氣吸式小青菜播種機(jī)的設(shè)計(jì)

陳 曦，李 驊，齊新丹，李博竑，李勝兵

(1.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

近年來，小青菜種植產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大[1-6]。小青菜屬于十字花科蕓薹屬植物，因其耐寒性好，生長周期短且富含豐富的礦物質(zhì)和維生素，在我國許多地區(qū)廣泛種植。小青菜在播種時，因其粒徑較小，在實(shí)際播種過程中多采用撒播的方式，機(jī)械化程度較低，且易造成種子浪費(fèi)，不便于后期機(jī)械化收獲作業(yè)。市面上現(xiàn)存的一些小青菜播種機(jī)大多是由其他播種機(jī)改裝而來，工作性能不夠穩(wěn)定，針對不同的農(nóng)藝要求和種植環(huán)境適應(yīng)性較差，難以符合我國小青菜種植農(nóng)戶的實(shí)際需求。

小青菜播種機(jī)按照排種器的工作原理可將其分為機(jī)械式和氣力式兩大類[7-8]。機(jī)械式播種機(jī)是指利用機(jī)械式排種器上的型孔將種子從種箱內(nèi)分離出來，從而進(jìn)行播種作業(yè)的機(jī)械[9]。機(jī)械式排種器類型多樣，根據(jù)排種器類型的不同，可分為外槽輪式、型孔輪式、窩眼輪式、指夾式、水平圓盤式、傾斜圓盤式、垂直轉(zhuǎn)勺式和帶式等30多種[10]，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低，缺點(diǎn)是效率較低、工作穩(wěn)定性較低，對種子的球型度要求高，在進(jìn)行播種作業(yè)前，需要先對種子進(jìn)行篩選。

氣力式播種機(jī)通常由液壓系統(tǒng)或者拖拉機(jī)動力輸出軸帶動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，依靠風(fēng)機(jī)提供給排種器穩(wěn)定的風(fēng)壓，將種子吸附到排種盤上進(jìn)行播種作業(yè)。由于依靠風(fēng)壓對種子進(jìn)行控制，氣力式播種機(jī)具有對種子損傷小，對種子外形尺寸要求不嚴(yán)格，通用性強(qiáng)，播種精度高，節(jié)約種子，不用間苗，且適合高速作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[11-14]。氣力式播種機(jī)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，價格也比機(jī)械式播種機(jī)高。

國外研發(fā)的小青菜播種機(jī)大多是氣力式播種機(jī)，技術(shù)較為成熟。例如MASCHIO公司開發(fā)出了一款SP氣吸式精密播種機(jī)，依靠平行四連桿仿形裝置和單體傳動裝置等的配合，一次作業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)4～6行種子的播種。該機(jī)器具有落種點(diǎn)低、精準(zhǔn)度高、適用于低馬力段拖拉機(jī)、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。此外，許多國外的播種機(jī)存在價格貴、機(jī)具與我國種植規(guī)范不匹配等問題，并不適合我國國情，在實(shí)際的推廣使用時存在許多困難。

我國研發(fā)的小青菜播種機(jī)大多是機(jī)械式播種機(jī)。例如山東科博公司生產(chǎn)的一款手推式精播機(jī)，通過排種系統(tǒng)對下種數(shù)量實(shí)現(xiàn)控制，播種時按量定距，將種子有規(guī)律地排放在出苗環(huán)境較好的土層當(dāng)中。該精播機(jī)具有操作簡便、轉(zhuǎn)彎靈巧等優(yōu)點(diǎn)。但是與國外生產(chǎn)的播種機(jī)相比，許多國內(nèi)廠家生產(chǎn)的播種機(jī)存在播種效率低，種子浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。

本文針對我國在小青菜播種環(huán)節(jié)機(jī)械化水平低的問題，結(jié)合氣吸式播種機(jī)具有播種精度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款符合我國種植農(nóng)藝要求的氣吸式小青菜播種機(jī)，對提高小青菜等小粒徑種子的播種效率具有重要意義。

