耿愛(ài)軍，栗曉宇，侯加林，張智龍，張 姬，崇 峻

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271000；2. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，泰安 271000；3. 濟(jì)南華慶農(nóng)業(yè)機(jī)械科技有限公司，濟(jì)南 251600）

0 引 言

大蒜是中國(guó)主要經(jīng)濟(jì)作物之一，2017年種植面積約85.3萬(wàn)hm2[1-2]。目前中國(guó)大蒜種植主要依靠人工按照“鱗芽朝上、直立栽種”的要求將蒜種栽入土中[3]，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重影響了蒜農(nóng)的生產(chǎn)積極性，因此設(shè)計(jì)一種高效精準(zhǔn)的大蒜播種機(jī)對(duì)于促進(jìn)大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外對(duì)大蒜播種機(jī)械及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了諸多研究[4-8]。Jiraporn等[9]設(shè)計(jì)了一種10行大蒜播種機(jī)，播種速度為1.68 km/h；Tarun等[10]研制的手扶式大蒜播種機(jī)，作業(yè)速度為1.8 km/h；Brajesh等[11]設(shè)計(jì)了一種3行自走式大蒜播種機(jī)，播種機(jī)作業(yè)速度為1.8 km/h；Devesh等[12]研制的自走式大蒜播種機(jī)生產(chǎn)效率為0.32 hm2/h。國(guó)外大蒜播種機(jī)工作效率高，但一般不具備定向功能，蒜種以隨機(jī)姿態(tài)栽種，不符合中國(guó)大蒜播種要求。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院設(shè)計(jì)的2ZDS－5型自走式大蒜栽植機(jī)作業(yè)效率為300～400 m2/h[13]，該播種機(jī)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大蒜自動(dòng)化栽植的空白；謝學(xué)虎等[14]設(shè)計(jì)的壓板式種植機(jī)構(gòu)模擬人工栽種方式，但鱗芽直立度有待改進(jìn)。薦世春等[15]設(shè)計(jì)了一種錐形螺旋導(dǎo)種管式自動(dòng)定向裝置，其原理是利用導(dǎo)種管縫隙對(duì)蒜種鱗芽阻礙作用以調(diào)整蒜種姿態(tài)，該裝置適用于蘭陵大蒜等鱗芽細(xì)長(zhǎng)的蒜種。臨沂市建領(lǐng)模具機(jī)械有限公司研制的液壓牽引式大蒜播種機(jī)，利用錐形螺旋導(dǎo)種管和旋轉(zhuǎn)打穴裝置實(shí)現(xiàn)蒜種定向和栽種，作業(yè)效率為400～500 m2/h[16]，工作效率需進(jìn)一步提高。崔榮江等[17]發(fā)明了一種方向控制料杯，適用于鱗芽性狀明顯的蒜種，其結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)有待優(yōu)化。耿愛(ài)軍等[18]、張兆磊等[19]提出了種盒式大蒜播種方式，研制了種盒式半自動(dòng)大蒜播種機(jī)，有效解決了蒜種定向問(wèn)題，但自動(dòng)化程度低。

本文針對(duì)單粒取種、鱗芽定向等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)定向大蒜播種機(jī)，采用鏈勺式取種方式，利用三級(jí)錐形料斗實(shí)現(xiàn)鱗芽定向，通過(guò)鴨嘴式插播器保持蒜種以直立姿態(tài)栽植入土，解決了現(xiàn)有大蒜播種機(jī)難以滿(mǎn)足“根下尖上、直立栽種”播種要求的問(wèn)題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)定向大蒜播種機(jī)由底盤(pán)、機(jī)架、種箱、取種裝置、蒜種定向裝置、插播裝置、鎮(zhèn)壓輪等組成，如圖 1所示。

圖1 自動(dòng)定向大蒜播種機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of automatic directing garlic planter

表1 自動(dòng)定向大蒜播種機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of automatic directing garlic planter

