張國帥，魏富德，許 健，蔡宗壽

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201;2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，鄭州 451191)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)水平的提高，很多農(nóng)作物已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從播種到收獲的機(jī)械化作業(yè)。農(nóng)民增收的根本是提高勞動生產(chǎn)率，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率的關(guān)鍵[1]。農(nóng)業(yè)機(jī)械化不僅解放了人力，而且提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，給農(nóng)民帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，現(xiàn)有的排種器有外槽輪排種器、離心式排種器、內(nèi)側(cè)囊種式排種器、垂直圓盤式排種器、氣吸式排種器、水平圓盤式排種器、傾斜圓盤式排種器、氣壓式排種器等[2]。

全國半夏年需求量約為 450kg，出口量約為120～200萬kg，供需矛盾日益加大，播種的機(jī)械化勢在必行。半夏播種是半夏生產(chǎn)的首要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化播種并持續(xù)提高其機(jī)械化水平是實(shí)現(xiàn)半夏高產(chǎn)的必經(jīng)之路[3-4]。國內(nèi)的半夏播種機(jī)大都是通過改進(jìn)玉米、馬鈴薯等與半夏種子相似的播種設(shè)備，目前還沒有專門針對半夏的種植環(huán)境要求和不同的地域來進(jìn)行設(shè)計的播種機(jī)。山東菏澤潤康中藥材研究所發(fā)明的播種機(jī)也是小型、簡單、效率不高，只能實(shí)現(xiàn)單一的播種。據(jù)調(diào)查，目前半夏播種機(jī)市場上供應(yīng)甚少，大都是根據(jù)訂單來設(shè)計和制造，大批量的市場供應(yīng)是沒有的。

現(xiàn)有排種器的行距、株距調(diào)整大都是采用更換鏈輪的方式，操作比較麻煩。清種裝置都附帶有調(diào)節(jié)手柄和其它裝置，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，給操作和維修也帶來困難。

基于以上問題，加之目前半夏種植沒有專門的播種機(jī)播種，主要依靠人工，導(dǎo)致勞動強(qiáng)度大、費(fèi)時、費(fèi)力的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種舀勺式半夏排種器，根據(jù)半夏種子特點(diǎn)設(shè)計了專門的種勺，安裝了間隙調(diào)整裝置，并進(jìn)行了田間試驗。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該排種器主要是由種勺、輸送帶、行距株距調(diào)整裝置、清種裝置及間隙調(diào)整裝置等構(gòu)成，如圖1所示。

因為半夏種子類似于球形，所以設(shè)計的種勺也類似半球形，以便實(shí)現(xiàn)精密播種。播種機(jī)可由輪式拖拉機(jī)牽引，通過機(jī)架前端的地輪把動力傳遞給主動輪，從而帶動排種器運(yùn)轉(zhuǎn)，完成從種箱舀取種子并向上輸送的過程。若進(jìn)入種勺內(nèi)的種子多于1顆，待種勺運(yùn)動到第1次清種裝置時，通過振動式清種裝置將多于的種子清除，實(shí)現(xiàn)第1次清種；待種勺運(yùn)動到接近最高點(diǎn)時，通過固定的隔板進(jìn)行第2次清種，通過兩次清種保證種勺內(nèi)始終只有1顆種子；種勺運(yùn)動到最高點(diǎn)越過主動輪后，種子下落并落到前一個種勺的背部，然后隨著種勺沿著導(dǎo)種筒運(yùn)動到最低點(diǎn)，最后脫離種勺落入種溝中，完成排種作業(yè)。

1.隔離板 2.種勺 3.輸送帶 4.從動輪 5.導(dǎo)種筒 6.振動裝置 7.主動輪 8.間隙調(diào)整裝置 9.機(jī)架圖1 排種器結(jié)構(gòu)簡圖

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 種勺結(jié)構(gòu)及排布方式設(shè)計

種勺形狀取決于半夏種子的形狀，因半夏種子類似于球形，所以種勺上端尺寸、高度均取決于半夏種子直徑。半夏種子的直徑等級有4種，分別為20mm以上、15～20mm、10～15mm及10mm以下[5]。前3種可以用機(jī)械播種，最后一種種子過小多進(jìn)行撒播，所以針對前3種直徑設(shè)計3種相對應(yīng)的種勺結(jié)構(gòu)[6]。為保證同一直徑等級的大多數(shù)種子能夠適用，保證1個種勺只能舀起1顆種子和確保每次都能舀起種子，這3種種勺設(shè)計的種勺深度小于各對應(yīng)的種子直徑的0.5倍；同時，為了避免種勺破壞種皮，其邊緣均設(shè)置成圓弧狀且略高于兩側(cè)。因為半夏種子近似于球形，所以設(shè)計的種勺形狀也是近似半球形，邊緣有向下翻折的過渡圓弧，這樣可以增大種勺的橫截面積，在舀種的過程中和種子的接觸面積增大，從而避免種勺破壞種皮。

