牽引式大蒜播種機(jī)的設(shè)計(jì)

文恩楊,吳彥強(qiáng),李天華,侯加林

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東 泰安 271018;2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018)

0 引言

大蒜既是我國(guó)重要的蔬菜作物和經(jīng)濟(jì)作物,也是食品加工、醫(yī)藥工業(yè)、化妝品制作、飲料配制及無(wú)公害生產(chǎn)方面的重要原料,還是我國(guó)重要的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品。全國(guó)大蒜種植面積40萬(wàn)hm2多,產(chǎn)量約占全球產(chǎn)量的70%以上,新鮮大蒜年出口量約占全球大蒜貿(mào)易量的80%。目前,我國(guó)大蒜幾乎全為人工種植,面臨著勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工成本高及播種效率低等問(wèn)題。因此,大蒜種植迫切需要機(jī)械化作業(yè),減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1-3]。

大蒜的單粒取種和鱗芽朝上是大蒜播種機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在,雖然國(guó)內(nèi)部分廠家對(duì)此項(xiàng)的研制與生產(chǎn),取得了一定進(jìn)展,但仍存在不少設(shè)計(jì)和制造的問(wèn)題,大蒜定向種植(鱗芽朝上直立栽種)仍然是公認(rèn)的機(jī)械播種難題。國(guó)外代表機(jī)型(如韓國(guó)生產(chǎn)的YD1500型大蒜播種機(jī)、荷蘭Dutch valley公司的12行大蒜播種機(jī))結(jié)構(gòu)精巧,但其結(jié)構(gòu)龐大、價(jià)格昂貴,無(wú)法在我國(guó)大面積推廣[4]。國(guó)內(nèi)農(nóng)村土地主要是小塊分包到戶(hù),一家一戶(hù)安排各自的種植,大蒜的種植基本上靠手工實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)雖然已有全自動(dòng)大蒜種植技術(shù),但是蒜瓣豎直向上種植卻沒(méi)有保證,影響大蒜的播種質(zhì)量,且機(jī)構(gòu)復(fù)雜龐大,推廣難度很大[5-6]。

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)大蒜種植機(jī)械存在的問(wèn)題,參照國(guó)外先進(jìn)機(jī)型,筆者研制了牽引式大蒜播種機(jī)。其種植株距和播種深度穩(wěn)定,有效改善了現(xiàn)有技術(shù)存在的鱗芽向上率低、重播、漏播等問(wèn)題,且機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以節(jié)省人力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。該機(jī)對(duì)不同土壤、不同種植模式適應(yīng)性強(qiáng),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高效、精準(zhǔn)作業(yè)。同時(shí),對(duì)該機(jī)進(jìn)行了田間播種試驗(yàn),并對(duì)播種機(jī)各項(xiàng)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 整體方案設(shè)計(jì)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的大蒜播種機(jī)采用彈簧扶正的調(diào)頭方式與鴨嘴式插播的播種方式,能夠一次性完成開(kāi)溝、取種、扶正及插播等工序,滿(mǎn)足大蒜的種植要求。該機(jī)主要由播種機(jī)架、動(dòng)力系統(tǒng)、種箱、提種機(jī)構(gòu)、氣壓提升系統(tǒng)、彈簧扶正機(jī)構(gòu)、鴨嘴式插播器及開(kāi)溝器等組成,如圖1所示。

1.2 工作原理

機(jī)組工作時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)機(jī)組前進(jìn),雙圓盤(pán)開(kāi)溝器在牽引力作用下,其圓盤(pán)外表面對(duì)土壤有擠壓作用,開(kāi)出一定深度的種溝,引導(dǎo)蒜種落入;在鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下,提種機(jī)構(gòu)鏈條帶動(dòng)提種爪工作,提種爪從種箱內(nèi)抓取蒜種,在向上輸運(yùn)的過(guò)程中,只留下一粒種子,實(shí)現(xiàn)單粒取種;蒜種通過(guò)輸送管道進(jìn)入扶正彈簧內(nèi),在彈簧作用下,實(shí)現(xiàn)蒜種鱗芽向上的扶正工作;鴨嘴式插播器與扶正彈簧末端相連,插播器將扶正后的彈簧插播到開(kāi)溝器開(kāi)好的種溝內(nèi),最終完成大蒜的播種工作。大蒜的扶正與插播工作由氣壓提升系統(tǒng)控制,保證其工作的同步性,可實(shí)現(xiàn)大蒜播種機(jī)的連續(xù)性工作。

