開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賴慶輝 呂 勤 賈廣鑫 邱小寶 蘇 微 趙瑾汶

(1.昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500； 2.霸州市海寶科技有限公司， 廊坊 065700)

0 引言

近年來，在人參栽培中，多采用參畦1.2～1.7 m，行距10～15 cm和株距3～6 cm的非林地直播種植技術(shù)，得到了大面積推廣[1-2]。但是，在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，不同種植區(qū)的參畦寬度差異明顯，出現(xiàn)了不同種植區(qū)播種行距不同的現(xiàn)象，為人參播種機(jī)的研發(fā)、應(yīng)用和推廣造成了阻礙。目前，人參播種仍采用人工點(diǎn)播或半機(jī)械化種植，存在人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)差等問題，限制了人參的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化生產(chǎn)[3-4]。因此，設(shè)計(jì)一種播深與株、行距可調(diào)的開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)，成為推動(dòng)人參規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

國外僅韓國對人參播種機(jī)進(jìn)行了深入研究，其中韓國金松實(shí)業(yè)公司研制了電動(dòng)氣吸針式和水平圓盤式人參精密播種機(jī)，PLANT公司研發(fā)了JAS-802動(dòng)力自走型西洋參播種機(jī)[5]，但與我國人參種植農(nóng)藝不符，且進(jìn)口播種機(jī)價(jià)格昂貴，未在國內(nèi)形成大面積推廣。而我國20世紀(jì)七八十年代起，盛江源等[6]對人參播種機(jī)進(jìn)行了研究；文正彪[7]設(shè)計(jì)了振動(dòng)-氣吸式人參播種器；賴慶輝等[8]設(shè)計(jì)了2BS-28型凸包異形孔窩眼輪式人參精密播種機(jī)；劉文亮等[9]設(shè)計(jì)了氣吸針式人參精密播種機(jī)；此外廖宜濤等[10]設(shè)計(jì)了正負(fù)氣壓組合管針式西洋參集排器；劉曉蛟等[11]設(shè)計(jì)了氣力式西洋參排種裝置，支帥等[12]設(shè)計(jì)了軸針孔式西洋參氣力精密播種機(jī)；國內(nèi)的專家學(xué)者對參類播種機(jī)與排種器開展了大量研究，所設(shè)計(jì)的播種機(jī)，播深與行、株距調(diào)整靈活性不高，只適合單一農(nóng)藝作業(yè)，無法滿足不同地區(qū)不同農(nóng)藝的作業(yè)方式，且停留在實(shí)驗(yàn)室階段，未應(yīng)用到田間作業(yè)。因此亟需研究一款適用于人參種植區(qū)多種參畦寬度，播深與行、株距可調(diào)的人參精密播種機(jī)。

為此，本文設(shè)計(jì)一種開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)。選擇已經(jīng)成型的鏈勺式人參精密排種器，通過分析排種器的落種點(diǎn)、雙圓盤開溝器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)開溝-排種單體的關(guān)鍵參數(shù)；搭建土槽試驗(yàn)臺架，設(shè)計(jì)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證開溝-排種單體的工作性能，確定開溝-排種單體的最佳工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用田間試驗(yàn)對開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)的工作性能進(jìn)行評價(jià)，以期解決人參播種機(jī)械化率低的問題。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、減速器、行走離合器、驅(qū)動(dòng)輪、播種深度調(diào)節(jié)裝置、排種控制總成、行走輪、開溝-排種總成、機(jī)架等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of ginseng precision seeder with ditching and seeding monomer type1.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 2.減速器 3.行走離合器 4.驅(qū)動(dòng)輪 5.播種深度調(diào)節(jié)裝置 6.排種控制總成 7.行走輪 8.開溝-排種總成 9.機(jī)架 10.操作扶手 11.排種離合器

