耿愛軍，栗曉宇，侯加林，張智龍，張 姬，崇 峻

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271000；2. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，泰安 271000；3. 濟(jì)南華慶農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，濟(jì)南 251600）

0 引 言

大蒜是中國主要經(jīng)濟(jì)作物之一，2017年種植面積約85.3萬hm2[1-2]。目前中國大蒜種植主要依靠人工按照“鱗芽朝上、直立栽種”的要求將蒜種栽入土中[3]，勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重影響了蒜農(nóng)的生產(chǎn)積極性，因此設(shè)計(jì)一種高效精準(zhǔn)的大蒜播種機(jī)對于促進(jìn)大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

國內(nèi)外對大蒜播種機(jī)械及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了諸多研究[4-8]。Jiraporn等[9]設(shè)計(jì)了一種10行大蒜播種機(jī)，播種速度為1.68 km/h；Tarun等[10]研制的手扶式大蒜播種機(jī)，作業(yè)速度為1.8 km/h；Brajesh等[11]設(shè)計(jì)了一種3行自走式大蒜播種機(jī)，播種機(jī)作業(yè)速度為1.8 km/h；Devesh等[12]研制的自走式大蒜播種機(jī)生產(chǎn)效率為0.32 hm2/h。國外大蒜播種機(jī)工作效率高，但一般不具備定向功能，蒜種以隨機(jī)姿態(tài)栽種，不符合中國大蒜播種要求。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的2ZDS－5型自走式大蒜栽植機(jī)作業(yè)效率為300～400 m2/h[13]，該播種機(jī)填補(bǔ)了國內(nèi)大蒜自動化栽植的空白；謝學(xué)虎等[14]設(shè)計(jì)的壓板式種植機(jī)構(gòu)模擬人工栽種方式，但鱗芽直立度有待改進(jìn)。薦世春等[15]設(shè)計(jì)了一種錐形螺旋導(dǎo)種管式自動定向裝置，其原理是利用導(dǎo)種管縫隙對蒜種鱗芽阻礙作用以調(diào)整蒜種姿態(tài)，該裝置適用于蘭陵大蒜等鱗芽細(xì)長的蒜種。臨沂市建領(lǐng)模具機(jī)械有限公司研制的液壓牽引式大蒜播種機(jī)，利用錐形螺旋導(dǎo)種管和旋轉(zhuǎn)打穴裝置實(shí)現(xiàn)蒜種定向和栽種，作業(yè)效率為400～500 m2/h[16]，工作效率需進(jìn)一步提高。崔榮江等[17]發(fā)明了一種方向控制料杯，適用于鱗芽性狀明顯的蒜種，其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)有待優(yōu)化。耿愛軍等[18]、張兆磊等[19]提出了種盒式大蒜播種方式，研制了種盒式半自動大蒜播種機(jī)，有效解決了蒜種定向問題，但自動化程度低。

本文針對單粒取種、鱗芽定向等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種自動定向大蒜播種機(jī)，采用鏈勺式取種方式，利用三級錐形料斗實(shí)現(xiàn)鱗芽定向，通過鴨嘴式插播器保持蒜種以直立姿態(tài)栽植入土，解決了現(xiàn)有大蒜播種機(jī)難以滿足“根下尖上、直立栽種”播種要求的問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自動定向大蒜播種機(jī)由底盤、機(jī)架、種箱、取種裝置、蒜種定向裝置、插播裝置、鎮(zhèn)壓輪等組成，如圖 1所示。

圖1 自動定向大蒜播種機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of automatic directing garlic planter

表1 自動定向大蒜播種機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of automatic directing garlic planter

