楊文彩，杜一帆，宋志鵬，仲?gòu)V遠(yuǎn)，朱景林，李超群

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201，2.楚雄州農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣站，云南 楚雄 675000)

0 引言

三七是馳名中外的名貴藥材，近年來市場(chǎng)的需求量逐年增大[1]。云南三七的栽培歷經(jīng)野生馴化種植、傳統(tǒng)三七種植、優(yōu)質(zhì)無公害三七種植、三七GAP種植到如今的有機(jī)三七種植發(fā)展階段[2]。隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模化經(jīng)營(yíng)、專業(yè)化生產(chǎn)、機(jī)械化和自動(dòng)化程度的不斷提高，工廠化育苗已成為先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)之一[3]。三七由于其播種的季節(jié)性強(qiáng)，必須在較短的時(shí)間內(nèi)，根據(jù)農(nóng)藝要求將種子播種到育苗基質(zhì)中，播種質(zhì)量直接影響到種子的出苗率、出苗質(zhì)量，以及三七的質(zhì)量和產(chǎn)量[4]。

課題組前期開發(fā)的2BQ-27型三七精密播種機(jī)在昆明尋甸大河橋生產(chǎn)基地已完成了5.3hm2余的播種實(shí)驗(yàn)，整體播種效果良好，但仍然存在以下問題：①仿形開溝器作業(yè)過程中靈活性不夠，在基質(zhì)高度變化時(shí)，仿形開溝裝置不能很好地隨基質(zhì)高低的變化迅速上下移動(dòng)。②育苗槽內(nèi)基質(zhì)表面存在前后左右高低不平時(shí)，仿形裝置只能實(shí)現(xiàn)基質(zhì)較高處的仿形，基質(zhì)較低處則不能實(shí)現(xiàn)仿形功能。③育苗槽內(nèi)基質(zhì)濕度對(duì)仿形開溝輪的開溝效果有較大影響，育苗槽內(nèi)基質(zhì)濕度太大時(shí)，基質(zhì)容易粘結(jié)在開溝輪上，增加播種機(jī)的前進(jìn)阻力；基質(zhì)濕度太小時(shí)，開出的種溝兩側(cè)的基質(zhì)回落，降低了開溝的深度。

針對(duì)上述問題，做出以下改進(jìn)：①將仿形開溝器與機(jī)架的連接方式由滑動(dòng)式連接改進(jìn)為鉸鏈?zhǔn)竭B接，以提高其仿形靈活性；②將仿形開溝器整體式安裝結(jié)構(gòu)改進(jìn)為分段，以提高仿形開溝裝置對(duì)基質(zhì)高度變化的適應(yīng)性；③設(shè)計(jì)計(jì)算開溝輪的物理參數(shù)，并在仿形開溝裝置的結(jié)構(gòu)上增加彈性裝置，以提高仿形開溝器對(duì)于育苗槽基質(zhì)濕度變化的適應(yīng)性。

1 開溝輪的設(shè)計(jì)

結(jié)合《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》的相關(guān)知識(shí)，三七精密播種機(jī)前進(jìn)過程中，開溝輪承受垂直載荷并產(chǎn)生摩擦力從而滾動(dòng)；當(dāng)開溝輪在土壤表面勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，開溝輪將在垂直載荷作用下，在松軟土壤中下陷，開溝輪運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將在土壤表面留下輪轍。此時(shí)，輪子與土壤的接觸點(diǎn)，不僅有土壤對(duì)輪子的支撐反力法向合力N、切向的摩擦力的合力T，還有輪軸中的內(nèi)摩擦力Mm、土壤工作部件所受阻力通過機(jī)架傳到地輪上的力矩Mk，如圖 1所示。

當(dāng)開溝輪處于平衡狀態(tài)時(shí)，有

∑Fx=0，P-Rx=0

(1)

∑Fy=0，Q-Ry=0

(2)

∑MA=0，Prd-Qd-Mm-Mk=0

(3)

根據(jù)受力分析，得出從動(dòng)輪的幾種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

1)輪子處于純滾動(dòng)狀態(tài)，有

Rx>P;Prd>Qd+Mm+Mk

2)輪子既滾動(dòng)又滑動(dòng)狀態(tài)，有

P>Rx;Prd>Qd+Mm+Mk

3)輪子處于純滑動(dòng)狀態(tài)，有

Rx>P;Prd

其中，P為牽引力(N)；Q為輪軸所受垂直載荷(N)；Rx為摩擦力(N)；Ry為垂直反力( N)；d為A點(diǎn)與輪心之間的水平距離(m)；rd為A點(diǎn)與輪心之間的垂直距離(m)；Mm為輪軸與軸承間摩擦力矩(N·m)；Mk為土壤給部件在輪上的阻力矩(N·m)。

