大蒜直立栽种器的设计与试验

崔荣江，荐世春，徐文艺，马继春，王小瑜

(山东省农业机械科学研究院，济南　250100)



大蒜直立栽种器的设计与试验

崔荣江，荐世春，徐文艺，马继春，王小瑜

(山东省农业机械科学研究院，济南250100)

摘要：大蒜种体入土后的直立度控制技术是影响大蒜播种机播种质量的关键技术之一。为此，根据吊蓝移栽机原理，设计了一种偏心式大蒜直立栽种器，并提出一种逆向设计扇形打开器的方法。样机试验表明：在栽种速度0.2m/s、圆盘栽种半径165mm、栽种株距130mm条件下，直立栽种率在98%以上，满足大蒜机械化播种要求，扇形打开器与设计吻合；不足之处在于：整个机械结构尺寸方面还需进一步优化设计。该研究为大蒜直立栽种器的设计提供了参考。

关键词：大蒜直立栽种器；扇形打开器；直立栽种

0引言

直立栽种是我国大蒜种植的传统农艺要求，直立栽种可以使蒜头质量大、横径大[1]。目前，人工点播的方式是播种主要方式，很难实现大蒜规范化种植，不规范的种植模式严重阻碍着大蒜机械化收获的推广应用。因此，要提高大蒜生产机械化水平，形成大蒜标准化种植及生产全程机械化，首要环节是开发高效适用的大蒜机械化播种装备，其核心内容之一是大蒜种体直立栽种技术与装置[2]。

国外大蒜种植多采用随机播种，排种器为转勺式或气吸式，其种植农艺和国内差距较大。国内比较有代表性的直立栽种器是中国农业大学金磊[3]在2007 年研究的同步垂直插入直立投种机构，其反转驱动机构为行星轮机构，结构紧凑，为大蒜直立播种器设计提供了较好研究基础。2013年，李瑞川[4]等采用行星轮种植机构设计了WZ-4 型大蒜种植机。2011 年，何岳平[5]等将水稻插秧机分插机构工作原理作为大蒜栽植机栽植系统的优化设计基础，从理论上证明了优化后的分插机构工作参数符合大蒜栽植的农艺需求。

本文在对大蒜种体入土后直立栽种条件研究基础上[6]，将吊篮式移栽机原理作为大蒜栽种机栽植系统设计基础，设计了一种偏心式大蒜直立栽种器，并提出逆向设计扇形打开器的方法，为大蒜直立栽种器的设计提供了参考。

1大蒜种体物理参数

蒜种为金乡紫皮大蒜，选取形状规范、个头饱满的蒜瓣作为测量对象，每个等级随机取样50粒蒜种作为测量样本，分别测量大蒜种体的长度L(mm)、宽度B(mm)、高度H(mm)和质量M(g)作为大蒜种体形态分析的基础数据，统计结果如表1所示。

表1　蒜种数据统计表

2机械结构与工作原理

2.1　整机结构

栽种机构包括栽种鸭嘴、固定轴、栽种轴、栽种圆盘1、驱动链轮、偏心拉杆、栽种圆盘2、扇形打开器、偏心圆盘及固定座，如图1所示。栽种圆盘1和栽种圆盘2通过轴承座安装在固定轴上，栽种轴通过滑套安装在栽种圆盘1和栽种圆盘2之间，通过偏心拉杆将偏心圆盘与栽种轴连接，形成偏心直立栽种机构。其中，扇形打开器固定在固定轴上，栽种鸭嘴固定在栽种轴上，驱动链轮与栽种圆盘1固定连接。

1.偏心拉杆　2.栽种圆盘2　3.扇形打开器　4.栽种鸭嘴　5.固定轴　6.栽种轴　7.栽种圆盘1　8.驱动链轮　9.偏心圆盘　10固定座

2.2　工作过程

动力通过驱动链轮传入，通过栽种圆盘1和驱动轴带动栽种鸭嘴转动，在偏心连接板和偏心圆盘的作用下，栽种鸭嘴实现垂直入土；当栽种鸭嘴入土到合适位置时，扇形打开器与碰撞转轴发生接触，连接杆下移，鸭嘴活动部件打开一定角度，栽植作物落入土中；当栽种鸭嘴出土后，扇形打开器与碰撞转轴分离，在复位弹簧的作用下，鸭嘴活动部件回位，完成一次栽种，依此循环。

2.3　工作原理

大蒜直立栽种器的运动本质为6个平行四边形机构(ABCD)圆周运动和机组水平移动的复合运动，其运动简图，如图2所示。

图2　栽植系统运动简图

在栽种过程中要满足种体“零速”投种要求，即满足轨迹特征参数λ≥1，如图 3所示。与栽植器下降段投种相比，上升阶段投种，种体和栽植器在竖直方向的相对速度更大，分离时间更短，更有利于投苗。鸭嘴栽种器最佳投种时间应该是图3中所示轨迹OB段。

图3　轨迹特征参数

3主要工作部件

3.1　栽种圆盘

在栽种深度和株距确定的情况下，其栽种圆盘半径决定着栽种鸭嘴的实际运动轨迹，该轨迹决定着栽种鸭嘴在土壤中形成的种穴形状。栽种鸭嘴运动轨迹如图4所示。设栽种鸭嘴入土深度为H=55mm、B=45 mm、S=130 mm，根据大蒜栽植系统工作参数与成穴参数的关系[6]，取栽种圆盘半径为165mm。

3.2　栽种鸭嘴

栽种鸭嘴结构如图5所示。鸭嘴固定半件固定在栽种轴上，碰撞杆通过连接板与鸭嘴活动半件连接；当碰撞杆与扇形打开器接触时，鸭嘴活动半件打开，接触解除后，在复位弹簧的作用下，鸭嘴活动半件闭合。