人參播種作業(yè)前，根據(jù)參區(qū)農(nóng)藝要求確定開溝-排種單體的數(shù)量，通過播種深度調(diào)節(jié)裝置將開溝-排種總成調(diào)節(jié)至需要的深度，調(diào)節(jié)排種控制總成至對應(yīng)的株距。向種箱中放入人參種子并閉合行走離合器，啟動(dòng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，一方面動(dòng)力通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)使整機(jī)行走；另一方面隨著播種機(jī)的行走，開溝-排種總成在參畦上劃出深度一致的種溝；同時(shí)，經(jīng)排種控制總成傳至開溝-排種總成的動(dòng)力，驅(qū)使開溝-排種總成將種子從種群中精量分離出來，準(zhǔn)確穩(wěn)定地將種子投放在種溝溝底，隨后土壤顆粒在自身重力作用下回填，將溝底的種子覆蓋，最后通過行走輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓。整機(jī)可一次完成開溝、播種、鎮(zhèn)壓作業(yè)。當(dāng)完成作業(yè)需要進(jìn)行換向時(shí)，通過排種控制總成中的排種離合器切斷排種動(dòng)力，保證機(jī)器行走時(shí)不進(jìn)行播種工作，并控制操作扶手，將機(jī)身后端抬起進(jìn)行人為換向。

1.2 開溝-排種單體結(jié)構(gòu)

為保證播種機(jī)適應(yīng)不同行距的播種農(nóng)藝要求，并方便拆裝，將排種器與開溝器設(shè)計(jì)為單體式，通過螺栓固定在開溝-排種單體固定架上，開溝-排種總成如圖2a所示。

圖2 開溝-排種結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematics of ditching-seeding structure1.開溝-排種單體 2.開溝-排種單體固定架 3.開溝-排種連接架 4.開溝器支架 5.雙圓盤開溝器 6.鏈勺式人參精密排種器 7.刮土板

開溝-排種單體主要由鏈勺式人參精密排種器、雙圓盤開溝器、開溝器支架、開溝-排種連接架等組成，如圖2b所示，雙圓盤開溝器對稱安裝在開溝器支架兩側(cè)。鏈勺式人參精密排種器與刮土板通過螺栓連接固定在開溝-排種連接架上。鏈勺式人參精密排種器安裝在雙圓盤開溝器內(nèi)部，可保證從排種器中排出的種子準(zhǔn)確落入溝底。開溝-排種單體最大寬度為10 cm，因此整機(jī)可完成最小行距為10 cm的播種作業(yè)。

1.3 開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)人參種植農(nóng)藝要求，播種機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 播種機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of seeder

2 關(guān)鍵部件及工作參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 鏈勺式人參精密排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)與落種點(diǎn)分析

開溝-排種單體是根據(jù)已設(shè)計(jì)成型的鏈勺式人參精密排種器，與開溝器構(gòu)成的組合體裝置。鏈勺式人參精密排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)與落種高度，是開溝-排種單體設(shè)計(jì)的重要參考和理論依據(jù)[13]。

2.1.1鏈勺式人參精密排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)

為使護(hù)種段的人參種子垂直輸送至落種點(diǎn)并節(jié)約排種器的空間，將排種鏈輪與從動(dòng)鏈輪均設(shè)計(jì)成28齒(與主動(dòng)鏈輪齒數(shù)一致)，經(jīng)過前期對排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)分析，并結(jié)合實(shí)際工作需要和模具加工工藝，成型后的鏈勺式人參精密排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。成型后的排種器護(hù)種板寬度為17 mm，排種鏈輪與從動(dòng)鏈輪間的過渡段長度為95.5 mm，主動(dòng)鏈輪與排種鏈輪間護(hù)種段長度為294 mm，護(hù)種板長度334 mm。

圖3 鏈勺式人參精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structural parameters of spoon-type ginseng precision seed metering device1.主動(dòng)鏈輪 2.排種鏈條 3.種箱 4.張緊彈簧 5.從動(dòng)鏈輪 6.排種鏈輪 7.護(hù)種板

2.1.2鏈勺式人參精密排種器落種點(diǎn)分析

根據(jù)鏈勺式人參精密排種器的工作特點(diǎn)，排種器在充種、清種段完成充種、清種工作，充入型孔的種子翻越主動(dòng)鏈輪，進(jìn)入護(hù)種段并落至上一個(gè)種勺的底部，種子在自身重力和上一個(gè)種勺的托持下平穩(wěn)地輸送至落種點(diǎn)。種子到達(dá)落種點(diǎn)，在失去種勺的托持力后，依靠自身重力穩(wěn)定地落入種溝內(nèi)，因此鏈勺式人參精密排種器的設(shè)計(jì)具有種子投送機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)[14-17]。