1.貯氣筒 2.氣壓表 3.氣壓泵 4.濾清器 5.播種機(jī)架 6.提種機(jī)構(gòu) 7.種箱 8.扶正機(jī)構(gòu) 9.插播器 10.清土犁 11.開(kāi)溝圓盤(pán)圖1 大蒜播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The Structure of the garlic sowing machine

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

按照大蒜的種植模式與農(nóng)藝要求,確定本機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 牽引式大蒜播種機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameter of the garlic sowing machine

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 種箱的設(shè)計(jì)

2.1.1 種箱的設(shè)計(jì)要求

1)種箱材料應(yīng)具有足夠的剛度,堅(jiān)固耐用,種箱內(nèi)外表面應(yīng)涂有油漆。

2)播種機(jī)種箱不宜過(guò)大,否則播種機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)龐大,致使機(jī)組牽引阻力增加,能耗增大;同時(shí),種箱容積必須保證足夠的蒜種數(shù)量,避免頻繁加種,保證播種機(jī)工作效率。

3)種箱外形設(shè)計(jì)必須便于提種爪取種,經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得蒜種休止角為30°,種箱底板的傾斜角應(yīng)大于蒜種休止角,該機(jī)取種箱底板傾斜角為35°,保證蒜種順利流入種箱底部,便于提種爪取種。

2.1.2 種箱容積的設(shè)計(jì)

根據(jù)大蒜的種植要求,種箱的容量應(yīng)滿(mǎn)足一定播種行程的需要,主要由播種的工作幅寬、播種行程、播種量和蒜種容重決定。播種行程定義為一個(gè)往返行程,即地塊長(zhǎng)度的2倍?？紤]到蒜種間隙比較大,在設(shè)計(jì)容積時(shí)應(yīng)留有10%的余量。

種箱容積計(jì)算公式為

式中B—工作幅寬(m),此處取B=1.1m;

L—播種行程(m),此處取L=600m;

Nmax—單位面積的最大播種量(kg/hm2),根據(jù)農(nóng)藝要求,此處取Nmax=1 125kg/hm2;

γ—蒜種容重(kg/L),根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,大蒜種子的容重γ=0.94kg/L。

計(jì)算得：V=81.675L。實(shí)際應(yīng)用中,種箱容積要比設(shè)計(jì)數(shù)值稍大,因此取種箱容積為85L。

2.2 開(kāi)溝器的設(shè)計(jì)

雙圓盤(pán)開(kāi)溝器主要由開(kāi)溝圓盤(pán)、支撐板、清土犁和彎轉(zhuǎn)軸組成,如圖2所示。工作時(shí),開(kāi)溝圓盤(pán)向前滾動(dòng),實(shí)現(xiàn)播種機(jī)開(kāi)溝作業(yè)。通過(guò)調(diào)節(jié)輪支撐板,可以實(shí)現(xiàn)入土深度在20～80mm范圍內(nèi)的調(diào)整。通常情況下,圓盤(pán)直徑取130mm。圓盤(pán)夾角的設(shè)計(jì)需既能保證種溝的寬度,降低工作阻力,又能保證容納清土犁所需的空間,本文圓盤(pán)夾角取14°。為減少開(kāi)溝阻力,保證入土能力,本設(shè)計(jì)取入土角為45°,開(kāi)溝寬度為50mm。清土犁可以保證開(kāi)溝質(zhì)量,為大蒜插播提供良好的工作環(huán)境。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,破土能力強(qiáng),成溝質(zhì)量高,適應(yīng)性好[7]。