針對上述3種直徑等級的種子，現(xiàn)設(shè)計3種不同的種勺，在結(jié)構(gòu)上基本一樣，只是尺寸有所不同。種徑在20mm以上的種子，種勺上端的最大尺寸為30mm，高度為16mm，端部最大高度為22mm，種勺兩側(cè)最大寬度為40mm；種徑在15～20mm的種子，種勺上端的最大尺寸為24mm，高度為9mm，端部最大高度為15mm，種勺兩側(cè)最大寬度為34mm；種徑在10～15mm的種子，種勺上端的最大尺寸為19mm，高度為6mm，端部最大高度為12mm，種勺兩側(cè)最大寬度為29mm。排種器種勺結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 種勺結(jié)構(gòu)

半夏種子直徑等級不同，其播種的行距株距也就不同。直徑在20mm以上時，行距為200mm，株距為70mm；直徑為15～20mm時，行距為180mm，株距為50mm；直徑為10～15mm時，行距為150mm，株距為30mm[7]。所以，據(jù)此設(shè)計3種種勺輸送帶，種勺在輸送帶上的排布方式依據(jù)半夏種子3種直徑等級所要求的行距株距排布，并均設(shè)計成雙排式的，如圖3所示。

圖3 種勺排布形式

2.2 行距株距調(diào)整裝置

半夏種子分為4個直徑等級，前3個等級采用點(diǎn)播方式播種，最后一個等級采用撒播播種，不同直徑等級有不同的播種行距和株距?，F(xiàn)有的播種機(jī)株距調(diào)整裝置是通過更換鏈輪的方式來改變，但頻繁地更換鏈輪會對零件造成損傷，且維修起來也不方便，其行距調(diào)整是通過改變排種器之間的距離來改變行距，操作不僅麻煩而且精度也難以保證。

該設(shè)計采用更換帶有種勺的輸送帶，根據(jù)3個半夏種子直徑等級設(shè)計3種輸送帶。這3種輸送帶上的種勺是依據(jù)半夏種子所要求的不同行距、株距設(shè)計的，當(dāng)播種不同直徑等級的種子時直接選用對應(yīng)的輸送帶即可。輸送帶設(shè)計成皮帶扣連接式，皮帶扣采用螺栓和壓緊片的結(jié)構(gòu)組合，可以方便地更換輸送帶，從而方便地調(diào)整行距株距。所選用的皮帶扣如圖4所示。

圖4 皮帶扣結(jié)構(gòu)圖

2.3 清種裝置設(shè)計

清種裝置共有兩級，分為第1級清種和第2級清種。其中，第1級清種裝置是由圓柱滾子盤形凸輪機(jī)構(gòu)組成，第2級清種裝置是由隔板組成。清種裝置如圖5所示。

1.隔離板 2.種勺 3.振幅調(diào)整桿 4.從動輪 5.輸送帶 6.圓柱凸輪 7.主動輪 8.機(jī)架

在輸送帶中部的第1級清種區(qū)安裝圓柱滾子盤形凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪作為振動源作用于輸送帶上，電動機(jī)帶動凸輪轉(zhuǎn)動，使電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，從而產(chǎn)生水平方向的振動，使種勺中多余的種子因振動而掉落，達(dá)到第1級清種的目的。

為了方便調(diào)節(jié)輸送帶的振幅，從而調(diào)節(jié)清種的強(qiáng)度，在不改變原偏心距的情況下，通過改變滾子從動件伸出桿的長度來調(diào)節(jié)桿端移動的范圍，達(dá)到改變輸送帶振幅的目的。

第2級清種裝置隔板位于輸送帶的頂部，與機(jī)架相連，布置在兩排種勺之間。當(dāng)種勺間帶有種子時，由于隔板阻擋作用，夾帶種子被撥回種箱，無法隨輸送帶運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)2級清種。該清種裝置能有效地清除多余的種子，保證只播種1顆種子。

