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1、第13卷 增刊 1997年9月农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA ESept. 1997. Vol . 13 Supplement固定式打孔播种机工作过程的 理论分析与计算机仿真3傅 宏 于建群 马成林(吉林工业大学)白志敏(吉林职业师范学院)提 要 提出一种结构新颖的打孔式播种机固定式打孔播种机,对这种播种机的工作过程进行了理论分析和计算机仿真,为这种播种机的设计和使用奠定了理论基础。关键词 打孔式播种机 地膜覆盖 少耕免耕 计算机仿真Theoretic Analysis and Computer Si mulation of a New Spade P
2、unch PlanterW orking ProcessFu Hong Yu J ian2qun Ma Cheng2lin(J ilin U niversity of T echnology,Changchun)Ba i Zhi2m in(J ilin V ocational T eacher College)Abstract In this paper, a new spade punch planter is provided and working process of theplanter is theoretically analyzed. Based on these, the m
3、athematic models of punching anddropping and the curve equations of the hole are presented. W orking process of the planteris si mulated on computer by the models.The results in this paper lay the foundation fordesigning and using of the planter.Key words Punch planter M ulching No2tillage Computer
4、si mulating收稿日期: 1997207231 3 国家自然科学基金资助项目(59590131112) 傅 宏,副教授,长春市人民大街142号 吉林工业大学计算机科学与工程系, 1300251 固定式打孔播种机的结构和工作过程固定式打孔播种机主要由固定式打孔器、 滚轮和组合内窝孔玉米精密排种器三部分组 成,见图1。固定式打孔器刚性固定在滚轮的外圆上,组合内窝孔玉米精密排种器安装在滚 轮的内部,且与滚轮同轴。固定式打孔器的结构如图2所示,此打孔器的特点是顶面和前面敞开,没有活动零件,因此结构比较简单。 该播种机的工作过程为:随着滚轮(垂直地面)的滚 动,打孔器开始打孔,当打孔器开始出土时
5、,由设在滚轮内部的组合内窝孔玉米精密排种器 排出一粒种子,该种子由打孔器的顶面敞口进入打孔器内,并通过打孔器由其前面进入孔 中,至此完成打孔和播种的全过程。可以看出设计该播种机,首先应保证打孔器工作时能打 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.11 固定式打孔器 21 滚轮31 组合内窝孔玉米精密排种器图1 固定式打孔播种机的组成和工作原理图2 固定式打孔器的结构出满足要求的一定形状和尺寸的孔;其次打孔器打孔时应不进土,不 “堵土”,以便形成种子的运动通道;第三应保证排种器的排种过程与打孔器
6、的打孔过程相互协调,以便保证排种器 排出的种子经打孔器准确地进入孔中。2 固定式打孔播种机工作过程的理论分析211 滚轮的运动分析固定式打孔播种机工作时,可以认为滚轮始终在某一水平面上滚动,且滚轮侧面与地表 面相垂直见图1。设滚轮半径为RS,滚轮滑移率为 ,则滚轮实际滚动半径R为R=RS 1-(1)由(1)式可知该播种机的工作过程相当于一个半径为R的刚性轮(地轮)沿某一平面(地表面)的纯滚动。212 打孔器的运动方程 为了对播种机的工作过程即打孔过程进行分析,应建立打孔过程中打孔器的运动方程。 为分析简便,建立图1所示的空间直角坐标系,x oy平面垂直滚轮轴线,且通过打孔器的对 称面,打孔器在
7、此面上的投影即为图2的主视图。坐标原点O位于滚轮轴线以下R处,R与滚轮半径RS及滚轮滑移率 的关系见(1)式。分析可知,由于打孔器的对称性,因此打孔器 相对于土壤的打孔过程完全可以用打孔器在x oy平面上的运动来描述。 由解析几何可知,滚 轮转动时,固定在滚轮圆周上打孔器任一点的运动轨迹均为旋轮线,其参数方程为xA=RS 1-RSsin (-A)yA=RS 1-RScos(-A)(2)392 增刊傅 宏等:固定式打孔播种机工作过程的理论分析与计算机仿真 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
