劉文亮，劉楓，付家慶，王新陽(yáng)，姜彩宇，楊躍華，張亮

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林長(zhǎng)春130022）

人參機(jī)械化種植設(shè)備的設(shè)計(jì)研究

劉文亮，劉楓，付家慶，王新陽(yáng)，姜彩宇，楊躍華，張亮

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林長(zhǎng)春130022）

在對(duì)比機(jī)械型孔式排種器與氣力式排種器的優(yōu)缺點(diǎn)后，結(jié)合人參種子特點(diǎn)，以氣吸播種原理為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了針狀震動(dòng)氣吸式人參精密播種機(jī)。對(duì)人參精密播種機(jī)的震動(dòng)機(jī)理、主要零部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)分別進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)。整機(jī)采用機(jī)械式凸輪結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；利用負(fù)壓吸種和導(dǎo)桿推種破殼技術(shù)實(shí)現(xiàn)單穴單粒精播；通過控制裝置實(shí)現(xiàn)播種株距的改變，滿足不同地區(qū)、不同用戶的要求。通過田間試驗(yàn)找出影響播種性能的主要因素，用正交方法分析各因素對(duì)單粒率、空穴率、重播率影響的大小及實(shí)際情況，得出因素影響的主次順序，找出了較優(yōu)因素組合。

人參機(jī)械化種植；震動(dòng)氣吸式；精密排種器

人參是吉林省東部山區(qū)重要支柱型特色經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，種植總面積近幾年穩(wěn)定在5 000萬(wàn)hm2左右，但一直以手工作業(yè)方式為主，缺少合適的機(jī)械化設(shè)備。造成這一問題的主要原因是人參種子體積小、質(zhì)量小、形狀不規(guī)則，并且采用催芽播種，對(duì)機(jī)械化設(shè)備的要求較高。

目前，國(guó)內(nèi)外精密播種采用的排種器主要有機(jī)械式排種器和氣力式排種器[1-3]。機(jī)械式精密排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，主要依靠種子自身重力或輔助機(jī)械裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)排種動(dòng)作。對(duì)于人參種子，這種結(jié)構(gòu)形式容易產(chǎn)生2個(gè)問題：一是人參種子從種盒到排種管的運(yùn)動(dòng)過程中始終與各種結(jié)構(gòu)件接觸，不可避免產(chǎn)生摩擦和擠壓，易損傷種子；二是人參種子催芽后濕度很高，容易黏結(jié)堵塞排種器，影響排種[4-6]。氣吸式精密排種器利用抽氣產(chǎn)生的負(fù)壓將種子吸附在針管的頂端。針管與種子間為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸，不傷害種子，對(duì)種子尺寸要求也不嚴(yán)格[7-9]。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)較高。在比較2種排種器性能后，設(shè)計(jì)了本研究的人參精密播種機(jī)，為了適應(yīng)不同質(zhì)量的種子，氣力裝置設(shè)置為可調(diào)式，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整吸力大小。為了克服催芽后濕度較高的人參種子間的黏附力，還專門設(shè)計(jì)了震動(dòng)機(jī)構(gòu)[10]，使種子處于沸騰狀態(tài)，避免了黏結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。本研究設(shè)備設(shè)計(jì)的目的在于為人參機(jī)械化種植提供一種合適的設(shè)備，在設(shè)計(jì)過程中采用了震動(dòng)氣吸式的方法。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作流程

