張國鵬， 楊永發(fā)， 王金峰， 雷 倩

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

工廠化育秧技術(shù)的創(chuàng)新與研究

張國鵬， 楊永發(fā)， 王金峰， 雷 倩

(西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

基于云南地區(qū)的特殊地形地貌及工廠化育秧的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一款適用性較強(qiáng)的工廠化育秧設(shè)備，對(duì)設(shè)備的可靠性進(jìn)行了理論計(jì)算，分析了播種軸的排種條件，實(shí)現(xiàn)了育秧和行走的同步。運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)各組件進(jìn)行了虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，分別研究了設(shè)備運(yùn)行過程中的鋪土、播種及覆土條件。樣機(jī)在云南地區(qū)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，對(duì)整套設(shè)備的可靠性進(jìn)行了評(píng)估及測(cè)量。

工廠化育秧；播種軸；SolidWorks；試驗(yàn)

目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，高效率、機(jī)械化的生產(chǎn)模式已成為主流。工廠化育秧技術(shù)是在工業(yè)化進(jìn)程中出現(xiàn)的一項(xiàng)高度機(jī)械化、自動(dòng)化和集約化的先進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，可大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率與土地利用率，但在一些類似云南地區(qū)的特殊地形地貌作業(yè)環(huán)境中，高度機(jī)械化的工廠化設(shè)備由于占地面積大、投資大及生產(chǎn)效率低等不適合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。我國對(duì)工廠化育秧設(shè)備的研制始于20世紀(jì)70～80年代，當(dāng)時(shí)國內(nèi)的播種方式主要以機(jī)械式為主，如2ZBZ-600型水稻穴盤育秧流水線等[1]，90年代后期開始對(duì)缽體育秧技術(shù)進(jìn)行研究，如2QB-330型氣吸振動(dòng)式秧盤精量播種機(jī)等[2]，使工廠化育秧技術(shù)更加貼近真實(shí)育秧環(huán)境，大大提高了育秧效率。本研究參考大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)后，設(shè)計(jì)出一套適應(yīng)于云南地區(qū)特殊地理環(huán)境的工廠化育秧設(shè)備。該設(shè)備通過對(duì)播種軸的更換，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種作物的工廠化育秧，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率和土地利用率。

1 工廠化育秧技術(shù)農(nóng)藝要求

工廠化育秧流程一般分為播前準(zhǔn)備、播種過程、田間攤鋪等，工藝流程如圖1所示。

圖1 工廠化育秧工藝流程

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得農(nóng)藝參數(shù)如下：床土(即營(yíng)養(yǎng)土)一般為中性偏酸，pH值在5.4～7之間，種子要根據(jù)土壤環(huán)境選擇適合當(dāng)?shù)卦耘嗟膬?yōu)良品種，發(fā)芽率要大于95%，并做好浸種、消毒和催芽等前期工作[3]，秧盤鋪土厚度15～20 mm，覆土厚度3～6 mm[4]。

2 育秧機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 育秧機(jī)工作原理

工廠化育秧機(jī)示意圖如圖2所示。

圖2 工廠化育秧機(jī)示意圖1.鋪土料斗；2.播種料斗；3.覆土料斗；4.撥叉；5.滾刷；6.毛刷輪；7.播種輪；8.灑水裝置；9.刮土板；10.行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；11.輸送滾輪；12.秧盤垂直輸送系統(tǒng)；13.覆膜輪；14.行走輪

