懸掛式山藥播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：

針對(duì)河北地區(qū)種植山藥地塊小、種植分散、人工種植成本高、效率低等問(wèn)題，結(jié)合山藥的種植農(nóng)藝，設(shè)計(jì)一種能夠一次性完成開(kāi)溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等工序的懸掛式山藥播種機(jī)。對(duì)播種機(jī)的工作原理以及關(guān)鍵部件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行闡述；并以種植合格指數(shù)與種植均勻度變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)山藥種莖在排種、導(dǎo)種和投種的過(guò)程進(jìn)行分析，確定影響上述指標(biāo)的因素為排種系統(tǒng)線速度、行進(jìn)速度和投種高度；進(jìn)行Box—Behnken田間試驗(yàn)，確定最優(yōu)因素參數(shù)組合。結(jié)果表明，當(dāng)排種系統(tǒng)線速度為0.315m/s、機(jī)器的行進(jìn)速度為0.128m/s、投種高度為11.1mm時(shí)，種植合格指數(shù)為93.59％，種植均勻度變異系數(shù)為3.14％，達(dá)到所需的農(nóng)藝要求。田間驗(yàn)證試驗(yàn)表明，單行雙壟山藥播種機(jī)性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)單粒精播的要求。

關(guān)鍵詞：山藥；懸掛式播種機(jī)；三角式排種；參數(shù)優(yōu)化；單因素試驗(yàn)；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S225.7+9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 03-0040-09

收稿日期：2023年9月7日" 修回日期：2023年11月13日*

基金項(xiàng)目：河北省農(nóng)機(jī)新機(jī)具新技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目

第一作者：馬天，男，1998年生，河北保定人，碩士研究生；研究方向?yàn)橹悄芑r(nóng)業(yè)裝備與制造技術(shù)。E-mail： 1207960292@qq.com

通訊作者：王會(huì)強(qiáng)，男，1978年生，河北唐山人，博士，教授，碩導(dǎo)；研究方向?yàn)榻饘俨牧蠠崽幚?、智能化農(nóng)業(yè)裝備與制造技術(shù)。E-mail： 317395437@qq.com

Design and test of hanging yam seeding machine

Ma Tian1， Wang Huiqiang1， Zhang Yong2， Li Wenxiang3， Sun Yulin4， Sun Guangjun5

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China;

2. Baoding Polytechnic Secondary Professional School， Baoding， 071000， China;

3. Guantao Feixiang Machinery and Equipment Manufacturing Co.， Ltd.， Handan， 056000， China;

4. Hebei Field Water-saving Irrigation Equipment Co.， Ltd.， Handan， 056000， China;

5. Tangshan Lijun Machinery Manufacturing Co.， Ltd.， Tangshan， 063000， China）

Abstract：

To solve the problems of small plots， scattered planting， high labor costs， and low efficiency in yam cultivation in Hebei Province， this paper designs a hanging yam seeding machine that can complete the processes of ditching， fertilizing， sowing， mulching， and suppression in a single operation， based on the agricultural practices for yam planting. The working principle of the seeder and the relevant parameters of key components are explained. The process of yam seed stem in seed placement， guiding， and sowing is analyzed using planting qualification index and planting uniformity coefficient of variation as the evaluation indicators. Factors affecting the above indicators are determined as the linear speed， travel speed， and sowing height of the seed placement system. A Box—Behnken field experiment is conducted to determine the optimal factor parameter combination. The results show that when the linear speed of the seeding system is 0.315m/s， the travel speed is 0.128m/s， and the sowing height is 11.1mm， the planting qualification index is 93.59%， and the planting uniformity coefficient of variation is 3.14%， meeting the required agronomic standards. Field verification tests confirm that the single-row double-ridge yam seeder has excellent performance and can achieve the requirements for single-seed precision sowing.

