張心久，劉尊超，王銘，張良龍，王方艷，連政國(guó)

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島,266109)

0 引言

西洋參又名花旗參,屬多年生草本植物,醫(yī)藥保健用途等同我國(guó)人參。隨著西洋參種植業(yè)的迅速發(fā)展,我國(guó)西洋參產(chǎn)量?jī)H次于美國(guó)和加拿大,且山東省產(chǎn)量約占全國(guó)產(chǎn)量的40.18%。雖然西洋參種植廣泛,但機(jī)械化種植技術(shù)及裝備落后。尤其是西洋參窄行密植的種植模式和山東弧面壟的種植農(nóng)藝,增加了機(jī)械化播種的難度,限制了西洋參種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1-2]。

國(guó)外對(duì)西洋參的種植較早,機(jī)械化程度較高,大多采用通用播種設(shè)備,如德國(guó)生產(chǎn)的ED系列氣吸式精密播種機(jī)。由于種植模式及種植農(nóng)藝差異,國(guó)外已有設(shè)備無(wú)法在我國(guó)推廣使用。我國(guó)西洋參產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化作業(yè)起步晚,整體機(jī)械化技術(shù)及裝備水平低。其中,西洋參窄行密植的播種環(huán)節(jié),存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、種植難度高等問(wèn)題,限制了西洋參規(guī)模化種植的發(fā)展。當(dāng)前,西洋參種植仍以人工點(diǎn)播為主,少部分地區(qū)采用人工輔助作業(yè)的開穴設(shè)備。受山東西洋參寬幅弧面的種植模式等因素影響,高效的播種機(jī)具有較大的需求市場(chǎng)[3]。支帥等研制了一款氣吸針式西洋參播種機(jī),排種器采用曲柄滑塊式的排種針機(jī)構(gòu),可以有效清潔吸嘴、減少堵塞。廖宜濤等[4]研制了一款自走式西洋參播種機(jī),其配備了4.1 kW的發(fā)動(dòng)機(jī),采用了聯(lián)行星輪點(diǎn)播式全約束導(dǎo)種裝置及氣吸式排種器?，F(xiàn)有半機(jī)械式播種機(jī),相比人工點(diǎn)播效率有所提高,但存在播量穩(wěn)定性差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。因此,研制出一種新型的西洋參播種機(jī),可推動(dòng)西洋參機(jī)械化作業(yè)、規(guī)?；a(chǎn),促進(jìn)西洋參產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展?；诖?本文設(shè)計(jì)一款西洋參雙排播種機(jī),采用純機(jī)械多連桿式取種、投種、播種裝置,無(wú)需配備風(fēng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力裝置。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

西洋參播種機(jī)主要包括機(jī)架、種箱、取種機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、推種機(jī)構(gòu)、開穴器、導(dǎo)種管等組成,如圖1所示。其中,搖臂、種勺、勺架和電機(jī)構(gòu)成取種機(jī)構(gòu);桁架和推種舌組成推種機(jī)構(gòu)。

(a) 主視圖

工作時(shí),雙人抬起機(jī)具放到指定位置,借助機(jī)具自身重力使開穴器入土,并依托弧板控制開穴深度。通過(guò)人工向右側(cè)擺動(dòng)搖臂至限位裝置,帶動(dòng)勺架順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),種勺進(jìn)入種箱并與種子充分接觸,完成取種;搖臂擺動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將推種機(jī)構(gòu)抬升至最高點(diǎn),開穴器在彈簧的作用下閉合。這一過(guò)程結(jié)束后,人工向左側(cè)擺動(dòng)搖臂至限位裝置,帶動(dòng)勺架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),左側(cè)限位裝置裝有限位開關(guān),開關(guān)閉合,使勺架上的電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng),借助離心錘的離心力激發(fā)種勺振動(dòng),實(shí)現(xiàn)種子的振落,種子通過(guò)導(dǎo)種管落入閉合的開穴器中;搖臂擺動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)將推種機(jī)構(gòu)下壓,推種舌克服開穴器的彈簧力頂開開穴器并將種子排出,完成播種作業(yè)。西洋參播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取種機(jī)構(gòu)

取種機(jī)構(gòu)主要完成取種和投種兩個(gè)動(dòng)作。取種時(shí),種勺垂直埋于種箱內(nèi),種子在重力作用下充入種勺內(nèi)。隨著搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng),種勺運(yùn)動(dòng)到落種槽的上方,并成一定傾角。在電機(jī)離心錘產(chǎn)生的高頻振動(dòng)下,種子脫離種勺落入種槽中,并由導(dǎo)種管引導(dǎo)進(jìn)入開穴器,實(shí)現(xiàn)投種作業(yè)。在此過(guò)程中,種勺型孔結(jié)構(gòu)及傾角控制機(jī)構(gòu),決定著種子的充種及投種效果,影響著機(jī)具的播種質(zhì)量[5-6]。