作業(yè)時(shí)，外置發(fā)動(dòng)機(jī)提供作業(yè)動(dòng)力，秧盤由人工放入輸入軌道，并被輸送滾輪輸送到鋪土料斗下方，通過轉(zhuǎn)動(dòng)撥叉調(diào)節(jié)流量大小。秧盤通過料斗下方后便完成鋪土過程；再由輸送滾輪將秧盤輸送到播種料斗下方，種子在重力的作用下落入到播種軸中，多余的種子則在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中被毛刷輪濾掉，播種軸中的種子由料斗出口均勻落入秧盤中，完成播種過程；秧盤繼續(xù)被輸送到灑水消毒裝置下方，開始對(duì)秧盤進(jìn)行灑水消毒工序，輸送滾輪將秧盤輸送到覆土料斗下方后，靠重力下落的營(yíng)養(yǎng)土由料斗出口覆蓋在種子上面，然后由刮土板對(duì)秧盤中多余的營(yíng)養(yǎng)土進(jìn)行刮除，再由垂直升降系統(tǒng)將秧盤攤鋪在田間，最后由覆膜輪對(duì)秧盤進(jìn)行覆膜，以保證營(yíng)養(yǎng)土的溫度和濕度，至此即完成單個(gè)秧盤的育秧工序。

2.2 育秧機(jī)關(guān)鍵參數(shù)選取

2.2.1 動(dòng)力源選取

本設(shè)計(jì)的育秧作業(yè)機(jī)具要求有自己的動(dòng)力源，以提供輸送秧盤和行走的動(dòng)力，而且空間有限，因此要求質(zhì)量輕、體積小，工作中振動(dòng)及噪聲要小。功率計(jì)算公式如下：

式中：N為機(jī)具工作時(shí)所需的功率(kW)；m為機(jī)具滿載質(zhì)量(kg)；g為重力加速度(m/s2);v為工作速度(m/s)；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，在此取0.2；η為傳動(dòng)效率系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算可得，當(dāng)機(jī)具工作時(shí)滿載質(zhì)量為3 500kg、工作速度為0.2m/s、工作效率最高時(shí)動(dòng)力至少為6kW，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用最大功率大于(或等于)6kW的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來為機(jī)具提供動(dòng)力。

2.2.2 播種作業(yè)條件

播種料斗中的種子在料斗箱中由于自身重力引起流體運(yùn)動(dòng)，落下的種子能否順利進(jìn)入播種軸中是排種成功的關(guān)鍵。種子若不能順利落入將出現(xiàn)排種不均現(xiàn)象。播種料斗箱中的種子粒體流動(dòng)示意圖如圖3所示。

圖3 種子粒體流動(dòng)示意圖

當(dāng)種子粒體從料斗箱的出口流出時(shí)，1區(qū)的種子首先自由降落，緊接著2區(qū)的種子補(bǔ)充1區(qū)，3區(qū)的種子從兩側(cè)順著5區(qū)向下方滑動(dòng)補(bǔ)充2區(qū)，最后是4區(qū)的種子向中心區(qū)滑動(dòng)，運(yùn)動(dòng)相對(duì)緩慢，料斗箱中的種子以此規(guī)律連續(xù)運(yùn)動(dòng)[5-7]。

種子在料斗出口流出時(shí)會(huì)形成類似“拱橋”的形狀，“拱橋”的高度決定了種子流出時(shí)的速度。由動(dòng)態(tài)落粒拱理論可知，種子流出時(shí)的速度為：

播種時(shí)排種成功的必要條件為：

V轉(zhuǎn)=V0

式中：V轉(zhuǎn)為播種軸的轉(zhuǎn)速。

2.2.3 播種軸受力分析

播種軸在作業(yè)過程中由發(fā)動(dòng)機(jī)為其提供動(dòng)力自轉(zhuǎn)，將落下的種子接入排種槽中，到達(dá)料斗出口處時(shí)依靠種子重力將種子播種到移動(dòng)的秧盤中，為保證工作的可靠性需對(duì)其進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 播種軸受力分析

由理論力學(xué)可知該播種軸的力平衡方程分別為：

∑Fy=0 Fr1+Fr2-P1-P2=0

∑My=0 M3+M3=0

∑MB=0 P1(L1+L2+L3)+P2L3-Fr1(L2+L3)=0

根據(jù)以上各式可計(jì)算出所需參數(shù)，對(duì)播種軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3 育秧機(jī)田間試驗(yàn)分析