人參精密播種機(jī)主要由機(jī)架、電機(jī)、負(fù)壓風(fēng)機(jī)、吸排種機(jī)構(gòu)、種盤震動(dòng)機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓輪、傳動(dòng)軸（中間軸、凸輪軸、拐臂軸等）、行走機(jī)構(gòu)、落種導(dǎo)管組合、導(dǎo)軌組合、電控箱等部件組成（結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示）。其工作流程為：打開電源，負(fù)壓風(fēng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始工作，在負(fù)壓風(fēng)機(jī)的作用下風(fēng)室管內(nèi)腔產(chǎn)生一定的真空度，吸種管形成吸力。與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過凸輪軸帶動(dòng)拐臂擺動(dòng)和支桿搖動(dòng)。吸排種機(jī)構(gòu)在拐臂、支桿、滑道和彈簧的共同作用下做往復(fù)式擺動(dòng)。當(dāng)吸種管隨著吸排種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到種子盒上方，距離足夠近時(shí)，種子就會(huì)在吸附力作用下被吸附在吸種管端口上，然后種子隨吸種管轉(zhuǎn)到排種管處，這時(shí)導(dǎo)桿向下推入，吸種管上的圓形孔被堵住，負(fù)壓消失，種子在自身重力和導(dǎo)桿推力共同作用下從吸種管落入到導(dǎo)種管中，然后從導(dǎo)種管滑落到土壤中，經(jīng)過覆土鎮(zhèn)壓，完成整個(gè)播種過程。

表1 人參精密播種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

人參精密播種機(jī)與220 V直流電源（或汽油發(fā)電機(jī)）配套使用，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走和工作部件，實(shí)現(xiàn)機(jī)具沿種床自主行走和全自動(dòng)精量播種作業(yè)。播種部件采用的吸針式精密播種技術(shù)，可保證小顆粒種子的精密播種要求，并可通過更換部件的方式對(duì)株距、行距等進(jìn)行調(diào)整，可廣泛用于人參等中藥材的播種作業(yè)。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架主要由側(cè)板、方橫梁、圓橫梁、導(dǎo)種管下連接板、U型支腿管等組成（圖2）。各部件通過螺栓緊固聯(lián)接，形成框架式結(jié)構(gòu)。機(jī)架上固定行走電機(jī)、工作電機(jī)、負(fù)壓風(fēng)機(jī)、電控箱和蝸輪蝸桿減速機(jī)。各傳動(dòng)軸和履帶式行走機(jī)構(gòu)[11]的主動(dòng)軸和被動(dòng)軸分別通過軸承座固定在機(jī)架的兩側(cè)板上，并可進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。種盤和導(dǎo)種管組件通過螺栓與機(jī)架緊固聯(lián)接。鎮(zhèn)壓輪通過支臂與機(jī)架上的后支腿管固定。吸排種機(jī)構(gòu)通過拐臂和支桿分別與拐臂軸和凸輪軸連接。鎮(zhèn)壓輪和吸排種機(jī)構(gòu)分別通過彈簧與機(jī)架形成彈性聯(lián)接。

2.2 吸排種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

吸排種機(jī)構(gòu)是人參精密播種機(jī)的核心，由風(fēng)室管、吸針及導(dǎo)桿組成（圖3），采用針式氣吸精密播種技術(shù)。風(fēng)室管既通過吸風(fēng)軟管與負(fù)壓風(fēng)機(jī)相連，又與吸針連接，在電機(jī)、鏈條、鏈輪、導(dǎo)軌組合的作用下實(shí)現(xiàn)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)吸針到達(dá)吸種及排種位置。吸針的作用是在氣動(dòng)系統(tǒng)作用下完成吸種和排種[12-13]。人參種子從種子盒內(nèi)被吸附到吸針端口的過程中，受到吸管吸力和人參種子自身重力的雙重作用。當(dāng)吸力大于人參種子重力的時(shí)候，種子即被吸針吸附。種子被吸附在氣針上，并與氣針一起運(yùn)動(dòng)到投種區(qū)，投種區(qū)是由隔板和倒種管組成，與大氣相通，真空度為零，種子在重力與針芯推力的作用下下落，投入倒種管中。

2.3 導(dǎo)軌組合的設(shè)計(jì)

