半夏播種機(jī)排種器的設(shè)計(jì)

張國(guó)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(chē)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(dòng)生產(chǎn)率，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)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(lái)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(pán)式排種器、氣吸式排種器、水平圓盤(pán)式排種器、傾斜圓盤(pán)式排種器、氣壓式排種器等[2]。

全國(guó)半夏年需求量約為 450kg，出口量約為120～200萬(wàn)kg，供需矛盾日益加大，播種的機(jī)械化勢(shì)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(guó)內(nèi)的半夏播種機(jī)大都是通過(guò)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(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)半夏的種植環(huán)境要求和不同的地域來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的播種機(jī)。山東菏澤潤(rùn)康中藥材研究所發(fā)明的播種機(jī)也是小型、簡(jiǎn)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(chǎng)上供應(yīng)甚少，大都是根據(jù)訂單來(lái)設(shè)計(jì)和制造，大批量的市場(chǎng)供應(yīng)是沒(méi)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(lái)困難。

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

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?yàn)榘胂姆N子類(lèi)似于球形，所以設(shè)計(jì)的種勺也類(lèi)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(guò)機(jī)架前端的地輪把動(dòng)力傳遞給主動(dòng)輪，從而帶動(dòng)排種器運(yùn)轉(zhuǎn)，完成從種箱舀取種子并向上輸送的過(guò)程。若進(jìn)入種勺內(nèi)的種子多于1顆，待種勺運(yùn)動(dòng)到第1次清種裝置時(shí)，通過(guò)振動(dòng)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(dòng)到接近最高點(diǎn)時(shí)，通過(guò)固定的隔板進(jìn)行第2次清種，通過(guò)兩次清種保證種勺內(nèi)始終只有1顆種子；種勺運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)越過(guò)主動(dòng)輪后，種子下落并落到前一個(gè)種勺的背部，然后隨著種勺沿著導(dǎo)種筒運(yùn)動(dòng)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(dòng)輪 5.導(dǎo)種筒 6.振動(dòng)裝置 7.主動(dòng)輪 8.間隙調(diào)整裝置 9.機(jī)架圖1 排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 種勺結(jié)構(gòu)及排布方式設(shè)計(jì)

種勺形狀取決于半夏種子的形狀，因半夏種子類(lèi)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(jí)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(guò)小多進(jìn)行撒播，所以針對(duì)前3種直徑設(shè)計(jì)3種相對(duì)應(yīng)的種勺結(jié)構(gòu)[6]。為保證同一直徑等級(jí)的大多數(shù)種子能夠適用，保證1個(gè)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(jì)的種勺深度小于各對(duì)應(yīng)的種子直徑的0.5倍；同時(shí)，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?yàn)榘胂姆N子近似于球形，所以設(shè)計(jì)的種勺形狀也是近似半球形，邊緣有向下翻折的過(guò)渡圓弧，這樣可以增大種勺的橫截面積，在舀種的過(guò)程中和種子的接觸面積增大，從而避免種勺破壞種皮。

針對(duì)上述3種直徑等級(jí)的種子，現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jí)不同，其播種的行距株距也就不同。直徑在20mm以上時(shí)，行距為200mm，株距為70mm；直徑為15～20mm時(shí)，行距為180mm，株距為50mm；直徑為10～15mm時(shí)，行距為150mm，株距為30mm[7]。所以，據(jù)此設(shè)計(jì)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(jí)所要求的行距株距排布，并均設(shè)計(jì)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(gè)直徑等級(jí)，前3個(gè)等級(jí)采用點(diǎn)播方式播種，最后一個(gè)等級(jí)采用撒播播種，不同直徑等級(jí)有不同的播種行距和株距。現(xiàn)有的播種機(jī)株距調(diào)整裝置是通過(guò)更換鏈輪的方式來(lái)改變，但頻繁地更換鏈輪會(huì)對(duì)零件造成損傷，且維修起來(lái)也不方便，其行距調(diào)整是通過(guò)改變排種器之間的距離來(lái)改變行距，操作不僅麻煩而且精度也難以保證。

該設(shè)計(jì)采用更換帶有種勺的輸送帶，根據(jù)3個(gè)半夏種子直徑等級(jí)設(shè)計(jì)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(jì)的，當(dāng)播種不同直徑等級(jí)的種子時(shí)直接選用對(duì)應(yīng)的輸送帶即可。輸送帶設(shè)計(jì)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(jì)

清種裝置共有兩級(jí)，分為第1級(jí)清種和第2級(jí)清種。其中，第1級(jí)清種裝置是由圓柱滾子盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)組成，第2級(jí)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(dòng)輪 5.輸送帶 6.圓柱凸輪 7.主動(dòng)輪 8.機(jī)架

在輸送帶中部的第1級(jí)清種區(qū)安裝圓柱滾子盤(pán)形凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪作為振動(dòng)源作用于輸送帶上，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生水平方向的振動(dòng)，使種勺中多余的種子因振動(dòng)而掉落，達(dá)到第1級(jí)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?cè)木嗟那闆r下，通過(guò)改變滾子從動(dòng)件伸出桿的長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)桿端移動(dòng)的范圍，達(dá)到改變輸送帶振幅的目的。

第2級(jí)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(shí)，由于隔板阻擋作用，夾帶種子被撥回種箱，無(wú)法隨輸送帶運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)2級(jí)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(jì)

因半夏種子直徑有不同的等級(jí)，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(guò)小時(shí)，種勺與導(dǎo)種筒會(huì)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(guò)大時(shí)，會(huì)使種子在下落過(guò)程中掉落到種勺與導(dǎo)種筒之間的縫隙里，甚至?xí)袈涞降孛嫔希斐芍夭ズ吐┎ガF(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(duì)半夏種子不同等級(jí)，設(shè)計(jì)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(jì)成兩個(gè)獨(dú)立的部分，護(hù)罩也設(shè)計(jì)成兩個(gè)獨(dú)立的部分；相連的機(jī)架設(shè)計(jì)成長(zhǎng)槽式，可通過(guò)松緊螺栓來(lái)調(diào)整兩個(gè)導(dǎo)種筒之間的距離。同時(shí)，根據(jù)半夏種子不同等級(jí)，通過(guò)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(jí)種子時(shí)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(yàn)

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(yàn)。因目前半夏種植沒(méi)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(yàn)方法，并按照GB/T 7256/1——2011《播種機(jī)械——試驗(yàn)方法——第1部分：?jiǎn)瘟２シN機(jī)(精密播種機(jī))》的規(guī)定[8]，再根據(jù)半夏種植要求對(duì)配套動(dòng)力和作業(yè)速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最終選用配套動(dòng)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(duì)3種不同直徑等級(jí)的種子分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊平整，沙質(zhì)土壤，土塊細(xì)碎，土壤堅(jiān)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(cè)量方法，在試驗(yàn)期間對(duì)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(jì)分析，結(jié)果如表1所示。

對(duì)比試驗(yàn)表明：所設(shè)計(jì)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(dòng)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(yàn)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(shí)，可選用對(duì)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(guò)更換帶有不同種勺結(jié)構(gòu)的輸送帶來(lái)實(shí)現(xiàn)的，輸送帶設(shè)計(jì)成皮帶扣式連接方式，可方便地更換輸送帶；同時(shí)，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(jì)的清種裝置有兩級(jí)，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(jí)的種子時(shí)導(dǎo)致的重播和漏播現(xiàn)象。

2)試驗(yàn)表明：設(shè)計(jì)的排種器滿(mǎn)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(duì)不同半夏種徑等級(jí)都具有適用性，可以大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約時(shí)間。