窄行密植西洋參精密播種機設(shè)計與試驗

廖宜濤 李成良 廖慶喜 張百祥 鄭 娟 杜 錚

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070；3.武漢市農(nóng)業(yè)科學院， 武漢 430070)

0 引言

西洋參是具有藥用和保健價值的五加科人參屬植物，種植經(jīng)濟效益顯著[1-2]，其種植有播種后直接采收和播種1～2年后移栽再采收兩種模式，為提高商品化率，兩種模式的播種密度都較大，農(nóng)藝要求播種行距50～60 mm，播種株距100 mm左右，播深約20 mm，屬于窄行密植精密播種[3]。因西洋參種子形狀不規(guī)則、催芽裂口種胚易損傷、播種密集且要求分布均勻，目前生產(chǎn)上缺乏適用播種機械裝備，以人工壓穴后單粒點播再覆土為主，存在工作效率低、勞動強度大、勞動力消耗多、生產(chǎn)成本高等問題，嚴重制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，迫切需要開發(fā)適用西洋參精密播種技術(shù)裝備。

實現(xiàn)播種行株距均勻一致，精密排種技術(shù)是關(guān)鍵，種子平穩(wěn)運移和精確定位技術(shù)是重要保障[4]。氣吸式排種對種子形狀適應(yīng)性強、種子損傷率低、單粒排種精度高，廣泛應(yīng)用于玉米、油菜和馬鈴薯等寬行距作物精量播種[4-6]。近年來，國內(nèi)外學者開展了基于氣吸原理的窄行密植作物精密排種技術(shù)研究，但存在采用單排吸嘴往復(fù)排種效率偏低、采用導(dǎo)種管導(dǎo)種精度不足等問題[7-9]。全約束導(dǎo)種是實現(xiàn)種子平穩(wěn)運移和精確定位的主動式導(dǎo)種方式，可應(yīng)用于播種行株距要求嚴格的作物精密播種[10]。

國內(nèi)外學者對全約束導(dǎo)種裝置的研究主要集中在帶式和單體點播式兩種，設(shè)計了毛刷帶式導(dǎo)種帶[11-12]、輸送帶式導(dǎo)種帶[13-14]、直插式穴播器[15]和回轉(zhuǎn)式穴播器[16-18]等。上述導(dǎo)種裝置可實現(xiàn)對種子離開排種器至落入種床土壤運移過程進行全自由度或者僅具有局部自由度的全約束，強制種子保持其有序狀態(tài)；受制于全約束導(dǎo)種裝置單體體積大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以匹配窄行密植播種農(nóng)藝要求。

針對上述問題，本文基于前期研制的多行并聯(lián)氣力針式精密集排器[3]，以小型田園管理機為配套動力，設(shè)計一種采用多行并聯(lián)行星輪點播式全約束導(dǎo)種裝置的窄行密植西洋參精密播種機，完成起壟、精密排種、平穩(wěn)導(dǎo)種和覆土作業(yè)，以期為西洋參精密播種提供配套技術(shù)裝備。

1 整機及排種裝置結(jié)構(gòu)原理與傳動方案設(shè)計

1.1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

窄行密植西洋參精密播種機以小型田園管理機(含螺旋起壟裝置)為配套動力，主要由汽油旋渦式風機、主機架、驅(qū)動裝置、導(dǎo)種裝置、排種裝置、輔助輪及覆土板等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 窄行密植西洋參精密播種機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of narrow-row-dense-planting precision planter for American ginseng1.汽油旋渦式風機 2.螺旋起壟裝置 3.田園管理機 4.驅(qū)動裝置 5.主機架 6.導(dǎo)種裝置 7.排種裝置 8.輔助輪 9.覆土板

播種機主機架前端連接在螺旋起壟裝置上，驅(qū)動裝置、導(dǎo)種裝置、排種裝置和覆土板前后依次布置在主機架上，一對輔助輪位于主機架后方外側(cè)呈對稱布置，用于支撐和輔助機具轉(zhuǎn)移；因小型田園管理機功率較小，選用汽油旋渦式風機[19]為排種裝置提供風壓，額定功率4.1 kW，最大正壓為35 kPa，最大負壓為-25 kPa，風量為200 m3/h，通過控制節(jié)氣門開度調(diào)節(jié)輸出功率可調(diào)節(jié)風壓和流量。機具主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 窄行密植西洋參精密播種機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of narrow-row-dense-planting precision planter for American ginseng

