連續種植式大蒜立直種植裝置性能分析

馬偉童,宋井玲,孫 倩,許鵬飛,臧云飛,徐洪岑,蔡善儒

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255000)

0 引言

大蒜在我國的種植歷史悠久,因其具有豐富的營養物質且具有殺菌、消毒、抗癌的作用,成為了我國重要的經濟作物之一[1-4]。我國是世界重要的大蒜生產、消費和出口國,2016年我國大蒜的種植總面積約為37.9萬～40.5萬hm2,約占世界大蒜總種植面積的60%以上[5-6]。

大蒜芽尖向上立直種植才會長出蒜頭直徑大、蒜瓣飽滿的大蒜頭[7]。實現大蒜機械化種植,一般先要實現蒜種單粒化和單粒蒜種定向,再把單粒定向好的蒜種立直種植在土壤中。目前,國內外現有的大蒜種植機根據功能基本分為兩種:一種是只能實現蒜種單粒化播種的平播式,播種后的蒜種方位隨機,不能實現牙尖向上立直種植,因此沒有立直種植裝置,如西班牙、法國研制的大蒜種播種機等;另一種是有立直種植裝置能實現芽尖向上立直種植的大蒜立直種植機,國外有日本、美國和韓國研制的這種類型的大蒜種植機[8-10],國內有山東省商河縣慶華機械廠研制的QH18-2自走式大蒜播種[11]、五征集團李瑞川等人研制WZ-4型大蒜種植機[12]和山東省農業機械科學研究院崔榮江等人研制的大蒜種植機[13]等。

根據大蒜芽尖向上立直種植農藝要求,對單粒定向好的蒜種立直種植技術是實現大蒜種植機械化的關鍵之一。具有蒜種立直種植功能的大蒜種植機中,多采用鴨嘴式栽植器攜帶蒜種做種植運動,入土后鴨嘴打開將定向好的單粒蒜種立直插送到土壤中。種植過程中,為減小水平方向的速度對蒜種立直狀態的影響,栽植器種植過程中的水平速度應接近于零。為滿足此要求,栽植器的運動形式一般有兩種形式:一種為上下往復直線運動或擺動。種植蒜種時,水平方向的分速度為零或較小,實現蒜種水平零速投種栽種,有利于蒜種保持原來牙尖向上狀態,立直種植效果好;但由于栽植器栽種運動是間歇式的,且向下運動入土栽種時種植機一般要停止前進,效率低,平穩性較差。另一種為圓周運動。種植蒜種時,栽植器在做圓周運動的過程中要保持方位不變,即鴨嘴的開口始終向上,蒜種在栽植器內也保持原來牙尖向上的狀態,栽植器連續栽種,機具可保持勻速前進,運轉平穩,效率高;但栽植器在做圓周運動打開過程中,其水平分速度是不斷變化的。如何使蒜種保持原來的芽尖向上的狀態插送到土壤中,是連續種植式大蒜立直種植裝置要解決的主要問題。

針這一問題,筆者對鴨嘴連續種植式大蒜立直種植裝置進行性能分析,為優化設計高效且滿足農藝要求的大蒜種植機械提供參考。

1 圓周連續種植裝置結構形式與工作原理

1.1 結構形式

可以使栽植器在圓周連續運動及種植過程中時刻保持開口向上垂直狀態的運動機構一般有兩種:一種是行星齒輪結構,另一種是平行四桿機構,如圖1所示。平行四桿結構中,O1ABO2為雙曲柄平行四桿機構,O1O2為固定件,AB為連桿,O1A=O2B,O1O2=AB,O1A為主動件。栽植器固定在連桿的AB上,C點為栽植器的下端點。工作時,主動桿驅動平行四桿機構運動,栽植器做圓周轉動的同時方位不變。若栽植器固定在連桿AB的A點處,則栽植器繞O1點旋轉1周同時繞A反向自轉1周。行星齒輪結構中,固定齒輪1中心固定在O1點不轉動,中間齒輪2、3分別固定在轉盤上,隨轉盤轉動而轉動。中間齒輪2分別與固定齒輪1、驅動齒輪3嚙合,且齒輪3與齒輪1相同,栽植器固定在齒輪3的中心A處,轉盤中心與固定齒輪同中心O1一致,可繞O1轉動。行星齒輪機構在工作中,驅動轉盤繞O1轉動,轉盤轉動1周,栽植器繞點O1旋轉1周同時隨齒輪3繞A自轉1周。

