玉米播种机电液播深调节装置运动仿真与优化

陈 蒋，王淼森，赵 明，王万章

(河南农业大学 机电工程学院，郑州 450002)



玉米播种机电液播深调节装置运动仿真与优化

陈 蒋，王淼森，赵 明，王万章

(河南农业大学 机电工程学院，郑州 450002)

针对玉米免耕播种机在起伏较大的地面工作时播种单体被架空、导致播种深度不合格的问题，设计了一种电液播深调节装置。该装置在平行四杆机构处加装了液压缸，用以调节播深。通过对电液播深调节装置进行受力分析，确定了影响液压缸受力的因素；在ADAMS软件中建立播深调节机构简化模型，采用有限元构件法建立土壤模型，对开沟铲入土过程进行仿真，并以液压缸受力值为目标函数对液压缸进行仿真优化。结果表明：开沟铲入土仿真过程符合实际入土情况，确定了液压缸的安装位置及上-下播深休止状态液压缸伸出量。该研究结果为设计智能播深控制免耕播种机提供了理论依据。

玉米播种机；播深调节；运动仿真；优化设计

0 引言

免耕播种是在地表秸秆覆盖或者留茬情况下不耕整地，或为了减少秸秆残留进行粉碎、耙、少耕后播种的一项先进作业技术[1]。影响种子出苗率和一致性的主要因素是种子在种床中的空间位置，要想使种子播在种床适宜的位置上，就必须保证开沟深度稳定性和一致性[2]。但由于地面高低不平，且残茬和秸秆容易引起开沟铲无法正常入土，容易导致开沟器工作不稳定性。国内玉米播种机工作过程中播深的调节主要依靠地轮与安装在仿形机构的弹簧挂锁提供的压力(或拉力)产生的力平衡进行机械仿形调节，而机械仿形机构可分为单铰链和平行四连杆两种[3]。平行四杆机构具有结构简单、成本低、经济性好、安装调整方便、仿形效果较好等特点，广泛应用于播种机单体的机械式仿形机构中[4]。随着免耕播种技术的推广，播种深度的控制越来越受到重视。由于免耕播种地表有残茬、秸秆和杂草覆盖，土壤坚硬，免耕播种机的仿形量较大，普通的仿形机构已不能满足仿形的平稳性要求[5]。国内已开展对免耕播种机播深控制的研究，鲁子卉等对自动播种机的执行机构设计了自适应控制策略，使入土压力能够随土壤参数而进行动态调整[6]；黄东岩等利用空气弹簧设计的主动作用式播种深度自动控制系统能够精确控制开沟深度[7]；赵金辉等通过建立开沟深度数学模型实现了开沟深度的精确和实时控制[8]；王熙等利用电液控制技术实现了对大豆播种机单独仿形[9]。以上研究主要针对东北平原地区小麦与大豆免耕播种的播深自动调节。

黄淮海玉米种植区域具有地表起伏较大、秸秆量大及地面坚硬等特点，良好的播深一致性与稳定性在玉米生产过程中显得尤为重要。本文将在河南农业大学与金丰谷农用播种机有限公司联合研制的玉米免耕播种试验样机基础上，在仿形机构处预加装电液控制播深调节装置。同时，建立播深调节模型，对播深调节装置工作状态时的受力进行分析，利用ADAMS软件对播深调节装置进行运动仿真及优化设计。

1 播深调节装置结构及原理

本播深调节装置预安装在河南农业大学与金丰谷农用播种机有限公司联合研制的玉米免耕播种试验样机上。播深调节装置主要由前连接件、后连接件、拉杆、尾部双耳环液压缸及播深限位梁等组成，如图1所示。前连接板通过U型卡扣与播种机机架主梁相连，上下拉杆与前后连接件组成平行四连杆机构，拉杆分别安装在连接件的连接销上，可以相对销上、下转动[10]，拉杆上下转动的极限角度受播深限位梁的控制。为保证播种行距的一致性，在左右拉杆之间装有套筒，拉杆相对于前、后连接件不左右移动。液压缸鞍座端的耳环通过销轴与前连接件铰接，活塞杆端的耳环与播种单体的后连接件通过销铰接，液压缸两端均可绕着销轴转动。

