斗提式莖稈類均勻供種箱的研究

劉文亮 姜彩宇 王新陽 張亮 李健 胡浩

摘要：針對目前國內(nèi)外莖稈類農(nóng)作物播種機(jī)的種箱內(nèi)缺少分離裝置的設(shè)計(jì)，種箱內(nèi)種莖雜亂無章、均勻度不一的問題，開展播種速度與供種同步技術(shù)的研究，采用目標(biāo)效率確定取種、供種時(shí)序，設(shè)計(jì)一種斗提式莖稈類均勻供種箱，主要對整體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件和主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對斗提式莖稈類均勻供種箱進(jìn)行臺架性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，在此裝置中，甘蔗種莖被持續(xù)不斷地?cái)噭?，使種莖之間相對分散，避免了大量的種莖淤積在一起;斗提式莖稈類均勻供種箱可以將種莖有序、均勻地輸送到連接的排種器內(nèi)，保證了單位時(shí)間內(nèi)的供種數(shù)量與排種器的需種數(shù)量一致。同時(shí)，供種速度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以適應(yīng)現(xiàn)有各種排種器的工作節(jié)奏，保障了機(jī)具各部件工作的一致性，不會出現(xiàn)供種過量或不足的情況，改善了播種過程中存在的重播、漏供的問題，有利于減少故障情況的發(fā)生，提高播種質(zhì)量和播種效率。

關(guān)鍵詞：斗提式;莖稈類;精量播種;分離裝置;供種箱

中圖分類號： S223.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）14-0183-05

以甘蔗為莖稈類作物代表進(jìn)行研究。甘蔗播種機(jī)中，國外先進(jìn)產(chǎn)品有美國M.J.Naquinic公司生產(chǎn)的整桿式自動甘蔗種植機(jī)，運(yùn)用遙感技術(shù)采用無人作業(yè)，自動完成甘蔗種植過程中的開溝、蔗種喂入、蔗種鋪放、覆土和鎮(zhèn)壓[1-2];澳大利亞CNH公司的BP2500型預(yù)切式聯(lián)合種植機(jī)，作業(yè)能力達(dá)到2.7～3.3 hm2/d[3-4];巴西DMB公司研制的PC14000型預(yù)切式甘蔗聯(lián)合種植機(jī)，由拖拉機(jī)液壓馬達(dá)驅(qū)動，雙行種植，需要3～4名操作工人輔助[5-6]。國內(nèi)中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所、廣東雷州桂珠農(nóng)械廠、廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院等單位設(shè)計(jì)出了 HXW-2 甘蔗種植機(jī)、8210型牽引式甘蔗種植機(jī)、2CZY-2甘蔗種植機(jī)等產(chǎn)品，但是這些機(jī)具普遍缺少配套供種裝置，部分采用人工擺放的方式，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力[7-12]。主要原因是蔗種兩端直徑相差較大，蔗芽處的直徑差距更大;部分種莖還有較大的彎曲度，表面有不規(guī)則突起、裂紋和殘留的苞葉，形態(tài)差異大;大量種莖積存在種箱時(shí)，種莖之間極易產(chǎn)生相互阻礙、卡滯、崩彈故障，影響播種作業(yè)時(shí)間和播種精度?，F(xiàn)有播種機(jī)所使用的各類排種器，無論是窩眼式、外槽輪式、指夾式還是氣吸式、氣吹式都很難在種箱內(nèi)大量種莖中準(zhǔn)確地分離出單一的種莖[13-16]。

1 總體設(shè)計(jì)及工作原理

長期以來，甘蔗種植一直采用整根蔗種順溝擺放的種植方式，嚴(yán)重浪費(fèi)蔗種資源，并增加了后續(xù)間苗環(huán)節(jié)的勞動強(qiáng)度。甘蔗播種時(shí)以中部帶有蔗芽的節(jié)莖為種莖，總長度在60 mm左右，平均直徑為20～30 mm。長久以來，由于缺少具有分離功能的供種箱，甘蔗播種時(shí)靠蔗種自身重力滑入排種器或者進(jìn)行人工輔助喂種，如圖1所示?？空岱N自身重力滑入排種器，極易造成卡滯停播或漏播的現(xiàn)象;人工輔助喂種也不可避免漏播，并且勞動強(qiáng)度大。本研究的目的是設(shè)計(jì)一款斗提式莖稈類均勻供種箱，具有連續(xù)、均勻供種功能，使種莖能夠有序、均勻地到達(dá)排種器中，為實(shí)現(xiàn)甘蔗精量播種提供前提。

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

斗提式莖稈類均勻供種箱的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 工作原理

斗提式莖稈類均勻供種箱由電機(jī)驅(qū)動，通過電動機(jī)輸出動力經(jīng)由鏈傳動裝置輸出到主動軸上，主動軸再將動力輸出到被動軸和撥齒軸。主動軸和被動軸之間采用帶有上料斗的鏈條連接，鏈輪帶動鏈條以一定速率做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，升運(yùn)過程中上料斗會在種箱中攜種，種莖隨鏈條向上運(yùn)動，主動軸和被動軸上的鏈輪處在同一個平面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)垂直距離上的甘蔗種莖提升，到達(dá)主動軸的頂端進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，把種莖導(dǎo)入立桶中實(shí)現(xiàn)從種箱到落種裝置的輸送，撥齒軸帶動軸上的撥齒推動甘蔗種莖沿著料斗內(nèi)壁下滑，保證斗式提升裝置中的料斗始終充滿甘蔗種莖。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 布料器裝置

