0 引言
棉花作为我国重要的战略物资和经济作物,在国民经济中具有举足轻重的作用。新疆是我国最大的棉花产区[1-4],棉花已经成为新疆地区的重要经济产业和农民收入的主要来源[5]。播种是棉花全程机械化的基础环节,通过农机农艺融合,促进棉花提质增效,增强棉花产业竞争优势的重要途径之一[6]。农业种植规模化、集约化的发展及大功率拖拉机的应用,为宽幅、高效和联合作业播种机的发展创造了条件。
宽幅铺膜精量播种技术是提高播种作业效率、降低作业成本的关键,国内外学者针对不同农作物、不同农艺要求等进行了一系列研究。国外对大型宽幅折叠播种技术研究开展较早,根据折叠方式的不同,可分为对折式、前置折叠式以及水平折叠式。马斯奇奥Pinta系列气吹式条播机采用可对折式的设计方案,左右两侧副机架在液压油缸的推动下两侧向内折叠;约翰迪尔1775t集约型播种机和爱科9810系列播种机采用前置折叠的方式,通过液压机构使两侧机架沿机具前进方向折叠,具有较大播种幅宽的同时对于转弯半径的需求也相对较大;德国阿玛松ED播种机通过折叠机构将两侧机架进行抬升实现水平折叠。以上国外宽幅折叠式播种机主要适用于大型农场的免耕、气力式排种器精量播种。国内地势较为复杂,专家学者针对不同地理环境对宽幅播种机进行了大量研究。康艳等[7]设计的油菜宽幅折叠式浅旋精量联合播种机,采用侧翻折叠的形式设计了折叠机构,一次作业可实现开畦沟、浅旋灭茬、精量播种、种床覆土等功能,解决了油菜播种工序复杂、效率低等问题;宋德平等[8]针对棉花宽行种植模式设计了一款可对折式棉花覆膜播种机,可完成棉花3膜6行播种作业,实现宽幅作业;王东伟等[9]发明了一种可折叠式4垄8行大型花生播种机,通过液压机构将两侧边播种机架进行抬升,解决道路运输困难的问题。部分学者针对宽幅农机具运输和田间转移困难等问题,对农用机架进行设计与优化[10]。
由于国外宽幅折叠播种机主要以免耕播种机为主,其纵向长度较小,其折叠机构不适宜直接用于棉花铺膜铺滴灌带的播种机。国内宽幅播种机主要适用于油菜、小麦、玉米等作物种子进行免耕播种[11-12],多采用侧翻对折式折叠机构。棉花铺膜播种机一次作业要完成碎土镇压、开沟、铺膜、铺滴灌带、穴播、覆土等工序,为防止穴播器种箱的种子掉落,克服铺膜播种机纵向长度大造成重心后移后翻力矩大的难题,研究可平行折叠棉花宽幅铺膜精量播种机具有重要意义。
为进一步提高棉花播种效率,解决宽幅播种机运输不便、田间地头转向困难及地块宽度不足时机具适应性差等问题,结合棉花铺膜种植的农艺要求,设计一款三段式平行折叠的铺膜精量播种机,对仿形机构、宽幅机架、举升装置和液压系统等关键部件进行设计与分析,开展伸缩、举升机构运动规律分析,对关键部件的受力及运动进行分析,利用ADAMS刚柔耦合方法开展关键部件的受力分析,以克服播种机纵向长度过大造成重心后移、后翻力矩大的难题,提高折叠式棉花宽幅铺膜精量播种机的稳定性和可靠性。
1 整机结构与工作原理
1.1 整机结构
折叠式棉花宽幅铺膜精量播种机主要由左侧副机架、滑轨梁、主梁、伸缩油缸、举升油缸、右侧副机架、举升装置、铺膜播种组件等部件组成,整机结构如图1所示。整机采用三段水平式折叠机构,每段折叠机构配备1组常规1膜6行铺膜播种组件,铺膜播种组件主要由滴灌带架、铺膜装置、精量播种装置以及覆土装置构成。左、右副机架与铺膜播种组件连接,并通过滑轨梁连接在主梁上。通过控制伸缩油缸的伸缩实现左右两边铺膜播种组件的展开和收缩;中间铺膜播种组件通过举升装置与机架连接,通过举升油缸实现上升-下降功能。
图1 折叠式宽幅铺膜精量播种机结构图
Fig.1 Structure diagram of folding wide film spreading precision seeder
