代祥 宋海潮 于林惠 曾曉萍 馬金駿

摘要：針對當(dāng)前大蒜種植機(jī)械化程度較低的現(xiàn)狀，設(shè)計一款自走式大蒜播種施肥一體機(jī)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)。采用蒜鏈與取種勺配合實(shí)現(xiàn)大蒜取種和輸送，采用外槽輪排肥器實(shí)現(xiàn)肥料供給，并基于芯鏵式開溝鏟實(shí)現(xiàn)開溝；基于大蒜播種與施肥功能一體化要求，在降低整機(jī)尺寸、提高緊湊程度和效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)傳動鏈有效分配，使其具有完善的自走功能，并能夠有效調(diào)節(jié)種植株距；合理設(shè)計平行四邊形舉升機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開溝鏟和壓輥?zhàn)詣由?，方便調(diào)節(jié)播施深度；基于ANSYS Workbench，在評估機(jī)架靜力學(xué)、模態(tài)及頻率響應(yīng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行型材優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能提升和減重。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，提高運(yùn)動速度和降低種植株距會導(dǎo)致漏播率明顯上升，重播率下降，但整體播種合格率仍會較大程度降低；以邳州白蒜為對象，保持種植株距為120mm，機(jī)具運(yùn)動速度為15m/min時，平均播種合格率為86.1%，漏播率為8.7%，重播率為5.2%，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；預(yù)設(shè)施肥深度為6.2cm時平均施肥深度為6.22cm，施肥穩(wěn)定系數(shù)為96.40%。機(jī)具能夠有效滿足大蒜播種與施肥的一體化要求。

關(guān)鍵詞：大蒜；播種施肥；一體化機(jī)具；自走式

中圖分類號：TP391.41： S482

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070016

10

Optimized design and experiment of the self-propelled garlic drilling and

fertilizing integrated machine

Dai Xiang1， Song Haichao1， Yu Linhui1， Zeng Xiaoping2， Ma Jinjun2

（1. College of Mechanical Engineering， Nanjing Vocational University of Industry Technology， Nanjing，

210023， China; 2. Jiangsu Agricultural Technology Extension Station， Nanjing， 210029， China）

Abstract： A self-propelled garlic planting and fertilizing integrated machine was designed， and preliminary field experiments were conducted. The combination of the garlic picking chains and spoons realized garlic picking and transportation. The outer-fluted fertilizer apparatus was used to supply fertilizers. Double-wing ditchers were used to excavate ditches. Based on the requirements of integration of garlic drilling and fertilizing， the position， structure， and parameters of each assembly were determined to reduce the size and improve the compactness of the machine， and realize an effective distribution of the transmission chain， enabling adjustable plating spacing and thorough self-propelled function. The lifting mechanism was designed with a parallelogram structure， allowing for automatic lifting and lowering of the ditcher. Based on numerical simulation through ANSYS Workbench， the frame was optimized by evaluating the statics， modal， and frequency response to achieve performance improvements and weight reduction. Field experiment results indicated that increasing the movement speed and reducing the planting distance led to a significant increase in the missing planting rate and a decrease in reseeding rate， resulting in a decrease in overall drilling qualified rate. However， when the planting distance was set at 120mm for Pizhou garlic and the machines speed was 15m/min， the average qualified rate of drilling was 86.1%， the average missing rate was 8.7%， and the average reseeding rate was 5.2%， meeting the required technical standards. Additionally， the average fertilization depth was 6.22cm with a stability coefficient of 96.40% when the preset fertilizer depth was 6.2cm， indicating satisfactory fertilization performance. Therefore， the machine can effectively realize mechanized drilling of garlic with reliable fertilization efficacy.

Keywords： garlic; drilling and fertilizing; integrated machine; self-propelled

0 引言

大蒜在我國種植較為廣泛，是部分地區(qū)的支柱性農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)類別。目前，我國的大蒜種植仍以手工作業(yè)為主，具有勞動強(qiáng)度大，效率低下，難以持續(xù)的特點(diǎn)，因此推廣大蒜機(jī)械化種植是大蒜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路，大蒜種植機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)對提高大蒜種植效益、增加農(nóng)民收入具有重要意義［12］。

