平貝母播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫霖生，胡 軍，宋 江，劉昶希，李寧飛

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江省保護(hù)性耕作工程技術(shù)研究中心，黑龍江 大慶 163319)

0 序言

平貝母，又名坪貝、貝母、平貝，屬于百合科植物，性苦味甘，具有清熱潤肺，化痰止咳的功效[1-3]。平貝母是我國特有的一種名貴藥用植物[4]，在黑龍江省得到廣泛栽培。隨著中草藥市場的不斷擴(kuò)大，自黨的十八大以來，國家將中草藥的發(fā)展作為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要舉措，并頒布了《中草藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要(2016—2030年)》《中醫(yī)藥法》《全國道地藥材生產(chǎn)基地建設(shè)規(guī)劃(2018—2025年)》等相關(guān)政策，進(jìn)一步為我國中草藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。隨著中藥材種植產(chǎn)業(yè)和市場的不段擴(kuò)大，越來越多種植戶不斷引入中藥材的種植。但是平貝母種子大小形狀各不相同，每個(gè)類型的特異性也不同，導(dǎo)致平貝母的種植過程仍是以人工為主，機(jī)械化程度很低。因此，結(jié)合平貝母栽培全程機(jī)械化的實(shí)際問題，研究適合平貝母栽培的配套機(jī)械對(duì)發(fā)展黑龍江省平貝母栽培的機(jī)械化、推動(dòng)黑龍江省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、提高農(nóng)民收入具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

在滿足栽培農(nóng)藝要求的前提下，設(shè)計(jì)一種平貝母播種機(jī)。其機(jī)械化栽培需要滿足以下要求：1)工作地面需要松軟平坦，便于播種作業(yè)的推進(jìn)；2)選擇1 200 mm寬的畦[5]，便于整機(jī)前進(jìn)；3)畦床間距選擇400 mm[6]，可以避免地輪對(duì)畦床的損傷，有效降低傷種現(xiàn)象。

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

平貝母播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)主要是由推土鏟、排種帶、種箱、護(hù)種板、振動(dòng)電機(jī)、鎮(zhèn)壓輥、地輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、調(diào)速電機(jī)和機(jī)架等部件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.調(diào)速電機(jī)；2.振動(dòng)電機(jī)；3.種箱；4護(hù)種板；5.機(jī)架；6.推土鏟；7.地輪；8.傳動(dòng)軸；9.排種帶；10.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；11.鎮(zhèn)壓輥

1.2 工作原理

根據(jù)平貝母的種植農(nóng)藝技術(shù)要求，平貝母為小規(guī)模種植，每塊畦床面積為667 m2，為了便于操作使用調(diào)速電機(jī)為整機(jī)提供主要輸出動(dòng)力，通過調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速控制排種帶轉(zhuǎn)速，通過更換鏈輪齒數(shù)改變傳動(dòng)比從而改變整機(jī)的前進(jìn)速度；推土鏟是斜角型，負(fù)責(zé)清理地塊雜質(zhì)，使作業(yè)地面保持平坦；種箱斜邊配合振動(dòng)電機(jī)促使種子順利下滑，通過種箱底部三角板引導(dǎo)進(jìn)入排種通道，種箱底部四周毛刷可以防止種子在排種區(qū)亂動(dòng)，同時(shí)刮去多余種子并輔助種子進(jìn)入型孔；種子隨著排種帶前進(jìn)到護(hù)種板直至種子到達(dá)末端在自重力作用下落到土地中；最后由鎮(zhèn)壓輥將種子壓入土地，完成整個(gè)播種過程。

2 播種機(jī)作業(yè)性能的試驗(yàn)研究

本次排播種試驗(yàn)的處理和評(píng)價(jià)依據(jù)農(nóng)機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T19293—2001《(單粒精密)播種機(jī)技術(shù)條件》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》。已知精量播種機(jī)的主要性能指標(biāo)有粒距合格率A、重播率D及漏播率M。