西洋參播種作業(yè)時，機具作業(yè)狀態(tài)如圖2所示。先啟動田園管理機與汽油旋渦式風機，螺旋起壟裝置對旋耕碎土后平整地表進行螺旋起壟，汽油旋渦式風機為排種裝置提供正負氣壓；驅(qū)動裝置在田園管理機的牽引下，與起壟面摩擦通過鏈傳動驅(qū)動導(dǎo)種裝置和排種裝置，播種機前進方向如圖2標識；西洋參種子在自重作用下，由種箱內(nèi)通過充種管流入充種室，排種裝置在負壓作用下，排種針從充種室吸種，轉(zhuǎn)動至卸種區(qū)，在正壓作用下卸種至導(dǎo)種裝置內(nèi)，完成排種環(huán)節(jié)；在行星輪系作用下，導(dǎo)種裝置接種、運種并成穴投種，完成導(dǎo)種環(huán)節(jié)；排種裝置和導(dǎo)種裝置相互配合完成將種子由種箱運移至種床土壤多環(huán)節(jié)串聯(lián)過程；覆土板進行種穴土壤回填合攏，完成覆土環(huán)節(jié)。

圖2 窄行密植西洋參精密播種機作業(yè)狀態(tài)示意圖Fig.2 Sketch of narrow-row-dense-planting precision planter for American ginseng’s working status1.已耕地 2.耕底層 3.翻耕層 4.碎土層 5.壟體層 6.壟底層

1.2 排種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

排種裝置作為播種機的核心部件，確保種群有序單?；涔ぷ餍阅苤苯記Q定播種機作業(yè)質(zhì)量。采用負壓吸種、正壓卸種工作原理的氣力針式精密集排器[3]，該集排器主要由氣室、旋轉(zhuǎn)盤、氣流分配管、排種針、排種鏈輪、排種軸、種箱、充種管和充種室等組成，工作分為吸種、攜種和卸種3個過程，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排種裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematics of seed metering device1.排種針 2.種箱 3.充種管 4.充種室 5.氣室 6.旋轉(zhuǎn)盤 7.氣流分配管 8.排種軸 9.排種鏈輪

集排器為對稱結(jié)構(gòu)，左右各一個氣室，氣室外側(cè)面封閉，氣室內(nèi)腔由氣室隔板劃分為正壓區(qū)和負壓區(qū)，分別與風機吸氣端和排氣端連通，氣室內(nèi)側(cè)面與旋轉(zhuǎn)盤接觸處設(shè)計為階梯型止口，充種室布置在兩側(cè)氣室間；兩側(cè)排種軸分別穿過兩側(cè)氣室，排種軸外端連接排種鏈輪，內(nèi)端與氣室內(nèi)側(cè)面的旋轉(zhuǎn)盤同軸固定連接，以排種軸所在軸線為中心徑向均布6根氣流分配管，氣流分配管的兩端分別固定在兩側(cè)旋轉(zhuǎn)盤上，氣流分配管上均布用于單粒排種的排種針；即排種鏈輪、排種軸、旋轉(zhuǎn)盤、氣流分配管和排種針組成一剛性連接整體，由左右氣室內(nèi)部的軸承支撐，做旋轉(zhuǎn)運動，氣室安裝在主機架上固定不動。

根據(jù)配套動力、起壟壟面寬度和播種農(nóng)藝要求，設(shè)定播種行距為56 mm，播種行數(shù)為16行，即每根氣流分配管上相鄰排種針軸向間距為56 mm，每根氣流分配管上軸向均布16個排種針；排種針包括圓筒部和錐筒部，排種針型孔處吸附面直徑為3 mm，排種針型孔處種子運動面直徑為350 mm。

排種裝置工作時，種箱內(nèi)的種子在自重作用下經(jīng)充種管流入充種室，排種鏈輪帶動排種軸、旋轉(zhuǎn)盤、氣流分配管和排種針組成的剛性連接整體逆時針旋轉(zhuǎn)，排種針在吸種區(qū)負壓作用下從充種室單粒吸種，通過攜種區(qū)轉(zhuǎn)動至卸種區(qū)，在自重、正壓吹力等作用下卸種至同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動的導(dǎo)種裝置內(nèi)。

1.3 傳動方案設(shè)計

排種裝置和導(dǎo)種裝置需保持同步同速運轉(zhuǎn)，傳動方案示意圖如圖4所示。驅(qū)動鏈輪、導(dǎo)種鏈輪與配套傳動鏈組成一級鏈傳動，導(dǎo)種鏈輪、排種鏈輪與配套傳動鏈組成二級鏈傳動。驅(qū)動裝置在田園管理機的牽引下通過一級鏈傳動將動力傳遞到導(dǎo)種裝置，導(dǎo)種裝置通過二級鏈傳動將動力傳遞到排種裝置，主要動力傳遞方式為鏈傳動，總傳動比i計算公式[20]為

圖4 窄行密植西洋參精密播種機傳動方案示意圖Fig.4 Transmission scheme diagram of narrow-row-dense-planting precision planter for American ginseng1.驅(qū)動裝置 2.驅(qū)動鏈輪 3.導(dǎo)種裝置 4.導(dǎo)種鏈輪 5.排種裝置 6.排種鏈輪

(1)

式中L——播種粒距，mm

N——徑向型孔數(shù)