大蒜播種機(jī)械按照其驅(qū)動方式可分為牽引式（懸掛式）和自走式，前者指大蒜播種機(jī)械自身無動力，需要由拖拉機(jī)等設(shè)備進(jìn)行牽引驅(qū)動［34］，目前，比較典型的有山東瑪利亞農(nóng)機(jī)所開發(fā)的旋耕式大蒜播種機(jī)［5］，機(jī)具將土壤旋耕功能和大蒜直立插播技術(shù)結(jié)合，既能夠平整土地，也能實(shí)現(xiàn)較好的播種效果，但是較大的整機(jī)尺寸和重量限制了其應(yīng)用，且其價格較為昂貴，不適宜于小農(nóng)經(jīng)濟(jì)模式下農(nóng)民采購和使用；侯加林等［6］研發(fā)了一種采用雙鴨嘴實(shí)現(xiàn)大蒜正芽，行星輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大蒜插播的播種機(jī)械，依靠地輪的滑移動力滿足裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的需要，但該機(jī)具造價相對較高；張嬌等研發(fā)了一種排種裝置可調(diào)節(jié)的、單粒取種和播種的新型牽引式大蒜播種機(jī)械，能夠通過改變型孔調(diào)節(jié)長度適應(yīng)不同尺寸蒜種，該機(jī)具無大蒜正芽播種功能，故整體結(jié)構(gòu)較為簡潔，但其一方面需要拖拉機(jī)牽引，另一方面因無自動施肥功能，難以滿足部分地區(qū)大蒜種植農(nóng)藝需求，因此整體功能有進(jìn)一步完善的空間。

自走式大蒜播種機(jī)械目前在市場上也占有一定份額，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)依靠自身發(fā)動機(jī)提供動力，能同時滿足機(jī)具的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、行走、開溝和播種功能［7］；Park［8］設(shè)計的大蒜播種機(jī)，由一臺內(nèi)燃機(jī)提供動力，一名駕駛員進(jìn)行操控，蒜種經(jīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)頂升后由圓周旋轉(zhuǎn)的刷子掃入播種管道，落入開溝器開好的溝內(nèi)，經(jīng)由覆土機(jī)構(gòu)覆土后完成播種；王成文等［9］設(shè)計的六行手扶式大蒜播種機(jī)，適用于小規(guī)模種植，且操作簡單、機(jī)具成本低，但類似機(jī)具并不能有效實(shí)現(xiàn)播種與施肥的同時進(jìn)行，因此難以滿足部分情況下大蒜播種與施肥同時進(jìn)行的農(nóng)藝要求，且機(jī)具設(shè)計中缺乏嚴(yán)格的理論計算和力學(xué)校核，合理性仍有待提高。

針對當(dāng)前我國大蒜種植機(jī)械存在的問題，面向江蘇邳州地區(qū)大蒜種植需求，本文參照國內(nèi)外先進(jìn)機(jī)型，通過理論設(shè)計、數(shù)值仿真計算相結(jié)合的方法，研制一款自走式大蒜播種施肥一體機(jī)，以有效實(shí)現(xiàn)大蒜播種與施肥的一體化。并且，本文通過進(jìn)一步的田間播種施肥試驗(yàn)，對機(jī)具各項(xiàng)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而對其性能進(jìn)行合理評估。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

為滿足自走式大蒜播種施肥一體化的功能需求，機(jī)具包含動力、主軸運(yùn)動、轉(zhuǎn)向、取種、施肥、開溝系統(tǒng)，以及機(jī)架和覆板等，如圖1（a）所示。通過對國內(nèi)外現(xiàn)有機(jī)型研究并結(jié)合設(shè)計要求，確定了播種機(jī)設(shè)計方案，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，使用SolidWorks軟件完成了樣機(jī)初步的虛擬零件設(shè)計及裝配建模，作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和關(guān)鍵零部件設(shè)計的基礎(chǔ)條件，如圖1（b）所示。

1.2 工作原理

自走式大蒜播種施肥一體機(jī)動力均由一臺汽油發(fā)動機(jī)提供，機(jī)架與差速主軸外緣剛性固定；通過播種變速箱調(diào)節(jié)播種速度，實(shí)現(xiàn)種植株距調(diào)整，通過取種鏈、勺協(xié)同工作，將大蒜從種箱輸運(yùn)至播種開溝鏟上方釋放；通過施肥軸的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動排肥器工作，將肥料輸送至肥料輸送管，并最終從施肥開溝鏟上方下落，實(shí)現(xiàn)自主施肥；開溝系統(tǒng)則為平行四邊形機(jī)構(gòu)，通過兩側(cè)推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)開溝鏟的舉升和下降，完成播種與運(yùn)輸模式的切換以及播施深度在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，播種和施肥完畢后，通過鎮(zhèn)壓輥將開溝撫平，覆蓋蒜種和肥料。

