平貝母播種機(jī)的設(shè)計與試驗

孫霖生，胡 軍，宋 江，劉昶希，李寧飛

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省保護(hù)性耕作工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319)

0 序言

平貝母，又名坪貝、貝母、平貝，屬于百合科植物，性苦味甘，具有清熱潤肺，化痰止咳的功效[1-3]。平貝母是我國特有的一種名貴藥用植物[4]，在黑龍江省得到廣泛栽培。隨著中草藥市場的不斷擴(kuò)大，自黨的十八大以來，國家將中草藥的發(fā)展作為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要舉措，并頒布了《中草藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要(2016—2030年)》《中醫(yī)藥法》《全國道地藥材生產(chǎn)基地建設(shè)規(guī)劃(2018—2025年)》等相關(guān)政策，進(jìn)一步為我國中草藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。隨著中藥材種植產(chǎn)業(yè)和市場的不段擴(kuò)大，越來越多種植戶不斷引入中藥材的種植。但是平貝母種子大小形狀各不相同，每個類型的特異性也不同，導(dǎo)致平貝母的種植過程仍是以人工為主，機(jī)械化程度很低。因此，結(jié)合平貝母栽培全程機(jī)械化的實際問題，研究適合平貝母栽培的配套機(jī)械對發(fā)展黑龍江省平貝母栽培的機(jī)械化、推動黑龍江省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、提高農(nóng)民收入具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

在滿足栽培農(nóng)藝要求的前提下，設(shè)計一種平貝母播種機(jī)。其機(jī)械化栽培需要滿足以下要求：1)工作地面需要松軟平坦，便于播種作業(yè)的推進(jìn)；2)選擇1 200 mm寬的畦[5]，便于整機(jī)前進(jìn)；3)畦床間距選擇400 mm[6]，可以避免地輪對畦床的損傷，有效降低傷種現(xiàn)象。

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

平貝母播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要是由推土鏟、排種帶、種箱、護(hù)種板、振動電機(jī)、鎮(zhèn)壓輥、地輪、傳動機(jī)構(gòu)、調(diào)速電機(jī)和機(jī)架等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.調(diào)速電機(jī)；2.振動電機(jī)；3.種箱；4護(hù)種板；5.機(jī)架；6.推土鏟；7.地輪；8.傳動軸；9.排種帶；10.傳動機(jī)構(gòu)；11.鎮(zhèn)壓輥

1.2 工作原理

根據(jù)平貝母的種植農(nóng)藝技術(shù)要求，平貝母為小規(guī)模種植，每塊畦床面積為667 m2，為了便于操作使用調(diào)速電機(jī)為整機(jī)提供主要輸出動力，通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速控制排種帶轉(zhuǎn)速，通過更換鏈輪齒數(shù)改變傳動比從而改變整機(jī)的前進(jìn)速度；推土鏟是斜角型，負(fù)責(zé)清理地塊雜質(zhì)，使作業(yè)地面保持平坦；種箱斜邊配合振動電機(jī)促使種子順利下滑，通過種箱底部三角板引導(dǎo)進(jìn)入排種通道，種箱底部四周毛刷可以防止種子在排種區(qū)亂動，同時刮去多余種子并輔助種子進(jìn)入型孔；種子隨著排種帶前進(jìn)到護(hù)種板直至種子到達(dá)末端在自重力作用下落到土地中；最后由鎮(zhèn)壓輥將種子壓入土地，完成整個播種過程。

2 播種機(jī)作業(yè)性能的試驗研究

本次排播種試驗的處理和評價依據(jù)農(nóng)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T19293—2001《(單粒精密)播種機(jī)技術(shù)條件》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》。已知精量播種機(jī)的主要性能指標(biāo)有粒距合格率A、重播率D及漏播率M。

各指標(biāo)的計算方法如式(1)

(1)

式中n0—合格數(shù)；

n1—重播數(shù)；

n2—漏播數(shù)；

N—總區(qū)間數(shù)。

評價指標(biāo)如表1。

表1 作業(yè)性能指標(biāo)

2.1 試驗臺設(shè)計與搭建

試驗選擇1.2 m×50 m的畦床地塊，準(zhǔn)備含水率為66.5%的小貝種子5 kg，選擇平穩(wěn)階段通過測量計算株距和行距，記錄下試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理與分析，確定出最佳試驗因素取值。播種機(jī)的作業(yè)性能試驗采用單因素試驗法，選取三個因素，固定其中兩個，改變一個因素，并觀察該因素對各個性能指標(biāo)的影響。本文選擇對平貝母播種機(jī)最大的三個試驗因素前進(jìn)速度v、型孔直徑L、投種高度h進(jìn)行試驗，以播種的合格率A、重播率D和漏播率M為作業(yè)效果指標(biāo)來檢驗排種性能。

2.2 播種機(jī)試驗

前進(jìn)速度、型孔直徑、投種高度是播種機(jī)工作性能指標(biāo)的重要影響因素，設(shè)其他參數(shù)不變，分別選取前進(jìn)速度、型孔直徑、投種高度的六個不同因素水平等級進(jìn)行性能試驗，三種狀況分別為：當(dāng)L=20 mm，h=80 mm時，選取v=0.36 km·h-1，0.72 km·h-1，1.08 km·h-1，1.44 km·h-1，1.80 km·h-1，2.16 km·h-1；當(dāng)v=1.08 km·h-1，h=80 mm時，選取L=20 mm，22 mm，24 mm，26 mm，28 mm，30 mm；當(dāng)v=1.08 km·h-1，L=22 mm時，選取h=40 mm，60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm，試驗結(jié)束后，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，根據(jù)GB6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》的取樣方法，去除試驗開頭和結(jié)尾處的株距，選取播種機(jī)平穩(wěn)運行時的一段作為測量范圍，每一組試驗測量連續(xù)的207個粒距，統(tǒng)計其合格率、重播率、漏播率，試驗重復(fù)三次進(jìn)行，測量結(jié)果求其平均值。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 前進(jìn)速度對播種機(jī)工作性能的影響

