電控錐盤式蔬菜播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王方艷 孫光全 張 欽

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 青島 266109)

0 引言

蔬菜播種作業(yè)不僅人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、播種精度控制難，而且耗時(shí)費(fèi)工、勞動(dòng)成本高，因此迫切需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化播種[1]。蔬菜播種機(jī)主要包括機(jī)械式和氣力式兩種[2]。通常采用種子丸?；夹g(shù)來規(guī)范種子尺寸，從而保證機(jī)械化播種過程中的充種、攜種和排種精度及準(zhǔn)確性；采用種繩編織方法保證機(jī)械化播種株距，從而解決種子形狀不規(guī)則及質(zhì)量小、機(jī)械化播種效果不穩(wěn)定的問題；采用氣力播種技術(shù)適應(yīng)種子外形及尺寸，從而提高單粒播種精度及播種適應(yīng)性。但丸粒化技術(shù)和種繩編織方法都增加了蔬菜的制種成本，氣力播種技術(shù)增大了播種機(jī)的制造成本。因此，降低播種成本、提高播種質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)蔬菜機(jī)械化播種的關(guān)鍵。研究蔬菜精密播種技術(shù)及研發(fā)裸種播種設(shè)備對推動(dòng)蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)具有重要意義。

國外對蔬菜播種技術(shù)及裝備的研究起步較早，其自動(dòng)化、智能化水平較高[3]。歐美發(fā)達(dá)國家以適于大田作業(yè)的氣力式播種設(shè)備為主，其配套動(dòng)力大、銷售價(jià)格高，可實(shí)現(xiàn)開溝、播種、覆土、施肥等多種功能，且通過更換播種盤可適應(yīng)不同的蔬菜種子，如馬斯奇奧的氣力式播種機(jī)。日韓以中小型動(dòng)力配套的機(jī)械式播種機(jī)為主，其整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，多適于種子丸粒后的播種，如矢崎SYV-M600W蔬菜播種機(jī)，但窩眼輪式排種器型孔較小，易被灰塵及雜質(zhì)堵塞。國外播種機(jī)具價(jià)格高、播種成本高，并未在我國大面積推廣應(yīng)用。我國對蔬菜播種技術(shù)及裝備的研究起步較晚，在引進(jìn)消化國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了多種中小型蔬菜播種設(shè)備，但播種理論及技術(shù)不夠成熟，播種設(shè)備的性能及通用性還有待提高[4]。德易播農(nóng)機(jī)公司生產(chǎn)的DB系列蔬菜播種機(jī)采用尼龍窩眼輪式排種器，具有良好的通用性，但存在窩眼堵塞、種子破碎及易漏播的問題，不適于高速工況[5-6]。青島大順精鋒公司研發(fā)的DS-3S型精量播種機(jī)采用種繩播種機(jī)構(gòu)，其作業(yè)速度可達(dá)8.3 km/h，播種效率高，但需提前對種子進(jìn)行包衣、纏繩，成本相對較高，且需播種后澆水，播種精度由纏繩種子間距決定[7]。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的氣力式蔬菜精量播種機(jī)通過更換排種盤來適應(yīng)不同蔬菜種子的播種要求，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種盤從而調(diào)整播種株距，但價(jià)格高于機(jī)械式播種機(jī)。目前，我國蔬菜播種機(jī)研究已取得一定進(jìn)展，但多樣的種植條件及種子特性對蔬菜小株距、淺播深的精密播種提出了更高的要求。為此本文提出電控錐盤式蔬菜播種機(jī)，以期實(shí)現(xiàn)白菜、菠菜等裸種的低成本、精密、高效播種。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

電控錐盤式蔬菜播種機(jī)由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，采用手扶導(dǎo)向前進(jìn)的工作方式，主要由鎮(zhèn)壓輪、開溝覆土器、地輪、旋轉(zhuǎn)編碼器、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、機(jī)架、排種管、錐盤排種器、直流電機(jī)、供種器、扶手、機(jī)架、閉環(huán)控制系統(tǒng)等組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

