劉文政 何 進(jìn) 李洪文 李學(xué)強(qiáng) 魏忠彩 劉 鵬

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心， 德州 253600； 3.山東希成農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是一種產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)豐富、加工用途廣泛且生長(zhǎng)期短的糧食作物，是世界主要糧食作物之一，對(duì)保障糧食安全具有重要意義[1-2]。我國(guó)是世界馬鈴薯種植面積最大的國(guó)家(約5.6×106hm2)，但其單產(chǎn)卻僅為歐洲和美國(guó)的1/3[3]，主要原因是種薯質(zhì)量和馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化水平低[4]。播種是馬鈴薯生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5-6]，目前我國(guó)大多采用切塊薯、且以人工種植為主。切塊薯作為薯種易引起病毒感染，導(dǎo)致單位面積產(chǎn)量降低，阻礙了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7]。馬鈴薯微型種薯(簡(jiǎn)稱微型薯)在無菌環(huán)境條件下繁育而成，具有單位面積產(chǎn)量高、品質(zhì)好、商品率高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。然而，我國(guó)微型薯的生產(chǎn)繁育水平較低，其供應(yīng)量?jī)H為市場(chǎng)需求量的20%[10]，因此，需要增加微型薯的種植面積，微型薯播種機(jī)械化勢(shì)在必行。

目前，馬鈴薯播種機(jī)類型一般為鏈(帶)勺式、轉(zhuǎn)盤式和板閥式等，且主要用于切塊薯的播種。其中，鏈(帶)勺式因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維修而得到最為廣泛的應(yīng)用，然而該類型播種機(jī)因易傷種、且由于制造工藝的差異不適宜于直接應(yīng)用于微型薯機(jī)械化播種作業(yè)。我國(guó)以微型薯為播種對(duì)象的種植機(jī)械尚處于起步階段，目前大多采用人工種植的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)成本高、生產(chǎn)效率低，且播種質(zhì)量差，遠(yuǎn)不能滿足馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求。國(guó)內(nèi)對(duì)微型薯播種機(jī)械方面的研究較少，主要集中在氣力式排種裝置方面[11-14]，由于微型薯為大顆粒種子，氣力式播種機(jī)對(duì)排種裝置的氣密性和配套動(dòng)力均提出較高要求[15]。國(guó)外研制的差速帶式播種機(jī)采用單列排序輸送投種原理，播種前根據(jù)粒徑對(duì)微型薯進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)后的種薯根據(jù)粒徑調(diào)節(jié)輸送帶帶速與機(jī)具前進(jìn)速度間的速度差，以此調(diào)整播種株距。該類型播種機(jī)對(duì)薯種外形體積要求不高，可實(shí)現(xiàn)快速取種，但操作復(fù)雜，價(jià)格較為昂貴，在國(guó)內(nèi)較少推廣應(yīng)用[7]。近年來，已有學(xué)者基于受迫振動(dòng)原理進(jìn)行機(jī)械化播種[16-18]相關(guān)研究。本文借鑒國(guó)外差速帶式播種機(jī)單列排序輸送投種機(jī)理，并結(jié)合微型薯物理特性及農(nóng)藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，并開展田間播種性能試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)主要包括懸掛架、播種裝置、落種調(diào)節(jié)裝置、開溝裝置、覆土起壟裝置、地輪和鏈-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of vibration-arranging based seeder for potato micro-seed1.種箱 2.懸掛架 3.鏈-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 4.地輪 5.壓種限深輪 6.覆土起壟圓盤 7.開溝器 8.排種架

其中，播種裝置由動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)、單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)、振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)、種箱等構(gòu)成；落種調(diào)節(jié)裝置由防結(jié)拱驅(qū)動(dòng)單元和種量調(diào)節(jié)單元等構(gòu)成；開溝裝置主要包括開溝器、支撐架、彈簧壓縮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)等；覆土起壟裝置主要由圓盤、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、過載保護(hù)機(jī)構(gòu)等組成。

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)與工作原理

基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，機(jī)具以三點(diǎn)懸掛方式掛接于拖拉機(jī)后端。拖拉機(jī)牽引機(jī)具作業(yè)時(shí)，地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鏈-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)播種裝置輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)薯種的取種和投種；與拖拉機(jī)油路相連的液壓馬達(dá)將動(dòng)力傳遞至偏心輪和連接盤所組成的偏心機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)偏心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心機(jī)構(gòu)分別帶動(dòng)單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)板、振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)的振動(dòng)板和落種調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)板，實(shí)現(xiàn)其各自的循環(huán)往復(fù)振動(dòng)。