1 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文的設(shè)計(jì)結(jié)合江蘇太倉地區(qū)的小青菜種植農(nóng)藝要求，在國內(nèi)外研究人員對氣吸式播種機(jī)的研究基礎(chǔ)之上，確定了本課題設(shè)計(jì)的氣吸式小青菜播種機(jī)總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該款播種機(jī)主要由傳動地輪、播種裝置、風(fēng)機(jī)、正(負(fù))壓管道、整機(jī)機(jī)架、軟管、變速箱等組成，其中播種裝置包含5組獨(dú)立的播種單元，每個播種單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個播種單元由播深調(diào)節(jié)裝置、排種器、開溝覆土裝置、播種單元機(jī)架、前后雙鎮(zhèn)壓輪組合等部分組成。對于安裝在播種機(jī)兩側(cè)的4組播種單元，每個播種單元上左右對稱地安裝2個排種器；對于播種機(jī)中間的1組播種單元，安裝1個排種器，每2個排種器之間水平距離為130 mm，該氣吸式播種機(jī)上共裝有9個排種器。

1.傳動地輪，2.播種裝置，3.整機(jī)機(jī)架，4.風(fēng)機(jī)，5.負(fù)壓氣管，6.正壓氣管，7.軟管，8.變速箱

1.深度調(diào)節(jié)裝置，2.排種器，3.開溝覆土裝置，4.播種單元機(jī)架，5.前后雙鎮(zhèn)壓輪組合

其中，傳動地輪安裝在播種機(jī)兩側(cè)，依靠拖拉機(jī)的牽引帶動播種機(jī)進(jìn)行作業(yè)；風(fēng)機(jī)安裝在播種機(jī)機(jī)架后端，依靠拖拉機(jī)的動力輸出軸產(chǎn)生風(fēng)壓；正負(fù)壓管道焊接在整機(jī)機(jī)架上，對風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)壓進(jìn)行分流；整機(jī)機(jī)架后端設(shè)有三點(diǎn)懸掛組合，通過三點(diǎn)懸掛組合與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛連接；播深調(diào)節(jié)裝置安裝在播種單元后端，通過旋轉(zhuǎn)其上的搖把實(shí)現(xiàn)對開溝深度的調(diào)節(jié)；排種器安裝在播種單元中間，完成種子的吸附與排種；開溝覆土裝置安裝在排種器下端，實(shí)現(xiàn)種子的開溝覆土作業(yè)；雙鎮(zhèn)壓輪組合安裝在播種單元前后兩端，作用是對覆完土的區(qū)域進(jìn)行鎮(zhèn)壓。該機(jī)器一次下地能完成開溝、播種、覆土、鎮(zhèn)壓等多道作業(yè)工序。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

氣吸式小青菜播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 工作原理

工作時，地輪在拖拉機(jī)的牽引下開始滾動，通過右側(cè)地輪的轉(zhuǎn)動帶動變速箱內(nèi)的鏈輪轉(zhuǎn)動，再由變速箱內(nèi)的六角長軸將動力傳遞至9個排種器的轉(zhuǎn)軸上，帶動排種器內(nèi)的排種盤旋轉(zhuǎn)。安裝在機(jī)架后端的風(fēng)機(jī)通過萬向節(jié)與外接拖拉機(jī)相連，利用拖拉機(jī)輸出軸產(chǎn)生的動力帶動風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)壓，產(chǎn)生的風(fēng)壓進(jìn)入正負(fù)壓管道內(nèi)，負(fù)壓管將負(fù)壓均勻分配到9個排種器內(nèi)，此時每個排種器內(nèi)形成密閉空間，種箱內(nèi)的種子因?yàn)樨?fù)壓吸附作用被牢牢吸附在排種盤上。當(dāng)種子跟隨排種盤旋轉(zhuǎn)即將進(jìn)入落種區(qū)域時，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的正壓通過正壓管道，均勻分配到9個排種器內(nèi)，此時排種器內(nèi)的負(fù)壓氣道被隔斷，吸附作用消失，種子在自身的重力作用下落入下方的出開溝器中，再由開溝覆土裝置完成開溝和覆土。播種裝置上設(shè)有開溝深度調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況調(diào)節(jié)開溝深度。播種裝置前后裝有鎮(zhèn)壓輪組合，對落入溝中且經(jīng)過覆土的種子進(jìn)行鎮(zhèn)壓，從而完成整個作業(yè)過程。

1.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳動系統(tǒng)包括六角長軸、右側(cè)地輪、排種器轉(zhuǎn)軸、左側(cè)地輪、側(cè)邊鏈傳動、變速箱等部分，總體設(shè)計(jì)如圖3所示。氣吸式小青菜播種機(jī)的結(jié)構(gòu)形式為右側(cè)地輪傳動結(jié)構(gòu)，拖拉機(jī)與三點(diǎn)懸掛連接。當(dāng)拖拉機(jī)以一定速度作業(yè)時，地輪與地面產(chǎn)生摩擦而作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，繼而帶動右側(cè)地輪側(cè)邊鏈輪旋轉(zhuǎn)，地輪側(cè)邊鏈通過鏈傳動帶動中間的六角長軸旋轉(zhuǎn)，可在變速箱內(nèi)調(diào)整六角長軸轉(zhuǎn)速，中間長軸上鏈輪通過鏈條與9個排種器上的鏈輪連接，從而帶動9個排種器內(nèi)的排種盤旋轉(zhuǎn)。