2.1.1 種勺參數(shù)

種勺是播種機(jī)完成取種工作的主要部件,既要保證充種效果,又要實(shí)現(xiàn)順利投種。種勺的結(jié)構(gòu)尺寸尤為重要,應(yīng)盡量與種子外形尺寸貼合。西洋參種子輪廓為寬卵形,即“D”形[7],經(jīng)播種催芽后裂口,輪廓形狀如圖2所示。

圖2 西洋參種子輪廓形態(tài)

選取西洋參100粒,測(cè)定種子尺寸。其長(zhǎng)度L為(5.6±0.5) mm,寬度W為(4.8±0.3) mm,厚度T為(3.3±0.4) mm。

為提高播種精度和質(zhì)量,要求種勺型孔剛好放下一個(gè)扁平狀態(tài)的種子,種勺深度不宜太深,可近似為內(nèi)凹圓。根據(jù)最小勢(shì)能原理可知,種子在種勺型孔中的穩(wěn)定姿態(tài)多為平躺狀態(tài)[8],如圖3所示。

圖3 種子在型孔中的姿態(tài)

各參數(shù)滿足[9]

(1)

式中:Lmax——西洋參種子長(zhǎng)度最大值,mm;

Lmin——西洋參種子長(zhǎng)度最小值,mm;

Tmax——西洋參種子厚度最大值,mm;

Tmin——西洋參種子厚度最小值,mm;

A——種勺型孔長(zhǎng)度,mm;

B——種勺型孔寬度,mm;

C——種勺型孔高度,mm。

為保證西洋參單粒充種和順利脫離,結(jié)合制造工藝及成本,確定種勺型孔為內(nèi)凹圓形,直徑D為8 mm,高度C為4 mm。

由上文知,西洋參種子三軸尺寸為5.6 mm×4.8 mm×3.3 mm,體積近似為88.7 mm3。由于種子要在重力作用下充入種勺,考慮到種子的流動(dòng)性,決定采用圓底設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 種箱截面

根據(jù)各部件的位置特性,種箱截面半徑r取50 mm,種箱長(zhǎng)度E取1 450 mm,為了滿足作業(yè)要求,實(shí)現(xiàn)連續(xù)播0.067 hm2不補(bǔ)種,根據(jù)式(2)計(jì)算得出,種箱截面矩形長(zhǎng)度h約為28.77 mm,為了便于加工取30 mm,因此根據(jù)種勺末端行程與種箱的安裝距離以及種箱的深度,種勺長(zhǎng)度a應(yīng)該為75 mm,根據(jù)種植行距和安裝間隙要求,種勺安裝座寬度b取40 mm,種勺結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 種勺結(jié)構(gòu)

(2)

式中:d——種箱截面直徑,mm;

h——種箱截面矩形高度,mm;

l——株距,mm;

w——壟寬,mm;

m——每行播種穴數(shù)。

2.1.2 傾角控制機(jī)構(gòu)

種勺的傾角可直接影響工作過(guò)程中種子在種勺中的穩(wěn)定性。為了便于取種和落種,設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu)控制兩個(gè)工位中種勺的傾角,如圖6所示。

工作時(shí),當(dāng)搖臂在取種工位時(shí),種勺傾角為0,保證取種過(guò)程的穩(wěn)定。當(dāng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)到另一側(cè)時(shí),在彈簧和連桿的共同作用下,橫梁整體右移動(dòng)并傾斜,使得種勺傾斜。在搖臂處于落種工位時(shí),種勺傾角α>種勺與種子的摩擦角δ,可利于種子的下落。因此,確定種勺傾角為30°[10],則電機(jī)更容易將種子抖落,提高落種的成功率。結(jié)合結(jié)構(gòu)空間要求,確定橫梁長(zhǎng)為160 mm,連桿I長(zhǎng)為160 mm,連桿II長(zhǎng)為210 mm。

2.1.3 電機(jī)選型

電機(jī)安裝在勺架上,搖臂一側(cè)限位裝置裝有限位開關(guān),當(dāng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)到該限位裝置時(shí),電機(jī)通電并高速旋轉(zhuǎn),電機(jī)軸上安裝有振動(dòng)錘,其主要作用是產(chǎn)生離心力,帶動(dòng)勺架振動(dòng),增強(qiáng)排種性能,使種子順利掉落。為保證振動(dòng)錘可帶動(dòng)勺架振動(dòng),需要使其產(chǎn)生的離心力大于勺架總成重力。勺架總成質(zhì)量M約為3 000 g,振動(dòng)錘錘頭質(zhì)量m0為20 g,錘柄重忽略不計(jì),其重心距錘柄末端距離r0為50mm,根據(jù)式(3)計(jì)算得出,電機(jī)最小轉(zhuǎn)速為1 638.2 r/min。根據(jù)式(4)計(jì)算得出,電機(jī)最小功率為1.68 W,因此選定電機(jī)型號(hào)為WS-38ZYT64-R直流電機(jī)[11],其空載轉(zhuǎn)速為2 000 r/min,輸入功率為4.3 W,可以滿足使用要求。