圖2 基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Transmission sketch of vibration-arranging based seeder for potato micro-seed1.連接盤 2.偏心輪 3.調(diào)節(jié)板 4.振動(dòng)板 5.擺動(dòng)板 6.輸送帶 7.鏈-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng) 8.地輪 9.開溝器 10.覆土起壟圓盤 11.液壓馬達(dá)

微型薯播種作業(yè)時(shí)，播種機(jī)在拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鏈-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，將動(dòng)力傳遞至播種裝置的輸送帶。同時(shí)，播種裝置的振動(dòng)板和擺動(dòng)板的高頻低幅往復(fù)振動(dòng)，以及落種調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)板上下往復(fù)周期性運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，均分別由液壓馬達(dá)控制；且液壓馬達(dá)通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)其動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速。微型薯從種箱落至振動(dòng)排序播種裝置的集種口處，在振動(dòng)板作用下，由于薯種的流動(dòng)性，微型薯從振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)至擺動(dòng)板和輸送帶(外表面右側(cè)邊緣設(shè)置護(hù)種凸起)所構(gòu)成的導(dǎo)種通道并向后輸送，在擺動(dòng)板復(fù)合往復(fù)擺動(dòng)并在擺動(dòng)板與輸送帶外表面右側(cè)邊緣的護(hù)種凸起的共同限制作用下，實(shí)現(xiàn)微型薯薯群的單列排序；同時(shí)，輸送帶上多余的、未經(jīng)排序的微型薯運(yùn)動(dòng)至振動(dòng)板集中口處并再次進(jìn)入輸送帶以待再次進(jìn)入導(dǎo)種通道進(jìn)行單列排序播種。單列排序的微型薯在輸送帶的輸送下運(yùn)動(dòng)至隔板、排種架護(hù)板、輸送帶傾斜段的上層帶與壓種帶的下層帶共同構(gòu)成的落種通道。此時(shí)，與輸送帶帶速相同的壓種帶對(duì)薯種進(jìn)行壓種定位，并在輸送帶和壓種帶共同壓種、定位、輸送作用下將薯種送至落種口，最終薯種因失去支持力而投落至種溝內(nèi)。最終，通過覆土起壟裝置將種溝內(nèi)的種薯覆土和起壟，完成整個(gè)播種作業(yè)。此外，落種調(diào)節(jié)裝置在液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下，與種箱落種口形成動(dòng)態(tài)種口，以避免薯種結(jié)拱；根據(jù)薯種粒徑，通過轉(zhuǎn)動(dòng)種量調(diào)節(jié)單元的手柄，升降調(diào)節(jié)板，改變落種口的尺寸，以滿足播種裝置所需的落種量。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)采用單壟單行種植方式，其對(duì)應(yīng)的農(nóng)藝要求如圖3所示。其中，壟高h(yuǎn)1為200～250 mm，壟體頂部寬度W1為100～150 mm，壟體底部寬度W2為500～700 mm，播種深度h2為100～200 mm，株距l(xiāng)1為150～200 mm，行距l(xiāng)2為900 mm。

圖3 馬鈴薯微型種薯種植農(nóng)藝Fig.3 Agronomic characteristics of potato micro-seed1.壟體 2.微型薯 3.壟溝

根據(jù)微型薯種植農(nóng)藝要求以及種植特點(diǎn)，基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 播種裝置

播種裝置是播種機(jī)的核心部分，主要由動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)、單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)、振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)、種箱和排種架等構(gòu)成。

2.1.1動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)

動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)主要是為單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)板和振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)的振動(dòng)板提供動(dòng)力，主要包括驅(qū)動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)鏈輪、擺動(dòng)偏心輪、擺動(dòng)連接盤、振動(dòng)偏心輪和振動(dòng)連接盤等(圖4a)，其中擺動(dòng)偏心輪和振動(dòng)偏心輪均為圓柱偏心輪。

圖4 動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)Fig.4 Power transmission mechanisms1.振動(dòng)偏心輪 2.振動(dòng)連接盤 3.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸 4.驅(qū)動(dòng)鏈輪 5.擺動(dòng)偏心輪 6.擺動(dòng)連接盤 7.擺動(dòng)連接板 8.振動(dòng)連接板

動(dòng)力輸送機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)鏈輪位于擺動(dòng)偏心輪和振動(dòng)偏心輪之間，即采用橫軸中央傳動(dòng)形式，使驅(qū)動(dòng)軸均勻受力，且節(jié)約了機(jī)構(gòu)空間。液壓馬達(dá)通過鏈輪與鏈條將動(dòng)力輸送至驅(qū)動(dòng)軸，經(jīng)過偏心輪和連接盤組成的偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力分別傳遞至擺動(dòng)板和振動(dòng)板，使其產(chǎn)生受迫振動(dòng)。根據(jù)前期試驗(yàn)[19]，確定擺動(dòng)偏心輪和振動(dòng)偏心輪(圖4b)偏心距e為3～5 mm，外圓半徑Re1為15 mm，內(nèi)偏心孔半徑Re2為7.5 mm，驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n為700～900 r/min。