作業(yè)時(shí)，根據(jù)蔬菜種子的播種要求，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中設(shè)置株距。旋轉(zhuǎn)編碼器分別檢測前輪動(dòng)力輸入軸與排種軸的轉(zhuǎn)速，并反饋至閉環(huán)控制系統(tǒng)。針對不同前進(jìn)速度，閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)供種器轉(zhuǎn)速及錐盤排種器轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)速度與排種速度匹配，實(shí)現(xiàn)播種精度控制。播種時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)前輪前進(jìn)，操作人員輔助導(dǎo)向，并控制前進(jìn)速度。直流電機(jī)為供種器及錐盤排種器的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。種子由供種器連續(xù)落入錐盤排種器，沿著錐盤面均勻散落至錐盤的種環(huán)槽內(nèi)，伴隨錐盤的轉(zhuǎn)動(dòng)被推種器推入排種管內(nèi)，然后經(jīng)排種管掉落到滑刀開溝器開好的種溝內(nèi)，完成播種過程。該機(jī)可以更換不同型孔尺寸的排種盤，實(shí)現(xiàn)多種蔬菜的播種作業(yè)。整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters

2 傳動(dòng)及控制系統(tǒng)

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為機(jī)具的前進(jìn)提供動(dòng)力，直流電機(jī)為供種器及錐盤排種器的轉(zhuǎn)動(dòng)提供動(dòng)力。其中，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過帶傳動(dòng)、減速器、鏈傳動(dòng)后，帶動(dòng)機(jī)具前進(jìn)。直流電機(jī)一路動(dòng)力經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)供種器轉(zhuǎn)動(dòng)，另一路動(dòng)力經(jīng)錐齒輪轉(zhuǎn)向帶動(dòng)錐盤排種器轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

該機(jī)行駛動(dòng)力消耗主要包括行走功率和開溝功率。其中，行走功率P1和開溝功率P2滿足[8-9]

(1)

P2=Fvm/1 000

(2)

式中f——滾動(dòng)阻力系數(shù)

m——機(jī)具質(zhì)量，kg

η1——傳動(dòng)效率

F——開溝阻力，N

g——重力加速度，m/s2

vm——機(jī)具前進(jìn)速度,m/s

通常滾動(dòng)阻力系數(shù)f為0.085～0.17，傳動(dòng)效率η1為0.8～0.9，單個(gè)滑刀開溝器工作阻力為200～400 N[10]，人步行速度為1.6～2.5 km/h，機(jī)具質(zhì)量約200 kg。取滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.1，傳動(dòng)效率η1=0.9，單個(gè)滑刀開溝器工作阻力F=400 N進(jìn)行計(jì)算，機(jī)具前進(jìn)速度為0.7 m/s，則4行播種機(jī)的行駛驅(qū)動(dòng)功率約為1.27 kW。

直流電機(jī)功率由供種器工作功率P3和錐盤排種器工作功率P4組成，且滿足[11]

(3)

(4)

式中τ1——供種軸阻力矩，N·m

τ2——排種軸阻力矩，N·m

n1——供種器轉(zhuǎn)速，r/min

n2——錐盤轉(zhuǎn)速，r/min

η2、η3——傳動(dòng)效率

參照水平圓盤排種器，排種器的極限線速度為0.30～0.35 m/s[10],轉(zhuǎn)軸阻力扭矩不超過10 N·m，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)選定排種盤極限轉(zhuǎn)速為170 r/min，確定電機(jī)功率為356 W。

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)由主控制器、速度檢測模塊、觸摸屏、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成?？紤]機(jī)具田間工作環(huán)境的復(fù)雜性及振動(dòng)、粉塵的影響，選用抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、維護(hù)方便的ZK3U型PLC。采用24 V直流電源，通過航空插頭聯(lián)接電路各模塊，利用DC-DC技術(shù)供電。閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

機(jī)具驅(qū)動(dòng)輪的棱條結(jié)構(gòu)增加了其與地面的摩擦因數(shù)，避免了機(jī)具行進(jìn)打滑。根據(jù)操作員的行走速度，設(shè)定播種機(jī)的前進(jìn)速度為0～2.5 km/h，得出錐盤排種器回轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為3～28.5 s，選用80BL100S40-445TK9型直流電機(jī)控制排種器及供種器轉(zhuǎn)速。工作時(shí)，通過2個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)獲取機(jī)具前進(jìn)速度及錐盤排種器的回轉(zhuǎn)速度，借助閉環(huán)控制系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)播種速度與前進(jìn)速度的實(shí)時(shí)匹配。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 錐盤排種器