各指標(biāo)的計(jì)算方法如式(1)

(1)

式中n0—合格數(shù)；

n1—重播數(shù)；

n2—漏播數(shù)；

N—總區(qū)間數(shù)。

評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1。

表1 作業(yè)性能指標(biāo)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與搭建

試驗(yàn)選擇1.2 m×50 m的畦床地塊，準(zhǔn)備含水率為66.5%的小貝種子5 kg，選擇平穩(wěn)階段通過測(cè)量計(jì)算株距和行距，記錄下試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理與分析，確定出最佳試驗(yàn)因素取值。播種機(jī)的作業(yè)性能試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法，選取三個(gè)因素，固定其中兩個(gè)，改變一個(gè)因素，并觀察該因素對(duì)各個(gè)性能指標(biāo)的影響。本文選擇對(duì)平貝母播種機(jī)最大的三個(gè)試驗(yàn)因素前進(jìn)速度v、型孔直徑L、投種高度h進(jìn)行試驗(yàn)，以播種的合格率A、重播率D和漏播率M為作業(yè)效果指標(biāo)來檢驗(yàn)排種性能。

2.2 播種機(jī)試驗(yàn)

前進(jìn)速度、型孔直徑、投種高度是播種機(jī)工作性能指標(biāo)的重要影響因素，設(shè)其他參數(shù)不變，分別選取前進(jìn)速度、型孔直徑、投種高度的六個(gè)不同因素水平等級(jí)進(jìn)行性能試驗(yàn)，三種狀況分別為：當(dāng)L=20 mm，h=80 mm時(shí)，選取v=0.36 km·h-1，0.72 km·h-1，1.08 km·h-1，1.44 km·h-1，1.80 km·h-1，2.16 km·h-1；當(dāng)v=1.08 km·h-1，h=80 mm時(shí)，選取L=20 mm，22 mm，24 mm，26 mm，28 mm，30 mm；當(dāng)v=1.08 km·h-1，L=22 mm時(shí)，選取h=40 mm，60 mm，80 mm，100 mm，120 mm，140 mm，試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，根據(jù)GB6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》的取樣方法，去除試驗(yàn)開頭和結(jié)尾處的株距，選取播種機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)的一段作為測(cè)量范圍，每一組試驗(yàn)測(cè)量連續(xù)的207個(gè)粒距，統(tǒng)計(jì)其合格率、重播率、漏播率，試驗(yàn)重復(fù)三次進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果求其平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 前進(jìn)速度對(duì)播種機(jī)工作性能的影響

前進(jìn)速度對(duì)播種機(jī)工作性能進(jìn)行驗(yàn)證的試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 前進(jìn)速度對(duì)排種性能的影響

由表2可知，在前進(jìn)速度選擇范圍內(nèi)，播種機(jī)的合格率均高于80%，排種性能效果較好。從整個(gè)試驗(yàn)過程來看，合格率隨著前進(jìn)速度的不斷增大呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)v=1.08 km·h-1時(shí)，合格率有最高值為96.17%，重播率和漏播率也出現(xiàn)最低值分別為1.92%、1.91%；在前進(jìn)速度v=0.36 km·h-1時(shí)，此時(shí)重播率最高為9.13%；在前進(jìn)速度v=2.16 km·h-1時(shí)，漏播率高達(dá)10.26%。

通過數(shù)據(jù)分析得出播種機(jī)的前進(jìn)速度較低時(shí)，充種效果較好，原因是整機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)種子有充足的時(shí)間進(jìn)入型孔，但是造成重播率較高，因此合格率降低。當(dāng)前進(jìn)速度過快時(shí)，整機(jī)的轉(zhuǎn)速也處于高速狀態(tài)，種子沒有充足的時(shí)間進(jìn)入型孔，造成漏播率明顯上升，另一方面，投種時(shí)種子的初速度會(huì)增大，造成株距分布不均勻，導(dǎo)致重播率上升，合格率降低。

