可保持式大蒜種帶播種機(jī)的設(shè)計(jì)

謝煜喆，王繼偉，高秀生，陳鳳，劉煥偉，胡彩旗

（1.266109 山東省 青島市 青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.265200 山東省 萊陽(yáng)市 萊陽(yáng)市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所）

0 引言

大蒜是我國(guó)優(yōu)勢(shì)極為顯著的特色農(nóng)產(chǎn)品之一，我國(guó)也是世界上最大的大蒜生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)[1-3]。目前，我國(guó)大蒜總種植面積約為75 萬(wàn)hm2，居世界首位[4-5]。

為了保證大蒜播種出苗率、提高大蒜產(chǎn)量，蒜種播入種溝要求鱗芽直立向上。由于大蒜形狀的不規(guī)則性，目前大蒜的機(jī)械化播種難以完全解決這一問題，因此長(zhǎng)期以來(lái)大蒜種植主要依靠人工播種完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，成為制約大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。實(shí)現(xiàn)大蒜播種的機(jī)械化，確保大蒜播種精準(zhǔn)定向，提高大蒜播種的正頭率，是當(dāng)前迫切需要解決的問題[6-7]。

蔬菜種繩播種機(jī)通過對(duì)包衣的小籽粒種子所編織的種繩進(jìn)行播種，滿足了精量化播種的需求，減少了傳統(tǒng)播種不均勻帶來(lái)的間苗和補(bǔ)苗的工作量[8-9]。受此啟發(fā)，本文提出通過對(duì)加寬的種繩所形成的種帶播種，實(shí)現(xiàn)蒜瓣鱗芽朝上入土，提高大蒜機(jī)械化播種質(zhì)量。運(yùn)用三維軟件SolidWorks 對(duì)種帶播種機(jī)構(gòu)、種帶定向保持機(jī)構(gòu)、開溝裝置、施肥裝置等零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和三維建模，并運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 對(duì)主要播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，獲得大蒜播種過程中種帶和蒜種關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，確保該種帶播種機(jī)能夠滿足大蒜種植鱗芽朝上和精量播種的農(nóng)藝要求。

1 大蒜種帶播種機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 大蒜種子外形尺寸測(cè)量

為了確定播種機(jī)構(gòu)的尺寸，隨機(jī)抽樣100 個(gè)大蒜種子進(jìn)行外形長(zhǎng)度、寬度和高度的尺寸測(cè)量（如圖1 所示），測(cè)量結(jié)果見表1。

圖1 大蒜種子尺寸測(cè)量Fig.1 Garlic size measurement

表1 大蒜種子主要尺寸統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Main dimensions of garlic

為了保證播種時(shí)大蒜種子的行距和株距，根據(jù)大蒜種植的農(nóng)藝要求，將種子以固定的間距，統(tǒng)一的姿態(tài)，定向包裹密封在帶狀且可降解的薄膜中，即制成大蒜種帶。種帶的尺寸根據(jù)表1 大蒜種子外形尺寸確定，并由此確定播種機(jī)構(gòu)的雙側(cè)鎮(zhèn)壓滾輪間距為24.5 mm，鎮(zhèn)壓滾輪直徑為50 mm。

1.2 種帶盤結(jié)構(gòu)

大蒜種帶纏繞在種帶盤上，種帶盤置于支架上，播種機(jī)工作時(shí)種帶盤轉(zhuǎn)動(dòng)，種帶排出，當(dāng)種帶用完時(shí)，可快速更換已繞滿種帶的種帶盤。種帶盤與種帶盤支架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 種帶盤及其支架Fig.2 Seed tape trays and their supports

1.3 可保持式定向播種裝置

為保證大蒜種帶在播種過程中的姿態(tài)不變保持定向，通過可保持式定向播種裝置使大蒜種帶按照各滾輪所設(shè)定的軌道運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定向播種。為增大摩擦力，又不損傷大蒜種子，滾輪采用橡膠材料。

