西洋參雙排播種機設計與試驗*

張心久，劉尊超，王銘，張良龍，王方艷，連政國

(青島農業(yè)大學機電工程學院,山東青島,266109)

0 引言

西洋參又名花旗參,屬多年生草本植物,醫(yī)藥保健用途等同我國人參。隨著西洋參種植業(yè)的迅速發(fā)展,我國西洋參產量僅次于美國和加拿大,且山東省產量約占全國產量的40.18%。雖然西洋參種植廣泛,但機械化種植技術及裝備落后。尤其是西洋參窄行密植的種植模式和山東弧面壟的種植農藝,增加了機械化播種的難度,限制了西洋參種植產業(yè)的發(fā)展[1-2]。

國外對西洋參的種植較早,機械化程度較高,大多采用通用播種設備,如德國生產的ED系列氣吸式精密播種機。由于種植模式及種植農藝差異,國外已有設備無法在我國推廣使用。我國西洋參產業(yè)的機械化作業(yè)起步晚,整體機械化技術及裝備水平低。其中,西洋參窄行密植的播種環(huán)節(jié),存在勞動強度大、種植難度高等問題,限制了西洋參規(guī)?；N植的發(fā)展。當前,西洋參種植仍以人工點播為主,少部分地區(qū)采用人工輔助作業(yè)的開穴設備。受山東西洋參寬幅弧面的種植模式等因素影響,高效的播種機具有較大的需求市場[3]。支帥等研制了一款氣吸針式西洋參播種機,排種器采用曲柄滑塊式的排種針機構,可以有效清潔吸嘴、減少堵塞。廖宜濤等[4]研制了一款自走式西洋參播種機,其配備了4.1 kW的發(fā)動機,采用了聯行星輪點播式全約束導種裝置及氣吸式排種器。現有半機械式播種機,相比人工點播效率有所提高,但存在播量穩(wěn)定性差、效率低、勞動強度大等問題。因此,研制出一種新型的西洋參播種機,可推動西洋參機械化作業(yè)、規(guī)模化生產,促進西洋參產業(yè)的快速發(fā)展。基于此,本文設計一款西洋參雙排播種機,采用純機械多連桿式取種、投種、播種裝置,無需配備風機、發(fā)動機等動力裝置。

1 整機結構及工作原理

西洋參播種機主要包括機架、種箱、取種機構、連桿機構、推種機構、開穴器、導種管等組成,如圖1所示。其中,搖臂、種勺、勺架和電機構成取種機構;桁架和推種舌組成推種機構。

(a) 主視圖

工作時,雙人抬起機具放到指定位置,借助機具自身重力使開穴器入土,并依托弧板控制開穴深度。通過人工向右側擺動搖臂至限位裝置,帶動勺架順時針轉動,種勺進入種箱并與種子充分接觸,完成取種;搖臂擺動的同時帶動連桿機構運動將推種機構抬升至最高點,開穴器在彈簧的作用下閉合。這一過程結束后,人工向左側擺動搖臂至限位裝置,帶動勺架逆時針轉動,左側限位裝置裝有限位開關,開關閉合,使勺架上的電機高速轉動,借助離心錘的離心力激發(fā)種勺振動,實現種子的振落,種子通過導種管落入閉合的開穴器中;搖臂擺動的同時帶動連桿機構運動將推種機構下壓,推種舌克服開穴器的彈簧力頂開開穴器并將種子排出,完成播種作業(yè)。西洋參播種機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數表

2 關鍵部件設計

2.1 取種機構

取種機構主要完成取種和投種兩個動作。取種時,種勺垂直埋于種箱內,種子在重力作用下充入種勺內。隨著搖臂的轉動,種勺運動到落種槽的上方,并成一定傾角。在電機離心錘產生的高頻振動下,種子脫離種勺落入種槽中,并由導種管引導進入開穴器,實現投種作業(yè)。在此過程中,種勺型孔結構及傾角控制機構,決定著種子的充種及投種效果,影響著機具的播種質量[5-6]。

2.1.1 種勺參數

種勺是播種機完成取種工作的主要部件,既要保證充種效果,又要實現順利投種。種勺的結構尺寸尤為重要,應盡量與種子外形尺寸貼合。西洋參種子輪廓為寬卵形,即“D”形[7],經播種催芽后裂口,輪廓形狀如圖2所示。

圖2 西洋參種子輪廓形態(tài)

選取西洋參100粒,測定種子尺寸。其長度L為(5.6±0.5) mm,寬度W為(4.8±0.3) mm,厚度T為(3.3±0.4) mm。

為提高播種精度和質量,要求種勺型孔剛好放下一個扁平狀態(tài)的種子,種勺深度不宜太深,可近似為內凹圓。根據最小勢能原理可知,種子在種勺型孔中的穩(wěn)定姿態(tài)多為平躺狀態(tài)[8],如圖3所示。

圖3 種子在型孔中的姿態(tài)

各參數滿足[9]

(1)

式中:Lmax——西洋參種子長度最大值,mm;

Lmin——西洋參種子長度最小值,mm;

Tmax——西洋參種子厚度最大值,mm;

