氣吸式小白菜播種機開溝器設(shè)計與試驗

孫新平 李驊 齊新丹 張緒 陳曦 王永健

摘要：目前，我國小白菜多采用人工撒播的播種方式，不僅機械化水平低，而且勞動力成本高。針對這一問題，設(shè)計一款氣吸式小白菜播種機，并對開溝器進行研究。通過計算，確定開溝器的關(guān)鍵參數(shù)，入土角為123°、滑刀刃口角為35°、滑刀的刀刃曲線函數(shù)y=0.002x2+0.7x。為提升開溝器的開溝性能，設(shè)計Ⅰ型和Ⅱ型兩款開溝器，采用EDEM軟件模擬兩款開溝器在土槽中的開溝狀況，對比后最終確定Ⅰ型開溝器的開溝性能較優(yōu)。通過ANSYS有限元分析軟件對Ⅰ型開溝器進行靜力學(xué)分析，驗證開溝器的設(shè)計符合材料的強度要求。最后，對整機進行田間試驗測試，測出整機播種量為4.08 kg/hm2；各行播量一致性的標準差為0.12 g，變異系數(shù)為3.1%；總播量穩(wěn)定性的標準差為0.97 g，變異系數(shù)為2.8%。試驗結(jié)果表明該播種機播種均勻性良好，能為小白菜等播種機械的設(shè)計提供理論參考以及提高青菜種植業(yè)的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：小白菜；播種機；開溝器；氣吸式；田間測試

中圖分類號：S223.2+3

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0017-08

Abstract： At present， Chinese cabbage is mostly sown by artificial sowing， which is not only low level of mechanization， but also high labor cost. Aiming at this problem， this paper designs an air suction type cabbage seeder， and studies the trench opener on the machine. Through calculation， the key parameters of the trencher are determined， including： the insertion angle is 123°， the sliding blade angle is 35°， the sliding blade curve function is Y=0.002x2+0.7x. In order to improve the furrow opening performance of the furrow opener， two types of furrow opener， type Ⅰ and type Ⅱ， are designed in this paper. EDEM software is used to simulate the furrow opening conditions of the two types of furrow opener in the soil tank. After comparison， the furrow opening performance of the type Ⅰ furrow opener is determined to be better. The statics analysis of type Ⅰ furrow opener was carried out by ANSYS finite element analysis software， and the design of furrow opener was verified to meet the strength requirements of materials. Finally， field tests were carried out on the machine， and the sowing capacity of the machine was 4.08 kg/hm2. The standard deviation was 0.12 g and the coefficient of variation was 3.1%. The standard deviation of total seeding stability was 0.97 g， and the coefficient of variation was 2.8%. The experimental results show that the planter has good sowing uniformity in each row， which can provide theoretical reference for the design of cabbage sowing machinery and improve the production efficiency of vegetable planting industry.

Keywords： Chinese cabbage; seeder; ditcher; air suction; field test

0 引言

我國是世界蔬菜生產(chǎn)和消費大國［1］，以江蘇省為例，全省蔬菜種植面積每年總體穩(wěn)定在1 400 khm2左右［2］，蔬菜種植產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為江蘇省重要的經(jīng)濟增長點。我國種植的蔬菜品種多種多樣，其中，小白菜因其具有生長周期較短、口感好、耐寒性好、生長周期短等優(yōu)點，在我國被廣泛種植［3］。小白菜種子粒徑較?。?］，一般在1～2 mm［5］，播種過程中多為人工散播［6］，種植工藝以及機器關(guān)鍵部位技術(shù)投入少，導(dǎo)致機械化程度較低［7-11］。市面上現(xiàn)存的一些小白菜播種機許多是由其他播種機改裝而來，工作性能不夠穩(wěn)定，難以符合我國小白菜種植農(nóng)戶的實際需求［12-15］。

國外蔬菜播種機多采用氣吸式結(jié)構(gòu)，播種精度較高，播種效率也較高，但是我國與歐美國家的蔬菜種植模式以及相關(guān)農(nóng)藝標準有所不同，許多歐美進口的播種機在我國推廣進程仍較為緩慢，也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，后期修理維護難的問題，市面上適合我國農(nóng)藝要求的高性能蔬菜播種機仍較為匱乏。國內(nèi)廠家研發(fā)的蔬菜播種機大多以機械式為主，結(jié)構(gòu)簡單，成本較為低廉，便于種植戶操作，但是針對小粒徑種子蔬菜的播種機仍然較少，現(xiàn)有農(nóng)機的播種精度仍然較低，市場上針對小粒徑種子蔬菜的播種機仍然缺口較大。