1.左側(cè)地輪，2.六角長軸，3.排種器轉(zhuǎn)軸，4.變速箱，5.右側(cè)地輪，6.側(cè)邊鏈傳動

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 開溝器的設(shè)計(jì)

開溝器按照開溝形式的不同，主要分為滾動式和移動式兩類。移動式開溝器又分為船式、滑刀式等形式。相較于其他形式的開溝器，滑刀式開溝器具有滑切性能好等優(yōu)點(diǎn)，故本文采用滑刀式開溝器作為播種機(jī)的開溝導(dǎo)種裝置。本文所采用的劃刀式開溝器由滑刀、側(cè)板、方插板、L型掛板等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。滑刀安裝在開溝器前端，夾在開溝器兩側(cè)的側(cè)板之間，作業(yè)時通過滑刀兩側(cè)的楔面實(shí)現(xiàn)破土并開出種溝。開溝器的上端安裝一塊方插板，其上方與播種機(jī)上的排種器相連，作業(yè)時排種器排出的菜種通過方插板掉落至開溝器內(nèi)并最終落入已經(jīng)開好的種溝中。開溝器通過后端的L型掛板與覆土器相連，再由覆土器對播種完成的種溝進(jìn)行覆土回填。

1.滑刀，2.方插板，3.側(cè)板，4.L型掛板

2.1.1 開溝器刀刃曲線的選定 滑刀的刀刃曲線決定了滑刀刀刃的形狀，良好的刀刃曲線設(shè)計(jì)能夠使得滑刀在破土?xí)r阻力減小，提升滑刀在土壤中的滑切效率。圖5為滑刀的刀刃曲線示意圖，圖中圓弧段AB表示開溝器在開溝時與土壤的最大接觸區(qū)域，θ1和θ2分別為刀刃曲線在A、B兩點(diǎn)處的滑切角，k1和k2分別為刀刃曲線在A、B兩點(diǎn)處的斜率，n1、n2分別為刀刃曲線在A、B兩點(diǎn)處的法線。顧耀權(quán)等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)滑切角的范圍在35°～55°之間時，滑刀的入土阻力較小，故將此范圍定為刀刃曲線的滑切角范圍。參考賈洪雷等[16]的研究，將滑刀的刀刃曲線設(shè)定為一元二次函數(shù)，具體見公式(1)和公式(2)。

y=ax2+bx

(1)

k=y′=2ax+bx

(2)

公式(1)、(2)中，a、b為常數(shù)；k為斜率。

B點(diǎn)的縱坐標(biāo)表示開溝器的高度，一般由最大施肥深度決定。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對于青菜等小粒徑種子，其施肥深度為50 mm左右。考慮到實(shí)際作業(yè)中，土壤中存在沙礫、碎石等情況，在設(shè)計(jì)開溝器高度時需要留有一定的余量，最終將開溝器的高度定為60 mm，故B點(diǎn)的縱坐標(biāo)yB=60。

由圖5可知，隨著橫坐標(biāo)x的增大，刀刃曲線的劃切角在不斷減小，因此，最大的劃切角55°出現(xiàn)在A點(diǎn)處，最小的劃切角35°出現(xiàn)在B點(diǎn)處。

圖5 滑刀刀刃曲線示意圖

k1=yA=tan(90°-θ1)

(3)

(4)

將θ1=55°、θ2=35°，A點(diǎn)的坐標(biāo)(0，0)，B點(diǎn)的縱坐標(biāo)yB=60代入上述4個公式中，求得a=0.002，b=0.7，得出滑刀的刀刃曲線函數(shù)，見公式(5)。

y=0.002x2+0.7x

(5)

2.1.2 開溝器刃口角的選定 滑刀兩側(cè)楔面之間的夾角為滑刀的刃口角α，如圖6所示。研究表明，滑刀刃口角α對于開溝器的開溝性能影響較為顯著。開溝作業(yè)時，滑刀通過兩側(cè)的楔面實(shí)現(xiàn)破土，土壤顆粒間發(fā)生相對位移，沿著楔面向滑刀兩側(cè)滑動并最終形成種溝。刃口角過大會導(dǎo)致滑刀在開溝時所受阻力過大，土壤上翻量過大進(jìn)而影響開溝效果。刃口角過小則開溝器在工作時，滑刀的強(qiáng)度難以保證。楊薇[17]通過研究發(fā)現(xiàn)，刃口角的取值范圍一般為30°～80°，本文選取刃口角α=60°。

