錐形成穴器的幾何參數為：直徑D1=36 mm，高H1=70 mm，對應的錐角α1=60°；楔形成穴器的參數為：長L2=40 mm，寬B2=25 mm，高H2=70 mm，對應的錐角α2=40°。在此幾何參數下，錐形成穴器和楔形成穴器的容積近似相等(V錐≈V楔=2.37×10-5m3)。

圖5 成穴器模型Fig.5 Simplified model of punching-opener

由于成穴器-壟溝種床土壤互作有限元分析涉及到泥土模型的較大變形與成穴器較快插穴速度變化，采用ABAQUS-Explicit顯示動力學分析計算模塊進行求解。成穴器與種床土壤模型的接觸計算選擇顯示表面和表面的接觸方式，兩接觸面之間的切向作用類型選擇為罰函數法和庫倫摩擦模型，設置成穴器外部與壟溝種床土壤表面之間的摩擦因數為0.42，給成穴器施加2 416 N的垂直載荷，定義光滑幅值曲線，使載荷沿著幅值曲線的路徑加載，以避免載荷的突變，便于建立穩定的接觸關系，如圖6所示[10]。

圖6 成穴器-種床三維模型的邊界約束與表面設置Fig.6 Boundary constraints and surface setting ofpunching opener-seedbed 3D modeling

3.2 模擬結果分析

由圖7Mises應力云圖分析可知，2 種成穴器在施加相同作用力和作用時間后，種床土壤與成穴器間的接觸應力都隨其插入深度的增加而增大。隨著入穴深度的不斷增加，2類成穴器均對土壤的作用力越大，且種床土壤的應力變化分布范圍只發生在成穴器周圍。由圖7a、b兩類成穴器與其周圍種床土壤的接觸互作應力分布圖及對應云圖數值分析可以得出，錐形成穴器與種床土壤的最大互作應力大于楔形成穴器，其中錐形成穴器與種床土壤互作應力最大值約為1.541 MPa，是楔形成穴器與種床土壤最大值(約為1.106 MPa)的1.39倍。仿真模擬結果表明，在作業機推桿同等氣動直插力的作用下，錐形成穴器對土壤的擠壓強度大于楔形成穴器，其形成穩定播種穴孔一致性的性能相對較高，有利于成穴器內種子的及時入穴投種，提高播種作業效果。

(2)空間位移云圖：圖8為2 種成穴器與種床土壤相互作用模型分析步結束時刻(t=0.2 s)的空間位移云圖的X-Y坐標剖面圖。

a.錐形成穴器-種床土壤互作應力云圖

b.楔形成穴器-種床土壤互作應力云圖

b.Alternating stress nephogram of cuneiform punching opener-seedbed soil

圖7成穴器-種床土壤互作Mises應力云圖

Fig.7 Alternating mises stress nephogram of
punching opener-seedbed soil

a.錐形成穴器-種床土壤互作空間位移云圖

b.楔形成穴器-種床土壤互作空間位移云圖

b.Alternating spatial displacement nephogram of cuneiform
punching opener-seedbed soil

圖8成穴器-種床土壤互作空間位移云圖

Fig.8 Alternating spatial displacement nephogram
of punching opener-seedbed soil

由仿真分析結果可知，在相同的載荷與分析步時間內，錐形成穴器的最大位移量約為55 mm，楔形成穴器的最大位移量約為70 mm，表明楔形成穴器對全膜雙壟溝種床造成的接觸應力擾動范圍比錐形成穴器略大。由圖9 a可知，在錐形成穴器-種床土壤互作模型中土壤空間位移量隨著錐形成穴器插入深度的增加呈現出先增大后減小的變化趨勢，錐形成穴器尖部插入種床土壤后，其外部形狀截面曲率過度平緩，使得其對土壤的作用位移量不再變化；在楔形成穴器-種床土壤互作模型中，由于楔形成穴器的截面近似為三角形，隨著入土的深度增加，土壤位移量也逐漸增加，其空間位移云圖也近似為三角形。

(3)塑性應變云圖；圖9為2 種成穴器與種床土壤相互作用模型分析步結束時刻(t=0.2 s)的X-Y平面塑性應變云圖。

結合圖9分析可知，錐形成穴器對種床土壤的等量塑性變形云圖近似以錐形成穴器的中心位置為變化基準向四周蔓延減弱，成穴器最上方的塑性變形率最大；而楔形成穴器的塑性變形主要集中在其外殼中間部位，當成穴器插入種床土壤時，其兩側接觸的土壤塑性變形量最大，且向周圍成圓形輻射擾動，對種床大、小壟體穩定性均有一定的影響。

a.錐形成穴器-種床土壤互作塑性應變云圖

b.楔形成穴器-種床土壤互作塑性應變云圖

兩類成穴器與其周圍種床土壤的接觸互作塑性應變分布圖及對應云圖數值分析可以得出，錐形成穴器對種床土壤作業下的最大塑性變形量約為19.35 mm，楔形成穴器對種床土壤的最大塑性變形量約為12.35 mm。由仿真分析結果計算可得，在相同直插播種載荷與作用時間下，錐形成穴器對種床土壤的最大塑性變形量是楔形成穴器的1.56倍；即種床土壤在錐形成穴器的作用下形成播種穴孔的能力及動土量均較楔形成穴器更加容易，且成穴穴孔底部平整、面積大，與形成楔形穴孔相比其底部不易出現種子被架空現象。因此，玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機播種單體選取錐形成穴器在直插播種作業方式下的成穴效果較好。

4 結 論

1)依據玉米全膜雙壟溝播的農藝技術要求，設計一種由氣缸輸出高壓氣體并快速推動成穴器完成種床壟溝內播種作業的雙行氣動直插式穴播機。

2)結合ABAQUS有限元軟件構建了氣動直插式播種單體成穴器與全膜雙壟溝種床相互作用的三維模型，通過從模擬結果的Mises應力云圖、空間位移云圖和塑性應變云圖三方面揭示錐形成穴器、楔形成穴器與雙壟溝種床土壤相互作用機理。

3)仿真模擬結果表明，當玉米全膜雙壟溝氣動直插式穴播機作業時，在相同的直插播種作用力下，錐形成穴器與種床土壤互作應力最大值約為1.541 MPa，是楔形成穴器與種床土壤最大值的1.39倍；在相同的載荷與分析步時間內，錐形成穴器對種床土壤作業下的最大塑性變形量約為19.35 mm，楔形成穴器對種床土壤的最大塑性變形量約為12.35 mm。因此，錐形成穴器形成播種穴孔的能力及動土量均較楔形成穴器效果好，更適宜于玉米全膜雙壟溝直插式播種作業的相關技術要求。