牽引式大蒜播種機的設計

2020-10-17 02:41:54文恩楊吳彥強李天華侯加林

農機化研究 2020年1期

文恩楊,吳彥強,李天華,侯加林

(1.山東農業大學機械與電子工程學院,山東泰安 271018;2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室,山東泰安 271018)

0 引言

大蒜既是我國重要的蔬菜作物和經濟作物,也是食品加工、醫藥工業、化妝品制作、飲料配制及無公害生產方面的重要原料,還是我國重要的出口創匯產品。全國大蒜種植面積40萬hm2多,產量約占全球產量的70%以上,新鮮大蒜年出口量約占全球大蒜貿易量的80%。目前,我國大蒜幾乎全為人工種植,面臨著勞動強度大、人工成本高及播種效率低等問題。因此,大蒜種植迫切需要機械化作業,減輕農民的勞動強度和經濟負擔[1-3]。

大蒜的單粒取種和鱗芽朝上是大蒜播種機械設計的關鍵所在,雖然國內部分廠家對此項的研制與生產,取得了一定進展,但仍存在不少設計和制造的問題,大蒜定向種植(鱗芽朝上直立栽種)仍然是公認的機械播種難題。國外代表機型(如韓國生產的YD1500型大蒜播種機、荷蘭Dutch valley公司的12行大蒜播種機)結構精巧,但其結構龐大、價格昂貴,無法在我國大面積推廣[4]。國內農村土地主要是小塊分包到戶,一家一戶安排各自的種植,大蒜的種植基本上靠手工實現。國內雖然已有全自動大蒜種植技術,但是蒜瓣豎直向上種植卻沒有保證,影響大蒜的播種質量,且機構復雜龐大,推廣難度很大[5-6]。

針對當前我國大蒜種植機械存在的問題,參照國外先進機型,筆者研制了牽引式大蒜播種機。其種植株距和播種深度穩定,有效改善了現有技術存在的鱗芽向上率低、重播、漏播等問題,且機具結構簡單,可以節省人力、提高勞動生產率。該機對不同土壤、不同種植模式適應性強,可實現連續、高效、精準作業。同時,對該機進行了田間播種試驗,并對播種機各項設計技術指標參數進行了驗證。

1 整體方案設計及主要技術指標

1.1 整機結構

所設計的大蒜播種機采用彈簧扶正的調頭方式與鴨嘴式插播的播種方式,能夠一次性完成開溝、取種、扶正及插播等工序,滿足大蒜的種植要求。該機主要由播種機架、動力系統、種箱、提種機構、氣壓提升系統、彈簧扶正機構、鴨嘴式插播器及開溝器等組成,如圖1所示。

1.2 工作原理

機組工作時,發動機帶動機組前進,雙圓盤開溝器在牽引力作用下,其圓盤外表面對土壤有擠壓作用,開出一定深度的種溝,引導蒜種落入;在鏈輪的轉動作用下,提種機構鏈條帶動提種爪工作,提種爪從種箱內抓取蒜種,在向上輸運的過程中,只留下一粒種子,實現單粒取種;蒜種通過輸送管道進入扶正彈簧內,在彈簧作用下,實現蒜種鱗芽向上的扶正工作;鴨嘴式插播器與扶正彈簧末端相連,插播器將扶正后的彈簧插播到開溝器開好的種溝內,最終完成大蒜的播種工作。大蒜的扶正與插播工作由氣壓提升系統控制,保證其工作的同步性,可實現大蒜播種機的連續性工作。

1.貯氣筒 2.氣壓表 3.氣壓泵 4.濾清器 5.播種機架 6.提種機構 7.種箱 8.扶正機構 9.插播器 10.清土犁 11.開溝圓盤圖1 大蒜播種機結構示意圖Fig.1 The Structure of the garlic sowing machine

1.3 主要技術指標

按照大蒜的種植模式與農藝要求,確定本機的主要技術參數指標如表1所示。

表1 牽引式大蒜播種機技術參數Table 1 Technical parameter of the garlic sowing machine

2 主要工作部件設計

2.1 種箱的設計

2.1.1 種箱的設計要求

1)種箱材料應具有足夠的剛度,堅固耐用,種箱內外表面應涂有油漆。

2)播種機種箱不宜過大,否則播種機整機結構龐大,致使機組牽引阻力增加,能耗增大;同時,種箱容積必須保證足夠的蒜種數量,避免頻繁加種,保證播種機工作效率。

3)種箱外形設計必須便于提種爪取種,經實驗測得蒜種休止角為30°,種箱底板的傾斜角應大于蒜種休止角,該機取種箱底板傾斜角為35°,保證蒜種順利流入種箱底部,便于提種爪取種。

2.1.2 種箱容積的設計

根據大蒜的種植要求,種箱的容量應滿足一定播種行程的需要,主要由播種的工作幅寬、播種行程、播種量和蒜種容重決定。播種行程定義為一個往返行程,即地塊長度的2倍。考慮到蒜種間隙比較大,在設計容積時應留有10%的余量。