Keywords：

yam； hanging seeding machine; triangular seed placement; parameter optimization; single factor test; orthogonal test

0 引言

山藥是薯蕷科植物薯蕷的地下塊根。山藥內(nèi)含淀粉、蛋白質(zhì)、必需氨基酸和多種微量元素［1］。山藥作為一種“藥食同源”的作物，除可食外，還具有較高的藥用價(jià)值，因其含有山藥多糖、尿囊素、皂苷、黏液蛋白、植酸和黃酮等多種物質(zhì)［2］，具有調(diào)節(jié)和降低血脂、抗衰老、調(diào)節(jié)和促進(jìn)腸胃功能、抗氧化、抗腫瘤等藥理作用，得到廣大中藥研究者的長(zhǎng)期關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)山藥播種機(jī)相關(guān)研究還處于起步階段［2］。山藥種植方式主要是挖溝種植，山藥塊根生長(zhǎng)時(shí)入土很深，要求深耕土地，目前沒(méi)有相應(yīng)農(nóng)機(jī)具能夠?qū)崿F(xiàn)全套山藥種植流程，只能手工種植或半機(jī)械化種植，這需要耗費(fèi)大量的人力物力［3］。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)基于仿生學(xué)的原理，嘗試模擬人抓取的動(dòng)作，設(shè)計(jì)了推送式和抓取式排種器來(lái)代替人工放種問(wèn)題，能將1機(jī)3人作業(yè)變成1機(jī)2人作業(yè)，解決自動(dòng)排種的難題，從而降低山藥播種的人工成本，但其工作的可靠性和適用性還需要進(jìn)一步研究論證［4， 5］；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一款雙鏈輸送結(jié)構(gòu)的人工輔助自走式山藥種植機(jī)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，不適用于河北地區(qū)種植模式的推廣［1］；河北某公司設(shè)計(jì)了一款復(fù)合式山藥旋耕機(jī)，但其只能針對(duì)單一品種山藥進(jìn)行種植，不利于推廣［6］；徐州某公司設(shè)計(jì)了一種山藥播種機(jī)用排種裝置，其采用轉(zhuǎn)輪組帶動(dòng)托盤進(jìn)行播種，但作業(yè)的穩(wěn)定性有待進(jìn)一步研究，且該機(jī)械只能單行作業(yè)，種植效率較低［7］；青島某公司采用鏈槽式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款山藥播種機(jī)，能夠一次性完成開(kāi)溝、施肥、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等工序，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度［8］，但其適用范圍、適應(yīng)能力還需要進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。以上研究為山藥播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

因此，針對(duì)上述問(wèn)題結(jié)合河北地區(qū)小地塊、分散形種植模式［9， 10］與山藥種植農(nóng)藝要求，本文設(shè)計(jì)一款單行雙壟山藥播種機(jī)，以種植合格指數(shù)與種植均勻度變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)山藥種莖在排種、導(dǎo)種和投種的過(guò)程進(jìn)行分析，確定影響各指標(biāo)的因素，并開(kāi)展田間試驗(yàn)，確定最優(yōu)參數(shù)組合。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)機(jī)構(gòu)

山藥種植機(jī)主要由排種系統(tǒng)、排肥系統(tǒng)、開(kāi)溝起壟系統(tǒng)、覆土鎮(zhèn)壓系統(tǒng)等部件組成，如圖1所示。

山藥種植所需土壤多為沙性土壤且在種植前需要進(jìn)行提前灌溉，種植壟型間距較短。傳統(tǒng)的拖拉機(jī)尺寸無(wú)法合理適應(yīng)山藥種植壟型，故采用微型履帶拖拉機(jī)。相較于傳統(tǒng)拖拉機(jī)，微型履帶拖拉機(jī)的優(yōu)勢(shì)：（1）履帶式底盤節(jié)約工作空間、轉(zhuǎn)彎半徑小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、牽引效率高［11］；（2）在濕潤(rùn)的土壤環(huán)境下種植山藥時(shí)，不易打滑、通過(guò)性好；（3）對(duì)土壤單位面積壓力小，不易破壞種植地壟［12］。

1.2 工作原理

雙行山藥種植機(jī)采用三角鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)排種子，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該機(jī)通過(guò)三點(diǎn)式懸掛與特性行寬的微型履帶拖拉機(jī)聯(lián)接，履帶拖拉機(jī)牽引種植機(jī)行走；鎮(zhèn)壓地輪隨著履帶拖拉機(jī)前行轉(zhuǎn)動(dòng)，兩鎮(zhèn)土地輪中間的傳動(dòng)為內(nèi)六角軸，主動(dòng)鏈輪與內(nèi)六角軸配合，通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳輸?shù)綇膭?dòng)內(nèi)六角軸，從動(dòng)內(nèi)六角軸兩側(cè)連接錐形齒輪，通過(guò)錐形齒輪嚙合將動(dòng)力傳輸?shù)脚欧N鏈輪主動(dòng)輪，并將種料排放到靴式開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝；后置的開(kāi)溝起壟裝置、覆土裝置和鎮(zhèn)壓地輪裝置完成對(duì)種料的開(kāi)溝、起壟、覆土和鎮(zhèn)壓。通過(guò)調(diào)節(jié)主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪的傳動(dòng)比來(lái)控制株距的大小。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