2.1.2單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)

圖5 單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)Fig.5 Single row arranging, transporting and seeding mechanisms1.彈性連接板 2.固定支架 3.擺動(dòng)板 4.輸送帶 5.擺動(dòng)連接板 6.撐緊板 7.主動(dòng)輸種帶輪 8.調(diào)節(jié)手柄 9.張緊帶輪 10.護(hù)種板 11.從動(dòng)輸種帶輪 12.從動(dòng)壓種帶輪 13.壓種帶 14.主動(dòng)壓種帶輪 15.微型薯 16.護(hù)種凸起條 17.振動(dòng)板 18.壓種條

單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)用于微型薯的單列排序與輸送投種(圖5a)，主要由輸送投種單元、擺動(dòng)單元等構(gòu)成。其中，輸送投種單元主要包括輸送帶、主動(dòng)輸種帶輪、從動(dòng)輸種帶輪、張緊帶輪、壓種帶、主動(dòng)壓種帶輪、從動(dòng)壓種帶輪、護(hù)種板等，用于薯種的輸送和投種；擺動(dòng)單元主要包括擺動(dòng)板、擺動(dòng)連接板、撐緊板、彈性連接板、固定支架、調(diào)節(jié)手柄等。擺動(dòng)板前端分別通過擺動(dòng)連接板、撐緊板與擺動(dòng)偏心輪組裝、支撐架相連，后端則通過彈性連接板、固定支架與排種架相連，相對(duì)于輸送帶呈懸空布置，用于薯種的排序與剔除。

輸送帶由主動(dòng)輸種帶輪、從動(dòng)輸種帶輪、張緊帶輪等固定支撐，并折彎為前后兩段，前段為水平段，后段為傾斜段，且水平段為薯種的單列排序階段，傾斜段為投種段(圖5b)；此外，輸送帶外表面右側(cè)邊緣設(shè)置高度為hb的護(hù)種凸起條，與擺動(dòng)板共同構(gòu)成導(dǎo)種通道。在單列排序階段，種薯群經(jīng)歷堆疊、剔種等過程，多余種薯被剔除，剩余種薯按照前后緊密貼合的方式形成微型薯薯群條，同時(shí)以與輸送帶帶速相同的速度向落種通道處運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)常用的微型薯粒徑一般為12～30 mm[20]，并根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，護(hù)種凸起條高度應(yīng)適中，若高度過高，堆疊在薯群條上的薯種不易被擺動(dòng)板剔除，導(dǎo)致重播率增加；若高度較低，單列排序的薯群條易從導(dǎo)種通道內(nèi)逃逸，致使漏播率增加，故設(shè)定hb=8 mm。為使種薯能夠在輸送帶水平段有足夠時(shí)間和空間進(jìn)行單列排序，設(shè)定輸送帶水平段長(zhǎng)度lh為1 000 mm；輸送帶與振動(dòng)板和擺動(dòng)板之間間隙(圖5c)dp、ds設(shè)為1～2 mm，以避免相互間的接觸摩擦且防止薯種在振動(dòng)排序過程中從播種裝置內(nèi)漏出。為保證單列排序薯種能順利進(jìn)入落種通道，擺動(dòng)板長(zhǎng)度ls=hb=8 mm；為避免集中口處堆疊的薯種過高而越過擺動(dòng)板，且考慮設(shè)計(jì)合理性，確定擺動(dòng)板高度hs=80 mm。此外，通過調(diào)節(jié)手柄以改變擺動(dòng)板與輸送帶護(hù)種凸起條的間距以適應(yīng)不同粒徑微型薯的單列排序，設(shè)輸送帶帶寬u=60 mm。

壓種帶(圖5d)在主動(dòng)壓種帶輪、從動(dòng)壓種帶輪的支撐張緊作用下被安置在播種裝置的后端，并與輸送帶傾斜段相平行，其轉(zhuǎn)速與輸送帶轉(zhuǎn)速相等方向相反，以此構(gòu)成薯種投種段。因薯種在投種段進(jìn)行投種，需降低投種口至種床在垂直方向上的距離，設(shè)定輸送帶傾斜段與水平段夾角α1為135°，且傾斜段長(zhǎng)度li為335 mm。為確保不同粒徑的微型薯均能順利通過落種通道，設(shè)置壓種帶下層帶與輸送帶傾斜段上層帶之間的距離db為50 mm，且壓種帶的外表面均勻密布有壓種條將薯種進(jìn)行包裹定位直至從排種段排出，壓種條長(zhǎng)度lp為50 mm。