Dq——驅(qū)動裝置直徑，mm

δ——滑移系數(shù)

i1——驅(qū)動裝置與導(dǎo)種裝置傳動比

i2——導(dǎo)種裝置與排種裝置傳動比，取1

Z1——驅(qū)動鏈輪齒數(shù)

Z2——導(dǎo)種鏈輪齒數(shù)

Z3——排種鏈輪齒數(shù)

由式(1)可知，播種粒距與驅(qū)動裝置直徑、總傳動比、徑向型孔數(shù)和滑移系數(shù)有關(guān)，可通過改變驅(qū)動鏈輪齒數(shù)，改變驅(qū)動裝置與導(dǎo)種裝置傳動比，實現(xiàn)總傳動比改變，從而調(diào)整播種粒距。驅(qū)動裝置為柵格滾筒，直徑為250 mm；滑移系數(shù)一般為0.05～0.12，取0.08[21]；播種粒距為100 mm；徑向型孔數(shù)為6，可求得總傳動比為0.71。根據(jù)總傳動比與整機質(zhì)量，選定鏈輪型號為08B，各鏈輪齒數(shù)為：Z1=30，Z2=Z3=21。

排種裝置的轉(zhuǎn)動由驅(qū)動裝置通過兩級鏈傳動帶動，而驅(qū)動裝置由田園管理機牽引，所以在總傳動比確定情況下，播種機前進速度決定排種裝置轉(zhuǎn)速，排種轉(zhuǎn)速需保持一定范圍，因此播種作業(yè)時必須嚴格控制播種機前進速度[22]，可得

(2)

式中vm——播種機前進速度，m/s

ωq——驅(qū)動裝置角速度，rad/s

ωp——排種裝置角速度，rad/s

np——排種裝置轉(zhuǎn)速，r/min

聯(lián)立式(1)、(2)可知，播種機前進速度與排種裝置轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(3)

前期研究可知，排種裝置轉(zhuǎn)速為12～18 r/min時，可獲得相對較優(yōu)的排種性能[3]，代入各參數(shù)得對應(yīng)的播種機前進速度為0.10～0.15 m/s，與選用的小型田園管理機作業(yè)速度相匹配。

2 行星輪點播式全約束導(dǎo)種裝置設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

采用行星輪系工作原理的行星輪點播式全約束導(dǎo)種裝置，主要由導(dǎo)種圓盤、固定軸、惰輪軸、行星輪軸、導(dǎo)種鏈輪、插播器、投種控制凸輪和支撐座等組成，工作分為卸種導(dǎo)種銜接、運種、投種和過渡4個過程，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Schematics of seed guiding device1.支撐座 2.導(dǎo)種鏈輪 3.導(dǎo)種圓盤 4.固定軸 5.行星輪軸 6.插播器 7.投種控制凸輪 8.惰輪軸

導(dǎo)種裝置為對稱結(jié)構(gòu)，左右各一個導(dǎo)種圓盤，均由圓盤封蓋、行星輪盤(行星架)和行星輪系組成，圓盤封蓋和行星輪盤通過螺釘封閉連接，內(nèi)部布置包含1個太陽輪、3個惰輪和6個行星輪的行星輪系；太陽輪與行星輪齒數(shù)相同，惰輪和行星輪均繞太陽輪軸心圓周均布；左右兩側(cè)的太陽輪由1根固定軸剛性連接，固定軸兩端通過外側(cè)支撐座固定不動，固定軸上通過螺釘軸向均布16個投種控制凸輪；左右兩側(cè)的3個惰輪分別與惰輪軸剛性連接，通過軸承安裝在行星輪盤上；左右兩側(cè)的6組行星輪由6根行星輪軸剛性連接，通過軸承安裝在行星輪盤上，每根行星輪軸上通過螺釘軸向均布與排種針對應(yīng)的插播器。

導(dǎo)種裝置工作時，固定軸與太陽輪固定不動，導(dǎo)種鏈輪帶動導(dǎo)種圓盤整體逆時針旋轉(zhuǎn)，帶動惰輪和行星輪圍繞太陽輪自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)；在行星輪系各齒輪相互嚙合下，惰輪自轉(zhuǎn)方向與導(dǎo)種圓盤轉(zhuǎn)動方向相同，行星輪自轉(zhuǎn)方向與導(dǎo)種圓盤轉(zhuǎn)動方向相反且大小相等，從而行星輪和行星輪軸自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)相抵消，轉(zhuǎn)速為0。行星輪系傳動簡圖如圖6所示。

圖6 行星輪系傳動簡圖Fig.6 Transmission diagram of planetary gear train1.太陽輪 2.惰輪 3.行星輪

2.2 行星輪系設(shè)計

為防止齒輪嚙合過程發(fā)生根切，直齒圓柱齒輪齒數(shù)通常大于17[23]。根據(jù)設(shè)計要求，太陽輪、惰輪、行星輪齒數(shù)z1、z2、z3應(yīng)滿足：z1=z3≤z2，且滿足同心、均布與鄰接要求。根據(jù)導(dǎo)種圓盤整體質(zhì)量、配合及傳動要求，且相互嚙合齒輪模數(shù)、壓力角必須相等，選定齒厚為10 mm、模數(shù)為2 mm、壓力角為20°的直齒圓柱齒輪，各齒輪齒數(shù)為：z1=z3=21，z2=39。

