基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機設(shè)計與試驗

劉文政 何 進 李洪文 李學(xué)強 魏忠彩 劉 鵬

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.山東省馬鈴薯生產(chǎn)裝備智能化工程技術(shù)研究中心， 德州 253600； 3.山東希成農(nóng)業(yè)機械科技有限公司， 德州 253600)

0 引言

馬鈴薯是一種產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、加工用途廣泛且生長期短的糧食作物，是世界主要糧食作物之一，對保障糧食安全具有重要意義[1-2]。我國是世界馬鈴薯種植面積最大的國家(約5.6×106hm2)，但其單產(chǎn)卻僅為歐洲和美國的1/3[3]，主要原因是種薯質(zhì)量和馬鈴薯生產(chǎn)機械化水平低[4]。播種是馬鈴薯生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一[5-6]，目前我國大多采用切塊薯、且以人工種植為主。切塊薯作為薯種易引起病毒感染，導(dǎo)致單位面積產(chǎn)量降低，阻礙了馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[7]。馬鈴薯微型種薯(簡稱微型薯)在無菌環(huán)境條件下繁育而成，具有單位面積產(chǎn)量高、品質(zhì)好、商品率高等優(yōu)點[8-9]。然而，我國微型薯的生產(chǎn)繁育水平較低，其供應(yīng)量僅為市場需求量的20%[10]，因此，需要增加微型薯的種植面積，微型薯播種機械化勢在必行。

目前，馬鈴薯播種機類型一般為鏈(帶)勺式、轉(zhuǎn)盤式和板閥式等，且主要用于切塊薯的播種。其中，鏈(帶)勺式因其結(jié)構(gòu)簡單、易于維修而得到最為廣泛的應(yīng)用，然而該類型播種機因易傷種、且由于制造工藝的差異不適宜于直接應(yīng)用于微型薯機械化播種作業(yè)。我國以微型薯為播種對象的種植機械尚處于起步階段，目前大多采用人工種植的方式，勞動強度大、作業(yè)成本高、生產(chǎn)效率低，且播種質(zhì)量差，遠不能滿足馬鈴薯產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求。國內(nèi)對微型薯播種機械方面的研究較少，主要集中在氣力式排種裝置方面[11-14]，由于微型薯為大顆粒種子，氣力式播種機對排種裝置的氣密性和配套動力均提出較高要求[15]。國外研制的差速帶式播種機采用單列排序輸送投種原理，播種前根據(jù)粒徑對微型薯進行分級，分級后的種薯根據(jù)粒徑調(diào)節(jié)輸送帶帶速與機具前進速度間的速度差，以此調(diào)整播種株距。該類型播種機對薯種外形體積要求不高，可實現(xiàn)快速取種，但操作復(fù)雜，價格較為昂貴，在國內(nèi)較少推廣應(yīng)用[7]。近年來，已有學(xué)者基于受迫振動原理進行機械化播種[16-18]相關(guān)研究。本文借鑒國外差速帶式播種機單列排序輸送投種機理，并結(jié)合微型薯物理特性及農(nóng)藝特點，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機，對其整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進行分析，并開展田間播種性能試驗。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機主要包括懸掛架、播種裝置、落種調(diào)節(jié)裝置、開溝裝置、覆土起壟裝置、地輪和鏈-齒輪傳動系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of vibration-arranging based seeder for potato micro-seed1.種箱 2.懸掛架 3.鏈-齒輪傳動系統(tǒng) 4.地輪 5.壓種限深輪 6.覆土起壟圓盤 7.開溝器 8.排種架

其中，播種裝置由動力輸送機構(gòu)、單列排序輸送投種機構(gòu)、振動回種機構(gòu)、種箱等構(gòu)成；落種調(diào)節(jié)裝置由防結(jié)拱驅(qū)動單元和種量調(diào)節(jié)單元等構(gòu)成；開溝裝置主要包括開溝器、支撐架、彈簧壓縮調(diào)節(jié)機構(gòu)、深度調(diào)節(jié)機構(gòu)和平行四邊形機構(gòu)等；覆土起壟裝置主要由圓盤、角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、過載保護機構(gòu)等組成。

