2BJQ-8A型精量桔梗播種機設計

林蜀云，劉 偉，任永飛，閔 航，李坦東

(貴州省山地農業機械研究所，貴陽 550002)

0 引言

桔梗是傳統中藥材和食材，鮮桔梗可食用，經干燥可入藥，具有祛痰止咳及消腫排膿之功效。桔梗喜涼爽濕潤的氣候環境，適合生長在海拔1 100m以下的向陽山坡及平地，喜陽光耐干旱，對土壤要求不嚴；但以種植在富含磷、鉀的沙類土壤較好[1]。桔梗栽培方式主要為大田直播。大田直播栽培不僅產量高，且品質好，根形分叉少。近年來，隨著特色山地農業的發展，桔梗被大面積廣泛種植；但是，由于貴州特殊工作環境，目前機械化水平極低，且北方大型機械很難使用，人工播種成本較高。為此，根據貴州現有桔梗播種現狀及山地丘陵特色設計了一款可以實現行走速度可調、精確播種、播種量無級可調的自走式精良桔梗播種機，作業效果良好。

1 總體設計及技術參數

1.1 總體設計方案

2BJQ-8A型自走式桔梗播種機結構緊湊，質量輕易搬運，主要用于山地桔梗直播作業。在確定總體方案之后，采用SolidWorks樣機進行部件的設計分析、優化并最終完成三維建模。自走式精量桔梗播種機由汽油發動機、窩眼輪排種器、開溝器、行走輪、前鎮壓輥及后鎮壓輥等部件組成，如圖1所示。工作時，BJQ-8A精量桔梗播種機后行走輪移除，前行走輪向上收起，通過汽油發動機提供動力；當增加油門，離合器閉合，驅動后鎮壓輥旋轉，再通過鏈傳動驅動前鎮壓輥同步旋轉，前鎮壓輥通過一個可調鏈傳動驅動排種部件工作。考慮到桔梗種子顆粒較小，播種深度要求很高(一般控制1～3cm)，為保證播種深度，前鎮壓輥保證種前土壤平整，可通過調節開溝器調節螺釘調節開溝深度；播種覆土之后，后鎮壓輥再次將土壤鎮壓平整，保證播種深度均勻。

1.開溝器 2.覆土器 3.后行走輪 4.減速器 5.扶手 6.機架 7.汽油機 8.后鎮壓輥 9.排種器 10.鏈傳動 11.前鎮壓輥 12.前行走輪圖1 桔梗播種機結構組成示意圖Fig.1 Structure of 2BJQ-8A platycodon seed planter

1.2 技術參數

外形尺寸/mm(長×寬×高):1 600×1 200×900

配套動力/kW：3.0

工作幅寬/mm:720

作業行數/行:1～8(可調)

行距/cm: 4～60(可調)

播種深度/cm: 0～6(可調)

2 關鍵部件設計

2.1 傳動設計與布置

2BJQ-8A型精量桔梗播種機傳動機構簡圖，如圖2 所示。考慮到播種深度較小，山地作業，需易于搬運，以及經濟性，采用小型汽油機作為動力輸出。為了減小播種機體型，采用垂直布置結合環繞布置的方式，以減小整體體積，達到結構緊湊、質量輕的目的。

1.汽油機 2.減速器及超越離合器 3.聯軸器 4.帶輪減速機構 5.排種器驅動軸 6.可調鏈傳動 7.前鎮壓輥 8.后鎮壓輥 9.同級傳動鏈圖2 傳動機構簡圖Fig.2 The gear of the burdock seeder

2.1.1 匹配動力計算

由于桔梗播種深度淺，且工作前土地會進行耕整，所以桔梗播種機負載低，由于多為山地作業，采用小型汽油機即可滿足驅動要求。發動機輸出功率[2-3]為

式中Fk—切線牽引力；

V—播種機行走速度，取V=0.6m/s；

η—傳動效率。

1)切線牽引力Fk為

Fk=f+mgsinα+Fx

式中f—斜坡摩擦力，f=μmgcosα;

m—整機質量；

Fx—工作阻力。

貴州山地較多，設計坡度α=30° ，整機質量m=90kg，摩擦阻力因數μ=0.08 ，由此可得

Fk=μmgcosα+mgsinα+Fx=2817.3N

2)傳動效率η為

其中，η1為齒輪減速器，取0.95；η2為聯軸器，取0.99；η3為軸承，取0.99；η4為帶傳動，取0.95。由此可得

η=0.84

由上可得，驅動功率P=2.01kW。

查閱相關設計手冊，綜合考慮使用情況，選擇本田JH168F汽油機作為驅動動力,其額定輸出轉速3 600r/min。

2.1.2 減速器選擇

播種機行走速度V≥0.6m/s，而滾筒直徑d=0.32m，故滾筒轉速為

2.2 排種裝置

2.2.1 排種器結構設計

排種器是2BJQ-8A型精量桔梗播種機的核心部件，其排種的穩定性和排種量的可控性直接影響到整機作業效果。桔梗種子較小，且種子表面具有絨毛，單粒精確播種技術難度過高，一般以條播為主，綜合考慮采用選用窩眼輪結構排種器機構作為總體設計結構。采用3種方式結合：①改變鏈傳動傳動比，更換不同的傳動鏈輪；②固定大小窩眼的排種輪；③采用可調節窩眼大小的排種輪。如果是通過更換窩眼實現排種量的變化，過程麻煩且需要整個排種裝置拆下，容易造成種子灑落，因而采用改變傳動鏈傳動比結合窩眼大小微調結構實現種子排種量的調節。排種器結構如圖3所示。