鏈勺式精密排種器落種點(diǎn)的高低決定著排種器與開溝器的安裝尺寸，落種點(diǎn)越高，與開溝器配合安裝空間越大。但是落種點(diǎn)過高，種子落到種溝會(huì)發(fā)生彈跳[18]，嚴(yán)重影響排種器的工作性能。對排種器的落種點(diǎn)進(jìn)行分析[19-21]，如圖4所示。

圖4 落種狀態(tài)受力分析Fig.4 Force analysis of seed falling state

以人參種子質(zhì)心為原點(diǎn)，垂直于種勺底部方向?yàn)閥軸方向，垂直于y軸方向指向排種鏈條方向?yàn)閤軸方向，建立直角坐標(biāo)系，落種狀態(tài)下人參種子受力平衡方程為

(1)

其中

(2)

式中 ∑Fx——種子在x方向所受合力，N

∑Fy——種子在y方向所受合力，N

FI1——轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力，N

Ff1——種子與種勺底部的摩擦力，N

FN1——種勺底部對種子支持力，N

n1——從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min

γ1——FI1與x軸負(fù)向夾角，(°)

δ1——mg與x軸負(fù)向夾角，(°)

R1——落種時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm

d1——排種鏈輪分度圓直徑，mm

μ——種子與種勺間摩擦因數(shù)

B1——種勺寬度，mm

為保證種子順利從種勺底部滑落，應(yīng)使種子在x軸上所受合力∑Fx≤0，故聯(lián)立式(1)與式(2)可化簡得

(3)

由人參種子接觸參數(shù)的試驗(yàn)與標(biāo)定可知μ=0.457，故可得δ1≤65.44°。

設(shè)圖4中點(diǎn)O1為落種點(diǎn)，為保證當(dāng)排種器處于最小落種點(diǎn)時(shí)，種勺運(yùn)轉(zhuǎn)到最低端時(shí)不接觸種溝，因此將落種點(diǎn)最小高度定義為H2，通過計(jì)算得落種點(diǎn)最小高度H2=23.37 mm，落種點(diǎn)與排種鏈輪中心的水平距離S2=36.08 mm。

2.1.3鏈勺式人參精密排種器落種高度分析

由文獻(xiàn)[22]及前期臺架試驗(yàn)可得，在排種器設(shè)計(jì)中落種點(diǎn)最高不能超過120 mm。因此，為分析排種器的落種點(diǎn)高度對種間變異系數(shù)的影響，以落種高度作為試驗(yàn)因素，以種子粒距變異系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行排種器臺架試驗(yàn)。選擇一行排種器進(jìn)行試驗(yàn)，測量方法采用分段測量，每段測量1 m內(nèi)的粒距，并記錄計(jì)算粒距變異系數(shù)，每組試驗(yàn)測量10次取平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 落種高度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of height test of seed injection

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著落種高度的增大，種子粒距均值變化不明顯，種子粒距標(biāo)準(zhǔn)差和種子粒距變異系數(shù)變化均有較大的差異，最大變化幅度分別為1.27 mm、6.3 mm與16.35%。落種高度在25～75 mm之間時(shí)，隨著落種高度的增大，種子粒距標(biāo)準(zhǔn)差和種子粒距變異系數(shù)有增大趨勢；落種高度在80 mm時(shí)種子粒距標(biāo)準(zhǔn)差和種子粒距變異系數(shù)出現(xiàn)斷崖式變化；落種高度在80～120 mm之間時(shí)，隨著落種高度的增大，種子粒距標(biāo)準(zhǔn)差和種子粒距變異系數(shù)有增大趨勢，且變化幅度較大。由此可知，當(dāng)落種高度為25～75 mm時(shí)，落種高度的變化對種子粒距變異系數(shù)的影響不明顯；當(dāng)落種高度超過75 mm時(shí)，落種高度的變化對種子粒距變異系數(shù)有較大影響，這是由于排種器運(yùn)轉(zhuǎn)和機(jī)架運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)對投種過程產(chǎn)生影響。為考慮開溝器設(shè)計(jì)選型及保證開溝器與排種器的相對裝配空間，在區(qū)間25～75 mm中取大值作為排種器的落種高度，即選擇落種高度H3=75 mm，作為設(shè)計(jì)開溝-排種單體的落種高度。

