林蜀云，劉 偉，任永飛，閔 航，李坦東

(貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，貴陽 550002)

0 引言

桔梗是傳統(tǒng)中藥材和食材，鮮桔?？墒秤茫?jīng)干燥可入藥，具有祛痰止咳及消腫排膿之功效。桔梗喜涼爽濕潤的氣候環(huán)境，適合生長在海拔1 100m以下的向陽山坡及平地，喜陽光耐干旱，對土壤要求不嚴(yán)；但以種植在富含磷、鉀的沙類土壤較好[1]。桔梗栽培方式主要為大田直播。大田直播栽培不僅產(chǎn)量高，且品質(zhì)好，根形分叉少。近年來，隨著特色山地農(nóng)業(yè)的發(fā)展，桔梗被大面積廣泛種植；但是，由于貴州特殊工作環(huán)境，目前機(jī)械化水平極低，且北方大型機(jī)械很難使用，人工播種成本較高。為此，根據(jù)貴州現(xiàn)有桔梗播種現(xiàn)狀及山地丘陵特色設(shè)計了一款可以實現(xiàn)行走速度可調(diào)、精確播種、播種量無級可調(diào)的自走式精良桔梗播種機(jī)，作業(yè)效果良好。

1 總體設(shè)計及技術(shù)參數(shù)

1.1 總體設(shè)計方案

2BJQ-8A型自走式桔梗播種機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕易搬運，主要用于山地桔梗直播作業(yè)。在確定總體方案之后，采用SolidWorks樣機(jī)進(jìn)行部件的設(shè)計分析、優(yōu)化并最終完成三維建模。自走式精量桔梗播種機(jī)由汽油發(fā)動機(jī)、窩眼輪排種器、開溝器、行走輪、前鎮(zhèn)壓輥及后鎮(zhèn)壓輥等部件組成，如圖1所示。工作時，BJQ-8A精量桔梗播種機(jī)后行走輪移除，前行走輪向上收起，通過汽油發(fā)動機(jī)提供動力；當(dāng)增加油門，離合器閉合，驅(qū)動后鎮(zhèn)壓輥旋轉(zhuǎn)，再通過鏈傳動驅(qū)動前鎮(zhèn)壓輥同步旋轉(zhuǎn)，前鎮(zhèn)壓輥通過一個可調(diào)鏈傳動驅(qū)動排種部件工作?？紤]到桔梗種子顆粒較小，播種深度要求很高(一般控制1～3cm)，為保證播種深度，前鎮(zhèn)壓輥保證種前土壤平整，可通過調(diào)節(jié)開溝器調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)開溝深度；播種覆土之后，后鎮(zhèn)壓輥再次將土壤鎮(zhèn)壓平整，保證播種深度均勻。

1.開溝器 2.覆土器 3.后行走輪 4.減速器 5.扶手 6.機(jī)架 7.汽油機(jī) 8.后鎮(zhèn)壓輥 9.排種器 10.鏈傳動 11.前鎮(zhèn)壓輥 12.前行走輪圖1 桔梗播種機(jī)結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.1 Structure of 2BJQ-8A platycodon seed planter

1.2 技術(shù)參數(shù)

外形尺寸/mm(長×寬×高):1 600×1 200×900

配套動力/kW：3.0

工作幅寬/mm:720

作業(yè)行數(shù)/行:1～8(可調(diào))

行距/cm: 4～60(可調(diào))

播種深度/cm: 0～6(可調(diào))

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 傳動設(shè)計與布置

2BJQ-8A型精量桔梗播種機(jī)傳動機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2 所示。考慮到播種深度較小，山地作業(yè)，需易于搬運，以及經(jīng)濟(jì)性，采用小型汽油機(jī)作為動力輸出。為了減小播種機(jī)體型，采用垂直布置結(jié)合環(huán)繞布置的方式，以減小整體體積，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕的目的。

1.汽油機(jī) 2.減速器及超越離合器 3.聯(lián)軸器 4.帶輪減速機(jī)構(gòu) 5.排種器驅(qū)動軸 6.可調(diào)鏈傳動 7.前鎮(zhèn)壓輥 8.后鎮(zhèn)壓輥 9.同級傳動鏈圖2 傳動機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 The gear of the burdock seeder

2.1.1 匹配動力計算

由于桔梗播種深度淺，且工作前土地會進(jìn)行耕整，所以桔梗播種機(jī)負(fù)載低，由于多為山地作業(yè)，采用小型汽油機(jī)即可滿足驅(qū)動要求。發(fā)動機(jī)輸出功率[2-3]為