1.2 傳動系統(tǒng)與工作原理

基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機傳動系統(tǒng)如圖2所示，機具以三點懸掛方式掛接于拖拉機后端。拖拉機牽引機具作業(yè)時，地輪轉(zhuǎn)動，通過鏈-齒輪傳動系統(tǒng)帶動播種裝置輸送帶轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)薯種的取種和投種；與拖拉機油路相連的液壓馬達將動力傳遞至偏心輪和連接盤所組成的偏心機構(gòu)，實現(xiàn)偏心機構(gòu)轉(zhuǎn)動，偏心機構(gòu)分別帶動單列排序輸送投種機構(gòu)的擺動板、振動回種機構(gòu)的振動板和落種調(diào)節(jié)裝置的調(diào)節(jié)板，實現(xiàn)其各自的循環(huán)往復(fù)振動。

圖2 基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機傳動系統(tǒng)示意圖Fig.2 Transmission sketch of vibration-arranging based seeder for potato micro-seed1.連接盤 2.偏心輪 3.調(diào)節(jié)板 4.振動板 5.擺動板 6.輸送帶 7.鏈-齒輪傳動系統(tǒng) 8.地輪 9.開溝器 10.覆土起壟圓盤 11.液壓馬達

微型薯播種作業(yè)時，播種機在拖拉機驅(qū)動下，帶動地輪轉(zhuǎn)動，通過鏈-齒輪傳動系統(tǒng)，將動力傳遞至播種裝置的輸送帶。同時，播種裝置的振動板和擺動板的高頻低幅往復(fù)振動，以及落種調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)板上下往復(fù)周期性運動的動力，均分別由液壓馬達控制；且液壓馬達通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)其動力輸出軸的轉(zhuǎn)速。微型薯從種箱落至振動排序播種裝置的集種口處，在振動板作用下，由于薯種的流動性，微型薯從振動板運動至擺動板和輸送帶(外表面右側(cè)邊緣設(shè)置護種凸起)所構(gòu)成的導(dǎo)種通道并向后輸送，在擺動板復(fù)合往復(fù)擺動并在擺動板與輸送帶外表面右側(cè)邊緣的護種凸起的共同限制作用下，實現(xiàn)微型薯薯群的單列排序；同時，輸送帶上多余的、未經(jīng)排序的微型薯運動至振動板集中口處并再次進入輸送帶以待再次進入導(dǎo)種通道進行單列排序播種。單列排序的微型薯在輸送帶的輸送下運動至隔板、排種架護板、輸送帶傾斜段的上層帶與壓種帶的下層帶共同構(gòu)成的落種通道。此時，與輸送帶帶速相同的壓種帶對薯種進行壓種定位，并在輸送帶和壓種帶共同壓種、定位、輸送作用下將薯種送至落種口，最終薯種因失去支持力而投落至種溝內(nèi)。最終，通過覆土起壟裝置將種溝內(nèi)的種薯覆土和起壟，完成整個播種作業(yè)。此外，落種調(diào)節(jié)裝置在液壓馬達驅(qū)動下，與種箱落種口形成動態(tài)種口，以避免薯種結(jié)拱；根據(jù)薯種粒徑，通過轉(zhuǎn)動種量調(diào)節(jié)單元的手柄，升降調(diào)節(jié)板，改變落種口的尺寸，以滿足播種裝置所需的落種量。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機采用單壟單行種植方式，其對應(yīng)的農(nóng)藝要求如圖3所示。其中，壟高h1為200～250 mm，壟體頂部寬度W1為100～150 mm，壟體底部寬度W2為500～700 mm，播種深度h2為100～200 mm，株距l(xiāng)1為150～200 mm，行距l(xiāng)2為900 mm。

圖3 馬鈴薯微型種薯種植農(nóng)藝Fig.3 Agronomic characteristics of potato micro-seed1.壟體 2.微型薯 3.壟溝

根據(jù)微型薯種植農(nóng)藝要求以及種植特點，基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 播種裝置

播種裝置是播種機的核心部分，主要由動力輸送機構(gòu)、單列排序輸送投種機構(gòu)、振動回種機構(gòu)、種箱和排種架等構(gòu)成。

2.1.1動力輸送機構(gòu)

動力輸送機構(gòu)主要是為單列排序輸送投種機構(gòu)的擺動板和振動回種機構(gòu)的振動板提供動力，主要包括驅(qū)動軸、驅(qū)動鏈輪、擺動偏心輪、擺動連接盤、振動偏心輪和振動連接盤等(圖4a)，其中擺動偏心輪和振動偏心輪均為圓柱偏心輪。

圖4 動力輸送機構(gòu)Fig.4 Power transmission mechanisms1.振動偏心輪 2.振動連接盤 3.動力驅(qū)動軸 4.驅(qū)動鏈輪 5.擺動偏心輪 6.擺動連接盤 7.擺動連接板 8.振動連接板