1.左侧副机架 2.滑轨梁 3.主梁 4.伸缩油缸 5.举升油缸 6.右侧副机架 7.举升装置 8.铺膜播种组件
1.2 工作原理
折叠式棉花宽幅铺膜精量播种机采用三点悬挂装置与拖拉机挂接。作业前,通过操控拖拉机驾驶室内液压阀将两侧边铺膜播种组件展开,中间铺膜播种组件下降至与两侧边平齐,使整机由运输状态转变为工作状态,如图2a所示。播种作业时,随着拖拉机前进,铺膜播种组件依次完成种床整形、开沟铺膜铺带、精量播种、覆土等多项工序。播种作业完成后,通过操纵液压阀使中间铺膜播种组件抬升,随后将两侧边铺膜播种组件向中间对称收缩,整机由工作状态转变为运输状态,如图2b所示。整机主要技术参数如表1所示。
表1 折叠式棉花宽幅铺膜精量播种机主要技术参数
Tab.1 Folding cotton wide film spreading precision planter main technical parameters
参数数值整机尺寸(长×宽×高)/(mm×mm×mm)2970×6650×1700折叠状态尺寸(长×宽×高)/(mm×mm×mm)2970×4400×2900整机质量/kg2000配套动力/kW89.5前进速度/(km·h-1)0～3.5播种行数18播种深度/cm3～5
图2 播种机状态示意图
Fig.2 Schematics of state of planter
2 关键部件设计与参数分析
2.1 棉花种植农艺要求
新疆作为我国重要的优质棉生产基地,为适应棉花机械化收获的作业要求,目前种植模式主要以1膜6行(660 mm+100 mm)的宽窄行棉花机采棉模式为主[13],地膜宽度为2 050 mm,如图3所示。窄行之间铺设有滴灌带,将覆膜栽培技术与滴管技术相结合,具有保温保墒、节水节肥、增产抑盐的优点,可有效缓解水资源不足与农业用水率不高的矛盾。
图3 新疆棉花种植模式示意图
Fig.3 Schematic of cotton planting pattern in Xinjiang
折叠式宽幅铺膜精量播种机工作状态为3膜18行,整机为对称结构,因此以单组铺膜播种组件为例确定播种机作业幅宽。作业幅宽需根据新疆地区棉花种植农艺模式即棉花播种行距和行数确定,选取660 mm+100 mm机采棉的栽培方式,则单组铺膜播种组件作业幅宽U为
U=3(V+W)
(1)
式中 U——折叠式播种机作业幅宽,mm
V——机采棉模式窄行距,为100 mm
W——机采棉模式宽行距,为660 mm
将数据代入式(1),得铺膜播种组件作业幅宽为2 280 mm,单组铺膜播种组件宽度等于该组件作业幅宽减去两侧地膜覆土宽度,两侧地膜覆土宽度为150 mm,求得铺膜播种组件宽度为2 130 mm,取整为2 100 mm。
2.2 仿形机构设计
仿形机构是铺膜播种组件与宽幅机架的连接机构,通过仿形机构的调节,可保证铺膜播种组件在不平整的田间地面作业过程中始终保持种床整形、开沟、展膜、播种、覆土等性能的一致性[14],仿形性能直接影响播种机的作业质量。影响仿形能力的主要因素有拉杆长度Lg、牵引角ξ、仿形量H,仿形机构原理如图4所示。
图4 平行四杆仿形机构
Fig.4 Parallel four-bar copying mechanism
作业地形以及播前耕整情况等会影响播种机仿形机构仿形量,因此拉杆长度需要按照实际播种农艺要求及仿形量来决定,由图4可知仿形机构总仿形量H为
H=H1+H2=Lg(sin(ξ+ξ2)+sinξ1)
(2)
式中 H1——上仿形量,mm
H2——下仿形量,mm
ξ1——上仿形角,(°)
ξ2——下仿形角,(°)