式中Fk—切線牽引力；

V—播種機(jī)行走速度，取V=0.6m/s；

η—傳動效率。

1)切線牽引力Fk為

Fk=f+mgsinα+Fx

式中f—斜坡摩擦力，f=μmgcosα;

m—整機(jī)質(zhì)量；

Fx—工作阻力。

貴州山地較多，設(shè)計坡度α=30° ，整機(jī)質(zhì)量m=90kg，摩擦阻力因數(shù)μ=0.08 ，由此可得

Fk=μmgcosα+mgsinα+Fx=2817.3N

2)傳動效率η為

其中，η1為齒輪減速器，取0.95；η2為聯(lián)軸器，取0.99；η3為軸承，取0.99；η4為帶傳動，取0.95。由此可得

η=0.84

由上可得，驅(qū)動功率P=2.01kW。

查閱相關(guān)設(shè)計手冊，綜合考慮使用情況，選擇本田JH168F汽油機(jī)作為驅(qū)動動力,其額定輸出轉(zhuǎn)速3 600r/min。

2.1.2 減速器選擇

播種機(jī)行走速度V≥0.6m/s，而滾筒直徑d=0.32m，故滾筒轉(zhuǎn)速為

2.2 排種裝置

2.2.1 排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計

排種器是2BJQ-8A型精量桔梗播種機(jī)的核心部件，其排種的穩(wěn)定性和排種量的可控性直接影響到整機(jī)作業(yè)效果。桔梗種子較小，且種子表面具有絨毛，單粒精確播種技術(shù)難度過高，一般以條播為主，綜合考慮采用選用窩眼輪結(jié)構(gòu)排種器機(jī)構(gòu)作為總體設(shè)計結(jié)構(gòu)。采用3種方式結(jié)合：①改變鏈傳動傳動比，更換不同的傳動鏈輪；②固定大小窩眼的排種輪；③采用可調(diào)節(jié)窩眼大小的排種輪。如果是通過更換窩眼實現(xiàn)排種量的變化，過程麻煩且需要整個排種裝置拆下，容易造成種子灑落，因而采用改變傳動鏈傳動比結(jié)合窩眼大小微調(diào)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)種子排種量的調(diào)節(jié)。排種器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 可調(diào)窩眼輪設(shè)計

常規(guī)設(shè)計中，窩眼一般分為圓柱形、錐柱形和半球形孔[4]。為了實現(xiàn)排種量可調(diào)，顯然圓柱形的線性調(diào)節(jié)更易實現(xiàn)，而排種性能錐柱形和半球形更佳。為了保證窩眼的線性可調(diào)和排種性能，采用圓柱形孔結(jié)合錐形孔，調(diào)節(jié)部分為圓柱形孔，基礎(chǔ)排種孔部分為圓錐形孔，中間連接處采用圓角處理。

異形孔[5]窩眼輪工作原理如圖4所示。調(diào)節(jié)旋蓋采用小徑螺紋連接，通過旋轉(zhuǎn)旋蓋可以實現(xiàn)旋蓋的軸向的進(jìn)給；而旋蓋前端為梯形圓臺，通過改變圓周上的柱塞伸長量以改變窩眼圓柱部分體積，實現(xiàn)窩眼可調(diào)；同時，當(dāng)旋蓋反轉(zhuǎn)時，彈簧作用下柱塞復(fù)位，從而實現(xiàn)窩眼大小的無極可調(diào)。

1.排種漏斗 2.驅(qū)動軸及鏈輪 3.種盒 4.盒蓋 5.側(cè)蓋螺釘 6.側(cè)蓋 7.刮種器 8.護(hù)種板 9排種輪圖3 排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The gear of the burdock seeder

1.排種輪體 2.調(diào)節(jié)柱塞 3.彈簧 4.調(diào)節(jié) 5.調(diào)節(jié)旋蓋圖4 排種輪結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The gear of the burdock seeder

由于曲率問題，排種輪直徑不宜過大，一般取值范圍在80～200mm。根據(jù)貴州本地桔梗播種情況調(diào)研，桔梗種子為小顆粒種子，設(shè)計排種量45 000～60 000g/hm2，排種輪不宜過大，選擇100mm作為初選排種輪，傳動比按照i=1進(jìn)行設(shè)計，這樣便于播種量的調(diào)節(jié)。

