周 刚，石林榕，赵武云，辛尚龙，杨小平

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

胡麻属于亚麻科、亚麻属，具有良好的耐旱和耐寒性[1]，在旱作农业生产中占据着其他经济作物不可代替的地位[2-3]。胡麻在国内外种植较为广泛，中国胡麻种植面积居世界第三，约为46.97万hm2；种植产量居世界第二，约为42.78万t[4]。国内胡麻种植区域大多分布于甘肃、内蒙、宁夏、河北、山西、新疆等较为干旱的地区，其中甘肃每年胡麻种植面积居全国首位，每年种植面积可达12万hm2，占全甘肃省油料作物种植面积的50 %[5]。

目前，国外还没有针对垄作膜面沟播技术的胡麻播种机，现有胡麻专用播种机，价格昂贵，体型较大；国内学者针对胡麻播种研制出2BY-26行亚麻施肥播种机、2BF-24型小麦播种机条播亚麻、2BXY-1型亚麻小区播种机等。国内胡麻种植机械化水平低，并且胡麻的播种方式主要以谷物条播机代播为主，而西北干旱地区多为人工种植，但这两种种植方式均存在播量无法控制，播种质量差，劳动强度大等问题[6-7]。为此，本文设计了一种适合于小型旱地垄作膜面的胡麻精量播种机。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

旱地垄作膜面胡麻精量播种机(图1)主要有手扶杆、穴播轮、仿形机构、牵引架、机架、动力机组、提升装置等部件组成。

1.防护罩；2.手扶杆；3.穴播轮；4.仿形机构；5.牵引架；6.后轮；7.前轮；8.机架；9.电推杆；10.动力机组； 11.电池；12.提升控制按钮；13.启动控制按钮；14.提升装置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图1 旱地垄作膜面胡麻精量播种机整机结构Fig.1 The machine structure of the precision flax seeder in dryland ridge plastic-film mulched surface

1.2 种植农艺

根据西北地区旱地胡麻种植农艺[8]，设定旱地垄作膜面胡麻精量播种机农艺要求(图2)：大垄1与小垄2之间距离AC为110 cm，其中大垄宽AB为70 cm，高h1为11 cm；小垄宽BC为40 cm，高h2为16 cm，采用地膜全覆盖技术，在垄沟内完成播种(图2)。根据不同的年降水量，可确定播种深度h范围为3～5 cm，株距为10～15 cm(可通过调节鸭嘴安装个数控制)。

1.3 工作原理

旱地垄作膜面胡麻精量播种机工作时，动力传递为：电池动力经差速电动机传递到前轮，并牵引后轮运动，进而通过牵引架与仿形机构牵引穴播轮前进。前轮在两相邻大垄上行走，种子由取种器取出并进入鸭嘴，随后鸭嘴与地面接触后强制开启，进而排出种子，从而完成播种作业。在转弯或运输时，按下提升控制按钮中的提升按钮，使电推杆工作，将穴播轮提升至适当位置，待转弯或运输结束后，按下下降按钮，将其放至地面。

1.4 技术参数

根据胡麻种植模式及其他相关机型技术参数[9-10]，旱地垄作膜面胡麻精量播种机主要技术参数如表1所示。

1.大垄；2.小垄；3.地膜；4.胡麻1. Large ridge; 2.Small ridge; 3.Plastic-film; 4. Flax图2 旱地垄作膜面胡麻精量播种机农艺图Fig. 2 The agronomy diagram of the precision flax seeder in dryland ridge plastic-film mulched surface

表1 旱地垄作膜面胡麻精量播种机主要技术参数

2 关键部件设计

2.1 提升装置

2.1.1 结构组成及原理 提升装置主要由提升杆、摇杆、连杆、牵引杆、固定板、电推杆、销钉等组成。提升装置结构如图3所示。

1.提升杆；2.摇杆；3.电推杆；4.固定板；5.固定架；6.牵引杆1. Lifting rod; 2. Rocking bar; 3. Electric putter; 4. Fixed plate; 5. Fixed frame; 6. Traction rod图3 提升装置Fig.3 Lifting mechanism