圖1 壓輪式開溝裝置受力分析圖

開溝輪做純滾動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是播種的最佳狀態(tài)，如果開溝輪同時(shí)存在滾動(dòng)和滑動(dòng)，滑移率較大勢(shì)必造成播種質(zhì)量低下，因此開溝輪應(yīng)盡量減少在開溝過程中產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象。

為減少開溝輪在基質(zhì)中開溝時(shí)的滑動(dòng)現(xiàn)象，選擇V緣環(huán)形開溝輪。該開溝輪工作時(shí)，在地面土壤上的運(yùn)動(dòng)情況是：以開溝輪外緣為頂點(diǎn)，以近似 45°角向兩側(cè)上方延伸的形狀，大塊基質(zhì)也會(huì)被鎮(zhèn)壓下去，防止大塊基質(zhì)夾雜在開溝器之間，可以使開溝器順利通行。其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 開溝輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 開溝輪的直徑

開溝鎮(zhèn)壓輪直徑的大小直接影響開溝效果及開溝輪的滑移率，開溝輪的直徑越小，土壤壓實(shí)效果越不理想，還會(huì)增大作業(yè)過程中的滑移率，出現(xiàn)拖土壅土現(xiàn)象[5]；相反，開溝輪的直徑越大，開溝輪越容易轉(zhuǎn)動(dòng)，并能減小作業(yè)過程中的滑移率，但是開溝輪的直徑過大又會(huì)增加仿形裝置的尺寸，影響播種機(jī)整體的結(jié)構(gòu)及整機(jī)質(zhì)量。因此，選擇合適的開溝輪直徑是其它結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提條件。

開溝輪直徑的確定應(yīng)滿足[6]

(4)

式中R輪—開溝輪的半徑(m)；

f—土壤對(duì)開溝輪的摩擦因數(shù)；

F—開溝輪的重力及其附加載荷(N)；

Wr—軸套中的摩擦力矩(N·m)。

根據(jù)農(nóng)藝要求，育苗槽內(nèi)基質(zhì)表面距槽肩的標(biāo)準(zhǔn)距離為10cm， 2BQ-27型三七精密播種機(jī)落種口距基質(zhì)表面距離為280mm，結(jié)合播種機(jī)的整機(jī)尺寸及安裝位置約束，開溝鎮(zhèn)壓輪的直徑選擇為150mm，符合上述約束條件。

1.2 開溝輪的寬度

開溝輪的任務(wù)除開溝之外，還對(duì)土壤有一定的壓實(shí)作用。若開溝輪的寬度小于導(dǎo)種管直徑，播種時(shí)種子易落在種溝外，影響播種質(zhì)量；若大于導(dǎo)種管直徑，則兩相鄰開溝輪之間間隙減小，影響播種過程中土壤的流動(dòng)性，增加作業(yè)阻力。因此，開溝鎮(zhèn)壓輪的寬度，可根據(jù)開溝寬度、開溝后土壤分布情況確定。為了配合三七精量播種，課題組連續(xù)3年對(duì)包衣三七種子的長(zhǎng)度、寬度、厚度三軸尺寸進(jìn)行了測(cè)量，種子尺寸的集中分布如圖3所示[7]。

圖3 軸向尺寸范圍統(tǒng)計(jì)分布

由圖3中可以看出：三七種子的尺寸基本在4.0～8.0mm之間。為使三七種子在導(dǎo)種管內(nèi)能夠無阻力落種，結(jié)合三七精密播種對(duì)行株距的要求及包衣三七種子的三軸尺寸，導(dǎo)種管直徑確定為20mm。開溝輪開出的種溝應(yīng)滿足導(dǎo)種管內(nèi)落種均能落在種溝內(nèi)，故開溝輪厚度至少為20mm。

三七播種的行株距農(nóng)藝要求為5cm×5cm，兩開溝輪之間留30mm的空隙，以保證土壤的流通性，如圖4所示。其中，i為兩開溝輪之間的中心距、d為開溝輪厚度、l為兩開溝輪之間的間隙。根據(jù)圖4可得到如下幾何關(guān)系，即

d=i-l

(5)