理想狀態(tài)下，假設(shè)微型薯為球形顆粒(直徑為D)，且單列排序的種薯顆粒在導(dǎo)種通道內(nèi)緊密排布，則在相同時(shí)間內(nèi)落入種溝內(nèi)的種薯數(shù)量與排種裝置排出的相等，有

(1)

式中v1——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

v2——輸送帶線速度，m/s

l1——理論播種株距，mm

Δt——單位時(shí)間，s

根據(jù)農(nóng)藝要求，株距l(xiāng)1一般取150～200 mm。此外，馬鈴薯播種機(jī)播種速度v1一般為2～5 km/h(0.56～1.40 m/s)[21]，薯種粒徑為12～36 mm，則輸送帶速度v2為3.36×10-2～3.36×10-1m/s。

由式(1)可得，株距l(xiāng)1是按照輸送帶速度v2與播種機(jī)前進(jìn)速度v1的速度差進(jìn)行調(diào)節(jié)，該速度差是通過調(diào)節(jié)地輪與主動(dòng)輸種帶輪間的鏈-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比i(圖2)實(shí)現(xiàn)。設(shè)地輪半徑為Rd，取370 mm；主動(dòng)輸種帶輪半徑為Rs，取35 mm，則存在關(guān)系式

(2)

2.1.3振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)

振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)(圖6)主要通過振動(dòng)板的高頻低幅往復(fù)振動(dòng)將單列排序輸送投種機(jī)構(gòu)中剔除的多余種薯運(yùn)送至集種段的集中口，為薯種再次進(jìn)入輸送帶進(jìn)行單列排序、輸送投種做準(zhǔn)備。

圖6 振動(dòng)回種機(jī)構(gòu)Fig.6 Vibration and reseeding mechanisms1.阻擋板 2.振動(dòng)板 3.彈性支撐板 4.振動(dòng)連接板 5.振動(dòng)偏心輪 6.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸 7.振動(dòng)連接盤 8.支撐梁

振動(dòng)板位于輸送帶的右側(cè)，與輸送帶上層帶水平段相平齊，其長(zhǎng)度與輸送帶水平段相等，即a=1 000 mm；根據(jù)薯種在振動(dòng)板上所處位置可分為振動(dòng)護(hù)種段和集種段，其中振動(dòng)回種段長(zhǎng)度lr=625 mm，集種段長(zhǎng)度lc=375 mm；為使種薯在振動(dòng)板上的回種過程中具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，設(shè)定振動(dòng)板寬度為b=115 mm。對(duì)于從導(dǎo)種通道中剔除的多余種薯，在振動(dòng)回種過程中應(yīng)盡量避免與輸送帶接觸，而位于集中口位置處的種薯則盡量向輸送帶上運(yùn)動(dòng)，因此，振動(dòng)板的振動(dòng)回種段靠近輸送帶的一邊朝上彎折，而集種段靠近輸送帶的一邊向下彎折，且彎折角均控制在15°～20°范圍內(nèi)。

振動(dòng)板下表面的前部、中部和后部分別固結(jié)有彈性支撐板，且彈性支撐板相對(duì)于振動(dòng)板傾斜一定角度β(圖6a)；此外，γ為振動(dòng)方向與振動(dòng)板平面間的夾角，即為彈性支撐板的安裝角(圖6b)[22]。在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)振動(dòng)偏心輪以轉(zhuǎn)速n作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，通過振動(dòng)連接盤、振動(dòng)連接板等帶動(dòng)振動(dòng)板做復(fù)合振動(dòng)，該復(fù)合振動(dòng)可分為沿水平(x軸)和垂直(y軸)兩個(gè)方向的振動(dòng)分量；因此，微型薯在振動(dòng)板上的運(yùn)動(dòng)可分為隨同振動(dòng)板作的牽連運(yùn)動(dòng)和相對(duì)振動(dòng)板作的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)分析[19]，振動(dòng)板在時(shí)間t內(nèi)，沿x軸和y軸方向的位移Sx、Sy分別為

(3)

其中

ω=πn/30

式中ω——偏心輪角速度，rad/s

R——偏心輪外徑，mm

則振動(dòng)板沿x方向和y方向上的加速度ax、ay為

(4)

(5)

式中Fx——振動(dòng)板對(duì)微型薯沿x方向的作用力

Fy——振動(dòng)板對(duì)微型薯沿y方向的作用力

m——微型薯質(zhì)量

F0=±f0Fy

(6)

式中f0——薯種與振動(dòng)板工作面間的靜摩擦因數(shù)

