一種型孔式棉花精量穴播器的設計及運動仿真分析

李俊偉 ，羅 昕 ，魏 敏，蒙賀偉

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.兵團農(nóng)業(yè)機械重點實驗室）

膜上精量穴播器是實施棉花精量播種所必需的核心工作部件[1~3]。石河子大學機電學院與石河子精博利科技有限公司等單位針對國內(nèi)幾種典型的機械式棉花精量穴播器存在傷種、卡種及點播精度不高、取種裝置易疲勞損壞等缺點，結(jié)合現(xiàn)有型孔式穴播器結(jié)構(gòu)簡單、造價低等優(yōu)點，將傳統(tǒng)的型孔式取種器與接種杯進行組合，創(chuàng)新設計了一種新的型孔式棉花精量穴播器。首先運用虛擬樣機技術(shù)對型孔式穴播器進行三維造型，再運用ADAMS分析軟件對該新型穴播器進行多體系動力學仿真，以期揭示種子在整個點播過程中的運動規(guī)律，為型孔式穴播器的物理樣機的制作提供理論基礎，并為后期的臺架點播試驗提供指導思路。

1 穴播器的結(jié)構(gòu)組成及特點

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），接種杯與基體通過兩對固定螺栓與腰帶固定在一起做回轉(zhuǎn)運動。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播要求；取種杯的深度可通過調(diào)節(jié)螺絲來調(diào)節(jié)，實現(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，滾筒在鋪好的地膜上滾動，種子由滾筒定盤上的進種口進入滾筒內(nèi)腔，種子室內(nèi)的種子在排種輪的帶動下，呈半月環(huán)流群。其工作過程分四個階段:取種充種、清種、投種接種和點種過程，工作原理示意如圖3。

3 穴播器虛擬仿真

3.1 穴播器多體動力學簡化模型的建立

3.1.1 建模假設

由于整個穴播器的零部件達170多個，需要設置的約束關(guān)系至少90個，通過設置相關(guān)參數(shù)（如轉(zhuǎn)速n等）模擬種子隨穴播器轉(zhuǎn)動過程中的實際運動狀況即可得出種子的清種情況，采用的簡化模型方案如下，省略定嘴、動嘴等不需進行仿真的部件，由于ADAMS軟件的局限性，本文主要采用圖4所示的仿真模型，只有一個取種裝置，設置了一個點種口，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中穴播器簡化模型

3.1.2 虛擬樣機建立

對型孔式棉花精量穴播器進行合理簡化并導入ADAMS軟件中。設置種子（棉種）質(zhì)量為0.96 g，體積為104.5262mm3。本文設置為5粒種子，并將種子全部移動定位在種子室，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，輸入試驗獲得的棉籽密度，虛擬樣機簡化模型如圖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)進行仿真。

3.2 仿真結(jié)果分析

對模型樣機進行檢驗，排除隱含錯誤，建立正確初始條件后，設定仿真終止時間（End time=1s）和仿真工作步(Steps=1 000)，進行仿真計算，仿真結(jié)果如圖5、圖6、圖7。在此次仿真試驗過程中，共5粒種子。

在ADAMS/PostProcessor界面上點擊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時種子的位移模擬

圖6 V=3.5 km/h時種子的位移模擬

圖7 V=4.2 km/h時種子的位移模擬

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對比可知，隨著排種輪線速度的增大，清種區(qū)域也相應的增大，速度較小時的清種效果較好（圖5）。當排種輪線速度＜3.0 km/h時，種子在較低位移時即被清掉，而在排種輪線速度≥3.5 km/h時（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，當排種輪線速度＞4.0 km/h時，多余的種子來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，從而精量點播質(zhì)量提高，但生產(chǎn)實踐中速度減小會影響生產(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)建立該穴播器的設計理論，進行優(yōu)化設計，樣機的制作及臺架試驗奠定了理論基礎。

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