1.3 工作參數(shù)

按照邳州白蒜的種植模式與農(nóng)藝要求，確定樣機(jī)設(shè)計所需主要參數(shù)指標(biāo)如表1所示，滿足邳州白蒜小農(nóng)種植戶的種植需求。

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 整機(jī)傳動系統(tǒng)的確定

整機(jī)傳動系統(tǒng)對于確保機(jī)具正常播種和施肥至關(guān)重要，需要保證機(jī)具工作狀態(tài)下機(jī)具前進(jìn)速度與播種速度的正確匹配。

n2Zfp=1 000πn1Ds

（1）

式中：

n1——主軸轉(zhuǎn)速，r/min；

n2——取種軸轉(zhuǎn)速，r/min；

Zf——取種鏈輪齒數(shù)；

s——播種株距，mm；

D——地輪直徑，m；

p——種勺安裝節(jié)距數(shù)。

整機(jī)采用前輪驅(qū)動，后輪轉(zhuǎn)向的方式，傳動系統(tǒng)如圖2所示，主要采用鏈傳動實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的恒定傳動比動力傳輸。

根據(jù)待選汽油機(jī)系列的普遍輸出轉(zhuǎn)速（1 800～3 600r/min），選擇WD20-4型蝸輪蝸桿減速機(jī)進(jìn)行一級減速；選擇Z4型農(nóng)用變速箱作為行車主變速箱，具有離合裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)不同檔位動力傳輸；選擇鵬灃小六檔播種變速箱進(jìn)行株距調(diào)整；機(jī)具滿足一檔條件下運(yùn)動速度10～20m/min（平均15m/min）要求。

2.2 動力系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 行走驅(qū)動力

1） 驅(qū)動輪驅(qū)動機(jī)具播種所需動力計算。自走式機(jī)具在前進(jìn)過程中，驅(qū)動輪（地輪）在主軸轉(zhuǎn)矩作用下進(jìn)行轉(zhuǎn)動，且在垂直載荷產(chǎn)生的摩擦力下驅(qū)動整機(jī)前進(jìn)，驅(qū)動地輪的受力分析如圖3所示，此時驅(qū)動輪處于平衡狀態(tài)，在輪軸中心點(diǎn)O處受到驅(qū)動力矩Mq和摩擦力矩Mn的作用。

根據(jù)文獻(xiàn)［10］，在地輪與土壤的接觸點(diǎn)A，存在土壤對地輪的支撐反力Ry、行走阻力Rx，在地輪與壓實(shí)地面的接觸點(diǎn)，存在與機(jī)具運(yùn)動方向相同且作用于地輪下端的摩擦力Ff，摩擦力Ff正是驅(qū)動機(jī)具前進(jìn)的直接作用力，各力關(guān)系如式（2）～式（4）所示。

∑Fx=0， Ff－Rx=0

（2）

∑Fy=0， G－Ry=0

（3）

∑MA=0， Mq－Mn=Ry·a+Ff·r－Rx·rd

（4）

式中：

Ff——摩擦力，N；

G——作用于輪軸的垂直載荷，N；

Rx——行走阻力，N；

Ry——土壤對地輪的支撐反力，N；

a——A點(diǎn)與主軸之間的水平距離，m；

rd——A點(diǎn)與主軸之間的垂直距離，m；

MA——驅(qū)動地輪所受合力矩，N·m;

Mn——輪軸間的摩擦力矩，N·m；

Mq——主軸驅(qū)動力矩，N·m。

為保證驅(qū)動輪能夠正常運(yùn)動，避免輪胎滑移，從而保證種植過程正常并獲得準(zhǔn)確的種植株距，需要滿足摩擦力Ff大于行走阻力Rx，并確保主軸驅(qū)動力矩滿足式（5）。