电推杆通过销轴安装于固定板上，固定板与机架焊接在一起，电推杆中伸缩杆前端与摇杆连接，构成一个四连杆机构，摇杆前端开有U形槽，用来连接销轴；销轴安装于固定架上，提升杆焊接在销轴上；牵引杆一端与提升杆铰接，另一端与仿形机构铰接。机具在行走和转弯时，按下提升控制按钮的提升按钮，启动电推杆，此时电推杆内的伸缩杆移动一定的位移，带动摇杆和提升杆转动，使提升杆通过拉动牵引杆来提升穴播轮。本提升装置不仅能实现穴播轮的提升和下降，而且提升精度较高。

2.1.2 提升杆、牵引杆杆长的确定 合理设计提升装置的各杆长度，其目的在于精确提升穴播轮。根据本文需要设计提升穴播轮高度h=120 mm，DE杆长e=575 mm,DE杆初始角度θ=32°。

根据图4可得：

(1)

由(1)式得：β1i=13°(i=3)，图2可简化为平行四杆机构(图5)和摇杆机构(图6)，在稳定工作条件以及本文设计需求下，设计图5中CD杆长c=70 mm，初始角度：α1=17°，β1=89°。已知提升杆a沿逆时针方向转动的最大角度为α13=4°，并设β12=8°，α12=3°，则两连架杆AB和CD相对于x轴的位置角之间的关系如下：

(2)

两连架杆角位移的对应关系只与各构件的相关长度有关，因此以CD的长度c为基准，并设

(3)

将(3)式带入(2)式中得：

cosβ=P0cosα+P1cos(β-α)+P2

(4)

式中，

P0=m，P1=m/p

注：β1：CD第一位置线相对于x轴的夹角；β1i：CD沿逆时针方向的对应角位移序列(i=1,2,3…)；h1：E′与x轴的垂直距离；h2：E与x轴的垂直距离。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.图4 穴播轮提升高度与DC杆角度关系Fig.4 The relationship between the height of the dibbling wheel and the angle of the DC bar

注：a：AB长；b：BC长；c：CD长；d：AD长；α:AB杆第i位置(AB′)相对于x轴的夹角；α1：AB第一位置线相对于x轴的夹角；α1i：AB沿逆时针方向的对应角位移序列(i=1,2,3…)；β：CD第i位置(C′D)相对于x轴的夹角；δ：B′C′与水平方向的夹角。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.图5 平行四杆机构Fig.5 Parallelogram linkage mechanism

若α1和β1预先给定，则铰四杆机构最多能精确实现两连架杆2组对应角位移，此时(4)可写为:

综上所述可知a=276 mm，b=45 mm，d=306 mm。

2.1.3 电推杆伸缩量 将图6中各杆件当作矢量杆，以A点为坐标系原点建立主直角坐标系xAy，并以B点为原点建立辅直角坐标系x′By′，可得以下矢量关系:

(5)

式中，初始参数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，即电推杆的伸缩量s=b1-b=6 mm。

2.2 仿形机构设计

2.2.1 四连杆仿形机构的组成 由于胡麻对播种深度的均匀性要求较高,因此要求播种机具有较好的仿形功能。旱地垄作膜面胡麻精量播种机选用了四连杆仿形机构(如图7)，该仿形机构可以实现上下、左右仿形。四连杆仿形机构主要由提升牵引固定杆、一对横杆、两对上下纵杆、机架牵引固定板、限位架等组成。本机还设有限位轮与提升装置，以保证仿形机构的初始位置，进而达到更好地仿形效果。