结合图4与式(2)可知,当播种机总仿形量确定时,拉杆越短,拉杆牵引角、上下仿形角变化范围越大;拉杆越长,拉杆牵引角、上下仿形角变化范围越小[15-16]。随着拉杆长度增加,牵引角变化范围越小,此时播种机稳定性增强,有利于开沟及播种作业。但在实际播种作业过程中拉杆过长,折叠式播种机铺膜播种组件的纵向稳定性变差,播种质量难以保证。对于棉花播种机,一般情况下上下仿形量皆在80～120 mm之间,拉杆牵引角取0°～10°,上仿形角取6°～22°,下仿形角取10°～20°。此外本棉花播种机是在耕整后土地上作业,土地较为松软,因此拉杆牵引角ξ取5°。
综合考虑稳定性与各组铺膜播种组件对仿形要求较高,上、下仿形量可取70～110 mm,暂设下仿形量H2为100 mm,上下仿形角ξ1、ξ2暂设为10°、15°,将数据代入公式
(3)
计算可得拉杆长度为392.37 mm,取整为400 mm,再将取整后数据代入公式
H1=Lgsinξ1+Lgsinξ
(4)
计算上仿形量H1为102.33 mm,在70～110 mm之间,设计满足使用要求。
2.3 宽幅机架设计
2.3.1 宽幅机架结构设计
宽幅机架是折叠式棉花宽幅铺膜精量播种机的重要组成部分,其通过副机架与所有工作部件相连,是拖拉机与工作部件连接的桥梁。宽幅机架主要由牵引架、左右副机架、滑轨梁、伸缩油缸、滚轮组等部件组成,结构示意图如图5所示。
图5 宽幅机架结构示意图
Fig.5 Schematic of wide rack structure
1.滑轨梁 2.右侧副机架 3.主梁 4.伸缩油缸 5.滚轮组 6.牵引立柱 7.左侧副机架
宽幅铺膜播种机折叠时将中间铺膜播种组件抬升,两侧铺膜播种组件沿宽幅机架的滑轨梁对称向中间收缩,主梁与中间铺膜播种组件通过牵引立柱连接。折叠后整机的宽度等于两侧铺膜播种组件的宽度,在前面计算得到单个铺膜播种组件宽度为2 100 mm,前期田间调研过程中交接行宽度为600 mm,设计的滑轨梁长度为4 400 mm,主梁长度为3 000 mm。
2.3.2 伸缩油缸设计
伸缩油缸行程由左右两侧铺膜播种组件中心距离决定,根据设计要求伸缩油缸带动铺膜播种组件沿滑轨梁单向运动,有效行程较大,故采用单向作用单活塞杆液压缸。为保证机具在伸缩过程中两侧组件同步平稳拉伸,消除因液压缸差动速度差异造成两侧运动状态不对称从而影响播种性能,液压缸伸缩极限位置与整机展开与折叠状态需分别对应。以左侧伸缩油缸为例,分析展开状态极限位置,确定液压缸行程如图6所示。伸缩油缸座位孔(O)与主梁铰接,活塞杆安装孔(E)与滚轮组铰接,以水平方向为x轴,竖直方向为y轴,两安装孔中心距离为e,竖直距离为h,伸缩油缸固定端与伸出端距离为l,主梁与滑轨梁距离为a。
图6 伸缩油缸安装位置示意图
Fig.6 Schematic of installation position of telescopic cylinder
根据液压缸设计准则,在两极限位置液压缸两安装孔中心距离分别为l0=s+300、l1=2s+300(s为油缸行程),根据安装位置几何关系构建方程
(5)
根据《现代机械设计手册》中液压缸标准缸型行程尺寸,结合整机结构布局,对计算结果进行分析优化取整,确定伸缩油缸行程s为1 400 mm,伸缩油缸伸出距离为3 100 mm,h为400 mm。
根据播种机整机设计要求,单个伸缩油缸需要克服的最大工作负荷包括单个铺膜播种组件重力和滚动摩擦阻力,约为6 600 N。当机架折叠,液压油缸进油,此时液压缸有效工作面积为
(6)
式中 FZ——负载,N
PZ——液压工作压力,Pa
d1——液压油缸内径,mm
d2——活塞杆直径,mm
选择液压系统工作压力为1.8 MPa。当工作压力小于5 MPa时,活塞杆直径选择(0.50～0.55)d1,选取d2=0.5d1,将选定的液压工作压力PZ、负载FZ代入式(6),得到d1为81.27 mm,根据文献[17],选取缸径d1为90 mm,杆径d2取40 mm。