2.1.3 開溝器刀片厚度的選定 刀片厚度h為開溝器兩側(cè)板之間的距離，如圖6所示。刀片厚度h主要由開溝器的開溝寬度b確定，開溝寬度b又與開溝深度a有關(guān)。按照翻壟覆土原理，開溝寬度b與開溝深度a的關(guān)系見公式(6)。

圖6 開溝器參數(shù)示意圖

b=ak

(6)

公式(6)中，k為寬深比，為了減少回土量，取k=1.3。

根據(jù)農(nóng)藝要求，開溝深度主要根據(jù)種子大小、土壤質(zhì)地、土壤溫度、土壤濕度、氣候條件而定。種子小，貯藏物質(zhì)少，發(fā)芽后頂土能力弱，宜淺播；反之，大粒種子宜深播。種子播種深度以種子直徑的2～6倍為宜，小粒種子覆土15～20 mm，中粒種子覆土20～25 mm，大粒種子覆土30 mm左右。小青菜種子屬于小粒徑菜種，故本文的開溝深度a取20 mm，代入公式(6)中進(jìn)而得出開溝寬度b=26 mm，最終圓整后確定刀片厚度h為30 mm。

2.2 排種器的設(shè)計(jì)

本文選取氣吸式排種器作為機(jī)具的配套排種裝置，該排種器主要由種箱、負(fù)壓出口、傳動軸、排種盤、導(dǎo)種裝置、正壓清堵口等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。其工作原理：排種時，種箱內(nèi)的種子通過進(jìn)種口進(jìn)入排種器內(nèi)，排種器上的負(fù)壓出口通過軟管與負(fù)壓氣管相連，通過外接拖拉機(jī)動力輸出軸帶動風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)壓，通過軟管將風(fēng)壓傳至排種器內(nèi)，進(jìn)而將種子吸附到排種盤上。排種盤由傳動軸帶動進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)，種子隨著排種盤的旋轉(zhuǎn)進(jìn)入導(dǎo)種裝置附近，此時，由于正壓清堵口的存在導(dǎo)致負(fù)壓氣道被隔斷，單粒種子脫離了負(fù)壓的吸附作用，在種子的重力作用下落入導(dǎo)種裝置里，最終進(jìn)入排種器下方的開溝器中，再由開溝覆土裝置完成最終的開溝播種作業(yè)。研究表明，排種盤上的吸附孔直徑、吸附孔個數(shù)對排種器的排種性能影響很大[18-20]。

圖7 排種器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 排種器上吸附孔直徑的選定 排種盤上吸附孔的直徑直接決定了種子能否被吸附在排種上，其吸附孔直徑根據(jù)小青菜種子的平均寬度而定，具體計(jì)算公式見公式(7)。

dx=(0.64～0.66)d

(7)

公式(7)中，dx為吸附孔直徑(mm)；d為種子的平均寬度(mm)。

本文選取品名為“冬秀青梗菜”的菜種50粒，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量其三軸尺寸，計(jì)算出小青菜種子的平均寬度為1.69 mm，代入公式(7)中，最終經(jīng)過圓整后確定吸附孔直徑為1.2 mm。

2.2.2 排種器上吸附孔個數(shù)的選定 排種上吸附孔的數(shù)量決定了排種盤尺寸的大小，影響著排種器的工作效率。吸附孔數(shù)量過少則排種器的播種效率低，吸附孔數(shù)量過多則播種精度會受影響。徐蘇陽等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)，吸附孔的數(shù)量與播種機(jī)的速度、播種株距、種盤轉(zhuǎn)速相關(guān)，具體見公式(8)。

(8)

公式(8)中，Z為吸附孔的數(shù)量；vb為播種機(jī)的速度(m/s)；l為播種株距(m)；n為種盤轉(zhuǎn)速(r/min)。

根據(jù)農(nóng)藝要求，小青菜的株距為8～15 cm之間，行距為13 cm。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊》，n≤50 r/min，播種機(jī)的前進(jìn)速度vb≤18 km/h，代入公式(8)進(jìn)行計(jì)算，得出Z的取值為75。考慮到加工精度以及排種穩(wěn)定性等問題，取吸附孔數(shù)量Z=90，相鄰孔的角度為4°。