(3)

式中:g——重力加速度,9.8 m/s2;

F——離心力,N;

ω——角速度,rad/s;

N0——電機(jī)轉(zhuǎn)速,r/s。

(4)

式中:P——電機(jī)所需功率,W;

T0——電機(jī)所需扭矩,N·m。

2.2 開穴器

針對(duì)西洋參窄行密植的種植模式,設(shè)計(jì)開穴式的種植方式,采用頂推式的原理實(shí)現(xiàn)開穴器的開合,并避免土壤及種子被帶回。開穴器主要由定板、動(dòng)板、回位彈簧、推種舌等組成,如圖7所示。

(a) 落種狀態(tài)

工作過(guò)程中,開穴器做往復(fù)運(yùn)動(dòng),且不斷與土壤接觸。為保證較好的耐磨性,開穴器采用耐磨合金鋼加工而成,并安裝在機(jī)架上。當(dāng)推種舌位于高位時(shí),種子落于閉合的開穴器中。隨著推種舌的運(yùn)動(dòng),開穴器的動(dòng)板被頂開,種子被推入土中。之后,推種舌回程,開穴器在回位彈簧的作用下閉合。選用適宜的復(fù)位彈簧,保障開穴器順利閉合,減少因閉合不嚴(yán)而導(dǎo)致的漏播、重播。

2.2.1 開穴器

在開穴過(guò)程中,開穴器與土壤直接接觸,所受阻力受土壤抗剪力、壓縮力和摩擦力等影響。通常,開穴阻力與土壤堅(jiān)實(shí)度、接觸土壤的正壓面積均成正比關(guān)系[12]。為減少土壤擾動(dòng),形成穩(wěn)定的開穴結(jié)構(gòu),結(jié)合種子尺寸、播種間距,確定如圖8所示的開穴器結(jié)構(gòu)[13]。通過(guò)開穴器入土、開合過(guò)程分析,確定開穴器開合口I為9.5 mm,因西洋參播種間距為100 mm、株距為50 mm、播深為20～30 mm[14],確定開穴器尖端入土深度S為45 mm,開穴器總高度H為130 mm,鏟體寬度G為21 mm。選取活銷距入土尖端距離J為105 mm,以確?；钿N旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于地表之上,避免旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)磨損及破壞。

圖8 開穴器工作狀態(tài)

2.2.2 推種舌

推種舌為播種過(guò)程中的重要部件,決定著開穴器的開合狀態(tài)。推種舌分為直臂和導(dǎo)軌兩部分,結(jié)構(gòu)如圖9所示。工作中,導(dǎo)軌與動(dòng)板直接接觸,克服彈簧阻力推開動(dòng)板,完成開穴器的開穴動(dòng)作。為保障順利落種、土壤不回流,確定推種舌最低點(diǎn)位為開穴器外10 mm;結(jié)合播種深度要求、種子落入開穴器底端的空間需要,確定推種舌最高點(diǎn)位為開穴器內(nèi)50 mm處。考慮推種舌在開穴器內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng),確定推種舌總長(zhǎng)p為160 mm、導(dǎo)軌長(zhǎng)度z為60 mm。推種舌的底面影響推種效果和壓力,決定開穴器的開穴范圍和土壤擾動(dòng)效果,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定推種舌底面尺寸u×v為7 mm×7 mm。

圖9 推種舌結(jié)構(gòu)圖

2.3 推種機(jī)構(gòu)

播種機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為多連桿機(jī)構(gòu),兩側(cè)對(duì)稱安裝,如圖10所示。搖臂為主動(dòng)件,cd桿和fg桿連接推桿器的兩側(cè)。當(dāng)搖臂由取種工位運(yùn)動(dòng)到投種工位時(shí),搖臂做順時(shí)針擺動(dòng),帶動(dòng)同軸的搖桿ab轉(zhuǎn)動(dòng),牽連連桿bc運(yùn)動(dòng),使得cd桿在滑軌內(nèi)做移動(dòng);同時(shí),bc桿帶動(dòng)ce桿做逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),在ef桿的牽動(dòng)下,fg桿做順時(shí)針擺動(dòng)。在cd桿和fg桿的雙重作用下,安裝著推種舌的推種機(jī)構(gòu)在開穴器內(nèi)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)播種工作。為了保障推種機(jī)構(gòu)兩側(cè)運(yùn)動(dòng)距離保持一致,使得推種舌平穩(wěn)向下運(yùn)動(dòng)完成推種動(dòng)作,ce桿、ef桿和fg桿構(gòu)成反平行四邊形結(jié)構(gòu),且各桿保障推種舌運(yùn)動(dòng)近似為直線軌跡。為了提高工作效率,bc桿分別牽動(dòng)播種機(jī)兩側(cè)的推種機(jī)構(gòu)同時(shí)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)雙排開穴器的同時(shí)工作,完成西洋參播種作業(yè)。