Mq≥Ry·a+Ff·r－Rx·rd+Mn

（5）

依靠摩擦力Ff克服行走阻力Rx驅(qū)動機(jī)具向前運(yùn)動，由于地輪的下陷量相對地輪直徑而言不得太大，因此行走阻力Rx主要為壓實(shí)阻力［10］，作用在輪軸間的垂直載荷G等于驅(qū)動輪與土壤接觸各點(diǎn)所共同提供的垂直反力，驅(qū)動力Fq由摩擦力Ff提供，即

G=∫cosαdR

（6）

Fq=∫sinαdR

（7）

將地輪與土壤的相關(guān)參數(shù)［10］代入式（6）和式（7），則地輪下陷深度y0和驅(qū)動力Fq計算公式分別如式（8）和式（9）所示。

y0=2G（3－n）kbD22n+1

（8）

Fq=1（3－n）3n+22n+1（n+1）b12n+1k12n+13GD2n+22n+1

（9）

式中：

R——輪緣上土壤提供的合力，N；

b——地輪寬度，m；

k、n——土壤壓實(shí)參數(shù)。

由式（8）～式（9）可知，驅(qū)動地輪的陷入深度y0和所需最低驅(qū)動力Fq取決于土壤特性（k，n）、地輪直徑（D）、地輪寬度（b）以及垂直載荷（G）。因此，降低行走阻力，減小地輪下陷的有效措施是增大地輪直徑D，結(jié)合整機(jī)外觀協(xié)調(diào)程度，以及機(jī)具在邳州大蒜種植地區(qū)土壤條件（播種時具有一定的土壤濕度）下的適應(yīng)性，可選擇D=65cm鴨掌輪作為驅(qū)動輪，若將土壤壓實(shí)參數(shù)中的n設(shè)置為1［10］，考慮整機(jī)質(zhì)量最大不超過300kg，且整機(jī)質(zhì)量基本集中在主軸周邊，因此驅(qū)動輪承擔(dān)了整機(jī)絕大部分重量，且經(jīng)初步試驗(yàn)知種植土壤環(huán)境下驅(qū)動輪下陷不超過4cm，因此經(jīng)計算驅(qū)動力Fq最低為644N。

2）? 芯鏵式開溝鏟驅(qū)動力。芯鏵式開溝鏟是一種銳角開溝器。工作時，先由芯鏵入土開溝，兩側(cè)板向兩側(cè)分土形成種溝，蒜種和化肥從開溝器兩側(cè)間落入溝內(nèi)，當(dāng)側(cè)板通過后，土壤落入溝內(nèi)覆蓋蒜種和肥料［11］；如圖4所示，其傾角為70°，鏟翼張角為80°，兼顧鏟面高度、切土、覆土能力，開溝鏟寬度為46mm，最大開溝深度為90mm。邳州白蒜的種植深度通常為3～5cm，因此開溝深度至少需5～6cm，能同時滿足肥料施用的基本要求，考慮到耕地已經(jīng)旋耕處理，因此單個開溝鏟按照上述開溝參數(shù)進(jìn)行作業(yè)時受到的阻力較小，試驗(yàn)表明單個開溝鏟受力最大不超過60N，因此，包括播種開溝鏟和施肥開溝鏟在內(nèi)受到的阻力之和Fc最大為360N。

2.2.2 驅(qū)動功率

用于工作狀態(tài)下行走驅(qū)動的合力F包括驅(qū)動輪驅(qū)動整機(jī)在松軟土壤上前進(jìn)的力Fq和開溝鏟破土前進(jìn)的力Fc，即

F=Fq+Fc

（10）

由于用于驅(qū)動大蒜取種和排肥裝置運(yùn)轉(zhuǎn)所需的功率明顯小于用于行走驅(qū)動的功率，因此在估算總功率時，選擇一分配系數(shù)ζ作為行走功率在整機(jī)功率中的占比，則發(fā)動機(jī)所需的輸出功率P與用于驅(qū)動機(jī)具行走的功率P1之間存在估計關(guān)系如式（11）、式（12）所示。

P·ζ·η1·η2·η3·η4·η5≥σ·P1

（11）

P1=Fvave

（12）

式中：

P——發(fā)動機(jī)輸出功率，W；

P1——驅(qū)動機(jī)具行走的功率，W；

η1——離合式甩塊聯(lián)軸器傳動效率，取0.70；

η2——蝸輪蝸桿減速機(jī)效率，取0.60；

η3——V帶傳動效率，取0.96；

η4——行車主變速箱傳動效率，取0.95；

η5——兩級鏈傳動傳動效率，取0.92；

ζ——

行走驅(qū)動功率分配系數(shù)，本文取70%；

σ——安全系數(shù)，本文取1.5；

vave——

播施狀態(tài)下機(jī)具運(yùn)動速度，取0.25m/s。

根據(jù)上述計算，從整機(jī)總功率、安裝尺寸、發(fā)動機(jī)操控性上綜合考慮，選擇市場上較為成熟的5.5kW汽油發(fā)動機(jī)作為動力源，以確保整機(jī)功率充沛。