表1 鋪土厚度 mm

表2 播種量 g

表3 覆土厚度 mm

這里的測(cè)量方式為直接測(cè)量，因此所測(cè)得的播種量為播種后的秧盤總重量，要得到實(shí)際的播種量還需減去播種前的秧盤總重量。

計(jì)算各表中測(cè)量結(jié)果平均值的極差為：18.0-17.6=0.4，125.9-125.6=0.3，5.0-4.4=0.6。

極差計(jì)算結(jié)果較小且各工序運(yùn)行中穩(wěn)定系數(shù)較高，說明該設(shè)備在作業(yè)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)，與傳統(tǒng)的育秧設(shè)備相比，性能得到了顯著提高，各工序均接近農(nóng)藝要求，作業(yè)質(zhì)量也得到了很大提高。

4 結(jié)論

(1)種子在秧盤內(nèi)能否播種均勻是工廠化育秧設(shè)備能否高效的關(guān)鍵因素。大量生產(chǎn)試驗(yàn)表明，當(dāng)種子的流出速度接近播種軸的速度時(shí)即可達(dá)到較高的作業(yè)效率。

(2)工廠化育秧在生產(chǎn)過程中必須根據(jù)農(nóng)藝要求嚴(yán)格作業(yè)，才能使機(jī)械設(shè)備結(jié)合農(nóng)藝要求在整個(gè)育秧過程中發(fā)揮最大作用。

(3)要盡可能地保證育秧過程中對(duì)秧盤鋪土量、覆土量和播種量的精確控制。

(4)在實(shí)際生產(chǎn)中，要根據(jù)育秧環(huán)境對(duì)設(shè)備的機(jī)械裝置部分進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，以提高育秧效率。

[1] 王立臣，劉小偉，魏文軍，等.2ZBZ-600型水稻播種設(shè)備的試驗(yàn)與應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2000(1)：70-72.

[2] 邱兵，張建軍，陳忠慧.氣吸振動(dòng)式秧盤精播機(jī)振動(dòng)部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2002(2)：66-67.

[3] 吳介中.水稻盤育秧機(jī)械化流水線播種技術(shù)要點(diǎn)[J].江蘇農(nóng)機(jī)化，2009(2).

[4] 孟元元.自走式水稻育秧聯(lián)合作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)與研制[D].銀川：寧夏大學(xué)，2014.

[5] 朱琳.組合式工廠化育秧機(jī)設(shè)計(jì)與研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[6] 樊廷棟，王超，杜旭，等.智能化集中浸種催芽系統(tǒng)的組態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2016，44(11)：38-42.

[7] 徐凱宏，張秀明.基于Android的林區(qū)寒地灌溉監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].森林工程，2015，31(3)：90-93+100.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Innovation and Research on Factory Seedling Technology

ZHANG Guo-peng， YANG Yong-fa， WANG Jin-feng， LEI Qian

(School of Transportation and Machinery Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China)

Based on the special topography in Yunnan region and the agricultural requirements of factory seedlings，a kind of factory seedling equipment with strong adaptability is designed，theoretical calculation of the reliability of the equipment is realized and the seed sowing conditions of the seed sowing shaft is analyzed，realizing the synchronous operation of the seedling process and the walking process.Solidworks software is used to conduct virtual assembly and motion simulation analysis of each component，and the soil paving，seed sowing and overburden conditions are studied respectively.The field test of the prototype is performed in Yunnan，with the reliability of whole set of equipment evaluated and measured.

factory seedlings；sowing shaft；SolidWorks；experiment

2016-09-02

西南林業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目

張國鵬(1992-)，男，山西運(yùn)城人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化，E-mail：807361664@qq.com。

S642.2

A

2095-2953(2017)01-0023-03