山藥和馬鈴薯都是典型的根莖類作物，因此參考GB/T 6242—2006《馬鈴薯種植機(jī)試驗(yàn)方法》、NY/T 1066—2006《馬鈴薯等級(jí)規(guī)格》中的技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)雙行山藥種植機(jī)，適用于種植單壟雙行山藥的種植模式。種植機(jī)主要參數(shù)如表1所示，種植主要參數(shù)如圖3所示。整機(jī)工作幅寬1150mm，在壟溝挖出100mm深的種溝，開(kāi)溝間距為380mm，按照80～100mm株距將山藥種按順序放到山藥溝內(nèi)，將土覆蓋在山藥種段表面，蓋土厚度為80～100mm。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排種系統(tǒng)主動(dòng)鏈輪

在導(dǎo)種過(guò)程的第二狀態(tài)時(shí)，主動(dòng)鏈輪速度過(guò)快可能導(dǎo)致種莖被甩出，進(jìn)而導(dǎo)致種莖受傷或漏種的情況。因此，需要計(jì)算種莖不被甩出的最小輸送主動(dòng)鏈輪的直徑，如圖4所示。

以山藥種莖質(zhì)心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，臨界狀態(tài)下保證種莖不被甩出應(yīng)該滿足式（1）～式（5）。

∑Fx=FIsinδ+FS－mgcosθ=0

（1）

∑Fy=FIcosδ+FN2－mgsinθ≤0

（2）

FS=μmgcosθ

（3）

FI=mv21 000R

（4）

R=D+d2

（5）

式中： ∑Fx——

種莖在x方向所受的合外力，N；

∑Fy——

種莖在y方向所受的合外力，N；

FN2——

護(hù)板對(duì)種莖在y軸方向的支持力，N；

FS——

護(hù)板對(duì)種莖在x軸方向的摩擦力，N；

μ——

種莖與鐵板的摩擦系數(shù)；

m——山藥質(zhì)量；

g——重力加速度；

FI——轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力，N；

δ——

FI與y軸夾角，（°）；

θ——重力與x軸夾角，（°）；

v——輸送鏈運(yùn)動(dòng)線速度，m/s；

R——種莖質(zhì)心到鏈輪中心半徑，mm；

d——主動(dòng)鏈輪分度圓直徑，mm；

D——種莖直徑，mm。

μ取0.26，聯(lián)立式（1）～式（5）得

d≥2v2（sinδ－μcosδ）g（sinθ－cosθ）－D

（6）

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)得知，人工放種能夠匹配的最高輸送鏈運(yùn)動(dòng)線速度為0.5m/s。為保證工作效率，取最高線速度進(jìn)行計(jì)算得d≥16mm，綜合考慮選取08A型號(hào)鏈輪，鏈輪分度圓直徑選取20mm。

2.2 放種槽與鏈條

如圖5所示，山藥種一般為直徑15～25mm、長(zhǎng)70～100mm的圓柱體，極個(gè)別的山藥種為片狀，其寬度為35～40mm。為滿足放種槽能夠適應(yīng)不同尺寸的山藥種段，同時(shí)方便人工放種，確定種槽的尺寸為150mm×50mm×45mm。如圖6所示，種槽為“L”形護(hù)板和“一”形護(hù)板交錯(cuò)配合在兩條平行的單邊帶耳彎板鏈單孔鏈條上。為防止鏈條圍繞主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩護(hù)板之間的縫隙損壞山藥種，護(hù)板寬度應(yīng)大于山藥種的直徑，因此，護(hù)板寬度設(shè)置為25mm。根據(jù)放種槽的尺寸確定鏈條采用08A型號(hào)，節(jié)距為12.7mm，彎板孔中心距為25.4mm。

2.3 后置懸掛系統(tǒng)

