斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構工作參數試驗優化

王金武 周文琪 王金峰 張春鳳 江東璇

(1.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.北京農業智能裝備技術研究中心， 北京 100097)

斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構工作參數試驗優化

王金武1周文琪1王金峰1張春鳳2江東璇1

(1.東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.北京農業智能裝備技術研究中心， 北京 100097)

為探明深施型液態施肥機扎穴機構工作參數對作物損傷率、穴口寬度以及穴距的影響機理，設計了一種斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構。通過聯軸器使扎穴機構滿足斜置式扎穴狀態，使其扎穴軌跡平面與壟面呈一定角度變化，實現斜入式扎穴。采用二次回歸正交旋轉組合設計進行最佳工作參數試驗，以行星架轉速、前進速度和斜置角度為試驗影響因素，以穴口寬度、穴距和作物損傷率為優化指標，利用響應曲面方法進行優化，運用Design-Expert 8.0.10軟件對試驗數據進行分析，得到因素與指標之間的回歸方程及響應曲面圖。試驗結果表明，當行星架轉速75.0 r/min、前進速度0.48 m/s、斜置角度23.3°時，穴口寬度為40.2 mm，穴距為220 mm，作物損傷率為0.33%，此時機構性能最優，應用此參數組合進行斜入式扎穴測試驗證，驗證了其合理性。

深施型液態施肥機； 扎穴機構； 斜入式扎穴； 非規則齒輪； 優化

引言

扎穴機構是深施型液態施肥機的核心工作部件，該機構實現噴肥針入土噴肥的功能，其性能的優劣直接決定了施肥機扎穴噴肥的質量和效率。

目前液態施肥機扎穴機構分為曲柄搖桿式、橢圓-正圓齒輪行星系、全橢圓齒輪行星系以及非圓齒輪行星輪系等。每一種扎穴機構都有不足之處：曲柄搖桿式扎穴機構雖然能滿足深施液態肥的功能，但其固有運動慣性力和本身的結構形式使得扎穴次數進一步提高時，振動大大加劇[1-2]；橢圓齒輪行星系扎穴機構雖然經過運動學和動力學優化，但只有一個噴肥針工作，效率相對較低[3-4]；全橢圓齒輪行星系扎穴機構，雖然扎穴速度高達450次/min，但噴肥針入出土垂直度不夠，穴口寬度較大[5-6]，非圓齒輪行星輪系扎穴機構雖然扎穴效率以及扎穴效果均明顯提高[7-8]，但在田間進行扎穴施肥時，由于離作物根區很近，其固有的周轉運動對作物造成嚴重機械損傷，如殼體擊打莖葉，噴肥針扎莖葉等，嚴重影響了作物后期的生長。上述幾類扎穴機構均存在對作物造成機械損傷的問題[9-11]。

一種呈斜置形式的扎穴機構可減少作物的損傷率，雖然經過軟件優化得到了機構參數，通過高速攝像分析了扎穴軌跡隨著斜置角度的變化規律以及在入土與出土過程中噴肥針姿態變化對形成穴口寬度的影響機理。但在實際工作狀況下，針對扎穴機構斜置角度、機構轉速以及機構前進速度對降低作物損傷率以及得到理想穴距和斜入式較小穴口的多目標問題尚無研究。

因此，為進一步探索斜置角度、行星架轉速與前進速度3個工作參數及其之間的相互作用對指標的影響，本文進行機構的二次正交旋轉組合設計試驗，從整體和相互作用上來定量研究工作參數對多目標的影響。以期揭示參數對目標的影響機理，并通過分析軟件優化得到適合田間作業時的機構相應工作參數，為建立具有適應性和高效率的斜置式扎穴機構模型奠定理論基礎。

1 結構特點與工作原理

斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構如圖1所示。由于該機構具有對稱分布性，以單側結構進行闡述。斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構主要由7個不同的非規則齒輪、聯軸器、法蘭、外接板、行星架、搖臂、噴肥針等部分組成。

圖1 斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構結構示意圖Fig.1 Diagram of pricking hole mechanism with non-circular gears for diagonal1.聯軸器 2.法蘭 3.外接板 4.行星架 5.搖臂 6.噴肥針7.太陽輪 8.中間輪1 9.中間輪2 10.行星輪

