丹參直播機(jī)的設(shè)計及試驗(yàn)

楊兆慧,王家勝,王東偉,何曉寧

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

丹參(Salvia miltiorrhiza Bge.)為唇形科鼠尾草屬,其干燥根莖是傳統(tǒng)常用的大宗中藥材,具有活血調(diào)經(jīng)、祛癖止痛、涼血消癰、清心除煩及養(yǎng)血安神等功能[1]。山東省是丹參種植大省,由于丹參的質(zhì)量上乘,近幾年交易量迅速上升,據(jù)統(tǒng)計在全國的交易量中占60%以上。

丹參的傳統(tǒng)種植模式為先育苗再移栽的方式[2]。在育苗環(huán)節(jié),種植戶以撒播為主,成苗后再進(jìn)行移栽,整個種植過程都以人工作業(yè)為主,作業(yè)強(qiáng)度大、工作效率低。由于是撒播育苗,均勻性很差,產(chǎn)生根苗的形態(tài)多樣,給移栽帶來極大不便。我國現(xiàn)階段對于中藥材機(jī)械化種植重視程度不高,研發(fā)投入資金少,相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目缺乏,直接影響到丹參機(jī)械化種植的發(fā)展和推廣。鑒于此現(xiàn)狀,結(jié)合當(dāng)?shù)氐⒎N植模式,充分考慮農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合,在參照相關(guān)作物的機(jī)械化播種的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一種了丹參直播機(jī),針對丹參種植農(nóng)藝要求實(shí)現(xiàn)丹參直接田間精量播種,省去了育苗及移栽環(huán)節(jié)。該機(jī)型可一次性完成開溝、清土、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等任務(wù),具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡易、效率高、播種效果好等特點(diǎn),完全滿足丹參機(jī)械化播種的技術(shù)要求,顯著提高了丹參種植的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

1 丹參種子性狀及農(nóng)藝參數(shù)

丹參生產(chǎn)上主要采用育苗移栽技術(shù)。由于丹參種子花期較長,自然條件變化多樣,會對丹參種子的育苗造成影響,種子成熟度不一致,導(dǎo)致發(fā)芽率低,進(jìn)一步影響出苗率。自然條件下種子的發(fā)芽率只有30%～40%,常溫狀態(tài)下每放置30天種子發(fā)芽率就下降10%,上一年丹參種子的發(fā)芽率幾乎為零[3-4]。這些不利因素直接影響到丹參育苗和栽培技術(shù)。

丹參種子的千粒質(zhì)量在1.2～2.6g之間,品種不一樣,千粒質(zhì)量也是有所差異。由于丹參品種較多,本文以山東地區(qū)為主要研究區(qū)域,重點(diǎn)使用山東丹參品種,進(jìn)行機(jī)械化播種試驗(yàn)。山東丹參種子形態(tài)呈橢球型,基部呈圓形,長2.40～2.68mm,寬1.25～1.3mm,顆粒狀的種子更利于直播[5]。丹參通常起壟播種,壟寬350～400mm,行距20～25cm,株距100～150mm。

2 丹參直播機(jī)的設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

丹參直播機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)型為手扶自走式,由汽油機(jī)提供動力,整機(jī)主要由汽油機(jī)、前輥輪、后輥輪、種箱、窩眼輪式排種器、滑刀式開溝器、覆土器、傳動裝置及扶手架等部件組成。

1.扶手 2. 后輥輪 3.種箱 4.汽油機(jī) 5.前輥輪 6.滑刀開溝器 7.排種器主軸 8.覆土器 9.后輥軸 10.后輥輸入鏈輪 11.窩眼輪排種器 12.前輥輸入鏈輪圖1 丹參直播機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall structure of Salvia miltiorrhiza direct seeder。

丹參直播機(jī)作業(yè)流程為:開溝—清土—播種—覆土—鎮(zhèn)壓。具體工作原理為:汽油機(jī)啟動后,由1人在機(jī)器后方把持扶手控制機(jī)器前進(jìn)方向、快慢和轉(zhuǎn)向,汽油機(jī)動力輸出鏈輪經(jīng)鏈傳動系統(tǒng)將動力先后傳給前輥輪和后輥輪,在前、后兩輥輪雙驅(qū)動作用下帶動整個機(jī)器在壟面上行走前進(jìn);前、后輥輪除驅(qū)動播種機(jī)前進(jìn)外,還分別起到播種前壓平壟面和播種后鎮(zhèn)壓的作用。動力從后輥輪輸出后再經(jīng)過鏈傳動傳遞給排種器主軸,帶動窩眼輪排種器旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)精密排種;布置在排種器下端的滑刀開溝器在機(jī)器前進(jìn)過程中開出溝槽,排出的種子經(jīng)輸種管落入溝槽中;接著,在覆土器的作用下將兩側(cè)的土壤填平溝槽;最后,由后輥輪鎮(zhèn)壓完成播種。