在斗提式莖稈類均勻供種箱的種箱中安裝有1個布料器裝置，通過軸承座安裝在料箱2個對應(yīng)側(cè)面圓形通孔兩端（圖3）。

在布料器中軸線上安裝撥齒的分布及空間距離，按對稱交叉的方式分布，2個撥齒之間的距離為100 mm，撥齒直徑為10 mm，共安裝5個，撥齒與布料器軸通過螺紋連接。布料器從動鏈輪通過平鍵及緊定螺釘與布料器軸連接，防止出現(xiàn)打滑的情況，布料器軸會隨著從動鏈輪的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將箱體內(nèi)的種莖翻動起來，防止出現(xiàn)堆積阻塞現(xiàn)象。根據(jù)箱體折彎面的傾斜情況將撥齒的長度選為120 mm。

2.2 提升裝置

提升裝置是將甘蔗從種箱攜種輸送到從動軸的頂端，包括攜種、提升、卸料等過程[17-18]。斗提式提升機(jī)有順向進(jìn)料、逆向進(jìn)料、雙向進(jìn)料等3種模式，甘蔗提升機(jī)采用逆向進(jìn)料，摩擦力小，可以避免堵塞。提升裝置包括輸送鏈條、種勺、主動軸組及從動軸組等，作用是將甘蔗從種箱運(yùn)送到甘蔗播種機(jī)中，工作時(shí)包括攜種、提升、卸料等過程，在提升過程中為保證甘蔗在運(yùn)送過程中不灑落，就要保證鏈條穩(wěn)定上升、振動小、不發(fā)生扭轉(zhuǎn)[19-20]。提升裝置見圖4。

3 功率計(jì)算及電機(jī)選擇

3.1 功率計(jì)算

設(shè)計(jì)參數(shù)包括配套動力（P′=1.5 kW）、提升鏈速度（v=0.1 m/s）、供種量（S=4個/s）、甘蔗種塊長度（L=6 cm）。

3.2 電動機(jī)的選用

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中常用交直流電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)[22]，選用YS系列三相異步電動機(jī)，型號為YS90L-4，主要工作參數(shù)包括額定功率為1.5 kW，同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，額定轉(zhuǎn)矩（T）為2.4 N·m。電動機(jī)工作時(shí)使用齒輪減速器調(diào)速，調(diào)速比為15 ∶ 1。則調(diào)速后的額定轉(zhuǎn)速n′=1 500/15=100 r/min，工作轉(zhuǎn)速n=1 400/15=93.33 r/min。電動機(jī)工作時(shí)，輸出功率Pn=T×n/9 550=2.4×1009 550=0.25 kW。

3.3 傳動比分配

查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[22]，按照推薦值選取傳動比，由電動機(jī)軸到主動軸的傳動比i1=1.41;由主動軸到被動軸的傳動比i2=1.00;由主動軸到撥齒軸的傳動比i3=1.71。

3.4 傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計(jì)算

在傳動過程中鏈條型號全部選用GB/08B，電機(jī)軸和主動軸之間的鏈傳動選用17齒和24齒的鏈輪，傳動比i1=1.41;主動軸和被動軸選用18齒的鏈輪，傳動比i2=1.00;主動軸和撥齒軸之間的鏈傳動選用14齒和24齒的鏈輪，傳動比i3=1.71。根據(jù)選定的電動機(jī)轉(zhuǎn)速（93.33 r/min）及傳動比，在確定電動機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)以及分配傳動比之后，就可以據(jù)此計(jì)算出各軸的轉(zhuǎn)速、傳遞的功率和轉(zhuǎn)矩（表1）。

4 性能試驗(yàn)

2019年11月19日，筆者所在課題組在吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院收獲機(jī)械技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)室對斗提式莖稈類均勻供種箱進(jìn)行了臺架技術(shù)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)以青皮1號甘蔗為對象，預(yù)先去除毛根、莖稈上的枯葉，將整支蔗莖切割成長度為55～65 mm的帶節(jié)蔗種，并人工挑選健康種苗，作為本次試驗(yàn)用蔗種。試驗(yàn)過程共使用蔗種1 021芽，測試作業(yè)20次，累計(jì)作業(yè)時(shí)間為90 min，故障時(shí)間為1.8 min，采集數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

根據(jù)以下公式計(jì)算生產(chǎn)效率、漏供率、可靠性，計(jì)算結(jié)果見表3。

生產(chǎn)效率=∑201供種數(shù)∑201供種時(shí)間;

漏供率=∑201漏供數(shù)∑201蔗種總數(shù)×100%;

可靠性=∑201供種時(shí)間-∑201故障時(shí)間∑201供種時(shí)間×100%。

5 結(jié)論

本研究結(jié)合莖稈類種子的特性及配套播種機(jī)，設(shè)計(jì)一種斗提式莖稈類均勻供種箱，采用回轉(zhuǎn)方式為甘蔗排種器供種，填補(bǔ)了相關(guān)設(shè)備的欠缺。根據(jù)斗提式升運(yùn)裝置和旋轉(zhuǎn)式推料裝置的配合，以及對甘蔗受力情況的分析，確定提升機(jī)所需功率，確定各傳動軸之間的傳動比，最終確定及驗(yàn)證提升機(jī)的輸送能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，斗提式莖稈類均勻供種箱各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)效率達(dá)到220芽/min，漏供率為5.2%，可靠性達(dá)到98%;性能試驗(yàn)20次，發(fā)生1次故障，原因是電源故障。對比人工供種方式，本裝置具有顯著地提高效率、節(jié)約人工、減輕勞動強(qiáng)度、降低作業(yè)成本的作用，1套斗提式莖稈類均勻供種箱相當(dāng)于5個人工勞力。

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