根據(jù)圖6幾何關(guān)系分析可確定中心距與各齒輪參數(shù)間的關(guān)系為

(4)

式中M——齒輪模數(shù)，mm

R1——惰輪軸軸心與固定軸軸心距離，mm

R2——行星輪軸軸心與固定軸軸心距離，mm

R3——行星輪盤外壁沿半徑，mm

將各齒輪參數(shù)代入式(4)可得R1=60 mm，R2=104 mm，R3>125 mm，考慮必要的裝配間隙、減輕質(zhì)量及行星輪盤外壁強度要求，確定行星輪盤外壁沿半徑R3=130 mm。

根據(jù)周轉(zhuǎn)輪系傳動比可得

(5)

ω1——太陽輪角速度，rad/s

ω2——惰輪角速度，rad/s

ω3——行星輪角速度，rad/s

ωH——行星架角速度，rad/s

i2H——惰輪和行星架傳動比

由式(5)可知行星輪系各齒輪轉(zhuǎn)速為n1=n3=0，n2=30.77 r/min。

假設(shè)行星架轉(zhuǎn)速為nH，由于惰輪和行星輪在導(dǎo)種圓盤的作用下公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為nH，可知惰輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為30.77-nH，方向與導(dǎo)種圓盤轉(zhuǎn)向相同；行星輪自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為nH，方向與導(dǎo)種圓盤轉(zhuǎn)向相反，自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相互抵消，轉(zhuǎn)速為0，滿足設(shè)計要求。

2.3 插播器設(shè)計

插播器可完成接種、運種、成穴和投種4個環(huán)節(jié)，主要由固定端、活動端和彈簧3部分組成。插播器固定端通過螺釘固定在行星輪軸上，活動端通過軸銷與固定端連接，活動端上端設(shè)有滾輪，固定端與活動端形成接種口。種子從排種針型孔處卸種，投入插播器內(nèi)，完成接種。在接種和運種環(huán)節(jié)，插播器活動端與固定端在彈簧的作用下始終保持閉合狀態(tài)；在成穴和投種環(huán)節(jié)，插播器活動端在投種控制凸輪作用下繞軸銷轉(zhuǎn)動，快速打開，完成投種；插播器尖端離開土壤后，插播器在彈簧力作用下恢復(fù)閉合狀態(tài)。插播器接種口尺寸與排種裝置卸種過程種子水平位移有關(guān)，為保證插播器順利接種，需開展卸種過程種子運動規(guī)律和軌跡研究，為插播器結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計提供依據(jù)。

2.3.1卸種過程運動分析

排種針型孔處種子運動軌跡為圓形，與氣力滾筒式排種器工作原理相似。假設(shè)西洋參種子為尺寸均勻且受力作用于質(zhì)心的剛性球體，排種針型孔處吸附面附近氣流穩(wěn)定，卸種瞬間種子力學分析如圖7所示。

圖7 卸種瞬間種子力學分析Fig.7 Seed force analysis of unloading moment progress

卸種瞬間種子應(yīng)滿足的力學方程為

(6)

其中

(7)

式中FQ——卸種瞬間種子所受壓差作用力，N

k——各因素比例系數(shù)，取0.35～1.55

Δp——卸種瞬間排種針型孔處內(nèi)外壓差，Pa

dx——排種針型孔處吸附面直徑，0.003 m

FC——種子所受離心力，N

Ff——種子受到排種針的摩擦力，N

FN——種子受到排種針的支持力，N

θ——卸種角，(°)

φ——種子與排種針的滑動摩擦角，取36.72°

Rp——排種針型孔處種子運動圓半徑，0.175 m

m——種子質(zhì)量，kg

G——種子自身重力，N

an——法向加速度，m/s2

聯(lián)立式(6)、(7)可得卸種瞬間種子法向加速度為

(8)

由式(8)可得，卸種瞬間種子法向加速度與種子所受壓差作用力、排種轉(zhuǎn)速、卸種角等因素相關(guān)。假設(shè)卸種瞬間種子法向初速度為v，則卸種瞬間種子水平和豎直方向速度為

(9)

簡化卸種過程受力，假設(shè)卸種瞬間種子所受排種針的支持力、摩擦力、離心力和壓差作用力瞬間消失，忽略種子脫離排種針時間差，種子受自身重力和空氣阻力投入插播器內(nèi)，因西洋參種子粒徑較小且速度較小，可忽略空氣阻力，卸種過程種子運動學方程為

(10)

式中Lx、Ly——卸種過程種子在水平和豎直方向運動距離，m

t1——卸種過程種子運動時間，s

聯(lián)立式(9)、(10)可得

(11)