動力輸送機構(gòu)的驅(qū)動鏈輪位于擺動偏心輪和振動偏心輪之間，即采用橫軸中央傳動形式，使驅(qū)動軸均勻受力，且節(jié)約了機構(gòu)空間。液壓馬達通過鏈輪與鏈條將動力輸送至驅(qū)動軸，經(jīng)過偏心輪和連接盤組成的偏心振動機構(gòu)，將動力分別傳遞至擺動板和振動板，使其產(chǎn)生受迫振動。根據(jù)前期試驗[19]，確定擺動偏心輪和振動偏心輪(圖4b)偏心距e為3～5 mm，外圓半徑Re1為15 mm，內(nèi)偏心孔半徑Re2為7.5 mm，驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速n為700～900 r/min。

2.1.2單列排序輸送投種機構(gòu)

圖5 單列排序輸送投種機構(gòu)Fig.5 Single row arranging, transporting and seeding mechanisms1.彈性連接板 2.固定支架 3.擺動板 4.輸送帶 5.擺動連接板 6.撐緊板 7.主動輸種帶輪 8.調(diào)節(jié)手柄 9.張緊帶輪 10.護種板 11.從動輸種帶輪 12.從動壓種帶輪 13.壓種帶 14.主動壓種帶輪 15.微型薯 16.護種凸起條 17.振動板 18.壓種條

單列排序輸送投種機構(gòu)用于微型薯的單列排序與輸送投種(圖5a)，主要由輸送投種單元、擺動單元等構(gòu)成。其中，輸送投種單元主要包括輸送帶、主動輸種帶輪、從動輸種帶輪、張緊帶輪、壓種帶、主動壓種帶輪、從動壓種帶輪、護種板等，用于薯種的輸送和投種；擺動單元主要包括擺動板、擺動連接板、撐緊板、彈性連接板、固定支架、調(diào)節(jié)手柄等。擺動板前端分別通過擺動連接板、撐緊板與擺動偏心輪組裝、支撐架相連，后端則通過彈性連接板、固定支架與排種架相連，相對于輸送帶呈懸空布置，用于薯種的排序與剔除。

輸送帶由主動輸種帶輪、從動輸種帶輪、張緊帶輪等固定支撐，并折彎為前后兩段，前段為水平段，后段為傾斜段，且水平段為薯種的單列排序階段，傾斜段為投種段(圖5b)；此外，輸送帶外表面右側(cè)邊緣設(shè)置高度為hb的護種凸起條，與擺動板共同構(gòu)成導(dǎo)種通道。在單列排序階段，種薯群經(jīng)歷堆疊、剔種等過程，多余種薯被剔除，剩余種薯按照前后緊密貼合的方式形成微型薯薯群條，同時以與輸送帶帶速相同的速度向落種通道處運動。國內(nèi)常用的微型薯粒徑一般為12～30 mm[20]，并根據(jù)前期預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，護種凸起條高度應(yīng)適中，若高度過高，堆疊在薯群條上的薯種不易被擺動板剔除，導(dǎo)致重播率增加；若高度較低，單列排序的薯群條易從導(dǎo)種通道內(nèi)逃逸，致使漏播率增加，故設(shè)定hb=8 mm。為使種薯能夠在輸送帶水平段有足夠時間和空間進行單列排序，設(shè)定輸送帶水平段長度lh為1 000 mm；輸送帶與振動板和擺動板之間間隙(圖5c)dp、ds設(shè)為1～2 mm，以避免相互間的接觸摩擦且防止薯種在振動排序過程中從播種裝置內(nèi)漏出。為保證單列排序薯種能順利進入落種通道，擺動板長度ls=hb=8 mm；為避免集中口處堆疊的薯種過高而越過擺動板，且考慮設(shè)計合理性，確定擺動板高度hs=80 mm。此外，通過調(diào)節(jié)手柄以改變擺動板與輸送帶護種凸起條的間距以適應(yīng)不同粒徑微型薯的單列排序，設(shè)輸送帶帶寬u=60 mm。