1.2 工作原理

自動定向大蒜播種機(jī)由底盤自帶柴油機(jī)[21]提供動力。工作時，柴油機(jī)輸出動力通過減速器傳遞給底盤、取種裝置和蒜種定向裝置。隨著播種機(jī)行進(jìn)，鏈板由種箱底部向上帶動取種勺舀取蒜種，多余蒜種在刷種器和振動機(jī)構(gòu)作用下落回種箱，勺內(nèi)僅保留 1粒種子，取種勺到達(dá)最高點(diǎn)后翻轉(zhuǎn)，蒜種在重力作用下沿著導(dǎo)種槽滑落，同時往復(fù)升降機(jī)構(gòu)帶動蒜種定向裝置和鴨嘴式插播器向上運(yùn)動，到達(dá)導(dǎo)種槽下方時第一級料斗接住下落的蒜種。隨后定向裝置向下運(yùn)動，插播器豎直插入土壤后打開栽種蒜種，鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓，完成播種。蒜種定向裝置三級錐形料斗的尖錐半頂角從上至下依次遞減，蒜種在料斗內(nèi)經(jīng)過調(diào)整后，鱗芽方向變化過程為：水平―傾斜―朝上，最終利用插播器保持直立姿態(tài)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取種裝置設(shè)計(jì)

取種裝置采用鏈勺式結(jié)構(gòu)，主要包括鏈傳動、鏈板、取種勺、振動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)種槽和刷種器等，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 取種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of seed taking device

2.1.1 取種勺結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

單粒取種率是衡量取種質(zhì)量的重要指標(biāo)，取種勺的合理設(shè)計(jì)是保證單粒取種的關(guān)鍵。取種勺尺寸取決于蒜種外形尺寸，選取 500粒飽滿、完整的蘭陵大蒜，測得平均長、寬、厚分別為36.3、19.3、23.2 mm，如圖3a。蘭陵大蒜蒜種具有蒜尖細(xì)長、蒜尾寬厚的特征，依次確定取種勺采用內(nèi)凹半橢圓狀。取種勺尺寸過大會導(dǎo)致取出多粒蒜種，不利于清除多余蒜種，過小則易造成漏取，根據(jù)蒜種外形尺寸，長軸取35 mm，短軸取25 mm，深度取15 mm，如圖3b～3c所示。

圖3 蒜種尺寸定義及取種勺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Definition of garlic seed dimensions and structure of seed taking spoon

2.1.2 鏈板結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

鏈板整體由完全相同的單排鏈板串接制成，鏈板選用 304不銹鋼材料，具有較好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性，以保證鏈板能夠在復(fù)雜的田間環(huán)境中長時間作業(yè)。根據(jù)取種勺寬度，設(shè)計(jì)單排鏈板節(jié)距為38 mm。取種勺采用雙排交錯排列的布置方式鉚接在鏈板[22-25]上，按照播種要求每排安裝18個取種勺，2排為1組，較單行取種提高了工作效率，鏈板上如圖4所示。

圖4 取種勺排列方式Fig.4 Arrangement of seed taking spoons

播種機(jī)工作周期T為相鄰2組取種勺取種間隔時間，則每工作周期可取36粒蒜種。取種勺縱向間距計(jì)算公式如式（1）～（2）。

式中T為播種機(jī)工作周期，s；s為播種株距，mm；l為取種勺縱向間距，mm；v0為播種機(jī)行進(jìn)速度，m/s；v1為取種勺線速度，m/s；D1為傳動鏈輪齒頂圓直徑，mm；n1為傳動鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；D0為地輪直徑，mm；n0為地輪轉(zhuǎn)速，r/min；i0為傳動鏈輪與地輪間傳動比。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，傳動比i0設(shè)為2，根據(jù)前期調(diào)研測量數(shù)據(jù)可知，山東地區(qū)大蒜植株株距約為100 mm；選用的履帶式底盤測得D0=350 mm；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，選用D1=180 mm的傳動鏈輪，代入式（2）計(jì)算得l=206 mm，考慮到單排鏈板節(jié)距為38 mm，最終確定取種勺縱向間距l(xiāng)實(shí)際為228 mm，即6節(jié)鏈板的距離。