2.3 種箱和肥料箱設(shè)計

種箱和肥料箱均安裝在機(jī)架上方。種箱的容量可根據(jù)機(jī)具所需播種距離L和播種密度Nmax進(jìn)行估算。

V=0.88LbNmax10005γ

（13）

式中：

V——種箱容積，L；

Lb——播種機(jī)播種距離，m；

γ——蒜種單位容積質(zhì)量，kg/L；

Nmax——

單位面積最大播種量，kg/hm2。

種箱結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示，其長、高分別為800mm和400mm，頂部寬420mm，底部寬275mm，種箱設(shè)計有效容積80L，種箱底部間隔220mm開有蒜鏈孔，其形狀仿照蒜勺外形進(jìn)行設(shè)計。肥料箱結(jié)構(gòu)如圖5（b）所示，其容量可以根據(jù)配套種箱容積，按照蒜種與肥料的播施比例以及肥料的容重進(jìn)行確定

Vf=Vγkγ1

（14）

式中：

Vf——肥料箱容積，L；

k——播施比例；

γ1——肥料單位容積質(zhì)量，kg/L。

結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊的設(shè)計需要，最終確定肥料箱長度679mm，頂部寬232mm，底部寬110mm，整體高度為72mm，其設(shè)計基礎(chǔ)有效容積超過10L，并能夠進(jìn)一步通過擴(kuò)展縱向立板的方式擴(kuò)容至40L，滿足不同施肥比例下的應(yīng)用需求。

2.4 平行四邊形舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計

平行四邊形舉升機(jī)構(gòu)如圖6（a）所示，機(jī)構(gòu)簡圖如圖6（b）所示。

平行四邊形機(jī)構(gòu)由推桿電機(jī)實(shí)現(xiàn)其舉升和下降，其末端水平支撐架上安裝有播種開溝鏟、施肥開溝鏟和鎮(zhèn)壓輥?zhàn)鳛楣ぷ鞑考?。若上部水平連桿與機(jī)架豎直部分的夾角為θ，伸長后的推桿電機(jī)長度為Ld，則存在式（15）～式（19），可以根據(jù)舉升后的夾角θ和相關(guān)尺寸確定推桿電機(jī)導(dǎo)程ldmax［12］。

a=l12+h12+2h1l1cosθ

（15）

b=c12+h22

（16）

α=arcsinl1sinθa，β=arctanc1h2

（17）

hf=（l1+l2）cosθ

（18）

Ld

=l+δl=a2+b2－2abcos（α+β）

=f（θ）

（19）

式中：

l——推桿電機(jī)收縮安裝長度，m；

δl——

推桿電機(jī)伸長量，最大值即為導(dǎo)程ldmax，m。

由于推桿電機(jī)舉升和放低機(jī)構(gòu)的速度較慢，因此可只對機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，平行四邊形機(jī)構(gòu)的受力分析如圖7（a）所示，忽略平行四邊形機(jī)構(gòu)本身的重量，僅考慮開溝鏟和壓輥所帶來的重量負(fù)載［13］，則存在式（20）～式（23），用于估計推桿電機(jī)所需推力Ft，F(xiàn)t最終與重力Gp和夾角θ有關(guān)。