錐盤排種器是蔬菜直播機(jī)的核心部件，直接影響機(jī)具的播種效果，主要包括錐盤、分種螺帽、推種器、固定架、殼體等，結(jié)構(gòu)如圖4所示。工作時(shí)，種子從供種器落到錐盤后順著錐盤面呈放射狀滑落入凹形結(jié)構(gòu)的種槽環(huán)內(nèi)，并由刮種板刮掉多余的種子，保證種子單粒排序及充種。推種器固定在殼體上，利用錐盤轉(zhuǎn)動(dòng)和推種器滾動(dòng)使種子在固定位置落種，實(shí)現(xiàn)種子的主動(dòng)排種。

3.1.1種子運(yùn)動(dòng)特性

供種器的種子流經(jīng)分種蓋沿錐盤面滑落時(shí)，錐盤處于勻速回轉(zhuǎn)狀態(tài)，使得種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜。以錐面上任意下落的單粒種子為研究對象，建立如圖5所示坐標(biāo)系。

種子受力包括滑動(dòng)摩擦力Ff、空氣阻力Fh、離心力FL、科氏力Fk、支承力FN、種子間作用力P及重力G。因種子間的相互作用力P方向和大小隨時(shí)變化，且供種器持續(xù)供種量不大，除去相互抵消的作用力之后，P可忽略不計(jì)[12]。種子沿錐盤向下運(yùn)動(dòng)過程中橫向位移很小，因此空氣阻力Fh干擾可忽略不計(jì)。科氏力Fk與錐盤轉(zhuǎn)速、種子相對錐盤速度vr成正比，即

Fk=2m1vrωsin(90°-θ)

式中m1——種子質(zhì)量

ω——錐形排種盤角速度，rad/s

θ——錐體底角,(°)

由于錐盤轉(zhuǎn)速不高、小籽粒蔬菜種子質(zhì)量很小，可忽略種子的科氏力Fk。因此，要保證種子不脫離錐體表面，均勻順利滑入錐盤種槽[13]，需要滿足

(5)

式中μ——摩擦因數(shù)

r——種子所在點(diǎn)與錐盤中心的距離，m

由式(5)可得Gcosθ≥FLsinθ，求得

(6)

式中h——錐盤高度，m

由式(5)、(6)可知，當(dāng)種子在x軸方向的合力大于等于零、y軸方向的合力等于零時(shí)，種子沿錐面順利下滑，且不飛離錐面。種子在錐盤表面順利滑落時(shí)的錐盤角速度ω與錐盤高度h有關(guān)。研究表明，排種過程中的種子彈跳與投種高度及種子落點(diǎn)所在面的傾角存在線性關(guān)系，即投種高度越大、傾角越大，跳種現(xiàn)象越明顯[14]。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)錐體底角θ不大于50°時(shí)，分種螺帽與供種器的距離不大于20 mm，種子會(huì)在錐體表面發(fā)生一次彈跳但彈跳高度較小，彈跳后種子沿著錐盤表面均勻滑落到種環(huán)槽內(nèi)。

種子由分種蓋沿錐盤面滑落后進(jìn)入種槽環(huán)內(nèi)，且落入種槽環(huán)的狀態(tài)取決于種子相對于錐盤的相對運(yùn)動(dòng)。設(shè)種子為圓形，種槽環(huán)寬度為W，種子沿著錐盤的徑向方向進(jìn)入種溝，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖5所示。種子進(jìn)入種溝時(shí)，其極限速度vmax為

(7)

式中r1——錐盤半徑，mm

r4——型孔半徑，mm

在滑落過程中，種子受到的外力有重力G、滑動(dòng)摩擦力Ff及F′f、支承力FN，忽略種子降落的初始速度。由動(dòng)能定理可得

(8)

