弧形鴨嘴式大蒜正芽播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔榮江 王小瑜 信嘉程 孫 良 武傳宇

(1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 310018；2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100；3.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018)

0 引言

目前中國(guó)大蒜種植主要依靠人手工進(jìn)行，原因在于國(guó)內(nèi)大蒜種植要求鱗芽向上(正芽)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)成本高。歐美國(guó)家大蒜種植多以平放為主，其播種方式目前還不能被國(guó)內(nèi)廣泛接受[1-2]。因此，設(shè)計(jì)一款具有正芽功能的大蒜播種機(jī)對(duì)中國(guó)大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義，特別是國(guó)內(nèi)種植面積最廣的雜交蒜品種。

正芽播種機(jī)一般由單粒取種裝置、鱗芽方向控制裝置和直立下栽裝置組成[3-4]。單粒取種裝置控制播種機(jī)的單粒率，主要有鏈勺式、轉(zhuǎn)勺式、振動(dòng)式，其中鏈勺式國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，但還無(wú)法實(shí)現(xiàn)多級(jí)取種[5]。大蒜鱗芽方向控制裝置是正芽播種機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，也是目前研究熱點(diǎn)，如：李華峰[6]發(fā)明了一種利用水進(jìn)行大蒜鱗芽方向控制的方法，但濕的鱗芽會(huì)造成下栽鴨嘴粘土；薦世春等[7]設(shè)計(jì)了一種錐形螺旋導(dǎo)種管定向裝置，依靠大蒜鱗芽在螺旋彈簧中碰撞進(jìn)行鱗芽方向調(diào)整，整機(jī)工作效率和穩(wěn)定性較低；韓國(guó)KSF株式會(huì)社提出利用大蒜鱗芽芽尖細(xì)長(zhǎng)特征進(jìn)行大蒜鱗芽方向控制的方法[8]。崇俊等[9]發(fā)明了多層錐碗進(jìn)行大蒜鱗芽方向控制，針對(duì)商河當(dāng)?shù)赝庑我?guī)范的薹蒜品種適應(yīng)性較好；耿愛(ài)軍等[10]提出種盒式大蒜播種方式，但自動(dòng)化程度低。除機(jī)械式，楊清明等[11]、LEI 等[12]、郭英芳[13]、高遲[14]、王娟等[15]、GENG 等[16]、LI等[17]先后提出利用圖像處理技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、光電識(shí)別技術(shù)和紅外線技術(shù)進(jìn)行大蒜鱗芽方向控制，目前光電式鱗芽方向控制方式仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。直立下栽裝置決定著大蒜鱗芽入土后的姿態(tài)，平行四邊形機(jī)構(gòu)[18]、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[19]、五桿機(jī)構(gòu)[20]和行星輪機(jī)構(gòu)[21]被用于大蒜鱗芽的直立下栽。

本文以實(shí)現(xiàn)大蒜正芽播種為目標(biāo)，設(shè)計(jì)弧形鴨嘴式大蒜正芽播種機(jī)，對(duì)播種機(jī)的單粒取種裝置、鱗芽方向控制裝置、直立下栽裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決現(xiàn)有正芽大蒜播種機(jī)對(duì)雜交蒜正芽播種效果不理想和播種效率低的問(wèn)題。

1 大蒜鱗芽外形尺寸參數(shù)測(cè)定

蒼山四六瓣蒜和金鄉(xiāng)雜交蒜是中國(guó)有代表性的大蒜品種，如圖1所示。蒼山四六瓣大蒜鱗芽芽尖直長(zhǎng)、種體形態(tài)規(guī)則；金鄉(xiāng)雜交大蒜鱗芽芽尖短且彎，種體形態(tài)相對(duì)復(fù)雜。本文以兩類大蒜品種為研究對(duì)象，進(jìn)行大蒜鱗芽的外形尺寸參數(shù)測(cè)定，為播種機(jī)部件設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

圖1 兩種大蒜鱗芽

適于播種的大蒜鱗芽質(zhì)量一般為3～6 g，以1 g為單位，將每個(gè)等級(jí)蒜種隨機(jī)取樣100顆作為測(cè)量樣本，統(tǒng)計(jì)其長(zhǎng)度L、寬度B、厚度H、根部直徑D1(根部形狀為非圓時(shí)，取較窄位置寬度)和芽尖縱向長(zhǎng)度t1、芽尖橫向長(zhǎng)度t2，鱗芽外形尺寸參數(shù)如圖2所示。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)兩種大蒜鱗芽的長(zhǎng)度L、寬度B、厚度H進(jìn)行概率分布，將不同的頻數(shù)除以總頻數(shù)得到頻率。