Tmin——西洋參種子厚度最小值,mm;

A——種勺型孔長度,mm;

B——種勺型孔寬度,mm;

C——種勺型孔高度,mm。

為保證西洋參單粒充種和順利脫離,結合制造工藝及成本,確定種勺型孔為內凹圓形,直徑D為8 mm,高度C為4 mm。

由上文知,西洋參種子三軸尺寸為5.6 mm×4.8 mm×3.3 mm,體積近似為88.7 mm3。由于種子要在重力作用下充入種勺,考慮到種子的流動性,決定采用圓底設計,其結構如圖4所示。

圖4 種箱截面

根據各部件的位置特性,種箱截面半徑r取50 mm,種箱長度E取1 450 mm,為了滿足作業(yè)要求,實現連續(xù)播0.067 hm2不補種,根據式(2)計算得出,種箱截面矩形長度h約為28.77 mm,為了便于加工取30 mm,因此根據種勺末端行程與種箱的安裝距離以及種箱的深度,種勺長度a應該為75 mm,根據種植行距和安裝間隙要求,種勺安裝座寬度b取40 mm,種勺結構如圖5所示。

圖5 種勺結構

(2)

式中:d——種箱截面直徑,mm;

h——種箱截面矩形高度,mm;

l——株距,mm;

w——壟寬,mm;

m——每行播種穴數。

2.1.2 傾角控制機構

種勺的傾角可直接影響工作過程中種子在種勺中的穩(wěn)定性。為了便于取種和落種,設計連桿機構控制兩個工位中種勺的傾角,如圖6所示。

工作時,當搖臂在取種工位時,種勺傾角為0,保證取種過程的穩(wěn)定。當搖臂轉動到另一側時,在彈簧和連桿的共同作用下,橫梁整體右移動并傾斜,使得種勺傾斜。在搖臂處于落種工位時,種勺傾角α>種勺與種子的摩擦角δ,可利于種子的下落。因此,確定種勺傾角為30°[10],則電機更容易將種子抖落,提高落種的成功率。結合結構空間要求,確定橫梁長為160 mm,連桿I長為160 mm,連桿II長為210 mm。

2.1.3 電機選型

電機安裝在勺架上,搖臂一側限位裝置裝有限位開關,當搖臂轉動到該限位裝置時,電機通電并高速旋轉,電機軸上安裝有振動錘,其主要作用是產生離心力,帶動勺架振動,增強排種性能,使種子順利掉落。為保證振動錘可帶動勺架振動,需要使其產生的離心力大于勺架總成重力。勺架總成質量M約為3 000 g,振動錘錘頭質量m0為20 g,錘柄重忽略不計,其重心距錘柄末端距離r0為50mm,根據式(3)計算得出,電機最小轉速為1 638.2 r/min。根據式(4)計算得出,電機最小功率為1.68 W,因此選定電機型號為WS-38ZYT64-R直流電機[11],其空載轉速為2 000 r/min,輸入功率為4.3 W,可以滿足使用要求。

(3)

式中:g——重力加速度,9.8 m/s2;

F——離心力,N;

ω——角速度,rad/s;

N0——電機轉速,r/s。

(4)

式中:P——電機所需功率,W;

T0——電機所需扭矩,N·m。

2.2 開穴器

針對西洋參窄行密植的種植模式,設計開穴式的種植方式,采用頂推式的原理實現開穴器的開合,并避免土壤及種子被帶回。開穴器主要由定板、動板、回位彈簧、推種舌等組成,如圖7所示。

(a) 落種狀態(tài)

工作過程中,開穴器做往復運動,且不斷與土壤接觸。為保證較好的耐磨性,開穴器采用耐磨合金鋼加工而成,并安裝在機架上。當推種舌位于高位時,種子落于閉合的開穴器中。隨著推種舌的運動,開穴器的動板被頂開,種子被推入土中。之后,推種舌回程,開穴器在回位彈簧的作用下閉合。選用適宜的復位彈簧,保障開穴器順利閉合,減少因閉合不嚴而導致的漏播、重播。

2.2.1 開穴器

在開穴過程中,開穴器與土壤直接接觸,所受阻力受土壤抗剪力、壓縮力和摩擦力等影響。通常,開穴阻力與土壤堅實度、接觸土壤的正壓面積均成正比關系[12]。為減少土壤擾動,形成穩(wěn)定的開穴結構,結合種子尺寸、播種間距,確定如圖8所示的開穴器結構[13]。通過開穴器入土、開合過程分析,確定開穴器開合口I為9.5 mm,因西洋參播種間距為100 mm、株距為50 mm、播深為20～30 mm[14],確定開穴器尖端入土深度S為45 mm,開穴器總高度H為130 mm,鏟體寬度G為21 mm。選取活銷距入土尖端距離J為105 mm,以確?；钿N旋轉機構處于地表之上,避免旋轉機構磨損及破壞。

圖8 開穴器工作狀態(tài)