種箱容積計算公式為

式中B—工作幅寬(m),此處取B=1.1m;

L—播種行程(m),此處取L=600m;

Nmax—單位面積的最大播種量(kg/hm2),根據農藝要求,此處取Nmax=1 125kg/hm2;

γ—蒜種容重(kg/L),根據實驗測得,大蒜種子的容重γ=0.94kg/L。

計算得：V=81.675L。實際應用中,種箱容積要比設計數值稍大,因此取種箱容積為85L。

2.2 開溝器的設計

雙圓盤開溝器主要由開溝圓盤、支撐板、清土犁和彎轉軸組成,如圖2所示。工作時,開溝圓盤向前滾動,實現播種機開溝作業。通過調節輪支撐板,可以實現入土深度在20～80mm范圍內的調整。通常情況下,圓盤直徑取130mm。圓盤夾角的設計需既能保證種溝的寬度,降低工作阻力,又能保證容納清土犁所需的空間,本文圓盤夾角取14°。為減少開溝阻力,保證入土能力,本設計取入土角為45°,開溝寬度為50mm。清土犁可以保證開溝質量,為大蒜插播提供良好的工作環境。該機構結構簡單,破土能力強,成溝質量高,適應性好[7]。

2.3 提種機構的設計

2.3.1 結構設計及工作原理

根據大蒜種植單粒播種的農藝要求,優化設計了一種蒜種提取機構,如圖3所示。

1.彎轉軸 2.固定板 3.輪支撐板 4.開溝圓盤 5.清土犁圖2 雙圓盤開溝器Fig.2 The double-disc opener

1.提種擋板 2.鏈輪 3.鏈條 4.提種爪 5.柵板圖3 提種機構Fig.3 The seed raising mechanism

該機構由曲線棚板、鏈輪鏈條及獨特的一長兩短的提種爪等組成,如圖4所示。提種爪通過提種爪底座固定在鏈條上,鏈輪帶動提種爪旋轉,在種箱槽底提種爪伸出其最大的長度,便于抓住更多的種子。提種爪在鏈條的作用下,逐漸上升,提種爪伸出的部分逐漸變短,此時在提種爪上多余的種子逐漸掉落;當提種爪走到棚板斜面與圓弧切點時,提種爪凸出的部分最短,此時由提種爪中間的芯爪和棚板作用,抓住其中一個蒜種,多余的蒜種從兩側較短的側爪滑落。此系統可以解決重播與傷種問題,且單粒取種率達到90%以上。

1.提種爪底座 2.側爪 3.芯爪圖4 提種爪機構Fig.4 The seed raising claw mechanism

2.3.2 參數設計

按照大蒜播種機的設計要求和參考相關文獻資料,確定了提種機構的各主要參數。

1)提種工作高度H。提種工作高度不宜過大,否則會增加提種距離,延長插播周期,從而降低播種機作業效率;提種工作高度亦不宜過短,如果太短,提種爪作業面未減少充分,達不到單粒取種的效果。所以,提種工作高度應根據作業效率選擇合適的數值,本文設計的大蒜播種機提種工作高度為H=350mm。

2)提種爪初始長度L0、提種柵板斜度θ與鏈輪轉速n。蒜種的單粒取種效果與提種爪的有效工作長度有關,當提種爪的有效工作長度達到一定范圍時,提種爪在柵板外的空間只能容納一粒種子,實現單粒取種。提種爪的有效工作長度由提種爪初始長度L0、提種柵板斜度θ與鏈輪轉速n決定,通過對提種爪的運動過程進行分析,最終確定提種爪各參數,提種爪運動簡圖如圖5所示。提種爪有效工作長度S隨時間T變化的關系式為

S=L0-πndTtanθ

式中L0—提種爪初始長度(mm);

n—鏈輪轉速(r/min);

d—鏈輪直徑(mm),此處選取d=60mm;

θ—提種柵板斜度(°)。

為保證提種爪能實現單粒取種,經實驗計算,選取提種爪初始長度L0=55mm,提種柵板斜度θ=5°,鏈輪轉速n=50r/min。

圖5 提種爪運動簡圖Fig.5 The movement schematic diagram of seed raising claw

2.4 扶正機構的設計

扶正機構主要部件為大螺距彈簧,由彈簧與底座組成(見圖6),主要完成蒜種下落過程中的扶正工作,最終得到鱗芽朝上的蒜種。工作原理：在大蒜以鱗芽向左或向右進入扶正器后,蒜尖肯定會進入左側或右側的空隙中,此時由于大蒜的重力和加速度的作用,使得蒜瓣變向、鱗芽向上;當蒜尖以朝下的方式進入扶正系統后,大蒜下行到掉頭區時,蒜尖會進入強行調頭區的縫隙中,此時大蒜在重力和加速度的作用下強行調向蒜尖朝上進入插播器內,最終保持住朝向。為確保蒜種得到有效的扶正效果,彈簧采用高碳鋼材料,彈簧原長為200mm,直徑為50mm,工作時彈簧螺距為6mm,扶正行程為320mm。