張國鵬， 楊永發(fā)， 王金峰， 雷 倩

(西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224)

工廠化育秧技術(shù)的創(chuàng)新與研究

張國鵬， 楊永發(fā)， 王金峰， 雷 倩

(西南林業(yè)大學機械與交通學院，云南 昆明 650224)

基于云南地區(qū)的特殊地形地貌及工廠化育秧的農(nóng)藝要求，設計了一款適用性較強的工廠化育秧設備，對設備的可靠性進行了理論計算，分析了播種軸的排種條件，實現(xiàn)了育秧和行走的同步。運用Solidworks軟件對各組件進行了虛擬裝配及運動學仿真分析，分別研究了設備運行過程中的鋪土、播種及覆土條件。樣機在云南地區(qū)進行了田間試驗，對整套設備的可靠性進行了評估及測量。

工廠化育秧；播種軸；SolidWorks；試驗

目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，高效率、機械化的生產(chǎn)模式已成為主流。工廠化育秧技術(shù)是在工業(yè)化進程中出現(xiàn)的一項高度機械化、自動化和集約化的先進農(nóng)業(yè)技術(shù)，可大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率與土地利用率，但在一些類似云南地區(qū)的特殊地形地貌作業(yè)環(huán)境中，高度機械化的工廠化設備由于占地面積大、投資大及生產(chǎn)效率低等不適合當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。我國對工廠化育秧設備的研制始于20世紀70～80年代，當時國內(nèi)的播種方式主要以機械式為主，如2ZBZ-600型水稻穴盤育秧流水線等[1]，90年代后期開始對缽體育秧技術(shù)進行研究，如2QB-330型氣吸振動式秧盤精量播種機等[2]，使工廠化育秧技術(shù)更加貼近真實育秧環(huán)境，大大提高了育秧效率。本研究參考大量國內(nèi)外相關文獻后，設計出一套適應于云南地區(qū)特殊地理環(huán)境的工廠化育秧設備。該設備通過對播種軸的更換，可實現(xiàn)對多種作物的工廠化育秧，大大降低了勞動強度，提高了生產(chǎn)效率和土地利用率。

1 工廠化育秧技術(shù)農(nóng)藝要求

工廠化育秧流程一般分為播前準備、播種過程、田間攤鋪等，工藝流程如圖1所示。

圖1 工廠化育秧工藝流程

經(jīng)試驗測得農(nóng)藝參數(shù)如下：床土(即營養(yǎng)土)一般為中性偏酸，pH值在5.4～7之間，種子要根據(jù)土壤環(huán)境選擇適合當?shù)卦耘嗟膬?yōu)良品種，發(fā)芽率要大于95%，并做好浸種、消毒和催芽等前期工作[3]，秧盤鋪土厚度15～20 mm，覆土厚度3～6 mm[4]。

2 育秧機工作原理及結(jié)構(gòu)設計

2.1 育秧機工作原理

工廠化育秧機示意圖如圖2所示。

圖2 工廠化育秧機示意圖1.鋪土料斗；2.播種料斗；3.覆土料斗；4.撥叉；5.滾刷；6.毛刷輪；7.播種輪；8.灑水裝置；9.刮土板；10.行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；11.輸送滾輪；12.秧盤垂直輸送系統(tǒng)；13.覆膜輪；14.行走輪

作業(yè)時，外置發(fā)動機提供作業(yè)動力，秧盤由人工放入輸入軌道，并被輸送滾輪輸送到鋪土料斗下方，通過轉(zhuǎn)動撥叉調(diào)節(jié)流量大小。秧盤通過料斗下方后便完成鋪土過程；再由輸送滾輪將秧盤輸送到播種料斗下方，種子在重力的作用下落入到播種軸中，多余的種子則在轉(zhuǎn)動過程中被毛刷輪濾掉，播種軸中的種子由料斗出口均勻落入秧盤中，完成播種過程；秧盤繼續(xù)被輸送到灑水消毒裝置下方，開始對秧盤進行灑水消毒工序，輸送滾輪將秧盤輸送到覆土料斗下方后，靠重力下落的營養(yǎng)土由料斗出口覆蓋在種子上面，然后由刮土板對秧盤中多余的營養(yǎng)土進行刮除，再由垂直升降系統(tǒng)將秧盤攤鋪在田間，最后由覆膜輪對秧盤進行覆膜，以保證營養(yǎng)土的溫度和濕度，至此即完成單個秧盤的育秧工序。

2.2 育秧機關鍵參數(shù)選取

2.2.1 動力源選取

本設計的育秧作業(yè)機具要求有自己的動力源，以提供輸送秧盤和行走的動力，而且空間有限，因此要求質(zhì)量輕、體積小，工作中振動及噪聲要小。功率計算公式如下：

式中：N為機具工作時所需的功率(kW)；m為機具滿載質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(m/s2);v為工作速度(m/s)；f為滾動阻力系數(shù)，在此取0.2；η為傳動效率系數(shù)。

經(jīng)計算可得，當機具工作時滿載質(zhì)量為3 500kg、工作速度為0.2m/s、工作效率最高時動力至少為6kW，因此根據(jù)設計要求選用最大功率大于(或等于)6kW的汽油發(fā)動機來為機具提供動力。

2.2.2 播種作業(yè)條件

播種料斗中的種子在料斗箱中由于自身重力引起流體運動，落下的種子能否順利進入播種軸中是排種成功的關鍵。種子若不能順利落入將出現(xiàn)排種不均現(xiàn)象。播種料斗箱中的種子粒體流動示意圖如圖3所示。