2.2.2 推種舌

推種舌為播種過程中的重要部件,決定著開穴器的開合狀態(tài)。推種舌分為直臂和導軌兩部分,結構如圖9所示。工作中,導軌與動板直接接觸,克服彈簧阻力推開動板,完成開穴器的開穴動作。為保障順利落種、土壤不回流,確定推種舌最低點位為開穴器外10 mm;結合播種深度要求、種子落入開穴器底端的空間需要,確定推種舌最高點位為開穴器內50 mm處?？紤]推種舌在開穴器內往復運動,確定推種舌總長p為160 mm、導軌長度z為60 mm。推種舌的底面影響推種效果和壓力,決定開穴器的開穴范圍和土壤擾動效果,結合經驗確定推種舌底面尺寸u×v為7 mm×7 mm。

圖9 推種舌結構圖

2.3 推種機構

播種機的傳動機構為多連桿機構,兩側對稱安裝,如圖10所示。搖臂為主動件,cd桿和fg桿連接推桿器的兩側。當搖臂由取種工位運動到投種工位時,搖臂做順時針擺動,帶動同軸的搖桿ab轉動,牽連連桿bc運動,使得cd桿在滑軌內做移動;同時,bc桿帶動ce桿做逆時針轉動,在ef桿的牽動下,fg桿做順時針擺動。在cd桿和fg桿的雙重作用下,安裝著推種舌的推種機構在開穴器內運動,實現播種工作。為了保障推種機構兩側運動距離保持一致,使得推種舌平穩(wěn)向下運動完成推種動作,ce桿、ef桿和fg桿構成反平行四邊形結構,且各桿保障推種舌運動近似為直線軌跡。為了提高工作效率,bc桿分別牽動播種機兩側的推種機構同時運動,實現雙排開穴器的同時工作,完成西洋參播種作業(yè)。

圖10 連桿機構

通過空間機構自由度計算辦法,確定傳動系統(tǒng)的運動軌跡。根據搖臂的運動空間及工位[15],確定ab桿長為25 mm。結合播種機的高度及設計經驗,確定bc桿長為175 mm,cd桿長為180 mm。由播種機的工作寬幅及運動空間,確定ef桿長為590 mm,fg桿長為30 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

本文設計的西洋參播種機主要針對山東主產區(qū),試驗田長度要大于50 m,壟寬1.6 mm,壟面平整,土壤質地均勻,試驗地點選擇在山東省濰坊市諸城區(qū)樹行村西洋參種植區(qū),試驗時間為2022年11月15—17日,試驗機具為所設計的樣機。

3.2 試驗方法

作業(yè)前,對地塊旋耕碎土,并整理壟面,用弧形刮土板沿壟對試驗田進行刮土處理,保證作業(yè)土壤平整。試驗過程由2個人操作機器播種作業(yè)10 m,每次試驗結束后將種子清除,壟面整平,以進行下一次試驗。

由于目前我國尚沒有關于西洋參播種機具技術檢測的國家標準,參照國家標準GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》、農業(yè)行業(yè)標準NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機作業(yè)質量》以及農業(yè)行業(yè)標準NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質量》的試驗方法和評價指標,其標準指出,株距為100 mm時,漏播指數不超過25%,重播指數不超過30%,即可記為合格。相關指標計算方法如式(5)～式(7)所示[16]。

合格率

(5)

漏播率

(6)

重播率

(7)

式中:n1——合格穴數;

n2——漏播穴數;

n3——重播穴數;

N——總開穴數。

播種作業(yè)后隨機選取每壟的10行作為測量區(qū)域,記錄總開穴數、漏播穴數、重播穴數,并計算漏播率、重播率、合格率。

3.3 試驗結果

試驗現場觀察,機具各桿件聯動平穩(wěn)、運動連貫,各機構間無干涉、卡頓等現象,電機轉動順暢。播深相比人工播種更加均勻,株距控制良好,播種效率及播種質量明顯提高。試驗結果如表2所示。從表2可以看出,該西洋參播種機的漏播率為4.58%、重播率為2.66%、合格率為92.76%,符合西洋生播種要求及各技術指標要求。

4 結論

1) 針對西洋參播種勞動強度大、效率低、播種裝備匱乏等問題,結合山東省弧面壟的種植農藝和西洋參窄密種植模式,確定了圓形種勺型孔、頂推式開穴器及多連桿傳動系統(tǒng)組成的西洋參雙排播種機。

2) 通過對西洋參種子特征分析,設計了圓形種勺孔型,其直徑與高度分別為8 mm、4 mm,其勺柄長為75 mm,安裝座寬40 mm。通過對取種機構總成質量估算及對電機扭矩的計算,選擇了WS-38ZYT64-R型直流電機作為振動機構。

3) 通過對開穴器在土壤中的流動性分析,確定了其開口寬度、尖端入土深度、總高度、鏟體寬度、開口銷距尖端距離,分別為9.5 mm、45 mm、130 mm、21 mm及105 mm;通過對連桿機構運動分析,確定了推種機構中ab桿、bc桿、cd桿、ef桿、fg桿長度分別為25 mm、175 mm、180 mm、590 mm及30 mm。

4) 田間試驗測得,該西洋參播種機的漏播率為4.58%、重播率為2.66%、合格率為92.76%,符合西洋生播種要求及各技術指標要求。