式中s1——錐盤底部到種槽環(huán)之間的距離，mm

s——錐盤母線長度，mm

vt——種子滑落到種槽環(huán)邊緣的速度，m/s

由式(7)、(8)可得

(9)

由式(9)可知，距離s1受錐盤高度h、半徑r1、回轉(zhuǎn)角速度ω的共同影響，是錐盤結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)鍵參數(shù)。

3.1.2錐盤結(jié)構(gòu)

錐盤由中心圓錐面與圓環(huán)凹面組成。種子沿錐盤錐面滑落進(jìn)入種槽環(huán)，并在推種器滾輪與刮種板的輔助下自然排序。隨著錐盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，落入型孔的種子在推種器滾輪的作用下推出型孔，實(shí)現(xiàn)順利排種。其中，錐盤的轉(zhuǎn)速影響種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及充種效果。同時(shí)，錐盤轉(zhuǎn)速過高時(shí)，種子易飛離錐面，不利于種子落入種溝及種子型孔，且縮短了型孔與推種器的作用時(shí)間，易造成漏播[15-17]。下種盤的落種孔采用槽孔結(jié)構(gòu)，如圖6所示，錐盤型孔、下種盤槽孔、殼體槽孔中心在同一軸線E上，且下種盤槽孔、殼體槽孔尺寸大于錐盤型孔，有利于種子的順利下落，避免落種時(shí)切種、傷種及堵塞。

為方便種子落入錐盤的型孔，保障種子排列、充種穩(wěn)定、及時(shí)，選擇圓形型孔并保證型孔數(shù)量，且播種時(shí)型孔個(gè)數(shù)Z2、型孔半徑r4、種槽環(huán)寬度W、深度T1應(yīng)分別滿足[18-19]

Z2=240vm/(Sn)

(10)

(11)

(12)

式中S——株距，mm

n——錐盤轉(zhuǎn)速，r/min

lmax——種子最大長度，mm

b——種子平均寬度，mm

l——種子平均長度，mm

ΔT——種槽環(huán)間隙，mm

參照蔬菜種子的滑動(dòng)摩擦因數(shù)及常用錐面排種器的結(jié)構(gòu)，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定錐盤高度h為55 mm，錐體底角θ為30°，求得r1為95 mm，型孔的分布半徑r2為100 mm，錐盤外輪廓的半徑r3為110 mm。針對蔬菜種子尺寸，確定菠菜種子錐盤上的種槽環(huán)寬度W為2.5 mm，深度T1為2 mm，型孔半徑r4為1.25 mm，型孔數(shù)量Z2為28個(gè)；白菜種子錐盤上的種槽環(huán)寬度W為2.5 mm，深度T1為2 mm，型孔半徑r4為1.5 mm，型孔數(shù)量Z2為20個(gè)；大蔥種子錐盤上的種槽環(huán)寬度W為1.5 mm，深度T1為2 mm，型孔半徑r4為0.5 mm，型孔數(shù)量Z2為30個(gè)。

3.1.3推種器結(jié)構(gòu)

推種器固定于排種器的外殼，由壓板、刮種板及推種器滾輪組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。工作時(shí)，刮種板將種溝外的種子刮離。滾輪沿種槽底部被動(dòng)滾動(dòng)，并在彈簧力輔助下滾壓種子。當(dāng)錐盤型孔與隔板投種口重合時(shí)，型孔內(nèi)的種子被滾輪推出，避免卡塞或遺漏種子。

推種器與錐盤結(jié)構(gòu)相互配合，并固定于排種器的外殼內(nèi)側(cè)，且滾輪位于種環(huán)的正上方，則通道寬度H1、高度H2、推種器的厚度H3應(yīng)滿足

(13)

H3=r3-r2+r4+Δh3

(14)

式中 Δh3——推種器凹面與推種輪之間距離，mm

推種的弧度ε滿足

(15)

式中c——推種器滾輪到固定點(diǎn)的安裝距離，mm

刮種板用兩個(gè)螺釘固定在推種器兩側(cè)，寬度H4與推種器厚度H3保持一致，并采用橡膠材質(zhì)減少對種子的損傷。考慮蔬菜種子尺寸的范圍，取種槽環(huán)寬度W為2.5 mm，0<Δh3