注：a：AC长；b：BC长；c：AB长；θ1：AB与BC的夹角；θ2：AB第一位置线相对于x′轴的夹角；θ3：AC第一位置线相对于y轴的夹角；θ4：AC与AC′的夹角；θ5：BC与BC′的夹角。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′.图6 摇杆装置Fig.6 Rocker device

四连杆仿形机构工作时，一对横杆相对于机架转动，随之带动两对上下纵杆转动，即实现穴播轮的上、下仿形。在纵杆转动过程中，纵杆与限位架下端或上端接触时，纵杆将停止上下运动，仿形机构达到上下仿形量的最大值；与此同时，两对上下纵杆绕销轴转动，实现穴播轮左右仿形，纵杆一端开设有U形槽口，当纵杆转过一定角度时，与U形槽口边缘相接触，此时纵杆停止左右转动，仿形机构达到左右仿形量的最大值。

2.2.2 四连杆仿形机构主要参数的确定 合理地选择四连杆仿形机构的参数，不仅保证四连杆仿形机构工作稳定高效，而且显著提高了机具播种深度的均匀性。影响四连杆仿形机构工作性能的因素很多，其中主要因素有牵引角、长度、横向宽度等。

由图8可知，上仿形量h1、下仿形量h2、总仿形量h与连杆长度L的关系为：

(6)

h=h1+h2=L[sinα1+sin(α+α2)]

(7)

由(7)式可知，总仿形量h相同条件下，当牵引角α变化范围越小时，平行四杆的上、下纵杆之间长度会越长；反之，当牵引角α变化范围越大时，平行四杆的上、下纵杆之间会越短。在机具实际工况下，需要牵引角α变化范围较小，即要求上、下纵杆之间长度应较长。但杆长增加时，会使悬挂在其后的穴播轮向后移动，以至于机具的整体重心后移，导致机具结构不紧凑，操作不简便。

1.提升牵引固定杆；2.横杆；3.机架牵引固定板；4.机架；5.纵杆；6.限位架；7.销轴1. Lift the traction anchor; 2. Horizontal bar; 3. Frame traction fixed plate; 4. Frame; 5. Longitudinal bar; 6. Limit frame; 7. Pin图7 四连杆仿形机构Fig.7 Four-bar link profiling mechanism

通常情况下，播种机的上下仿形量各为80～120 mm，左右仿形量各为80～120 mm[11]。根据机具作业的工况条件，将该仿形机构的上下仿形量各设计为90 mm。查文献[12]可知，牵引角α可取范围为0°～20°；上仿形角α+α1可取范围为15°～20°；下仿形角度α2可取范围为15°～30°。由于本机型需适应于西北地区种植胡麻，而西北地区较干旱，田间土壤硬度大，所以确定参数α=0°，α1=15°，α2=15°,α′=15°。此时可计算出仿形杆长度L与左右仿形量h′的值。

(8)

由(8)式得L≈347.49 mm，为使机具重心前移，取L=347 mm。将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满足仿形量各为80～120 mm要求；已知h′≈89.81 mm，满足左右仿形量为80～120 mm的要求，即取h′=90 mm。

考虑运动的干涉性和播种效率的高效性，确定出两连杆架之间间距LAD=150 mm。纵杆后端连接有穴播轮，即两纵杆横向距离s直接影响到播种的稳定性。如果横向距离偏小，导致穴播轮容易摆动，播种直线性差；反之，横向距离偏大，导致仿形机构宽度增加，以至于播种行距设计困难。因此，在满足实际工况条件下，横向距离应为最小值。根据上述各个参数和文献资料，确定横向距离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：仿形机构的牵引角；α1：上仿形牵引角；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图8 四连杆上下仿形参数Fig.8 The profiling parameters of four-bar links on upward and downward