由于微型履帶拖拉機(jī)沒(méi)有適配的懸掛結(jié)構(gòu)，因此，參照GB/T 1593—2015《農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī) 后置式三點(diǎn)懸掛裝置 0、1 N、1、2 N、2、3 N、3、4 N和4類》對(duì)后置懸掛系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。后懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，該機(jī)械結(jié)構(gòu)為六連桿結(jié)構(gòu)，10個(gè)運(yùn)動(dòng)副，7個(gè)活動(dòng)部件，自由度為1。該結(jié)構(gòu)包括上拉桿、下拉桿、提升液壓油缸、提升臂、提升臂連桿、提升桿、懸掛點(diǎn)聯(lián)銷和立柱［10］。該結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)提升液壓油缸帶動(dòng)提升臂連桿運(yùn)動(dòng)，提升臂跟隨提升臂連桿運(yùn)動(dòng)，因此，外提升臂帶動(dòng)下拉桿進(jìn)行作業(yè)。后置懸掛系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示。

2.4 提升液壓油缸

2.4.1 液壓泵的選擇

考慮到農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境惡劣以及使用壽命的問(wèn)題，故選用簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)、對(duì)油液污染不敏感、使用維修方便的齒輪泵［13］。各種常見(jiàn)的機(jī)械設(shè)備液壓系統(tǒng)壓力如表3所示，農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作壓力為10～18MPa，本研究選擇液壓系統(tǒng)工作時(shí)的最大壓力為16MPa。

2.4.2 液壓油缸力學(xué)分析

提升液壓油缸一端安裝在牽引裝置的機(jī)架上，另外一端與后置懸掛的提升連桿配合，通過(guò)操作提升桿在液壓油的壓力下對(duì)山藥播種機(jī)實(shí)現(xiàn)提升功能。因此，對(duì)提升液壓油缸進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

在后置播種機(jī)提升到最高處時(shí)，狀態(tài)如圖8所示，后置懸掛為平面六桿機(jī)構(gòu)，其中A、B、C、D和E均可視為鉸鏈，其中C為提升臂、提升桿、上拉桿和提升液壓缸4個(gè)構(gòu)件形成的復(fù)合鉸鏈，具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，局部自由度為1。為方便計(jì)算，將整體結(jié)構(gòu)分為a、b和c三個(gè)區(qū)域分步計(jì)算，其中3個(gè)區(qū)域的受力分析簡(jiǎn)圖如圖9所示。

如圖9（a）所示，以鉸鏈B為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，其中G為種植機(jī)自身的重力（取種植機(jī)的滿載質(zhì)量計(jì)算得2500N），種植機(jī)重心與鉸鏈B的水平距離為L(zhǎng)OBx（714mm）; F1為提升臂在A鉸鏈處對(duì)種植機(jī)的約束力，其與鉸鏈B的水平距離為L(zhǎng)ABx（24mm）、豎直距離為L(zhǎng)ABy（222mm），F(xiàn)1與水平方向夾角為α（24.67°）;下拉桿在B鉸鏈處所受水平方向和豎直方向的約束力分別為F2x和F2y，平衡方程如式（7）～式（9）所示。

∑Fx=0，F(xiàn)2x－F1cosα=0

（7）

∑Fy=0，F(xiàn)1sinα－F2y－G=0

（8）

∑M=0，F(xiàn)1cosαLABy－F1sinαLABx－GLOBx=0

（9）

將式（7）～式（9）合并整理得F1為9317N，F(xiàn)2x為10352N，F(xiàn)2y為1385N。

同理得F3為10768N，F(xiàn)4x為11180N，F(xiàn)4y為12121N；F液為4743.2N，F(xiàn)推=KF液，其中K為安全系數(shù)，取K為1.3，最終得F推=6166.2N。

2.4.3 液壓缸的參數(shù)計(jì)算

液壓油缸能克服的最大負(fù)載和有效工作面積的關(guān)系［12］計(jì)算如式（10）所示。

F=pAηm×106

（10）

式中： F——液壓缸的最大負(fù)載力，N；

p——液壓缸的工作壓力，Pa；

A——

液壓缸的有效作用面積，m2；

ηm——

液壓缸的機(jī)械效率，一般取0.9～0.97。

已知提升液壓缸的最大負(fù)載為6166.2N，液壓缸的機(jī)械效率取0.9，計(jì)算得A=4.28×10-4m2。

液壓缸的內(nèi)徑和活塞桿直徑的關(guān)系可根據(jù)液壓缸的往返速度比進(jìn)行計(jì)算，速比過(guò)大會(huì)使無(wú)桿腔產(chǎn)生過(guò)大的背壓，速比太小則活塞桿太細(xì)導(dǎo)致穩(wěn)定性不好，查閱《簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》［15］，選擇速比為1.46，按式（11）計(jì)算［14］。