8、xB=RS 1-RScosA+h cosBsin (-B)yB=RS 1-RScosA+h cosBcos(-B)(3)xC=RS 1-L 2sinCsin (+C)yC=RS 1-L 2sinCcos(+C)(4)xD=RS 1-RSsin (+D)yD=RS 1-RScos(+D)(5)上式中A,B,C,D为固定式打孔器上四个特殊点,见图2;为从打孔器长度中点算起的滚 轮转角,打孔器入土时为负值,出土时为正值;角为打孔器上该点和滚轮轴心的连线与打 孔器中点和滚轮轴心连线间的夹角,因而有A=D= arcsinL 2RS(6)B= arctanL?2-htan RScosA+h(7)C= ar
9、ctanL?2 RScosA+h-(L-htan) tan(8)式中 L为打孔器的长度;h为打孔器的高度;为打孔器前面与yoz坐标面的夹角;为打 孔器底面与x oz坐标面的夹角。213 种子的运动方程该播种机的内部装有一种新型的内充式玉米精密排种器组合内窝孔玉米精密排种图3 种子运动简图器,有关此排种器的详细内容将另文撰述。本文仅就由排种 器投出的种子的运动情况进行分析。 参见图3,设排种器的外径为d,转动方向与滚轮的转动 方向相同,在某一瞬时一粒种子刚好从排种器排出,此时种子位置可由投种口位置 +表示,为滚轮转角,为投种 口中心和滚轮中心连线与打孔器长度中点和滚轮中心连线 之间的夹角,在打孔
10、器中点前取负值,在后取正值。种子投出 后将作有初速度的自由落体运动,t时刻后种子的位置可由 下式表示:xt=RS 1-d 2sin (+)+ vm-vmd(1-) 2RScos(+) tyt=RS 1-d 2cos(+)-vmd(1-)t 2RSsin (+)-1 2g t2(9)式中 vm为播种机的前进速度。492农业工程学报1997年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.3 固定式打孔播种机工作过程的计算机仿真311 仿真系统 本仿真系统用C语言具体实现,系统的层次结构如图4所示。图4
11、 仿真系统层次结构图图5 打孔和投种过程仿真简图312 仿真结果分析 图5为打孔过程和投种过程的仿真图。 由图分析可知,该播种机工作过程有如下特点:1)打孔器相对于土壤的运动是一个平面运动,在整个运 动过程中,打孔器先向下运动(入土),然后转动,接着向上运 动(出土),即形成一个圈套形,圈套形的宽度和高度随滚轮滑 移率增大而减小。2)孔的形成过程为:随着滚轮的滚动,打孔器的底面先 与土壤接触并开始切入土壤(入土),接着打孔器的两侧面开 始向两侧挤压土壤,打孔器的后面向后挤压土壤,当打孔器运 动到最低点后,打孔器开始出土。3)仿真分析可知,当 arccosRS?(RS+h) 时,打孔器的打孔过程
12、是近似垂直于地面 的插入,即近似直插1,可以想像此时可能避免打孔时打孔器的进土、 堵土。 由理论分析和仿真分析还可知,当h(011+)RS(1-)时,可保证打孔器出土时不剐土。4)仿真分析可知,当0zW 2(W 为固定式打孔器后面宽度,见图2)时,孔的截面(即用一平行于x oy坐标面的平面)曲线一般由三段组成,见图6(a)。 其中ab段曲线是由打孔器 的前尖点在入土过程中形成的,为摆线。bc段曲线是由打孔器底面(边)在滚轮不同转角时 逐渐形成的,为一包络线。cd段曲线是由打孔器后直面(后面)在滚轮不同转角时逐渐形成 的,也为包络线。592 增刊傅 宏等:固定式打孔播种机工作过程的理论分析与计算
13、机仿真 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图6 孔的截面曲线当W 2ZW 2(W为固定式打孔器前面宽度)时,用平行于坐标平面x oy的平面 剖截孔后,孔的截面曲线由两段组成,见图6(b),其中ab 段仍为摆线。 各段方程式此处不再详列。通过仿真分析可知,只要适当选择打孔器参数可以 打出满足要求的孔的形状和尺寸。5)打孔器入土时,由于打孔器向下和两侧面挤压土壤,因而将产生阻力,这是滚轮产生 滚动阻力的主要原因,在设计固定式打孔器时,应设法通过选择打孔器参数W、h、W、L减 小滚动阻力。6)
14、打孔器出土时,打孔器挤压前方土壤才能使滚轮产生向前的滚动力矩。但由于固定 式打孔器前方敞开,因而打孔器前方与土壤的作用甚小,不仅使滚轮的滚动力矩减小,滑移 率增大,而且可能造成打孔器进土,因此设计固定式打孔器时,应采取措施增加打孔器出土 时与前方土壤的接触面积,如加装翼板,见图2。7)通过仿真分析可知,只要适当地选择打孔器参数 和投种角 +可以保证种子顺利地通过打孔器进入孔中。参考文献1 马成林等.播种机械土壤工作部件基本特性的研究.农业工程学报, 1992, 8(4): 4146692农业工程学报1997年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
