牛蒡自動播種機的研制

謝炳光，湯華飛，馬俊生，劉　碩

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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牛蒡自動播種機的研制

謝炳光，湯華飛，馬俊生，劉碩

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：現(xiàn)階段，我國主要采用人工播種牛蒡，存在諸多問題。為此，在現(xiàn)有牛蒡種植方法的基礎(chǔ)上，研制了一種牛蒡自動播種機，由鉛蓄電池、電動機、動力傳動部分、行走機構(gòu)、篩種機構(gòu)和播種機構(gòu)等組成。行走機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在田地壟上自動行走，篩種機構(gòu)能按照一定的距離篩出種子且每次僅篩出1粒種子，播種機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動播種牛蒡。試驗結(jié)果表明：該播種機播種成功率達90%以上，且能耗較低，可以廣泛應(yīng)用于牛蒡機械化種植。

關(guān)鍵詞：牛蒡；自動播種機；篩種機構(gòu)；播種機構(gòu)

0引言

牛蒡(Arctium lappa L.)亦稱東洋參、牛鞭菜，為菊科牛蒡?qū)俣晟荼局参?。牛蒡?1～2m，根粗壯，直根系，莖直立，帶紫色，上部多分枝；基生葉大形，莖生葉廣卵形或心形，葉上表面無毛，下表面密被灰白短柔毛，基部心形；瘦果橢圓形，具棱，表面灰褐色，冠毛短剛毛狀[1]。牛蒡分布于北美、歐洲、亞洲等地，后經(jīng)人工培育形成多個品種。我國在 20 世紀 80 年代從日本引進牛蒡，現(xiàn)已在山東、江蘇、安徽、黑龍江等地大面積種植。牛蒡根、莖葉、果實(牛蒡子)均可供藥用。牛蒡子是一種傳統(tǒng)中藥,味辛、苦、寒,歸肺、胃二經(jīng),具疏散風熱、宣肺透疹、消腫解毒之功效;用于風熱感冒、咳嗽痰多、咽喉腫痛、斑疹不透、風疹作癢及癰腫瘡毒等癥。牛蒡葉多作外用,有明顯的消炎、解毒、鎮(zhèn)痛作用。牛蒡根在日本和歐洲作為蔬菜上市[2]。

我國是農(nóng)業(yè)大國，擁有較為成熟的種植技術(shù)，但在實際生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機械化程度較低。目前，我國農(nóng)民主要采用人工種植牛蒡。種植牛蒡要選擇土壤肥沃、質(zhì)地疏松、排水良好、pH6.5～7.5的砂壤土栽培[3]。種植時，挖出一定寬度深1.2～1.5m的種植溝，再把土壤拌肥回填形成種植帶[4]；并按行距70～80cm、壟距25cm、壟高15cm在挖好的種植帶上起壟播種[3]。這種傳統(tǒng)種植方式勞動強度大，種植面積小。然而，因種植牛蒡收入高，農(nóng)民刻意擴大種植面積，這與勞動力不足形成矛盾。目前，市場上已經(jīng)存在螺旋式深松犁降低了開挖種植帶的勞動強度，但農(nóng)民依舊采用手工播種，生產(chǎn)力仍然有提高的空間。

為此，本文研制了一種自動牛蒡自動播種機，能夠?qū)崿F(xiàn)播種不同長度、不同品種的牛蒡種子，且可自動篩選出一顆種并自動播種，播種成功率達到90%以上。

1整機結(jié)構(gòu)及工作原理

牛蒡自動播種機主要由鉛蓄電池、電動機、動力傳動部分、行走機構(gòu)、篩種機構(gòu)和播種機構(gòu)等組成，如圖1所示。傳動部分由皮帶輪1、皮帶1、皮帶輪2將電動機提供的動力傳遞至傳動軸1，如圖2所示。

1.皮帶輪1　2.皮帶1　3.皮帶輪2　4.主動輪

1.皮帶輪4　2.齒輪組　3.傳動軸3　4.皮帶2　5.皮帶輪3

傳動軸1一方面帶動主動輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)牛蒡自動播種機的行走；另一方面帶動皮帶輪3，通過皮帶2、皮帶輪4、傳動軸2、齒輪組將動力傳遞給傳動軸3；傳動軸3帶動篩種器轉(zhuǎn)動實現(xiàn)牛蒡種子篩選。

