謝煜喆，王繼偉，高秀生，陳鳳，劉煥偉，胡彩旗

（1.266109 山東省 青島市 青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院；2.265200 山東省 萊陽市 萊陽市農(nóng)業(yè)機械研究所）

0 引言

大蒜是我國優(yōu)勢極為顯著的特色農(nóng)產(chǎn)品之一，我國也是世界上最大的大蒜生產(chǎn)國和出口國[1-3]。目前，我國大蒜總種植面積約為75 萬hm2，居世界首位[4-5]。

為了保證大蒜播種出苗率、提高大蒜產(chǎn)量，蒜種播入種溝要求鱗芽直立向上。由于大蒜形狀的不規(guī)則性，目前大蒜的機械化播種難以完全解決這一問題，因此長期以來大蒜種植主要依靠人工播種完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低，成為制約大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題之一。實現(xiàn)大蒜播種的機械化，確保大蒜播種精準定向，提高大蒜播種的正頭率，是當前迫切需要解決的問題[6-7]。

蔬菜種繩播種機通過對包衣的小籽粒種子所編織的種繩進行播種，滿足了精量化播種的需求，減少了傳統(tǒng)播種不均勻帶來的間苗和補苗的工作量[8-9]。受此啟發(fā)，本文提出通過對加寬的種繩所形成的種帶播種，實現(xiàn)蒜瓣鱗芽朝上入土，提高大蒜機械化播種質(zhì)量。運用三維軟件SolidWorks 對種帶播種機構(gòu)、種帶定向保持機構(gòu)、開溝裝置、施肥裝置等零部件進行設(shè)計和三維建模，并運用多體動力學分析軟件ADAMS 對主要播種機構(gòu)進行運動仿真，獲得大蒜播種過程中種帶和蒜種關(guān)鍵點的運動軌跡曲線，確保該種帶播種機能夠滿足大蒜種植鱗芽朝上和精量播種的農(nóng)藝要求。

1 大蒜種帶播種機關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 大蒜種子外形尺寸測量

為了確定播種機構(gòu)的尺寸，隨機抽樣100 個大蒜種子進行外形長度、寬度和高度的尺寸測量（如圖1 所示），測量結(jié)果見表1。

圖1 大蒜種子尺寸測量Fig.1 Garlic size measurement

表1 大蒜種子主要尺寸統(tǒng)計表Tab.1 Main dimensions of garlic

為了保證播種時大蒜種子的行距和株距，根據(jù)大蒜種植的農(nóng)藝要求，將種子以固定的間距，統(tǒng)一的姿態(tài)，定向包裹密封在帶狀且可降解的薄膜中，即制成大蒜種帶。種帶的尺寸根據(jù)表1 大蒜種子外形尺寸確定，并由此確定播種機構(gòu)的雙側(cè)鎮(zhèn)壓滾輪間距為24.5 mm，鎮(zhèn)壓滾輪直徑為50 mm。

1.2 種帶盤結(jié)構(gòu)

大蒜種帶纏繞在種帶盤上，種帶盤置于支架上，播種機工作時種帶盤轉(zhuǎn)動，種帶排出，當種帶用完時，可快速更換已繞滿種帶的種帶盤。種帶盤與種帶盤支架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 種帶盤及其支架Fig.2 Seed tape trays and their supports

1.3 可保持式定向播種裝置

為保證大蒜種帶在播種過程中的姿態(tài)不變保持定向，通過可保持式定向播種裝置使大蒜種帶按照各滾輪所設(shè)定的軌道運動，實現(xiàn)定向播種。為增大摩擦力，又不損傷大蒜種子，滾輪采用橡膠材料。

