石林榕 趙武云 楊小平 孫步功 孫 偉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 蘭州 730070)

0 引言

甘肅省地理環(huán)境惡劣，十年九旱，地膜覆蓋技術(shù)能最大效應(yīng)增溫保墑[1]。目前國內(nèi)多數(shù)覆膜播種機(jī)采用先播種后鋪膜模式，出苗前需人工或者機(jī)械破膜放苗，增加作業(yè)工序和勞動強(qiáng)度。膜上打孔播種技術(shù)在膜上打孔播種，省去了放苗工序[2]。西北地區(qū)的“秋覆膜”和“頂凌覆膜”較傳統(tǒng)覆膜優(yōu)勢明顯[3-4]，“秋覆膜”是秋季覆膜保住3個月(7—9月)的降雨，為來年4月種玉米發(fā)芽生根之用；“頂凌覆膜”是避免地表在“晝消夜凍”過程中損失墑情，然而播種難度較大。針對兩種覆膜方式甘肅省仍普遍采用人工或簡易機(jī)械，勞動強(qiáng)度高、播種合格率低。國內(nèi)研發(fā)成熟的膜上播種機(jī)幾乎均以滾輪式播種機(jī)為主[5-6]，播種較淺作物時，成穴器運動軌跡余擺線對地膜影響不大，播種較深作物時，易產(chǎn)生挑膜、刮膜等問題，西北多風(fēng)會加劇膜孔開裂；同時，種子周圍土壤擾動大，造成種子發(fā)芽周期較長。直插播種技術(shù)采用打孔器對地膜覆蓋的土壤進(jìn)行打孔，僅在穴孔位置開膜切開，利于保墑和抗旱。

陳曉光等[7]首次提出直插播種原理，此后國內(nèi)對直插播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量研究。劉軍干等[8]采用平行四桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用于小麥直插式覆膜穴播機(jī)中，由于穴播過程中鴨嘴水平位移量較大，存在嚴(yán)重的挑膜、撕膜問題。趙建托等[9]設(shè)計的玉米全膜雙壟溝播直插穴播機(jī)采用凸輪和曲柄組合機(jī)構(gòu)控制鴨嘴的穴播過程，實現(xiàn)播種時間段成穴器水平絕對速度為零，基本解決了撕膜等問題。趙武云等[10]采用凸輪-曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、運動放大機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了成穴器的“零速”投種。戴飛等[11]通過應(yīng)用轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)與正弦機(jī)構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)，運動放大機(jī)構(gòu)放大補(bǔ)償速度實現(xiàn)“零速”播種，由于機(jī)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)構(gòu)運行不可靠。以上機(jī)具均將種箱和鴨嘴分離，通過排種管連接，鴨嘴隨穴播桿作往復(fù)回轉(zhuǎn)運動，增加種子在排種管內(nèi)的停留時間，易造成空穴。為解決此問題，石林榕等[12-13]設(shè)計了轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿驅(qū)動平行四桿機(jī)構(gòu)，完成整機(jī)前進(jìn)速度補(bǔ)償，同時該機(jī)將種箱和排種機(jī)構(gòu)安裝在穴播桿上，減少了排種器排種時間，但同時增加了穴播桿的回轉(zhuǎn)慣性；由于該機(jī)通過地面與穴播桿的相對位移實現(xiàn)排種輪排種和鴨嘴開啟，當(dāng)遇到不平度較高地面時，易造成漏播。

針對以上問題，在電驅(qū)式小區(qū)玉米膜上直插穴播機(jī)的基礎(chǔ)上[13-17]，為提高玉米直插穴播機(jī)的可靠性及穴粒數(shù)合格率，設(shè)計強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置，重點對強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器和強(qiáng)排-強(qiáng)啟同步機(jī)構(gòu)共軛凸輪進(jìn)行分析計算和試驗驗證。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為玉米直插穴播機(jī)結(jié)構(gòu)圖。玉米直插穴播機(jī)主要由機(jī)架、減速電動機(jī)、強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置、前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、蓄電池、共軛凸輪機(jī)構(gòu)、差速器和牙嵌式電磁離合器等組成。

