人參機械化種植設備的設計研究

劉文亮，劉楓，付家慶，王新陽，姜彩宇，楊躍華，張亮

（吉林省農業機械研究院，吉林長春130022）

人參機械化種植設備的設計研究

劉文亮，劉楓，付家慶，王新陽，姜彩宇，楊躍華，張亮

（吉林省農業機械研究院，吉林長春130022）

在對比機械型孔式排種器與氣力式排種器的優缺點后，結合人參種子特點，以氣吸播種原理為基礎，設計了針狀震動氣吸式人參精密播種機。對人參精密播種機的震動機理、主要零部件的機械結構、電氣控制系統分別進行了計算和設計。整機采用機械式凸輪結構和電氣系統控制實現自動化；利用負壓吸種和導桿推種破殼技術實現單穴單粒精播；通過控制裝置實現播種株距的改變，滿足不同地區、不同用戶的要求。通過田間試驗找出影響播種性能的主要因素，用正交方法分析各因素對單粒率、空穴率、重播率影響的大小及實際情況，得出因素影響的主次順序，找出了較優因素組合。

人參機械化種植；震動氣吸式；精密排種器

人參是吉林省東部山區重要支柱型特色經濟產業，種植總面積近幾年穩定在5 000萬hm2左右，但一直以手工作業方式為主，缺少合適的機械化設備。造成這一問題的主要原因是人參種子體積小、質量小、形狀不規則，并且采用催芽播種，對機械化設備的要求較高。

目前，國內外精密播種采用的排種器主要有機械式排種器和氣力式排種器[1-3]。機械式精密排種器結構簡單、成本低，主要依靠種子自身重力或輔助機械裝置來實現排種動作。對于人參種子，這種結構形式容易產生2個問題：一是人參種子從種盒到排種管的運動過程中始終與各種結構件接觸，不可避免產生摩擦和擠壓，易損傷種子；二是人參種子催芽后濕度很高，容易黏結堵塞排種器，影響排種[4-6]。氣吸式精密排種器利用抽氣產生的負壓將種子吸附在針管的頂端。針管與種子間為點對點接觸，不傷害種子，對種子尺寸要求也不嚴格[7-9]。其缺點是結構復雜，價格相對較高。在比較2種排種器性能后，設計了本研究的人參精密播種機，為了適應不同質量的種子，氣力裝置設置為可調式，根據實際需要調整吸力大小。為了克服催芽后濕度較高的人參種子間的黏附力，還專門設計了震動機構[10]，使種子處于沸騰狀態，避免了黏結現象的發生。本研究設備設計的目的在于為人參機械化種植提供一種合適的設備，在設計過程中采用了震動氣吸式的方法。

1 整機結構及工作流程

人參精密播種機主要由機架、電機、負壓風機、吸排種機構、種盤震動機構、鎮壓輪、傳動軸（中間軸、凸輪軸、拐臂軸等）、行走機構、落種導管組合、導軌組合、電控箱等部件組成（結構如圖1所示，主要技術參數如表1所示）。其工作流程為：打開電源，負壓風機與驅動電機開始工作，在負壓風機的作用下風室管內腔產生一定的真空度，吸種管形成吸力。與此同時，驅動電機驅動凸輪軸轉動，并通過凸輪軸帶動拐臂擺動和支桿搖動。吸排種機構在拐臂、支桿、滑道和彈簧的共同作用下做往復式擺動。當吸種管隨著吸排種機構運動到種子盒上方，距離足夠近時，種子就會在吸附力作用下被吸附在吸種管端口上，然后種子隨吸種管轉到排種管處，這時導桿向下推入，吸種管上的圓形孔被堵住，負壓消失，種子在自身重力和導桿推力共同作用下從吸種管落入到導種管中，然后從導種管滑落到土壤中，經過覆土鎮壓，完成整個播種過程。

表1 人參精密播種機的主要技術參數

人參精密播種機與220 V直流電源（或汽油發電機）配套使用，通過電機驅動行走和工作部件，實現機具沿種床自主行走和全自動精量播種作業。播種部件采用的吸針式精密播種技術，可保證小顆粒種子的精密播種要求，并可通過更換部件的方式對株距、行距等進行調整，可廣泛用于人參等中藥材的播種作業。