將已知數(shù)據(jù)帶入式(5)得：d=i-l=20，開溝輪寬度為20mm。

圖4 開溝輪厚度計(jì)算示意圖

1.3 開溝輪的連接方式

2BQ-27型三七精密播種機(jī)的開溝裝置為一體式連接，且開溝器與機(jī)架為滑動(dòng)式連接。生產(chǎn)實(shí)踐證明：滑動(dòng)式連接易導(dǎo)致仿形運(yùn)動(dòng)中阻力過大；一體式連接會(huì)使仿形開溝輪對(duì)基質(zhì)表面前后左右高度不一致時(shí)適應(yīng)性變差。為此，將開溝輪與機(jī)架的連接方式改為鉸接，增加其仿形過程中的靈活性；將一體式連接改為分段式連接，以提高仿形裝置對(duì)基質(zhì)表面高低不平的適應(yīng)性。

設(shè)計(jì)后的仿形開溝器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。工作時(shí)，通過調(diào)節(jié)螺母來控制彈簧的預(yù)拉力，從而調(diào)節(jié)開溝器作用于基質(zhì)的單位壓力q，使開溝器處于最佳開溝狀態(tài)。仿形開溝輪鉸接在與機(jī)架固定的連接軸上，前進(jìn)時(shí)在重力和彈簧力的綜合作用下能夠靈活地完成仿形工作。育苗槽寬度為1.44m，三七精密播種要求行株距均為5cm，結(jié)合落種位置不能距育苗槽壁過近，故仿形裝置上總開溝輪個(gè)數(shù)為28個(gè)。每一組仿形裝置上開溝輪數(shù)目增加時(shí)，工作阻力會(huì)隨之增加，不利于彈簧的調(diào)節(jié)且影響整機(jī)工作的精度；開溝輪數(shù)目減少時(shí)，又使仿形裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)更為繁瑣，故選取每一組仿形裝置仿形開溝輪的數(shù)目為4個(gè)V緣環(huán)形開溝輪。

1.預(yù)緊力調(diào)節(jié)螺母 2.彈簧 3.壓輪開溝輪 圖5 V緣環(huán)形壓輪式開溝器示意圖

2 彈性裝置的設(shè)計(jì)

2.1 仿形彈簧的剛度系數(shù)確定

安裝拉力彈簧有利于開溝深度穩(wěn)定，通過合理選擇彈簧的剛度系數(shù)和預(yù)拉力，在保證開溝深度穩(wěn)定的同時(shí)，還可以降低播種整機(jī)質(zhì)量[8]。三七育苗的行距和株距均需控制在5cm左右，播種深度需控制在1.0～1.5cm左右，屬于超精密播種[9]。經(jīng)過深入調(diào)研，在生產(chǎn)實(shí)際中，槽內(nèi)基質(zhì)表面距槽肩的高度基本處于7～13cm之間，且結(jié)合農(nóng)藝要求，考慮到開溝后會(huì)出現(xiàn)基質(zhì)回落現(xiàn)象，確定播種機(jī)開出的種溝深度范圍為1.5～2.0cm，仿形裝置可適應(yīng)的最大基質(zhì)高度差為6cm，設(shè)計(jì)示意如圖6所示。

圖6 彈簧設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)示意圖，經(jīng)簡(jiǎn)化后得到彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算圖，如圖7所示。考慮三七播種機(jī)整機(jī)布局的情況，選擇開溝輪連接臂長(zhǎng)度為30cm，開溝輪在育苗槽內(nèi)基質(zhì)較低的區(qū)間段工作時(shí)與基質(zhì)角度為30°，即∠DAC=30°。其中，AD和CE分別對(duì)應(yīng)開溝器所在三七基質(zhì)高度變化后，開溝輪連接臂的位置變化關(guān)系。

根據(jù)圖7的幾何關(guān)系，可得

(6)

又α+β+∠ABC=180°，根據(jù)AC=5.5mm，AD=CE=30cm，解得DE=77.8mm，即可求出基質(zhì)最高時(shí)壓輪連接臂與水平方向夾角為5.3°。