1.2 工作原理

自動(dòng)定向大蒜播種機(jī)由底盤(pán)自帶柴油機(jī)[21]提供動(dòng)力。工作時(shí)，柴油機(jī)輸出動(dòng)力通過(guò)減速器傳遞給底盤(pán)、取種裝置和蒜種定向裝置。隨著播種機(jī)行進(jìn)，鏈板由種箱底部向上帶動(dòng)取種勺舀取蒜種，多余蒜種在刷種器和振動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下落回種箱，勺內(nèi)僅保留 1粒種子，取種勺到達(dá)最高點(diǎn)后翻轉(zhuǎn)，蒜種在重力作用下沿著導(dǎo)種槽滑落，同時(shí)往復(fù)升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蒜種定向裝置和鴨嘴式插播器向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)導(dǎo)種槽下方時(shí)第一級(jí)料斗接住下落的蒜種。隨后定向裝置向下運(yùn)動(dòng)，插播器豎直插入土壤后打開(kāi)栽種蒜種，鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓，完成播種。蒜種定向裝置三級(jí)錐形料斗的尖錐半頂角從上至下依次遞減，蒜種在料斗內(nèi)經(jīng)過(guò)調(diào)整后，鱗芽方向變化過(guò)程為：水平―傾斜―朝上，最終利用插播器保持直立姿態(tài)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取種裝置設(shè)計(jì)

取種裝置采用鏈勺式結(jié)構(gòu)，主要包括鏈傳動(dòng)、鏈板、取種勺、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)種槽和刷種器等，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。

圖2 取種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of seed taking device

2.1.1 取種勺結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

單粒取種率是衡量取種質(zhì)量的重要指標(biāo)，取種勺的合理設(shè)計(jì)是保證單粒取種的關(guān)鍵。取種勺尺寸取決于蒜種外形尺寸，選取 500粒飽滿(mǎn)、完整的蘭陵大蒜，測(cè)得平均長(zhǎng)、寬、厚分別為36.3、19.3、23.2 mm，如圖3a。蘭陵大蒜蒜種具有蒜尖細(xì)長(zhǎng)、蒜尾寬厚的特征，依次確定取種勺采用內(nèi)凹半橢圓狀。取種勺尺寸過(guò)大會(huì)導(dǎo)致取出多粒蒜種，不利于清除多余蒜種，過(guò)小則易造成漏取，根據(jù)蒜種外形尺寸，長(zhǎng)軸取35 mm，短軸取25 mm，深度取15 mm，如圖3b～3c所示。

圖3 蒜種尺寸定義及取種勺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Definition of garlic seed dimensions and structure of seed taking spoon

2.1.2 鏈板結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

鏈板整體由完全相同的單排鏈板串接制成，鏈板選用 304不銹鋼材料，具有較好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性，以保證鏈板能夠在復(fù)雜的田間環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)。根據(jù)取種勺寬度，設(shè)計(jì)單排鏈板節(jié)距為38 mm。取種勺采用雙排交錯(cuò)排列的布置方式鉚接在鏈板[22-25]上，按照播種要求每排安裝18個(gè)取種勺，2排為1組，較單行取種提高了工作效率，鏈板上如圖4所示。

圖4 取種勺排列方式Fig.4 Arrangement of seed taking spoons

播種機(jī)工作周期T為相鄰2組取種勺取種間隔時(shí)間，則每工作周期可取36粒蒜種。取種勺縱向間距計(jì)算公式如式（1）～（2）。

式中T為播種機(jī)工作周期，s；s為播種株距，mm；l為取種勺縱向間距，mm；v0為播種機(jī)行進(jìn)速度，m/s；v1為取種勺線(xiàn)速度，m/s；D1為傳動(dòng)鏈輪齒頂圓直徑，mm；n1為傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；D0為地輪直徑，mm；n0為地輪轉(zhuǎn)速，r/min；i0為傳動(dòng)鏈輪與地輪間傳動(dòng)比。

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，傳動(dòng)比i0設(shè)為2，根據(jù)前期調(diào)研測(cè)量數(shù)據(jù)可知，山東地區(qū)大蒜植株株距約為100 mm；選用的履帶式底盤(pán)測(cè)得D0=350 mm；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選用D1=180 mm的傳動(dòng)鏈輪，代入式（2）計(jì)算得l=206 mm，考慮到單排鏈板節(jié)距為38 mm，最終確定取種勺縱向間距l(xiāng)實(shí)際為228 mm，即6節(jié)鏈板的距離。

