周 剛，石林榕，趙武云，辛尚龍，楊小平

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

胡麻屬于亞麻科、亞麻屬，具有良好的耐旱和耐寒性[1]，在旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)著其他經(jīng)濟(jì)作物不可代替的地位[2-3]。胡麻在國(guó)內(nèi)外種植較為廣泛，中國(guó)胡麻種植面積居世界第三，約為46.97萬hm2；種植產(chǎn)量居世界第二，約為42.78萬t[4]。國(guó)內(nèi)胡麻種植區(qū)域大多分布于甘肅、內(nèi)蒙、寧夏、河北、山西、新疆等較為干旱的地區(qū)，其中甘肅每年胡麻種植面積居全國(guó)首位，每年種植面積可達(dá)12萬hm2，占全甘肅省油料作物種植面積的50 %[5]。

目前，國(guó)外還沒有針對(duì)壟作膜面溝播技術(shù)的胡麻播種機(jī)，現(xiàn)有胡麻專用播種機(jī)，價(jià)格昂貴，體型較大；國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)胡麻播種研制出2BY-26行亞麻施肥播種機(jī)、2BF-24型小麥播種機(jī)條播亞麻、2BXY-1型亞麻小區(qū)播種機(jī)等。國(guó)內(nèi)胡麻種植機(jī)械化水平低，并且胡麻的播種方式主要以谷物條播機(jī)代播為主，而西北干旱地區(qū)多為人工種植，但這兩種種植方式均存在播量無法控制，播種質(zhì)量差，勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題[6-7]。為此，本文設(shè)計(jì)了一種適合于小型旱地壟作膜面的胡麻精量播種機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)(圖1)主要有手扶桿、穴播輪、仿形機(jī)構(gòu)、牽引架、機(jī)架、動(dòng)力機(jī)組、提升裝置等部件組成。

1.防護(hù)罩；2.手扶桿；3.穴播輪；4.仿形機(jī)構(gòu)；5.牽引架；6.后輪；7.前輪；8.機(jī)架；9.電推桿；10.動(dòng)力機(jī)組； 11.電池；12.提升控制按鈕；13.啟動(dòng)控制按鈕；14.提升裝置1. Hood; 2. Walking stick; 3. Dibbling wheel; 4. Profiling mechanism; 5. Hitch frame; 6. Trailing wheel; 7. Front wheel; 8. Body frame; 9. Electric putter; 10. Power pack; 11. Battery; 12. Lifting control button; 13. Start control button; 14. Lifting device圖1 旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 The machine structure of the precision flax seeder in dryland ridge plastic-film mulched surface

1.2 種植農(nóng)藝

根據(jù)西北地區(qū)旱地胡麻種植農(nóng)藝[8]，設(shè)定旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)農(nóng)藝要求(圖2)：大壟1與小壟2之間距離AC為110 cm，其中大壟寬AB為70 cm，高h(yuǎn)1為11 cm；小壟寬BC為40 cm，高h(yuǎn)2為16 cm，采用地膜全覆蓋技術(shù)，在壟溝內(nèi)完成播種(圖2)。根據(jù)不同的年降水量，可確定播種深度h范圍為3～5 cm，株距為10～15 cm(可通過調(diào)節(jié)鴨嘴安裝個(gè)數(shù)控制)。

1.3 工作原理

旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力傳遞為：電池動(dòng)力經(jīng)差速電動(dòng)機(jī)傳遞到前輪，并牽引后輪運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過牽引架與仿形機(jī)構(gòu)牽引穴播輪前進(jìn)。前輪在兩相鄰大壟上行走，種子由取種器取出并進(jìn)入鴨嘴，隨后鴨嘴與地面接觸后強(qiáng)制開啟，進(jìn)而排出種子，從而完成播種作業(yè)。在轉(zhuǎn)彎或運(yùn)輸時(shí)，按下提升控制按鈕中的提升按鈕，使電推桿工作，將穴播輪提升至適當(dāng)位置，待轉(zhuǎn)彎或運(yùn)輸結(jié)束后，按下下降按鈕，將其放至地面。

