一种型孔式棉花精量穴播器的设计及运动仿真分析

时间：2024-05-28

李俊伟，罗昕，魏敏，蒙贺伟

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子 832000；2.兵团农业机械重点实验室）

膜上精量穴播器是实施棉花精量播种所必需的核心工作部件[1~3]。石河子大学机电学院与石河子精博利科技有限公司等单位针对国内几种典型的机械式棉花精量穴播器存在伤种、卡种及点播精度不高、取种装置易疲劳损坏等缺点，结合现有型孔式穴播器结构简单、造价低等优点，将传统的型孔式取种器与接种杯进行组合，创新设计了一种新的型孔式棉花精量穴播器。首先运用虚拟样机技术对型孔式穴播器进行三维造型，再运用ADAMS分析软件对该新型穴播器进行多体系动力学仿真，以期揭示种子在整个点播过程中的运动规律，为型孔式穴播器的物理样机的制作提供理论基础，并为后期的台架点播试验提供指导思路。

1 穴播器的结构组成及特点

该新型穴播器主要由滚筒、成穴器、取种装置、支撑轴等零件组成（图1）。该穴播器的取种装置由取种杯、接种杯、基体及调节螺丝等零件组成（图2），接种杯与基体通过两对固定螺栓与腰带固定在一起做回转运动。取种杯卡在基体一端的楔形槽里，以便于更换不同的取种杯从而满足不同作物种子的点播要求；取种杯的深度可通过调节螺丝来调节，实现变量播种的农艺要求。

图1 排种器结构模型

图2 取种装置结构模型

2 穴播器的工作原理

工作时，滚筒在铺好的地膜上滚动，种子由滚筒定盘上的进种口进入滚筒内腔，种子室内的种子在排种轮的带动下，呈半月环流群。其工作过程分四个阶段:取种充种、清种、投种接种和点种过程，工作原理示意如图3。

3 穴播器虚拟仿真

3.1 穴播器多体动力学简化模型的建立

3.1.1 建模假设

由于整个穴播器的零部件达170多个，需要设置的约束关系至少90个，通过设置相关参数（如转速n等）模拟种子随穴播器转动过程中的实际运动状况即可得出种子的清种情况，采用的简化模型方案如下，省略定嘴、动嘴等不需进行仿真的部件，由于ADAMS软件的局限性，本文主要采用图4所示的仿真模型，只有一个取种装置，设置了一个点种口，避免了在仿真中种子飞出穴播器。

图3 穴播器工作原理示意

图4 ADAMS中穴播器简化模型

3.1.2 虚拟样机建立

对型孔式棉花精量穴播器进行合理简化并导入ADAMS软件中。设置种子（棉种）质量为0.96 g，体积为104.5262mm3。本文设置为5粒种子，并将种子全部移动定位在种子室，使其成为自然堆积状态，然后用contact命令为种子和各部件间施加接触约束。此外，在modify中，输入试验获得的棉籽密度，虚拟样机简化模型如图4[4~5]。在ADAMS虚拟环境中，仿真此穴播器的工作过程分别采用小于3.0 km/h、小于4.0 km/h和大于4.0 km/h三种线速度(V)进行仿真。

3.2 仿真结果分析

对模型样机进行检验，排除隐含错误，建立正确初始条件后，设定仿真终止时间（End time=1s）和仿真工作步(Steps=1 000)，进行仿真计算，仿真结果如图5、图6、图7。在此次仿真试验过程中，共5粒种子。

在ADAMS/PostProcessor界面上点击plot_tracking按钮得出被清掉的种子的位移、速度等相关仿真参数值。

图5 V=2.5 km/h时种子的位移模拟

图6 V=3.5 km/h时种子的位移模拟

图7 V=4.2 km/h时种子的位移模拟

从上述仿真结果可以总结出以下结论：由图5与图6对比可知，随着排种轮线速度的增大，清种区域也相应的增大，速度较小时的清种效果较好（图5）。当排种轮线速度＜3.0 km/h时，种子在较低位移时即被清掉，而在排种轮线速度≥3.5 km/h时（图6），种子位移量是最大且清种区域也是最大的，在该速度下的种子可能会被抛打在腰带上，而且种子的水平位移量也增大，也可能打在接种壁上；如图7，当排种轮线速度＞4.0 km/h时，多余的种子来不及被清掉就被抛带到接种杯内，与充种室底部的那粒种子一起被点播到地里，从而造成多粒播种，影响穴播器的播种质量。由此可知排种轮的转速是影响该穴播器清种性能的重要因素之一，线速度减小，清种的效果较好，从而精量点播质量提高，但生产实践中速度减小会影响生产效率，因此转速大小要合理，而3.0～3.5 km/h的排种速度较符合现今棉花播种的农艺要求。