耕种机虚拟样机精密单体播深和排种仿真研究

0 引言

播种技术严重影响着粮食的产量。在我国，已有近50 年精密播种技术的发展历史。精密播种机在 20世纪60 年代中期就已经出现，但是由于技术方面不够完善及农艺要求方面还存在一些问题，在进行精密播种试点时没有达到较好的效果，最终没有实现有效的推广。近几年，农业得到了国家基金的大力扶持，播种技术不断进步，加快了精播技术的发展步伐。精密播种技术指的是按照科学的计算和农艺要求，通过播种预定数量的种子在预测的土壤位置上，要求播种的穴距、穴粒数、播种深度等精确，并保证精确行距均。通过以往的实验数据可以得出:精密播种技术大大提高了增产率，相比普通播种增产量达到了 6% ～25% 。
精密播种技术已成功应用于多种作物的种植，是农业增产、增收和降低粮食生产成本的重要措施之一。为了进一步提高耕种机的播深控制精度和排种精度，本文结合排种器排种和播种机耕种的力学原理，设计了排种速度和播深位移的模糊控制优化算法，并采用 UG 和 ADMAS 联合仿真的方法对优化效果进行验证，大大提高了播种机优化设计的效率。

1 耕种机虚拟样机仿真模拟原理
近几年，精密播种机的研究有了新的发展方向，通过计算机虚拟样机技术对播种机部件和整机进行模拟仿真实验取得了较好的效果，提高了播种机的设计效率及准确性。目前，在研究播种机过程中，通过应用 Pro/E、UG 等三维设计软件对零部件进行参数化设计，仔细检验整机装配，使得产品在系列化设计方面有了更大的进步。同时，应用多种专业的分析软件(如有限元分析软件 ANSYS、机械系统动力学分析软件 ADAMS 等)进行动力学、力学、机构运动学仿真分析，使精密播种机在稳定性、通用性、可靠性方面有了很大程度的改善，进一步推动了播种机械在我国的发展。
图1 为精密播种机的示意图。多数播种机都采用了平行四杆仿形机构，在播种的单体上设计了精密的播深调整装置，可以准确地调整和指示播深，保证了播种深度的一致性。

图2 为播种机优化设计仿真过程示意图。首先根据播种机的力学原理设计播深和排种速度的数学模型，利用模糊控制原理控制排种速度和播深的误差，使用 UG 软件建立精密播种机的虚拟样机，采用ADMAS 软件对排种和播深进行仿真模拟;然后，通过联合仿真输出优化结果，将最终优化结果导入到数据库中，方便后续设计数据的直接调用。


2 控制算法设计

在排种的初始阶段，大量的种子会涌进排种器内，以进入的种子为研究对象，将位置角度记做 θ ，种子受力主要有重力 mg 、离心力 mω2r 、分种勺面的静摩擦力 FN和隔板间的滑动摩擦力 F'，如图3 所示。



3 仿真模拟分析

为了验证所设计的播深和排种精密控制算法的有效性和可靠性，本次研究采用数值仿真模拟的形式对播深和排种精度进行计算，得到播深的合格率和排种的精度。首先利用 UG 软件建立耕种机虚拟样机排种器的各个零部件，在虚拟装配时采用自底向上的装配方法，将所有零件装配到一起，完成精密排种器的虚拟装配，如图4 所示。
工作时，打开 UG 软件，进入装配模式，依次调入所有的零件，并按照各零件间的相对位置和约束关系，对排种器进行组装;组装完成后，可以通过 AD-MAS 软件对结构进行动力学分析。各变量的优化设计如图5 所示。
为了实现排种精度的优化控制，需要在 ADAMS软件中使用模糊控制算法对变量进行优化。优化的函数为测量的目标函数“FUNCTION_MEA_1”的最大值，优化的设计变量为“DV_1”、“DV_2”、“DV_3”，目标函数为最大值。
如图 6 所示，完成所有的设置后，敲定窗口的“Start”键，这时软件将会对装置进行最优化的计算分析。通过计算，可以得到排种器最佳优化参数。其中，装置垂直倾角为 26．5°，倾角为 9． 9°，转动的角速度为8．8rad/s。


如图 7 所示，为了实现播深精度的优化控制，在ADAMS 环境下建立了简化的平行四杆式播种单体仿真模型，通过参数化设计改变仿形机构中关键部件的结构尺寸，进行模型的快速修改和仿真。通过优化，得到了如图8 所示的播深变化曲线。

由图 8 可以看出:通过优化后，播深在短时间内便可以达到需要的耕种深度，而且播深控制的稳定性较好，播深的控制精度较高。
在排种精度控制优化前后，通过的 10 次仿真模拟，得到了排种准确率的分析结果，如表 1 所示。由表1 可以看出:优化后排种的准确率要明显高于优化前，且优化后排种准确率的变异系数也明显比优化前的小。


表 2 为优化前后播深合格率的仿真模拟结果。由表2 可以看出:优化后的播深合格率要明显高于优化前的合格率，其最低合格率在 95% 以上，提高了播深的控制精度，满足播深精密控制的需要。


4 结论
依据播种机排种和耕种的力学特性，结合模糊控制算法，设计了一种新的播种机排种精度和播深控制的优化方法，并采用数值仿真模拟的方法对优化效果进行了验证。
利用 UG 软件建立了排种器的各种零部件和播种机虚拟样机，并进行了装配;采用 ADAMS 软件对排种器排种精度和播种机虚拟样机的播深合格率进行了动力学仿真。
通过数值仿真模拟计算，得到了 ADAMS 参数优化前后排种精度和播深合格率的结果。由结果分析可以看出:优化后排种的准确率要明显高于优化前，而且优化后排种准确率的变异系数也明显比优化前的小;优化后的播深合格率要明显高于优化前的合格率，其最低合格率在95%以上，满足精密播种的需求，可以在农业精密播种技术中将其推广。
参考文献（略）