F1=F2

（20）

F1（l1+l2）sinθ=Gp·［（l1+l2）sinθ+l3］

（21）

Ldsin（π－α－β）=bsinγ

（22）

Ft=F2（l1+l2）sinθl1cosγ

（23）

電動推桿選型時應(yīng)考慮推桿運(yùn)動速度、推力和推桿電機(jī)單轉(zhuǎn)位移量等參數(shù)［14］。結(jié)合虛擬樣機(jī)的部分結(jié)構(gòu)限制，考慮安裝方便性，根據(jù)各設(shè)計尺寸確定ldmax為100mm，結(jié)合基于ANSYS Workbench的剛體動力學(xué)求解，如圖7（b）所示，推桿電機(jī)以2mm/s運(yùn)動速度伸長的過程中，其單機(jī)最大推力需要252N，因此選用常州路易BMXL推桿電機(jī)，單機(jī)最大推力1000N，滿足舉升力學(xué)要求，且兩只推桿電機(jī)同時作動進(jìn)一步增加了設(shè)計裕度；通過PWM控制器調(diào)節(jié)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)以及速度，精確控制推桿伸縮行程數(shù)據(jù)，滿足不同播深需求，推桿電機(jī)相關(guān)參數(shù)關(guān)系如式（24）和式（25）所示。

lr=60vana

（24）

Ft=2TηdπRalr

（25）

式中：

lr——推桿電機(jī)單轉(zhuǎn)位移量，mm；

na——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

va——推桿線速度，mm/s；

Ft——電動推桿推力，kN；

T——電機(jī)扭矩，N·m；

Ra——減速比；

ηd——電動推桿綜合傳動效率。

2.5 機(jī)架的輕量化設(shè)計

整機(jī)輕量化的核心在于降低除標(biāo)準(zhǔn)件外其它結(jié)構(gòu)的重量，因此降低機(jī)架的結(jié)構(gòu)重量是關(guān)鍵［15］，其結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示，整體采用焊接加工。采用ANSYS Workbench進(jìn)行機(jī)架輕量化設(shè)計，減速機(jī)安裝平板一端與前設(shè)備安裝平板焊接，另一端與主軸焊接固定，因此其一方面承載減速機(jī)等裝置的重量（100N），另一方面以遠(yuǎn)端位移的形式對機(jī)架進(jìn)行約束，前設(shè)備安裝平板則承載發(fā)動機(jī)等重量（200N），平行四邊形豎直連接梁用于連接平行四邊形機(jī)構(gòu)，其上下端部螺孔受力經(jīng)圖7（b）剛體力學(xué)以及開溝鏟負(fù)載計算，均約為105N，方向與地面成30°角，推桿電機(jī)安裝底座承載推力（252N），主軸安裝點(diǎn)為遠(yuǎn)端位移約束，車架框體、平行四邊形豎直連接梁和轉(zhuǎn)向輪安裝梁采用同一標(biāo)號GB/T 9788—1988不等邊角鋼制造并占據(jù)機(jī)架主要重量，車架框體上承載取種系統(tǒng)部分重量約500N，種箱安裝橫梁包括兩根GB/T 6728—1986方形25mm×25mm空心方鋼，種箱和肥料箱滿載后重量最大約500N，轉(zhuǎn)向輪安裝梁采用遠(yuǎn)端位移進(jìn)行約束。根據(jù)圖8（a）可知，輕量化的核心是在滿足性能的前提下使用重量小的GB/T 9788—1988不等邊角鋼型號［16］，其材料為結(jié)構(gòu)鋼。因此，在能夠滿足零部件安裝的要求下，對機(jī)架采用不同型號不等邊角鋼進(jìn)行模型構(gòu)建，并分別進(jìn)行靜力學(xué)、模態(tài)和諧波響應(yīng)分析。圖8（b）給出了機(jī)架靜力學(xué)分析云圖，可見前設(shè)備安裝平板與車架框體結(jié)合點(diǎn)是靜力條件下整機(jī)結(jié)構(gòu)最薄弱處。

表2給出了不同材料尺寸選用下的最大等效應(yīng)力和低階固有頻率。對于1～3號鋼材，隨著厚度增高，其剛度改善，等效應(yīng)力值存在一定上升現(xiàn)象，但由于不同材料尺寸對應(yīng)最大等效應(yīng)力均明顯小于結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度，因此整機(jī)不存在強(qiáng)度不足問題。然而，隨著厚度、剛度的提升，其低階固有頻率也存在一定上升，其中一階頻率從25.78Hz上升至33.24Hz，二階頻率從70.89Hz上升至76.21Hz，考慮到發(fā)動機(jī)振動頻率在30～60Hz之間，因此較低鋼材厚度能夠避免機(jī)架一階固有頻率落在發(fā)動機(jī)激勵頻率區(qū)間內(nèi)；而對于1號、4號和5號鋼材而言，隨著邊長的降低，其最大等效應(yīng)力和一階固有頻率存在上升現(xiàn)象，而二階頻率則從70.89Hz下降至62.71Hz，并逼近激勵頻率區(qū)間，顯然不宜選擇尺寸較小的不等邊角鋼。因此，從結(jié)構(gòu)性能、結(jié)構(gòu)減重角度考慮，7mm×4.5mm×4mm不等邊角鋼是最優(yōu)選擇。

