大蒜播種機(jī)調(diào)向?qū)ХN機(jī)構(gòu)研究與試驗(yàn)*

朱玉麗，張立娟，王國虎

(1.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467001 2.平頂山安盛機(jī)械有限公司，河南 平頂山 467001)

0 引 言

我國大蒜種植面積占到了世界的三分之一，種植地主要集中在河南、山東、陜西、新疆等地，機(jī)械化種植普遍很低，人工種植勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低成本高[1]，嚴(yán)重制約了大蒜規(guī)模化產(chǎn)業(yè)發(fā)展。且現(xiàn)有大蒜種植機(jī)械存在蒜芽朝上不好保證、準(zhǔn)確入土率不高的問題[2-3]。如專利技術(shù)產(chǎn)品2ZDS5型大蒜播種機(jī)在取蒜、蒜芽方向控制上雖有了突破，但缺乏實(shí)際的推廣應(yīng)用缺乏條件[4-5]。山東慶華牌QH-18型大蒜播種機(jī)雖已經(jīng)在推廣實(shí)施，但整體機(jī)型體積龐大，播種周期較短，市場推廣價(jià)值一般[6-7]。

蒜芽向上入土是大蒜種植的基本農(nóng)藝要求，由于蒜種形狀的不規(guī)則，導(dǎo)致蒜芽方向很難定位。而非蒜芽向上的蒜種出芽率低、生長緩慢而且蒜瓣小，影響整體質(zhì)量[8]。有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，隨機(jī)種植的蒜瓣的經(jīng)濟(jì)價(jià)值比直立種植降低50%[9]。為解決這個(gè)問題，在調(diào)研了現(xiàn)有設(shè)備和專利文件后提出了新型大蒜播種機(jī)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)保證工藝的螺旋狀導(dǎo)種管和錐形漏斗接盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出了組合導(dǎo)種裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證了調(diào)向?qū)ХN裝置在解決蒜牙向上種植問題中的可行性。該設(shè)備能一次完成調(diào)整蒜芽方向、挖掘、下種、覆土的整體作業(yè)過程，同時(shí)也為機(jī)械化收割創(chuàng)造了條件。

1 整體結(jié)構(gòu)組成和工作原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

大蒜播種機(jī)關(guān)鍵技術(shù)在于蒜種的定向，設(shè)計(jì)采用獨(dú)特的螺旋狀導(dǎo)種管和漏斗接盤組合結(jié)構(gòu)，在大蒜下落過程中，通過蒜瓣自重和摩擦力在管道中的作用對(duì)蒜牙朝向進(jìn)行一級(jí)調(diào)整，再經(jīng)過特殊角度漏斗接盤進(jìn)行二級(jí)調(diào)整，最終達(dá)到蒜牙朝上的種植要求。通過合理的管路長度和接盤尺寸設(shè)計(jì)，能很好地解決大蒜播種時(shí)蒜芽向上入土的問題。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

大蒜播種機(jī)利用螺旋導(dǎo)種管機(jī)構(gòu)可以調(diào)整蒜芽方向朝上；利用凸輪機(jī)構(gòu)可以防止大蒜種植過程中堵塞問題；采用彈簧種植爪機(jī)構(gòu)進(jìn)行挖掘、下種、覆土，保證大蒜的直立入土種植。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。為適應(yīng)戶外作業(yè)，采用農(nóng)用拖拉機(jī)帶動(dòng)大蒜播種機(jī)工作。

圖1 大蒜播種機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 工作原理

拖拉機(jī)提供動(dòng)力，通過減速器將動(dòng)力傳遞給錐齒輪換向器，換向器通過V形皮帶輪帶動(dòng)機(jī)器工作，集蒜箱中的蒜種通過排種器轉(zhuǎn)動(dòng)將蒜種帶入螺旋導(dǎo)種管，在蒜瓣自重和摩擦力的作用下能夠保證蒜瓣鱗芽朝上根部朝下。經(jīng)過碗形漏斗的進(jìn)一步調(diào)整后落入篩種板孔內(nèi)。凸輪機(jī)構(gòu)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)篩種板實(shí)現(xiàn)間歇式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)篩種板孔、篩種板支架孔、漏斗接盤三孔同心時(shí)，直立的大蒜通過篩種板進(jìn)入導(dǎo)種管，凸輪下壓彈簧支架，彈簧壓縮，導(dǎo)種管伸入開溝器開好的土溝，同時(shí)固定在導(dǎo)種管上的片狀彈簧爪擺脫外管的約束，張開并釋放蒜瓣。隨著凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)種管上升，土壤由覆土器推動(dòng)完全蓋住大蒜，同時(shí)彈簧爪受外管約束閉合，封住導(dǎo)種管。如此反復(fù)實(shí)現(xiàn)大蒜機(jī)械化種植，穩(wěn)定高效提高大蒜的播種效率和蒜種的出芽率。工作過程如圖2所示。