其中，“+”表示薯種所受摩擦力方向與振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)方向一致，“-”情況相反。

圖7 落種調(diào)節(jié)裝置Fig.7 Seed dropping adjustment mechanisms1.手柄 2.旋轉(zhuǎn)臂 3.固定座 4.絲杠移動(dòng)件 5.連接板 6.橫桿 7.絲杠 8.驅(qū)動(dòng)鏈輪 9.連接盤 10.偏心輪 11.驅(qū)動(dòng)連接軸 12.螺栓桿 13.調(diào)節(jié)板 14.擋種板 15.排種架 16.支撐板 17.種箱

(7)

由于f0=tanμ0(μ0為靜摩擦角)，代入式(6)并化簡(jiǎn)，則得初始正向滑動(dòng)相位角θf0及初始反向滑動(dòng)相位角θr0為

(8)

其中

(9)

(10)

式中Df——正向滑行指數(shù)

Dr——反向滑行指數(shù)

K——振動(dòng)強(qiáng)度

由于只希望薯種在振動(dòng)板上產(chǎn)生較大的正向滑動(dòng)，參照文獻(xiàn)[23]，取Df=2～3和Dr≈1。此時(shí)，根據(jù)式(9)可得

(11)

其中

c=Dr/Df

式中c——滑動(dòng)指數(shù)比，取0.3～0.5

根據(jù)以上分析可知彈性支撐板的安裝角γ直接影響振動(dòng)板的回種效果，較為理想的安裝角γ應(yīng)接近于微型薯-鋼板靜摩擦角(γ一般不超過45°)[22,24]，由試驗(yàn)及文獻(xiàn)[25-26]得微型薯-鋼板間靜摩擦角為25°～32°，本文取γ=30°，此時(shí)振動(dòng)板與彈性支撐板之間的夾角β=90°-γ=60°。此外，設(shè)定彈性支撐板長(zhǎng)度a1=170 mm，且彈性支撐板的另一端固接于排種架的支撐梁上。

2.2 落種調(diào)節(jié)裝置

2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

落種調(diào)節(jié)裝置可分為種量調(diào)節(jié)單元和防結(jié)拱驅(qū)動(dòng)單元(圖7a)，其中種量調(diào)節(jié)單元由手柄、絲杠、固定座、絲杠移動(dòng)塊、旋轉(zhuǎn)臂、矩形橫桿和連接板等組成；防結(jié)拱驅(qū)動(dòng)單元主要包括驅(qū)動(dòng)鏈輪、驅(qū)動(dòng)連接軸、偏心輪和連接盤、螺栓桿和調(diào)節(jié)板等。旋轉(zhuǎn)手柄，絲杠移動(dòng)塊沿著絲杠升降，進(jìn)而帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂沿著矩形橫桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臂隨橫桿的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)整個(gè)防結(jié)拱驅(qū)動(dòng)單元的升降；調(diào)節(jié)板與排種架、擋種板等共同構(gòu)成落種口(圖7b)，種薯從種箱的出種口經(jīng)落種口掉落至播種裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)板隨防結(jié)拱驅(qū)動(dòng)單元的升降而改變落種口尺寸，實(shí)現(xiàn)落種量的調(diào)節(jié)。對(duì)于防結(jié)拱驅(qū)動(dòng)單元，液壓馬達(dá)通過驅(qū)動(dòng)鏈輪帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在偏心輪的作用下，與連接盤相接的調(diào)節(jié)板在排種架、種箱及支撐板組成的導(dǎo)槽內(nèi)做上下方向的高頻低幅往復(fù)運(yùn)動(dòng)，避免種薯在種箱內(nèi)結(jié)拱。

圖7c為落種調(diào)節(jié)裝置運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，設(shè)此時(shí)為運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)，螺栓桿與調(diào)節(jié)板相平行，旋轉(zhuǎn)臂和連接板與調(diào)節(jié)板相垂直。絲杠移動(dòng)件中心點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)連接軸截面圓心距離為l3，取165 mm；螺栓桿與調(diào)節(jié)板鉸接點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)連接軸截面圓心距離為l4，取200 mm；e1為偏心輪偏心距，取4 mm；n1為驅(qū)動(dòng)連接軸轉(zhuǎn)速，r/min。因l4遠(yuǎn)大于e1，則驅(qū)動(dòng)連接軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，可近似認(rèn)為螺栓桿始終與調(diào)節(jié)板平行，調(diào)節(jié)板振幅即為e1。由此，調(diào)節(jié)板經(jīng)時(shí)間t偏離初始狀態(tài)的距離為