2.3 播种装置

2.3.1 穴播轮结构及其工作原理 穴播轮主要有成穴器、轮轴、取种器、引种器以及动盘、弹簧等组成，穴播轮结构如图9所示。

该机播种作业时，穴播轮在机组动力的牵引下随中心轴转动，此时，穴播轮底部的胡麻进入取种器，取种器随着穴播轮转过一定角度后，将胡麻倒入安装在取种器下方的引种器内，同时引种器也会随穴播轮转动，将胡麻引至成穴器内；直到活动鸭嘴与地面接触时，成穴器被强制打开，胡麻在自身重力作用下掉入土壤中，随后成穴器出土，完成一次播种。

2.3.2 取种装置 取种装置结构如图10所示，该取种装置主要由取种器和引种器组成。取种器外壁、挡板a以及成穴器固定板构成取种槽；引种器外壁、挡板b以及成穴器固定板构成引导槽a与引导槽b；将取种器与引种器两端相互交叉，以减缓穴播轮内胡麻的流动性。播种装置工作时，胡麻由于自重填充取种槽，取种槽在穴播轮带动下逆时针转动，当穴播轮转动一定角度后，引导槽a内的胡麻二次填充取种槽并使多余的胡麻掉落至穴播轮内；随后穴播轮到达一定角度后，取种槽内的胡麻将倒入引导槽a内；此时，穴播轮继续转动，使引导槽a内的胡麻掉入引导槽b内，进而流入成穴器，完成一次取种作业。该取种装置结构简单、质量轻、取种稳定，能满足旱地垄作膜面胡麻精量播种机取种要求。

1.固定鸭嘴；2.弹簧；3.成穴器固定板；4.垫片；5.活动鸭嘴；6.轮轴轴套；7.轮轴；8.引种器；9.取种器；10.动盘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图9 穴播轮结构Fig.9 Dibbling wheel structure

2.3.3 穴播轮成穴过程 穴播轮在机组动力的牵引下随中心轴转动，继而成穴器定期插入和退出土壤。在此过程中，成穴器不断对土壤进行挤压，克服摩擦，形成穴孔[13-15]。成穴器简图如图11所示，对穴孔分析时，可取特殊点A、B、C的运动进行详细分析。

A点运动轨迹方程：

(9)

式中,RA：A点到穴播轮中心的距离；αA：A点到穴播轮中心的连线与y轴的夹角；l：成穴器宽度;θ：成穴器在一定时间内转过的角度；ΔS:滑移量。

1.取种器；2.取种槽；3.引导槽a；4.挡板b；5.引导器；6.引导槽b；7.挡板a1. Seed metering device; 2. Seed metering groove; 3. Guide groove a; 4. Baffle b; 5. Pilot; 6. Guide groove b; 7. Baffle a图10 取种装置Fig.10 Seed metering device

注：R：穴播轮半径；R′：穴播轮实际滚动半径；h：成穴器长度；α：入土成穴器上任意一点到穴播轮中心的连线与y轴的夹角；α′：动瓣AB与定瓣BC之间的夹角。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.图11 成穴器简图Fig.11 The schematic of indenting tool

B点运动轨迹方程：

(10)

式中,RB：B点到穴播轮中心的距离；αB：B点到穴播轮中心的连线与y轴的夹角。

C点运动轨迹方程：

(11)

式中,RC：C点到穴播轮中心的距离；αC：C点到穴播轮中心的连线与y轴的夹角；hC：C点到穴播轮中心的垂直距离;φ：成穴器开度。

3 穴播轮成穴过程的仿真分析

3.1 穴播轮与膜面受力分析

穴播轮在地膜表面滚动，安装在穴播轮上的成穴器进、出土壤形成穴孔。影响穴孔形状的主要因素为滑移量ΔS与滑移率δ等。由式(12)可知，当穴距一定时，增大穴播轮半径，可使鸭嘴进、出土壤时的穴播轮转角减小，滑移率δ与滑移量ΔS减小[16]。成穴器的鸭嘴在入、出土时其运动轨迹相对地面的位移量直接影响膜面开孔大小，位移量较大会出现撕膜、挑膜等现象，进而影响地膜保墒效果。

(12)