大蒜种体形态不同于其它移栽体，本身形态不具有保证直立的支撑面，要依靠栽种鸭嘴形成的土穴来定位，根据上述测量大蒜种体物理参数和栽种鸭嘴运动轨迹，取鸭嘴最大打开角度为20°。

1.鸭嘴固定半件　2.鸭嘴活动半件　3.复位弹簧　4.碰撞杆

3.3　扇形打开器

扇形打开器是整个栽种系统的核心部件，决定着栽种鸭嘴在规定的时间和地点及打开和闭合规定的角度，使鸭嘴中的蒜瓣掉入其刚开出的种穴中，如图6所示。

通过公式计算的方法设计扇形打开曲面，其计算过程非常复杂。根据动力学仿真软件、三维建模软件和激光切割软件间的数据转换关系，提出一种逆向设计和生产扇形打开器的方法，设计过程如图7所示。

图6　扇形打开器工作示意图

图7　逆向设计扇形打开器示意图

根据图7逆向设计扇形打开器示意图，对扇形打开器的设计过程进行介绍，该直立栽种器的主要结构尺寸参数和工作参数如表2所示。

表2　直立栽种器结构尺寸和工作参数

1)步骤1：根据对直立栽种器的结构分析，建立直立栽种器的三维模型，如图8所示。

图8　栽种器三维模型

2)步骤2：将三维模型导入ADAMS软件，生成直立栽种器的虚拟样机模型，根据大蒜实际栽种需要轨迹和鸭嘴打开角度，添加相关运动约束和驱动函数，确定栽种鸭嘴在规定的时间和地点及打开和闭合规定的角度，如图9所示。

图9　轨迹生成模型

3)步骤3：生成碰撞杆质心相对驱动圆盘的轨迹曲线，并提取该轨迹的数据，将其导入三维软件，生成扇形打开器三维模型，如图10所示。

图10　扇形打开器三维模型

4)步骤4：将扇形打开器三维模型导入直立栽种器的虚拟样机模型，去掉栽种鸭嘴的驱动约束，在碰撞杆与扇形打开器之间添加接触约束，如图11所示。

图11　轨迹验证模型

5)步骤5：通过激光切割，加工出满足该直立栽种器的扇形打开器，如图12所示。

图12　扇形打开器

4样机试验

根据上述设计，试制单行样机，并在土槽内进行试验。土壤类型为沙壤土，翻耕平整，土壤坚实度为300～500 N/mm2，机组前进速度为0.2m/s，采取人工投种的方式。

1)样机1试验：样机试验过程中存在栽种轴扭转问题，严重影响着栽种效果。

2)样机2试验：为解决栽种轴逆转问题，去掉3根栽种轴，添加3根横梁，将左右两栽种圆盘连成一体，如图13所示。样机试验结果表明：该样机运行稳定，直立栽种率在98%以上，满足大蒜机械化播种要求，扇形打开器与设计吻合，如图14所示。

图13　样机试验

图14　栽种效果

5结论

1)样机试验表明：偏心式大蒜直立栽种器可以满足大蒜直立栽种需求；逆向设计扇形打开器的方法简单、可靠、实用。

2)目前样机设计还较为粗糙，栽种株距是设计株距的一倍，在整个机械结构尺寸方面还需要做进一步优化设计。

参考文献：

[1]金诚谦，袁文胜，吴崇友，等.大蒜播种时鳞芽朝向对大蒜生长发育影响的试验研究[J].农业工程学报, 2008, 24(4):155-158.

[2]崔荣江，张华，徐文艺，等.我国大蒜机械化生产现状及发展思路探讨[J].农机化研究, 2015, 37(3):264-267.

[3]金磊.大蒜种植机械设计[D].北京：中国农业大学, 2007.

[4]李瑞川，孙雪，宋传涛，等.WZ-4 型大蒜种植机械的概述及研究[J].农业装备与车辆工程，2013，51(5):15-18.JP

[5]何岳平，陈青春，何瑞银，等.大蒜栽植机栽植系统优化设计与运动分析[J].农业机械学报，2011，42(2)：88-93．

[6]崔荣江，张华，徐文艺，等.大蒜种体入土后的直立栽种条件研究[J].农机化研究, 2015，37(2):83-86.

Design and Test of Garlic Upright Plant

Cui Rongjiang， Jian Shichun， Xu Wenyi， Ma Jichun， Wang Xiaoyu

(Shandong Agriculture Machinery Research Institute, Jinan 250100, China)

Abstract：Garlic kind of body after the grave upright degree control technology is one of the key factors affecting the quality of garlic seeder seeding technology. According to the principle of hanging blue transplanting machine, design a kind of eccentric garlic erect plant, and puts forward a kind of reverse design fan open methods. Prototype test showed that the plant speed 0.2 m/s, disc radius of plant 165mm, plant planting distance 130 mm, erect plant rate over 98%, meet the requirements of mechanization planting garlic, fan-shaped opener in accordance with the design; Deficiencies in the whole mechanical structure size aspects still need further optimization design. The study offer reference to the garlic of upright plant design.

Key words：garlic upright plant; the fan opening; erect plant

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0201-05

作者简介：崔荣江(1983-)，男，山东巨野人，助理工程师，(E-mail) cuirongjiang2009@163.com。通讯作者：荐世春(1963-)，男，济南人，研究员，(E-mail)jscsh2002@163.com。

基金项目：山东省自然科学基金项目(ZR2015PE004)；山东省农业重大应用技术创新项目(鲁财农指[2014]38号)；济南市科技发展计划项目(201401273)

收稿日期：2015-08-14