可保持式定向播種裝置主要由機(jī)架、軸承座、主動(dòng)滾輪、鎮(zhèn)壓滾輪、換向滾輪、鏈輪及傳動(dòng)主軸組成。地輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，通過鏈輪和鏈傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)滾輪通過摩擦帶動(dòng)鎮(zhèn)壓滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，大蒜種帶在主動(dòng)滾輪和鎮(zhèn)壓式滾輪的可保持式夾持輸送下，按照既定軌道行進(jìn)，且種帶線速度與機(jī)器行進(jìn)速度一致，最后落入大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器已開好的種溝中?？杀３质蕉ㄏ虿シN裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示，種帶的行進(jìn)路線如圖4 所示。

圖3 可保持式定向播種裝置Fig.3 Maintainable directional seeding device

圖4 種帶行進(jìn)路線圖Fig.4 Route map of planting rope

該種帶播種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，工作可靠。為了保持種帶不偏轉(zhuǎn)，雙側(cè)鎮(zhèn)壓滾輪間距根據(jù)所測(cè)大蒜種子寬度確定為24.5 mm。同時(shí)，為了確保種帶線速度與機(jī)器行進(jìn)速度一致，地輪直徑確定為500 mm，主動(dòng)滾輪直徑為100 mm，地輪鏈輪與可保持式定向播種裝置鏈輪傳動(dòng)比為0.2。

1.4 大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器

大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器如圖5 所示，主要由大圓盤、小圓盤、軸承及軸承端蓋、立柱等零部件組成，此開溝器隨著機(jī)具作業(yè)時(shí)可同時(shí)開出兩條溝，滿足播種與施肥要求，交錯(cuò)排列的雙圓盤能夠提高切土、切斷雜草殘茬能力。

圖5 大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器Fig.5 Size staggered double disc opener

綜合考慮大蒜種植農(nóng)藝要求，取大圓盤直徑為φ340，小圓盤直徑為φ310，兩者均為平面圓盤，兩圓盤前后、上下交錯(cuò)，這種布置方式可使開溝器開出深度不同、位置不同的兩條溝。大蒜播種時(shí)種溝溝深一般為5 cm，然后蒜種上方覆土1 cm，所以小圓盤開出的淺溝進(jìn)行播種，大圓盤開出的深溝進(jìn)行施肥，實(shí)現(xiàn)肥料與大蒜種子水平方向相距5 cm、深度方向相距3 cm，實(shí)現(xiàn)種肥分施，避免肥料與蒜種直接接觸，造成燒種、燒苗現(xiàn)象，影響大蒜產(chǎn)量。由于大小交錯(cuò)的布置形式，使得大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器作業(yè)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大側(cè)向力，在整機(jī)使用時(shí)應(yīng)對(duì)稱安裝，抵消側(cè)向力，并且立柱選用剛度較強(qiáng)的材料[10-11]。

大小交錯(cuò)雙圓盤前端交點(diǎn)為開溝器聚點(diǎn)m，如圖6 所示，聚點(diǎn)角度為β，大圓盤開溝寬度受大圓盤直徑D1和圓盤夾角φ的影響；小圓盤開溝寬度受小圓盤直徑D2和圓盤夾角φ的影響，大、小圓盤開溝寬度計(jì)算公式分別為[10]

圖6 大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器聚點(diǎn)示意圖Fig.6 Gathering point of size staggered double disc opener

式中：b1——大圓盤開溝寬度，mm；b2——小圓盤開溝寬度，mm；D1——大圓盤直徑(mm)；D2——小圓盤直徑，mm；β——聚點(diǎn)夾角，°；φ——雙圓盤夾角，°。

由式（1）、式（2）可知，大蒜種帶播種機(jī)開溝寬度主要由圓盤直徑及夾角決定。

2 大蒜種帶播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)

2.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

可保持式大蒜種帶播種機(jī)由種帶盤、施肥裝置、三點(diǎn)懸掛、機(jī)架、地輪、大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器、可保持式種帶播種裝置、覆土器、鎮(zhèn)壓器及安裝附件等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)雙行播種，配套動(dòng)力為58.8 kW，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 大蒜播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of garlic planter

2.2 工作原理

該大蒜種帶播種機(jī)工作時(shí)通過三點(diǎn)懸掛由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，所有動(dòng)力由地輪通過鏈輪和鏈傳動(dòng)傳遞到各個(gè)機(jī)構(gòu)。