鏈輪軸與太陽輪軸通過聯軸器進行連接，太陽輪軸穿過太陽輪并與行星架通過花鍵連接，外接板可根據其上的連接孔改變扎穴機構的斜置角度，法蘭與外接板固結。行星架里面的非規則齒輪初始安裝相位相同，太陽輪與行星架同軸，其他6個非規則齒輪在太陽輪兩邊呈對稱布置(太陽輪與法蘭固結)。第1中間輪和第2中間輪同軸且固結在一起，第1中間輪與太陽輪相互嚙合，第2中間輪與行星輪相互嚙合。搖臂與噴肥針組成的構件固結在行星輪上[12-16](噴肥針尾部固定在搖臂的一端)。

工作時，驅動力驅動鏈輪軸轉動并由聯軸器帶動太陽輪軸，行星架里面的太陽輪固定不動，當行星架轉動時行星輪繞太陽輪公轉并與第2中間輪嚙合自轉，此時第1中間輪與太陽輪嚙合，由于聯軸器以及外接板可改變噴肥針的扎穴角度且非規則齒輪能實現非勻速比傳動，最終形成噴肥針尖的斜入式運動軌跡，保證斜入式的扎穴要求[17-18]。

經前期研究，通過理論分析建立了該機構噴肥針的運動學模型以及形成這種扎穴軌跡的逆向設計思想[19-21]，經過軟件優化得到了相應的機構參數。但在不同工作參數下多目標影響規律尚未分析。理想的工作參數應是兼顧穴口小、作物損傷率小以及理想穴距的多目標優化。

2 機構工作參數試驗

2.1 試驗材料

為探索斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構行星架轉速、前進速度以及斜置角度對扎穴以及作物損傷的影響規律，得到其最佳工作參數，本研究在東北農業大學工程學院農具實驗室進行臺架試驗。依據中耕時期的土壤狀況要求，調整土壤硬度范圍為0.6～1.0 MPa，含水率為15%～25%。試驗作物為中耕時期玉米，品種為東農253，植株高115 cm，葉子外展96 cm，主根長10 cm，寬7 cm，葉數7～9葉。斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構試驗臺如圖2所示。

圖2 斜置式非規則齒輪行星輪系扎穴機構試驗臺Fig.2 Test-bed of non-circular planetary gear trains pricking hole mechanism for diagonal1.電動機a 2.電動機b 3.試驗臺車 4.扎穴機構 5.變頻柜6.玉米植株 7.壟

將玉米作物根據田間實際種植狀況栽到壟面上，壟行根據機構斜置角度在橫向與縱向可調，其目的為了滿足深施肥農藝要求的“側5 cm、深8 cm”，電動機a和電動機b均由變頻柜控制。電動機控制試驗臺車在土槽導軌上往復運動(扎穴機構前進速度)，電動機b通過鏈條傳動控制扎穴機構轉動(行星架轉速)。當電動機a和電動機b同步進行工作時，即合成了扎穴機構的絕對運動。

2.2 試驗方案設計

行星架轉速和前進速度是影響噴肥針扎穴的重要因素，同時斜置角度的變化對作物損傷有著重要的影響。因此選取行星架轉速、前進速度和斜置角度為試驗影響因素。根據農藝要求，穴口寬度越小越好，穴距為標準220 mm，作物的損傷株數與總株數的百分比作為作物損傷率(包括行星架部件打掉葉子和噴肥針扎葉、莖受到的不同程度損傷)。因此將穴口寬度、穴距與作物損傷率作為評價指標，選取二次回歸正交旋轉組合設計試驗方案。

2.3 試驗結果與分析

首先對扎穴機構行星架轉速、前進速度與斜置角度進行單因素預備試驗，以確定各因素合理的變化范圍，試驗因素編碼如表1所示。

根據二次回歸正交旋轉組合設計23組試驗，試驗方案與結果見表2。其中y1為穴口寬度，y2為穴距，y3為作物損傷率。

表1 試驗因素編碼

表2 試驗方案與結果

通過Design-Expert 8.0.10軟件對試驗數據進行回歸分析，篩選出顯著的影響因素，得到相應的回歸方程

響應曲面圖如圖3所示。

圖3 響應曲面Fig.3 Response surfaces

對上述回歸方程與響應曲面進行分析可知，行星架轉速與前進速度的交互作用對穴口、穴距以及作物損傷率影響顯著。如圖3a所示，當行星架轉速較小時，穴口寬度隨著前進速度的增加先減小后增大；當行星架轉速較大時，穴口寬度隨前進速度的增大先減小后增大；當前進速度較小時，穴口寬度隨著行星架轉速的增大而先減小后增大，當前進速度較大時，穴口寬度隨著行星架轉速的增加而減小。由上述規律分析可知，在噴肥針入出土過程中，其水平分速度與前進速度大小接近且方向相反時，穴口寬度能達到最小。如圖3b所示，當行星架轉速一定時，穴距隨著前進速度的增大而增大，當前進速度一定時，穴距隨著行星架轉速的提高而減小。如圖3c所示，當行星架轉速較小時，作物損傷率隨著前進速度的增大而先減小后增大，當行星架轉速較大時，作物損傷率隨著前進速度的增大而增大，當前進速度較小時，作物損傷率隨著行星架轉速提高而先減小后增大，當前進速度較大時，作物損傷率隨著行星架轉速的提高而增大。由上述規律可知，在行星架轉速與玉米作物接觸的過程中，當相對速度較小時，此時的玉米作物損傷率較小。