圖2 鱗芽外形尺寸示意圖

由鱗芽外形尺寸均值可知，金鄉(xiāng)雜交蒜的長(zhǎng)、寬、厚隨鱗芽質(zhì)量增加而均勻增加，而鱗芽芽尖長(zhǎng)度增加卻不明顯，芽尖縱向長(zhǎng)度t1和芽尖橫向長(zhǎng)度t2差距不大，兩者均值處于5.1～6.6 mm之間，根部最小直徑D1的均值大于6 mm；蒼山四六瓣3～5 g鱗芽外形尺寸變化不明顯，與金鄉(xiāng)雜交蒜3～4 g鱗芽相近，芽尖縱向長(zhǎng)度t1均值達(dá)到14 mm以上，比芽尖橫向長(zhǎng)度t2長(zhǎng)很多，根部最小直徑D1>5 mm。由大蒜鱗芽尺寸頻率分布直方圖可知，兩種品種大蒜鱗芽的外形尺寸在等級(jí)內(nèi)均呈正態(tài)分布，尺寸比較集中；不同等級(jí)間的蒜種外形尺寸變化比較明顯，呈階梯式增長(zhǎng)。本文按鱗芽直徑(寬和厚的較大者)將鱗芽分為小、中、大3個(gè)等級(jí)，即15～18 mm、18～23 mm、23～28 mm。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2BUX-11型大蒜正芽播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由單粒取種裝置(排種器)、鱗芽方向控制裝置(換向器)、直立下栽裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、旋耕裝置、鎮(zhèn)壓輪、地輪和機(jī)架等組成，可一次完成取種、換向、直立栽種和鎮(zhèn)壓作業(yè)。播種機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示，地輪軸Ⅰ到地輪軸Ⅱ?yàn)橐患?jí)傳動(dòng)i1，對(duì)應(yīng)鏈輪齒數(shù)分別為Z1、Z2；地輪軸Ⅱ到下栽裝置主動(dòng)軸為二級(jí)傳動(dòng)i2，對(duì)應(yīng)鏈輪齒數(shù)分別為Z3、Z4；下栽機(jī)構(gòu)主動(dòng)軸到單粒取種裝置主軸為三級(jí)傳動(dòng)i3，對(duì)應(yīng)鏈輪齒數(shù)分別為Z5、Z6。

圖3 2BUX-11型大蒜正芽播種機(jī)

圖4 播種機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2.2 工作原理

播種機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛架與拖拉機(jī)后懸掛系統(tǒng)掛接，拖拉機(jī)牽引機(jī)具作業(yè)。拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出連接旋耕裝置，將拖拉機(jī)輪胎壓痕重新旋起，由鎮(zhèn)壓輪將種植面壓平，保證種植深度一致。在拖拉機(jī)牽引下，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力按一定傳動(dòng)比同時(shí)傳遞給直立下栽裝置和單粒取種裝置。單粒取種裝置在動(dòng)力作用下將鱗芽從種箱逐顆取出，逐顆落入換向器(鱗芽芽尖向上或向下)，進(jìn)行鱗芽方向調(diào)整(換向原理見(jiàn)3.2節(jié))，直立下栽裝置同步轉(zhuǎn)動(dòng)，下栽鴨嘴與換向器活動(dòng)半件碰撞，大蒜鱗芽直立落入下栽鴨嘴，由直立下栽裝置實(shí)現(xiàn)鱗芽入土后的直立栽種，最后地輪完成鎮(zhèn)壓。

2.3 技術(shù)參數(shù)

2BUX-11型大蒜正芽播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)為：11行、行距180 mm、株距100～150 mm可調(diào)整、播深10～20 mm可調(diào)整。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 單粒取種裝置

3.1.1單粒取種裝置結(jié)構(gòu)

播種機(jī)單粒取種裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，由種箱、排種鏈條、取種勺、防漏槽、護(hù)種槽、主動(dòng)鏈輪、清種鏈輪、張緊鏈輪、從動(dòng)鏈輪和其它輔助零部件組成。種箱底部設(shè)有防漏槽，其高度等于兩取種勺間的距離，避免排種時(shí)蒜種外漏；取種勺體采用方型、修圓角設(shè)計(jì)，配合防漏槽結(jié)構(gòu)，避免卡傷蒜種。種箱前端設(shè)有高度可調(diào)擋板，根據(jù)蒜種的大小、濕度，調(diào)整擋板高度控制充種區(qū)蒜種數(shù)量；滑種板與防漏槽配合，實(shí)現(xiàn)種箱蒜種排盡；張緊鏈輪和清種鏈輪處設(shè)有護(hù)種盒，避免蒜瓣卡入鏈輪和鏈條之間；護(hù)種槽下方設(shè)有彈簧，避免裝配間隙過(guò)小，取種勺與護(hù)種槽剛性接觸。