2 關鍵零部件設計

2.1 機架的設計

機架主要由側板、方橫梁、圓橫梁、導種管下連接板、U型支腿管等組成（圖2）。各部件通過螺栓緊固聯接，形成框架式結構。機架上固定行走電機、工作電機、負壓風機、電控箱和蝸輪蝸桿減速機。各傳動軸和履帶式行走機構[11]的主動軸和被動軸分別通過軸承座固定在機架的兩側板上，并可進行回轉運動。種盤和導種管組件通過螺栓與機架緊固聯接。鎮壓輪通過支臂與機架上的后支腿管固定。吸排種機構通過拐臂和支桿分別與拐臂軸和凸輪軸連接。鎮壓輪和吸排種機構分別通過彈簧與機架形成彈性聯接。

2.2 吸排種機構的設計

吸排種機構是人參精密播種機的核心，由風室管、吸針及導桿組成（圖3），采用針式氣吸精密播種技術。風室管既通過吸風軟管與負壓風機相連，又與吸針連接，在電機、鏈條、鏈輪、導軌組合的作用下實現往復式運動，帶動吸針到達吸種及排種位置。吸針的作用是在氣動系統作用下完成吸種和排種[12-13]。人參種子從種子盒內被吸附到吸針端口的過程中，受到吸管吸力和人參種子自身重力的雙重作用。當吸力大于人參種子重力的時候，種子即被吸針吸附。種子被吸附在氣針上，并與氣針一起運動到投種區，投種區是由隔板和倒種管組成，與大氣相通，真空度為零，種子在重力與針芯推力的作用下下落，投入倒種管中。

2.3 導軌組合的設計

導軌組合主要由拐臂、導桿固定軸、導桿、吸針、風室管、彈簧、支桿、凸輪組成（圖4），用來控制吸排種機構的運動軌跡。風室管帶動吸針沿滑塊運動，支桿連接吸排種機構和凸輪，凸輪做圓周運動，通過軸承帶動拐臂做往復式擺動。在拐臂、彈簧、支桿、凸輪的共同作用下，吸排種機構做往復式運動，在往復擺動的2個極限位置完成吸種和排種。

2.4 種盤震動機構的設計

種盤震動機構采用偏心式機械振動方式，振動電機安裝在種盤中部底面的下方，其上固定有偏心塊，種盤與機架間采用4個彈性尼龍銷連接，偏心塊轉動帶動種盤做小幅高頻震動（圖5）。種盤震動使種子盒內的人參種子在播種機工作過程中始終處于激蕩狀態，避免黏結現象的發生，同時避免種盒內種子因吸種產生凹坑現象，使種子始終處于吸針正下方。

種子在種盤內受到震動后又受到種盤摩擦力、空氣阻力、種子間作用力、橫向滑動等多方面的作用力。為了研究種子的運動規律將這些外力作出限制條件，將種子運動過程簡化為理想散粒體的簡諧振動模型[14]。相關研究表明，種子受震動拋起的劇烈程度取決于震動指數，其中，A為振幅，ω為振動圓頻率，δ為振動方向與水平方向的夾角）的大小，震動指數Kp較小時，人參種子振幅較小，橫向偏移距離較大；提高震動指數Kp，人參種子振幅增大，橫向偏移距離降低，甚至可以忽略不計；當Kp的取值大約為7時，種子震動綜合效果最好[15-16]。

2.5 行走機構的設計

由圖6可知，行走機構采用履帶式結構，主要由主動鏈輪軸、被動鏈輪軸、履帶板、鏈條等組成，履帶板通過螺栓固定在鏈條上。履帶板為12條突出的輪條，具有一定的質量和面積，支撐和平衡整機質量。單個輪條結構為長方形，尺寸為1 400 mm× 120 mm，輪條前端設計成有一定弧度的形狀，采用航空鋁材一次沖壓而成。工作時，行走電機驅動主動鏈輪軸轉動，主動鏈輪軸帶動鏈條和履帶板運動，通過履帶板與地面的磨擦作用實現機具的自主行走。