可保持式定向播種裝置主要由機架、軸承座、主動滾輪、鎮(zhèn)壓滾輪、換向滾輪、鏈輪及傳動主軸組成。地輪轉(zhuǎn)動過程中，通過鏈輪和鏈傳動，驅(qū)動主動滾輪轉(zhuǎn)動，主動滾輪通過摩擦帶動鎮(zhèn)壓滾輪轉(zhuǎn)動，大蒜種帶在主動滾輪和鎮(zhèn)壓式滾輪的可保持式夾持輸送下，按照既定軌道行進，且種帶線速度與機器行進速度一致，最后落入大小交錯雙圓盤開溝器已開好的種溝中?？杀３质蕉ㄏ虿シN裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示，種帶的行進路線如圖4 所示。

圖3 可保持式定向播種裝置Fig.3 Maintainable directional seeding device

圖4 種帶行進路線圖Fig.4 Route map of planting rope

該種帶播種結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，工作可靠。為了保持種帶不偏轉(zhuǎn)，雙側(cè)鎮(zhèn)壓滾輪間距根據(jù)所測大蒜種子寬度確定為24.5 mm。同時，為了確保種帶線速度與機器行進速度一致，地輪直徑確定為500 mm，主動滾輪直徑為100 mm，地輪鏈輪與可保持式定向播種裝置鏈輪傳動比為0.2。

1.4 大小交錯雙圓盤開溝器

大小交錯雙圓盤開溝器如圖5 所示，主要由大圓盤、小圓盤、軸承及軸承端蓋、立柱等零部件組成，此開溝器隨著機具作業(yè)時可同時開出兩條溝，滿足播種與施肥要求，交錯排列的雙圓盤能夠提高切土、切斷雜草殘茬能力。

圖5 大小交錯雙圓盤開溝器Fig.5 Size staggered double disc opener

綜合考慮大蒜種植農(nóng)藝要求，取大圓盤直徑為φ340，小圓盤直徑為φ310，兩者均為平面圓盤，兩圓盤前后、上下交錯，這種布置方式可使開溝器開出深度不同、位置不同的兩條溝。大蒜播種時種溝溝深一般為5 cm，然后蒜種上方覆土1 cm，所以小圓盤開出的淺溝進行播種，大圓盤開出的深溝進行施肥，實現(xiàn)肥料與大蒜種子水平方向相距5 cm、深度方向相距3 cm，實現(xiàn)種肥分施，避免肥料與蒜種直接接觸，造成燒種、燒苗現(xiàn)象，影響大蒜產(chǎn)量。由于大小交錯的布置形式，使得大小交錯雙圓盤開溝器作業(yè)時會產(chǎn)生較大側(cè)向力，在整機使用時應(yīng)對稱安裝，抵消側(cè)向力，并且立柱選用剛度較強的材料[10-11]。

大小交錯雙圓盤前端交點為開溝器聚點m，如圖6 所示，聚點角度為β，大圓盤開溝寬度受大圓盤直徑D1和圓盤夾角φ的影響；小圓盤開溝寬度受小圓盤直徑D2和圓盤夾角φ的影響，大、小圓盤開溝寬度計算公式分別為[10]

圖6 大小交錯雙圓盤開溝器聚點示意圖Fig.6 Gathering point of size staggered double disc opener

式中：b1——大圓盤開溝寬度，mm；b2——小圓盤開溝寬度，mm；D1——大圓盤直徑(mm)；D2——小圓盤直徑，mm；β——聚點夾角，°；φ——雙圓盤夾角，°。

由式（1）、式（2）可知，大蒜種帶播種機開溝寬度主要由圓盤直徑及夾角決定。

2 大蒜種帶播種機整體結(jié)構(gòu)

2.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

可保持式大蒜種帶播種機由種帶盤、施肥裝置、三點懸掛、機架、地輪、大小交錯雙圓盤開溝器、可保持式種帶播種裝置、覆土器、鎮(zhèn)壓器及安裝附件等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)雙行播種，配套動力為58.8 kW，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 大蒜播種機整體結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of garlic planter