1．桿1 2．桿2 3．連桿 4．栽植器 5．轉盤 6．齒輪1 7．齒輪2 8．齒輪3圖1 栽植器運動機構示意圖Fig.1 Structure diagram of garlic upright plant

1.2 工作原理

在栽植器做圓周連續種植運動的一個工作循環里,首先閉合狀態的栽植器運動到接種位置接入單粒定向好的蒜種,蒜種在栽植器中仍然保持牙尖向上直立狀態;栽植器攜帶蒜種運動到栽種位置插入土壤中,栽植器打開,將定向好的蒜種立直送入土壤,并隨種植裝置的轉動維持打開狀態,在離開土壤后栽植器逐漸閉合;閉合的栽植器隨同心裝盤繼續轉動進行下一工作循環。

栽植器在做勻速圓周運動的同時,隨大蒜種植機勻速前進。設栽植器勻速圓周運動的線速度為v1,機器前進速度為v,令速比λ=v1/v。以栽植器下端點C的旋轉中心O為坐標原點,機器的前進方向為x軸方向,垂直向上的方向為y軸方向建立直角坐標系,則栽植器的運動軌跡如圖2(a)所示。軌跡1為λ>1,軌跡2為λ=1,軌跡3為λ<1。軌跡1存在兩個水平絕對速度為零的點a、b,軌跡2存在一個零速點c,軌跡3不存在零速點[14-15]。種植裝置在滿足λ>1時立直種植效果最好[16],而且能獲得較小的株距,所以本文對λ>1的情形進行分析研究。

圖2 栽植器運動規律Fig.2 The movement law of planting device

2 栽植器的性能分析

2.1 栽植器打開方式

栽植器一般為鴨嘴結構,由可沿機器行駛方向打開的兩部分組成,如圖3所示。打開方式有3種:立直種植裝置兩側同時打開為對稱打開;行駛方向后方的一側向后打開為單側向打開;行駛方向前方的一側向前打開為單側向前打開(圖3虛線所示)。

B—栽植器開度 D—旋轉中心 h—蒜種下落高度1.對稱打開 2.后側打開 3.前側打開圖3 栽植器鴨嘴結構Fig.3 The structure of the duck beak of the planter

2.1.1栽植器打開性能要求及其在打開過程中速度分析

完成立直種植的關鍵在于:栽植器打開后蒜種與栽植器分離過程中,蒜種保持原來垂直狀態做自由落體運動不受干擾,且蒜種水平方向受到的土壤回流作用力關于蒜種對稱。栽植器的運動和兩側打開都是沿機器行駛方向的,土壤在栽植器左右方向的作用是對稱的,主要是保證前后方向的作用對稱。λ>1時,栽植器的運動軌跡與速度變化如圖2(b)所示,起始點g為運動垂直方向的最高點,H為栽植器入土深度。在栽植器打開投種前,蒜種的運動規律與栽植器一致,為減小水平速度對蒜種立直狀態的影響,栽植器應在水平速度接近零速點時打開投種。根據栽植器的水平分速度變化,栽植器的絕對水平分速度的變化可分為以下幾個階段:垂直方向的最高點g到第一零速點a為正向減小;第1個零速點a到垂直方向的最低點為反向增加;垂直方向的最低點到第二零速點b為反向減小,第二零速點b到垂直方向的最高點為正向增加。