式中,R：穴播轮半径；R′：穴播轮实际滚动半径；θ：成穴器转角

整机前进时，牵引穴播轮在膜面上滚动，穴播轮的受力可简化为重力、穴播轮与地膜的摩擦力以及牵引力等，穴播轮受力如图12所示。

对图12分析得以下方程：

(13)

(14)

注：G：穴播轮重力；FN：压力；Ff：穴播轮与地膜的摩擦力；F：牵引力；Fx：F在x轴方向的分力；Fy：F在y方向的分力；γ：牵引力与x轴方向的夹角。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.图12 穴播轮受力图Fig.12 The force diagram of dibbling wheel

式中,μ：地膜摩擦系数；m：穴播轮质量；a：穴播轮加速度；ω：穴播轮转速；v：整机前进速度；h1：入土深度；RH：穴播轮中心到成穴器最顶端的距离。

将式(14)带入式(13)中可得：

(15)

由式(15)可知，穴播轮与地膜的摩擦力的大小主要由整机前进速度、滑移率以及入土深度决定，因此，在仿真过程中，不仅要设计整机前进速度、滑移率以及入土深度三者之间相互影响的仿真方案，还要设置穴播轮与地膜、土壤的接触参数。

3.2 穴播轮成穴过程的仿真和优化

在Solidworks中建立穴播轮的三维模型，并导入Solidworks motion中，在仿真计算前，首先设置穴播轮中心轴到地面的距离参数，以保证穴播轮的入土深度；其次，设置接触参数，而在Solidworks motion中有两种接触模型，分别是泊松模型(恢复系数)和冲击模型[17]，由于成穴器与地膜、土壤不是持续撞击，所以我们选用泊松模型，但是在Solidworks motion中设置整机速度难度较大，所以仿真中根据式(14)将整机速度转化为穴播轮角速度，进而得出穴播轮仿真结果，其穴播轮仿真方案与结果如表2所示。

表2 穴播轮仿真方案与结果

根据实验数据和仿真结果(表2)，可得最优仿真数据：滑移率为11%，整机速度为0.5 m·s-1，入土深度为0.03 m，穴播轮角速度为140.90 °·s-1。在最优工作参数下，穴播轮滑移量较小，撕膜、挑膜现象不易产生，并且在此工作参数下，成穴器上B点的运动轨迹如图13所示，成穴器上B点x和y方向的位移如图14所示。

由图14可知，在 0.52秒与0.76秒时，B点两次在y方向经过30 mm。测量出0.52秒与0.76秒时，B点在x方向的位移分别为-597 mm与-593 mm，即B点相对于地面的滑移量为4 mm，表明成穴器相对于地面的滑移量很小，撕膜、挑膜现象不易产生，地膜的保墒效果很好。即最优组合参数为滑移率δ=11%，整机速度v=0.5 m·s-1，入土深度h1=0.03 m。

图13 B点运动轨迹Fig.13 The trajectory of the B point

图14 B点在x和y方向的位移Fig.14 The displacement in the x and ydirection of the B point

4 结 论

1) 本文采用平行四杆机构和摇杆装置，解决了传统播种机转向和运输时手动提升穴播轮等问题，大大节省了人们的劳动力和时间，有效地提高了该机的安全性和可靠性；采用四连杆仿形机构，实现了旱地垄作膜面胡麻精量播种机上下、左右的仿形，解决了由地面不平引起的穴播轮播种直线性差和膜下播种深度均匀性差等问题；设计了一种新型取种装置，实现了播种机的精量播种。

2) 借助Solidworks 软件中的插件motion，对旱地垄作膜面胡麻精量播种机进行了优化仿真，得到最优组合参数：滑移率δ=11%，整机速度v=0.5 m·s-1，入土深度h1=0.03 m。该穴播轮滑移量很小，撕膜、挑膜现象不易产生，进而提高地膜的保墒效果，此最优组合参数满足穴播机设计要求。