2關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1動力傳動部分

動力傳動部分如圖1和圖2所示，由鉛蓄電池提供電能驅(qū)使電動機工作。皮帶輪1位于電動機轉(zhuǎn)軸上，通過皮帶1與皮帶輪2連接；皮帶輪2、皮帶輪3分別位于傳動軸1的兩端，主動輪位于傳動軸1的中間位置；皮帶輪3與皮帶輪4通過皮帶2連接，皮帶輪4位于傳動軸2的外伸端；傳動軸2通過軸承安裝在機架上；篩種器位于傳動軸3上，傳動軸2與傳動軸3通過齒輪組連接。如圖3所示，齒輪組共有3個齒輪：齒輪1位于傳動軸2上，齒輪2位于軸1上，齒輪3位于傳動軸3上。齒輪1、齒輪2、齒輪3依次嚙合且處于同一直線上，通過皮帶輪1、皮帶1、皮帶輪2將電動機提供的動力傳遞給傳動軸1。傳動軸1一方面帶動主動輪轉(zhuǎn)動給行走機構(gòu)提供動力，另一方面通過皮帶輪3、皮帶2、皮帶輪4、傳動軸2、齒輪組將動力傳遞給傳動軸3，傳動軸3帶動篩種器轉(zhuǎn)動使篩種機構(gòu)工作?？紤]到該機構(gòu)用于農(nóng)田環(huán)境不宜采用電線接固定電源供電，故采用鉛蓄電池。該播種機工作時可能會有泥沙飛濺進入傳動機構(gòu)，若采用鏈條傳動，泥沙粘連在鏈條與鏈輪上會阻礙機構(gòu)工作甚至損壞部件，而利用皮帶的彈力可以很好地解決這一問題，且皮帶較之鏈條更易更換。采用齒輪組替代一對齒輪傳動的目的在于便于布局使結(jié)構(gòu)更加合理、緊湊，一對齒輪傳動時齒輪半徑較大，齒輪會于其他零件接觸甚至重合。該設(shè)計能夠在滿足動力要求的前提下節(jié)省空間，降低成本。

2.2行走機構(gòu)

行走機構(gòu)如圖4所示。主動輪、從動輪分別通過傳動軸1、軸2與機架相連，扶手通過伸縮桿連接在機架靠近從動輪端。通過調(diào)節(jié)伸縮桿改變扶手高度以適應(yīng)不同操作人員的不同身高。由動力傳動部分將動力傳遞給傳動軸1，傳動軸1帶動主動輪轉(zhuǎn)動實現(xiàn)自動播種機行走，通過操作人員手扶扶手保持平衡。當需要轉(zhuǎn)換方向時，將扶手向下壓，以從動輪為支點，利用杠桿原理使主動輪離開地面停止行走；轉(zhuǎn)動扶手使自動播種機轉(zhuǎn)換方向，抬高扶手后自動播種機繼續(xù)行走。主動輪與從動輪采用輻板式以減輕質(zhì)量，且輪面設(shè)有凸輪，用于增強輪面與土壤間摩擦。行走機構(gòu)可實現(xiàn)單方向自動行走及人工換向。

1.齒輪1　2.齒輪2　3.齒輪3　4.機架　5.軸3

1.扶手　2.伸縮桿　3.從動輪　4.皮帶輪2

2.3篩種機構(gòu)

篩種機構(gòu)如圖5所示。平臺通過軸1、軸3、軸4連接在機架上，種子收納盒固定在平臺上。種子收納盒與漏斗類似，擁有一個大口端和一個小口端，牛蒡種子從大口端放入從小口端篩出。篩種器位于小口端內(nèi)部與種子收納盒內(nèi)壁存在間隙。種子收納盒內(nèi)壁靠近篩種器處粘有毛刷，其目的是填補間隙使牛蒡種子不會掉落，且不影響篩種器轉(zhuǎn)動。種子收納盒與篩種器均位于傳動軸3上。如圖6所示，篩種器為一圓柱體，在圓柱體側(cè)面均勻開有槽，槽型為四棱臺，靠近軸線一側(cè)為棱臺的小底面。使用前，將牛蒡種子從大口端放入，種子由于篩種器及毛刷阻擋不能進入小口端。工作時，動力傳動部分將動力傳遞給傳動軸3，傳動軸3帶動篩種器轉(zhuǎn)動；牛蒡種子由于重力作用進入到篩種器的槽中，被篩種器由大口端帶入小口端，因重力作用落下實現(xiàn)篩種。篩種器的槽深1～2mm，使得僅有1粒種子可以落入槽內(nèi)進入小口端，而其余種子由于毛刷的阻礙無法進入小口端，防止發(fā)生“一坑多種”的現(xiàn)象。槽型采用四棱臺原因：一是種子收納盒內(nèi)的種子排列雜亂無章，并非所有種子均與篩種器的軸線垂直，多數(shù)種子與篩種器的軸線垂直成一定角度。四棱臺底面面積大，增加種子落入機會，減少因未篩出種子而造成的斷壟現(xiàn)象。二是種子與篩種器槽的內(nèi)壁接觸存在摩擦，阻礙種子掉落至小口端。采用四棱臺將減少種子與篩種器的接觸，增加掉落機會，減少斷壟現(xiàn)象。

1.機架　2.平臺　3.軸3　4.軸4　5.傳動軸3

圖6　牛蒡自動播種機的篩種器示意圖

2.4播種機構(gòu)

播種機構(gòu)如圖7所示。分土犁通過連桿1連接在平臺上，俯視時分土犁呈“凸”字形，前窄后寬，前部底端有尖頭，后部中空。合土犁通過連桿2連接在分土犁后部，合土犁形狀與鋤頭類似。其中，分土犁寬度為4cm，深入土中深度為10cm。工作時，分土犁的尖頭伸入土壤中，由于行走機構(gòu)的動力作用使分土犁前進，在土壤上留下一道溝壑；此時，篩種機構(gòu)篩出的種子從分土犁后部中空處落下，落到溝壑中；隨后，合土犁前進，將溝壑抹平，完成播種。