圖3 種子粒體流動示意圖

當種子粒體從料斗箱的出口流出時，1區(qū)的種子首先自由降落，緊接著2區(qū)的種子補充1區(qū)，3區(qū)的種子從兩側(cè)順著5區(qū)向下方滑動補充2區(qū)，最后是4區(qū)的種子向中心區(qū)滑動，運動相對緩慢，料斗箱中的種子以此規(guī)律連續(xù)運動[5-7]。

種子在料斗出口流出時會形成類似“拱橋”的形狀，“拱橋”的高度決定了種子流出時的速度。由動態(tài)落粒拱理論可知，種子流出時的速度為：

播種時排種成功的必要條件為：

V轉(zhuǎn)=V0

式中：V轉(zhuǎn)為播種軸的轉(zhuǎn)速。

2.2.3 播種軸受力分析

播種軸在作業(yè)過程中由發(fā)動機為其提供動力自轉(zhuǎn)，將落下的種子接入排種槽中，到達料斗出口處時依靠種子重力將種子播種到移動的秧盤中，為保證工作的可靠性需對其進行受力分析，如圖4所示。

圖4 播種軸受力分析

由理論力學可知該播種軸的力平衡方程分別為：

∑Fy=0 Fr1+Fr2-P1-P2=0

∑My=0 M3+M3=0

∑MB=0 P1(L1+L2+L3)+P2L3-Fr1(L2+L3)=0

根據(jù)以上各式可計算出所需參數(shù)，對播種軸進行結(jié)構(gòu)設計。

3 育秧機田間試驗分析

表1 鋪土厚度 mm

表2 播種量 g

表3 覆土厚度 mm

這里的測量方式為直接測量，因此所測得的播種量為播種后的秧盤總重量，要得到實際的播種量還需減去播種前的秧盤總重量。

計算各表中測量結(jié)果平均值的極差為：18.0-17.6=0.4，125.9-125.6=0.3，5.0-4.4=0.6。

極差計算結(jié)果較小且各工序運行中穩(wěn)定系數(shù)較高，說明該設備在作業(yè)過程中運行穩(wěn)定，可靠性強，與傳統(tǒng)的育秧設備相比，性能得到了顯著提高，各工序均接近農(nóng)藝要求，作業(yè)質(zhì)量也得到了很大提高。

4 結(jié)論

(1)種子在秧盤內(nèi)能否播種均勻是工廠化育秧設備能否高效的關鍵因素。大量生產(chǎn)試驗表明，當種子的流出速度接近播種軸的速度時即可達到較高的作業(yè)效率。

(2)工廠化育秧在生產(chǎn)過程中必須根據(jù)農(nóng)藝要求嚴格作業(yè)，才能使機械設備結(jié)合農(nóng)藝要求在整個育秧過程中發(fā)揮最大作用。

(3)要盡可能地保證育秧過程中對秧盤鋪土量、覆土量和播種量的精確控制。

(4)在實際生產(chǎn)中，要根據(jù)育秧環(huán)境對設備的機械裝置部分進行適應性調(diào)整，以提高育秧效率。

[1] 王立臣，劉小偉，魏文軍，等.2ZBZ-600型水稻播種設備的試驗與應用[J].農(nóng)機化研究，2000(1)：70-72.

[2] 邱兵，張建軍，陳忠慧.氣吸振動式秧盤精播機振動部件的改進設計[J].農(nóng)機化研究，2002(2)：66-67.

[3] 吳介中.水稻盤育秧機械化流水線播種技術(shù)要點[J].江蘇農(nóng)機化，2009(2).

[4] 孟元元.自走式水稻育秧聯(lián)合作業(yè)機的設計與研制[D].銀川：寧夏大學，2014.

[5] 朱琳.組合式工廠化育秧機設計與研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學，2014.

[6] 樊廷棟，王超，杜旭，等.智能化集中浸種催芽系統(tǒng)的組態(tài)優(yōu)化設計[J].林業(yè)機械與木工設備，2016，44(11)：38-42.

[7] 徐凱宏，張秀明.基于Android的林區(qū)寒地灌溉監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].森林工程，2015，31(3)：90-93+100.

(責任編輯 張雅芳)

Innovation and Research on Factory Seedling Technology

ZHANG Guo-peng， YANG Yong-fa， WANG Jin-feng， LEI Qian

(School of Transportation and Machinery Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China)

Based on the special topography in Yunnan region and the agricultural requirements of factory seedlings，a kind of factory seedling equipment with strong adaptability is designed，theoretical calculation of the reliability of the equipment is realized and the seed sowing conditions of the seed sowing shaft is analyzed，realizing the synchronous operation of the seedling process and the walking process.Solidworks software is used to conduct virtual assembly and motion simulation analysis of each component，and the soil paving，seed sowing and overburden conditions are studied respectively.The field test of the prototype is performed in Yunnan，with the reliability of whole set of equipment evaluated and measured.

factory seedlings；sowing shaft；SolidWorks；experiment

2016-09-02

西南林業(yè)大學科技創(chuàng)新基金項目

張國鵬(1992-)，男，山西運城人，碩士，主要研究方向為機械制造及其自動化，E-mail：807361664@qq.com。

S642.2

A

2095-2953(2017)01-0023-03