本研究結(jié)合江蘇省太倉市的小白菜種植農(nóng)藝，設(shè)計了一款符合我國相關(guān)農(nóng)藝要求的氣吸式小白菜播種機，并對機器上的開溝器進行研究。該播種機一次作業(yè)可實現(xiàn)開溝、精量排種、覆土回填等多項功能，為小白菜等小粒徑種子蔬菜的播種提供參考。

1 氣吸式小白菜精量播種機總體結(jié)構(gòu)

該氣吸式小白菜精量播種機主要由傳動地輪、橫梁、5個獨立播種單元、六角長軸、正負壓管道、三點懸掛裝置、軟管以及變速箱等組成，如圖1所示。

氣吸式小白菜精量播種機采用三點懸掛的方式與拖拉機掛接，風(fēng)機安裝在三點懸掛裝置前端；兩個傳動地輪對稱布置在機架兩側(cè)，由地輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生動力，再以鏈傳動的方式將動力傳遞至播種機的其他部分；5個播種單元均勻獨立的排布在橫梁上，并通過軟管與上方的正負壓管道相連；六角長軸將地輪傳遞的動力通過鏈傳動均勻分配到5個播種單元中；傳動地輪兩側(cè)的變速箱，可對鏈傳動中的傳動比進行調(diào)節(jié)，該機具一次下地能完成開溝、吸種、排種、覆土回填等多道作業(yè)工序。其中，單個播種單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個播種單元由仿形機構(gòu)、鎮(zhèn)壓滾、排種器、開溝器及外框架等組成。

播種單元后端設(shè)有仿形裝置，可通過旋轉(zhuǎn)搖把實現(xiàn)對播種深度的調(diào)節(jié)；播種單元中部安裝氣吸式排種器，排種器下方與開溝相連，種子從排種器內(nèi)下落后能夠掉落至開溝器開好的種溝內(nèi)，其中左右兩側(cè)的4個播種單元，每個單元都對稱安裝2個排種器，中間一個播種單元只安裝1個排種器，整機共設(shè)置9個排種器；開溝器后端與覆土器相連，能夠?qū)ν瓿刹シN的種溝進行覆土回 填；播種單元下方設(shè)有鎮(zhèn)壓輥，可實現(xiàn)對土槽的鎮(zhèn)壓填平。

2 開溝器設(shè)計

2.1 開溝器選型

開溝器是播種機上用來開出種溝的部件，其開溝性能的好壞對播種機的播種性能影響很大。開溝器按照其工作時入土角的不同，可分為銳角開溝器和鈍角開溝器兩大類。銳角開溝器入土角α<90°，這類銳角開溝器入土角小，工作時入土性能較好，但開溝阻力較大，不適合用于高速播種。鈍角開溝器入土角α>90°，其主要形式有靴鞋式、滑刀式、單元盤式和雙圓盤式等多種，鈍角開溝器入土性能較弱，但工作時可切割土塊和殘茬，開溝器不易堵塞，適合用于高速播種。這其中，滑刀式開溝器因具有結(jié)構(gòu)簡單、不易壅土的特點，在生產(chǎn)中被使用的尤為頻繁［16］。

滑刀式開溝器在結(jié)構(gòu)上有多種形式，其常見的兩種結(jié)構(gòu)為普通型滑刀式開溝器和雙腔型滑刀式開溝器。普通型滑刀式主要由滑刀以及側(cè)板等部分組成，開溝時滑刀刃口以鈍角破土，側(cè)板將土壤擠向兩側(cè)面從而形成種溝；雙腔型滑刀式開溝器主要由滑刀、側(cè)板、排種管以及排肥管等組成?；逗蠓竭B接有排種管以及排肥管2個腔體，可實現(xiàn)種肥分施的要求。

2.2 開溝器結(jié)構(gòu)

2.2.1 Ⅰ型滑刀式開溝器的結(jié)構(gòu)

參考普通型滑刀式開溝器結(jié)構(gòu)，設(shè)計一款Ⅰ型滑刀式開溝器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該款滑刀式開溝器主要由滑刀、側(cè)板、方插板、L型掛板等組成。 滑刀安裝在開溝器前端，夾在開溝器兩側(cè)的側(cè)板之間，作業(yè)時通過滑刀兩側(cè)的楔面實現(xiàn)破土并開出種溝。開溝器的上端安裝一塊方插板，其上方與播種機上的排種器相連，作業(yè)時排種器排出的菜種通過方插板掉落至開溝器內(nèi)并最終落入已經(jīng)開好的種溝中。開溝器通過后端的L型掛板與覆土器相連，再由覆土器對播種完成的種溝進行覆土回填。

2.2.2 Ⅱ型滑刀式開溝器的結(jié)構(gòu)

參考雙腔型滑刀式開溝器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款Ⅱ型滑刀式開溝器，圖4為其結(jié)構(gòu)示意圖。該款滑刀式開溝器主要由滑刀、側(cè)邊擠土板、落種坡面等組成。