(12)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，種薯應(yīng)從落種口落出并掉落至振動(dòng)板上，以避免直接掉落至輸送帶上影響薯種的單列排序。同時(shí)，為避免薯種結(jié)拱，落種口最小尺寸應(yīng)大于常規(guī)薯種尺寸(20～25 mm)的3倍[27]，因此設(shè)定落種口寬度wd為110 mm(圖7d)，調(diào)節(jié)板的相關(guān)參數(shù)如圖7d所示。

2.2.2仿真分析

由式(12)可知，驅(qū)動(dòng)連接軸轉(zhuǎn)速n1對(duì)薯種流動(dòng)性產(chǎn)生顯著影響，為確定其參數(shù)，同時(shí)驗(yàn)證破拱效果，采用離散元仿真分析方法，對(duì)落種調(diào)節(jié)裝置開展落種仿真試驗(yàn)。

顆粒間及顆粒與裝置之間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸力學(xué)模型，相關(guān)離散元仿真參數(shù)采用前期標(biāo)定結(jié)果[26]，如表2所示。將落種調(diào)節(jié)裝置SolidWorks三維模型簡(jiǎn)化，只保留調(diào)節(jié)板、種箱、排種架和支撐板，將文件另存為.stp格式并導(dǎo)入EDEM中，上述部件均設(shè)置為鋼性材料。采用球形顆粒組合的方法建立常見的橢球形微型薯仿真模型，其長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為29.20 mm，短軸長(zhǎng)度為18.24 mm；仿真中將單元球半徑限制在0.8～1.2倍的初始半徑之間，瑞利時(shí)步為20%，網(wǎng)格尺寸取3倍最小球形單元尺寸。仿真過程中，在種箱正上端創(chuàng)建顆粒工廠，生成的顆粒在自身重力作用下隨機(jī)裝入種箱內(nèi)；待裝載結(jié)束后，將種箱出種口處墻體刪除[28]，使得種薯顆粒在重力作用下下落，以進(jìn)一步填充落種調(diào)節(jié)裝置與排種架所構(gòu)成的落種口。仿真運(yùn)行時(shí)間設(shè)定為10 s，待仿真運(yùn)行穩(wěn)定后，相關(guān)仿真情況如圖8a所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，落種口出現(xiàn)種薯結(jié)拱現(xiàn)象。根據(jù)薯種運(yùn)行速度，圖中采用紅綠藍(lán)進(jìn)行薯種運(yùn)行速度區(qū)分，其中藍(lán)色表示靜止?fàn)顟B(tài)，紅色表示速度較大狀態(tài)，綠色表示中速狀態(tài)。

表2 離散元仿真參數(shù)Tab.2 Parameters of discrete element simulation

圖8 落種調(diào)節(jié)裝置落種情況Fig.8 Seed dropping simulations of seed dropping adjustment mechanism

將此時(shí)仿真文件導(dǎo)出，并設(shè)定初始仿真時(shí)間為0 s；以導(dǎo)出的文件為基礎(chǔ)，根據(jù)式(12)，設(shè)置調(diào)節(jié)板沿著導(dǎo)槽以頻率f(f=n/60)及振幅e1=4 mm做周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，仿真運(yùn)行時(shí)間為3 s。經(jīng)預(yù)仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，f=1.34 Hz時(shí)(n1=80 r/min)，落種口初步具備破拱功能。為進(jìn)一步探究較合理的轉(zhuǎn)速，分別選f為1.67(n1=100 r/min)、8.34(n1=500 r/min)、16.67(n1=1 000 r/min)、33.33 Hz(n1=2 000 r/min)進(jìn)行破拱及落種模擬仿真，圖8b～8e為各頻率下對(duì)應(yīng)第3秒時(shí)的仿真落種情況。種箱內(nèi)種薯平均速度是反映其流動(dòng)性的一個(gè)重要指標(biāo)，根據(jù)EDEM后處理軟件可得平均速度，如表3所示，隨著調(diào)節(jié)板頻率的增大，種箱內(nèi)種薯平均速度不斷增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減緩。結(jié)合圖8b～8e，f=1.67 Hz時(shí)，因頻率較低，雖能防止結(jié)拱，但落種及種薯流動(dòng)性較差；f=8.34 Hz時(shí)，落種和種薯流動(dòng)性與f=16.67 Hz及f=33.33 Hz時(shí)相近；同時(shí)，考慮到若調(diào)節(jié)板頻率過大，會(huì)對(duì)下落的種薯造成損傷。根據(jù)上述分析，進(jìn)一步開展仿真試驗(yàn)，最終確定調(diào)節(jié)板振動(dòng)頻率f的合理范圍為6.67～11.7 Hz，即驅(qū)動(dòng)連接軸轉(zhuǎn)速n1為400～700 r/min。