圖7 彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算圖

將改進(jìn)后的壓輪仿形開溝器制造并進(jìn)行田間試驗(yàn)。課題組在播種時(shí)節(jié)連續(xù)兩年對(duì)育苗槽內(nèi)基質(zhì)濕度進(jìn)行了測(cè)量，其濕度范圍在15%～30%之間。由于基質(zhì)濕度越大對(duì)播種效果影響越大，故選擇基質(zhì)濕度30%、開溝深度從1.5cm增加到2cm時(shí)，測(cè)量彈簧在拉伸方向所需增加的外壓力。通過3次試驗(yàn)，得到仿形開溝器平均彈簧所在方向載荷為12N時(shí)，仿形裝置的運(yùn)動(dòng)形式與前述一致。則在忽略彈簧彈力方向改變的情況下求得彈簧拉力F為

F=12/sin30°=24N

(7)

由胡克定律

F=-kx

(8)

式中F—彈簧拉力(N)；

k—?jiǎng)偠认禂?shù)(N/mm)；

x—彈簧伸長(zhǎng)量(mm)。

得當(dāng)F=24N時(shí)，將彈簧伸長(zhǎng)量DE=77.8mm帶入，得k=0.31N/mm。

2.2 彈簧最低可伸長(zhǎng)量確定

彈簧的最低伸長(zhǎng)量l應(yīng)大于等于彈簧預(yù)拉力伸長(zhǎng)量l1和基質(zhì)升高時(shí)彈簧自調(diào)節(jié)伸長(zhǎng)量l2之和，即

L=L1+L2

(9)

其中，L1是開溝器在育苗槽內(nèi)基質(zhì)較低的區(qū)間段即圖6中a1-a2段運(yùn)行時(shí)開溝深度為1.5cm時(shí)的彈簧預(yù)調(diào)節(jié)量，因此育苗基質(zhì)濕度為15%時(shí)L1最大。通過試驗(yàn)知：在育苗基質(zhì)濕度為15%時(shí)，需要在彈簧拉伸方向增加壓力為8N，此時(shí)由式(8)可求得x為25.8mm。

當(dāng)壓輪開溝器在育苗基質(zhì)最高區(qū)間工作時(shí)L2最大，為前面求得的77.8mm。因此，彈簧最低可伸長(zhǎng)量L=103.6mm。

查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：GB2088-80普通圓柱螺旋拉伸彈簧(圓鉤環(huán)壓中心型)尺寸，選用B3.5×25×85.3-2GB2088-80·IIa型號(hào)的拉力彈簧，即可滿足以上需求。

3 單因素試驗(yàn)

三七精密播種過程中，播種機(jī)仿形開溝器彈簧預(yù)拉力、育苗基質(zhì)濕度是影響播種質(zhì)量的重要因素，為進(jìn)一步了解這兩個(gè)因素對(duì)播種質(zhì)量的影響程度，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。

播種質(zhì)量一般用合格率、漏播率和重播率3個(gè)排種性能指標(biāo)來衡量。參照GB6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，按以下公式計(jì)算排種性能指標(biāo)[10]：

合格率為

(10)

重播率為

(11)

漏播率為

(12)

其中，N為實(shí)驗(yàn)測(cè)定的種子總數(shù)；n1為合格播種數(shù)；n2為重合播種數(shù)；n3為漏種數(shù)。

3.1 彈簧預(yù)拉力對(duì)播種質(zhì)量影響的單因素實(shí)驗(yàn)

1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)中，播種機(jī)速度固定為10m/min，育苗基質(zhì)濕度固定為25%，在彈簧預(yù)拉力為0和使開溝深度到達(dá)1.5cm的預(yù)拉力之間選擇6組數(shù)據(jù)值，設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 彈簧預(yù)拉力單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

彈簧預(yù)拉力為5.04N時(shí)，開溝深度達(dá)到1.5cm。

試驗(yàn)過程中，播種機(jī)每次行走距離為3m，重復(fù)3次，測(cè)量并記錄每?jī)闪７N子間的距離。

2)試驗(yàn)結(jié)果與分析.對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出合格率、重播率和漏播率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 彈簧預(yù)拉力對(duì)排種性能的影響

其影響曲線如圖8所示。由圖8可以得出：隨著彈簧預(yù)拉力的增加，播種合格率逐步上升，同時(shí)播種過程中的重播率和漏播率逐漸下降；在彈簧預(yù)拉力達(dá)到5.04N時(shí)，播種機(jī)的播種質(zhì)量最好。

圖8 彈簧預(yù)拉力對(duì)排種性能的影響曲線

3.2 土壤濕度對(duì)播種質(zhì)量影響的單因素實(shí)驗(yàn)