該款開溝器的最前端為滑刀，工作時滑刀刃口以鈍角破土。側(cè)邊擠土板將土壤擠向兩側(cè)面并開出種溝。開溝器尾端為落種坡面，坡面與開好的種溝間呈一定的斜度且該斜度大于種子的靜摩擦角，工作時排種器排出的種子最先落在落種坡面上，之后種子再沿著坡面滑落至開好的種溝內(nèi)，再由覆土器完成后續(xù)的覆土回填作業(yè)，最終完成種子播種的全過程。

2.3 開溝器相關(guān)參數(shù)計算

2.3.1 滑刀入土角

入土角α是指開溝器在入土?xí)r滑刀前端面與水平方向間的夾角，圖5為Ⅰ型和Ⅱ型兩種開溝器入土角α的示意圖。

所以刃口角的取值范圍為β＜57.7°。楊薇［18］通過研究發(fā)現(xiàn)，刃口角的取值范圍一般為30°～80°，本文最終取整確定滑刀刃口角β =35°。

2.3.3 滑刀刀刃曲線

滑刀的刀刃曲線決定了滑刀刀刃的形狀，良好的刀刃曲線設(shè)計能夠使得滑刀在破土?xí)r阻力減小，提升滑刀在土壤中的滑切效率。圖6為滑刀的刀刃曲線示意圖。

3 開溝器仿真

3.1 基于EDEM軟件的開溝器仿真分析

為了驗證Ⅰ型和Ⅱ型兩款開溝器在土壤中的開溝性能，采用離散元軟件EDEM對開溝器在土槽內(nèi)的開溝狀況進行模擬，通過對比所開出種溝的形狀是否穩(wěn)定整齊，借此來判定開溝器的開溝性能。在離散元軟件EDEM中的Creator（模型創(chuàng)建）模塊定義出原型顆粒，采用球形顆粒模擬土壤顆粒，為了簡化模型，統(tǒng)一設(shè)置土壤顆粒模型為雙球模型，半徑為5 mm，顆粒模型如圖7所示。由于土壤顆粒之間存在黏聚力，因此選擇接觸力學(xué)模型為Hertz-Mindlin with Bonding模型，該模型可以用來粘接顆粒，適合用來模擬土壤以及巖石等結(jié)構(gòu)［21-24］。利用創(chuàng)建好的土壤顆粒模型來建顆粒工廠，以生成的土壤顆粒填充一個尺寸為500 mm×500 mm×100 mm的土壤顆粒床模型，生成的土槽顆粒床模型如圖8所示。

顆粒床模型用來模擬開溝器工作的土槽，相關(guān)離散元具體參數(shù)數(shù)值參考相關(guān)文獻［17］，如表1所示。在Simulator（仿真計算）模塊中，需將SolidWorks軟件繪制出的Ⅰ型和Ⅱ型滑刀式開溝器三維模型以step的文件格式導(dǎo)入EDEM中。因一般蔬菜播種機的作業(yè)速度約為3 km/h，即0.833 m/s，因此需同時賦予2種開溝器一個向前的運動速度，大小為0.833 m/s，統(tǒng)一將2種開溝器的開溝深度設(shè)置為30 mm，設(shè)置完畢之后進行仿真。 仿真過程結(jié)束后，通過后處理步驟導(dǎo)出Ⅰ型滑刀式開溝器在0 s（開始開溝階段）、0.5 s（穩(wěn)定開溝階段）以及1 s（開溝結(jié)束階段）的工作狀態(tài)，如圖9所示，導(dǎo)出Ⅱ型滑刀式開溝器在0 s（開始開溝階段）、0.5 s（穩(wěn)定開溝階段）以及1 s（開溝結(jié)束階段）的工作狀態(tài)，如圖10所示。

分別使用Analyst分析模塊中的Slices（截斷分析）選項，對經(jīng)過Ⅰ型開溝器開溝的土槽土壤、Ⅱ型開溝器開溝的土槽土壤以及未經(jīng)任何開溝器開溝的土槽土壤進行截斷處理，Slice depth（截斷厚度）設(shè)置為10 mm，3種土壤的截面圖如圖11所示。

通過對比兩種土壤截面可以看出，經(jīng)過Ⅱ型滑刀式開溝器開溝的土槽土壤與未經(jīng)開溝的土槽土壤差別不大，不能形成穩(wěn)定的種溝形狀，不符合開溝器在開溝時所開溝形需整齊平直的設(shè)計要求。推測出現(xiàn)該種情況可能與Ⅱ型滑刀式開溝器結(jié)構(gòu)有關(guān)，因為Ⅱ型滑刀式開溝器的滑刀部分相較于兩側(cè)的擠土板有較大的高度差，開溝時經(jīng)過滑刀滑切過的土壤顆粒會發(fā)生相對位移，向兩側(cè)的擠土板方向滑動，因為滑刀與擠土板之間存在較大的高度差，土壤顆粒會沿著擠土板漏至已經(jīng)開好的種溝內(nèi)，造成開溝效果不明顯的現(xiàn)象。