汽油機(jī)動力開關(guān)及油門控制器均布置在扶手架上,播種機(jī)行走速度由油門控制器調(diào)節(jié)。機(jī)器理論作業(yè)速度為1.8～7.2km/h,最高生產(chǎn)率可達(dá)0.3 hm2/h,實(shí)際平均生產(chǎn)率為0.2 hm2/h。作業(yè)前,首先調(diào)節(jié)開溝深度、行距、株距等工作參數(shù)。基于當(dāng)前丹參常用種植農(nóng)藝要求,播種機(jī)工作幅寬設(shè)計為400mm,適應(yīng)行距范圍100～200mm,可滿足壟上1～3行丹參播種,排種器的套數(shù)及相鄰間距可根據(jù)丹參播種行數(shù)和行距要求在排種器主軸上靈活布置。整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters。

2.2 關(guān)鍵部件及系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 排種器的設(shè)計

本機(jī)型采用窩眼輪式排種器作為排種裝置,通過控制在槽輪上的型孔大小來控制播種量,便于實(shí)現(xiàn)丹參種子的精量播種[6]。該機(jī)構(gòu)主要由種箱、窩眼輪、護(hù)種盒、毛刷、護(hù)種彈簧片和落種斗等組成,如圖2所示。排種器驅(qū)動軸與齒鏈輪連接在一起,后輥輪輸出鏈輪經(jīng)鏈傳動帶動排種器轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)排種,因此排種速度與行走速度呈正比。排種器驅(qū)動軸采用六棱截面軸,便于每組排種機(jī)構(gòu)沿軸向移動,實(shí)現(xiàn)行距的調(diào)整。窩眼式排種輪為尼龍材料,便于在排種輪表面加工型孔;另外,尼龍材料型孔可防止靜電,不粘種子,避免漏播現(xiàn)象。毛刷采用豬鬃制造,柔軟順滑,便于清種。護(hù)種彈簧片采用銅合金制造,彈性好,彈性變形范圍大,便于護(hù)種,也不易傷種。排種輪上型孔的大小和形態(tài)根據(jù)丹參種子的三維尺寸來確定,型孔形狀及尺寸直接決定播種精度的大小。排種機(jī)構(gòu)需要優(yōu)化配置排種輪型孔尺寸,毛刷清種高度,護(hù)種彈簧片的變形量等參變量,達(dá)到最佳組合,實(shí)現(xiàn)精量播種。

1. 落種斗 2.窩眼輪 3.種箱 4.護(hù)種盒 5.毛刷 6.護(hù)種彈簧片圖2 窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of socket-roller seeding device。

1)窩眼輪型孔。本機(jī)型采用穴播方式,每穴播種按7粒計算。選擇的窩眼輪型孔為半球形,邊緣處做倒角處理。窩眼輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 窩眼輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of socket-roller wheel。

型孔的直徑和深度根據(jù)下式計算[7],即

d≥l+b

(1)

7b≥h≥l

(2)

其中,d為型孔直徑(mm);h為型孔深度(mm);l為種子的平均長度(mm);b為種子的平均寬度(mm)。

將l=2.68mm、b=1.63mm帶入上式可得:d≈5mm,h≈7mm。

2)窩眼輪直徑。窩眼輪直徑不易太小,曲率增大會導(dǎo)致種子填充難度,一般選擇型孔直徑為60mm。

型孔數(shù)量越多,窩眼輪的線速度越低,有利于種子充分填充,但型孔數(shù)量也會受到型孔直徑和型孔間距的約束,其公式為

(3)

其中,z為窩眼輪型孔數(shù)(個);dw為窩眼輪直徑(mm);vm為播種機(jī)作業(yè)速度(m/s);vw為窩眼輪線速度(m/s);s為株距(mm)。

實(shí)際作業(yè)時,vm=vw,dw=60mm,s=25mm,代入公式可得,z≈8。

3)窩眼輪轉(zhuǎn)速與線速度。排種盤運(yùn)動時,種子靠自身重力落入型孔,當(dāng)型孔線速度過高時,來不及填充種子,型孔填充性能降低,會造成漏播。其計算公式為