由式(11)可知，卸種過程運動軌跡與排種轉(zhuǎn)速、卸種角、排種針型孔處種子運動圓半徑等因素相關(guān)。在卸種正壓區(qū)位置和排種針型孔處種子運動圓半徑確定的情況下，卸種角與卸種正壓有關(guān)，則卸種過程運動軌跡主要與排種轉(zhuǎn)速和卸種正壓有關(guān)，可分為3種：當卸種正壓相對值較大時，即vcosθ>ωpRpsinθ，運動軌跡背離種子運動圓切向方向，為正向卸種；當排種轉(zhuǎn)速和卸種正壓匹配時，即vcosθ=ωpRpsinθ，種子水平方向速度相互抵消，運動軌跡豎直向下，為直線卸種；當排種轉(zhuǎn)速相對值較大時，即vcosθ<ωpRpsinθ，運動軌跡偏向種子運動圓切向方向，為反向卸種。

2.3.2卸種過程高速攝影分析

由卸種過程運動分析可知，卸種過程運動軌跡與排種轉(zhuǎn)速、卸種正壓有關(guān)。為觀測排種轉(zhuǎn)速和卸種正壓對卸種過程種子遷移軌跡與水平位移的影響，根據(jù)文獻[3]并配合各因素可控范圍，確定吸種負壓為固定值-4.5 kPa，排種轉(zhuǎn)速為12～18 r/min，卸種正壓為2.5～3.5 kPa，采用二因素三水平試驗方法進行高速攝影試驗，試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of experiment

試驗材料選用威海文登催芽裂口西洋參種子，試驗裝置如圖8所示，主要由氣力針式精密集排器、美國Vision Research公司Phantom系列高速攝像儀、風機、U型壓差計(量程5 kPa)、計算機、Visico LED光源等組成。為方便拍攝和后續(xù)分析，選定集排器最外側(cè)一行為拍攝對象，采用10 mm×10 mm標準方格坐標紙為拍攝背景。

圖8 高速攝影試驗裝置Fig.8 Experiment device of high-speed photography1.高速攝像儀 2.風機 3.U型壓差計 4.電機 5.氣力針式精密集排器 6.坐標紙 7.計算機 8.LED光源

設(shè)置高速攝像儀拍攝速度為100 f/s(即相鄰兩幀時間間隔為0.01 s)、像素分辨率為2 048像素×1 952像素、曝光時間為100 μs，調(diào)節(jié)光源位置、拍攝距離和角度并校正相機光圈和焦距至畫面清晰端正。調(diào)整試驗參數(shù)至指定值，啟動高速攝像儀并設(shè)置錄制時間，每組試驗工況拍攝100粒種子，保存圖像和視頻文件至計算機端[24-25]。在高速攝影圖像處理軟件Phantom Camera Control Application圖像界面建立坐標系如圖9所示，設(shè)點O位置為坐標原點，將長度單位設(shè)置為mm，角度單位設(shè)置為(°)，通過Calibration(校準)功能校準當前視頻單位像素代表的實際長度。

圖9 高速攝影質(zhì)心點坐標標記Fig.9 Centroid coordinate mark by high-speed photography

在排種轉(zhuǎn)速為12 r/min和卸種正壓為3.5 kPa(圖10a)，以及排種轉(zhuǎn)速為18 r/min和卸種正壓為2.5 kPa(圖10b)兩種工況(理論極限運動軌跡)下隨機選取1粒西洋參種子提取每幀瞬時高速攝影圖像(共10幅)，為便于觀察，將種子標紅處理。由圖10可看出，當下落至坐標系70 mm處，即下落高度約55 mm，圖10a水平位移為正(正向卸種)，圖10b水平位移為負(反向卸種)。

圖10 卸種過程瞬時高速攝影圖像Fig.10 Instantaneous high-speed photography images of seed unloading process

受西洋參種子尺寸、形態(tài)、吸附姿態(tài)差異及質(zhì)心提取誤差等因素影響，同工況下不同種子卸種軌跡曲線呈現(xiàn)出在一定范圍內(nèi)波動，統(tǒng)計各工況下拍攝的100粒西洋參種子下落至坐標系70 mm處時水平位移，繪制折線概率分布圖[26]如圖11所示。

圖11 拍攝結(jié)果折線概率分布Fig.11 Broken line probability distributions of resulting pictures

由圖11可知，相同卸種正壓條件下，隨排種轉(zhuǎn)速的增加水平位移向負方向移動，但移動的幅度并不大；相同排種轉(zhuǎn)速條件下，隨卸種正壓的增加水平位移向正方向移動，移動的幅度較大；如圖11a所示，當卸種正壓為2.5 kPa時，水平位移主要集中分布在-10～0 mm間，為反向卸種；如圖11b所示，當卸種正壓為3.0 kPa時，水平位移主要集中分布在-5～5 mm間，可實現(xiàn)直線卸種；如圖11c所示，當卸種正壓為3.5 kPa時，水平位移主要集中分布在0～10 mm間，為正向卸種。