2.3 提種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

根據(jù)大蒜種植單粒播種的農(nóng)藝要求,優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種蒜種提取機(jī)構(gòu),如圖3所示。

1.彎轉(zhuǎn)軸 2.固定板 3.輪支撐板 4.開(kāi)溝圓盤(pán) 5.清土犁圖2 雙圓盤(pán)開(kāi)溝器Fig.2 The double-disc opener

1.提種擋板 2.鏈輪 3.鏈條 4.提種爪 5.柵板圖3 提種機(jī)構(gòu)Fig.3 The seed raising mechanism

該機(jī)構(gòu)由曲線棚板、鏈輪鏈條及獨(dú)特的一長(zhǎng)兩短的提種爪等組成,如圖4所示。提種爪通過(guò)提種爪底座固定在鏈條上,鏈輪帶動(dòng)提種爪旋轉(zhuǎn),在種箱槽底提種爪伸出其最大的長(zhǎng)度,便于抓住更多的種子。提種爪在鏈條的作用下,逐漸上升,提種爪伸出的部分逐漸變短,此時(shí)在提種爪上多余的種子逐漸掉落;當(dāng)提種爪走到棚板斜面與圓弧切點(diǎn)時(shí),提種爪凸出的部分最短,此時(shí)由提種爪中間的芯爪和棚板作用,抓住其中一個(gè)蒜種,多余的蒜種從兩側(cè)較短的側(cè)爪滑落。此系統(tǒng)可以解決重播與傷種問(wèn)題,且單粒取種率達(dá)到90%以上。

1.提種爪底座 2.側(cè)爪 3.芯爪圖4 提種爪機(jī)構(gòu)Fig.4 The seed raising claw mechanism

2.3.2 參數(shù)設(shè)計(jì)

按照大蒜播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求和參考相關(guān)文獻(xiàn)資料,確定了提種機(jī)構(gòu)的各主要參數(shù)。

1)提種工作高度H。提種工作高度不宜過(guò)大,否則會(huì)增加提種距離,延長(zhǎng)插播周期,從而降低播種機(jī)作業(yè)效率;提種工作高度亦不宜過(guò)短,如果太短,提種爪作業(yè)面未減少充分,達(dá)不到單粒取種的效果。所以,提種工作高度應(yīng)根據(jù)作業(yè)效率選擇合適的數(shù)值,本文設(shè)計(jì)的大蒜播種機(jī)提種工作高度為H=350mm。

2)提種爪初始長(zhǎng)度L0、提種柵板斜度θ與鏈輪轉(zhuǎn)速n。蒜種的單粒取種效果與提種爪的有效工作長(zhǎng)度有關(guān),當(dāng)提種爪的有效工作長(zhǎng)度達(dá)到一定范圍時(shí),提種爪在柵板外的空間只能容納一粒種子,實(shí)現(xiàn)單粒取種。提種爪的有效工作長(zhǎng)度由提種爪初始長(zhǎng)度L0、提種柵板斜度θ與鏈輪轉(zhuǎn)速n決定,通過(guò)對(duì)提種爪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,最終確定提種爪各參數(shù),提種爪運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖5所示。提種爪有效工作長(zhǎng)度S隨時(shí)間T變化的關(guān)系式為

S=L0-πndTtanθ

式中L0—提種爪初始長(zhǎng)度(mm);

n—鏈輪轉(zhuǎn)速(r/min);

d—鏈輪直徑(mm),此處選取d=60mm;

θ—提種柵板斜度(°)。

為保證提種爪能實(shí)現(xiàn)單粒取種,經(jīng)實(shí)驗(yàn)計(jì)算,選取提種爪初始長(zhǎng)度L0=55mm,提種柵板斜度θ=5°,鏈輪轉(zhuǎn)速n=50r/min。

圖5 提種爪運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.5 The movement schematic diagram of seed raising claw