1.4 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)胡麻種植模式及其他相關(guān)機(jī)型技術(shù)參數(shù)[9-10]，旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.大壟；2.小壟；3.地膜；4.胡麻1. Large ridge; 2.Small ridge; 3.Plastic-film; 4. Flax圖2 旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)農(nóng)藝圖Fig. 2 The agronomy diagram of the precision flax seeder in dryland ridge plastic-film mulched surface

表1 旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 提升裝置

2.1.1 結(jié)構(gòu)組成及原理 提升裝置主要由提升桿、搖桿、連桿、牽引桿、固定板、電推桿、銷釘?shù)冉M成。提升裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.提升桿；2.搖桿；3.電推桿；4.固定板；5.固定架；6.牽引桿1. Lifting rod; 2. Rocking bar; 3. Electric putter; 4. Fixed plate; 5. Fixed frame; 6. Traction rod圖3 提升裝置Fig.3 Lifting mechanism

電推桿通過銷軸安裝于固定板上，固定板與機(jī)架焊接在一起，電推桿中伸縮桿前端與搖桿連接，構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，搖桿前端開有U形槽，用來連接銷軸；銷軸安裝于固定架上，提升桿焊接在銷軸上；牽引桿一端與提升桿鉸接，另一端與仿形機(jī)構(gòu)鉸接。機(jī)具在行走和轉(zhuǎn)彎時(shí)，按下提升控制按鈕的提升按鈕，啟動(dòng)電推桿，此時(shí)電推桿內(nèi)的伸縮桿移動(dòng)一定的位移，帶動(dòng)搖桿和提升桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使提升桿通過拉動(dòng)牽引桿來提升穴播輪。本提升裝置不僅能實(shí)現(xiàn)穴播輪的提升和下降，而且提升精度較高。

2.1.2 提升桿、牽引桿桿長(zhǎng)的確定 合理設(shè)計(jì)提升裝置的各桿長(zhǎng)度，其目的在于精確提升穴播輪。根據(jù)本文需要設(shè)計(jì)提升穴播輪高度h=120 mm，DE桿長(zhǎng)e=575 mm,DE桿初始角度θ=32°。

根據(jù)圖4可得：

(1)

由(1)式得：β1i=13°(i=3)，圖2可簡(jiǎn)化為平行四桿機(jī)構(gòu)(圖5)和搖桿機(jī)構(gòu)(圖6)，在穩(wěn)定工作條件以及本文設(shè)計(jì)需求下，設(shè)計(jì)圖5中CD桿長(zhǎng)c=70 mm，初始角度：α1=17°，β1=89°。已知提升桿a沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度為α13=4°，并設(shè)β12=8°，α12=3°，則兩連架桿AB和CD相對(duì)于x軸的位置角之間的關(guān)系如下：

(2)

兩連架桿角位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系只與各構(gòu)件的相關(guān)長(zhǎng)度有關(guān)，因此以CD的長(zhǎng)度c為基準(zhǔn)，并設(shè)

(3)

將(3)式帶入(2)式中得：

cosβ=P0cosα+P1cos(β-α)+P2

(4)

式中，

P0=m，P1=m/p

注：β1：CD第一位置線相對(duì)于x軸的夾角；β1i：CD沿逆時(shí)針方向的對(duì)應(yīng)角位移序列(i=1,2,3…)；h1：E′與x軸的垂直距離；h2：E與x軸的垂直距離。Note:β1: The angle between the first position of theCDand thexaxis;β1i: The corresponding angular displacement sequence ofCDalong the counter clockwise direction (i=1,2,3,…);h1:The vertical distance betweenE′ andxaxis;h2: The vertical distance betweenEandxaxis.圖4 穴播輪提升高度與DC桿角度關(guān)系Fig.4 The relationship between the height of the dibbling wheel and the angle of the DC bar