當吸種負壓為-4.5 kPa、排種轉(zhuǎn)速為12～18 r/min、卸種正壓為2.5～3.5 kPa、下落高度為0～55 mm時，前后方向水平位移主要集中分布在±10 mm以內(nèi)，因此，插播器接種口前后方向開度應(yīng)大于20 mm；卸種過程種子左右方向無作用力，左右方向水平位移可忽略，插播器接種口左右方向開度根據(jù)西洋參種子形狀尺寸確定，應(yīng)大于10 mm。綜合考慮，確定插播器接種口尺寸為12 mm×28 mm，保證有足夠的空間使西洋參種子順利投入插播器，增大卸種導(dǎo)種銜接過程可接受區(qū)域。

2.3.3插播器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

為保證卸種導(dǎo)種銜接過程種子能順利投入導(dǎo)種裝置插播器內(nèi)，需要確定排種裝置與導(dǎo)種裝置的位置關(guān)系。根據(jù)卸種瞬間排種針型孔與插播器接種口中心應(yīng)位于同一垂線上的位置要求，確定排種導(dǎo)種位置關(guān)系如圖12所示。導(dǎo)種裝置插播器最外端運動圓直徑為208 mm，與充種室不存在運動干涉，排種裝置和導(dǎo)種裝置圓心點水平與豎直距離分別為296、96 mm。

圖12 排種導(dǎo)種裝置位置關(guān)系圖Fig.12 Position relation diagram of seed metering and seed guiding devices

導(dǎo)種裝置為旋轉(zhuǎn)運動機構(gòu)，在整個周期內(nèi)運動狀態(tài)復(fù)雜，必須保證各部件不存在相互運動干涉問題。如圖12所示，卸種導(dǎo)種銜接過程，排種針與插播器回轉(zhuǎn)運動存在運動干涉區(qū)域，插播器活動端側(cè)面開有12 mm×24 mm的排種針避讓口。因插播器尺寸受播種深度、彈簧安裝位置和插播器在導(dǎo)種裝置相對位置的限制，綜合考慮，設(shè)計插播器整體尺寸為60 mm×20 mm×95 mm；西洋參播深約為20 mm，因此設(shè)計插播器尖端高度為18 mm，結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 插播器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.13 Schematics of inserting apparatus1.固定端 2.彈簧 3.活動端 4.軸銷 5.滾輪

2.4 投種控制凸輪設(shè)計

投種控制凸輪的間歇運動可完成在合適的位置與插播器活動端滾輪接觸，使其開啟至最大開啟角后保持開啟狀態(tài)，完成投種作業(yè)；插播器旋轉(zhuǎn)至尖端離開土壤后閉合，減少了對土壤的擾動且不易被土壤堵塞，整個過程是連續(xù)的。投種控制凸輪的輪廓曲線和安裝位置直接影響插播器開閉時間、開閉速率及開啟大小，研究導(dǎo)種過程運動規(guī)律，確定合適的插播器運動規(guī)律是設(shè)計合理凸輪輪廓曲線的關(guān)鍵[27]。

2.4.1導(dǎo)種過程運動分析

導(dǎo)種裝置徑向間隔60°均布6組插播器，各組插播器結(jié)構(gòu)及運動特性相同，取其中1組插播器尖端點B進行運動分析。以固定軸軸心為坐標原點，以播種機前進方向為X軸正方向，以過原點垂直向上為Y軸正方向，建立如圖14所示直角坐標系XOY，設(shè)t=0時，選取的插播器所在的行星輪軸軸心與Y軸正方向重合。插播器尖端點B運動軌跡方程為

圖14 插播器尖端運動軌跡Fig.14 Trajectory of inserting apparatus’s tip

(12)

式中xB、yB——插播器尖端點B在t2時刻軌跡坐標值，m

ωd——導(dǎo)種裝置角速度，rad/s

t2——導(dǎo)種裝置運動時間，s

Δx、Δh——行星輪軸軸心與插播器尖端水平和豎直距離，m

插播器尖端點B在X、Y軸方向速度分量為

(13)

則插播器尖端點B絕對速度為

(14)

插播器尖端點B的運動軌跡隨速比系數(shù)λ的不同而有所差異，速比系數(shù)計算式為

(15)

式中nd——導(dǎo)種裝置轉(zhuǎn)速，r/min

由式(15)可知，導(dǎo)種運動軌跡主要與導(dǎo)種裝置轉(zhuǎn)速、播種機前進速度和行星輪軸軸心與固定軸軸心距離等因素相關(guān)，在行星輪軸軸心與固定軸軸心距離和插播頻率確定的情況下，λ主要取決于播種機前進速度。其中，行星輪軸軸心與固定軸軸心距離為0.104 m，取導(dǎo)種裝置轉(zhuǎn)速為15 r/min，播種機前進速度為0.15 m/s，計算可知λ=1.09>1，即插播器尖端絕對運動軌跡為余擺線[28]，如圖14所示。