1.开沟铲 2.开沟腿 3.拉杆 4.上播深限位梁

播种机在作业过程中，液压缸无杆腔进(出)油时带动活塞杆伸(缩)[11]，绕着销轴发生转动，平行四连杆机构也随之发生转动；开沟铲在平行四杆机构和液压缸的共同作用下平行于前连接件进行上下移动，在土地上开出不同深度的种沟。由于液压缸行程的限制，为防止液压缸在行程终点与缸盖或缸底发生机械碰撞造成液压缸的损坏，平行四连杆转动一定角度时与播深限位梁发生接触，播种单体不能继续上下移动，即达到上下播深调节的最大量。

2 受力分析及平行四杆尺寸确定

2.1 受力分析

播种机工作状态下，在xy平面受力平衡条件(见图2)为[11]

Px+Cx-Bx=0

(1)

Py+Cy+By-G=0

(2)

Bx(H3+Lsinα)+By(Lcosα+H1)-

G(H2+Lcosα)+Cx(Ssinβ+h-Lsinα)+

Cy(Lcosα-Scosβ)+Pxh=0

(3)

式中Px、Py—平行四杆机构所受牵引力(N)；

Cx、Cy—液压杆所受牵引力(N)；

Bx、By—土壤对开沟器的前进阻力、垂直反力，Bx=fBy，f为土壤与开沟铲之间的动摩擦系数(N)；

G—播种单体的重力(N)；

α、β—平行四杆机构及液压杆的牵引角(°)；

L、S—平行四杆及液压杆的长度(mm)；

h—牵引点到铰接点的垂直距离(mm)；

H1—土壤对开沟铲作用力到平行四杆机构尾部的水平距离(mm)；

H2—排种器重心距平行四杆机构尾部的水平距离(mm)；

H3—土壤对开沟铲作用力到平行四杆机构底部的垂直距离(mm)。

简化得

By[f(H3+h+Lsinα)+Lcosα+H1]}/

(4)

由式(4)可知：液压缸所受到力的大小与播种单体重力、土壤对开沟器的前进阻力、平行四杆机构与液压缸牵引角及长度有关，与播种单体的尺寸及形状有关，与排种器的重心大小和位置有关。平行四杆机构牵引角α又与液压缸的牵引角β有关。由于试验样机采用指夹式排种器及铲式开沟器，尺寸及安装位置已经确定。若在工作状态下使液压缸所受负载合理及开沟深度的稳定，必须选择合适液压缸及其安装位置尺寸参数。

图2 播深调节装置在XY平面的受力图

2.2 平行四杆机构尺寸的确定

播种调节范围示意图如图3所示。上下播深调节范围总量[12]为

h=L(sinα2-sinα1)

(5)

在上下播深休止状态液压缸伸出量(长度差)为

F=S2-S1

(6)

图3 播深调节范围示意图

本文是在现有播种机样机的基础上进行的改进，该试验样机的目标播深为5cm，初始工作角度α为25°，上播深休止角α1为15°，下播深休止角α2为35°，连杆长度L为330mm，上下连杆的距离为190mm，左右连杆宽度为85mm，开沟铲宽度为40mm。因此，上下播深调节总量△h=103.8mm，符合播种机播深调节范围的要求[13]。

3 播深调节装置模型的建立

为验证该调节机构的设计合理性，利用动力学仿真软件ADAMS进行模拟分析及优化设计。将在SolidWorks中建立的模型输出为带有合适坐标系的Parasolid格式文件，然后导入到ADAMS中进行运动仿真[14-16]。

1)施加约束：在ADAMS 中对导入的播深调节装置模型各构件进行材料属性定义并施加约束，约束形式如表1所示。

表1 约束形式

续表1

2)参数化设置：对液压缸的位置及长度进行参数化，同时对“Joint_12”和“Joint_13”的位置进行参数化。

3)验证模型：在仿真计算之前，对播深调节装置系统模型的进行检验，以保证所建模型的准确性。结果显示，所建模型验证有效。

4)施加驱动：在“Joint_9”处添加移动驱动。试验样机的正常播种前进速度为6km/h，设置移动驱动函数为1.6m/s。

利用ADAMS中有限元构件工具(FE Part)建立土壤模型。由文献[17]知：土壤含水率为(10±1)%时，杨氏模量为2.76MPa，密度为1263kg/m3，泊松比为0.38，土壤与开沟器的动摩擦系数为0.32，土壤与开沟器的静摩擦系数为0.5。将土壤模型简化为长方体模型，并设置相关参数，整体模型如图4所示。