圖9（a）和圖9（b）為機(jī)架的一階和二階振型位移云圖，可以看出，低階情況下機(jī)架的振動仍以繞機(jī)架軸線的擺動為主，其最大位移出現(xiàn)在轉(zhuǎn)向輪安裝梁與車架框體的連接處，以及推桿電機(jī)安裝底座上，因此實(shí)際加工時考慮在此處添加加強(qiáng)筋進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。圖9（c）為種箱安裝橫梁和轉(zhuǎn)向輪安裝梁在發(fā)動機(jī)以頻率為31～60Hz，幅值為100N簡諧力激勵下的縱向位移響應(yīng)。

整體上，其振動幅值較小，且種箱安裝橫梁上的振動效應(yīng)均比轉(zhuǎn)向輪安裝梁上更加明顯，隨著發(fā)動機(jī)振動頻率增加，不同部位的幅值均有提升，并在高于約50Hz時上升較為顯著，這在實(shí)際工作中將表現(xiàn)出隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增高而機(jī)具振動愈發(fā)明顯的效應(yīng)，但其整體振動并不顯著。

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

樣機(jī)試驗(yàn)前首先對種植區(qū)域進(jìn)行松土碎土作業(yè)，保證一定的土壤濕度，使得土壤環(huán)境與實(shí)際大蒜種植土壤環(huán)境類似，為種植做好準(zhǔn)備；田間試驗(yàn)需統(tǒng)計播種合格率PH，重播率PL，漏播率PC，并進(jìn)行大蒜播種平均深度的測量，肥料選用普通顆粒肥；試驗(yàn)所用蒜種為邳州白蒜，長度為25～38mm，直徑為13～26mm。試驗(yàn)樣機(jī)如圖10所示。

3.2 試驗(yàn)方法

自走式大蒜播種裝置參照《GB/T 6973—2005單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行田間播種測試［17］。

PH=naNp

（26）

PL=nLNp

（27）

PC=nCNp

（28）

式中：

na——

合格株距數(shù)（株距在理論株距1±0.51倍范圍之內(nèi)為合格）；

nL——

漏播株距數(shù)（株距大于理論株距1.51倍）；

nC——

重播株距數(shù)（株距小于理論株距0.51倍）；

Np——測量株距數(shù)。

針對施肥效果，主要從施肥深度進(jìn)行施肥有效性衡量［18］，包括平均施肥深度h-，種植深度標(biāo)準(zhǔn)差std，以及施肥穩(wěn)定系數(shù)μ。

h-=∑nti=1hint

（29）

std=∑nti=1（hi－h(huán)-）2nt－1

（30）

μ=1－stdh-

（31）

式中：

hi——采樣點(diǎn)施肥深度，cm；

nt——采樣點(diǎn)個數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

機(jī)具播種過程中通過綜合調(diào)節(jié)檔位和油門控制機(jī)具作業(yè)速度，通過調(diào)節(jié)播種變速箱檔位實(shí)現(xiàn)播種株距的調(diào)整。為保證測試準(zhǔn)確，在測試起始位置和終止位置均設(shè)有預(yù)留區(qū)，測試過程中記錄機(jī)具的實(shí)際運(yùn)行速度；播種完成后，清除大蒜上部土壤，測量株距，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果如圖11所示。