2.4.2導(dǎo)種過程仿真分析

為探究插播器運動規(guī)律和導(dǎo)種裝置低位零速投種條件，利用三維建模軟件UG建立導(dǎo)種裝置三維實體模型，添加約束建立虛擬裝配模型并導(dǎo)入虛擬樣機仿真分析軟件ADAMS中進行運動仿真分析，設(shè)置水平移速為0.15 m/s，運動循環(huán)周期為4 s，即導(dǎo)種裝置轉(zhuǎn)速為15 r/min，插播器尖端點B仿真運動軌跡(P1P2P3P4)和速度與加速度曲線如圖15所示。

圖15 插播器尖端仿真軌跡和速度與加速度曲線Fig.15 Simulation trajectory and velocity and acceleration curves of inserting apparatus’s tip

由圖15可知，一個運動循環(huán)周期可分為3個軌跡段：P1P2段：插播器從初始相位角0°轉(zhuǎn)到160°，此階段插播器處于下降段成穴，速度由最大值R2ωd+vm逐漸減小至0。P2P3段：插播器從相位角160°轉(zhuǎn)到200°，此階段插播器下降至最低點后上升，速度由0逐漸減小至最小值R2ωd-vm后逐漸增大至0，此階段速度接近0且處于低位，在此階段可基本保證低位零速投種。P3P4段：插播器從相位角200°轉(zhuǎn)到360°，此階段插播器處于上升段出穴，速度由0逐漸增大至最大值R2ωd+vm，進入下一運動循環(huán)周期。

一個運動循環(huán)周期內(nèi)存在2個速度為零的下降段點P2和上升段點P3，分別位于運動軌跡最低點環(huán)扣兩側(cè)最大橫弦處。若忽略插播器開啟至種子落入種穴時間差，當插播器在下降段點P2投種時，插播器開啟過程向下運動，會造成插播器充土堵塞；當插播器在上升段點P3投種時，插播器開啟過程向上運動，種子受重力作用落入種穴，可最大程度降低插播器堵塞和種子與種穴的彈跳滑移。

綜合分析仿真軌跡和速度與加速度曲線，仿真軌跡為余擺線，與理論軌跡基本一致，導(dǎo)種裝置可滿足平穩(wěn)導(dǎo)種要求，初步驗證了該裝置理論設(shè)計的合理性。導(dǎo)種裝置低位零速投種條件為：運動軌跡為余擺線，即λ>1；插播器在運動最低點處與投種控制凸輪開始接觸，上升段點P3處完成投種；插播器尖端在運動到最低點位置應(yīng)低于起壟面一定的高度，即播種深度。

2.4.3投種控制凸輪輪廓設(shè)計

插播器在運動最低點處，投種控制凸輪與活動端開始接觸，以逆時針方向為正，以圓心O到開啟段點a的連線為起始線Oa，圓心O到投種控制凸輪輪廓曲線上任意點連線與Oa夾角定義為投種控制凸輪轉(zhuǎn)角α，插播器固定端與活動端夾角定義為插播器擺角ψ。

投種控制凸輪輪廓設(shè)計采用反轉(zhuǎn)法，假設(shè)插播器固定在最低點位置，投種控制凸輪以-ωd順時針轉(zhuǎn)動，設(shè)計原理為擺動從動件凸輪機構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求，α與ψ最大值分別設(shè)計為30°與10°，投種控制凸輪輪廓曲線設(shè)計為推程段(推程角α1為0°～14°)、遠休止段(遠休止角α2為14°～26°)、回程段(回程角α3為26°～30°)和近休止段(近休止角α4為30°～360°)，如圖16a所示。為避免運動干涉且插播器可在無外力作用下由彈簧力保持閉合，將投種控制凸輪基圓部分(近休止段)去除。

圖16 投種控制凸輪輪廓設(shè)計示意圖Fig.16 Outline design sketch of dropping control cam

根據(jù)運動規(guī)律關(guān)系圖，采用圖解法，將活動端滾輪中心位置分布點擬合為光滑曲線，即投種控制凸輪理論廓線，根據(jù)滾輪半徑，作出滾輪圓族包絡(luò)線，即投種控制凸輪實際廓線，投種控制凸輪輪廓曲線示意圖如圖16b所示。其中，a為插播器閉合狀態(tài)結(jié)束點及開啟過程開始點，b為插播器開啟過程結(jié)束點及開啟狀態(tài)保持點，c為插播器開啟狀態(tài)結(jié)束點及閉合過程開始點，d為插播器閉合過程結(jié)束點。投種控制凸輪通過螺釘軸向固定在固定軸上，安裝位置為第四象限，與豎直方向夾角為20°。