表3 調(diào)節(jié)板各頻率下種薯平均速度Tab.3 Average speed of seeds in different frequencies for adjusting plate

2.3 開溝與覆土起壟裝置

開溝播種需要順利完成開溝、種薯入溝和覆土起壟3個(gè)工序，故結(jié)構(gòu)布置從前往后依次為開溝裝置、播種裝置和覆土起壟裝置，前后對(duì)中布置。

2.3.1開溝裝置

圖9 開溝裝置Fig.9 Ditching mechanisms1.壓種限深輪 2.彈簧 3.壓簧支桿 4.深度調(diào)節(jié)裝置 5.支撐架 6.開溝器 7.開溝器連接板 8.刀刃 9.掛接板 10.溝側(cè)翼板 11.溝底翼板 12.底分流板 13.溝側(cè)分流板

開溝裝置(圖9a)是與土壤相接觸的工作部件，其主要是開出種溝，為薯種著床做準(zhǔn)備，包括壓種限深輪、開溝器、支撐架、彈簧、壓簧支桿、深度調(diào)節(jié)組件、開溝器連接板等。其中，開溝器(圖9b)采用靴式結(jié)構(gòu)，主要由刀刃、掛接板、翼板和分流板等組成。播種深度是開溝裝置控制的一個(gè)重要因素[29]，根據(jù)微型薯播種農(nóng)藝要求，薯種播種深度為100～200 mm，本文設(shè)定開溝器溝側(cè)翼板高度h3=165 mm，溝底翼板和溝底分流板高度相等為h4=80 mm，通過深度調(diào)節(jié)裝置，改變支撐架與開溝器之間的夾角，因支撐架末端連接壓種限深輪，從而調(diào)整開溝器與壓種限深輪在豎直方向的相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)開溝裝置入土深度h5(50～100 mm)的調(diào)節(jié)；播種裝置投種口寬度為70 mm，考慮到開溝器寬度應(yīng)大于投種口寬度，為避免播種機(jī)作業(yè)時(shí)開溝器側(cè)壁磕碰微型薯，設(shè)計(jì)兩溝側(cè)翼板間的距離b1=120 mm，同時(shí)，為確保微型薯在落至開溝器底部時(shí)不被開溝器夾持，根據(jù)薯種粒徑(12～36 mm)，確定兩溝底翼板間距離b2=50 mm，兩溝底翼板間夾角α1=46°，且溝側(cè)翼板和溝底翼板長(zhǎng)度相等，為l5=250 mm；為確保開溝器較好的破土性能，促使土壤從開溝器兩側(cè)順利分流，設(shè)計(jì)兩溝側(cè)分流板夾角α2=35°。此外，彈簧與壓簧支桿將播種裝置與開溝裝置相連，保證在地表起伏不平地段情況下播種裝置的動(dòng)態(tài)平衡。兩開溝器連接板前后兩端分別與開溝器和播種機(jī)機(jī)架鉸接，構(gòu)成平行四邊形機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開溝器的仿形功能。在開溝器刀刃作用下，開溝器入土性能較好、開溝深度穩(wěn)定性較高，使排出的種薯均勻穩(wěn)定地落至溝底種床。

2.3.2覆土起壟裝置

覆土起壟裝置結(jié)構(gòu)如圖10a所示，主要由覆土起壟圓盤、角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、過載保護(hù)機(jī)構(gòu)等組成。采用凹面圓盤(圖10b)進(jìn)行覆土起壟，具有通過性好、不易纏草堵塞、牽引阻力小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[30]并結(jié)合實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)圓盤相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如下：圓盤直徑Dp=460 mm、曲率半徑Rp=600 mm、厚度sp=4 mm、折彎寬度Tp=4 mm；安裝圓孔直徑dp1=8.5 mm、節(jié)圓直徑dp2=80 mm、安裝圓孔數(shù)量為3。為防止覆土起壟圓盤因入土深度h6過深導(dǎo)致起壟效果較差或因入土深度過淺而不能實(shí)現(xiàn)覆土作業(yè)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定h6小于圓盤半徑R1(R1=Dp/2)，且確保圓盤在工作過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)而避免壅土現(xiàn)象的發(fā)生。通過角度調(diào)節(jié)裝置改變兩圓盤水平方向夾角ηh，且兩圓盤垂直方向沿一定夾角ηv布置(調(diào)整角度調(diào)節(jié)裝置，ηv保持不變，取15°)，以獲取適合不同農(nóng)藝要求的壟形。此外，為防止覆土起壟圓盤在工作過程中因遇到堅(jiān)硬的石塊或土塊受到較大沖擊力而損壞，配備彈簧類過載保護(hù)機(jī)構(gòu)，避免圓盤遭受損傷。