3 田間試驗(yàn)

3.1 田間試驗(yàn)條件

本次田間試驗(yàn)于2021年1月在江蘇省太倉市璜涇鎮(zhèn)進(jìn)行，圖8為田間試驗(yàn)圖。本次測試的土壤類型為壤土，土壤含水率為15.38%，土壤堅(jiān)實(shí)度為1500.8 kPa；測試選用的種子品名為“冬秀青梗菜”；配套動力源選擇常發(fā)CF700型拖拉機(jī)，通過三點(diǎn)懸掛的方式將氣吸式播種機(jī)與拖拉機(jī)相連，利用萬向節(jié)總成將拖拉機(jī)動力輸出軸與風(fēng)機(jī)動力輸入軸相連。在測試之前，需先用旋耕機(jī)清除試驗(yàn)田塊內(nèi)的雜草和碎石。

圖8 田間試驗(yàn)圖

3.2 田間試驗(yàn)方法

作業(yè)前，需要將測試地塊的寬度劃分成機(jī)組播幅的整數(shù)倍，播種機(jī)播種時采用離心播法，如圖9所示，即拖拉機(jī)從地塊中間開始由內(nèi)向外繞行，可順時針或逆時針進(jìn)行離心播種作業(yè)。測試過程嚴(yán)格按照GB/T 6973─2005 單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法進(jìn)行。試驗(yàn)前在9個排種器種箱內(nèi)分別倒入20 g菜種。進(jìn)行測試作業(yè)時，拖拉機(jī)的行進(jìn)速度為3 km/h。為了保證測試的準(zhǔn)確性，首次測定在播種開始20 m后進(jìn)行，最后測定在播種結(jié)束前20 m處停止，測試區(qū)域的長度為50 m。每次播種結(jié)束后，將編號為1～9的排種器內(nèi)剩余種子卸掉，分別裝入對應(yīng)編號為1～9的密封袋內(nèi)，并用精度為0.01 g的精密實(shí)驗(yàn)室天平秤稱出每個密封袋內(nèi)種子的重量。排種器在50 m測試區(qū)域內(nèi)播種量計(jì)算見公式(9)，測試共進(jìn)行5次。

圖9 離心播法示意圖

mui=mymsi

(9)

公式(9)中，mui為播種量(g)，i為排種器編號1～9；my為測試使用種子量，my=20 g；msi為試驗(yàn)剩余種子量(g)。

3.3 田間試驗(yàn)結(jié)果

測得9個排種器每次測試的播種量數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 排種器播種量測試數(shù)據(jù) g

得出各行播量一致性和總播量穩(wěn)定性數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)差與變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由表2結(jié)果得出，該氣吸式播種機(jī)的播種量為4.08 kg/hm2，符合機(jī)具3.0～4.5 kg/hm2的技術(shù)要求。

由表3結(jié)果可知：各行播量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差為0.12 g，變異系數(shù)為3.1%；總播量穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)差為0.97 g，變異系數(shù)為2.8%。該數(shù)據(jù)表明，氣吸式播種機(jī)在播種時各行播種均勻性良好，總體工作性能也較為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一款氣吸式小青菜播種機(jī)，采用三點(diǎn)懸掛方式，配套動力30～45 kW，工作幅寬為120 cm，播種行數(shù)為9行，播種行距為130 mm，播種株距可調(diào)，播種深度20～30 mm，作業(yè)速度3～3.5 km/h。作業(yè)時，通過氣吸式排種器將種子吸附并落入下方的開溝器中，通過開溝覆土裝置完成種子的播種。

(2)通過計(jì)算得出開溝器的幾個關(guān)鍵參數(shù)，確定了開溝器的刀刃曲線方程，確定了開溝器的刃口角為60°，開溝器的刀片厚度為30 mm。

(3)通過計(jì)算確定了排種器的一些關(guān)鍵參數(shù)，包括排種器的吸附孔直徑為1.2 mm，吸附孔數(shù)量為90個。

(4)通過田間測試，得出氣吸式小青菜播種機(jī)的播種量為4.08 kg/hm2，符合機(jī)具的技術(shù)要求。各行排量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差為0.12 g，變異系數(shù)為3.1%；總排量穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)差為0.97 g，變異系數(shù)為2.8%，結(jié)果表明：該氣吸式播種機(jī)工作性能較為穩(wěn)定，為小青菜等小粒徑種子作物的播種提供了重要參考。