2.1.3 取種裝置工作參數(shù)確定

播種機(jī)行進(jìn)速度是影響取種裝置充種效果的重要因素，評價充種效果時綜合考慮單粒取種率（取種勺取出1粒種子的概率）、多粒率（取2粒及以上種子的概率）和漏取率。為了明確播種機(jī)行進(jìn)速度（取種勺線速度）對充種效果的影響，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。以蘭陵大蒜為試驗(yàn)品種，以播種機(jī)一般的作業(yè)速度將行進(jìn)速度劃定為 5個水平，分別為0.06、0.08、0.10、0.12和0.14 m/s（對應(yīng)取種勺線速度分別為0.07、0.09、0.11、0.14和0.16 m/s），連續(xù)記錄5組取種勺穩(wěn)定工作下取出180粒種子時勺內(nèi)的粒數(shù)，重復(fù)10次，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，試驗(yàn)分析如表2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，播種機(jī)行進(jìn)速度對各指標(biāo)影響表現(xiàn)為極顯著，隨著行進(jìn)速度升高，單粒取種率先增大后減小，多粒率先減小后增大，當(dāng)行進(jìn)速度降低時，漏取率迅速升高，這是因?yàn)槿》N勺通過刷種器的速度慢，蒜種易被刷落回種箱；速度較大時，充種時間較短，造成漏取率升高，同時由于刷種器作用時間不充足，取種勺內(nèi)多余種子被一并取出，導(dǎo)致多粒率較高。由試驗(yàn)結(jié)果可知，行進(jìn)速度為0.10 m/s時，單粒取種率為91.11 %，多粒率為8.33 %，漏取率為0.56 %，對應(yīng)取種勺線速度為0.11 m/s，該速度下取種裝置充種效果較好。

圖5 取種裝置試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test result of seed taking device

表2 取種裝置單因素試驗(yàn)結(jié)果分析Table 2 Single factor test result analysis of seed taking device

2.1.4 振動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作參數(shù)確定

由取種試驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)播種機(jī)行進(jìn)速度為 0.10 m/s時存在多粒率較高的問題，為此設(shè)計(jì)了振動機(jī)構(gòu)，主要由擊打錘、彈簧和十字輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 振動機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of vibration mechanism

振動機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架兩側(cè)，位于刷種器上方，彈簧一端固定在種箱外側(cè)，另一端固定在擊打錘上。作業(yè)時，十字輪齒尖部位下壓擊打錘尾部，使彈簧處于拉伸狀態(tài)，當(dāng)十字輪轉(zhuǎn)過一定角度后，齒尖對擊打錘的壓力消失，彈簧立刻恢復(fù)原狀，擊打錘將彈簧彈力轉(zhuǎn)化為對鏈板的瞬時作用力，使鏈板產(chǎn)生振動，將取種勺內(nèi)未被刷種器刷落的多余種子振回種箱。

振動頻率和振動作用力是影響振動機(jī)構(gòu)工作效果的主要因素,為了確定最優(yōu)工作參數(shù)開展單因素和雙因素試驗(yàn)。分別以振動頻率A（以十字輪轉(zhuǎn)速表示）和振動作用力B為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 振動頻率和振動作用力試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result of vibration frequency and vibration force

由圖 7可知，隨著振動頻率和振動作用力增大，單粒取種率先增大后減小，振動頻率在15～25 r/min范圍內(nèi)，振動作用力在10～20 N范圍內(nèi)取種效果較優(yōu)。由于振動頻率越大，蒜種易被振出取種勺，導(dǎo)致漏取率越高，振動頻率越低，清種效果越差，導(dǎo)致多粒率越高；同時，振動作用力越大，蒜種受到振動越顯著，多粒率越小。

為了進(jìn)一步優(yōu)化振動機(jī)構(gòu)工作參數(shù)，進(jìn)行了雙因素試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表3。從單一指標(biāo)來看，單粒取種率最優(yōu)水平為A2B2，多粒率為A3B3，漏取率為A1B1，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中，多粒率較高時造成種子浪費(fèi)，增加了經(jīng)濟(jì)成本，同時導(dǎo)致大蒜蒜頭生長畸形，造成產(chǎn)品滯銷，因此在保證單粒取種率的前提下，盡量降低多粒率，選擇振動頻率20 r/min、振動作用力15 N（A2B2）的參數(shù)組合，此時單粒取種率為93.50%，較未安裝振動機(jī)構(gòu)前提高2.36%；多粒率為2.30%，減小了6.03%；漏取率為4.20%。