2.4 举升装置设计
2.4.1 举升装置长度参数设计
举升装置作为整机实现中间铺膜播种组件抬升的关键部件,在确保能够托起中间铺膜播种组件的同时,也应尽量占用较小的空间,并且工作状态时中间组件与两侧组件需要在同一水平线上。举升装置为平面连杆机构,由举升油缸驱动。当举升装置较大时,抬升过程中由于中间铺膜播种组件较重连杆容易发生变形;当举升装置较小时,收缩过程中中间播种组件将与两侧组件发生干涉,前期试验得到举升装置适宜长度范围为1 000～1 400 mm。当在田间转换方向时,覆土滚筒中留有土壤以及种箱中的种子,随着举升装置长度的增加弯矩也逐步增大,导致连杆发生变形影响播种效果,所以设计举升装置连杆长度为1 200 mm。
2.4.2 举升装置运动分析
举升装置决定了播种机中间铺膜播种组件抬升的平稳性,对播种机的安全性与播种质量有重要意义。为探究伸缩过程中各构件的运动规律,采用封闭矢量多边形分析法建立矢量方程[18-19],以举升装置和举升油缸所在安装位置建立坐标系xOy,如图7所示。
图7 举升装置运动简图
Fig.7 Lifting device movement sketch
图7中lMP为举升装置上连杆长度,lOM为上连杆与主梁之间的距离,为避免机架抬升过程中各部件发生干涉同时降低机具重心,lOM取400 mm,lON为举升油缸安装位置与主梁中心的距离,lON取200 mm,lNG为举升油缸长度。点G与点P运动规律相同,以点O为原点建立xOy直角坐标系,构建封闭矢量多边形OMGN,建立矢量方程
lOM+lMG=lON+lNG
(7)
式(7)复数形式为
lOMeiπ/2+lMGeiθ1=lON+lNGeiθ2
(8)
式中 θ1——举升装置转动角度,(°)
θ2——举升油缸与x轴夹角,(°)
将实部与虚部进行分离得
(9)
对式(9)进行求解可得举升油缸lNG角位移表达式为
(10)
将式(10)对时间t求导,通过实部与虚部相等,求得举升油缸lNG角速度为
(11)
式中 ω——举升装置连杆角速度,rad/s
由计算结果可知,抬升过程中当举升油缸角速度一定时,随着油缸伸出长度的增加,举升装置的角速度会逐渐减小,下降过程中随着油缸伸出距离减小,举升装置角速度有增大趋势。
为分析折叠式宽幅铺膜播种机中间播种单体框架在举升过程中举升装置连杆受力变化情况,通过Solidworks软件定义播种机各部件材料并测算出单个铺膜播种组件质量为588 kg。在举升过程中举升装置围绕点M做圆周运动,转动范围为0°～60°,将举升装置结构进行简化,对其转动过程中弯矩进行分析,受力分析如图8所示。
图8 举升装置受力简图
Fig.8 Lifting device force sketch
忽略举升装置自身重力对其进行受力分析,如图8所示,根据力矩平衡原理对旋转中心点M取矩,当举升装置转角为θ1时可得
∑MM=GGlMPcosθ1-Ftsinθ2cosθ1
(12)
式中 F——举升油缸对举升装置的支持力,N
GG——举升装置自身重力,N
t——旋转中心M与举升油缸铰接点之间距离,mm
将式(12)化简可得
(13)
由式(13)可知,在中间铺膜播种组件抬升过程中,举升油缸受力与抬升角度有关,随着抬升角度的增大,受力逐渐减小,在刚开始抬升的一瞬间受力最大。
2.4.3 举升油缸参数设计
举升油缸与举升装置可视为气液动连杆机构,如图9所示,活塞杆为主动件,举升装置为从动件。
图9 举升油缸-连杆机构运动简图
Fig.9 Lifting cylinder-lifting device movement sketch