2.4 扶正機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

扶正機(jī)構(gòu)主要部件為大螺距彈簧,由彈簧與底座組成(見(jiàn)圖6),主要完成蒜種下落過(guò)程中的扶正工作,最終得到鱗芽朝上的蒜種。工作原理：在大蒜以鱗芽向左或向右進(jìn)入扶正器后,蒜尖肯定會(huì)進(jìn)入左側(cè)或右側(cè)的空隙中,此時(shí)由于大蒜的重力和加速度的作用,使得蒜瓣變向、鱗芽向上;當(dāng)蒜尖以朝下的方式進(jìn)入扶正系統(tǒng)后,大蒜下行到掉頭區(qū)時(shí),蒜尖會(huì)進(jìn)入強(qiáng)行調(diào)頭區(qū)的縫隙中,此時(shí)大蒜在重力和加速度的作用下強(qiáng)行調(diào)向蒜尖朝上進(jìn)入插播器內(nèi),最終保持住朝向。為確保蒜種得到有效的扶正效果,彈簧采用高碳鋼材料,彈簧原長(zhǎng)為200mm,直徑為50mm,工作時(shí)彈簧螺距為6mm,扶正行程為320mm。

1.扶正彈簧 2.彈簧底座圖6 扶正彈簧Fig.6 The centralizer spring

2.5 插播器的設(shè)計(jì)

插播器采用錐度鴨嘴的型式,由固定鴨嘴、活動(dòng)錐度鴨嘴組成,如圖7所示。播種機(jī)作業(yè)時(shí),鴨嘴式插播器垂直向下運(yùn)動(dòng),此時(shí)蒜種已經(jīng)從扶正彈簧中落入鴨嘴內(nèi);當(dāng)插播器入土達(dá)到一定深度時(shí),氣壓控制系統(tǒng)會(huì)控制活動(dòng)鴨嘴打開(kāi),鴨嘴內(nèi)的蒜種落入種溝內(nèi)。

1.固定鴨嘴 2.活動(dòng)錐度鴨嘴圖7 鴨嘴式插播器Fig.7 The duck bill type interplanter

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)基本條件及方法

該大蒜播種機(jī)的田間試驗(yàn)在山東省臨沂市臨沭縣大蒜生產(chǎn)機(jī)械化作業(yè)試驗(yàn)示范基地進(jìn)行。試驗(yàn)用大蒜品種為蒼山大蒜。試驗(yàn)田地表平整,坡角不大于5°,土壤為沙壤土,試驗(yàn)當(dāng)日田內(nèi)土壤濕度率為35%,空氣溫度為15℃。

為排除試驗(yàn)偶然性,取蒜種400粒,在同等條件下進(jìn)行5次試驗(yàn),記錄試驗(yàn)數(shù)值并計(jì)算鱗芽朝上率、重播率、漏播率及播種深度合格率,統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的平均值并作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本播種機(jī)田間性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

田間樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：該大蒜播種機(jī)鱗芽朝上率、重播率、漏播率及播種深度合格率重要指標(biāo)均符合大蒜種植要求,尤其在大蒜特殊種植工藝鱗芽朝上方面,其成功率達(dá)到90%以上,表明該機(jī)調(diào)頭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)大蒜鱗芽朝上直立播種。

表2 牽引式大蒜播種機(jī)田間性能試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)過(guò)程中,機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),工作安全可靠,性能良好,能夠滿(mǎn)足農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的要求。

4 結(jié)論

1)在大蒜播種機(jī)械化技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)主要工作部件進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化,設(shè)計(jì)了一種大蒜播種機(jī),可以一次性完成開(kāi)溝、取種、扶正及插播等工序。

2)整機(jī)工作安全可靠,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)性作業(yè),運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),鱗芽朝上率高,工作性能穩(wěn)定。

3)采用電、氣一體化技術(shù),提高了機(jī)器的自動(dòng)化水平,工作效率高,能有效減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,促進(jìn)我國(guó)大蒜產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的可持續(xù)性發(fā)展。