3 最佳工作參數試驗

為得到試驗因素的最優組合，應用Design-Expert 8.0.10的曲面優化功能對穴口寬度、穴距與作物損傷率進行優化。當行星架轉速75.0 r/min，

前進速度0.48 m/s、斜置角度23.3°時，扎穴機構性能最優，穴口寬度40.2 mm，穴距220 mm，作物損傷率0.33%。根據優化結果對其進一步進行臺架試驗驗證，得到穴口寬度41.5 mm，穴距220 mm，作物損傷率0.32%，驗證結果與Design-Expert 8.0.10優化結果基本一致，其誤差主要為試驗過程中土壤環境與理想狀態有一定的差距，但可滿足不損傷作物的扎穴要求。

4 結論

(1)采用二次回歸正交旋轉組合設計方案進行試驗安排，獲得了優化目標與3個因素之間的回歸方程以及因素之間交互作用的響應曲面，對其結果進行分析，得到因素對影響指標的變化規律為：①噴肥針在入出土過程中，其相對水平分速度與前進速度大小接近且方向相反時，穴口寬度最小。②在機組前進速度一定，行星架轉速增大時，穴距減??；在行星架轉速一定時，機組前進速度增大時，穴距增大。③在扎穴機構與玉米作物接觸的過程中，兩者相對速度較小時，作物的損傷率小。

(2)運用Design-Expert 8.0.10 軟件對回歸模型進行優化、驗證，在行星架轉速75.0 r/min、前進速度0.48 m/s、斜置角度23.3°時得到最優組合，此時穴口寬度40.2 mm，穴距220 mm，作物損傷率0.33%。

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Experiment and Optimization of Working Parameters for Pricking Hole Mechanism of Oblique Type Non-circular Gears Planetary System

WANG Jinwu1ZHOU Wenqi1WANG Jinfeng1ZHANG Chunfeng2JIANG Dongxuan1

(1.CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China2.BeijingResearchCenterforIntelligentAgriculturalEquipment,Beijing100097,China)

Deep-fertilization liquid fertilizer applicator with high efficiency, low price, easy operation and environment protection attracts more and more concerns, which can decrease fertilizer volatilization and increase crop yield and quality. Aiming to explore the influence mechanism that working parameters of pricking hole mechanism with crop damage rate，hole size and hole distance, a new type of non-circular gears planetary system of pricking hole mechanism for oblique type of liquid fertilizer applicator for deep-into type was designed. Through coupling part let pricking hole mechanism meet prick hole condition for oblique type, to make the trajectory of pricking hole mechanism side and ridge side reach the changes of different angles, it was achieved to prick hole for oblique type based on the above conditions. Kinematics model was set up, the influence relationship was obtained between the goals and working parameters. Test-bed experiment of working parameters was carried out. The design of quadratic regression rotational quadratic orthogonal experiment was used, with the speed of planet frame, the forward speed and oblique angle as the test factors, the hole mouth width, the hole distance and the rate of crop damage as the test optimization index. The optimization of response surface method was used. Experimental data was analyzed by Design-Expert software so as to establish the regression equation and obtain the diagram of response surface. Test results showed that when the speed of planet frame was 75.0 r/min, the forward speed was 0.48 m/s and the oblique angle was 23.3°, the hole mouth width was 40.2 mm, hole distance was 220 mm and rate of crop damage was 0.33%, the performance of mechanism was optimal under above conditions. The test was verified by applying these parameters to validate its rationality.

liquid fertilizer applicator for deep-into type； pricking hole mechanism； pricking hole for oblique type； non-circular gear； optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.008

2016-09-06

2016-09-30

國家自然科學基金項目(51675093)和東北農業大學青年才俊項目(14QC34)

王金武(1968—)，男，教授，博士生導師，主要從事田間機械及機械可靠性研究，E-mail: jinwuw@163.com

王金峰(1981—)，男，副教授，主要從事田間機械研究，E-mail: jinfengw@126.com

S224.21

A

1000-1298(2017)06-0066-05