圖10 連桿機(jī)構(gòu)

通過(guò)空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算辦法,確定傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)搖臂的運(yùn)動(dòng)空間及工位[15],確定ab桿長(zhǎng)為25 mm。結(jié)合播種機(jī)的高度及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),確定bc桿長(zhǎng)為175 mm,cd桿長(zhǎng)為180 mm。由播種機(jī)的工作寬幅及運(yùn)動(dòng)空間,確定ef桿長(zhǎng)為590 mm,fg桿長(zhǎng)為30 mm。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

本文設(shè)計(jì)的西洋參播種機(jī)主要針對(duì)山東主產(chǎn)區(qū),試驗(yàn)田長(zhǎng)度要大于50 m,壟寬1.6 mm,壟面平整,土壤質(zhì)地均勻,試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在山東省濰坊市諸城區(qū)樹行村西洋參種植區(qū),試驗(yàn)時(shí)間為2022年11月15—17日,試驗(yàn)機(jī)具為所設(shè)計(jì)的樣機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方法

作業(yè)前,對(duì)地塊旋耕碎土,并整理壟面,用弧形刮土板沿壟對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行刮土處理,保證作業(yè)土壤平整。試驗(yàn)過(guò)程由2個(gè)人操作機(jī)器播種作業(yè)10 m,每次試驗(yàn)結(jié)束后將種子清除,壟面整平,以進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

由于目前我國(guó)尚沒有關(guān)于西洋參播種機(jī)具技術(shù)檢測(cè)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》、農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》以及農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo),其標(biāo)準(zhǔn)指出,株距為100 mm時(shí),漏播指數(shù)不超過(guò)25%,重播指數(shù)不超過(guò)30%,即可記為合格。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法如式(5)～式(7)所示[16]。

合格率

(5)

漏播率

(6)

重播率

(7)

式中:n1——合格穴數(shù);

n2——漏播穴數(shù);

n3——重播穴數(shù);

N——總開穴數(shù)。

播種作業(yè)后隨機(jī)選取每壟的10行作為測(cè)量區(qū)域,記錄總開穴數(shù)、漏播穴數(shù)、重播穴數(shù),并計(jì)算漏播率、重播率、合格率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察,機(jī)具各桿件聯(lián)動(dòng)平穩(wěn)、運(yùn)動(dòng)連貫,各機(jī)構(gòu)間無(wú)干涉、卡頓等現(xiàn)象,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)順暢。播深相比人工播種更加均勻,株距控制良好,播種效率及播種質(zhì)量明顯提高。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,該西洋參播種機(jī)的漏播率為4.58%、重播率為2.66%、合格率為92.76%,符合西洋生播種要求及各技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)西洋參播種勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、播種裝備匱乏等問(wèn)題,結(jié)合山東省弧面壟的種植農(nóng)藝和西洋參窄密種植模式,確定了圓形種勺型孔、頂推式開穴器及多連桿傳動(dòng)系統(tǒng)組成的西洋參雙排播種機(jī)。

2) 通過(guò)對(duì)西洋參種子特征分析,設(shè)計(jì)了圓形種勺孔型,其直徑與高度分別為8 mm、4 mm,其勺柄長(zhǎng)為75 mm,安裝座寬40 mm。通過(guò)對(duì)取種機(jī)構(gòu)總成質(zhì)量估算及對(duì)電機(jī)扭矩的計(jì)算,選擇了WS-38ZYT64-R型直流電機(jī)作為振動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3) 通過(guò)對(duì)開穴器在土壤中的流動(dòng)性分析,確定了其開口寬度、尖端入土深度、總高度、鏟體寬度、開口銷距尖端距離,分別為9.5 mm、45 mm、130 mm、21 mm及105 mm;通過(guò)對(duì)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析,確定了推種機(jī)構(gòu)中ab桿、bc桿、cd桿、ef桿、fg桿長(zhǎng)度分別為25 mm、175 mm、180 mm、590 mm及30 mm。

4) 田間試驗(yàn)測(cè)得,該西洋參播種機(jī)的漏播率為4.58%、重播率為2.66%、合格率為92.76%,符合西洋生播種要求及各技術(shù)指標(biāo)要求。