2.6 電控系統的設計與功能

電控系統主要由電機、接觸器、繼電器、可控硅調壓器、變壓器、觸摸式控制面板、調壓旋鈕等組成（圖7）。通過電控系統實現機器的總啟動與停止、吸排種機構單獨啟動與停止、負壓風機單獨啟動與停止、行走系統單獨啟動與停止、機具正向行走與反向行走、真空度的無極調整等功能。

3 性能試驗

2013年5月至2015年11月，人參精密播種機分別在吉林省農業大學、吉林省集安市、遼寧省太平哨鎮的人參種植基地進行了作業試驗。試驗過程參考王麗君[17]的方法，考慮到各因素對工作性能影響的大小及實際情況，選擇通過改變吸嘴孔徑、真空度和播種速度這3個影響播種性能的主要因素，觀察單粒率、空穴率和重播率的變化，并通過正交試驗對試驗結果進行數據處理，找出影響播種性能因素的主次關系和最優組合。

通過查閱資料和初步的試驗摸索，確定各因素的水平值采用表2所示的值[18-19]。吸嘴直徑根據人參種子和自主研發的人參精密播種機設計參數范圍來定；真空度值依據氣泵所達到的真空絕對壓力值范圍來定；播種速度根據機具前進速度設定。

表2 各因素水平值

由于具有均衡分散性和整齊可比性，能夠減少試驗次數，消除各效應之間的相關性，使計算分析大為簡化，故播種性能試驗采用二水平三因素的正交試驗。

對人參種子進行正交試驗，所得結果列于表3。

從表3可以看出，以2號試驗的結構最佳，試驗結果為單粒率99.03%，空穴率0.85%，重播率0.98%。其因素水平的組合為A1B2C2，即吸嘴孔徑3.0 mm，真空度0.03 MPa，播種速度45 mm/s。

表3 正交試驗結果

4 結論

本研究通過人參精密播種機的結構設計、試驗分析，結果表明：（1）針狀震動氣吸式精密播種技術對于解決人參種子體積小、質量小、形狀不規則，并且采用催芽播種的特點是一種合適的排種器設計方式。（2）采用針吸式吸種法，既能夠保證不傷害催芽后的人參種子，又能夠保證每個吸針只吸附一粒種子，達到精密播種的要求。（3）凸輪導軌機構實現了吸排種機構的往復式運動，到達吸種、排種位置，位置精確，性能可靠。（4）震動式種箱可以使催芽后濕度很高的人參種子處于離散狀態，同時消除種子盒內因吸種產生的凹坑現象，使吸種更容易。（5）通過性能試驗，找出了影響播種性能因素的主次關系和最優組合，單粒率、空穴率和重播率等指標均能滿足人參播種要求，能夠可靠地實現自動化精量播種。

總之，這種針狀震動氣吸式精密播種機可以精確、高效地完成人參機械化種植作業，并且通過可調式氣力控件適用于不同規格的種子。根據需要行距可以設置為30，60 mm，株距設計30～200 mm多種可調。研制這種播種機，不但具有較好的推廣價值和應用前景，也具有顯著的經濟效益和良好的社會效益。

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Study on the Design of Mechanical Planting Equipment of Ginseng

LIUWenliang，LIUFeng，FUJiaqing，WANGXinyang，JIANGCaiyu，YANGYuehua，ZHANGLiang
（Jilin Academy of Agricultural Machinery，Changchun 130022，China）

The author designed the acicular vacuum-vibration ginseng seeder after contrasting the mechanical precision seeder and the vacuum-vibration seeder,calculated and designed about the vibration principle of the ginseng seeder,the mechanical structure of main components and electronic control system.The machine was automatic with the structure of cam and electronic control system,it completed precision seeding with negative pressure suction push seeds.It could meet the requirements of different regions and different users through changing seeding planting distance.We found out the main factors of influencing the plant performance through field experiment,analysed the effects of single grain rate,hole ratio,replay ratio,concluded the primary and secondary order,found a optimal combination.

mechanical plant of ginseng;vibration-vacuum;precision seeder

S223

A

1002-2481（2016）10-1537-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.10.28

2016-06-16

吉林省科技發展計劃項目（20150204019YY）；吉林省農業機械研究院項目（201505014，YL201607011）

劉文亮（1983-），男，吉林長春人，助理研究員，主要從事農業機械自動化技術研究工作。