型孔直徑為

d=l+b

型孔深度為

3b≥h≥b

其中，l為種子平均寬度，考慮到桔梗種子較小，且為條播，故l=4.8mm ，取l=5mm；b為種子平均寬度，取b=3mm。

柱塞直徑取d柱塞=3mm，設(shè)計調(diào)整柱塞調(diào)節(jié)行程S柱塞=3.5mm。在貴州省山地農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所TC2.5-36土槽實驗臺上進(jìn)行了模擬播種測試，調(diào)整旋蓋，單圈播種量如圖5所示。在土槽的模擬排種播種質(zhì)量略大于單圈測量播種量，與土壤平整度和排種波動有關(guān)系，排種量調(diào)節(jié)范圍為0.89～2.38kg，結(jié)合傳動比范圍0.41～5.14kg，調(diào)節(jié)完全滿足設(shè)計要求。

圖5 單圈排種量Fig.5 The application rate of single coil

2.3 開溝器設(shè)計

2.3.1 開溝器結(jié)構(gòu)組成

開溝部件是2BJQ-8A型自走式桔梗播種機(jī)上的關(guān)鍵部件，其工作效果直接影響到桔梗播種機(jī)的作業(yè)效果。桔梗種子較小，頂土能力較差，如果覆土過深，極易引起出苗困難或者不能出苗從而直接影響出苗率。開溝器分為滾動式和滑動式開溝器，貴州土壤以黃棕壤為主，粘性大、易板結(jié)，可選擇平底可調(diào)犁式開溝器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。工作時，調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)深度，在鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓平地之后，分土板開溝作業(yè)，覆土器完成覆土。

1.覆土器 2.分土板 3.開溝器體 4.調(diào)節(jié)螺釘圖6 開溝器結(jié)構(gòu)組成Fig.6 The gear of the burdock seeder

2.3.2 開溝器載荷分析及優(yōu)化

鏵式犁開溝器的犁面可以認(rèn)為與普通犁的下犁面相同，當(dāng)前大多數(shù)開溝器適用于砂土[6]，而貴州以黃壤、黃棕壤為主的高粘性的土壤開溝器作業(yè)效果不好，阻力較大。所以，需要對開溝器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)設(shè)計最大開溝深度d=30mm，假設(shè)在泥土中受載荷是均勻的[7]，將模型曲面就行分割處理便于加載。

由圖7、圖8可得：開溝器應(yīng)力集中在固定支撐點;為便于焊接，未經(jīng)處理，優(yōu)化之前明顯超載，最大應(yīng)力為5.972×109N/m2；通過圓角處理，最大應(yīng)力為3.449×109N/m2，應(yīng)力集中情況改善，分布更加均勻，對提升開溝器使用壽命有良好效果。

圖7 載荷分析Fig.7 Analysis of static load

圖8 固定點應(yīng)力集中情況對比Fig.8 Stress concentration at fixed point

3 田間試驗與結(jié)果

3.1 試驗條件

2017年5月，在貴州省金沙縣崖孔鎮(zhèn)桔梗種植基地進(jìn)行了試驗示范。實驗土壤為貴州典型土壤, 土壤緊實度為30.2N/cm2，土壤含水率為9.1%(測量深度小于5cm)，實驗示范地塊面積為2 110.9m2，播種前采用大型旋耕機(jī)進(jìn)行了碎土作業(yè)。試驗地塊情況如表1所示。

3.2 試驗結(jié)果與出苗情況

播種完成后進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如下: 空穴率0，種子破損率0，播種深度合格率90%，公頃播種量為47.1kg，工作平均幅寬0.72m，工作時間1.49h，計算工作效率為6.14hm2/h。作業(yè)效果如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知：出苗情況良好，出苗率較高，但是密度偏高，后期使用應(yīng)需要降低播種量。

表1 試驗條件Table 1 Summary of test condition

圖9 作業(yè)效果Fig.9 Effect of operation

圖10 出苗情況Fig.10 Status of emergence

4 結(jié)論

2BJQ-8A型桔梗播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，播種量可在0.41～5.14kg/667m2內(nèi)無級可調(diào)，播種效率高。田間試驗的表明：該機(jī)播種合格率90%以上，作業(yè)質(zhì)量符合農(nóng)藝要求，且工作性能穩(wěn)定可靠，對于貴州山地具有較好的適應(yīng)性，對于降低桔梗種植成本具有重要意義。