圖11（a）是株距Dp為120mm時，機(jī)具不同運(yùn)動速度Vb下的播種效果變化趨勢，隨著Vb提高，漏播率PL逐漸上升，且在Vb高于15m/min時增加明顯，漏播變得愈發(fā)嚴(yán)重，而重播率PC則隨著Vb降低緩慢下降，但幅度不明顯，其整體播種合格率PH則表現(xiàn)出先增高再逐步降低的現(xiàn)象，但整體上當(dāng)Vb≤17m/min時，PH變化仍相對較??；圖11（b）是Vb為15m/min時不同播種株距DP條件下的播種效果，隨著DP降低，PL上升明顯，從DP為142mm時的8.3%顯著提升至80mm時的21.4%，而PC則隨著DP的降低表現(xiàn)出輕微下降的現(xiàn)象。這是由于提高Vb或降低DP實(shí)際上加快了取種鏈條運(yùn)動，因此難以穩(wěn)定取種，且Vb較高時發(fā)動機(jī)振動頻率增加，機(jī)架本身的振動也變得突出，導(dǎo)致漏播加??；此外，由于蒜勺取種性能下降，單勺多粒取種的現(xiàn)象得到了緩解，因此使得PC降低，但由于PC的降低無法彌補(bǔ)PL的顯著上升，因此在較高的取種速度下PH無法得到保證，整體上，該機(jī)具當(dāng)Vb≤17m/min，DP≥102mm時，PH仍相對較高。

圖12給出了不同預(yù)設(shè)施肥深度下的實(shí)際施肥效果。通過調(diào)節(jié)電動推桿的伸縮長度改變平行四邊形舉升高度能夠?qū)崿F(xiàn)施肥深度的有效調(diào)節(jié)，預(yù)設(shè)深度與實(shí)際平均施肥深度間差異較小。較大的預(yù)設(shè)施肥深度能夠取得更高的施肥穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)施肥深度≥4.7cm時，施肥穩(wěn)定系數(shù)普遍接近或高于0.95，能夠取得較好的施肥穩(wěn)定性。

以邳州白蒜為對象，標(biāo)準(zhǔn)DP為120mm，表3給出了Vb為15m/min時具體的播施效果數(shù)據(jù)，平均PH為86.1%，平均PL為8.7%，平均PC為5.2%，均能夠滿足技術(shù)要求，表明該機(jī)具在面向邳州白蒜種植應(yīng)用時播種功能能夠良好實(shí)現(xiàn)，未來可進(jìn)一步通過選種并搭配合適的取種勺實(shí)現(xiàn)PL和PC的降低；預(yù)設(shè)施肥深度為6.2cm時，實(shí)際平均深度為6.22cm，施肥穩(wěn)定系數(shù)μ為96.40%，施肥功能表現(xiàn)良好，表明整機(jī)在播施功能的實(shí)現(xiàn)上達(dá)到了預(yù)定要求。

4 結(jié)論

1） 基于鏈勺取種方式設(shè)計了一款自走式大蒜播種施肥一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)大蒜擺播與苗前施肥同步進(jìn)行；機(jī)具可實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸和播施狀態(tài)切換，多檔調(diào)速和株距調(diào)整，滿足不同場景下大蒜播種需求；操控人員處于機(jī)具后方以保證安全性。

2） 結(jié)合待選發(fā)動機(jī)型號、驅(qū)動輪直徑以及預(yù)期機(jī)具運(yùn)動速度范圍，對整機(jī)傳動方式及傳動比進(jìn)行確定；根據(jù)整機(jī)預(yù)估重量，基于機(jī)具一定陷深所需驅(qū)動力以及開溝鏟阻力進(jìn)行播施一體條件下所需動力計算，并結(jié)合傳動鏈效率確定整機(jī)發(fā)動機(jī)功率為5.5kW；確定了種箱和施肥箱關(guān)鍵尺寸，對平行四邊形舉升機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)計算，并基于力學(xué)分析確定了推桿電機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)；基于ANSYS Workbench對機(jī)架的靜力學(xué)、模態(tài)和頻率響應(yīng)特性進(jìn)行分析，確定了最優(yōu)型材參數(shù)，在滿足所需性能的基礎(chǔ)上降低機(jī)架重量。

3） 田間試驗(yàn)結(jié)果表明，增加運(yùn)動速度和降低播種株距均會導(dǎo)致漏播率明顯上升，盡管重播率存在下降趨勢，但整體播種合格率仍會受到較大負(fù)面影響，該機(jī)具整體上適合于株距≥102mm，運(yùn)動速度≤17m/min條件下的播種應(yīng)用。以邳州白蒜為對象，株距為120mm，運(yùn)動速度為15m/min時，其平均播種合格率為86.1%，平均漏播率為8.7%，平均重播率為5.2%，能夠有效實(shí)現(xiàn)播種功能，滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；預(yù)設(shè)施肥深度為6.2cm時，施肥穩(wěn)定系數(shù)為96.40%，施肥功能良好；整機(jī)能夠有效滿足大蒜播種與施肥一體化要求。

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