前進(jìn)速度對播種機(jī)工作性能進(jìn)行驗證的試驗結(jié)果如表2。

表2 前進(jìn)速度對排種性能的影響

由表2可知，在前進(jìn)速度選擇范圍內(nèi)，播種機(jī)的合格率均高于80%，排種性能效果較好。從整個試驗過程來看，合格率隨著前進(jìn)速度的不斷增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當(dāng)v=1.08 km·h-1時，合格率有最高值為96.17%，重播率和漏播率也出現(xiàn)最低值分別為1.92%、1.91%；在前進(jìn)速度v=0.36 km·h-1時，此時重播率最高為9.13%；在前進(jìn)速度v=2.16 km·h-1時，漏播率高達(dá)10.26%。

通過數(shù)據(jù)分析得出播種機(jī)的前進(jìn)速度較低時，充種效果較好，原因是整機(jī)在低速運轉(zhuǎn)時種子有充足的時間進(jìn)入型孔，但是造成重播率較高，因此合格率降低。當(dāng)前進(jìn)速度過快時，整機(jī)的轉(zhuǎn)速也處于高速狀態(tài)，種子沒有充足的時間進(jìn)入型孔，造成漏播率明顯上升，另一方面，投種時種子的初速度會增大，造成株距分布不均勻，導(dǎo)致重播率上升，合格率降低。

綜上所述，播種機(jī)的前進(jìn)速度對合格率、重播率及漏播率三個性能指標(biāo)具有顯著影響，說明前進(jìn)速度對排種性能影響較大。通過單因素試驗得出v在0.72～1.44 km·h-1區(qū)間內(nèi)合格率相對較高，在v=1.08 km·h-1時合格率最高為96.17%。

3.2 型孔直徑對播種機(jī)工作性能的影響

型孔直徑對播種機(jī)工作性能進(jìn)行驗證的試驗結(jié)果如表3。

表3 型孔直徑對排種性能的影響

由表3可知，在型孔直徑選擇范圍內(nèi)，播種機(jī)的合格率均高于80%，排種性能良好。從整體分析隨著型孔直徑的不斷上升，合格率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在L=24 mm時合格率最高為94.04%；當(dāng)L=30 mm時，合格率偏低為86.75%，此時的重播率最高值為10.79%；當(dāng)L=18 mm時，合格率最低為83.46%，此時的漏播率最高為14.57%，重播率偏低為1.97%。

通過數(shù)據(jù)分析得出播種機(jī)的型孔直徑較小，種子在充種過程中進(jìn)入型孔比較困難，造成漏播現(xiàn)象明顯；型孔直徑較大時，由于型孔直徑的增大，種子容易進(jìn)入型孔，也會造成多個種子進(jìn)入型孔，造成重播的現(xiàn)象。

綜上所述，播種機(jī)的型孔直徑對合格率、重播率及漏播率三個性能指標(biāo)具有顯著影響，說明型孔直徑對排種性能影響較大。通過單因素試驗得出L在20～24 mm區(qū)間內(nèi)合格率均在90%以上，播種機(jī)的作業(yè)指標(biāo)較好，工作性能穩(wěn)定。

3.3 投種高度對播種機(jī)工作性能的影響

投種高度對播種機(jī)工作性能進(jìn)行驗證的試驗結(jié)果如表4。

表4 投種高度對排種性能的影響

綜合表4可知，隨著投種高度的不斷升高，合格率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。當(dāng)h=80 mm時，合格率最高為92.17%，重播率最低為4%，漏播率最低為4%；當(dāng)h=40 mm時，重播率出現(xiàn)最高值為12.65%；當(dāng)h=140 mm時，合格率最低為77.78%，重播率最高為10.24%，漏播率最高為11.98%。

通過數(shù)據(jù)分析可以得出投種高度越高，種子落地后的離散性越大，從而增大重播率和漏播率，導(dǎo)致合格率降低。從合格率的數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)h在60～100 mm區(qū)間內(nèi)，合格率先上升后下降，重播率和漏播率先下降后上升，導(dǎo)致這一情況出現(xiàn)的原因是隨著投種高度的增大，種子落地后自由度增大，填補(bǔ)了漏播的位置。

綜上所述，播種機(jī)的投種高度對合格率、重播率以及漏播率三個性能指標(biāo)具有顯著影響，說明投種高度對排種性能影響較大。

4 結(jié)論

本文對平貝母播種機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述，為驗證整機(jī)的合理性對其進(jìn)行了試驗，并得出以下結(jié)論：

1)播種機(jī)的前進(jìn)速度、型孔直徑和投種高度對合格率、重播率及漏播率三個性能指標(biāo)都具有顯著影響；

2)當(dāng)v=0.72 km·h-1、L=20 mm、h=90 mm時，播種作業(yè)的平均合格率為94.13%；

3)在誤差范圍內(nèi)，各指標(biāo)均符合精量播種標(biāo)準(zhǔn)，但是排種裝置作業(yè)容易受到土地平坦程度和自然環(huán)境的影響。