圖2 大蒜播種機(jī)工作圖

2 主要技術(shù)原理分析

2.1 排種裝置

排種裝置如圖3所示，由集蒜箱、遮板、排種軸、排種盒、帶輪組成[10]。集蒜箱呈長方形斗狀，下部用螺釘固定有遮板，遮板呈弧線下彎狀，防止蒜種擠壓破損；排種裝置由排種軸、10個(gè)排種勺、10個(gè)排種盒組成，排種勺呈圓柱狀，上開4個(gè)蒜瓣月牙形凹槽，通過排種軸串聯(lián)裝于排種盒中，蒜種落入其中，隨帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)落入螺旋導(dǎo)種管中。排種盒頂部用螺釘安裝在集蒜箱底部。

圖3 排種裝置

2.2 導(dǎo)種裝置

導(dǎo)種裝置的作用是為了調(diào)整大蒜的入土朝向，從而達(dá)到鱗芽朝上根向下的目的。圖4所示為導(dǎo)種裝置圖，其裝置包括螺旋導(dǎo)種管、漏斗接盤、凸輪機(jī)構(gòu)、導(dǎo)種管，螺旋導(dǎo)種管負(fù)責(zé)蒜種的方向調(diào)整，凸輪機(jī)構(gòu)控制每次下落一個(gè)蒜種，導(dǎo)種管負(fù)責(zé)蒜種的種植，凸輪機(jī)構(gòu)由帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋導(dǎo)種管包括支架、螺旋導(dǎo)種管、漏斗接盤、漏斗支架，螺旋導(dǎo)種管通過支架固定在排種盒上，開口與排種盒相同，帶一定斜度的螺旋導(dǎo)種管能在蒜種下落過程中通過摩擦力和蒜瓣的重力調(diào)整大蒜方向，在一定的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)方向調(diào)整，使落入漏斗接盤的蒜種鱗芽向上根向下，漏斗接盤和漏斗支架承接落下的蒜種并與篩種板孔配合。篩種板開有10個(gè)蒜種孔，4個(gè)凸輪凹槽在機(jī)架上隨凸輪運(yùn)動(dòng)。

圖4 導(dǎo)種裝置1.排種軸 2.排種盒 3.支架 4.螺旋導(dǎo)種管 5.漏斗 6.漏斗支架 7.篩種板

通過日常觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于蒜瓣形狀特殊，讓蒜瓣經(jīng)過碗狀形狀，能很大概率的實(shí)現(xiàn)鱗芽朝上，為了補(bǔ)充螺旋導(dǎo)種管調(diào)向率不高的問題，本設(shè)計(jì)根據(jù)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)了錐形漏斗接盤，蒜瓣經(jīng)過螺旋導(dǎo)種管調(diào)向，再落入漏斗接盤，下落期間經(jīng)過漏斗斜面，能起到很好的定向作用，導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。但是漏斗斜面斜度的大小，需要實(shí)驗(yàn)取到精確的角度，才能保證95%以上蒜芽向上。凸輪機(jī)構(gòu)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)篩種板實(shí)現(xiàn)間歇式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)篩種板孔、篩種板支架孔、漏斗接盤三孔同心時(shí)，直立的大蒜通過篩種板進(jìn)入導(dǎo)種管。

圖5 導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)圖

3 導(dǎo)種裝置調(diào)向?qū)嶒?yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

蒜種導(dǎo)向裝置是解決蒜牙向上技術(shù)的核心部件，其結(jié)構(gòu)尺寸決定了種植過程中蒜牙向上入土的合格率。通過與安盛機(jī)械有限公司展開合作，選擇山東大蒜品種作為試驗(yàn)對(duì)象，所選蒜種長度尺寸為31±3.6 mm，寬度為21.3±3.9 mm，高度19.5±4.4 mm，利用導(dǎo)種實(shí)驗(yàn)臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)臺(tái)

蒜種在下落過程中，受重力和螺旋管壁的摩擦力影響，在一定距離內(nèi)能實(shí)現(xiàn)蒜瓣方向的調(diào)整，其上下螺旋管口水平距離L、螺旋管高度H影響蒜瓣調(diào)向的效果，漏斗面傾斜角a對(duì)下落蒜瓣的調(diào)正起到很大的作用。實(shí)驗(yàn)的目的是明確這三個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)蒜瓣調(diào)向的影響規(guī)律，并取得最優(yōu)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)組合，達(dá)到最佳的蒜瓣調(diào)正效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