表3 振動機(jī)構(gòu)雙因素試驗(yàn)水平表及結(jié)果Table 3 Dual factors test level and result of vibration mechanism

2.2 蒜種定向裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 蒜種定向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒜種定向裝置是大蒜播種機(jī)核心工作部件。該裝置包括多級錐形料斗、傳動齒輪、開閉控制氣缸等，如圖8a所示。各級料斗按照雙排并列方式排列，料斗間采用方軸串接以保證開閉動作統(tǒng)一，每級料斗配有傳動齒輪和開閉控制氣缸，氣缸活塞桿與主動齒輪相連，另一端固定在安裝框架上，活塞桿伸縮驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，完成料斗開閉動作。料斗由一對相對安裝的半錐形殼體構(gòu)成，殼體上部為半頂角為45°的圓錐曲面，下部尖錐半頂角為θi，由上至下依次減小，如圖8b所示。

作業(yè)時，第一級料斗尖錐半頂角最大，底部呈碗狀，蒜種落入第一級料斗后以鱗芽水平的姿態(tài)穩(wěn)定，此時主要存在2種情況：1）鱗芽垂直于料斗對接線，則打開后蒜種利用料斗底部邊緣對鱗芽的阻擋作用，使蒜根先開始下落；2）鱗芽平行于料斗對接線，由于蒜種重心靠下，料斗在打開過程中僅底部邊緣對蒜種最寬處有支撐作用，從而蒜根首先落下。第二級料斗錐度適中，鱗芽調(diào)整為傾斜朝上姿態(tài)；第三級料斗錐度最小，鱗芽在傾斜朝上的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)正，最終實(shí)現(xiàn)定向。

2.2.2 蒜種定向裝置參數(shù)確定

影響蒜種鱗芽定向效果的工作參數(shù)主要包括料斗尖錐半頂角θi、料斗級數(shù)A、料斗縱向安裝間距B、料斗打開間隔時間C。

為了明確料斗尖錐半頂角 θi對定向效果的影響，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。采用單級錐形料斗，當(dāng)取種勺內(nèi)蒜種經(jīng)導(dǎo)種槽落下后，統(tǒng)計(jì)連續(xù) 5次料斗打開后鱗芽朝向情況，如圖9所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著半頂角 θi增大，鱗芽朝上率和朝下率均逐漸減小，而鱗芽水平率逐漸增大。當(dāng)半頂角小于30°時，鱗芽朝上率為68 %左右，鱗芽朝下率為30%左右；在30°～45°范圍內(nèi)時鱗芽朝上率大幅下降，同時鱗芽水平率迅速升高，這是由于半頂角逐漸增大時，料斗內(nèi)壁對蒜種支撐作用逐漸減小，使蒜種鱗芽處于水平姿態(tài)；半頂角大于45°時鱗芽朝上率較低，鱗芽朝下率降至為0。

圖8 蒜種定向裝置示意圖及定向原理Fig.8 Diagram of garlic seed directing device structure and garlic seed directing process

圖9 料斗尖錐半頂角θi試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Testing results of hopper pointed cone half top angle θi

考慮到單級料斗定向效果不能滿足播種要求。為了進(jìn)一步提高蒜種定向效果，進(jìn)行了多級料斗組合試驗(yàn)，根據(jù)單級料斗試驗(yàn)結(jié)果，半頂角 θi取值選擇 30°～45°范圍，按照逐級遞減的順序排列，設(shè)置料斗縱向安裝間距為150 mm，料斗打開間隔時間為0.5 s，以鱗芽朝上率、水平率和朝下率為試驗(yàn)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)料斗打開后10次鱗芽朝向情況，試驗(yàn)水平及結(jié)果如表4所示。

