勺鏈式大蒜取種器的優化設計與試驗

崔榮江，薦世春，楊繼魯，王小瑜，馬繼春

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100；2.魯特電工股份有限公司，山東 濟寧 272200)

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勺鏈式大蒜取種器的優化設計與試驗

崔榮江1，薦世春1，楊繼魯2，王小瑜1，馬繼春1

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100；2.魯特電工股份有限公司，山東 濟寧 272200)

排種器是播種機的重要部件，很大程度上決定著播種質量。為此，以勺鏈式排種器為研究對象，基于金鄉紫皮大蒜，對取種勺(取種器)的結構尺寸參數進行了優化。樣機試驗表明：當v=0.25m/s、B=40mm、L1=11mm、L2=23mm、H=10、β=5°時，單粒取種成功率為95%，漏取率為1.2 %，重取率為3.8%，滿足大蒜播種需求。該研究為不同品種、級別大蒜取種勺優化設計提供了參考。

大蒜；單粒取種；取種勺；勺鏈式排種器

0 引言

大蒜播種屬于精量播種范疇，由于蒜瓣本身形狀和大小的不規則性，使得大蒜單粒排種器成為設計難點[1-2]。

目前，國內外主要存在3種成型的排種器：一是勺鏈式；二是轉勺式；三是振動式，如圖1所示。歐洲國家多采用轉勺式排種器，圓弧型取蒜勺均布在轉盤一側，當取蒜勺運動到取種位置時，取蒜勺在旋轉擋塊的作用下打開取種，并在扭轉彈簧的作用下隨即將其夾緊，多余的種子被毛刷刷掉，落回到種箱[3-4]。在國內，中國農業大學金磊[5]對勺鏈式排種器做了研究，橫式取種勺的單粒取種成功率為92.2%，漏播率為1.9%，重播率為5.9%；2013年，山東五征集團李瑞川[6]等采用轉勺式排種器設計了WZ-4 型大蒜種植機。

本文以勺鏈式排種器為研究對象，基于金鄉大蒜，重點對取種勺的結構尺寸參數進行優化，以期獲得取種效果優良的取種器，同時為不同品種、級別大蒜的取蒜勺設計提供參考。

1 大蒜種體物理參數

蒜種為金鄉大蒜，選取形狀規范、個頭飽滿的蒜瓣作為測量對象，每個等級隨機取樣50粒蒜種作為測量樣本，分別測量大蒜種體的長度Ls(mm)、寬度Bs(mm)、高度Hs(mm)和質量Ms(g)作為大蒜種體形態分析的基礎數據，統計結果如表1所示。

級別數據長度Ls寬度Bs高度Hs5～6g均值32．517．320．9范圍29．5～36．528．0～33．218．4～23．04～5g均值30．816．219．4范圍28．0～33．213．6～20．817．1～21．23～4g均值29．114．717．6范圍26．9～29．111．7～17．515．7～20．73～6g總均值30．816．119．3總范圍26．9～36．511．7～33．215．7～23．0

2 機械結構與工作過程

2.1 機械結構

勺鏈式大蒜排種器由種箱、取蒜勺、鏈條、鏈輪、導種槽和護種槽等組成，如圖2所示。取種鏈條安裝于位于同一平面上的鏈輪1、鏈輪2、鏈輪3和張緊鏈輪上，鏈輪1、鏈輪2、鏈輪3均安裝于單粒取種裝置的驅動軸上。鏈輪1為原動件，靠近種箱；鏈輪2位于第1鏈輪正上方，張緊鏈輪位于鏈輪2的左上方；鏈輪3位于張緊鏈輪左方；位于護種下落段的閉環式取蒜鏈條外部設有護種槽，護種槽位于種箱下方，取蒜勺每隔一段相同的距離與鏈條固定連接。

1.鏈輪1 2.導種槽 3.鏈輪2 4.取種鏈條 5.取種勺 6.張緊鏈輪 7.護種槽 8.鏈輪3 9.種箱 10.取種架

2.2 工作過程

勺鏈式排種器的工作過程分為垂直取種階段、斜上運行清種階段、水平清種穩種階段及護種并排種階段，如圖3所示。在垂直取種階段取種勺充種，在斜上運行清種階段和水平清種穩種階段多余蒜種被清除回到種箱，到護種并排種階段，在護種槽的作用下，種子被逐顆排出。

圖3 勺鏈式排種器工作過程

3 取種勺結構尺寸參數的優化

3.1 大蒜種體受力分析

蒜瓣在取蒜勺定量孔中受到重力和孔壁反力N1和N2的作用，如圖4所示。

圖4 蒜瓣經過鏈輪受力圖

離心加速度為

(1)

式中v—鏈條移動速度；

R—蒜瓣重心距離鏈輪圓心距離。

x方向受力方程為

(2)

y方向受力方程為

mgsinα=N2

(3)

蒜瓣受到內壁摩擦力為

f=μN2=μmgsinα

(4)

式中 μ—蒜瓣與取種勺材料的摩擦因數。

大蒜種體不掉出勺體的極限狀態為

f=N1=μN2

(5)

將(5)式帶入(3)式得

(6)

解之得

(7)

當α≥90°時，蒜瓣最容易被甩出取種勺，帶入(7)式，即

(8)

3.2 取種勺結構

取種勺是勺鏈式排種器的核心，結構形式如圖5所示。影響取種效果的主要因素有勺寬B、勺體長L1和L2、傾斜角β和取種速度v。

圖5 取種勺結構簡圖

1)勺體：長L2、寬B、高H。勺體太長容易在取蒜過程中多取造成重播，太短容易漏播，應在Hs/BsLs；勺體高度H太高影響斜向上清種階段的清種，造成多余蒜瓣滯留在勺中不下落，取H≈0.4～0.7Hs。