（1）大蒜種帶播種機(jī)播種結(jié)束后再施肥易造成種帶移位甚至斷裂，因此采用種肥并行分施結(jié)構(gòu)。施肥裝置主要由肥料箱、排肥器、大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器等零部件組成。地輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，通過鏈輪和鏈傳動(dòng)為施肥裝置提供動(dòng)力，肥料箱中的肥料在外槽輪式排肥器的作用下進(jìn)入排肥管，然后落入大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器開好的肥溝中。

（2）種帶盤中的大蒜種帶在主動(dòng)滾輪和鎮(zhèn)壓滾輪的可保持式夾持輸送下，通過播種裝置進(jìn)入大小交錯(cuò)雙圓盤開溝器開好的種溝內(nèi)。

（3）播種完成后，由覆土器將肥料與種帶覆土，鎮(zhèn)壓器進(jìn)行鎮(zhèn)壓覆蓋。

3 基于ADAMS 的播種裝置仿真分析

多體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 能夠?qū)μ摂M樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及靜力學(xué)仿真分析。為了進(jìn)一步分析可保持式定向播種裝置的定向性能，掌握大蒜在播種過程中的姿態(tài)，本文運(yùn)用ADAMS 對(duì)可保持式定向播種裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。首先，在ADAMS 環(huán)境下建立種帶播種裝置系統(tǒng)模型，并對(duì)各相關(guān)零部件添加約束；然后對(duì)可保持式大蒜種帶定向播種裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。整體機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度與主動(dòng)滾輪線速度保持一致。為了準(zhǔn)確獲取在播種過程中大蒜的姿態(tài)，選取種帶中的一個(gè)蒜瓣，在蒜瓣的鱗芽部與根部各建立一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)158（鱗芽部）和159（根部），標(biāo)記點(diǎn)位置如圖8 所示。分析并提取蒜種的質(zhì)心及2 個(gè)標(biāo)記點(diǎn)隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線如圖9 所示。

圖8 蒜瓣標(biāo)記點(diǎn)Fig.8 Garlic marker points

圖9 蒜瓣運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖Fig.9 Trajectory of garlic

ADAMS 仿真中坐標(biāo)系原點(diǎn)在播種機(jī)構(gòu)主動(dòng)滾輪的圓心位置，初始位置1 為距離主動(dòng)滾輪圓心上方250 mm 處，如圖10 所示。

圖10 蒜瓣下落過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of garlic falling

由圖9 可以看出，由于種帶行進(jìn)速度與機(jī)組前進(jìn)速度保持一致，蒜瓣位移整體上與時(shí)間成線性關(guān)系。標(biāo)記點(diǎn)158 的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線與標(biāo)記點(diǎn)159 的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線在1.0 s 左右發(fā)生突變，由此可以判斷蒜瓣在主動(dòng)滾輪與種帶切點(diǎn)位置（圖10 點(diǎn)2 處）由鱗芽?jī)A斜向下轉(zhuǎn)變?yōu)轺[芽?jī)A斜向上；3.0 s 之后，標(biāo)記點(diǎn)158、標(biāo)記點(diǎn)159 與質(zhì)心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線基本都相對(duì)水平線平行，可以判斷此時(shí)蒜瓣豎直向上。即經(jīng)可保持式定向播種裝置播種后，蒜瓣為鱗芽豎直向上狀態(tài)，滿足大蒜播種的直立性要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在大蒜播種過程中，要求蒜瓣落入種溝時(shí)必須鱗芽向上才能保證大蒜出苗率。針對(duì)這一問題，本文提出了可保持式大蒜種帶播種機(jī)的設(shè)計(jì)。首先，作為播種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)和參考，統(tǒng)計(jì)測(cè)量了大蒜的外形尺寸；其次，主要進(jìn)行可保持式大蒜種帶播種機(jī)關(guān)鍵部件及其整機(jī)的設(shè)計(jì)，并用SolidWorks 進(jìn)行三維建模；最后，基于動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)關(guān)鍵部件—可保持式定向播種裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真獲得大蒜播種過程中蒜瓣的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)軌跡。仿真結(jié)果表明：經(jīng)過可保持式定向播種裝置播種后，蒜瓣為鱗芽豎直向上狀態(tài)，滿足大蒜播種的直立性要求。