2.2.2 可調窩眼輪設計

常規設計中，窩眼一般分為圓柱形、錐柱形和半球形孔[4]。為了實現排種量可調，顯然圓柱形的線性調節更易實現，而排種性能錐柱形和半球形更佳。為了保證窩眼的線性可調和排種性能，采用圓柱形孔結合錐形孔，調節部分為圓柱形孔，基礎排種孔部分為圓錐形孔，中間連接處采用圓角處理。

異形孔[5]窩眼輪工作原理如圖4所示。調節旋蓋采用小徑螺紋連接，通過旋轉旋蓋可以實現旋蓋的軸向的進給；而旋蓋前端為梯形圓臺，通過改變圓周上的柱塞伸長量以改變窩眼圓柱部分體積，實現窩眼可調；同時，當旋蓋反轉時，彈簧作用下柱塞復位，從而實現窩眼大小的無極可調。

1.排種漏斗 2.驅動軸及鏈輪 3.種盒 4.盒蓋 5.側蓋螺釘 6.側蓋 7.刮種器 8.護種板 9排種輪圖3 排種器結構圖Fig.3 The gear of the burdock seeder

1.排種輪體 2.調節柱塞 3.彈簧 4.調節 5.調節旋蓋圖4 排種輪結構圖Fig.4 The gear of the burdock seeder

由于曲率問題，排種輪直徑不宜過大，一般取值范圍在80～200mm。根據貴州本地桔梗播種情況調研，桔梗種子為小顆粒種子，設計排種量45 000～60 000g/hm2，排種輪不宜過大，選擇100mm作為初選排種輪，傳動比按照i=1進行設計，這樣便于播種量的調節。

型孔直徑為

d=l+b

型孔深度為

3b≥h≥b

其中，l為種子平均寬度，考慮到桔梗種子較小，且為條播，故l=4.8mm ，取l=5mm；b為種子平均寬度，取b=3mm。

柱塞直徑取d柱塞=3mm，設計調整柱塞調節行程S柱塞=3.5mm。在貴州省山地農業機械研究所TC2.5-36土槽實驗臺上進行了模擬播種測試，調整旋蓋，單圈播種量如圖5所示。在土槽的模擬排種播種質量略大于單圈測量播種量，與土壤平整度和排種波動有關系，排種量調節范圍為0.89～2.38kg，結合傳動比范圍0.41～5.14kg，調節完全滿足設計要求。

圖5 單圈排種量Fig.5 The application rate of single coil

2.3 開溝器設計

2.3.1 開溝器結構組成

開溝部件是2BJQ-8A型自走式桔梗播種機上的關鍵部件，其工作效果直接影響到桔梗播種機的作業效果。桔梗種子較小，頂土能力較差，如果覆土過深，極易引起出苗困難或者不能出苗從而直接影響出苗率。開溝器分為滾動式和滑動式開溝器，貴州土壤以黃棕壤為主，粘性大、易板結，可選擇平底可調犁式開溝器，其結構如圖6所示。工作時，調節螺釘調節深度，在鎮壓輪鎮壓平地之后，分土板開溝作業，覆土器完成覆土。

1.覆土器 2.分土板 3.開溝器體 4.調節螺釘圖6 開溝器結構組成Fig.6 The gear of the burdock seeder

2.3.2 開溝器載荷分析及優化

鏵式犁開溝器的犁面可以認為與普通犁的下犁面相同，當前大多數開溝器適用于砂土[6]，而貴州以黃壤、黃棕壤為主的高粘性的土壤開溝器作業效果不好，阻力較大。所以，需要對開溝器結構進行優化。根據設計最大開溝深度d=30mm，假設在泥土中受載荷是均勻的[7]，將模型曲面就行分割處理便于加載。

由圖7、圖8可得：開溝器應力集中在固定支撐點;為便于焊接，未經處理，優化之前明顯超載，最大應力為5.972×109N/m2；通過圓角處理，最大應力為3.449×109N/m2，應力集中情況改善，分布更加均勻，對提升開溝器使用壽命有良好效果。

圖7 載荷分析Fig.7 Analysis of static load

圖8 固定點應力集中情況對比Fig.8 Stress concentration at fixed point

3 田間試驗與結果

3.1 試驗條件

2017年5月，在貴州省金沙縣崖孔鎮桔梗種植基地進行了試驗示范。實驗土壤為貴州典型土壤, 土壤緊實度為30.2N/cm2，土壤含水率為9.1%(測量深度小于5cm)，實驗示范地塊面積為2 110.9m2，播種前采用大型旋耕機進行了碎土作業。試驗地塊情況如表1所示。

3.2 試驗結果與出苗情況

播種完成后進行了數據采集，結果如下: 空穴率0，種子破損率0，播種深度合格率90%，公頃播種量為47.1kg，工作平均幅寬0.72m，工作時間1.49h，計算工作效率為6.14hm2/h。作業效果如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知：出苗情況良好，出苗率較高，但是密度偏高，后期使用應需要降低播種量。

表1 試驗條件Table 1 Summary of test condition

圖9 作業效果Fig.9 Effect of operation

圖10 出苗情況Fig.10 Status of emergence

4 結論

2BJQ-8A型桔梗播種機結構簡單緊湊，播種量可在0.41～5.14kg/667m2內無級可調，播種效率高。田間試驗的表明：該機播種合格率90%以上，作業質量符合農藝要求，且工作性能穩定可靠，對于貴州山地具有較好的適應性，對于降低桔梗種植成本具有重要意義。