圖5 鏈勺式單粒取種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.1.2單粒取種裝置工作原理

作業(yè)時(shí)，蒜種在取種勺攪動(dòng)作用下進(jìn)行分種，形成速度不等的種層，在蒜種自身重力、蒜種間碰撞摩擦力作用下進(jìn)行充種作業(yè)。當(dāng)取種勺攜帶蒜種運(yùn)移到清種鏈輪時(shí)，在離心力作用下，取種勺內(nèi)位置差的多余蒜種被甩出，落在滑種板回到充種區(qū)，完成清種。取種勺帶著蒜種越過(guò)排種鏈輪最高點(diǎn)，蒜種在取種勺離心力及自身重力作用下從取種勺掉落至前一取種勺背部，相鄰種勺與護(hù)種槽間形成封閉空間，進(jìn)行平穩(wěn)導(dǎo)種，被運(yùn)移至投種點(diǎn)時(shí)，蒜種離開(kāi)與護(hù)種槽形成的封閉空間，在離心力和重力作用下落入換向器。

3.1.3單粒取種裝置清種角優(yōu)化

以一級(jí)清種角γ為例，清種過(guò)程中蒜種受力如圖6所示，鱗芽在取種勺中受重力mg、孔壁反力N1及N2和離心力F1作用。

圖6 大蒜種子受力分析

離心力為

(1)

式中v——鏈條運(yùn)動(dòng)速度，m/s

r1——蒜種重心與鏈輪圓心距離，mm

m——蒜種質(zhì)量，g

清種過(guò)程中鱗芽受力平衡，即

(2)

由式(2)可知，當(dāng)γ=0°時(shí)，取種勺對(duì)蒜種的支撐力和離心力達(dá)到平衡，如果清種角增加，勺體內(nèi)蒜種在離心力作用下極易被甩出。根據(jù)前期研究[5]，二級(jí)清種角β為0°時(shí)，清種效果較好，但長(zhǎng)期應(yīng)用后，取種鏈條會(huì)因塑性變形而變長(zhǎng)，清種角β變大，造成一定漏播。為減少漏播，二級(jí)清種角β增設(shè)預(yù)變形角度5°(預(yù)變形角度是排種鏈條運(yùn)行1個(gè)播種季節(jié)后得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù))，后續(xù)應(yīng)用試驗(yàn)表明預(yù)變形角度可保證排種器清種效果長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3.1.4取種勺結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖7 取種勺

充種腔作用是方便鱗芽進(jìn)入取種勺，清種腔作用是將位置不好的多余大蒜鱗芽清除取種勺。設(shè)充種腔體長(zhǎng)度為ks、寬度為bs、高度為hs，充種角為φ；清種腔體長(zhǎng)度為ks1、寬度為bs1、高度為hs1，清種角為φ1，取種勺結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖8所示。

圖8 取種勺結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

為提高取種勺適用范圍，將取種勺分級(jí)設(shè)計(jì)。在原有中級(jí)取種勺[9]基礎(chǔ)上，根據(jù)三級(jí)大蒜鱗芽長(zhǎng)、寬、厚均值階梯型增加規(guī)律，將大和小兩級(jí)取種勺充種腔和清種腔的長(zhǎng)、寬、高增減2 mm(大勺為增)，充種角和清種角增減2°(大勺為增)，為配合防漏槽，各級(jí)取種勺外形長(zhǎng)Ls和寬度Bs一致。小、中、大3級(jí)取種勺如圖9所示，適用大蒜鱗芽外形尺寸為15～18 mm、18～23 mm、23～28 mm。

圖9 3級(jí)取種勺

3.2 鱗芽方向控制裝置

3.2.1鱗芽方向控制裝置結(jié)構(gòu)

播種機(jī)鱗芽方向控制過(guò)程由換向器和下栽鴨嘴配合完成，換向器主要由固定半件、活動(dòng)半件、彈簧和接種口組成，如圖10所示。固定半件通過(guò)螺栓固連在機(jī)架上，活動(dòng)半件通過(guò)銷軸和彈簧與固定半件連接，接種口安裝在固定半件上方。

圖10 方向控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2.2鱗芽方向控制裝置工作原理

正常作業(yè)時(shí)，換向器在彈簧作用下閉合，單粒取種裝置排出種子通過(guò)接種口落入換向器，種子與換向器壁碰撞后靜止，鱗芽方向調(diào)整受力如圖11所示，鱗芽在換向器內(nèi)靜態(tài)受力方程為

圖11 鱗芽方向調(diào)整受力分析

(3)

式中Fn1——固定半件對(duì)鱗芽的支撐力，N

伊德里斯的地圖中雅朱者和馬朱者出現(xiàn)在中國(guó)北方(見(jiàn)圖3)，在“亞歷山大邊墻”后面有一塊銘文，寫(xiě)著“屬于包圍雅朱者和馬朱者的庫(kù)法亞(Kufaya)山脈”。邊墻有門(mén)，大門(mén)處標(biāo)識(shí)了亞歷山大的阿拉伯名字杜爾-卡奈因(Dul-Karnai)。

Fn2——活動(dòng)半件對(duì)鱗芽的支撐力，N

θ1——支撐力Fn1與豎直方向夾角，(°)