圖1 玉米直插穴播機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of corn insert plot hill-drop planter1.機(jī)架 2.減速電動機(jī) 3.蓄電池 4.強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器 5.后輪 6.直線推桿 7.把手 8.排種裝置 9.前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)10.共軛凸輪機(jī)構(gòu) 11.牙嵌式電磁離合器 12.差速器 13.前輪

1.2 動力傳遞過程

玉米直插穴播機(jī)的動力傳遞過程如圖2所示。運動時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)動經(jīng)過減速箱減速，一側(cè)通過鏈傳遞至差速器，差速器驅(qū)動地輪前進(jìn)，另一側(cè)通過鏈傳遞至離合器。整機(jī)行走時，離合器動力斷開，作業(yè)時，離合器切合通過鏈傳動將動力分別傳遞給共軛凸輪機(jī)構(gòu)、前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和外槽輪排種輪，為保證3個機(jī)構(gòu)的同步性，連接共軛凸輪機(jī)構(gòu)、前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和外槽輪排種輪的鏈輪齒數(shù)相同，其中外槽輪上僅有一取種窩眼，前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)能實現(xiàn)穴播過程的“零速”入穴出穴，在前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的穴播桿入穴時共軛凸輪機(jī)構(gòu)通過拉線拉動取種間歇機(jī)構(gòu)進(jìn)行取種并將種子提前投入鴨嘴內(nèi)，當(dāng)鴨嘴開始上升時，拉線拉啟活動鴨嘴，種子在重力作用下掉入穴孔內(nèi)，待鴨嘴完全脫離土壤后，鴨嘴在拉簧的作用下閉合，間歇機(jī)構(gòu)在扭簧的作用下恢復(fù)初始位置，與此同時，外槽輪排種旋轉(zhuǎn)一周完成一次取種任務(wù)，種子通過輸種管落入小種盒內(nèi)，完成一個周期的排種過程。

圖2 動力傳遞過程示意圖Fig.2 Process of power transfer1.電動機(jī) 2.減速箱 3.差速器 4.地輪 5.離合器 6.共軛凸輪機(jī)構(gòu) 7.拉線 8.前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu) 9.取種間歇機(jī)構(gòu) 10.活動鴨嘴 11.固定鴨嘴 12.外槽輪排種輪

1.3 工作原理

如圖1、2所示，作業(yè)時，玉米直插穴播機(jī)減速電動機(jī)驅(qū)動差速器使整機(jī)以一定速率前進(jìn)；同時電動機(jī)驅(qū)動前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，使整機(jī)前進(jìn)時鴨嘴在播種期間能相對于地面基本實現(xiàn)直下直上。同時電動機(jī)帶動共軛凸輪機(jī)構(gòu)，拉動強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器的排種輪轉(zhuǎn)動取種及活動鴨嘴開啟排種。電動機(jī)也驅(qū)動排種裝置的槽輪式排種輪轉(zhuǎn)動排種。為減小強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器回轉(zhuǎn)運動中的慣性，強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置上設(shè)小種箱，排種裝置設(shè)大種箱，大種箱內(nèi)的種子在外槽輪排種器的協(xié)助下通過排種管輸入小種箱，使強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器內(nèi)的種群數(shù)保持一致。后輪可通過直線推桿調(diào)節(jié)高度。當(dāng)平地穴播時，使后輪和前輪高度保持一致；當(dāng)壟溝穴播時，前輪騎行于溝底，后輪行走于壟面，需縮短直線推桿長度；為避免運輸過程中地面與鴨嘴發(fā)生接觸，增大直線推桿長度。強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器與穴播桿通過2個滑塊垂直連接，上滑塊與穴播桿通過壓簧連接，當(dāng)遇到地面不平時，可在一定程度滿足播深一致。遇到堅硬地面或石塊時壓簧被壓縮，鴨嘴得到保護(hù)。