綜上所述，播種機(jī)的前進(jìn)速度對(duì)合格率、重播率及漏播率三個(gè)性能指標(biāo)具有顯著影響，說明前進(jìn)速度對(duì)排種性能影響較大。通過單因素試驗(yàn)得出v在0.72～1.44 km·h-1區(qū)間內(nèi)合格率相對(duì)較高，在v=1.08 km·h-1時(shí)合格率最高為96.17%。

3.2 型孔直徑對(duì)播種機(jī)工作性能的影響

型孔直徑對(duì)播種機(jī)工作性能進(jìn)行驗(yàn)證的試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 型孔直徑對(duì)排種性能的影響

由表3可知，在型孔直徑選擇范圍內(nèi)，播種機(jī)的合格率均高于80%，排種性能良好。從整體分析隨著型孔直徑的不斷上升，合格率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在L=24 mm時(shí)合格率最高為94.04%；當(dāng)L=30 mm時(shí)，合格率偏低為86.75%，此時(shí)的重播率最高值為10.79%；當(dāng)L=18 mm時(shí)，合格率最低為83.46%，此時(shí)的漏播率最高為14.57%，重播率偏低為1.97%。

通過數(shù)據(jù)分析得出播種機(jī)的型孔直徑較小，種子在充種過程中進(jìn)入型孔比較困難，造成漏播現(xiàn)象明顯；型孔直徑較大時(shí)，由于型孔直徑的增大，種子容易進(jìn)入型孔，也會(huì)造成多個(gè)種子進(jìn)入型孔，造成重播的現(xiàn)象。

綜上所述，播種機(jī)的型孔直徑對(duì)合格率、重播率及漏播率三個(gè)性能指標(biāo)具有顯著影響，說明型孔直徑對(duì)排種性能影響較大。通過單因素試驗(yàn)得出L在20～24 mm區(qū)間內(nèi)合格率均在90%以上，播種機(jī)的作業(yè)指標(biāo)較好，工作性能穩(wěn)定。

3.3 投種高度對(duì)播種機(jī)工作性能的影響

投種高度對(duì)播種機(jī)工作性能進(jìn)行驗(yàn)證的試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 投種高度對(duì)排種性能的影響

綜合表4可知，隨著投種高度的不斷升高，合格率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)h=80 mm時(shí)，合格率最高為92.17%，重播率最低為4%，漏播率最低為4%；當(dāng)h=40 mm時(shí)，重播率出現(xiàn)最高值為12.65%；當(dāng)h=140 mm時(shí)，合格率最低為77.78%，重播率最高為10.24%，漏播率最高為11.98%。

通過數(shù)據(jù)分析可以得出投種高度越高，種子落地后的離散性越大，從而增大重播率和漏播率，導(dǎo)致合格率降低。從合格率的數(shù)據(jù)中可以看出當(dāng)h在60～100 mm區(qū)間內(nèi)，合格率先上升后下降，重播率和漏播率先下降后上升，導(dǎo)致這一情況出現(xiàn)的原因是隨著投種高度的增大，種子落地后自由度增大，填補(bǔ)了漏播的位置。

綜上所述，播種機(jī)的投種高度對(duì)合格率、重播率以及漏播率三個(gè)性能指標(biāo)具有顯著影響，說明投種高度對(duì)排種性能影響較大。

4 結(jié)論

本文對(duì)平貝母播種機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了闡述，為驗(yàn)證整機(jī)的合理性對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)，并得出以下結(jié)論：

1)播種機(jī)的前進(jìn)速度、型孔直徑和投種高度對(duì)合格率、重播率及漏播率三個(gè)性能指標(biāo)都具有顯著影響；

2)當(dāng)v=0.72 km·h-1、L=20 mm、h=90 mm時(shí)，播種作業(yè)的平均合格率為94.13%；

3)在誤差范圍內(nèi)，各指標(biāo)均符合精量播種標(biāo)準(zhǔn)，但是排種裝置作業(yè)容易受到土地平坦程度和自然環(huán)境的影響。