注：a：AB長(zhǎng)；b：BC長(zhǎng)；c：CD長(zhǎng)；d：AD長(zhǎng)；α:AB桿第i位置(AB′)相對(duì)于x軸的夾角；α1：AB第一位置線相對(duì)于x軸的夾角；α1i：AB沿逆時(shí)針方向的對(duì)應(yīng)角位移序列(i=1,2,3…)；β：CD第i位置(C′D)相對(duì)于x軸的夾角；δ：B′C′與水平方向的夾角。Note:a:ABlength;b:BClength;c:CDlength;d:ADlength;α: The angle of theiposition ofAB(AB′) is relative to thexaxis;α1: The angle between the first position of theABand thexaxis;α1i: The corresponding angular displacement sequence ofABalong the counter clockwise direction (i=1,2,3,…);β: The angle of theiposition ofCD(C′D) is relative to thexaxis;δ: The angle between theB′C′ and the horizontal direction.圖5 平行四桿機(jī)構(gòu)Fig.5 Parallelogram linkage mechanism

若α1和β1預(yù)先給定，則鉸四桿機(jī)構(gòu)最多能精確實(shí)現(xiàn)兩連架桿2組對(duì)應(yīng)角位移，此時(shí)(4)可寫為:

綜上所述可知a=276 mm，b=45 mm，d=306 mm。

2.1.3 電推桿伸縮量 將圖6中各桿件當(dāng)作矢量桿，以A點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立主直角坐標(biāo)系xAy，并以B點(diǎn)為原點(diǎn)建立輔直角坐標(biāo)系x′By′，可得以下矢量關(guān)系:

(5)

式中，初始參數(shù)a=90 mm，b=176 mm，c=221 mm，θ2=59°，θ3=10°，θ4=4°，由(5)式可得：θ1=22°，θ5=0.5°，b1=182 mm，即電推桿的伸縮量s=b1-b=6 mm。

2.2 仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 四連桿仿形機(jī)構(gòu)的組成 由于胡麻對(duì)播種深度的均勻性要求較高,因此要求播種機(jī)具有較好的仿形功能。旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)選用了四連桿仿形機(jī)構(gòu)(如圖7)，該仿形機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)上下、左右仿形。四連桿仿形機(jī)構(gòu)主要由提升牽引固定桿、一對(duì)橫桿、兩對(duì)上下縱桿、機(jī)架牽引固定板、限位架等組成。本機(jī)還設(shè)有限位輪與提升裝置，以保證仿形機(jī)構(gòu)的初始位置，進(jìn)而達(dá)到更好地仿形效果。

注：a：AC長(zhǎng)；b：BC長(zhǎng)；c：AB長(zhǎng)；θ1：AB與BC的夾角；θ2：AB第一位置線相對(duì)于x′軸的夾角；θ3：AC第一位置線相對(duì)于y軸的夾角；θ4：AC與AC′的夾角；θ5：BC與BC′的夾角。Note:a:AClength;b:BClength;c:ABlength;θ1: The angle betweenABandBC;θ2: The angle between the first position of theABand thex′ axis;θ3: The angle between the first position of theACand theyaxis;θ4: The angle betweenACandAC′;θ5: The angle betweenBCandBC′.圖6 搖桿裝置Fig.6 Rocker device

四連桿仿形機(jī)構(gòu)工作時(shí)，一對(duì)橫桿相對(duì)于機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)，隨之帶動(dòng)兩對(duì)上下縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)穴播輪的上、下仿形。在縱桿轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，縱桿與限位架下端或上端接觸時(shí)，縱桿將停止上下運(yùn)動(dòng)，仿形機(jī)構(gòu)達(dá)到上下仿形量的最大值；與此同時(shí)，兩對(duì)上下縱桿繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穴播輪左右仿形，縱桿一端開設(shè)有U形槽口，當(dāng)縱桿轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，與U形槽口邊緣相接觸，此時(shí)縱桿停止左右轉(zhuǎn)動(dòng)，仿形機(jī)構(gòu)達(dá)到左右仿形量的最大值。