2.2 工作原理

該大蒜種帶播種機工作時通過三點懸掛由拖拉機牽引前進，所有動力由地輪通過鏈輪和鏈傳動傳遞到各個機構(gòu)。

（1）大蒜種帶播種機播種結(jié)束后再施肥易造成種帶移位甚至斷裂，因此采用種肥并行分施結(jié)構(gòu)。施肥裝置主要由肥料箱、排肥器、大小交錯雙圓盤開溝器等零部件組成。地輪轉(zhuǎn)動過程中，通過鏈輪和鏈傳動為施肥裝置提供動力，肥料箱中的肥料在外槽輪式排肥器的作用下進入排肥管，然后落入大小交錯雙圓盤開溝器開好的肥溝中。

（2）種帶盤中的大蒜種帶在主動滾輪和鎮(zhèn)壓滾輪的可保持式夾持輸送下，通過播種裝置進入大小交錯雙圓盤開溝器開好的種溝內(nèi)。

（3）播種完成后，由覆土器將肥料與種帶覆土，鎮(zhèn)壓器進行鎮(zhèn)壓覆蓋。

3 基于ADAMS 的播種裝置仿真分析

多體動力學分析軟件ADAMS 能夠?qū)μ摂M樣機進行運動學、動力學及靜力學仿真分析。為了進一步分析可保持式定向播種裝置的定向性能，掌握大蒜在播種過程中的姿態(tài)，本文運用ADAMS 對可保持式定向播種裝置進行運動仿真。首先，在ADAMS 環(huán)境下建立種帶播種裝置系統(tǒng)模型，并對各相關(guān)零部件添加約束；然后對可保持式大蒜種帶定向播種裝置進行運動分析。整體機構(gòu)的前進速度與主動滾輪線速度保持一致。為了準確獲取在播種過程中大蒜的姿態(tài)，選取種帶中的一個蒜瓣，在蒜瓣的鱗芽部與根部各建立一個標記點158（鱗芽部）和159（根部），標記點位置如圖8 所示。分析并提取蒜種的質(zhì)心及2 個標記點隨時間變化的運動軌跡曲線如圖9 所示。

圖8 蒜瓣標記點Fig.8 Garlic marker points

圖9 蒜瓣運動軌跡曲線圖Fig.9 Trajectory of garlic

ADAMS 仿真中坐標系原點在播種機構(gòu)主動滾輪的圓心位置，初始位置1 為距離主動滾輪圓心上方250 mm 處，如圖10 所示。

圖10 蒜瓣下落過程示意圖Fig.10 Schematic diagram of garlic falling

由圖9 可以看出，由于種帶行進速度與機組前進速度保持一致，蒜瓣位移整體上與時間成線性關(guān)系。標記點158 的運動軌跡曲線與標記點159 的運動軌跡曲線在1.0 s 左右發(fā)生突變，由此可以判斷蒜瓣在主動滾輪與種帶切點位置（圖10 點2 處）由鱗芽傾斜向下轉(zhuǎn)變?yōu)轺[芽傾斜向上；3.0 s 之后，標記點158、標記點159 與質(zhì)心點的運動軌跡曲線基本都相對水平線平行，可以判斷此時蒜瓣豎直向上。即經(jīng)可保持式定向播種裝置播種后，蒜瓣為鱗芽豎直向上狀態(tài)，滿足大蒜播種的直立性要求。

4 結(jié)語

在大蒜播種過程中，要求蒜瓣落入種溝時必須鱗芽向上才能保證大蒜出苗率。針對這一問題，本文提出了可保持式大蒜種帶播種機的設(shè)計。首先，作為播種機構(gòu)設(shè)計的依據(jù)和參考，統(tǒng)計測量了大蒜的外形尺寸；其次，主要進行可保持式大蒜種帶播種機關(guān)鍵部件及其整機的設(shè)計，并用SolidWorks 進行三維建模；最后，基于動力學仿真軟件對關(guān)鍵部件—可保持式定向播種裝置進行運動仿真獲得大蒜播種過程中蒜瓣的運動姿態(tài)軌跡。仿真結(jié)果表明：經(jīng)過可保持式定向播種裝置播種后，蒜瓣為鱗芽豎直向上狀態(tài)，滿足大蒜播種的直立性要求。