为避免折叠时中间播种组件与左右两侧组件发生干涉,根据前期经验,中间框架抬升高度b2为 850～1 100 mm,为降低机具重心,先取1 000 mm,举升油缸与举升装置铰接点抬升高度b1取500 mm,举升角α12转动范围为0°～60°,根据《现代机械设计手册》可知
(14)
式中 L1——初始位置时铰接点G1到液压缸铰接点N的距离,mm
f——举升装置MG长度,mm
α1——举升装置初始位置角,(°)
将式(14)消去α1,化简可得
if4-jf2+k=0
(15)
其中
(16)
由式(14)、(15)可解得2组解:m=638 mm,α1=71.36°;m=1 932 mm,α1=10.20°。
根据传动角公式
(17)
式中 γ——传动角,(°)
σ——举升油缸行程,mm
n——举升装置安装位置与举升油缸安装位置中心距离,mm
解得对应传动角分别为71.12°、10.20°,后一组数据传动角过小,不宜采用。所以可以得到举升油缸与举升装置铰接点G与点M距离为638 mm,取整为640 mm。
2.5 液压系统设计
为实现宽幅铺膜精量播种机由拖拉机液压系统控制折叠,设计液压系统原理图如图10所示。
图10 液压折叠系统原理图
Fig.10 Hydraulic folding system schematic
1.拖拉机油泵 2.直动式溢流阀 3.手动O型三位四通换向阀 4.单向阀 5.伸缩油缸 6.举升油缸 7.调速阀 8.油箱 9.过滤器
液压系统动力由拖拉机油泵提供,驾驶员操纵三位四通换向阀实现对两组油缸的控制。当整机从运输状态转变为工作状态时,首先将伸缩油缸电磁换向阀切换到左位,液压油通过左侧单向阀进入伸缩油缸无杆腔,有杆腔油液通过调速阀经过换向阀流回油箱,左右机架向两侧展开,其次将举升油缸换向阀切换到右位,液压油通过调速阀进入有杆腔,以及在中间播种框架重力作用下,无杆腔油液通过调速阀进入油箱,中间播种框架回落至地面;当整机完成播种作业后,举升油缸换向阀切换至左位,油液通过单向阀克服播种框架重力快速进入无杆腔,有杆腔油液通过单向阀流回油箱,举升油缸完成抬升动作,随后伸缩油缸将换向阀切换至右位,油液经单向阀进入有杆腔,无杆腔油液经调速阀进入油箱,两侧机架完成收缩,整机转变为运输状态。
该系统中包括伸缩油缸、举升油缸、手动三位四通换向阀、单向阀、调速阀等液压元件。其中两对液压缸作为执行元件可实现折叠功能。由于铺膜播种组件较重,所以选用单向调速阀,在举升过程中负载变化的情况下依旧保持速度的稳定性;直动式溢流阀在整个液压系统中可以起到调节主油路压力的作用,当油路压力超过预设压力时可与油箱联通泄压,同时起到液压系统安全阀的作用[20]。
3 刚柔耦合仿真试验
本文采取宽幅机架-滑轨梁刚柔耦合仿真,利用ADAMS软件进行分析,从ANSYS软件中导出柔性体到ADAMS中仿真,对柔性体变形和受力过程描述与真实情况拟合程度较高[21]。
3.1 仿真模型建立
折叠式宽幅铺膜精量播种机能否平稳展开与收缩是实现机具折叠的关键因素。为分析整机展开与收缩过程中,宽幅机架所受负载情况,利用虚拟样机技术对折叠式宽幅铺膜精量播种机进行刚柔耦合的模拟分析,在三维软件中进行建模,将不影响仿真结果的结构进行简化[22],将简化后模型另存为Parasolid(.X_T)格式文件并导入到ADAMS软件中,生成ADAMS环境下的模型,仿真模型如图11所示。
图11 播种机整机仿真模型
Fig.11 Simulation model of entire planter
通过对整机工作原理的分析,利用ADAMS软件中的工具箱进行操作,对整机模型各部件添加材料属性,所有模型材料设置为steel,以模拟实际的模型属性。根据播种机实际折叠过程中各部件之间的相对运动关系,将宽幅机架中主梁与大地进行固定;举升装置与牵引立柱之间通过转动副连接;伸缩油缸与举升油缸在工作过程中,随着油缸的伸缩铰接点会相对转动,所以油缸两端铰接点采用转动副连接;左右副机架在滚轮组的带动下通过移动副在滑轨梁上实现伸缩。折叠式宽幅铺膜精量播种机模型不包括大地共有10个移动部件,添加16个旋转副、2个移动副、1个固定副、4个单向作用力,以准确模拟播种机在展开、折叠过程中的实际运动情况。