2.2.2 四連桿仿形機(jī)構(gòu)主要參數(shù)的確定 合理地選擇四連桿仿形機(jī)構(gòu)的參數(shù)，不僅保證四連桿仿形機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定高效，而且顯著提高了機(jī)具播種深度的均勻性。影響四連桿仿形機(jī)構(gòu)工作性能的因素很多，其中主要因素有牽引角、長(zhǎng)度、橫向?qū)挾鹊取?/p>

由圖8可知，上仿形量h1、下仿形量h2、總仿形量h與連桿長(zhǎng)度L的關(guān)系為：

(6)

h=h1+h2=L[sinα1+sin(α+α2)]

(7)

由(7)式可知，總仿形量h相同條件下，當(dāng)牽引角α變化范圍越小時(shí)，平行四桿的上、下縱桿之間長(zhǎng)度會(huì)越長(zhǎng)；反之，當(dāng)牽引角α變化范圍越大時(shí)，平行四桿的上、下縱桿之間會(huì)越短。在機(jī)具實(shí)際工況下，需要牽引角α變化范圍較小，即要求上、下縱桿之間長(zhǎng)度應(yīng)較長(zhǎng)。但桿長(zhǎng)增加時(shí)，會(huì)使懸掛在其后的穴播輪向后移動(dòng)，以至于機(jī)具的整體重心后移，導(dǎo)致機(jī)具結(jié)構(gòu)不緊湊，操作不簡(jiǎn)便。

1.提升牽引固定桿；2.橫桿；3.機(jī)架牽引固定板；4.機(jī)架；5.縱桿；6.限位架；7.銷軸1. Lift the traction anchor; 2. Horizontal bar; 3. Frame traction fixed plate; 4. Frame; 5. Longitudinal bar; 6. Limit frame; 7. Pin圖7 四連桿仿形機(jī)構(gòu)Fig.7 Four-bar link profiling mechanism

通常情況下，播種機(jī)的上下仿形量各為80～120 mm，左右仿形量各為80～120 mm[11]。根據(jù)機(jī)具作業(yè)的工況條件，將該仿形機(jī)構(gòu)的上下仿形量各設(shè)計(jì)為90 mm。查文獻(xiàn)[12]可知，牽引角α可取范圍為0°～20°；上仿形角α+α1可取范圍為15°～20°；下仿形角度α2可取范圍為15°～30°。由于本機(jī)型需適應(yīng)于西北地區(qū)種植胡麻，而西北地區(qū)較干旱，田間土壤硬度大，所以確定參數(shù)α=0°，α1=15°，α2=15°,α′=15°。此時(shí)可計(jì)算出仿形桿長(zhǎng)度L與左右仿形量h′的值。

(8)

由(8)式得L≈347.49 mm，為使機(jī)具重心前移，取L=347 mm。將L值代入(6)式中，可得h1=89.87 mm，h2=89.87 mm，即上仿形量h1和下仿形量h2滿足仿形量各為80～120 mm要求；已知h′≈89.81 mm，滿足左右仿形量為80～120 mm的要求，即取h′=90 mm。

考慮運(yùn)動(dòng)的干涉性和播種效率的高效性，確定出兩連桿架之間間距LAD=150 mm?？v桿后端連接有穴播輪，即兩縱桿橫向距離s直接影響到播種的穩(wěn)定性。如果橫向距離偏小，導(dǎo)致穴播輪容易擺動(dòng)，播種直線性差；反之，橫向距離偏大，導(dǎo)致仿形機(jī)構(gòu)寬度增加，以至于播種行距設(shè)計(jì)困難。因此，在滿足實(shí)際工況條件下，橫向距離應(yīng)為最小值。根據(jù)上述各個(gè)參數(shù)和文獻(xiàn)資料，確定橫向距離s=200 mm。