θ2——支撐力Fn2與豎直方向夾角，(°)

G——大蒜鱗芽重力，N

鱗芽落入換向器，如芽尖向上，鱗芽根部尺寸大于換向器閉合口，不會(huì)露出換向器，如圖11a所示，隨著換向器活動(dòng)半件的快速打開(kāi)，鱗芽會(huì)在重力作用下直立落入下栽鴨嘴，如圖11b、11c所示。如芽尖向下，鱗芽芽尖通過(guò)中間閉合口露出換向器，栽植鴨嘴與換向器碰撞板接觸，將露出換向器的芽尖夾緊，產(chǎn)生夾緊力F。因?yàn)檠考庥幸欢ㄋ苄?，?dāng)活動(dòng)半件打開(kāi)時(shí)，鱗芽整體會(huì)繞點(diǎn)P產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖11e所示，忽略鱗芽與換向器內(nèi)壁摩擦力，鱗芽整體繞點(diǎn)P轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為

M=GLOPsinα-Fn1LOPcos(180-θ1-α)

(4)

式中LOP——鱗芽重心到夾持點(diǎn)距離，mm

α——鱗芽重心和夾持點(diǎn)連線OP與水平方向夾角，(°)

隨著活動(dòng)半件打開(kāi)，在力矩M作用下，大蒜鱗芽翻轉(zhuǎn)180°落入栽鴨嘴中，最后換向器在彈簧作用下復(fù)位，實(shí)現(xiàn)鱗芽方向調(diào)整。

3.2.3換向器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

換向器設(shè)計(jì)要滿足以下條件：鱗芽落入換向器芽尖向上或者芽尖向下；芽尖向下時(shí)，鱗芽芽尖要盡可能露出換向器；芽尖向上時(shí)，鱗芽根部不能露出換向器；換向器適應(yīng)大、中、小3種尺寸鱗芽；芽尖向上時(shí)，鱗芽掉出換向器時(shí)不能與固定半件發(fā)生碰撞。為滿足以上要求，換向器型腔采用放樣生成方式，形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖12所示，分為接種區(qū)、仿形區(qū)和碰撞接觸區(qū)。

圖12 鱗芽方向控制器結(jié)構(gòu)圖

接種區(qū)要保證鱗芽落入換向器型腔，且不能橫躺，接種區(qū)以大號(hào)鱗芽尺寸為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。有

(5)

式中D——接種區(qū)開(kāi)口直徑，mm

H1——接種區(qū)末端橫向?qū)挾?，mm

B1——接種區(qū)末端縱向?qū)挾?，mm

L2——接種區(qū)長(zhǎng)度，mm

Lmax——大號(hào)鱗芽最大長(zhǎng)度，mm

Hmax——大號(hào)鱗芽最大厚度，mm

Bmax——大號(hào)鱗芽最大有效寬度，mm

金鄉(xiāng)雜交蒜鱗芽形態(tài)多樣、大小差異較大、鱗芽芽尖短且彎，是目前正芽播種機(jī)研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。仿形區(qū)依據(jù)金鄉(xiāng)雜交蒜設(shè)計(jì)，換向器仿形區(qū)要適應(yīng)各尺寸鱗芽，如以大號(hào)鱗芽尺寸為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，中號(hào)和小號(hào)鱗芽會(huì)有一定角度的橫臥，如果仿形區(qū)開(kāi)口設(shè)計(jì)為直線形，一些芽尖短且彎的鱗芽可能無(wú)法覆蓋到。為使芽尖向下的大蒜鱗芽芽尖盡可能露出仿形區(qū)，將仿形區(qū)開(kāi)口部分設(shè)計(jì)為弧形，如圖13所示。仿形區(qū)以中號(hào)鱗芽尺寸為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，即

圖13 鱗芽在換向器內(nèi)狀態(tài)

L1≥Lm

(6)

式中L1——仿形區(qū)長(zhǎng)度，mm

Lm——中號(hào)鱗芽最大長(zhǎng)度，mm

碰撞接觸區(qū)長(zhǎng)度L3由活動(dòng)半件打開(kāi)長(zhǎng)度LBF和下栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)決定，即

L3=W=LDE+LFC

(7)

其中

式中LPT——下栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，下栽鴨嘴豎直方向運(yùn)行距離，mm

r——以轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)為起點(diǎn)，換向器活動(dòng)半件長(zhǎng)度，mm

R——驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)半徑，mm

換向器打開(kāi)示意圖如圖14所示，換向器活動(dòng)半件在下栽鴨嘴的作用下打開(kāi)一定角度，換向器活動(dòng)半件與下栽鴨嘴碰撞片實(shí)時(shí)接觸，即△BED與△QTP相似。

圖14 方向控制器調(diào)轉(zhuǎn)蒜種方向過(guò)程示意圖

根據(jù)根部直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果，為使鱗芽根部不露出換向器，設(shè)換向器開(kāi)口間距S=5 mm。