導(dǎo)軌組合主要由拐臂、導(dǎo)桿固定軸、導(dǎo)桿、吸針、風(fēng)室管、彈簧、支桿、凸輪組成（圖4），用來(lái)控制吸排種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。風(fēng)室管帶動(dòng)吸針沿滑塊運(yùn)動(dòng)，支桿連接吸排種機(jī)構(gòu)和凸輪，凸輪做圓周運(yùn)動(dòng)，通過軸承帶動(dòng)拐臂做往復(fù)式擺動(dòng)。在拐臂、彈簧、支桿、凸輪的共同作用下，吸排種機(jī)構(gòu)做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，在往復(fù)擺動(dòng)的2個(gè)極限位置完成吸種和排種。

2.4 種盤震動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

種盤震動(dòng)機(jī)構(gòu)采用偏心式機(jī)械振動(dòng)方式，振動(dòng)電機(jī)安裝在種盤中部底面的下方，其上固定有偏心塊，種盤與機(jī)架間采用4個(gè)彈性尼龍銷連接，偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)種盤做小幅高頻震動(dòng)（圖5）。種盤震動(dòng)使種子盒內(nèi)的人參種子在播種機(jī)工作過程中始終處于激蕩狀態(tài)，避免黏結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)避免種盒內(nèi)種子因吸種產(chǎn)生凹坑現(xiàn)象，使種子始終處于吸針正下方。

種子在種盤內(nèi)受到震動(dòng)后又受到種盤摩擦力、空氣阻力、種子間作用力、橫向滑動(dòng)等多方面的作用力。為了研究種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律將這些外力作出限制條件，將種子運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)化為理想散粒體的簡(jiǎn)諧振動(dòng)模型[14]。相關(guān)研究表明，種子受震動(dòng)拋起的劇烈程度取決于震動(dòng)指數(shù)，其中，A為振幅，ω為振動(dòng)圓頻率，δ為振動(dòng)方向與水平方向的夾角）的大小，震動(dòng)指數(shù)Kp較小時(shí)，人參種子振幅較小，橫向偏移距離較大；提高震動(dòng)指數(shù)Kp，人參種子振幅增大，橫向偏移距離降低，甚至可以忽略不計(jì)；當(dāng)Kp的取值大約為7時(shí)，種子震動(dòng)綜合效果最好[15-16]。

2.5 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由圖6可知，行走機(jī)構(gòu)采用履帶式結(jié)構(gòu)，主要由主動(dòng)鏈輪軸、被動(dòng)鏈輪軸、履帶板、鏈條等組成，履帶板通過螺栓固定在鏈條上。履帶板為12條突出的輪條，具有一定的質(zhì)量和面積，支撐和平衡整機(jī)質(zhì)量。單個(gè)輪條結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形，尺寸為1 400 mm× 120 mm，輪條前端設(shè)計(jì)成有一定弧度的形狀，采用航空鋁材一次沖壓而成。工作時(shí)，行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)鏈輪軸帶動(dòng)鏈條和履帶板運(yùn)動(dòng)，通過履帶板與地面的磨擦作用實(shí)現(xiàn)機(jī)具的自主行走。

2.6 電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能

電控系統(tǒng)主要由電機(jī)、接觸器、繼電器、可控硅調(diào)壓器、變壓器、觸摸式控制面板、調(diào)壓旋鈕等組成（圖7）。通過電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的總啟動(dòng)與停止、吸排種機(jī)構(gòu)單獨(dú)啟動(dòng)與停止、負(fù)壓風(fēng)機(jī)單獨(dú)啟動(dòng)與停止、行走系統(tǒng)單獨(dú)啟動(dòng)與停止、機(jī)具正向行走與反向行走、真空度的無(wú)極調(diào)整等功能。

3 性能試驗(yàn)

2013年5月至2015年11月，人參精密播種機(jī)分別在吉林省農(nóng)業(yè)大學(xué)、吉林省集安市、遼寧省太平哨鎮(zhèn)的人參種植基地進(jìn)行了作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程參考王麗君[17]的方法，考慮到各因素對(duì)工作性能影響的大小及實(shí)際情況，選擇通過改變吸嘴孔徑、真空度和播種速度這3個(gè)影響播種性能的主要因素，觀察單粒率、空穴率和重播率的變化，并通過正交試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，找出影響播種性能因素的主次關(guān)系和最優(yōu)組合。