1.連桿2　2.合土犁　3.分土犁　4.平臺　5.連桿1

3性能試驗結(jié)果與分析

3.1試驗基本條件

性能試驗在廣西壯族自治區(qū)南寧市廣西大學大學試驗田內(nèi)進行。該試驗田年平均降水量1 400mm左右，土壤pH7.0左右。試驗田地挖出寬0.3m、深1.4m的種植溝，再把土壤拌肥回填形成種植帶；最后，按壟距25cm、壟高15cm在挖好的種植帶上起壟。

牛蒡自動播種機的電動機采用110SZ10H5型號，其額定功率為36W，同步轉(zhuǎn)速n=500r/min。選用日本進口柳川理想牛蒡種子及徐州優(yōu)質(zhì)牛蒡種子作為牛蒡自動播種機的性能試驗材料。

3.2試驗播種要求

該牛蒡自動播種機能夠播種不同品種不同長度的牛蒡種子，以行距70cm在土壤上播種(既每兩個播種位置之間的距離為70cm)，盡量減少某一位置沒有播種牛蒡種子及某一位置播種多顆牛蒡種子的情況發(fā)生。播種要求實現(xiàn)成功播種位置數(shù)占總播種數(shù)的90%。所選的牛蒡種子的長度為0.6cm～0.8cm，共進行5次不同地區(qū)播種試驗，播種試驗進行3次，每次播種100個位置，最后結(jié)果取平均值。

3.3試驗結(jié)果

該牛蒡自動播種機試驗結(jié)果如表1所示。

表1　牛蒡自動播種機性能試驗結(jié)果

3.3.1種深度及溝寬

表1中，溝深的平均值為9.96cm，溝寬的平均值為6.18cm。參考分土犁的各項參數(shù)，溝寬比分土犁較寬。其原因是：牛蒡自動播種機在工作過程中產(chǎn)生震動使得分土犁產(chǎn)生水平位移導致溝寬變寬；但此時溝寬仍在合理范圍之內(nèi)。

3.3.2機具通過性

本次試驗牛蒡播種機分別在5處不同質(zhì)地土壤上播種，行走距離共計約350m，未發(fā)生機構(gòu)無法前進或篩種機構(gòu)堵塞等不良現(xiàn)象，具有良好的通過性。

4結(jié)論

1)該牛蒡自動播種機能夠通過電動機提供動力，將動力傳遞給主動輪實現(xiàn)單向自動先走，且通過下壓扶手可實現(xiàn)人工轉(zhuǎn)換自動播種機行走方向。

2)將牛蒡種子放入種子收納盒的大口端，種子在重力及自動播種機的工作震動作用下通過篩種器篩種，每次篩種僅篩出1顆種子。其能夠播種不同長度及品種的牛蒡種子，可以實現(xiàn)每次播1顆種子，發(fā)生“斷壟”及“一坑多種”的情況。

3)分土犁與合土犁配合完成播種工作，播種后種子完全被土壤覆蓋，沒有裸露在地表，符合種植要求。

4)根據(jù)測定的播種率，計算播種過程的能耗，即成功播種每一位置所需的能量。結(jié)果表明：該牛蒡自動播種機所需的能耗較低、結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良、提高了生產(chǎn)力，可適用于大中小規(guī)模的牛蒡種植。

參考文獻：

[1]Zheng Y F，Peng G P. The study development of the chemical of Arctium lappa L.[J].時珍國醫(yī)國藥，2005,16(2)：153-155.

[2]徐傳芬.牛蒡的研究現(xiàn)狀[J].天然產(chǎn)物研究與開發(fā)，2005,17(6)：818-821.

[3]杜韌強，康爾艷，李良玉. 牛蒡種植新技術(shù)[J].新農(nóng)業(yè)，1997(11)：13-14.

[4]梁德建.在牛蒡種植中推廣機械化深松技術(shù)[J].中國農(nóng)機化，1995(6)：26.

Design of the Walk-behind Burdock Automatic Planter

Xie Bingguang， Tang Huafei， Ma Junsheng， Liu Shuo

(School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Abstract：On the basis of existing burdock cultivation methods, this paper presents a burdock automatic planter, by lead-acid batteries, electric motors, power transmission parts, travel agencies, institutions and sowing seed screening mechanism and other components. Travel agencies can achieve ridge walk on the field, the screen according to certain kinds of institutions to screen out the seeds and each distance only weed out the seed, planting organizations can realize automatic seeding burdock. The test results show that the planter over 90% success rate, and low energy consumption.

Key words：burdock; automatic planter; screen kinds agencies; sowing the election agency

文章編號：1003-188X(2016)04-0122-04

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

作者簡介：謝炳光(1963-)，男，南寧人，工程師。通訊作者：湯華飛(1993-)，男(滿族)，山東文登人，本科學生，(E-mail)kylin2020@163.com。

基金項目：廣西大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(141059301)

收稿日期：2015-03-23