3.3 直立栽種裝置

3.3.1直立下栽裝置結(jié)構(gòu)

播種機(jī)直立下栽裝置如圖15所示，主要由下栽鴨嘴總成、栽種軸、栽種圓盤(pán)總成、偏心總成架、鴨嘴打開(kāi)盤(pán)、驅(qū)動(dòng)軸、定位軸承、驅(qū)動(dòng)鏈輪、偏心圓盤(pán)總成、偏心板等組成。栽種圓盤(pán)總成安裝在驅(qū)動(dòng)軸法蘭上，偏心圓盤(pán)總成安裝在偏心總成架上，兩者通過(guò)偏心板連接，形成偏心直立栽種機(jī)構(gòu)(平行四邊形機(jī)構(gòu))。栽種軸均勻安裝在栽種圓盤(pán)總成上，下栽鴨嘴總成安裝在栽種軸上。鴨嘴打開(kāi)盤(pán)固定在驅(qū)動(dòng)軸上，隨驅(qū)動(dòng)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖15 大蒜直立栽種器結(jié)構(gòu)示意圖

3.3.2直立下栽裝置工作原理

直立下栽裝置動(dòng)力通過(guò)驅(qū)動(dòng)鏈輪傳入，栽種圓盤(pán)和偏心圓盤(pán)在偏心板作用下帶動(dòng)栽種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，下栽鴨嘴始終垂直地面。下栽鴨嘴插入土中合適位置時(shí)，鴨嘴打開(kāi)盤(pán)與鴨嘴打開(kāi)軸承接觸，控制下栽鴨嘴活動(dòng)半件打開(kāi)一定角度，鱗芽落入土中，鴨嘴周圍土瞬時(shí)將鱗芽定位。下栽鴨嘴出土后，鴨嘴打開(kāi)盤(pán)與打開(kāi)軸承分離，在彈簧作用下，鴨嘴活動(dòng)半件復(fù)位，完成一次栽種，依此循環(huán)。

3.3.3直立下栽裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程

下栽鴨嘴的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)由機(jī)組的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)與栽種機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成，如圖16所示，以點(diǎn)D為參考點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為

圖16 栽種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

(8)

式中v1——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s

ω——栽植器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(逆時(shí)針為正)，(°)/s

l4——下栽鴨嘴栽種軸以下長(zhǎng)度，mm

t——時(shí)間，s

設(shè)主軸半徑為r1，為避免運(yùn)行過(guò)程中圖16中的點(diǎn)A與點(diǎn)B發(fā)生干涉，l40，代入方程(8)，得

(9)

式中l(wèi)5——栽種軸以上下栽鴨嘴高度，mm

b2——下栽鴨嘴上部寬度，mm

大蒜鱗芽栽種要滿足種體“零速”投種，軌跡特征參數(shù)λ≥1[20]，栽植軌跡如圖16所示。大蒜鱗芽形態(tài)不具有直立栽種的支撐面，要依靠下栽鴨嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)下栽鴨嘴沿栽植軌跡入土至點(diǎn)Q(零速點(diǎn))，下栽鴨嘴活動(dòng)半件快速打開(kāi)，鱗芽貼著下栽鴨嘴固定半件落入種穴，鴨嘴打開(kāi)時(shí)土流瞬時(shí)將鱗芽定位。根據(jù)大蒜栽植系統(tǒng)工作參數(shù)與成穴參數(shù)的關(guān)系[21]，驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)半徑設(shè)定為R= 165 mm。

3.3.4下栽鴨嘴

下栽鴨嘴總成如圖17所示，主要由碰撞板、鴨嘴左右固定半件、拉伸彈簧、滾動(dòng)軸承、打開(kāi)軸、鴨嘴活動(dòng)半件等組成。鴨嘴左右固定半件固定在栽種軸上，與鴨嘴活動(dòng)半件通過(guò)銷軸和拉伸彈簧連接。打開(kāi)軸連接左右鴨嘴活動(dòng)半件，滾動(dòng)軸承安裝在打開(kāi)軸中間，與鴨嘴打開(kāi)盤(pán)配合控制下栽鴨嘴總成的開(kāi)合。

圖17 下栽鴨嘴總成

下栽鴨嘴設(shè)計(jì)要滿足以下條件：鱗芽落入下栽鴨嘴要保持直立；下栽鴨嘴適應(yīng)大、中、小3種尺寸鱗芽；鱗芽滑出下栽鴨嘴時(shí)不能與固定半件發(fā)生碰撞；下栽鴨嘴入土?xí)r，鴨嘴保持閉合，且易于入土。下栽鴨嘴形狀和尺寸參數(shù)如圖18所示，分為碰撞接觸區(qū)、接種區(qū)、定位區(qū)和入土區(qū)。