注：B′C′：BC上仿形量最大位置；B″C″：BC下仿形量最大位置；α：仿形機(jī)構(gòu)的牽引角；α1：上仿形牽引角；α2：下仿形角Note:B′C′: The maximum position of the amount of upward profiling on theBC;B″C″: The maximum position of the amount of downward profiling on theBC;α：Traction angle of profiling mechanism;α1: Upward profile traction angle;α2: Downward profiling angle圖8 四連桿上下仿形參數(shù)Fig.8 The profiling parameters of four-bar links on upward and downward

2.3 播種裝置

2.3.1 穴播輪結(jié)構(gòu)及其工作原理 穴播輪主要有成穴器、輪軸、取種器、引種器以及動(dòng)盤、彈簧等組成，穴播輪結(jié)構(gòu)如圖9所示。

該機(jī)播種作業(yè)時(shí)，穴播輪在機(jī)組動(dòng)力的牽引下隨中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，穴播輪底部的胡麻進(jìn)入取種器，取種器隨著穴播輪轉(zhuǎn)過一定角度后，將胡麻倒入安裝在取種器下方的引種器內(nèi)，同時(shí)引種器也會(huì)隨穴播輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將胡麻引至成穴器內(nèi)；直到活動(dòng)鴨嘴與地面接觸時(shí)，成穴器被強(qiáng)制打開，胡麻在自身重力作用下掉入土壤中，隨后成穴器出土，完成一次播種。

2.3.2 取種裝置 取種裝置結(jié)構(gòu)如圖10所示，該取種裝置主要由取種器和引種器組成。取種器外壁、擋板a以及成穴器固定板構(gòu)成取種槽；引種器外壁、擋板b以及成穴器固定板構(gòu)成引導(dǎo)槽a與引導(dǎo)槽b；將取種器與引種器兩端相互交叉，以減緩穴播輪內(nèi)胡麻的流動(dòng)性。播種裝置工作時(shí)，胡麻由于自重填充取種槽，取種槽在穴播輪帶動(dòng)下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)穴播輪轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后，引導(dǎo)槽a內(nèi)的胡麻二次填充取種槽并使多余的胡麻掉落至穴播輪內(nèi)；隨后穴播輪到達(dá)一定角度后，取種槽內(nèi)的胡麻將倒入引導(dǎo)槽a內(nèi)；此時(shí)，穴播輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，使引導(dǎo)槽a內(nèi)的胡麻掉入引導(dǎo)槽b內(nèi)，進(jìn)而流入成穴器，完成一次取種作業(yè)。該取種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、取種穩(wěn)定，能滿足旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)取種要求。

1.固定鴨嘴；2.彈簧；3.成穴器固定板；4.墊片；5.活動(dòng)鴨嘴；6.輪軸軸套；7.輪軸；8.引種器；9.取種器；10.動(dòng)盤1. Fixed duck-bill; 2. Spring; 3. Indenting tool fixed plate; 4. Gaskets; 5. Active duck-bill; 6. Axle bushing; 7. Axle; 8. Introduction device; 9. Seed metering device; 10. Dynamic plate圖9 穴播輪結(jié)構(gòu)Fig.9 Dibbling wheel structure

2.3.3 穴播輪成穴過程 穴播輪在機(jī)組動(dòng)力的牽引下隨中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而成穴器定期插入和退出土壤。在此過程中，成穴器不斷對(duì)土壤進(jìn)行擠壓，克服摩擦，形成穴孔[13-15]。成穴器簡(jiǎn)圖如圖11所示，對(duì)穴孔分析時(shí)，可取特殊點(diǎn)A、B、C的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)分析。