選擇蒜瓣向上合格率K為試驗(yàn)測試指標(biāo)，上下螺旋管口水平距離L、螺旋管高度H、漏斗面傾斜角a為試驗(yàn)因素，利用Design-Expert軟件采用Box-Behnken二次回歸正交組合試驗(yàn)，水平參數(shù)見表1、實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 試驗(yàn)因素和水平表

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1) 方差分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Design-Expert進(jìn)行二次多元回歸擬合，其方差分析的結(jié)果見表3。主效應(yīng)實(shí)驗(yàn)因素對(duì)播種合格率的影響顯著性依次為：螺旋管高度H>上下螺旋管口水平距離L>漏斗面傾斜角a。交互因素影響顯著性為Ha。

表3 方差分析結(jié)果

(2) 響應(yīng)面分析：利用Design-Expert軟件的分析功能進(jìn)行交互響應(yīng)曲面分析，固定某一個(gè)因子為0水平，得到其交互響應(yīng)曲面如圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)。

圖7 交互響應(yīng)曲面

從圖7(a)中我們得出漏斗面傾斜角a=30°時(shí)，隨著上下螺旋管口水平距離L和螺旋管高度H增大，合格率K先增大后減小，螺旋管高度H對(duì)合格率K的影響顯著；從圖7(b)中我們得出當(dāng)上下螺旋管口水平距離L=125時(shí)，隨著螺旋管高度H和漏斗面傾斜角a增大，合格率K先增大后減小，螺旋管高度H對(duì)合格率K的影響顯著；從圖7(c)中我們得出當(dāng)螺旋管高度H=300時(shí)，隨著上下螺旋管口水平距離L和漏斗面傾斜角a增大，合格率K先增大后減小，螺旋管口水平距離L對(duì)合格率K的影響顯著。

(3) 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化：利用參數(shù)優(yōu)化模塊設(shè)置合格率最佳為100%，得到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)為：上下螺旋管口水平距離L=150.9 mm，螺旋管高度H=418.6 mm，漏斗面傾斜角a=20°，合格率為98.02%。

4 田間試驗(yàn)

本設(shè)計(jì)通過了國家發(fā)明專利授權(quán)，與安盛機(jī)械有限公司合作樣機(jī)試制與試驗(yàn)，并對(duì)機(jī)構(gòu)不斷改善優(yōu)化。通過軟件三維建模和虛擬裝配，對(duì)關(guān)鍵零部件圖紙進(jìn)行完善并制作樣機(jī)后，進(jìn)行了樣機(jī)田間試驗(yàn)。隨機(jī)從市場上購買同一品種蒜種作為田間試驗(yàn)樣本，經(jīng)過人工形狀篩選后選定1 000個(gè)蒜種，分10批次進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)《大蒜生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求，試驗(yàn)場地為沙土，土壤的含水量在10%，硬度在0.55 MPa，上下螺旋管口水平距離L=150.9 mm，螺旋管高度H=418.6 mm；漏斗面傾斜角a=20°，重點(diǎn)分析檢驗(yàn)大蒜播種機(jī)選種、導(dǎo)向、播種入土后的直立狀態(tài)。

場地試驗(yàn)分10組，每次100粒蒜種，播種完成后采取平均值計(jì)算統(tǒng)計(jì)大蒜蒜牙向上的合格率。播種實(shí)驗(yàn)過程中將蒜種略微傾斜的樣本納入合格范圍，最終的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為97.21%，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本符合，能保證大蒜直立種植農(nóng)藝要求。

5 結(jié) 語

通過理論研究，利用大蒜自重下落調(diào)正的原理，采用螺旋導(dǎo)種管和漏斗接盤二次導(dǎo)種裝置，能有效調(diào)整大蒜鱗牙向上。

導(dǎo)種過程中上下螺旋管口水平距離L、螺旋管高度H、漏斗面傾斜角a對(duì)導(dǎo)種合格率影響較大，通過Design-Expert軟件進(jìn)行多因素正交實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，確定最佳參數(shù)組合為：上下螺旋管口水平距離L=150.9 mm，螺旋管高度H=418.6 mm；漏斗面傾斜角a=20°，得到理論播種合格率為98.02%。通過場地實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與理論結(jié)果基本一致，符合大蒜播種機(jī)農(nóng)藝要求。