圖18 下栽鴨嘴結(jié)構(gòu)示意圖

換向器接觸碰撞區(qū)與鴨嘴接觸碰撞區(qū)理論上二者尺寸一致，正芽效果達(dá)到最優(yōu)，但實(shí)際制造、裝配誤差以及下栽機(jī)構(gòu)的受力變形會(huì)影響二者配合間隙。通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)，換向器接觸碰撞區(qū)與鴨嘴接觸碰撞區(qū)間的配合間隙S2設(shè)定為2～3 mm，如圖19所示。

圖19 碰撞區(qū)配合間隙示意圖

下栽鴨嘴接種區(qū)要保證鱗芽落入下栽鴨嘴型腔，且不橫躺，接種區(qū)以大號(hào)鱗芽外形尺寸為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，即

(10)

式中d——鴨嘴接種區(qū)開(kāi)口直徑，mm

h1——鴨嘴接種區(qū)末端橫向?qū)挾龋琺m

b1——鴨嘴接種區(qū)末端縱向?qū)挾?，mm

l2——鴨嘴接種區(qū)長(zhǎng)度，mm

下栽鴨嘴定位區(qū)要適應(yīng)各尺寸鱗芽，如果以大號(hào)鱗芽尺寸為設(shè)計(jì)依據(jù)，中號(hào)和小號(hào)鱗芽會(huì)有一定角度橫躺，影響栽種效果，定位區(qū)以中號(hào)鱗芽外形尺寸為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，即

l1≥Lm

(11)

式中l(wèi)1——鴨嘴定位區(qū)長(zhǎng)度，mm

下栽鴨嘴入土區(qū)高度依據(jù)大蒜鱗芽栽植深度來(lái)設(shè)定，一般為L(zhǎng)max加上10～20 mm。入土角為α4，由鴨嘴接種口直徑和鴨嘴長(zhǎng)度確定，即

(12)

3.3.5下栽鴨嘴打開(kāi)盤(pán)

下栽鴨嘴打開(kāi)盤(pán)是直立下栽裝置的核心部件，控制著下栽鴨嘴的開(kāi)合時(shí)間、地點(diǎn)和速度。下栽鴨嘴打開(kāi)盤(pán)的設(shè)計(jì)涉及驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)組的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)、打開(kāi)盤(pán)自身轉(zhuǎn)動(dòng)和下栽鴨嘴的打開(kāi)運(yùn)動(dòng)等，通過(guò)解析法計(jì)算打開(kāi)盤(pán)外形尺寸非常復(fù)雜，本文提出一種基于ADAMS逆向設(shè)計(jì)打開(kāi)盤(pán)的方法。

(1)建立下栽裝置的簡(jiǎn)易三維模型，導(dǎo)入ADAMS添加結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)約束，設(shè)v1=120 mm/s，ω=60(°)/s。仿真后，生成下栽鴨嘴相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖20中曲線a所示。

圖20 直立栽種機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果

(2)當(dāng)下栽鴨嘴運(yùn)行到點(diǎn)Q，給下栽鴨嘴活動(dòng)半件添加STEP函數(shù)，控制下栽鴨嘴的打開(kāi)速度和角度。運(yùn)動(dòng)仿真后，生成下栽鴨嘴打開(kāi)軸相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖20中曲線b所示。

(3)提取下栽鴨嘴打開(kāi)軸運(yùn)動(dòng)軌跡曲線數(shù)據(jù)，導(dǎo)入三維建模軟件，生成打開(kāi)盤(pán)三維模型，并導(dǎo)入ADAMS仿真模型中。鴨嘴打開(kāi)盤(pán)與驅(qū)動(dòng)軸添加鎖定約束，鴨嘴打開(kāi)盤(pán)與下栽鴨嘴打開(kāi)軸添加碰撞約束，刪除下栽鴨嘴活動(dòng)半件的STEP函數(shù)，仿真結(jié)果如圖20所示，與設(shè)計(jì)預(yù)期一致。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 單粒取種裝置臺(tái)架試驗(yàn)

為確定單粒取種裝置的適用速度范圍，以分級(jí)金鄉(xiāng)雜交蒜和蒼山四六瓣為供試品種，設(shè)計(jì)大蒜播種機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行3級(jí)取種勺對(duì)應(yīng)級(jí)別蒜種的取種試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)由單粒取種裝置、換向器、直立下栽裝置、電機(jī)、變頻器和試驗(yàn)架等組成，如圖21所示。