因此，在通過EDEM軟件對Ⅰ型和Ⅱ型兩種滑刀式開溝器的開溝過程進行模擬仿真后，得出如下結(jié)論：相較于Ⅱ型滑刀式開溝器，Ⅰ型滑刀式開溝器開出的種溝形狀更為穩(wěn)定整齊且能在種溝兩側(cè)形成一定的翻土堆積量，有利于種子發(fā)芽，因此本課題最終選?、裥突妒介_溝器作為播種機的開溝器形式。

3.2 基于有限元的開溝器靜力學(xué)分析

開溝作業(yè)在整個播種過程中是一道重要工序，而開溝器作為其主要部件，在工作中需要頻繁與土壤接觸，可能會出現(xiàn)強度斷裂、扭轉(zhuǎn)破壞等現(xiàn)象，進而嚴重影響到開溝器的開溝性能，因此有必要對開溝器進行靜力學(xué)分析。將已經(jīng)用SolidWorks軟件建模好的開溝器模型導(dǎo)入至ANSYS Workbench 17.0軟件中，并劃分四面體網(wǎng)格，將開溝器的材料設(shè)定為65Mn，具體參數(shù)如表2所示。

開溝器的工作阻力受多種因素的影響，如開溝器形式與結(jié)構(gòu)參數(shù)、開溝深度、土壤特性及播種作業(yè)速度等，第二版農(nóng)業(yè)機械學(xué)［25］對單個開溝器所受的工作阻力做了如下的介紹，如表3所示。

滑刀式開溝器的平均阻力范圍是200～400 N，取極限工況下的最大工作阻力值400 N作為此處開溝器所受的工作阻力，進行應(yīng)力分析。

由圖12可以看出，開溝器的變形主要發(fā)生在其滑刀的外側(cè)，變形量由開溝器的后端向前端逐步遞增，最大變形量為0.140 95 mm，整體的變形量較小，不影響開溝器的正常工作，符合作業(yè)條件；由圖13可以看出，最大應(yīng)力位置位于開溝器后端的螺栓連接處，應(yīng)力大小為96.958 MPa，遠遠小于65Mn材料的屈服強度785 MPa，符合材料的強度要求。

4 播種機大田試驗

4.1 田間試驗方法

根據(jù)所設(shè)計的播種機模型制造出樣機，并于2021年1月在太倉市潢涇鎮(zhèn)開展樣機田間測試。測試過程嚴格按照GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》進行。試驗前在9個排種器種箱內(nèi)分別倒入20 g菜種。進行測試作業(yè)時，拖拉機的行進速度為3 km/h。為了保證測試的準確性，首次測定在播種開始20 m后進行，最后一次測定在播種結(jié)束前20 m處停止，在此階段內(nèi)播種機的工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，更加接近播種機的真實工作狀態(tài)，使得測出的數(shù)據(jù)可靠度較高，整個測試區(qū)域的長度為50 m。每次播種結(jié)束后，將編號為1～9的排種器內(nèi)剩余種子卸掉，分別對應(yīng)裝入編號為1～9的密封袋內(nèi)，并用精度為0.01 g的精密實驗室天秤稱出每個密封袋內(nèi)種子的重量。排種器在50 m測試區(qū)域內(nèi)播種量計算公式如式（6）所示，測試共進行5次。

5 結(jié)論

1） 本文設(shè)計了一款氣吸式精量播種機，主要由傳動地輪、橫梁、5個獨立播種單元、六角長軸、正負壓管道、三點懸掛裝置、軟管以及變速箱等構(gòu)成。

2） 播種機選用的開溝器為滑刀式開溝器。通過計算，得出開溝器滑刀入土角為123°，滑刀刀刃曲線為y=0.002x2+0.7x，滑刀刃口角為35°，通過離散元軟件EDEM模擬開溝器在吐槽中的開溝狀況，驗證開溝器具有良好的開溝性能。通過ANSYS workbench對開溝器進行靜力學(xué)分析，得出最大變形量為0.140 95 mm，最大應(yīng)力為96.958 MPa，符合材料的強度要求。

3） 通過整機田間試驗測試，得出播種機的各行播量一致性的標準差為0.12 g，變異系數(shù)為3.1%，總體播量穩(wěn)定性的標準差為0.97 g，變異系數(shù)為2.8%，試驗結(jié)果表明該播種機各行播種均勻性良好，總體播種性能也較為穩(wěn)定。

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