根據(jù)多級料斗試驗(yàn)結(jié)果，采用二級料斗時，蒜種鱗芽朝上率較單級料斗有所提高，這是因?yàn)樵诘谝患壛隙窌r蒜種若保證鱗芽水平姿態(tài)，則在第二級料斗中鱗芽朝上率較高，平均鱗芽朝上率為74.28 %，朝下率為13.86%，仍不能滿足大蒜播種要求；采用三級料斗時，若相鄰兩級料斗半頂角差值增大，鱗芽朝下率較高，當(dāng)半頂角取45°、40°、30°時鱗芽朝上率為 95.65%，鱗芽朝下率為3.77%，定向效果較好；采用四級料斗和五級料斗時鱗芽朝上率均在 95%左右，且重復(fù)角度組合對蒜種定向效果沒有顯著改善?？紤]到級數(shù)越大，定向效率越低，綜合料斗級數(shù)和尖錐半頂角對 3個指標(biāo)的影響，最終選擇三級錐形料斗，尖錐半頂角θi依次為45°、40°、30°。

表4 料斗級數(shù)A試驗(yàn)水平及結(jié)果Table 4 Test levels and results of stages of hopper A

料斗級數(shù)試驗(yàn)表明，當(dāng)料斗縱向安裝間距為150 mm時存在蒜種彈出料斗的現(xiàn)象，為了確定料斗縱向安裝間距B和料斗打開間隔時間C最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)行了雙因素試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

隨著縱向間距 B增大，鱗芽朝上率先增大后減小，而隨著料斗打開間隔時間C增大而增大，這是因?yàn)榘惭b間距B越小，鱗芽不能完成調(diào)整過程，料斗間距B越大，蒜種下落速度越快，容易彈出料斗；由于間隔時間C越短，定向過程中蒜種姿態(tài)越不穩(wěn)定，時間 C越長，蒜種定向裝置作業(yè)效率越低，綜合考慮播種機(jī)鱗芽定向效果、工作效率等因素，確定料斗縱向安裝間距100 mm、料斗打開間隔時間 0.4 s的參數(shù)組合，此時鱗芽朝上率為94.44%，綜合作業(yè)效果較優(yōu)，滿足大蒜播種要求。

表5 料斗縱向安裝間距和料斗打開間隔時間雙因素試驗(yàn)水平表Table 5 Dual factors test levels of longitudinal spacing of adjacent two stages hopper and time interval of hoppers opening

圖10 料斗縱向安裝間距與料斗打開間隔時間對鱗芽朝上率的影響Fig.10 Influence of longitudinal spacing between adjacent two stages hoppers and time interval of hoppers opening on seed scaly bud upward rate

2.3 插播裝置的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)蒜種直立栽種設(shè)計(jì)了插播裝置，采用鴨嘴式插播器，利用傳動齒輪和開閉控制氣缸完成開閉動作；通過往復(fù)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向上承接蒜種和向下插播栽種 2個功能，由往復(fù)運(yùn)動氣缸、前傳動軸、后傳動軸和扇形配重構(gòu)成，如圖11a所示。

2.3.1 插播裝置工作原理

作業(yè)時，隨著播種機(jī)行進(jìn)，往復(fù)升降機(jī)構(gòu)帶動插播器做豎直方向上往復(fù)運(yùn)動。蒜種從第三級料斗落入插播器后，由于插播器限制了蒜種調(diào)整空間，使其在鱗芽朝上姿態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)正為直立姿態(tài)；插播器豎直插入土壤，打開后形成種穴，使蒜種剛好直立栽入土中；最后插播器上升并關(guān)閉，完成栽植。

2.3.2 鴨嘴式插播器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

蒜種播種深度一般為 40～60 mm，以此作為鴨嘴式插播器的設(shè)計(jì)依據(jù)，平均播深定為 50 mm。為了保證蒜種鱗芽豎直朝上栽入種穴，設(shè)計(jì)種穴呈“U”形，同時有利于回土。為此，插播器尖端設(shè)計(jì)為圓弧形，與錐形面相比降低了工作阻力，外壁設(shè)計(jì)為圓錐形薄殼，如圖11b所示。