推種器滾輪直徑是影響推種效果的關(guān)鍵參數(shù)，若推種器滾輪直徑過大推種效果不明顯，若過小則會(huì)損傷種子[20]，推種位置如圖8所示。推種器滾輪半徑r5應(yīng)滿足

(16)

式中 ?——型孔倒角，(°)

s3——推種行程，mm

為適應(yīng)不同類型的小籽粒蔬菜種子，保證種子被順利推出型孔，取?為45°、推種行程s3為1 mm，則3 mm≤r5≤15 mm。為提高推種裝置的適應(yīng)性，取r5為7.5 mm。因推種器滾輪質(zhì)量較小，則推種器的推種力由彈簧力決定。彈簧力過大，會(huì)損壞種子；彈簧力過小，則推種效果不明顯，不利于種子的下落。為保證低損投種，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)初定彈簧壓力為5 N，選擇推種彈簧剛度為5 N/mm。

3.2 供種器

供種器位于錐盤排種器的上方，與直流電機(jī)、鏈輪、鏈條、閉環(huán)控制系統(tǒng)組成種量控制系統(tǒng)。為保障錐盤排種器內(nèi)的種量穩(wěn)定、滿足播種要求，采用槽輪式排種結(jié)構(gòu)連續(xù)取種、排種，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)控制供種輪的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)供種器與錐盤排種器的速度匹配關(guān)系。供種器由傳動(dòng)軸、分種箱、傳動(dòng)鏈輪、供種輪組成，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

針對蔬菜種子特性及尺寸，考慮播種的種量要求，控制排種器的實(shí)時(shí)種量，設(shè)計(jì)合理外槽輪結(jié)構(gòu)(槽輪直徑、槽深、凹槽半徑等)，利用傳動(dòng)軸及槽輪孔的螺紋連接形式，調(diào)節(jié)供種器的有效工作長度，從而實(shí)現(xiàn)種量的精確控制，避免因槽輪尺寸大而發(fā)生種量的脈動(dòng)現(xiàn)象。

播種前，錐盤種槽環(huán)內(nèi)需要充滿種子，初次供種量q1應(yīng)滿足[21]

(17)

正常工作后，供種輪每轉(zhuǎn)1圈的供種量q2應(yīng)滿足[22]

(18)

其中

le≥2l

(19)

式中dg——外槽輪外徑，mm

le——供種輪有效工作長度，mm

ρ——種子密度，g/cm3

α0——槽內(nèi)種子充滿系數(shù)

fg——單個(gè)種槽橫截面積，mm2

tg——種槽節(jié)距，mm

γ——帶動(dòng)層特性系數(shù)

為了方便種子順利進(jìn)入供種輪凹槽，凹槽深度h3應(yīng)適應(yīng)種子尺寸。凹槽深度h3應(yīng)滿足

(20)

式中rg——外槽輪凹槽圓弧半徑，mm

ξ1——槽輪兩齒數(shù)間夾角，(°)

ξ2——凹槽圓弧所對應(yīng)的夾角，(°)

單個(gè)種槽橫截面積fg為

(21)

考慮供種輪空間結(jié)構(gòu)及播種效果，小籽粒種子播種輪不宜過大，且種槽數(shù)多、槽淺時(shí)播種量均勻[23]。如菠菜種子每次播種4行，W=2.5 mm，T1=2 mm，r2=100 mm，l=1.5 mm，初次供種量q1為930粒。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定種子充滿系數(shù)α0為0.3，槽半徑r6為1 mm，帶動(dòng)層特性系數(shù)γ為0.2，外槽輪半徑dg為28 mm，供種輪凹槽個(gè)數(shù)Z1為12，供種輪有效工作長度lg為9 mm。