2.4 間隙調(diào)整裝置設(shè)計

因半夏種子直徑有不同的等級，所以種子的大小也就不同?，F(xiàn)有播種機(jī)的導(dǎo)種筒與種勺之間的間隙大多是固定的，不能調(diào)整。當(dāng)兩者之間的間隙過小時，種勺與導(dǎo)種筒會發(fā)生干涉，可能導(dǎo)致種勺被卡住從而影響輸送帶的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)兩者之間的間隙過大時，會使種子在下落過程中掉落到種勺與導(dǎo)種筒之間的縫隙里，甚至?xí)袈涞降孛嫔?，造成重播和漏播現(xiàn)象。間隙調(diào)整裝置如圖6所示。

1.調(diào)整螺栓 2.隔離板 3.輸送帶 4.種勺 5.導(dǎo)種筒 6.護(hù)罩 7.機(jī)架

針對半夏種子不同等級，設(shè)計了一種間隙調(diào)整裝置。該調(diào)整裝置主要由導(dǎo)種筒、螺栓連接、上置護(hù)罩及機(jī)架等組成。其中，導(dǎo)種筒設(shè)計成兩個獨(dú)立的部分，護(hù)罩也設(shè)計成兩個獨(dú)立的部分；相連的機(jī)架設(shè)計成長槽式，可通過松緊螺栓來調(diào)整兩個導(dǎo)種筒之間的距離。同時，根據(jù)半夏種子不同等級，通過松緊螺栓調(diào)整導(dǎo)種筒與種勺之間的間隙，避免了播種不同等級種子時導(dǎo)致的重播和漏播現(xiàn)象，可提高排種器的通用性能。

3 田間試驗

2016年5月，在云南半夏種植基地進(jìn)行了樣機(jī)的田間試驗。因目前半夏種植沒有相應(yīng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，所以就參考馬鈴薯、大蒜種植的相關(guān)技術(shù)條件和試驗方法，并按照GB/T 7256/1——2011《播種機(jī)械——試驗方法——第1部分：單粒播種機(jī)(精密播種機(jī))》的規(guī)定[8]，再根據(jù)半夏種植要求對配套動力和作業(yè)速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最終選用配套動力為8.82kW輪式拖拉機(jī)，作業(yè)速度為3.0～3.75km/h[9-10]，播種理論粒距分別為70、50、30mm，作業(yè)面積為33hm2，對3種不同直徑等級的種子分別進(jìn)行試驗。試驗地塊平整，沙質(zhì)土壤，土塊細(xì)碎，土壤堅實(shí)度為60kPa，土壤上層10cm內(nèi)的含水率為25%[11]。按照文獻(xiàn)規(guī)定的測量方法，在試驗期間對播種速度、作業(yè)生產(chǎn)率、行距株距的準(zhǔn)確率、種子破損率、重播率和漏播率與人工播種進(jìn)行了比較，并進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示。

對比試驗表明：所設(shè)計的播種器性能明顯優(yōu)于人工播種，播種速度是人工播種的5倍，生產(chǎn)率也大大高于人工；行距株距調(diào)整方便，準(zhǔn)確率很高；清種裝置運(yùn)動平穩(wěn)，清種效果明顯；種子的破損率很低；重播率和漏播率也很低，完全達(dá)到了播種的要求。

表1 田間試驗結(jié)果Table1 Planting experiment result in filed

4 結(jié)論

1)采用3種不同直徑的種勺及排布方式，當(dāng)播種不同半夏種子時，可選用對應(yīng)的種勺結(jié)構(gòu)和排布方式，增大了排種器的通用性。行距株距調(diào)整是通過更換帶有不同種勺結(jié)構(gòu)的輸送帶來實(shí)現(xiàn)的，輸送帶設(shè)計成皮帶扣式連接方式，可方便地更換輸送帶；同時，設(shè)有張緊裝置，能夠調(diào)整帶輪的中心距，可以不因帶的松弛而影響播種精度。設(shè)計的清種裝置有兩級，可以可靠地保證種勺內(nèi)有1顆種子。間隙調(diào)整裝置可以方便地改變種勺與導(dǎo)種筒之間的間隙，避免播種不同等級的種子時導(dǎo)致的重播和漏播現(xiàn)象。

2)試驗表明：設(shè)計的排種器滿足半夏播種要求，不僅提高了作業(yè)效率，也提高了經(jīng)濟(jì)效益，對不同半夏種徑等級都具有適用性，可以大大減輕勞動強(qiáng)度，節(jié)約時間。