φ=v1v2=D12D12-d12

（11）

式中： φ——液壓缸的往返速度比；

v1——活塞桿伸出速度，m/min；

v2——活塞桿伸出速度，m/min；

D1——液壓活塞桿內(nèi)徑，mm；

d1——活塞桿直徑，mm。

液壓缸內(nèi)徑按式（12）計(jì)算。

D1=4Aπ+d12

（12）

求得液壓缸內(nèi)徑D1為28.6mm，圓整為29mm，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的液壓內(nèi)徑系列和活塞桿直徑系列初選缸筒內(nèi)徑D1為40mm，對(duì)應(yīng)的活塞桿直徑d1為25mm。

根據(jù)實(shí)際升降高度，選用的液壓缸為單桿雙作用活塞液壓缸，油缸內(nèi)徑為40mm，活塞桿直徑為25mm，行程為200mm，額定壓力為16MPa。

3 運(yùn)動(dòng)及仿真分析

3.1 排種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

雙行山藥種植機(jī)的排種結(jié)構(gòu)如圖4所示，其排種原理：地輪通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳輸給主動(dòng)鏈輪，主動(dòng)鏈輪帶動(dòng)兩條平行的單邊帶耳彎板鏈單孔鏈條，將“L”形放種板和“一”放種板交錯(cuò)等距配合在兩條單邊帶耳彎板鏈單孔鏈條上，進(jìn)而形成若干個(gè)長(zhǎng)×寬×高為150mm×50mm×45mm的放種槽。鏈條在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)人工輔助將山藥種依次投放到Ⅰ區(qū)的放種槽內(nèi)；當(dāng)鏈條進(jìn)入到導(dǎo)種區(qū)Ⅱ，山藥種在“L”形護(hù)板和導(dǎo)種護(hù)板的支撐作用下向下運(yùn)動(dòng)；通過(guò)導(dǎo)種區(qū)后，山藥種進(jìn)入滑種區(qū)Ⅲ，此時(shí)山藥種失去“L”形護(hù)板的支撐，沿著弧形護(hù)板的軌跡滑行，當(dāng)?shù)竭_(dá)投種點(diǎn)后，山藥種失去支撐力，在重力的作用下完成投種。

如圖10所示，排種系統(tǒng)共分為放種區(qū)Ⅰ、導(dǎo)種區(qū)Ⅱ、滑種區(qū)Ⅲ三塊區(qū)域，從而完成放種、導(dǎo)種和滑種，最終完成投種。

3.2 導(dǎo)種過(guò)程與投種過(guò)程分析

如圖11所示，山藥種于放種區(qū)Ⅰ，在人工輔助的作用下放入放種槽，山藥種在重力G、“L”形放種板短邊對(duì)山藥種摩擦力f和支持力FN1以及“L”形放種板長(zhǎng)邊對(duì)山藥種橫向的支持力FN2四個(gè)力的作用下以勻速v1平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)“L”放種板從放種區(qū)Ⅰ進(jìn)入導(dǎo)種區(qū)Ⅱ時(shí)開(kāi)始圍繞主動(dòng)鏈輪旋轉(zhuǎn)，放種板從水平狀態(tài)開(kāi)始逐漸傾斜，山藥種在“L”形放種板的支撐下平穩(wěn)運(yùn)輸?shù)綄?dǎo)種區(qū)Ⅱ；山藥種在導(dǎo)種區(qū)Ⅱ時(shí)，受到“L”形放種板豎直向上的支持力FN2和豎直向下的重力G以勻速v2向下運(yùn)動(dòng)；直到“L”形放種板開(kāi)始圍繞第一從動(dòng)鏈輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，山藥種開(kāi)始逐漸滾落到弧形擋板上，并沿著弧形擋板軌跡到達(dá)投放點(diǎn)，在重力的作用下到達(dá)所開(kāi)種溝，完成播種過(guò)程。

3.3 后置懸掛靜力學(xué)仿真分析

后懸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)作業(yè)效率起著至關(guān)重要的作用，結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形、焊接處斷裂會(huì)很大程度上影響工作效率。因此，借助ANSYS Workbench軟件對(duì)后懸結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變、應(yīng)力和形變分析。后懸系統(tǒng)采用的材料為Q235，其彈性模量為210GPa，泊松比取0.33；選用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法共劃分979184個(gè)單元，1923317個(gè)節(jié)點(diǎn)；施加機(jī)械滿載載荷2500N；將懸掛裝置在托舉最高處約束；最后進(jìn)行求解，后懸機(jī)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力和形變量云圖如圖12所示。