通過查閱資料和初步的試驗(yàn)摸索，確定各因素的水平值采用表2所示的值[18-19]。吸嘴直徑根據(jù)人參種子和自主研發(fā)的人參精密播種機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)范圍來(lái)定；真空度值依據(jù)氣泵所達(dá)到的真空絕對(duì)壓力值范圍來(lái)定；播種速度根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度設(shè)定。

表2 各因素水平值

由于具有均衡分散性和整齊可比性，能夠減少試驗(yàn)次數(shù)，消除各效應(yīng)之間的相關(guān)性，使計(jì)算分析大為簡(jiǎn)化，故播種性能試驗(yàn)采用二水平三因素的正交試驗(yàn)。

對(duì)人參種子進(jìn)行正交試驗(yàn)，所得結(jié)果列于表3。

從表3可以看出，以2號(hào)試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)最佳，試驗(yàn)結(jié)果為單粒率99.03%，空穴率0.85%，重播率0.98%。其因素水平的組合為A1B2C2，即吸嘴孔徑3.0 mm，真空度0.03 MPa，播種速度45 mm/s。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本研究通過人參精密播種機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：（1）針狀震動(dòng)氣吸式精密播種技術(shù)對(duì)于解決人參種子體積小、質(zhì)量小、形狀不規(guī)則，并且采用催芽播種的特點(diǎn)是一種合適的排種器設(shè)計(jì)方式。（2）采用針吸式吸種法，既能夠保證不傷害催芽后的人參種子，又能夠保證每個(gè)吸針只吸附一粒種子，達(dá)到精密播種的要求。（3）凸輪導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了吸排種機(jī)構(gòu)的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，到達(dá)吸種、排種位置，位置精確，性能可靠。（4）震動(dòng)式種箱可以使催芽后濕度很高的人參種子處于離散狀態(tài)，同時(shí)消除種子盒內(nèi)因吸種產(chǎn)生的凹坑現(xiàn)象，使吸種更容易。（5）通過性能試驗(yàn)，找出了影響播種性能因素的主次關(guān)系和最優(yōu)組合，單粒率、空穴率和重播率等指標(biāo)均能滿足人參播種要求，能夠可靠地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精量播種。

總之，這種針狀震動(dòng)氣吸式精密播種機(jī)可以精確、高效地完成人參機(jī)械化種植作業(yè)，并且通過可調(diào)式氣力控件適用于不同規(guī)格的種子。根據(jù)需要行距可以設(shè)置為30，60 mm，株距設(shè)計(jì)30～200 mm多種可調(diào)。研制這種播種機(jī)，不但具有較好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景，也具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

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Study on the Design of Mechanical Planting Equipment of Ginseng

LIUWenliang，LIUFeng，F(xiàn)UJiaqing，WANGXinyang，JIANGCaiyu，YANGYuehua，ZHANGLiang
（Jilin Academy of Agricultural Machinery，Changchun 130022，China）

The author designed the acicular vacuum-vibration ginseng seeder after contrasting the mechanical precision seeder and the vacuum-vibration seeder,calculated and designed about the vibration principle of the ginseng seeder,the mechanical structure of main components and electronic control system.The machine was automatic with the structure of cam and electronic control system,it completed precision seeding with negative pressure suction push seeds.It could meet the requirements of different regions and different users through changing seeding planting distance.We found out the main factors of influencing the plant performance through field experiment,analysed the effects of single grain rate,hole ratio,replay ratio,concluded the primary and secondary order,found a optimal combination.

mechanical plant of ginseng;vibration-vacuum;precision seeder

S223

A

1002-2481（2016）10-1537-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.10.28

2016-06-16

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20150204019YY）；吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院項(xiàng)目（201505014，YL201607011）

劉文亮（1983-），男，吉林長(zhǎng)春人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)研究工作。