壓種帶(圖5d)在主動壓種帶輪、從動壓種帶輪的支撐張緊作用下被安置在播種裝置的后端，并與輸送帶傾斜段相平行，其轉(zhuǎn)速與輸送帶轉(zhuǎn)速相等方向相反，以此構(gòu)成薯種投種段。因薯種在投種段進行投種，需降低投種口至種床在垂直方向上的距離，設(shè)定輸送帶傾斜段與水平段夾角α1為135°，且傾斜段長度li為335 mm。為確保不同粒徑的微型薯均能順利通過落種通道，設(shè)置壓種帶下層帶與輸送帶傾斜段上層帶之間的距離db為50 mm，且壓種帶的外表面均勻密布有壓種條將薯種進行包裹定位直至從排種段排出，壓種條長度lp為50 mm。

理想狀態(tài)下，假設(shè)微型薯為球形顆粒(直徑為D)，且單列排序的種薯顆粒在導(dǎo)種通道內(nèi)緊密排布，則在相同時間內(nèi)落入種溝內(nèi)的種薯數(shù)量與排種裝置排出的相等，有

(1)

式中v1——播種機前進速度，m/s

v2——輸送帶線速度，m/s

l1——理論播種株距，mm

Δt——單位時間，s

根據(jù)農(nóng)藝要求，株距l(xiāng)1一般取150～200 mm。此外，馬鈴薯播種機播種速度v1一般為2～5 km/h(0.56～1.40 m/s)[21]，薯種粒徑為12～36 mm，則輸送帶速度v2為3.36×10-2～3.36×10-1m/s。

由式(1)可得，株距l(xiāng)1是按照輸送帶速度v2與播種機前進速度v1的速度差進行調(diào)節(jié)，該速度差是通過調(diào)節(jié)地輪與主動輸種帶輪間的鏈-齒輪傳動系統(tǒng)的傳動比i(圖2)實現(xiàn)。設(shè)地輪半徑為Rd，取370 mm；主動輸種帶輪半徑為Rs，取35 mm，則存在關(guān)系式

(2)

2.1.3振動回種機構(gòu)

振動回種機構(gòu)(圖6)主要通過振動板的高頻低幅往復(fù)振動將單列排序輸送投種機構(gòu)中剔除的多余種薯運送至集種段的集中口，為薯種再次進入輸送帶進行單列排序、輸送投種做準(zhǔn)備。

圖6 振動回種機構(gòu)Fig.6 Vibration and reseeding mechanisms1.阻擋板 2.振動板 3.彈性支撐板 4.振動連接板 5.振動偏心輪 6.動力驅(qū)動軸 7.振動連接盤 8.支撐梁

振動板位于輸送帶的右側(cè)，與輸送帶上層帶水平段相平齊，其長度與輸送帶水平段相等，即a=1 000 mm；根據(jù)薯種在振動板上所處位置可分為振動護種段和集種段，其中振動回種段長度lr=625 mm，集種段長度lc=375 mm；為使種薯在振動板上的回種過程中具有較強的流動性，設(shè)定振動板寬度為b=115 mm。對于從導(dǎo)種通道中剔除的多余種薯，在振動回種過程中應(yīng)盡量避免與輸送帶接觸，而位于集中口位置處的種薯則盡量向輸送帶上運動，因此，振動板的振動回種段靠近輸送帶的一邊朝上彎折，而集種段靠近輸送帶的一邊向下彎折，且彎折角均控制在15°～20°范圍內(nèi)。

振動板下表面的前部、中部和后部分別固結(jié)有彈性支撐板，且彈性支撐板相對于振動板傾斜一定角度β(圖6a)；此外，γ為振動方向與振動板平面間的夾角，即為彈性支撐板的安裝角(圖6b)[22]。在動力驅(qū)動軸帶動振動偏心輪以轉(zhuǎn)速n作勻速轉(zhuǎn)動的情況下，通過振動連接盤、振動連接板等帶動振動板做復(fù)合振動，該復(fù)合振動可分為沿水平(x軸)和垂直(y軸)兩個方向的振動分量；因此，微型薯在振動板上的運動可分為隨同振動板作的牽連運動和相對振動板作的相對運動。經(jīng)分析[19]，振動板在時間t內(nèi)，沿x軸和y軸方向的位移Sx、Sy分別為

(3)

其中

ω=πn/30

式中ω——偏心輪角速度，rad/s

R——偏心輪外徑，mm

則振動板沿x方向和y方向上的加速度ax、ay為

(4)

(5)

式中Fx——振動板對微型薯沿x方向的作用力

Fy——振動板對微型薯沿y方向的作用力

m——微型薯質(zhì)量

F0=±f0Fy

(6)

式中f0——薯種與振動板工作面間的靜摩擦因數(shù)