圖21 播種機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

為方便測(cè)試，定義排種器每秒排種的顆數(shù)為排種速度，通過(guò)變頻器將排種速度劃為5個(gè)水平，即1.2、1.4、1.6、1.8、2.0顆/s，速度誤差±2%。試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行條件下，每組取種200次，記錄取種勺進(jìn)入護(hù)種槽時(shí)排出的蒜種數(shù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算單粒取種裝置單粒率q1、重播率q2和漏播率q3，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，對(duì)于金鄉(xiāng)雜交蒜，除1.2 顆/s排種速度下小勺的取種單粒率低于90%外，其余情況單粒率均達(dá)到90%以上。因此，對(duì)于金鄉(xiāng)雜交蒜，小勺的適用排種速度為1.4～2.0顆/s，中勺和大勺的排種速度為1.2～2.0顆/s。對(duì)于蒼山四六瓣大蒜，中勺和大勺在所有排種速度下單粒率均達(dá)到了90%以上，而小勺在所有排種速度下的單粒率都沒(méi)有超過(guò)90%，小勺不適合蒼山小蒜種的取種，原因在于蒼山四六瓣大蒜3～5 g鱗芽外形尺寸變化不明顯。改用中勺進(jìn)行蒼山四六瓣小蒜種的取種試驗(yàn)，排種速度為1.4～2.0顆/s時(shí)，單粒率達(dá)到90%以上。綜上，對(duì)于蒼山四六瓣大蒜，小蒜種的適用排種速度為1.4～2.0顆/s，中蒜種的適用排種速度為1.2～2.0顆/s，大勺的適用排種速度為1.2～2.0顆/s。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4.2 換向器臺(tái)架試驗(yàn)

影響換向器作業(yè)性能的因素主要為鱗芽芽尖縱向長(zhǎng)度，對(duì)鱗芽芽尖長(zhǎng)度進(jìn)行人工修剪處理，分為4個(gè)水平，即4、5、6、≥7 mm；換向器的作業(yè)效率由接到種子直至反彈后穩(wěn)定時(shí)間、下載鴨嘴運(yùn)行到活動(dòng)半件的時(shí)間和活動(dòng)半件打開(kāi)直至種子完全落出換向器型腔時(shí)間組成，考慮排種效率，將排種速度分為4個(gè)水平，即1.2、1.4、1.6、1.8個(gè)/s。為明確二者對(duì)換向器性能的影響，以正芽率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二因素四水平正交試驗(yàn)。

供試品種為金鄉(xiāng)雜交蒜中號(hào)鱗芽(芽尖長(zhǎng)度 4～5 mm)和蒼山四六瓣中號(hào)鱗芽(芽尖長(zhǎng)度大于等于6 mm)，試驗(yàn)臺(tái)如圖21所示，試驗(yàn)方案如表2所示。試驗(yàn)臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行條件下，每組試驗(yàn)取種200次，記錄從換向器直立進(jìn)入下栽鴨嘴的大蒜鱗芽數(shù)目，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

由表2可知，芽尖長(zhǎng)度對(duì)正芽率的影響較大，芽尖長(zhǎng)度小于6 mm時(shí)正芽率最高達(dá)到77.5%，排種速度對(duì)正芽率的影響不明顯，正芽效果不理想，不能滿足大蒜正芽播種農(nóng)藝要求。芽尖長(zhǎng)度大于等于 6 mm 時(shí)正芽率有明顯上升，均值達(dá)到了85%左右，與芽尖長(zhǎng)度小于6 mm的鱗芽對(duì)比有階梯性增長(zhǎng)，能夠滿足正芽播種農(nóng)藝要求；芽尖長(zhǎng)度大于等于 6 mm 時(shí)，排種速度對(duì)正芽效果影響明顯，正芽率隨著排種速度的增加而減小。綜上，本文研究設(shè)計(jì)的大蒜播種機(jī)適用的鱗芽芽尖長(zhǎng)度大于等于6 mm，適合的排種速度為1.2～1.6顆/s。

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件與材料

2020年9月20日，在山東省瑪麗亞農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司種植試驗(yàn)基地進(jìn)行了2BUX-11型大蒜正芽播種機(jī)的田間作業(yè)性能試驗(yàn)，如圖22所示。試驗(yàn)用地為壤土，土地松弛規(guī)整，符合大蒜種植農(nóng)藝要求，試驗(yàn)大蒜品種為人工破瓣的中號(hào)金鄉(xiāng)雜交蒜(隨機(jī)統(tǒng)計(jì)100顆鱗芽，鱗芽尖長(zhǎng)度大于等于6 mm的比例為61%)和中號(hào)蒼山四六瓣大蒜(隨機(jī)統(tǒng)計(jì)100顆鱗芽，鱗芽尖長(zhǎng)度大于等于6 mm的比例為95%)，配套動(dòng)力為帶爬行擋的東方紅1004型拖拉機(jī)。

圖22 田間作業(yè)性能試驗(yàn)

5.2 試驗(yàn)方法及指標(biāo)

試驗(yàn)參照DB 37/T 3705—2019《大蒜播種機(jī)通用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。為降低試驗(yàn)誤差，作業(yè)區(qū)分為啟動(dòng)區(qū)、測(cè)試區(qū)和停止區(qū)，啟動(dòng)區(qū)和停止區(qū)5 m，測(cè)試區(qū)25 m，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果，每組試驗(yàn)連續(xù)記錄200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)株距，計(jì)算單粒率p1、重播率p2、漏率率p3、正芽率p4、株距合格指數(shù)p5、播深合格指數(shù)p6。