為了保證蒜種根部穩(wěn)定在種穴內(nèi)，不發(fā)生偏移，根據(jù)蒜種外形尺寸，尖端圓弧直徑d1取15 mm；為了使蒜種在插播器中保持直立，播深處圓錐直徑 d2應(yīng)略大于蒜種厚度，取25 mm。

根據(jù)蒜種自由落體試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)蒜種初始姿態(tài)為鱗芽朝上時，下落距離在0～250 mm范圍內(nèi)，鱗芽朝向沒有顯著變化，超過250 mm后出現(xiàn)鱗芽傾斜的現(xiàn)象，為此，利用插播器圓錐形外壁控制蒜種運(yùn)動過程中的鱗芽朝向。

圖11 插播裝置及鴨嘴式插播器結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of inserted planting device and duckbill inserted planting apparatus

蒜種從第三級料斗開始下落的初速度為0，則最大下落距離（忽略空氣阻力）為式（3）。

式中h0為第三級料斗下端與插播器頂端縱向間距，mm；h2為插播器高度，mm；t0為蒜種在插播器中運(yùn)動時間，s；g為重力加速度，9.8 m/s2；h0為第三級料斗下端與插播器頂端縱向安裝間距，mm。

為了避免蒜種在落入插播器前發(fā)生姿態(tài)變化的情況，在不妨礙第三級料斗工作的前提下，其下端與插播器頂端縱向間距h0取50 mm。h2取值應(yīng)在50～200 mm范圍內(nèi)，根據(jù)式（3）計(jì)算得t0在0.14～0.23 s范圍內(nèi)，綜合考慮實(shí)際工作中應(yīng)盡量減小運(yùn)動時間t0，插播器使用壽命，以及生產(chǎn)加工工藝等問題，最終h2取125 mm，t0為0.19 s。同時，為了避免蒜種在插播器內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，外壁圓錐最大直徑應(yīng)與蒜種長度基本一致，鑒于個別蒜種尺寸較大，因此圓錐直徑d3取45 mm。

插播器打開角度σ可近似計(jì)算為式（4）。

式中 σ為插播器打開角度，(°)；b為插播器打開寬度，mm。

當(dāng)插播器打開后，蒜種應(yīng)以直立姿態(tài)剛好通過開口，由于蒜種厚度大于寬度，插播器打開寬度 b應(yīng)略大于厚度，當(dāng)b取值范圍為25～35 mm時，由式（4）計(jì)算得 σ為11.48°～16.10°。為了避免種穴內(nèi)側(cè)與種子存在較大間隙而造成鱗芽傾斜，σ取14°，b約為30 mm，即可保證蒜種能夠直立落入種穴，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 氣動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用氣動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)底盤、取種裝置、蒜種定向裝置和插播裝置間精準(zhǔn)配合[26-28]。氣動控制系統(tǒng)硬件部分主要包括高壓儲氣罐、換向電磁閥、觸點(diǎn)、磁性開關(guān)，觸點(diǎn)按照一定角度差安裝在前傳動軸上。電磁閥和氣缸連接方式如圖12所示。

圖12 氣動控制系統(tǒng)示意圖Fig.12 Diagram of pneumatic control system

觸點(diǎn)分別控制對應(yīng)于各級料斗和鴨嘴式插播器的磁性開關(guān)工作狀態(tài)，作業(yè)時，隨著前傳動軸轉(zhuǎn)動，磁性開關(guān)觸發(fā)，換向電磁閥內(nèi)部線圈導(dǎo)通，高壓空氣由Min端迅速充入氣缸，活塞帶動活塞桿向外伸長，驅(qū)動傳動齒輪轉(zhuǎn)動，使料斗打開。隨后觸點(diǎn)離開磁性開關(guān)，電磁閥斷電，高壓空氣由Nin端充入氣缸，活塞桿向內(nèi)運(yùn)動，料斗關(guān)閉。