3.3 開溝覆土器

開溝覆土器與土壤直接接觸，主要完成開溝、導(dǎo)種及覆土任務(wù)。鋤鏟式開溝器和寬幅翼鏟式開溝器開溝阻力較大、工作幅寬較大且工作不穩(wěn)定，不適用小籽粒蔬菜播種；圓盤式開溝器易將干濕土混合，不利于保墑，且種子在橢圓形種溝內(nèi)易造成播深不一致，不適用于精量播種[24]。滑刀開溝器入土性能較好，但長滑刀多用于播種大粒種子，短滑刀易壓實(shí)土壤不利于種子萌發(fā)。結(jié)合蔬菜播深淺的特性，設(shè)計(jì)一種滑刀開溝器。該機(jī)構(gòu)主要由開溝鏟片、覆土板、開溝器定位桿、排種管及張緊彈簧等組成，結(jié)構(gòu)如圖10所示。

滑刀刃口采用鈍角破土，側(cè)板將土壤擠向兩側(cè)，種子從中部排種管落到溝底。為防止溝壁上層干土先落到溝底和覆蓋種子，側(cè)板尾部制成斜口，并逐漸向后收攏，使下層細(xì)濕土先落到溝中覆蓋種子，以利于種子發(fā)芽。同時(shí)，減少滑刀刀片的長度，增加自適應(yīng)刮土機(jī)構(gòu)使其結(jié)構(gòu)更加緊湊。彈簧有一定的預(yù)緊力，保障刮土板隨地浮動(dòng)，將種溝兩側(cè)的土壤刮送到種溝內(nèi)，完成種子的覆土。開溝器的開溝阻力與滑刀刃的曲線有關(guān)。設(shè)刃口曲線為指數(shù)函數(shù)曲線[25]，如圖11所示。

刃口曲線公式為

(22)

(23)

(24)

式中QA——A點(diǎn)處切線與x軸夾角，rad

QB——B點(diǎn)處切線與x軸夾角，rad

βA——滑切角，rad

βB——初始滑切角，rad

因?yàn)閥B=yA+lAB,求得e1=e(cotβB-cotβA)/lAB,代入式(22)得AB曲線方程為

y=[e(cotβB-cotβA)/lAB]x

(25)

滑切角要滿足滑切條件，摩擦角大于23°，所以滑切角應(yīng)不小于23°。經(jīng)實(shí)踐得出，滑切角大于 55°時(shí)，工作阻力大，不易入土；而滑切角在 23°時(shí)，刀口滑切曲線曲率大，實(shí)際應(yīng)用不可能[26]。因此，滑切角βA為23°～55°時(shí)，曲線AB適用于滑刀開溝器的刀口滑切曲線[27]。

開溝器接觸土壤瞬間，土壤發(fā)生變形，受力如圖12所示。其主要受到摩擦力F′和滑刀對土壤的法向壓力N′。為使刀刃切開土壤，減小工作阻力且使產(chǎn)生的土壤顆粒沿刃口向后運(yùn)動(dòng)，應(yīng)使滑刀對土壤的法向壓力N′的分力T′大于滑切過程中土壤質(zhì)點(diǎn)受到的摩擦力F′[28]，即

T′>F′

(26)

式中，T′=N′tanη，F(xiàn)′=N′tanβ，由于β+η=90°，為實(shí)現(xiàn)順暢滑切，故刃口角η應(yīng)滿足η<90°-β，確定η為60°。

滑刀開溝器刀片厚度一般為3～8 mm，考慮機(jī)具結(jié)構(gòu)的緊湊性及安裝要求，確定開溝器寬度b應(yīng)比排種直徑略寬，取b為30 mm[29-30]。為保證滑刀與土壤之間產(chǎn)生滑切效果，滑刀入土角α應(yīng)滿足[31-32]

α>90°+β

(27)

α為14°～38°，在此選定入土角為120°。

覆土板結(jié)構(gòu)簡單，主要借助自身重力及彈簧拉力實(shí)現(xiàn)隨地起伏及土壤的刮送，其受力如圖13所示，且滿足

FTL1=FDL2

(28)

式中FT——彈簧對覆土板的力，N

FD——地面對覆土板的力，N

L1——彈簧力作用點(diǎn)到覆土板固定點(diǎn)距離，m

L2——力FD作用點(diǎn)到覆土板固定點(diǎn)的距離，m

在此取L1=L2,代入式(30)求得FT=FD。

在安裝覆土板時(shí)應(yīng)對張緊彈簧施加預(yù)緊力，此時(shí)覆土板對地面有恒定的壓力且保證覆土板下限量不大，避免破壞種溝，覆土板下陷量ZX與作用力FD應(yīng)滿足[33]