2 強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置設(shè)計

2.1 前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

如圖3所示，前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)主要由動力輸入曲柄、導(dǎo)桿、主動曲柄、穴播桿和從動曲柄等組成，動力輸入曲柄和導(dǎo)桿組成轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，由機(jī)架、主動曲柄、穴播桿和從動曲柄組成平行四桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)核心功能為轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)將動力輸入曲柄的勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為導(dǎo)桿的周期性非勻速轉(zhuǎn)動，由于導(dǎo)桿與主動曲柄垂直固定安置，非勻速轉(zhuǎn)動的主動曲柄帶動平行四桿機(jī)構(gòu)中穴播桿在向下運動一定區(qū)間內(nèi)相對地面直上直下，即在前進(jìn)速度補(bǔ)償期間穴播桿入土到出土?xí)r前進(jìn)速度接近于零，保證了鴨嘴對玉米生長周圍種床(上虛下實)破壞少，減少了鴨嘴對地膜撕裂等問題。

圖3 前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of forward speed compensation device1.導(dǎo)桿 2.動輸入曲柄 3.主動曲柄 4.穴播桿 5.從動曲柄

2.2 穴播關(guān)鍵時間點

根據(jù)前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)穴播過程中關(guān)鍵動作確定穴播關(guān)鍵時間點，穴播過程中關(guān)鍵動作由鴨嘴入土、鴨嘴出土、鴨嘴和排種輪恢復(fù)段組成。通過前進(jìn)速度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)運動仿真軌跡確定鴨嘴開始入土到穴底階段主動齒輪的轉(zhuǎn)角為7.54°～81.05°，此期間鴨嘴保持閉合；鴨嘴從穴底到出穴階段主動齒輪的轉(zhuǎn)角為81.05°～179.05°，此期間鴨嘴保持開啟；鴨嘴開口恢復(fù)階段主動齒輪的轉(zhuǎn)角為179.05°～361.88°，此期間前期鴨嘴閉合。如圖4所示。

圖4 穴播周期內(nèi)關(guān)鍵時間點Fig.4 Key time point during seeding period

為了保證設(shè)計的共軛凸輪和偏心齒輪機(jī)構(gòu)共同協(xié)調(diào)完成強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器的取種和排種動作，需準(zhǔn)確確定共軛凸輪和主動偏心齒輪初始安裝角，圖5所示為一個穴播周期內(nèi)關(guān)鍵時間點與主動偏心齒輪轉(zhuǎn)角關(guān)系。

圖5 穴播周期內(nèi)關(guān)鍵時間點與主動齒輪轉(zhuǎn)角關(guān)系Fig.5 Relationship between key time point during seeding period and driving gear rotation

2.3 排種器運動分析

為減小排種器體積，同時扭桿有效長度需大于排種輪半徑和安裝尺寸，最終扭桿有效長度l2設(shè)計為60 mm，因此排種輪排種期間滑桿需要上滑l1使排種輪排種一次，如圖6a所示。在此過程中，鴨嘴開啟拉桿在滑槽內(nèi)滑動，未對活動鴨嘴發(fā)生作用?；瑮U上滑位移l1為

圖6 排種器運動分析Fig.6 Analysis for motion of seed metering device1.滑桿 2.滑桿支座 3.連桿 4.鴨嘴開啟拉桿 5.活動鴨嘴 6.固定鴨嘴 7.扭簧 8.鴨嘴固定盒 9.排種盒 10.扭桿 11.安裝座 12.帶桿 13.排種輪

(1)

式中θ1——排種輪排種一次轉(zhuǎn)角，(°)

如圖6b所示，當(dāng)排種輪旋轉(zhuǎn)滿足排種角度后，還需隨滑桿向上移動一定距離拉起活動鴨嘴，滑桿增加位移Δl為

(2)

式中l(wèi)′2——扭桿排種和鴨嘴開啟有效長度，mm

θ2——排種輪排種一次轉(zhuǎn)角和鴨嘴開啟轉(zhuǎn)角的和，(°)