為了實(shí)現(xiàn)播種機(jī)行進(jìn)速度、取種裝置、蒜種定向裝置和插播裝置間密切配合，結(jié)合式（1），前傳動軸與取種裝置間傳動比i1計(jì)算公式如式（5）。

式中n1為取種裝置傳動鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；n2為前傳動軸轉(zhuǎn)速，r/min；α為觸點(diǎn)安裝角度差，(°)；l為取種勺縱向安裝間距，228 mm；D1為取種裝置傳動鏈輪齒頂圓直徑，180 mm；t為料斗打開間隔時間，0.4 s；T為播種機(jī)工作周期，s。

為了便于氣動開關(guān)裝置安裝，角度差 α 取 60°。由于蒜種定向裝置和插播器上升和下降過程用時相同，二者下降過程中同時完成蒜種定向，共用時3t s，因此播種機(jī)工作周期T與料斗打開間隔時間t存在如式（6）關(guān)系。

將已知參數(shù)代入式（5）和（6），計(jì)算得傳動比i1為2，播種機(jī)工作周期為2.4 s。

3 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省濟(jì)南市商河縣玉皇廟鎮(zhèn)農(nóng)田。試驗(yàn)地長200 m，寬10 m，平作種植。選用蘭陵大蒜，播種株距100 mm，行距100 mm，依據(jù)取種裝置試驗(yàn)結(jié)果，該播種機(jī)作業(yè)速度取0.10 m/s，如圖13。

圖13 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.13 Prototype field test

目前，中國還沒有針對大蒜播種裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》（JB/T 10293－2001）[29]、《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 6973－2005）[30]以及農(nóng)民實(shí)際播種需求，以地面垂直線為基準(zhǔn)，蒜種鱗芽傾斜角小于30°視為朝上。測試長度為25 m，播種完成后隨機(jī)選取5行，對鱗芽朝上率、重播率、漏播率3個指標(biāo)進(jìn)行測試。

樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表 6所示，鱗芽朝上率為89.2%，重播率為3.2%，漏播率為2.0%，播種效果較好；工作時，播種機(jī)行進(jìn)速度在0.08～0.10 m/s范圍內(nèi)，生產(chǎn)效率為500～650 m2/h，各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足大蒜田間播種的一般種植要求。

表6 自動定向大蒜播種機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Field test result of automatic directing garlic planter

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種自動定向大蒜播種機(jī)，主要包括底盤、種箱、取種裝置、蒜種定向裝置、插播裝置和氣動控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有播種機(jī)難以滿足大蒜“根下尖上、直立栽種”播種要求的問題。

2）該文設(shè)計(jì)了取種裝置、蒜種定向裝置和插播裝置等關(guān)鍵部件，通過臺架試驗(yàn)確定了各部件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)播種機(jī)行進(jìn)速度為0.10 m/s、振動機(jī)構(gòu)十字輪轉(zhuǎn)速為20 r/min、振動作用力為15 N時，取種裝置單粒取種率為93.50%、多粒率為2.30%、漏取率為4.20%；蒜種定向裝置三級錐形料斗的尖錐半頂角依次為 45°、40°、30°，當(dāng)料斗縱向安裝間距為 100 mm、料斗打開間隔時間為0.4 s時，蒜種鱗芽朝上率為94.44%。

3）樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該播種機(jī)播種后蒜種鱗芽朝上率為89.2%，重播率為3.2%，漏播率為2.0%，播種機(jī)生產(chǎn)效率在500～650 m2/h范圍內(nèi)，滿足大蒜播種農(nóng)藝要求。

4）由田間試驗(yàn)情況知，取種裝置工作時存在漏取現(xiàn)象，因此播種機(jī)作業(yè)時需人工進(jìn)行補(bǔ)種，下一步將針對漏取檢測及補(bǔ)種裝置進(jìn)行研究；蒜種定向裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)仍需改進(jìn)，針對鱗芽方向檢測調(diào)正系統(tǒng)進(jìn)行研究。

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