其中，“+”表示薯種所受摩擦力方向與振動板運動方向一致，“-”情況相反。

圖7 落種調(diào)節(jié)裝置Fig.7 Seed dropping adjustment mechanisms1.手柄 2.旋轉(zhuǎn)臂 3.固定座 4.絲杠移動件 5.連接板 6.橫桿 7.絲杠 8.驅(qū)動鏈輪 9.連接盤 10.偏心輪 11.驅(qū)動連接軸 12.螺栓桿 13.調(diào)節(jié)板 14.擋種板 15.排種架 16.支撐板 17.種箱

(7)

由于f0=tanμ0(μ0為靜摩擦角)，代入式(6)并化簡，則得初始正向滑動相位角θf0及初始反向滑動相位角θr0為

(8)

其中

(9)

(10)

式中Df——正向滑行指數(shù)

Dr——反向滑行指數(shù)

K——振動強度

由于只希望薯種在振動板上產(chǎn)生較大的正向滑動，參照文獻[23]，取Df=2～3和Dr≈1。此時，根據(jù)式(9)可得

(11)

其中

c=Dr/Df

式中c——滑動指數(shù)比，取0.3～0.5

根據(jù)以上分析可知彈性支撐板的安裝角γ直接影響振動板的回種效果，較為理想的安裝角γ應(yīng)接近于微型薯-鋼板靜摩擦角(γ一般不超過45°)[22,24]，由試驗及文獻[25-26]得微型薯-鋼板間靜摩擦角為25°～32°，本文取γ=30°，此時振動板與彈性支撐板之間的夾角β=90°-γ=60°。此外，設(shè)定彈性支撐板長度a1=170 mm，且彈性支撐板的另一端固接于排種架的支撐梁上。

2.2 落種調(diào)節(jié)裝置

2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

落種調(diào)節(jié)裝置可分為種量調(diào)節(jié)單元和防結(jié)拱驅(qū)動單元(圖7a)，其中種量調(diào)節(jié)單元由手柄、絲杠、固定座、絲杠移動塊、旋轉(zhuǎn)臂、矩形橫桿和連接板等組成；防結(jié)拱驅(qū)動單元主要包括驅(qū)動鏈輪、驅(qū)動連接軸、偏心輪和連接盤、螺栓桿和調(diào)節(jié)板等。旋轉(zhuǎn)手柄，絲杠移動塊沿著絲杠升降，進而帶動旋轉(zhuǎn)臂沿著矩形橫桿旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)臂隨橫桿的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，帶動整個防結(jié)拱驅(qū)動單元的升降；調(diào)節(jié)板與排種架、擋種板等共同構(gòu)成落種口(圖7b)，種薯從種箱的出種口經(jīng)落種口掉落至播種裝置內(nèi)，調(diào)節(jié)板隨防結(jié)拱驅(qū)動單元的升降而改變落種口尺寸，實現(xiàn)落種量的調(diào)節(jié)。對于防結(jié)拱驅(qū)動單元，液壓馬達通過驅(qū)動鏈輪帶動驅(qū)動連接軸轉(zhuǎn)動，連接軸轉(zhuǎn)動時，在偏心輪的作用下，與連接盤相接的調(diào)節(jié)板在排種架、種箱及支撐板組成的導(dǎo)槽內(nèi)做上下方向的高頻低幅往復(fù)運動，避免種薯在種箱內(nèi)結(jié)拱。

圖7c為落種調(diào)節(jié)裝置運動簡圖，設(shè)此時為運動的初始狀態(tài)，螺栓桿與調(diào)節(jié)板相平行，旋轉(zhuǎn)臂和連接板與調(diào)節(jié)板相垂直。絲杠移動件中心點與驅(qū)動連接軸截面圓心距離為l3，取165 mm；螺栓桿與調(diào)節(jié)板鉸接點與驅(qū)動連接軸截面圓心距離為l4，取200 mm；e1為偏心輪偏心距，取4 mm；n1為驅(qū)動連接軸轉(zhuǎn)速，r/min。因l4遠大于e1，則驅(qū)動連接軸在轉(zhuǎn)動過程中，可近似認為螺栓桿始終與調(diào)節(jié)板平行，調(diào)節(jié)板振幅即為e1。由此，調(diào)節(jié)板經(jīng)時間t偏離初始狀態(tài)的距離為

(12)