2.2 雙圓盤開溝器分析與關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)非林地人參種植的選地要求，在人參種植時(shí)，耕整好的參地中仍殘留作物的殘茬和秸稈，并且非林地人參種植精密直播的農(nóng)藝要求窄行開溝，因此選擇開溝寬度小、阻力小且對耕整地條件適應(yīng)能力強(qiáng)的雙圓盤開溝器作為人參精密播種機(jī)的開溝部件。

2.2.1雙圓盤開溝器結(jié)構(gòu)分析

在雙圓盤開溝器中，雙圓盤的刃口在前下方相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)稱之為雙圓盤的聚點(diǎn)m0，聚點(diǎn)的位置用β0表示，雙圓盤形成夾角φ0，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖5所示。聚點(diǎn)的選擇，需要根據(jù)雙圓盤的半徑和播種深度的農(nóng)藝要求而確定[23-24]。

圖5 雙圓盤聚點(diǎn)位置及夾角Fig.5 Point position and angle of double disc trencher

雙圓盤開溝器的圓盤半徑和雙圓盤夾角是影響開溝深度的重要因素，開溝寬度計(jì)算公式為

(4)

式中b——開溝寬度，mm

Rt——圓盤半徑，mm

由式(4)可以看出，當(dāng)圓盤半徑和雙圓盤夾角增大時(shí)，開溝器開溝寬度隨之增大，種溝中凸起也會(huì)隨之增大，嚴(yán)重影響播種一致性。因此圓盤半徑和雙圓盤夾角應(yīng)根據(jù)種子尺寸選擇。

2.2.2圓盤半徑

根據(jù)文獻(xiàn)[25-26]可得，雙圓開溝器的圓盤半徑過大會(huì)導(dǎo)致安裝尺寸過大，種溝中凸起增大，種溝溝底平整性差，影響播種效果；圓盤半徑過小，雙圓盤開溝器工作時(shí)易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活和壅土現(xiàn)象，進(jìn)而增大工作阻力，導(dǎo)致工作質(zhì)量下降。因此，雙盤開溝器半徑應(yīng)滿足

(5)

式中h——開溝深度，mm

由于非林地人參種植精密直播的農(nóng)藝要求播種深度為30～60 mm，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，農(nóng)戶種植多選擇種植深度為40 mm左右。考慮開溝器與排種器的安裝空間和開溝深度，確定雙圓盤開溝器的圓盤半徑Rt=100 mm，聚點(diǎn)夾角為53°。

2.2.3雙圓盤夾角

由式(4)可知，開溝寬度b與圓盤半徑Rt、雙圓盤夾角φ0有關(guān)，為保證鏈勺式人參精密播種機(jī)的開溝通過性和機(jī)具的工作性能，應(yīng)使雙圓盤開溝器的開溝寬度盡可能的小[27]。結(jié)合排種器與開溝器的安裝結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證雙圓盤的開口足以裝下排種器的排種鏈輪，使人參種子能順利落入開出的種溝內(nèi)，開溝寬度應(yīng)滿足

(6)

式中Wmax——人參種子寬度最大值，mm

根據(jù)人參種子三軸尺寸，可知Wmax=5.80 mm。聯(lián)立式(4)～(6)可得，雙圓盤夾角φ0>8.32°，故確定雙圓盤夾角φ0=9°。

2.3 開溝-排種單體關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

為使鏈勺式人參精密排種器從護(hù)種板輸送出來的種子順利的落入種溝內(nèi)，需要對排種器與雙圓盤開溝器的相對固定位置進(jìn)行分析[28]，排種器與雙圓盤開溝器的裝配關(guān)系如圖6所示。其中雙圓盤開溝器以雙圓盤安裝位置中心為固定位置，以排種器的排種鏈輪的中心為裝配位置，開溝器與排種器相對垂直距離為H5，相對水平距離為S。