為保證覆土起壟效果，雙圓盤除將前期開溝器所開的種溝進(jìn)行覆土，還需在種溝之上起壟，高度為

h2-h5，如圖10c所示。假設(shè)圓盤將開溝器清除的土壤全部覆回種溝，則地表以上起壟量即為圓盤的扶土量，采用正視輪廓面積表示[31]，地面以上起壟部分壟形面積與圓盤扶土正面輪廓面積相等，存在關(guān)系式

(13)

式中W3——雙圓盤內(nèi)側(cè)與地面接觸點(diǎn)間距離，mm

W4——覆土起壟裝置作業(yè)幅寬，mm

由式(13)可知，圓盤覆土起壟裝置作業(yè)時(shí)，播種深度h2受圓盤半徑R1、兩圓盤夾角ηv、圓盤入土深度h6(h6

圖10 覆土起壟裝置Fig.10 Soil covering and ridging mechanisms1.過載保護(hù)機(jī)構(gòu) 2.角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.覆土起壟圓盤

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與測(cè)試指標(biāo)

2018年5月，在陜西省定邊縣定邊鎮(zhèn)十里沙村進(jìn)行基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)田間播種試驗(yàn)。試驗(yàn)田地表平整，土壤類型為西北干旱區(qū)典型沙壤土，含水率為17.3%，土壤容重1 296 kg/m3，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm深度處土壤緊實(shí)度分別為38.5、382.1、2 398.8 kPa；試驗(yàn)地長(zhǎng)1 000 m，寬500 m。播種機(jī)動(dòng)力選取約翰迪爾6B-1354輪式拖拉機(jī)，標(biāo)定功率為99.3 kW，機(jī)具前進(jìn)速度為5 km/h，播種作業(yè)面積為1.8 hm2；試驗(yàn)中采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫氖砘ò遵R鈴薯微型種薯，其三軸平均尺寸為30.7 mm×24.7 mm×19.6 mm，平均粒徑為25 mm，單粒種薯平均質(zhì)量8.4 g；根據(jù)式(2)，調(diào)整鏈-齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為0.75。播種機(jī)田間作業(yè)及測(cè)試情況如圖11所示。

試驗(yàn)指標(biāo)及方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6242—2006《種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī) 試驗(yàn)方法》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NYT 990—2006《馬鈴薯種植機(jī)械 作業(yè)質(zhì)量》及NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，主要測(cè)試指標(biāo)：重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)和種植深度合格率等；播種后，選取每個(gè)播種行的5個(gè)測(cè)量段進(jìn)行測(cè)定，各段測(cè)量20個(gè)種薯的間距、播種深度，且每?jī)蓚€(gè)測(cè)量段相距30 m，每行共選取100個(gè)種薯進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)共選取5個(gè)播種行，根據(jù)測(cè)定結(jié)果，取平均值，求出重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)以及種植深度合格率。

圖11 田間試驗(yàn)Fig.11 Field experiments

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，由表4可知，該機(jī)在開展微型薯播種作業(yè)時(shí)，其重播指數(shù)為4.6%，漏播指數(shù)為5.6%，合格指數(shù)為89.8%，種植深度合格率為96.5%；上述指標(biāo)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到馬鈴薯播種作業(yè)要求。此外，工作過程中，播種機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定可靠，種箱落種口未出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象；覆土起壟裝置對(duì)種薯的覆蓋效果較好，壟形規(guī)則，滿足種植農(nóng)藝要求。

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of field experiment %

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于振動(dòng)排序的馬鈴薯微型種薯播種機(jī)，可一次完成開溝、播種、覆土、起壟等作業(yè)，并對(duì)播種裝置、落種調(diào)節(jié)裝置和覆土起壟裝置等關(guān)鍵部件及整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和計(jì)算。

(2)設(shè)計(jì)了基于受迫振動(dòng)原理的播種裝置，通過微型薯單列排序輸送投種和振動(dòng)回種等設(shè)計(jì)和分析，確定了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)；在種箱落種口設(shè)計(jì)安裝了落種調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)薯種進(jìn)入播種裝置的流量，并避免薯種在種箱內(nèi)結(jié)拱；明晰了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過仿真分析確定了驅(qū)動(dòng)連接軸轉(zhuǎn)速為400～700 r/min；此外，得到了開溝器設(shè)計(jì)參數(shù)和覆土起壟裝置覆土圓盤等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在作業(yè)速度5 km/h時(shí)，播種重播指數(shù)為4.6%，漏播指數(shù)為5.6%，合格指數(shù)為89.8%，種植深度合格率為96.5%，各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。