A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程：

(9)

式中,RA：A點(diǎn)到穴播輪中心的距離；αA：A點(diǎn)到穴播輪中心的連線與y軸的夾角；l：成穴器寬度;θ：成穴器在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度；ΔS:滑移量。

1.取種器；2.取種槽；3.引導(dǎo)槽a；4.擋板b；5.引導(dǎo)器；6.引導(dǎo)槽b；7.擋板a1. Seed metering device; 2. Seed metering groove; 3. Guide groove a; 4. Baffle b; 5. Pilot; 6. Guide groove b; 7. Baffle a圖10 取種裝置Fig.10 Seed metering device

注：R：穴播輪半徑；R′：穴播輪實(shí)際滾動(dòng)半徑；h：成穴器長(zhǎng)度；α：入土成穴器上任意一點(diǎn)到穴播輪中心的連線與y軸的夾角；α′：動(dòng)瓣AB與定瓣BC之間的夾角。Note:R: The radius of dibbling wheel;R′: Actual rolling radius of dibbling wheel;h: Length of the indenting tool;α: The angle between the connection to the center of dibbling wheel and theyaxis;α′: The angle between the movable flapABand the fixed flapBC.圖11 成穴器簡(jiǎn)圖Fig.11 The schematic of indenting tool

B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程：

(10)

式中,RB：B點(diǎn)到穴播輪中心的距離；αB：B點(diǎn)到穴播輪中心的連線與y軸的夾角。

C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡方程：

(11)

式中,RC：C點(diǎn)到穴播輪中心的距離；αC：C點(diǎn)到穴播輪中心的連線與y軸的夾角；hC：C點(diǎn)到穴播輪中心的垂直距離;φ：成穴器開度。

3 穴播輪成穴過程的仿真分析

3.1 穴播輪與膜面受力分析

穴播輪在地膜表面滾動(dòng)，安裝在穴播輪上的成穴器進(jìn)、出土壤形成穴孔。影響穴孔形狀的主要因素為滑移量ΔS與滑移率δ等。由式(12)可知，當(dāng)穴距一定時(shí)，增大穴播輪半徑，可使鴨嘴進(jìn)、出土壤時(shí)的穴播輪轉(zhuǎn)角減小，滑移率δ與滑移量ΔS減小[16]。成穴器的鴨嘴在入、出土?xí)r其運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)地面的位移量直接影響膜面開孔大小，位移量較大會(huì)出現(xiàn)撕膜、挑膜等現(xiàn)象，進(jìn)而影響地膜保墑效果。

(12)

式中,R：穴播輪半徑；R′：穴播輪實(shí)際滾動(dòng)半徑；θ：成穴器轉(zhuǎn)角

整機(jī)前進(jìn)時(shí)，牽引穴播輪在膜面上滾動(dòng)，穴播輪的受力可簡(jiǎn)化為重力、穴播輪與地膜的摩擦力以及牽引力等，穴播輪受力如圖12所示。

對(duì)圖12分析得以下方程：

(13)

(14)

注：G：穴播輪重力；FN：壓力；Ff：穴播輪與地膜的摩擦力；F：牽引力；Fx：F在x軸方向的分力；Fy：F在y方向的分力；γ：牽引力與x軸方向的夾角。Note:G: Dibbling wheel gravity;FN: Pressure;Ff: The frictional force of dibbling wheel and plastic-film;F: Traction force;Fx: The force ofFin the direction ofx;Fy: The force ofFin the direction ofy;γ: The angle between the traction force and thexaxis.圖12 穴播輪受力圖Fig.12 The force diagram of dibbling wheel

式中,μ：地膜摩擦系數(shù)；m：穴播輪質(zhì)量；a：穴播輪加速度；ω：穴播輪轉(zhuǎn)速；v：整機(jī)前進(jìn)速度；h1：入土深度；RH：穴播輪中心到成穴器最頂端的距離。