鴨嘴開啟拉桿拉起活動鴨嘴繞鴨嘴旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，角度較小，滑桿增加位移等于繞鴨嘴旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動弧長為

式中δ1——鴨嘴開啟拉桿拉起活動鴨嘴轉(zhuǎn)角，(°)

l4——滑槽上端到旋轉(zhuǎn)中心間的距離，mm

根據(jù)實際播種玉米尺寸統(tǒng)計情況，同時為避免有較多土壤進(jìn)入鴨嘴，開口不宜過大，活動鴨嘴開口應(yīng)與玉米最大長相當(dāng)。設(shè)定活動鴨嘴開口大小為l5，根據(jù)角速度相等原理可得

(3)

其中

(4)

式中δ2——活動鴨嘴嘴尖轉(zhuǎn)角，(°)

l3——活動鴨嘴嘴尖到旋轉(zhuǎn)中心間距離，mm

l5——活動鴨嘴嘴尖開口量，mm

2.4 排種機(jī)構(gòu)設(shè)計

為提高型孔充填能力，取種過程排種輪勻速轉(zhuǎn)動，即角速度為常數(shù)，如圖7所示。排種輪轉(zhuǎn)動線速度為

vp=θ1l2

(5)

其中

式中z——窩眼型孔數(shù)，個

圖7 窩眼輪運動分析Fig.7 Analysis of movement of eye socket

排種輪轉(zhuǎn)動線速度垂直分速度為

(6)

式中T——穴播一個周期的時間，s

v1——向上拉絲速度，mm/s

對式(6)求導(dǎo)可得拉桿運動按正弦函數(shù)加速度運動，加速度為

(7)

窩眼輪型孔數(shù)為

(8)

式中dw——窩眼輪直徑，m

vm——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

S——株距，m

窩眼輪直徑不宜太小，因其曲率大，不利于種子充填型孔而造成漏播。為縮小排種器體積，窩眼輪直徑設(shè)為46 mm。窩眼輪上型孔數(shù)越多，則窩眼輪線速度越低，有利于提高型孔充填性能，但型孔數(shù)又受窩眼輪直徑和型孔間相隔距離限制。由文獻(xiàn)[18]可知玉米種子受鴨嘴向上慣性影響，前進(jìn)速度限制低于170 mm/s，本文前進(jìn)速度vm取170 mm/s，株距330 mm，穴播周期為1.94 s。據(jù)式(2)估算及排種輪平穩(wěn)取種要求，排種輪圓周方向設(shè)7行孔穴，排種輪旋轉(zhuǎn)2π/7排種一次。通過仿真可知鴨嘴由入土到穴底0.47 s期間需取種一次，由此排種輪角速度為1.9 rad/s。計算結(jié)果如表1所示。

表1 排種器運動參數(shù)計算結(jié)果Tab.1 Calculation result for motion parameters of seed metering device

2.5 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計

單凸輪的強(qiáng)排機(jī)構(gòu)需使用彈簧或者重力恢復(fù)初始位置，彈簧長時間工作后會產(chǎn)生彈簧松弛，造成穴播鴨嘴開啟不穩(wěn)定，影響播種效果。共軛凸輪具有加載力、波動和噪聲小等優(yōu)點[18-19]。為使排種輪排種和開啟活動鴨嘴便于排種，通過式(1)計算得到拉桿位移為52.06 mm。由式(2)計算得到拉桿開啟鴨嘴增加的位移為8.13 mm。為使拉桿復(fù)位可靠，避免使用彈簧，在生成主動凸輪的基礎(chǔ)上，設(shè)計了從動凸輪，圖8所示為設(shè)計的共軛凸輪。為減小體積和滿足一定強(qiáng)度要求，凸輪基圓半徑R設(shè)為60 mm(圖9a)，凸輪推程階段分兩步，第1步凸輪推程7.54°～81.05°期間，拉桿位移l1為52.06 mm(圖9b)；第2階段凸輪推程81.05°～83°期間，拉桿增加位移l′1為8.13 mm(圖9c)；鴨嘴排完種后不能將鴨嘴閉合，防止鴨嘴夾土影響下一次排種，因此凸輪保持階段為83°～179.05°(圖9d)，在此期間滑桿保持拉開鴨嘴直到鴨嘴離開穴孔，防止鴨嘴過早關(guān)閉出現(xiàn)夾土問題。