圖6 開溝-排種單體裝配關(guān)系示意圖Fig.6 Schematic of assembly relationship between ditching and seeding monomer

2.3.1開溝器與排種器相對垂直距離分析

為確保排種器在雙圓盤開溝器內(nèi)的安裝空間更加充足，選擇排種器最大落種高度H3=75 mm，由圖6可知開溝器與排種器相對垂直距離為

H5=Rt-H3-H6

(7)

其中

H6=d1+B1-H2

(8)

式中H6——落種點(diǎn)到排種鏈輪中心垂直高度，mm

故開溝器與排種器相對垂直距離H5=8.37 mm。

2.3.2開溝器與排種器相對水平距離分析

為保證排種器的護(hù)種板不與雙圓盤產(chǎn)生接觸，投種位置在雙圓盤開溝器出土點(diǎn)內(nèi)(雙圓盤的出土點(diǎn)為圖6中的點(diǎn)n0)。其中雙圓盤開溝器出土點(diǎn)與雙圓盤中心位置的水平距離Sn滿足

(9)

當(dāng)開溝深度h取人參種植最小開溝深度3 cm時(shí)，Sn最小值為71.41 mm。

保證落種點(diǎn)在點(diǎn)n0，排種器與雙圓盤開溝器相對水平位置應(yīng)滿足

S

(10)

由2.1.2節(jié)對落種點(diǎn)的分析可知S2=36.08 mm，故S<107.50 mm。

為分析開溝器與排種器相對水平距離S的最小值，以雙圓盤聚點(diǎn)m0為原點(diǎn)，以指向并通過圓盤中心方向?yàn)閥軸正方向，以指向地面方向?yàn)閤軸正向建立直角坐標(biāo)系，如圖6所示。由于在排種器與雙圓盤開溝器裝配時(shí)，考慮護(hù)種板不與雙圓盤產(chǎn)生接觸，故取護(hù)種板最外側(cè)的中心點(diǎn)C0進(jìn)行分析，設(shè)點(diǎn)C0的坐標(biāo)為(x0，y0),此時(shí)坐標(biāo)系中圓盤內(nèi)側(cè)外緣曲線與溝底所在的直線表達(dá)式為

(11)

(12)

則過點(diǎn)C0并與溝底平行的直線方程可表示為

(13)

其中

H4=H3+H6-H7

(14)

式中H4——點(diǎn)C0與溝底的垂直距離，mm

H7——點(diǎn)C0與排種鏈輪的垂直距離，mm

根據(jù)圖3對排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析可知，H7=3.6 mm，故求得H4=88.03 mm。聯(lián)立方程組

(15)

為保證護(hù)種板不與雙圓盤接觸，應(yīng)滿足

(16)

其中

(17)

式中c——點(diǎn)C0處雙圓盤間距離，mm

cmax——雙圓盤間最大距離，mm

θ0——C″0和雙圓盤中心連線與y軸正向夾角(C″0為C′0C0與圓盤外緣交點(diǎn))，(°)

聯(lián)立式(15)～(17)，可以求得x0>30.3 mm，y0>53.1 mm，故根據(jù)幾何關(guān)系有

(18)

已知排種鏈輪中心與護(hù)種板的距離S3=45 mm，結(jié)合式(10)與式(18)可得82.50 mm

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到整機(jī)動(dòng)力配備，選用重慶吉驁動(dòng)力機(jī)械有限公司生產(chǎn)的JA168FB/P型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，標(biāo)定功率為3.5 kW，轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，以及蘇州東本機(jī)電有限公司生產(chǎn)的CHD-3-28型臥式齒輪減速器，傳動(dòng)比為1∶137，并通過行走離合器對行走和排種的傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)預(yù)分配，動(dòng)力總成如圖7所示，減速器輸出軸轉(zhuǎn)速為24 r/min。

圖7 動(dòng)力總成Fig.7 Composition of power plant1.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 2.離心式離合器 3.減速器 4.行走離合器

在播種機(jī)工作速度不變的情況下，根據(jù)株距2.5～5 cm的農(nóng)藝要求實(shí)現(xiàn)株距可調(diào)的功能，在排種調(diào)速-離合總成中添加霸州市康仙莊鵬灃五金制造廠生產(chǎn)的播種機(jī)專用六擋調(diào)速器，如圖8所示。