ZX=6FD/(5K0B)

(29)

其中

K0=k0(1+0.27B)

式中B——覆土板間距，mm

K0——土壤物理特性相關(guān)參數(shù)

k0——與土壤性質(zhì)有關(guān)的參數(shù)

對剛松過土的粘土土壤來說，K0=1.01。根據(jù)種植要求及種溝深度取ZX=3 mm,覆土板間距B根據(jù)適應(yīng)行距要求取B=100 mm,代入式(29)經(jīng)計(jì)算得到作用在覆土板上的力FD=252.5 N。根據(jù)胡克定律FT應(yīng)滿足

FT=k1ΔL

(30)

式中k1——張緊彈簧剛度

ΔL——彈簧變形量，mm

取覆土板上下擺動(dòng)的行程為10 mm，求得k1為25.2 N/mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)用地為輕黏土，經(jīng)旋耕碎土，地表平整，無大石塊、秸稈、雜草等，土壤含水率為15.6%，土壤堅(jiān)實(shí)度為720 kPa，符合蔬菜種植要求。試驗(yàn)地塊長50 m，寬20 m。

2018年5月20日，在濰坊市對電控錐盤式蔬菜播種機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖14所示。準(zhǔn)備大蔥種子、白菜種子、菠菜種子各1 000粒，平均分3次播種，每次試驗(yàn)播種距離為30 m。由同一操作人員手扶操作，試驗(yàn)地塊前后各留10 m的啟停距離。

4.2 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)JB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī) 試驗(yàn)方法》和JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》的要求，對樣機(jī)播種效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)測量，得到合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)等評價(jià)指標(biāo)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在播種試驗(yàn)過程中，電控錐盤式蔬菜播種機(jī)工作性能穩(wěn)定。種子的播種合格指數(shù)大于90%，重播指數(shù)小于5%，漏播指數(shù)小于5%，滿足播種要求，具體參數(shù)如表2所示。由于人工操作不穩(wěn)，使得機(jī)具前進(jìn)速度不穩(wěn)定。種子的漏播、重播誤差主要來自種子落入種溝后會(huì)發(fā)生彈跳，后期需進(jìn)一步完善。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Operating results %

5 結(jié)論

(1)通過閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制播種速度，保證了播種精度及質(zhì)量；通過連續(xù)供種、錐盤排種器分種、滾輪推種的播種方式，保證了排種量及播種精度；通過滑刀曲線構(gòu)建及覆土機(jī)構(gòu)受力分析，確定了開溝覆土器結(jié)構(gòu)及參數(shù)。

(2)通過錐盤排種器排種過程中種子的受力與運(yùn)動(dòng)分析，明確了種子順利充種的條件，確定了推種器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)。借助種子特性及種量分析，確定了供種器初次供種量、正常供種量及供種輪結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合開溝及覆土要求，確定指數(shù)函數(shù)曲線刃口及覆土機(jī)構(gòu)。主要參數(shù)為：錐盤高度h為55 mm，底角θ為30°，錐盤半徑r1為95 mm，型孔的分布半徑r2為100 mm，錐盤外輪廓的半徑r3為110 mm；推種器通道寬度H1為2.5 mm，高度H2為2 mm，厚度H3為21.25 mm，弧度ε為0.8 rad，推種器滾輪半徑r5為7.5 mm,推種彈簧剛度為5 N/mm；開溝覆土器入土角為120°，張緊彈簧剛度k1為25.2 N/mm。

(3)采用菠菜種子、大蔥種子、白菜種子進(jìn)行了不同類型種子的播種試驗(yàn)，結(jié)果表明，該機(jī)播種作業(yè)質(zhì)量高、整機(jī)性能穩(wěn)定，播種合格指數(shù)大于90%，重播指數(shù)小于5%，漏播指數(shù)小于5%，符合國家精密播種標(biāo)準(zhǔn)要求。