(4)

(5)

其中,n為窩眼輪轉(zhuǎn)速(r/min);vp為窩眼輪線速度(m/s)。

將vm=2m/s、s=25mm、z=8、dw=60mm代入公式可得:n=0.6r/min,vp=1.89m/s。

2.2.2 不同傳動比的調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1)根據(jù)型孔數(shù)調(diào)節(jié)傳動比,以改變丹參播種株距。其計算公式為

(6)

其中,D為地輪直徑(mm);δ為地輪滑移系數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取δ=0.05～0.12。

當(dāng)其他值一定時,傳動比與型孔數(shù)成反比,兩者呈反比變化規(guī)律,通過傳動比改變株距。

2)改變鏈輪齒數(shù),調(diào)節(jié)傳動比。通過改變排種輪側(cè)與驅(qū)動輪側(cè)的齒數(shù)比,來改變傳動比,獲得需要株距。在排種輪側(cè)和驅(qū)動輪側(cè)安裝的鏈輪都可以更改鏈輪齒數(shù),齒數(shù)按9～14齒之間配比。

2.2.3 滑刀式開溝器

滑刀式開溝器為鈍角開溝器,開溝過程中不翻土,適合于小粒種子淺層播種,兩行之間干涉小[8],如圖4所示。

1.滑刀 2.側(cè)板 3.覆土器圖4 開溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of furrow opener。

開溝器主要由滑刀、側(cè)板和覆土器構(gòu)成,播種過程中,靠前端滑刀將土壤切開,再由V形兩側(cè)板分開一溝槽,種子經(jīng)輸種管落入溝槽,之后由覆土器將溝槽填平。

保證滑刀對土壤滑切作用的必要條件是[7]

α>90°+φ

(7)

其中,α為滑刀入土角(°);φ為土壤與滑刀間摩擦角(°),φ=14°～38°。

在此將滑刀入土角設(shè)計為α=135 °。

為了使刀刃切開土壤,并盡量減小工作阻力,土壤在刃口向后滑移的必要條件是

β<90°-φ

(8)

其中,β為滑刀刃口角(°)。為滿足以上條件,滑刀刃口角取β=35°。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)選在臨沂市蒙陰縣山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系試驗(yàn)站進(jìn)行,試驗(yàn)田具有一定代表性,地塊面積均符合試驗(yàn)田標(biāo)準(zhǔn),測試相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。丹參播種品種為山東丹參, 播種前土壤用旋耕機(jī)旋耕松土、開溝、起壟,土壤含水率16%～18%。試驗(yàn)過程中采用丹參直播機(jī)進(jìn)行播種,作業(yè)速度2m/s,每次作業(yè)3行,每行20m,理論工作效率0.07～0.3hm2/h。

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)NY/T2709-2015《油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》進(jìn)行試驗(yàn),選擇測試區(qū)長25m,測定區(qū)前有20m長穩(wěn)定區(qū),測定區(qū)后有15m長停車區(qū),選定試驗(yàn)區(qū)重復(fù)3次試驗(yàn);機(jī)械接取和處理樣品,測試相關(guān)數(shù)據(jù),保證精確度。試驗(yàn)樣機(jī)符合基本作業(yè)要求,駕駛員能夠熟練操作機(jī)器。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過田間試驗(yàn)可得知:本機(jī)型架構(gòu)簡單、操作簡便、省時省力,整機(jī)作業(yè)速度2m/s。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 2 Test results summary。

4 結(jié)論

1)研制出的丹參直播機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動靈活、操作方便等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)丹參田間直播,能夠一次性完成開溝、清土、播種、覆土及鎮(zhèn)壓等作業(yè),適應(yīng)國內(nèi)丹參主產(chǎn)區(qū)主要種植模式。

2)采用窩眼輪式排種器,型孔形狀與尺寸根據(jù)丹參種子外特性及播種粒數(shù)設(shè)計,排種精度高,可實(shí)現(xiàn)丹參精量播種。通過更換不同型孔尺寸及型孔數(shù)量的型孔輪和調(diào)整不同傳動比的鏈輪,來滿足不同的播種密度要求。

3)田間試驗(yàn)表明:平均播種生產(chǎn)率為0.24 hm2/h,平均播種深度合格率為91%,平均穴距合格率為83%,平均鄰接行距合格率為88%,均達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。