根據(jù)設(shè)計要求，種薯應(yīng)從落種口落出并掉落至振動板上，以避免直接掉落至輸送帶上影響薯種的單列排序。同時，為避免薯種結(jié)拱，落種口最小尺寸應(yīng)大于常規(guī)薯種尺寸(20～25 mm)的3倍[27]，因此設(shè)定落種口寬度wd為110 mm(圖7d)，調(diào)節(jié)板的相關(guān)參數(shù)如圖7d所示。

2.2.2仿真分析

由式(12)可知，驅(qū)動連接軸轉(zhuǎn)速n1對薯種流動性產(chǎn)生顯著影響，為確定其參數(shù)，同時驗證破拱效果，采用離散元仿真分析方法，對落種調(diào)節(jié)裝置開展落種仿真試驗。

顆粒間及顆粒與裝置之間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin無滑動接觸力學(xué)模型，相關(guān)離散元仿真參數(shù)采用前期標(biāo)定結(jié)果[26]，如表2所示。將落種調(diào)節(jié)裝置SolidWorks三維模型簡化，只保留調(diào)節(jié)板、種箱、排種架和支撐板，將文件另存為.stp格式并導(dǎo)入EDEM中，上述部件均設(shè)置為鋼性材料。采用球形顆粒組合的方法建立常見的橢球形微型薯仿真模型，其長軸長度為29.20 mm，短軸長度為18.24 mm；仿真中將單元球半徑限制在0.8～1.2倍的初始半徑之間，瑞利時步為20%，網(wǎng)格尺寸取3倍最小球形單元尺寸。仿真過程中，在種箱正上端創(chuàng)建顆粒工廠，生成的顆粒在自身重力作用下隨機裝入種箱內(nèi)；待裝載結(jié)束后，將種箱出種口處墻體刪除[28]，使得種薯顆粒在重力作用下下落，以進一步填充落種調(diào)節(jié)裝置與排種架所構(gòu)成的落種口。仿真運行時間設(shè)定為10 s，待仿真運行穩(wěn)定后，相關(guān)仿真情況如圖8a所示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，落種口出現(xiàn)種薯結(jié)拱現(xiàn)象。根據(jù)薯種運行速度，圖中采用紅綠藍進行薯種運行速度區(qū)分，其中藍色表示靜止?fàn)顟B(tài)，紅色表示速度較大狀態(tài)，綠色表示中速狀態(tài)。

表2 離散元仿真參數(shù)Tab.2 Parameters of discrete element simulation

圖8 落種調(diào)節(jié)裝置落種情況Fig.8 Seed dropping simulations of seed dropping adjustment mechanism

將此時仿真文件導(dǎo)出，并設(shè)定初始仿真時間為0 s；以導(dǎo)出的文件為基礎(chǔ)，根據(jù)式(12)，設(shè)置調(diào)節(jié)板沿著導(dǎo)槽以頻率f(f=n/60)及振幅e1=4 mm做周期性往復(fù)運動，仿真運行時間為3 s。經(jīng)預(yù)仿真試驗發(fā)現(xiàn)，f=1.34 Hz時(n1=80 r/min)，落種口初步具備破拱功能。為進一步探究較合理的轉(zhuǎn)速，分別選f為1.67(n1=100 r/min)、8.34(n1=500 r/min)、16.67(n1=1 000 r/min)、33.33 Hz(n1=2 000 r/min)進行破拱及落種模擬仿真，圖8b～8e為各頻率下對應(yīng)第3秒時的仿真落種情況。種箱內(nèi)種薯平均速度是反映其流動性的一個重要指標(biāo)，根據(jù)EDEM后處理軟件可得平均速度，如表3所示，隨著調(diào)節(jié)板頻率的增大，種箱內(nèi)種薯平均速度不斷增加，但增長趨勢逐漸減緩。結(jié)合圖8b～8e，f=1.67 Hz時，因頻率較低，雖能防止結(jié)拱，但落種及種薯流動性較差；f=8.34 Hz時，落種和種薯流動性與f=16.67 Hz及f=33.33 Hz時相近；同時，考慮到若調(diào)節(jié)板頻率過大，會對下落的種薯造成損傷。根據(jù)上述分析，進一步開展仿真試驗，最終確定調(diào)節(jié)板振動頻率f的合理范圍為6.67～11.7 Hz，即驅(qū)動連接軸轉(zhuǎn)速n1為400～700 r/min。

表3 調(diào)節(jié)板各頻率下種薯平均速度Tab.3 Average speed of seeds in different frequencies for adjusting plate