圖8 排種控制總成Fig.8 Composition of seed metering speed regulating and clutch1.鏈輪Ⅷ 2.排種離合器 3.鏈輪Ⅸ 4.六擋調(diào)速器 5.鏈輪Ⅶ

六擋調(diào)速器依靠主動(dòng)齒輪與不同齒輪組件間的嚙合實(shí)現(xiàn)變速，六擋調(diào)速器內(nèi)輸出齒輪齒數(shù)為18，輸入齒輪組齒數(shù)分別為15、18、21、24、27、30，對應(yīng)的傳動(dòng)比分別為0.833、1、1.167、1.134、1.5、1.667，分別對應(yīng)1～6共6個(gè)擋位；結(jié)合減速器輸出參數(shù)和六擋調(diào)速器的變速參數(shù)，對整機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖如圖9所示。

圖9 傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.9 Transmission system schematic

通過對各級傳動(dòng)比的計(jì)算和分配，其中鏈輪Ⅰ為08B-22鏈輪，鏈輪Ⅱ?yàn)?8B-22鏈輪，鏈輪Ⅲ為08B-27鏈輪，鏈輪Ⅳ為08B-20鏈輪，鏈輪Ⅴ為08B-16鏈輪，鏈輪Ⅵ為08B-16鏈輪，鏈輪Ⅶ為06B-20鏈輪，鏈輪Ⅷ為06B-14鏈輪，鏈輪Ⅸ為06B-28鏈輪，鏈輪Ⅹ為06B-15鏈輪。播種機(jī)實(shí)際工作速度為1.5 km/h，排種總成對應(yīng)的株距如表3所示。

表3 六擋調(diào)速器對應(yīng)的株距Tab.3 Plant spacing corresponding to six-speed governor

3 土槽試驗(yàn)

3.1 土槽試驗(yàn)臺架搭建

為進(jìn)一步驗(yàn)證開溝-排種單體的工作性能，基于昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)土槽，設(shè)計(jì)可以調(diào)節(jié)開溝深度的開溝-排種單體專用試驗(yàn)臺架，如圖10、11所示。設(shè)計(jì)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，以期得到開溝-排種最佳工作參數(shù)。試驗(yàn)中通過行走速度變頻器調(diào)整土槽小車速度，作業(yè)速度由土槽試驗(yàn)裝置中速度測試系統(tǒng)檢測，開溝深度通過調(diào)節(jié)手柄進(jìn)行調(diào)整，并通過更換不同的開溝-排種連接架改變開溝器與排種器相對水平距離。

圖10 開溝-排種單體試驗(yàn)臺Fig.10 Test stand for opener and seed-metering device monomer1.測試架 2.定向滑軌 3.調(diào)節(jié)架 4.固定架 5.調(diào)節(jié)絲桿 6.調(diào)節(jié)手柄 7.S型JLBS-1拉壓傳感器 8.阻力傳遞桿

圖11 試驗(yàn)土槽Fig.11 Test soil trough1.土槽 2.土槽車 3.阻力測試系統(tǒng) 4.計(jì)算機(jī) 5.速度測試系統(tǒng) 6.開溝-排種試驗(yàn)臺 7. 開溝-排種單體 8. S型JLBS-1拉壓傳感器 9.鏈傳動(dòng)系統(tǒng)

3.2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合土槽試驗(yàn)

基于關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)所確定的參數(shù)及前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定播種株距為4 cm，取作業(yè)速度為0.28～0.56 m/s，開溝深度為30～60 mm，開溝器與排種器相對水平距離為82.50～107.50 mm。為研究各因素對開溝-排種單體作業(yè)質(zhì)量的影響，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的方法，選用合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2、漏播指數(shù)Y3為試驗(yàn)指標(biāo)對開溝-排種單體作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。試驗(yàn)因素編碼如表4所示，試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，其中X1、X2、X3分別為作業(yè)速度、開溝深度、開溝器與排種器相對水平距離的編碼值。

表4 試驗(yàn)因素編碼Tab.4 Experimental factors and codes

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.5 Experiment design and results