由圖12可知，應(yīng)力、應(yīng)變最大都在立柱與種植機(jī)前橫梁焊接處，懸掛結(jié)構(gòu)的各個(gè)連桿均未超過(guò)鋼材的許用應(yīng)力且形變過(guò)度良好，未發(fā)生突變，說(shuō)明該后置懸掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；種植機(jī)前橫梁末端為形變量最大的位置，可能發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形和斷裂，因此，應(yīng)在立柱與橫梁之間增加斜撐來(lái)減小形變，同時(shí)斜撐的增加能夠使連接處的應(yīng)力、應(yīng)變減小，使后懸結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)

在樣機(jī)初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以播種機(jī)行進(jìn)速度為0.14m/s，排種系統(tǒng)線速度為0.3m/s和投種高度為12mm進(jìn)行試驗(yàn)。單因素仿真試驗(yàn)以種植的合格指數(shù)和種植均勻度變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。參考GB/T 6424—2006《馬鈴薯種植機(jī)試驗(yàn)方法》、NY/T 1066—2006《馬鈴薯等級(jí)規(guī)格》中的方法，山藥種段間距≥0.5倍的理論種植間距且≤1.5倍的種植間距稱為合格；種植均勻度的變異系數(shù)越小，相鄰均勻時(shí)間間隔內(nèi)的種植可靠性越好，可為長(zhǎng)時(shí)間的種植作業(yè)提供穩(wěn)定的保障。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2023年4月于保定市某公司山藥種植試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊長(zhǎng)50m、寬30m，試驗(yàn)前提前對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行處松土開(kāi)溝處理，并提前一天對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行灌溉。種植種莖選用該地區(qū)常用的山藥品種，試驗(yàn)設(shè)備有鋼卷尺、皮尺、秒表等。具體步驟：在種料斗里填滿山藥種莖，調(diào)試山藥種植機(jī)與履帶拖拉機(jī)。為減小試驗(yàn)誤差，種植前進(jìn)行10m試種。確保機(jī)器各項(xiàng)正常后（圖13），每種工況下種植30m并試驗(yàn)3次作為統(tǒng)計(jì)樣本，最終對(duì)獲得的此工況下山藥種莖間距數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算取平均值，得出合格指數(shù)與種植均勻度變異系數(shù)。

4.3 單因素試驗(yàn)

4.3.1 排種系統(tǒng)線速度

當(dāng)行進(jìn)速度為0.14m/s、投種高度為12mm時(shí)，排種系統(tǒng)線速度對(duì)種植合格指數(shù)與種植均勻度變異系數(shù)的影響如圖14所示。隨著排種線速度增加，種植合格率先增加后下降；變異系數(shù)隨著排種系統(tǒng)線速度的增加先小幅度下降后逐漸增加。其原因在于，放種盒的尺寸略大于種莖的長(zhǎng)度，種莖同一端面無(wú)法保證在同一水平線，使種莖在向下投種時(shí)中間間隙過(guò)大導(dǎo)致漏種和重種；同時(shí)考慮到放種為人工放種，過(guò)快的速度使放種時(shí)間變短，可能會(huì)導(dǎo)致工人投種時(shí)就出現(xiàn)漏投現(xiàn)象。為保證工作效率和種植合格率同時(shí)降低變異系數(shù)，排種系統(tǒng)線速度取0.25～0.35m/s。

4.3.2 行進(jìn)速度

當(dāng)排種系統(tǒng)線速度為0.3m/s、投種高度為12mm時(shí)，行進(jìn)速度對(duì)種植合格指數(shù)與種植均勻度變異系數(shù)的影響如圖15所示。

隨著行進(jìn)速度的增加，種植機(jī)的種植效率先增加后降低，變異系數(shù)先緩慢降低后快速增長(zhǎng)。其原因在于，隨著行進(jìn)速度的增加，種植效率迅速提高；但隨著行進(jìn)速度進(jìn)一步增加，由于排種系統(tǒng)的線速度一定，種莖投放速度無(wú)法與行進(jìn)速度匹配，導(dǎo)致漏種情況明顯，合格率迅速下降。為避免漏種的情況頻繁發(fā)生，行進(jìn)速度取0.1～0.14m/s。