3.2 仿真前处理参数设定
为探究伸缩油缸在收缩时宽幅机架的受力变形情况,有必要将滑轨梁设置为柔性体。仿真试验前将滑轨梁三维模型图保存为.X_T格式导入有限元分析软件ANSYS中进行网格划分。滑轨梁材料为Q235钢,密度为7 850 kg/m3、弹性模量为210 GPa、泊松比为0.33。为尽可能提高滑轨梁的计算精度和分析计算效率,将单元格尺寸设置为5 mm,网格划分完成后单元格6 040个,节点42 480个,并生成mnf格式的模态中性文件,将其导入到ADAMS中,通过ADAMS的Flexible Bodies选项在指定目录下打开已生成的.mnf文件,构建宽幅机架-滑轨梁刚柔耦合模型[23-24]。
对虚拟样机进行仿真之前,可利用ADAMS自带的Model Verify工具对模型进行验证,对系统自由度、未定义质量构件、过约束等情况进行查询。设置仿真分析时间为0.9 s、步长为200步,进行仿真求解计算。
3.3 仿真结果分析
仿真结果如图12a所示,滑轨梁位置变化主要发生在Y轴和Z轴,X轴方向没有变形。由于机具折叠过程中产生振动以及铺膜播种组件的重力作用,所以沿Y轴方向滑轨梁会产生较大幅度的变形,变形范围在0～30 mm;在伸缩油缸展开-收缩的过程中,左、右机架在活塞杆拖动下产生Z轴方向的挠度变化,滑轨梁在Z轴方向会发生0～25 mm的波动,而在X轴方向无位置变化。
图12 播种机关键部件受力变化曲线
Fig.12 Variation curves of force on key components of planter
在举升装置两端及中间位置分别选取标记点5、标记点1546以及标记点1581,如图12b所示,举升装置受力大小与连杆长度及转动角度有关,转动角度范围为0°～60°。同一位置随着抬升角度变大,受力逐渐减小;同一时刻,标记点距离主机架越近,受力越大。所以举升装置与牵引立柱铰接点最大受力为1.3×106 N,举升装置中心位置最大受力为8×105 N,举升装置与中间铺膜播种单体连接位置受力为4.2×105 N。
通过对整机展开过程进行分析,可以发现整个过程最大受力点出现在伸缩油缸与主梁位置安装处(标记点1618),最大受力为2.5×107 N,如图12c所示,从展平状态转换为收缩状态过程中,伸缩油缸受力不断减小。为减小整机展开时的阻力,油缸与主梁铰接点应低于与滚轮组的铰接点。
通过对滑轨梁进行应力分析,得到其折叠过程中最大受力为1.25×106 N,如图13所示,滑轨梁采用100 mm×100 mm×5 mm的Q235方钢,最大许用应力为235 MPa。根据
(18)
图13 滑轨梁受力云图
Fig.13 Slide beam force cloud diagram
式中 [μ]——滑轨梁许用应力,MPa
Fmax——滑轨梁最大受力,N
S——滑轨梁横截面积,m2
计算得到滑轨梁许用应力为125 MPa,设计满足要求。
4 田间性能试验
4.1 试验材料与设备
为检验折叠式宽幅铺膜精量播种机整机作业质量,2022年10月在新疆生产建设兵团阿克苏地区一师六团开展田间铺膜播种试验,如图14所示。播种试验前测量得到土壤坚实度为472 kPa,平均含水率为9.6%,进行耕整地后土地上实下虚满足棉花穴播作业试验要求[24];试验棉花品种选用新疆地区普遍种植的“新陆早68号”,其千粒质量为97 g,含水率为6.6%;膜卷规格为幅宽2 050 mm,厚度0.01 mm;整机作业时由雷沃欧豹M1204型拖拉机牵引工作,试验设备包括土壤坚实度测量仪、直尺、卷尺、挖种勺、记号笔等。