圖8 共軛凸輪構(gòu)件Fig.8 Component of conjugate cam1.主動凸輪 2.從動凸輪 3.拉桿 4.主軸承 5.副軸承 6.拉板

圖9 共軛凸輪運動簡圖Fig.9 Analysis for motion carillon

3 試驗

圖10 樣機(jī)田間試驗Fig.10 Field test of prototype

玉米直插穴播機(jī)強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置田間播種性能試驗于2017年6月8日在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田進(jìn)行。樣機(jī)試驗如圖10所示，試驗地南北走向、呈矩形，土壤為沙壤土，含水率為10.5%～13.6%，40 mm深度土壤堅實度平均值為124 kg/cm2，地溫平均值為24.5℃。試驗機(jī)具前進(jìn)速度為0.17 m/s。試驗地依照甘肅玉米播種技術(shù)(平鋪膜寬70 cm)，覆膜厚度為0.01 mm。玉米種植品種為隴單339號，千粒質(zhì)量為371 g，種子外形尺寸平均值為87 mm×75 mm×45 mm。按照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》對播種機(jī)作業(yè)性能的測定要求，計算玉米直插穴播機(jī)強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置膜上播種作業(yè)時種子空穴率、穴粒數(shù)合格率。以200 mm長單膜為1個作業(yè)小區(qū)，測定點為5個小區(qū)內(nèi)所有的穴孔，記錄穴孔內(nèi)的種數(shù)。性能參數(shù)計算公式為

(9)

式中f——總膜孔數(shù)，個

kh——空穴數(shù)，個

Hk——空穴率，%

lh——穴粒數(shù)合格穴數(shù)，個

Hl——穴粒數(shù)合格率，%

bh——膜下播種深度合格穴數(shù)，個

Hb——膜下播種深度合格率，%

由試驗結(jié)果可知，玉米直插穴播機(jī)強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置的空穴率為1.8%、穴粒數(shù)合格率為95.3%、膜下播種深度合格率為88.1%，試驗指標(biāo)均符合相應(yīng)指標(biāo)要求。與文獻(xiàn)[13]中玉米直插穴播機(jī)的播種性能相比，該機(jī)穴粒數(shù)合格率提高了2.3%，空穴率增加了38.89%。分析原因，由于該機(jī)的取種輪在壓力一定的種群條件下單粒取種精度提高，穴粒數(shù)合格率有所提高；試驗中發(fā)現(xiàn)鴨嘴開啟從穴底向上運動時，鴨嘴周圍土壤會干擾種子落入穴孔，造成個別種子掉落壟面，按空穴計算致使該機(jī)空穴率增加。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，玉米直插穴播機(jī)強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置傳動運行平穩(wěn)，裝置傳動運行平穩(wěn)，能完成取種和排種動作，鴨嘴無提早排種問題?？傮w而言，采用強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置的玉米直插穴播機(jī)滿足農(nóng)藝技術(shù)要求和玉米播種機(jī)的基本作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

采用共軛凸輪和強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種器聯(lián)合作用實現(xiàn)玉米種子有效取種和強(qiáng)排，避免了地面不平度對播種性能的影響，試驗結(jié)果表明，玉米直插穴播機(jī)強(qiáng)排-強(qiáng)啟排種裝置的空穴率為1.8%、穴粒數(shù)合格率為95.3%、膜下播種深度合格率為88.1%；裝置傳動運行平穩(wěn)，能完成取種和排種動作，鴨嘴無提早排種問題，滿足玉米播種的設(shè)計要求和農(nóng)藝技術(shù)要求。

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