2.3 開溝與覆土起壟裝置

開溝播種需要順利完成開溝、種薯入溝和覆土起壟3個工序，故結(jié)構(gòu)布置從前往后依次為開溝裝置、播種裝置和覆土起壟裝置，前后對中布置。

2.3.1開溝裝置

圖9 開溝裝置Fig.9 Ditching mechanisms1.壓種限深輪 2.彈簧 3.壓簧支桿 4.深度調(diào)節(jié)裝置 5.支撐架 6.開溝器 7.開溝器連接板 8.刀刃 9.掛接板 10.溝側(cè)翼板 11.溝底翼板 12.底分流板 13.溝側(cè)分流板

開溝裝置(圖9a)是與土壤相接觸的工作部件，其主要是開出種溝，為薯種著床做準(zhǔn)備，包括壓種限深輪、開溝器、支撐架、彈簧、壓簧支桿、深度調(diào)節(jié)組件、開溝器連接板等。其中，開溝器(圖9b)采用靴式結(jié)構(gòu)，主要由刀刃、掛接板、翼板和分流板等組成。播種深度是開溝裝置控制的一個重要因素[29]，根據(jù)微型薯播種農(nóng)藝要求，薯種播種深度為100～200 mm，本文設(shè)定開溝器溝側(cè)翼板高度h3=165 mm，溝底翼板和溝底分流板高度相等為h4=80 mm，通過深度調(diào)節(jié)裝置，改變支撐架與開溝器之間的夾角，因支撐架末端連接壓種限深輪，從而調(diào)整開溝器與壓種限深輪在豎直方向的相對位置關(guān)系，實現(xiàn)開溝裝置入土深度h5(50～100 mm)的調(diào)節(jié)；播種裝置投種口寬度為70 mm，考慮到開溝器寬度應(yīng)大于投種口寬度，為避免播種機作業(yè)時開溝器側(cè)壁磕碰微型薯，設(shè)計兩溝側(cè)翼板間的距離b1=120 mm，同時，為確保微型薯在落至開溝器底部時不被開溝器夾持，根據(jù)薯種粒徑(12～36 mm)，確定兩溝底翼板間距離b2=50 mm，兩溝底翼板間夾角α1=46°，且溝側(cè)翼板和溝底翼板長度相等，為l5=250 mm；為確保開溝器較好的破土性能，促使土壤從開溝器兩側(cè)順利分流，設(shè)計兩溝側(cè)分流板夾角α2=35°。此外，彈簧與壓簧支桿將播種裝置與開溝裝置相連，保證在地表起伏不平地段情況下播種裝置的動態(tài)平衡。兩開溝器連接板前后兩端分別與開溝器和播種機機架鉸接，構(gòu)成平行四邊形機構(gòu)，實現(xiàn)開溝器的仿形功能。在開溝器刀刃作用下，開溝器入土性能較好、開溝深度穩(wěn)定性較高，使排出的種薯均勻穩(wěn)定地落至溝底種床。

2.3.2覆土起壟裝置

覆土起壟裝置結(jié)構(gòu)如圖10a所示，主要由覆土起壟圓盤、角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、過載保護機構(gòu)等組成。采用凹面圓盤(圖10b)進行覆土起壟，具有通過性好、不易纏草堵塞、牽引阻力小、使用壽命長等優(yōu)點，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》[30]并結(jié)合實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，設(shè)計圓盤相關(guān)設(shè)計參數(shù)如下：圓盤直徑Dp=460 mm、曲率半徑Rp=600 mm、厚度sp=4 mm、折彎寬度Tp=4 mm；安裝圓孔直徑dp1=8.5 mm、節(jié)圓直徑dp2=80 mm、安裝圓孔數(shù)量為3。為防止覆土起壟圓盤因入土深度h6過深導(dǎo)致起壟效果較差或因入土深度過淺而不能實現(xiàn)覆土作業(yè)，根據(jù)預(yù)試驗確定h6小于圓盤半徑R1(R1=Dp/2)，且確保圓盤在工作過程中的轉(zhuǎn)動而避免壅土現(xiàn)象的發(fā)生。通過角度調(diào)節(jié)裝置改變兩圓盤水平方向夾角ηh，且兩圓盤垂直方向沿一定夾角ηv布置(調(diào)整角度調(diào)節(jié)裝置，ηv保持不變，取15°)，以獲取適合不同農(nóng)藝要求的壟形。此外，為防止覆土起壟圓盤在工作過程中因遇到堅硬的石塊或土塊受到較大沖擊力而損壞，配備彈簧類過載保護機構(gòu)，避免圓盤遭受損傷。