2)定量孔：長L1、寬B、高H1和H2。定量孔太長，多余種子不易清除，容易重播，太短容易漏播，應在Hs/BsLs；為了不使蒜瓣卡在定量孔中，取Hs/Bs

3)傾角β。傾角β有利于橫臥在勺體內的蒜瓣滑入定量孔中，還有利于清種。β的取值應該大于蒜瓣側立傾倒的角度和蒜瓣與取蒜勺制造材料之間的摩擦角，一般取4°～8°。

4)取種速度v。取種速度影響著取種效率和效果，太快蒜瓣容易甩出，太慢影響播種效率，一般取0.2～0.35m/s。

4 取種勺改進試驗

4.1 取種勺改進試驗1

為簡化取種勺結構，去掉勺柄，在定量孔后方增加兩個安裝孔與鏈條平板連接，上蓋全敞開。取種勺的基本結構尺寸為B=40mm、L1=11 mm 、L2=23mm、H=10、β=5°，如圖6所示。建立簡易取種裝置，如圖7所示。

圖6 取種勺結構

圖7 簡易取種裝置

選取形狀規范、個頭飽滿的金鄉大蒜蒜瓣5kg， 試驗結果表明，取種勺存在多取問題，如圖8所示。取種勺多取主要原因在于以下兩個方面：勺體太寬，蒜瓣能并排豎立進入；全敞開式上蓋板能夠容納2個并排豎立蒜瓣。

圖8 多取現象

4.2 取種勺改進試驗2

為解決多取問題，一方面將勺體邊緣倒圓角，減小勺體寬度，避免兩個蒜瓣并排豎立進入；另一方面，把取種勺上蓋板改成拱形，限制蒜瓣并排進入，如圖9所示。

圖9 改進取種勺1

根據上述設計，進行取種樣機試制，選取形狀規范、個頭飽滿的金鄉大蒜蒜瓣20kg，在山東省農業機械科學研究院試驗基地進行試驗，動力為泰山25拖拉機，如圖10所示。

圖10 樣機試驗

試驗表明：改進取種勺1存在0.2 %左右的卡種率，如圖11所示。卡種的原因在于定量孔的H2太小。

圖11 卡種現象

4.3 取種勺改進試驗3

為解決卡種問題，將上蓋板由平拱形改成帶有錐度的拱形，保證定量孔空間大于蒜瓣，如圖12所示。根據上述設計，進行取種樣機試制，選取形狀規范、個頭飽滿的金鄉大蒜蒜瓣20kg，在山東省農業機械科學研究院試驗基地進行試驗，動力為泰山25拖拉機，如圖13所示。

圖12 改進取種勺2

圖13 樣機試驗

試驗表明：當v=0.25m/s時，單粒取種成功率為95%，漏取率為1.2 %，重取率為3.6%，滿足大蒜播種要求，如圖14所示。

圖14 試驗效果

5 結論

1)樣機試驗表明：勺鏈式單粒取種裝置可以滿足大蒜播種需求。在v=0.25m/s時，單粒取種成功率為95%，漏播率為1.2 %，重播率為3.8%。

2)本文只針對金鄉大蒜進行取種勺設計，其它不同品種、級別大蒜的取種勺設計還需要做進一步的研究。

[1] 郭毅， 張祖立，于麗穎，等.大蒜播種機械的研究現狀[J].農機化研究，2009，31(6):221-223.

[2] 李瑞川，孫雪，曲殿偉，等.某大蒜播種機單粒排種裝置的研究[J].農業裝備與車輛工程，2013， 51(6):5-8.

[3] Jiraporn Benjaphragairat，Hai Sakurai，Nobutaka Ito.大蒜播種機排種器及開溝器設計與控制[J].農業工程，2011(2)：109-110.

[4] 崔榮江，張華，徐文藝，等.我國大蒜機械化生產現狀及發展思路探討[J].農機化研究, 2015, 37(3):264-267.

[5] 金磊. 大蒜種植機械設計[D].北京:中國農業大學, 2007.

[6] 李瑞川，孫雪，宋傳濤，等.WZ-4 型大蒜種植機械的概述及研究[J].農業裝備與車輛工程，2013，51(5):15-18.

Abstract： Seeding is an important component of the planter, largely determines the seeding quality. With spoon chain Seed meter as the research object,based on Jin Xiang Garlic,the structure size parameters of spoon (The kind of lifter).were optimized.Prototype tests showed that whenv=0.25m/s，B=40mm，L1=11 mm，L2=23mm，H=10，β=5°, the success rate of single grain seed take was 95 percent, the leakage rate was 1.2 percent, the replay was 3.8 percent, which meets the needs of garlic planting. The study take optimal design reference to different varieties and species level tablespoons garlic.

ID:1003-188X(2017)02-0099-EA

Optimization Design and Test of Take Garlic Spoon

Cui Rongjiang1, Jian Shichun1, Yang Jilu2, Wang Xiaoyu1, Ma Jichun1

(1.Shandong Agriculture Machinery Research Institute, Jinan 250100, China；2.LUTE Electric Co., Ltd，Jining 272200, China )

garlic; take a single grain seed; take seed spoon; chain spoon seeder

2016-01-14

山東省自然科學基金項目(ZR2015PE004)；山東省農業重大應用技術創新項目(魯財農指[2014]38號)

崔榮江(1983-)，男，山東巨野人，助理工程師，(E-mail)cuirongjiang2009@163.com。

薦世春(1963-)，男，濟南人，研究員，(E-mail)jscsh2002@163.com。

S224.2

A

1003-188X(2017)02-0099-04