2.1.2 栽植器打開位置對種植性能的影響

栽植器在第一零速點a前打開,蒜種在離開栽植器下落入土后,栽植器繼續運動經過蒜種入土位置會破壞蒜種的直立狀態;在第二零速點b后打開,蒜種已經離開栽植器運動最低點,蒜種能達到的土壤深度遠離栽植器運動最低點,播深及蒜種狀態受土壤回流影響較大。

在第一零速點a和最低點之間打開,蒜種離開栽植器時水平速度向后,蒜種水平速度不變自由下落的過程中,栽植器繼續做水平向后加速運動,后側遠離蒜種,不會干涉蒜種自由下落,前側會干涉蒜種自由下落。若栽植器單側向前打開或對稱打開,避免前側干涉蒜種自由下落的條件是:栽植器前側相對蒜種水平向后運動未到達蒜種最前端,即前側向前打開距離B與蒜種下落過程的向后水平位移S2之和大于栽植器前側投種后到第二零速點b水平位移S1與蒜種最大寬度wmax之和,即

B+S2≥S1+wmax

B≥S1+wmax-S2

(1)

式中B—栽植器前側最低點C打開水平距離;

S1—栽植器投種后到第二零速點b水平位移;

S2—蒜種下落過程的向后水平位移。

在第一零速點a和最低點之間,蒜種離開栽植器時向后水平分速度大于零,即S2大于零。在相同λ值下,S2等于零時,栽植器前側不對蒜種產生干涉要求栽植器前側打開的寬度B有最小值,此時S1應為兩零速點水平距離,則

則式(1)為

(2)

式中λ—速比;

wmax―蒜種最大寬度;

R―栽植器旋轉半徑。

式(2)表示前側打開距離B只與栽植器旋轉半徑R、速比λ有關。在速比λ一定的情況下,栽植器旋轉半徑R越大,前側打開距離B應越大。因此,栽植器在實際工作中單側向前打開開度應大于B,對稱打開開度應大于2B。

蒜種自由下落接觸土壤完成自由下落過程,其底部先接觸土壤,絕對速度瞬間為零,上部因慣性向后傾倒。若栽植器后側或后側回土不能及時對蒜種支撐,蒜種將不會保持直立狀態種植。因此,栽植器后側不應向后打開或打開距離很小。在蒜種離開栽植器后,栽植器后側相對蒜種向后運動并在蒜種落地后通過第二零速點b向前運動接近蒜種同時向上運動,起到防止蒜種向后傾倒或扶正的作用,也能使蒜種后側及時回土支撐蒜種,避免其繼續向后傾倒,如圖4所示(蒜種播深為H′)。因此,栽植器向前單側打開比對稱打開更有利于蒜種的直立種植。

1.蒜種下落狀態 2.蒜種接觸土壤后傾斜狀態 3.扶正后蒜種狀態圖4 栽植器后側扶正作用示意圖Fig.4 Schematic diagram of the rear side straightening of the planter

在最低點和第二零速點b之間打開,栽植器前側相對于蒜種向前運動逐漸遠離蒜種,不會對蒜種產生干涉;若栽植器單側向后打開,在保證蒜種順利排出的前提下,后側相對于蒜種距離較大,在蒜種結束下落產生傾斜時,栽植器后側不會對蒜種起到扶正作用,且后側在向后打開過程中栽植器絕對向后上方運動,后側受土壤阻力較大;對稱打開時,在保證后側不會干涉蒜種下落的前提下,栽植器開度相應增加1倍,前側打開水平移動對蒜種立直種植無作用,為避免較大開度帶來的撅土現象需增加栽植器開口尺寸,這樣不但會增加栽植器結構尺寸,同時還會增加栽植器在打開過程中受土壤的阻力。,不但會增加栽植器在打開過程中受土壤的阻力,為避免較大的開度帶來的撅土現象還需增加栽植器開口尺寸,進而增加栽植器結構尺寸。