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1合格指數(shù)

(19)

3.3.2重播指數(shù)

(20)

3.3.3漏播指數(shù)

表6 方差分析Tab.6 Variance analysis

(21)

3.4 交互項(xiàng)對合格指數(shù)的影響

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得作業(yè)速度與開溝深度、作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離的交互作用對合格指數(shù)Y1的影響。

3.4.1作業(yè)速度與開溝深度交互項(xiàng)對合格指數(shù)的影響

作業(yè)速度與開溝深度的交互項(xiàng)對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面如圖12所示。作業(yè)速度為0.35～0.45 m/s，開溝深度為40～54 mm，合格指數(shù)較大。開溝深度一定時(shí)，隨著作業(yè)速度的增加，排種器自身振幅逐漸增加，清種效果提升，重播指數(shù)降低，合格指數(shù)增大，作業(yè)速度到達(dá)較高水平時(shí)，充種區(qū)種子來不及回填，漏播指數(shù)增加，合格指數(shù)減小；作業(yè)速度一定時(shí)，隨著開溝深度的增加，排種器落種點(diǎn)高度增加，合格指數(shù)增大，當(dāng)開溝深度到達(dá)較高水平時(shí)，排種器落種高度過高，且種溝間凸起較大，種子落入種溝時(shí)發(fā)生彈跳，合格指數(shù)降低。

圖12 作業(yè)速度與開溝深度交互因素對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface of interaction factors between operation speed and trenching depth on conformity index

3.4.2作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離交互項(xiàng)對合格指數(shù)的影響

作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離的交互項(xiàng)對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面如圖13所示。作業(yè)速度為0.35～0.45 m/s，開溝器與排種器相對水平距離為88～97 mm時(shí)，合格指數(shù)較大。開溝器與排種器相對水平距離一定時(shí)，隨著作業(yè)速度的增加，排種器自身振幅逐漸增加，清種效果提升，重播指數(shù)降低，合格指數(shù)增大，作業(yè)速度到達(dá)較高水平時(shí)，充種區(qū)種子來不及回填，漏播指數(shù)增加，合格指數(shù)減小；作業(yè)速度一定時(shí)，隨著開溝器與排種器相對水平距離的增加，開溝形成的種溝凸起段土層逐漸穩(wěn)定，種子落入種溝時(shí)滾動(dòng)與彈跳隨之減少，合格指數(shù)增加；當(dāng)開溝器與排種器相對水平距離處于高水平時(shí)，種子落入種溝時(shí)已有部分土進(jìn)行回填，合格指數(shù)降低。

圖13 作業(yè)速度與開溝器與排種器相對水平距離交互因素對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surface of interaction factors between operation speed and relative horizontal distance between ditcher and seed metering device on conformity index

3.5 最佳參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)

為確定最佳參數(shù)取值范圍，設(shè)定合格指數(shù)大于94.0%，重播指數(shù)小于4.5%，漏播指數(shù)小于1.5%，考慮開溝-排種單體裝配，且為保證開溝-排種效果，設(shè)定開溝器與排種器相對水平距離為95 mm，優(yōu)化所得最佳參數(shù)范圍如圖14所示，得到作業(yè)速度取值范圍為0.35～0.45 m/s，開溝深度取值范圍為40～54 mm時(shí)，合格指數(shù)大于94.0%，重播指數(shù)小于4.5%，漏播指數(shù)小于1.5%。當(dāng)作業(yè)速度為0.42 m/s，開溝深度為45 mm時(shí)，效果最佳，合格指數(shù)為94.53%，重播指數(shù)為4.308%，漏播指數(shù)為1.165%。

圖14 參數(shù)優(yōu)化分析Fig.14 Parameters optimization and analysis

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的可靠性，在相同的土槽試驗(yàn)條件下，選取優(yōu)化后得到的作業(yè)速度為0.42 m/s，開溝深度為45 mm，開溝器與排種器相對水平距離為95 mm，進(jìn)行3次重復(fù)土槽驗(yàn)證試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)得到的實(shí)際結(jié)果與優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果對比如表7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化結(jié)果可靠性較高。