將式(14)帶入式(13)中可得：

(15)

由式(15)可知，穴播輪與地膜的摩擦力的大小主要由整機(jī)前進(jìn)速度、滑移率以及入土深度決定，因此，在仿真過程中，不僅要設(shè)計(jì)整機(jī)前進(jìn)速度、滑移率以及入土深度三者之間相互影響的仿真方案，還要設(shè)置穴播輪與地膜、土壤的接觸參數(shù)。

3.2 穴播輪成穴過程的仿真和優(yōu)化

在Solidworks中建立穴播輪的三維模型，并導(dǎo)入Solidworks motion中，在仿真計(jì)算前，首先設(shè)置穴播輪中心軸到地面的距離參數(shù)，以保證穴播輪的入土深度；其次，設(shè)置接觸參數(shù)，而在Solidworks motion中有兩種接觸模型，分別是泊松模型(恢復(fù)系數(shù))和沖擊模型[17]，由于成穴器與地膜、土壤不是持續(xù)撞擊，所以我們選用泊松模型，但是在Solidworks motion中設(shè)置整機(jī)速度難度較大，所以仿真中根據(jù)式(14)將整機(jī)速度轉(zhuǎn)化為穴播輪角速度，進(jìn)而得出穴播輪仿真結(jié)果，其穴播輪仿真方案與結(jié)果如表2所示。

表2 穴播輪仿真方案與結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果(表2)，可得最優(yōu)仿真數(shù)據(jù)：滑移率為11%，整機(jī)速度為0.5 m·s-1，入土深度為0.03 m，穴播輪角速度為140.90 °·s-1。在最優(yōu)工作參數(shù)下，穴播輪滑移量較小，撕膜、挑膜現(xiàn)象不易產(chǎn)生，并且在此工作參數(shù)下，成穴器上B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖13所示，成穴器上B點(diǎn)x和y方向的位移如圖14所示。

由圖14可知，在 0.52秒與0.76秒時(shí)，B點(diǎn)兩次在y方向經(jīng)過30 mm。測(cè)量出0.52秒與0.76秒時(shí)，B點(diǎn)在x方向的位移分別為-597 mm與-593 mm，即B點(diǎn)相對(duì)于地面的滑移量為4 mm，表明成穴器相對(duì)于地面的滑移量很小，撕膜、挑膜現(xiàn)象不易產(chǎn)生，地膜的保墑效果很好。即最優(yōu)組合參數(shù)為滑移率δ=11%，整機(jī)速度v=0.5 m·s-1，入土深度h1=0.03 m。

圖13 B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.13 The trajectory of the B point

圖14 B點(diǎn)在x和y方向的位移Fig.14 The displacement in the x and ydirection of the B point

4 結(jié) 論

1) 本文采用平行四桿機(jī)構(gòu)和搖桿裝置，解決了傳統(tǒng)播種機(jī)轉(zhuǎn)向和運(yùn)輸時(shí)手動(dòng)提升穴播輪等問題，大大節(jié)省了人們的勞動(dòng)力和時(shí)間，有效地提高了該機(jī)的安全性和可靠性；采用四連桿仿形機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)上下、左右的仿形，解決了由地面不平引起的穴播輪播種直線性差和膜下播種深度均勻性差等問題；設(shè)計(jì)了一種新型取種裝置，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)的精量播種。

2) 借助Solidworks 軟件中的插件motion，對(duì)旱地壟作膜面胡麻精量播種機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化仿真，得到最優(yōu)組合參數(shù)：滑移率δ=11%，整機(jī)速度v=0.5 m·s-1，入土深度h1=0.03 m。該穴播輪滑移量很小，撕膜、挑膜現(xiàn)象不易產(chǎn)生，進(jìn)而提高地膜的保墑效果，此最優(yōu)組合參數(shù)滿足穴播機(jī)設(shè)計(jì)要求。