5.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

5.3.1行走速度對(duì)播種機(jī)性能的影響

影響播種機(jī)作業(yè)性能的主要因素為播種機(jī)的行走速度。在株距S=120 mm條件下，以單粒率、重播率、漏播率和正芽率為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)播種機(jī)性能進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)換向試驗(yàn)，播種機(jī)針對(duì)金鄉(xiāng)雜交蒜行走速度設(shè)定3個(gè)水平，與1.2、1.4、1.6顆/s排種速度對(duì)應(yīng)，即0.14、0.17、0.19 m/s，速度誤差±3%，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同行走速度時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，3個(gè)速度水平下，機(jī)具對(duì)金鄉(xiāng)雜交蒜和蒼山四六瓣蒜的單粒率均達(dá)到了93%以上，單粒率總體好于臺(tái)架試驗(yàn)，分析其原因在于播種機(jī)的作業(yè)振動(dòng)尤其是旋耕裝置的振動(dòng)降低了排種器的重播率。正芽率方面，金鄉(xiāng)雜交蒜達(dá)到85%左右，基本滿足大蒜播種農(nóng)藝要求；蒼山四六瓣蒜的正芽率達(dá)到90%左右，滿足農(nóng)民的種植農(nóng)藝需求。綜上，2BUX-11型大蒜正芽播種機(jī)的單粒率和正芽率整體滿足種植農(nóng)藝要求。

5.3.2株距合格指數(shù)

在作業(yè)速度為1.4 m/s、理論株距為120 mm條件下，連續(xù)測(cè)量穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子的株距，計(jì)算株距合格指數(shù)。對(duì)于金鄉(xiāng)雜交蒜平均株距為121.3 mm，株距合格指數(shù)為99.3%，標(biāo)準(zhǔn)差為 1.2 mm，變異系數(shù)為2.1%；對(duì)于蒼山四六瓣大蒜，平均株距為120.8 mm，株距合格指數(shù)為98.7%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.3 mm，變異系數(shù)為2.0%。綜上，對(duì)于兩種大蒜，播種機(jī)的株距差異較小，表明播種機(jī)株距均勻性和穩(wěn)定性較好。

5.3.3播深合格指數(shù)

在作業(yè)速度為1.4 m/s、理論株距為120 mm條件下，連續(xù)測(cè)量穩(wěn)定工作狀態(tài)下200穴種子的播種深度，計(jì)算播深合格指數(shù)。對(duì)于金鄉(xiāng)雜交蒜，平均播種深度為17.3 mm，播深合格指數(shù)為91.5%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.8 mm，變異系數(shù)為7.6%；對(duì)于蒼山四六瓣蒜，平均播種深度為18.5 mm，播深合格指數(shù)為93.1%，標(biāo)準(zhǔn)差為3.3 mm，變異系數(shù)為7.2%。綜合可知，兩個(gè)品種的播深合格指數(shù)差異較小，表明播種機(jī)的播種深度一致性較好。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了2BUX-11型大蒜正芽播種機(jī)，主要由單粒取種裝置、鱗芽方向控制裝置、直立下栽裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)以及機(jī)架、地輪等部分組成，可一次完成取種、換向、直立栽種和鎮(zhèn)壓作業(yè)，顯著提高了大蒜播種效率。

(2)優(yōu)化了播種機(jī)單粒取種裝置，設(shè)計(jì)了符合大蒜鱗芽外形尺寸分布的大、中、小3級(jí)取種勺；設(shè)計(jì)了弧形開(kāi)口換向器，使芽尖彎曲大蒜鱗芽芽尖盡可能露出換向器；設(shè)計(jì)了中間軸隨驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)同時(shí)旋轉(zhuǎn)的直立下栽機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)11行下栽鴨嘴穩(wěn)定作業(yè)，與弧形換向器配合實(shí)現(xiàn)芽尖不小于6 mm大蒜鱗芽的正芽，初步解決了雜交蒜正芽播種難題。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，行走速度在0.14～0.19 m/s范圍內(nèi)，機(jī)具對(duì)金鄉(xiāng)雜交蒜正芽率達(dá)到85%左右，對(duì)蒼山四六瓣蒜的正芽率達(dá)到90%左右，整體滿足大蒜播種農(nóng)藝要求。

(4)形態(tài)規(guī)則芽尖較長(zhǎng)的蒼山四六瓣蒜更適合播種機(jī)正芽播種，影響該類大蒜正芽率的關(guān)鍵是減少排種器的漏播率和重播率。對(duì)于形態(tài)多樣、鱗芽大小差異較大、鱗芽芽尖短且彎雜的金鄉(xiāng)雜交蒜，正芽率受鱗芽芽尖長(zhǎng)度影響較大。