图14 播种机性能田间试验
Fig.14 Field test of seeder performance
试验选用齿盘式棉花精量排种器,当拖拉机前进速度约为2.0 km/h时,单粒率为94.3%,破损率为0.09%,达到国家标准要求。试验前对整机进行试转和调试,使机器在正常状态下进行性能试验和生产试验,播种机行进速度为2.0 km/h时测定。
4.2 样机评价指标
由于目前我国没有折叠铺膜精量播种机相关国家标准,样机评价指标参考行业标准NY/T 1143—2006《播种机质量评价技术规范》、GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》、JB/T 7732—2006《铺膜播种机》和NY/T 1559—2007《滴灌铺管铺膜精密播种机质量评价技术规范》要求。
折叠式宽幅铺膜播种机由于铺膜播种组件自身重量较大,且在实际运输过程中由于道路颠簸及重力作用,宽幅机架可能会发生少量变形,进而影响播种机播种均匀性(穴距、单粒率、空穴率)、播种深度、地膜展平度等。因此,对整机的铺膜铺带性能以及播种性能等相关评价指标进行田间试验,综合评价该播种机的作业效果。
4.3 试验结果与分析
折叠式棉花宽幅铺膜精量播种机检测性能要求和工作性能检测结果如表2所示。由试验结果可知,折叠式宽幅铺膜精量播种机试验指标均达到国家标准要求。
表2 样机评价指标与检测结果
Tab.2 Prototype evaluation indicators and test results
检测参数标准值检测值地膜纵向拉伸率/%≥34.2采光面宽度合格率/%≥8092.1铺膜性能采光面展平度/%≥9596.7地膜破损程度/(mm·m-2)≤5031.6膜边覆土厚度合格率/%≥9597.6膜边覆土宽度合格率/%≥9598.2破损率/%≤1.00.2膜孔覆土厚度合格率/%≥9094.0膜下播种深度合格率/%≥8595.7播种性能孔穴错位率/%≤1.00.26空穴率/%≤4.02.5单粒率/%≥8596.4穴距合格率/%≥9096.3铺带性能滴灌带纵向拉伸率/%≤1.00.73
折叠式宽幅铺膜精量播种机相较于1膜12行超宽膜棉花铺膜播种机[25],作业效率提高30%,单粒率提高2.1个百分点;相较于棉花免地膜精量播种机[26],作业效率提高2倍,穴距合格率提高5.46个百分点,空穴率下降0.04个百分点。
田间试验验证了折叠式宽幅铺膜精量播种机在保证铺膜、铺带、播种联合作业农艺技术要求的情况下可以完成机架展开与折叠状态的转换,实现道路运输、地头换向等功能,在新疆地区具有较好的应用前景。
5 结论
(1)设计了一种折叠式宽幅铺膜精量播种机,阐述了其整机结构及工作原理,并对伸缩过程和抬升过程的主要工作部件进行设计分析;通过对其运动过程进行力学分析和动力学分析,得到各部件最佳参数以及影响折叠过程的相关因素。
(2)建立ADAMS虚拟样机仿真模型,为了得到滑轨梁伸缩过程的受力变形情况,对其柔性化并进行刚柔耦合分析,结果表明滑轨梁最大变形发生在梁的两端,最大变形量为29 mm,举升装置与牵引立柱铰接点最大受力为1.3×106 N,整机最大受力位置是伸缩油缸与主梁位置安装处,最大受力为2.5×107 N,宽幅机架强度满足播种机作业要求。
(3)参照相关国家标准及行业要求对播种机铺膜铺带性能以及播种性能等评价指标进行试验,得到采光面宽度合格率为92.1%、单粒率为96.4%、膜下播种深度合格率为95.7%、穴距合格率为96.3%,满足行业标准要求。
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