4.3.3 投種高度

當(dāng)行進(jìn)速度為0.14m/s、排種系統(tǒng)線速度為0.3m/s時(shí)，投種高度對(duì)種植機(jī)各項(xiàng)性能的影響如圖16所示。隨著投種高度的增加種植合格率先緩慢增加隨后迅速降低，變異率先緩慢降低之后迅速增加。其原因在于，投種高度過(guò)低時(shí)種莖在空中滯留的時(shí)間短，容易出現(xiàn)重種的狀況；隨著投種高度增加種莖間距逐漸與投種高度匹配，合格指數(shù)增加；但隨著投種高度進(jìn)一步增加，種莖在空中滯留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，漏種情況明顯。為保證種植機(jī)的工作性能，投種高度選10～14mm。

4.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于單因素仿真試驗(yàn)所確定的因素取值范圍，以排種系統(tǒng)線速度、行進(jìn)速度和投種高度為試驗(yàn)因素，種植合格指數(shù)與種植均勻度變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表4所示。

4.5 回歸模型建立與結(jié)果分析

采用Design—Expert 12軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，進(jìn)行17組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示，其中X1、X2、X3為因素編碼值。

根據(jù)試驗(yàn)方案與結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表6所示。

根據(jù)上述回歸模型方差分析，剔除不顯著因素后建立種植合格指數(shù)Y1、種植均勻度變異系數(shù)Y2與x1、x2、x3之間的回歸方程

Y1=

94.15+3.18x1－2.87x2+3.66x3+

2.49x1x2－3.58x1x3+ 2.31x2x3－

4.09x12－4.13x22－2.35x32

（13）

Y2=

2.72+0.20x1－0.03x2－0.28x3－

0.38x1x3+0.85x12+0.27x22－0.18x32

（14）

由表6可知，影響播種機(jī)種植合格指數(shù)的因素的主次順序?yàn)橥斗N高度、排種系統(tǒng)線速度和行進(jìn)速度；影響播種機(jī)種植均勻度因素的主次順序?yàn)橥斗N高度、行進(jìn)速度和排種系統(tǒng)線速度。

4.6 交互因素對(duì)種植性能的影響

各因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)Y1、Y2影響的響應(yīng)面曲線如圖17所示。

4.7 試驗(yàn)結(jié)果目標(biāo)優(yōu)化

為確保雙行山藥播種機(jī)達(dá)到最佳的種植性能，同時(shí)能夠長(zhǎng)時(shí)間地連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)。按照種植合格指數(shù)最大、種植均勻度變異系數(shù)最小原則，運(yùn)用Design—Expert 12軟件對(duì)兩個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型最優(yōu)化進(jìn)行求解，目標(biāo)函數(shù)為

maxY1

maxY2

s.t.

-1≤X1≤1

-1≤X2≤1

-1≤X3≤1

（15）

對(duì)目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到結(jié)果：當(dāng)排種系統(tǒng)線速度為0.315m/s、機(jī)器的行進(jìn)速度為0.128m/s、投種高度為11.1mm時(shí)，種植合格指數(shù)為93.59％，種植均勻度變異系數(shù)為3.14％。

4.8 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，選擇播種機(jī)排種系統(tǒng)線速度為0.3m/s、行進(jìn)速度為0.13m/s、投種高度為11mm，進(jìn)行5組驗(yàn)證試驗(yàn)取平均值，如表7所示。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化的山藥種植機(jī)種植合格指數(shù)為92.74％，種植均勻度變異系數(shù)為2.97％，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，且滿足相應(yīng)的農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

1） 針對(duì)我國(guó)山藥種植缺少專用的播種機(jī)具、人工播種效率低、勞動(dòng)量大、播種合格率低等問(wèn)題，結(jié)合河北地區(qū)的山藥種植模式與農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)懸掛式山藥播種機(jī)，達(dá)到播種效率高、播種質(zhì)量好、可以一次性完成多種種植工序的目的。

2） 對(duì)懸掛式山藥播種機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行分析：設(shè)計(jì)后置懸掛系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)模型建立和有限元仿真分析，驗(yàn)證后置懸掛系統(tǒng)的可靠性，并選取最佳的提升液壓油缸；設(shè)計(jì)排種系統(tǒng)，選取最佳的排種鏈條與主動(dòng)鏈輪；對(duì)山藥種莖在排種系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，確定以排種系統(tǒng)線速度、行進(jìn)速度、投種高度為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)。結(jié)果表明，排種系統(tǒng)線速度為0.25～0.35m/s、行進(jìn)速度為0.12～0.16m/s、投種高度為10～14mm是較優(yōu)的取值范圍。