2.1.3 栽植器打開成穴剖面形狀分析

栽植器在第一零速點a到最低點之間打開時成穴剖面形狀,如圖5所示。對稱打開在靠近第一零速點a或最低點時打開,栽植器成穴剖面寬度都較大,空間越大會使蒜種產生的傾斜角度越大;單側向前打開在靠近第一零速點a或最低點時打開,栽植器成穴剖面寬度都較小,而靠近第一零速點a打開穴底不平整,靠近最低點時打開成穴形狀基本對稱,中部向下凹陷的穴底與蒜種底部向下凸起的輪廓相對應,有利于蒜種與土壤接觸后保持立直狀態。因此,單側向前打開在靠近最低點打開成穴形狀對蒜種直立最有利。

1．靠近最低點打開 2.靠近第一零速點a打開圖5 栽植器打開成穴剖面形狀Fig.5 The planter opens into a cavity profile shape

2.2 栽植器鴨嘴形狀

在成穴形性能較好的情況下,即栽植器在最低點和第二零速點b之間單側向前打開中,入土過程時栽植器在水平方向相對土壤向后運動,栽植器鴨嘴的后側為垂直。與傾斜相比,由于土壤對栽植器的阻力沒有向上的分力(見圖6),栽植器入土阻力小。對蒜種扶正時,后側垂直時是面作用,傾斜時是線或點作用,扶正作用更穩定。

圖6 鴨嘴形狀對比Fig.6 Duck Beak Shape Contrast

3 栽植器開合過程性能分析

上述分析是在假設栽植器打開時間接近于零的情況下,實際上栽植器的打開是有一個過程的,鴨嘴后側垂直的栽植器在前側打開過程中,對種子的下落也有可能發生干涉。

栽植器在第一零速點a和最低點之間單側向前打開及后側垂直結構的情況下,為避免前側在打開過程中對蒜種的下落產生干涉,蒜種接觸土壤時前側打開的開度應大于蒜種寬度與栽植器相對于蒜種水平位移之和,即前側最低點打開先于時間小于蒜種下落時間,則

B′≥wmax+S′

(3)

式中B′—蒜種接觸土壤時前側打開的開度;

wmax―蒜種最大寬度;

S′―蒜種開始下落至接觸土壤時間內栽植器相對于蒜種位移。

由于在前側打開過程中栽植器接近蒜的速度遠小于前側打開速度,S′遠小于B′可忽略,設前側以速度v′勻速打開,則式(3)可簡化為

B′≥wmax

若蒜種接觸土壤時栽植器未到達第二零速點b,前側應繼續打開至最大開度B,并保持此時的開度B;在栽植器垂直向上位移大于入土深度H離開土壤后,前側開始閉合,閉合速度可依據避免栽植器鴨嘴閉合沖擊適度減小。

栽植器前側打開一般是由打開凸輪打開,由彈簧關閉,為便于打開凸輪輪廓的設計,上述栽植器打開規律可用圖7表示。

圖7 栽植器打開規律曲線Fig.7 Planter opens the regular curve

由圖7可知:栽植器活動側在mn段迅速打開,避免前側干涉蒜種下落;在np段維持打開狀態,避免栽植器吃土;在pq段緩慢閉合,栽植器到達p點時間時應垂直向上位移H。若栽植器工作1個周期所用時間為T,由m到q所用時間應小于T減去由m到p所用時間。

4 結論

1)栽植器在第一零速點a和最低點之間單側向前打開,不會對蒜種下落產生干涉,栽植器后側可扶正傾斜的蒜種,有利于蒜種的立直種植。

2)通過栽植器入土打開成穴剖面形狀分析栽植器在靠近最低點單側向前打開成穴形狀最好,土壤回流作用相對于蒜種對稱,有利于立直種植。

3)栽植器后側為垂直形狀,栽植器在入土阻力較小,對蒜種有扶正作用。