表7 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果對比Tab.7 Comparison between actual test results and optimized test results %

4 田間試驗(yàn)

根據(jù)非林地人參種植精密播種技術(shù)的農(nóng)藝要求，完成開溝-排種單體的安裝以及2BS-10型開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)樣機(jī)的裝配，并在吉林省通化縣光華鎮(zhèn)人參種植區(qū)進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)。通過測量各行種子粒距和播種深度，并對比各行間的變異系數(shù)，確定播種機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)需要。

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)用地選用經(jīng)過休閑期兩年的人參種植備選地，經(jīng)3次旋耕后，使用參畦寬度為1.6 m的起壟機(jī)進(jìn)行參畦起壟，起壟后有效播幅為1.5 m，人參種子選用當(dāng)年催芽后的長白山“大馬牙”人參種子，為方便播種后對種子粒距的測量，播種前使用紅色種衣劑將種子染色。

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)置播種機(jī)工作速度為0.42 m/s，播種深度為45 mm，并分別在六擋調(diào)速器1～6擋，即理論株距為5、4、3.5、3、2.8、2.5 cm的播種株距下進(jìn)行作業(yè)。隨機(jī)選取播種的5行為取樣區(qū)，在取樣區(qū)種間段20 m為計(jì)數(shù)段，在20 m的計(jì)數(shù)段中隨機(jī)選取連續(xù)200粒種子，使用卷尺測量相鄰2粒種子間的粒距，使用兩個(gè)鋼板尺測量播種深度，采用直觀觀測的方式觀察傷種情況。播種效果測量現(xiàn)場、種子粒距測量與播種深度測量如圖15所示。

圖15 測量播種效果Fig.15 Measuring sowing effect

當(dāng)株距為4 cm時(shí)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。并按照同樣的方法對另外5個(gè)擋位進(jìn)行試驗(yàn)，對測量結(jié)果求平均值，與NY/T 1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行對比，結(jié)果如表9所示。結(jié)果表明，開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)的工作性能滿足規(guī)范要求，可用于非林地人參種植精密播種。

表8 株距為4 cm時(shí)播種結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.8 Statistics of sowing results when plant spacing was 4 cm %

表9 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Field test results %

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)，通過對鏈勺式人參精密排種器落種點(diǎn)分析，得到落種點(diǎn)高度為23.37～120 mm，落種點(diǎn)與排種鏈輪中心的水平距離為36.08 mm，通過臺架試驗(yàn)得到最佳落種高度75 mm。通過分析，確定雙圓盤的圓盤半徑為100 mm，雙圓盤夾角為9°。結(jié)合落種點(diǎn)和雙圓盤開溝器參數(shù)，對開溝-排種單體進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，得到排種器與雙圓盤開溝器相對垂直距離為8.37 mm，排種器與雙圓盤開溝器相對水平距離為82.50～107.50 mm。并對整機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使播種機(jī)的播種株距為2.5～5 cm可調(diào)。

(2)搭建土槽試驗(yàn)臺架，采用二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)的方法，分析作業(yè)速度、開溝深度、開溝器與排種器相對水平距離對開溝-排種單體性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)開溝器與排種器相對水平距離為95 mm，作業(yè)速度為0.35～0.45 m/s，開溝深度為40～54 mm時(shí)，合格指數(shù)大于94.0%，重播指數(shù)小于4.5%，漏播指數(shù)小于1.5%。當(dāng)作業(yè)速度為0.42 m/s，開溝深度為45 mm時(shí)，效果最佳，合格指數(shù)為95.53%，重播指數(shù)為4.308%，漏播指數(shù)為1.165%。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相符。

(3)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果完成開溝-排種單體的安裝及2BS-10型開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)樣機(jī)裝配，并進(jìn)行田間性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，該精密播種機(jī)在株距為4 cm時(shí)，合格指數(shù)為92.7%，重播指數(shù)為5.0%，漏播指數(shù)為2.3%，播深合格率為95.1%，未發(fā)現(xiàn)傷種情況。并在不同株距下進(jìn)行播種試驗(yàn)，試驗(yàn)表明該開溝-排種單體式人參精密播種機(jī)工作性能較好，滿足我國人參非林地精密播種要求。