图4 播深调节装置的仿真模型

4 仿真与优化设计

播种机从初始状态到正常工作状态，开沟铲需经历接触地面—入土—到达目标开沟深度整个过程。为了仿真开沟铲从初始位置到目标开沟深度位置的过程，在开沟铲模型与土壤模型之间添加接触[17]，选择接触类型为“Solid to Solid”，设置接触摩擦因数及参数。同时，设定仿真时间为4s，步数为500步。

以液压缸的受力为目标函数，对液压缸鞍座端及活塞杆端的安装位置进行优化分析。考虑到平行四连杆机构的对称性及活塞杆端在后连接板上安装空间的限制，液压缸需安装在Z平面上，活塞杆端x坐标为-100mm，故只以鞍座端的X、Y坐标及活塞杆端的Y坐标为设计变量进行优化分析，各设计变量的取值如表2所示。优化过程如图5所示，优化结果如图6所示。

表2 设计变量取值

图5 优化过程目标函数的测量曲线

由图5可以看出：在1.3s处开沟铲开始接触土壤，在接触土壤之后产生了1次振动，振动时长为0.1s左右；而后开沟铲开始入土并在3s时达到目标开沟深度，期间牵引力逐渐增大；3s以后开沟器在稳定的土壤深度前进，液压缸受力恒定。仿真结果符合开沟铲整个入土过程[18]。

图6 优化报告

由图5、图6可知：Trial_7时目标函数值最小，所以选取Trial_7的设计变量取值作为优化后的最优解。液压缸在初始状态时优化前受力为1 311.6N，优化后受力为1 039.5N，优化后受力减少了20.7%；达到目标开沟深度后，液压缸优化前受力为1 219.7N，优化后受力为966.2N，优化后受力减少了20.8%。从入土到目标沟深液压缸受力差值从优化前的1 153.8N减少到了914.7N。综合比较，优化后的液压缸受力平稳、震动减小，此优化设计得到了良好的结果。

表3 优化后设计变量取值

此时，液压缸牵引角度约为55.2°，液压缸长度S为596.4mm。由式(6)计算得：在上下播深休止状态液压缸长度差(伸出量)F为57.87mm。考虑到液压缸“折力”作用的影响，液压缸的行程不宜过长，初步确定液压缸的行程为140mm。

5 结论

1)对该播深调节装置进行了受力分析，得出影响液压缸受力的因素有平行四杆机构与液压缸牵引角及长度、播种单体的尺寸及形状、排种器的重力大小和重心位置。

2)播深调节装置的调节范围满足农艺对播深的要求。液压缸的伸缩量与连杆长度和牵引角液压缸初始长度牵引角、上(下)休止角度有关。

3)播种单体模型的仿真过程符合播种机从初始状态到工作状态的运动情况，以液压缸的受力为目标函数，确定了液压缸鞍座端和活塞杆端的安装位置。计算得出在上下播深休止状态液压缸长度差(伸出量)F为57.87mm，并初步确定液压缸的行程。

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Motion Simulation and Optimization Design of Electro-hydraulic Sowing Depth Adjusting Device for Corn Seeder

Chen Jiang，Wang Miaosen， Zhao Ming, Wang Wanzhang

( College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Henan，Zhengzhou 450002， China)

The corn no-tillage planter in undulating ground where the seeding monomer is overhead,usually resulting sowing depth is qualified, this research designed a sowing depth adjusting device for it.The device is provided with a hydraulic cylinder to adjust the sowing depth in parallel four-bar mechanism.The analysis of depth adjusting device of the electro-hydraulic sowing force was made to find out the influencing factors of hydraulic cylinder force.This research establish the sowing depth adjusting mechanism of the simplified model in the ADAMS,and the soil model by the finite element method to simulate the process of component and furrower buried; based on the hydraulic cylinder force value as the objective functions simulation this research optimize the hydraulic cylinder. The results show that the trenching shovel the grave are in conformity with the actual simulation process, find out the installation position of the hydraulic cylinder and sowing depth under-inactivity hydraulic cylinder volume. The results of this study provide theoretical basis for the design of intelligent sowing machine for deep control of notillage.

corn seeder；sowing depth adjustment；motion simulation；optimal design

2016-10-24

河南省现代农业产业技术体系玉米全程机械化岗位专项(16S10-02-G07)

陈 蒋(1991-)，男，河南南阳人，硕士研究生，(E-mail)272110550@qq.com。

王万章(1963-)，男，河南孟津人，教授，博士生导师，(E-mail)wangwz@126.com。

S223.2；S237

A

1003-188X(2017)10-0128-05