3） 采用Box—Behnken試驗(yàn)方法進(jìn)行正交試驗(yàn)，分析可知懸掛式山藥播種機(jī)最優(yōu)的工作參數(shù)：排種系統(tǒng)線速度為0.315m/s、機(jī)器的行進(jìn)速度為0.128m/s、投種高度為11.1mm時(shí)，種植合格指數(shù)為93.59％，種植均勻度變異系數(shù)為3.14％，驗(yàn)證模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，滿足設(shè)計(jì)和農(nóng)藝要求。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 王文明. 雙行山藥種植機(jī)的研制與試驗(yàn)［D］.泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2021.

Wang Wenming. Development and experiment of double-line yam planter ［D］. Tai’an： Shandong Agricultural University， 2021.

［2］ 歐陽(yáng)蕾. 懸掛式山藥收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［D］. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2022.

Ouyang Lei. Design and test of hanging yam harvester ［D］. Tai’an： Shandong Agricultural University， 2022.

［3］ 郝建軍， 龍思放， 李浩， 等.機(jī)收麻山藥離散元模型構(gòu)建及其仿真參數(shù)標(biāo)定［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2019， 35（20）： 34-42.

Hao Jianjun， Long Sifang， Li Hao， et al. Construction of discrete element model of machine-harvested hemp yam and calibration of simulation parameters ［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（20）： 34-42.

［4］ 莊濟(jì)慧. 一種山藥播種機(jī)［P］. 中國(guó)專利：CN103120054B， 2015-05-06.

［5］ 潘志國(guó)， 李心志， 楊然兵， 等. 基于軌跡法的山藥播種機(jī)送種機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2019， 40（12）： 30-33， 40.

Pan Zhiguo， Li Xinzhi， Yang Ranbing， et al. Optimal design of yam seeding machine feeding mechanism based on trajectory method ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（12）： 30-33， 40.

［6］ 常永彬， 張三茂， 呂賀蒙， 等. 一種復(fù)合式山藥旋耕播種機(jī)［P］. 中國(guó)專利：CN217509399U， 2022-09-30.

［7］ 胡道安. 一種山藥播種機(jī)用排種裝置［P］. 中國(guó)專利：CN110754180B， 2021-06-15.

［8］

莊濟(jì)慧. 一種山藥播種機(jī)［P］. 中國(guó)專利：CN202958146U， 2013-06-05.

［9］ 齊琳， 王賀鵬， 孫志梅， 等. 河北省山藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的主要問(wèn)題解析［J］. 現(xiàn)代農(nóng)村科技， 2021（2）： 111-112.

［10］ 王東， 牛劭斌， 許華森， 等. 華北平原山藥主產(chǎn)區(qū)土壤肥力和養(yǎng)分平衡現(xiàn)狀及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)， 2021， 32（8）： 2818-2828.

Wang Dong， Niu Shaobin， Xu Huasen， et al. Current status quo of soil fertility and nutrient balance and environmental risk assessment in the main yam producing areas of North China Plain ［J］. Chinese Journal of Applied Ecology， 2021， 32（8）： 2818-2828.

［11］ 魏忠彩， 王興歡， 李學(xué)強(qiáng)， 等. 履帶自走式分揀型馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2023， 54（2）： 95-106.

Wei Zhongcai， Wang Xinghuan， Li Xueqiang， et al. Design and experiment of crawler self-propelled sorting potato harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2023， 54（2）： 95-106.

［12］ 孫景彬， 褚宏麗， 劉琪， 等. 山地履帶拖拉機(jī)坡地等高線作業(yè)土壤壓實(shí)應(yīng)力研究［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2022， 53（7）： 30-42.

Sun Jingbin， Chu Hongli， Liu Qi， et al. Study on soil compaction stress for slope contour operation of mountain crawler tractor ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2022， 53（7）： 30-42.

［13］ 張崢?lè)f. 拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛電—液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［D］. 合肥： 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2022.

Zhang Zhengying. Design and test of three-point suspension electro-hydraulic control system of tractor ［D］. Hefei： Anhui Agricultural University， 2022.

［14］ 張清劭. 液壓與液力傳動(dòng)［M］. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 1988.

［15］ 唐金松.《簡(jiǎn)明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第3版［M］.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 2004.