1)基質(zhì)濕度測(cè)定。選擇TDR100土壤水分測(cè)量?jī)x測(cè)量基質(zhì)的濕度，該儀器是基于TDR原理的土壤水分探測(cè)器，被廣泛用于田間、溫室及實(shí)驗(yàn)室。測(cè)定方法：按圖9所示的位置在每個(gè)試驗(yàn)基質(zhì)塊(1.44m×4m)上標(biāo)記6個(gè)點(diǎn)，以每個(gè)點(diǎn)為中心，半徑為0.2m的圓內(nèi)任取3處進(jìn)行濕度測(cè)量。

圖9 定點(diǎn)示意圖

2)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。本試驗(yàn)中播種機(jī)速度固定為10m/min，開溝器彈簧預(yù)拉力為5.04N，開溝深度為1.5cm。育苗槽基質(zhì)經(jīng)過消毒后，到播種之前，其濕度主要存在15%～30%范圍之內(nèi)，結(jié)合農(nóng)藝要求，在試驗(yàn)過程中仍有部分基質(zhì)濕度達(dá)到40%，故試驗(yàn)濕度范圍為15%～40%。在該范圍內(nèi)設(shè)置6個(gè)試驗(yàn)水平，如表3所示。試驗(yàn)過程中，播種機(jī)每次行走距離為3m，重復(fù)3次，測(cè)量每?jī)闪７N子之間的距離。

表3 基質(zhì)濕度單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

2)試驗(yàn)結(jié)果與分析。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算不同基質(zhì)濕度下播種機(jī)播種的合格率、重播率和漏播率，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 基質(zhì)濕度對(duì)排種性能的影響 %

其影響曲線如圖10所示。從圖10中可以得出：育苗基質(zhì)的濕度在過低或過高時(shí)，都會(huì)降低播種質(zhì)量合格率，增加重播率和漏播率；基質(zhì)濕度在25%～30%時(shí)，合格率較高，重播率和漏播率較低。

圖10 基質(zhì)濕度對(duì)排種性能的影響曲線

4 結(jié)論

仿形開溝器的改進(jìn)設(shè)計(jì)中，將壓輪式仿形開溝器與播種機(jī)機(jī)架的連接方式確定為鉸鏈連接，提高仿形開溝器的靈活性；將仿形開溝器進(jìn)行分段式設(shè)計(jì)，提高仿形開溝器對(duì)槽內(nèi)基質(zhì)高低不平的適應(yīng)性；設(shè)計(jì)了彈性裝置彈，確定了仿形開溝裝置彈簧的剛度系數(shù)k=0.314N/mm，彈簧最低可伸長(zhǎng)量為103.6mm，根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)選定了彈簧標(biāo)準(zhǔn)件，提高了仿形開溝裝置對(duì)育苗基質(zhì)濕度的適應(yīng)性。

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果顯示：彈簧預(yù)拉力為5.04N?；|(zhì)濕度為25%～30%時(shí)，排種器性能較好，播種合格率較高，重播率和漏播率較低。

[1] 楊文彩，杜遷，楊航，等．三七穴盤精密排種過程力學(xué)分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與研究2015,30(1)：151-154.

[2] 楊文彩，朱有勇，杜遷，等．云南三七工廠化育苗工程技術(shù)體系分析[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，43(12): 2069-2073．

[3] 郝金魁,張西群.工程化育苗技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(1):349-351.

[4] 孫巖，宋立成．淺談農(nóng)業(yè)機(jī)械化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)系[J]．農(nóng)業(yè)工程，2012(3)：12-14.

[5] 賈銘鈺．免耕播種機(jī)鎮(zhèn)壓裝置的實(shí)驗(yàn)研究及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[D]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2000．

[6] 王福蘭．行間播種機(jī)多功能鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2012．

[7] 李超群．2BQ-28型三七精密播種機(jī)關(guān)鍵部件的研究與設(shè)計(jì)[D]．昆明：云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015．

[8] 白曉虎，李芳，張祖立，等．基于ADAMS的免耕播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)彈簧參數(shù)優(yōu)化[J]．干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014，32(6)：268-272．

[9] 楊文彩，朱有勇，杜遷，等．基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的三七機(jī)械化精密播種系統(tǒng)研究[J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014(2):175-180．

[10] GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[S]．北京：中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2005．