為保證覆土起壟效果，雙圓盤除將前期開溝器所開的種溝進行覆土，還需在種溝之上起壟，高度為

h2-h5，如圖10c所示。假設(shè)圓盤將開溝器清除的土壤全部覆回種溝，則地表以上起壟量即為圓盤的扶土量，采用正視輪廓面積表示[31]，地面以上起壟部分壟形面積與圓盤扶土正面輪廓面積相等，存在關(guān)系式

(13)

式中W3——雙圓盤內(nèi)側(cè)與地面接觸點間距離，mm

W4——覆土起壟裝置作業(yè)幅寬，mm

由式(13)可知，圓盤覆土起壟裝置作業(yè)時，播種深度h2受圓盤半徑R1、兩圓盤夾角ηv、圓盤入土深度h6(h6

圖10 覆土起壟裝置Fig.10 Soil covering and ridging mechanisms1.過載保護機構(gòu) 2.角度調(diào)節(jié)機構(gòu) 3.覆土起壟圓盤

3 田間試驗

3.1 試驗條件與測試指標(biāo)

2018年5月，在陜西省定邊縣定邊鎮(zhèn)十里沙村進行基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機田間播種試驗。試驗田地表平整，土壤類型為西北干旱區(qū)典型沙壤土，含水率為17.3%，土壤容重1 296 kg/m3，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm深度處土壤緊實度分別為38.5、382.1、2 398.8 kPa；試驗地長1 000 m，寬500 m。播種機動力選取約翰迪爾6B-1354輪式拖拉機，標(biāo)定功率為99.3 kW，機具前進速度為5 km/h，播種作業(yè)面積為1.8 hm2；試驗中采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫氖砘ò遵R鈴薯微型種薯，其三軸平均尺寸為30.7 mm×24.7 mm×19.6 mm，平均粒徑為25 mm，單粒種薯平均質(zhì)量8.4 g；根據(jù)式(2)，調(diào)整鏈-齒輪傳動系統(tǒng)的傳動比為0.75。播種機田間作業(yè)及測試情況如圖11所示。

試驗指標(biāo)及方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6242—2006《種植機械 馬鈴薯種植機 試驗方法》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NYT 990—2006《馬鈴薯種植機械 作業(yè)質(zhì)量》及NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》進行，主要測試指標(biāo)：重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)和種植深度合格率等；播種后，選取每個播種行的5個測量段進行測定，各段測量20個種薯的間距、播種深度，且每兩個測量段相距30 m，每行共選取100個種薯進行測量，試驗共選取5個播種行，根據(jù)測定結(jié)果，取平均值，求出重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)以及種植深度合格率。

圖11 田間試驗Fig.11 Field experiments

3.2 試驗結(jié)果與分析

基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機田間試驗結(jié)果如表4所示，由表4可知，該機在開展微型薯播種作業(yè)時，其重播指數(shù)為4.6%，漏播指數(shù)為5.6%，合格指數(shù)為89.8%，種植深度合格率為96.5%；上述指標(biāo)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，達到馬鈴薯播種作業(yè)要求。此外，工作過程中，播種機作業(yè)性能穩(wěn)定可靠，種箱落種口未出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象；覆土起壟裝置對種薯的覆蓋效果較好，壟形規(guī)則，滿足種植農(nóng)藝要求。

表4 田間試驗結(jié)果Tab.4 Results of field experiment %

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了基于振動排序的馬鈴薯微型種薯播種機，可一次完成開溝、播種、覆土、起壟等作業(yè)，并對播種裝置、落種調(diào)節(jié)裝置和覆土起壟裝置等關(guān)鍵部件及整機傳動系統(tǒng)進行了分析和計算。

(2)設(shè)計了基于受迫振動原理的播種裝置，通過微型薯單列排序輸送投種和振動回種等設(shè)計和分析，確定了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)；在種箱落種口設(shè)計安裝了落種調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)薯種進入播種裝置的流量，并避免薯種在種箱內(nèi)結(jié)拱；明晰了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過仿真分析確定了驅(qū)動連接軸轉(zhuǎn)速為400～700 r/min；此外，得到了開溝器設(shè)計參數(shù)和覆土起壟裝置覆土圓盤等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)田間試驗結(jié)果表明，在作業(yè)速度5 km/h時，播種重播指數(shù)為4.6%，漏播指數(shù)為5.6%，合格指數(shù)為89.8%，種植深度合格率為96.5%，各項指標(biāo)均符合國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。