3 播種機性能試驗

3.1 試驗材料與方法

為驗證窄行密植西洋參精密播種機播種作業(yè)效果，于2021年7月在武漢市農(nóng)業(yè)科學院設(shè)施蔬菜試驗基地開展田間播種試驗，土壤類型為沙壤土，含水率為14.75%、堅實度為261.96 kPa，播種作業(yè)前對地塊旋耕碎土整地處理；試驗對象選用威海文登催芽裂口西洋參種子，千粒質(zhì)量為53.26 g，含水率為37.90%，外形尺寸(長×寬×高)平均值為6.24 mm×5.04 mm×3.35 mm，幾何平均寬度為4.72 mm；試驗機具為窄行密植西洋參精密播種機，為方便測量數(shù)據(jù)，將覆土板拆卸，吸種負壓設(shè)定為-4.5 kPa，卸種正壓設(shè)定為3.0 kPa，作業(yè)速度設(shè)定為0.54 km/h，理論播種粒距100 mm，播種3壟。

播種作業(yè)后隨機選取每壟的6行作為測量對象，共測量18組試驗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)隨機統(tǒng)計中間段工作穩(wěn)定區(qū)域(前后各留5 m啟停距離)連續(xù)50種穴內(nèi)種子粒數(shù)并測量種穴距離和播種深度，測量工具為直角鋼尺(量程 200 mm和1 000 mm)、卷尺(量程5 000 mm)與纖維皮尺(量程20 000 mm)等，作業(yè)過程如圖17a所示，播種效果如圖17b所示。

圖17 田間試驗Fig.17 Field experiment pictures

由于目前我國尚沒有關(guān)于西洋參播種設(shè)備技術(shù)檢測的國家標準，參照國家標準GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機作業(yè)質(zhì)量》以及農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》的試驗方法和評價指標，主要指標為穴粒數(shù)合格率(1粒/穴占比)、重播率(大于1粒/穴占比)、空穴率(0粒/穴或未成穴占比)、播深合格率(理論播深±5 mm占比)和穴距合格率(理論穴距±15 mm占比)，根據(jù)測量結(jié)果，取平均值，計算各項試驗評價指標結(jié)果。

3.2 試驗結(jié)果與分析

田間試驗結(jié)果表明，樣機播種效果良好，行株距播深均勻，穴粒數(shù)合格率為86.2%，重播率為4.4%，空穴率為9.4%，播深合格率為92.8%，穴距合格率為93.9%，平均播深為19.71 mm，平均穴距為103.5 mm，各項試驗評價指標均達到設(shè)計要求和相關(guān)標準要求，滿足西洋參精密播種要求。

空穴產(chǎn)生的主要原因有：排種針存在吸種過程漏吸、攜種過程種子脫落等原因，導(dǎo)致卸種過程無種子現(xiàn)象；卸種導(dǎo)種銜接失敗，種子提前掉落在壟面土壤，后續(xù)種穴內(nèi)無種子。

重播產(chǎn)生的主要原因為：排種針吸種過程吸附多粒種子，順利攜種至卸種區(qū)，插播器順利接種、運種并成穴投種；另外觀察到漏播后間隔5穴出現(xiàn)重播的現(xiàn)象2次，未觀察到3粒/穴重播的現(xiàn)象，分析可能原因為：前續(xù)插播器投種失敗，后續(xù)接種成功，導(dǎo)致插播器內(nèi)存在2粒種子，順利運種并成穴投種。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種窄行密植西洋參精密播種機，可一次完成起壟、精密排種、平穩(wěn)導(dǎo)種和覆土等作業(yè)，闡述了播種機和排種裝置結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計了整機傳動方案?；谛行禽喯颠\動原理，重點設(shè)計了行星輪點播式全約束導(dǎo)種裝置，闡述了其結(jié)構(gòu)原理，通過機構(gòu)分析確定了行星輪系的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)通過卸種過程理論分析和高速攝影試驗，明確了卸種軌跡影響因素和卸種水平位移，結(jié)果表明，當吸種負壓為-4.5 kPa、排種轉(zhuǎn)速為12～18 r/min、卸種正壓為2.5～3.5 kPa時，前后方向水平位移主要集中分布在±10 mm以內(nèi)，確定插播器接種口尺寸為12 mm×28 mm；當卸種正壓為3.0 kPa、排種轉(zhuǎn)速為12～18 r/min時均可實現(xiàn)直線卸種，確定合適卸種正壓為3.0 kPa。通過導(dǎo)種軌跡理論與仿真分析，明確了插播器運動規(guī)律和低位零速投種條件，基于反轉(zhuǎn)法設(shè)計了投種控制凸輪輪廓。

(3)田間試驗表明，當吸種負壓為-4.5 kPa、卸種正壓為3.0 kPa、作業(yè)速度為0.54 km/h時，設(shè)計的播種機穴粒數(shù)合格率為86.2%，重播率為4.4%，空穴率為9.4%，播深合格率為92.8%，穴距合格率為93.9%，平均播深為19.71 mm，平均穴距為103.5 mm，滿足西洋參精密播種農(nóng)藝要求。