2.1.3 取種裝置工作參數(shù)確定

播種機(jī)行進(jìn)速度是影響取種裝置充種效果的重要因素，評(píng)價(jià)充種效果時(shí)綜合考慮單粒取種率（取種勺取出1粒種子的概率）、多粒率（取2粒及以上種子的概率）和漏取率。為了明確播種機(jī)行進(jìn)速度（取種勺線(xiàn)速度）對(duì)充種效果的影響，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。以蘭陵大蒜為試驗(yàn)品種，以播種機(jī)一般的作業(yè)速度將行進(jìn)速度劃定為 5個(gè)水平，分別為0.06、0.08、0.10、0.12和0.14 m/s（對(duì)應(yīng)取種勺線(xiàn)速度分別為0.07、0.09、0.11、0.14和0.16 m/s），連續(xù)記錄5組取種勺穩(wěn)定工作下取出180粒種子時(shí)勺內(nèi)的粒數(shù)，重復(fù)10次，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，試驗(yàn)分析如表2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，播種機(jī)行進(jìn)速度對(duì)各指標(biāo)影響表現(xiàn)為極顯著，隨著行進(jìn)速度升高，單粒取種率先增大后減小，多粒率先減小后增大，當(dāng)行進(jìn)速度降低時(shí)，漏取率迅速升高，這是因?yàn)槿》N勺通過(guò)刷種器的速度慢，蒜種易被刷落回種箱；速度較大時(shí)，充種時(shí)間較短，造成漏取率升高，同時(shí)由于刷種器作用時(shí)間不充足，取種勺內(nèi)多余種子被一并取出，導(dǎo)致多粒率較高。由試驗(yàn)結(jié)果可知，行進(jìn)速度為0.10 m/s時(shí)，單粒取種率為91.11 %，多粒率為8.33 %，漏取率為0.56 %，對(duì)應(yīng)取種勺線(xiàn)速度為0.11 m/s，該速度下取種裝置充種效果較好。

圖5 取種裝置試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test result of seed taking device

表2 取種裝置單因素試驗(yàn)結(jié)果分析Table 2 Single factor test result analysis of seed taking device

2.1.4 振動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作參數(shù)確定

由取種試驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)播種機(jī)行進(jìn)速度為 0.10 m/s時(shí)存在多粒率較高的問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)了振動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要由擊打錘、彈簧和十字輪構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of vibration mechanism

振動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架兩側(cè)，位于刷種器上方，彈簧一端固定在種箱外側(cè)，另一端固定在擊打錘上。作業(yè)時(shí)，十字輪齒尖部位下壓擊打錘尾部，使彈簧處于拉伸狀態(tài)，當(dāng)十字輪轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后，齒尖對(duì)擊打錘的壓力消失，彈簧立刻恢復(fù)原狀，擊打錘將彈簧彈力轉(zhuǎn)化為對(duì)鏈板的瞬時(shí)作用力，使鏈板產(chǎn)生振動(dòng)，將取種勺內(nèi)未被刷種器刷落的多余種子振回種箱。

振動(dòng)頻率和振動(dòng)作用力是影響振動(dòng)機(jī)構(gòu)工作效果的主要因素,為了確定最優(yōu)工作參數(shù)開(kāi)展單因素和雙因素試驗(yàn)。分別以振動(dòng)頻率A（以十字輪轉(zhuǎn)速表示）和振動(dòng)作用力B為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 振動(dòng)頻率和振動(dòng)作用力試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result of vibration frequency and vibration force

由圖 7可知，隨著振動(dòng)頻率和振動(dòng)作用力增大，單粒取種率先增大后減小，振動(dòng)頻率在15～25 r/min范圍內(nèi)，振動(dòng)作用力在10～20 N范圍內(nèi)取種效果較優(yōu)。由于振動(dòng)頻率越大，蒜種易被振出取種勺，導(dǎo)致漏取率越高，振動(dòng)頻率越低，清種效果越差，導(dǎo)致多粒率越高；同時(shí)，振動(dòng)作用力越大，蒜種受到振動(dòng)越顯著，多粒率越小。

為了進(jìn)一步優(yōu)化振動(dòng)機(jī)構(gòu)工作參數(shù)，進(jìn)行了雙因素試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表3。從單一指標(biāo)來(lái)看，單粒取種率最優(yōu)水平為A2B2，多粒率為A3B3，漏取率為A1B1，考慮到實(shí)際生產(chǎn)中，多粒率較高時(shí)造成種子浪費(fèi)，增加了經(jīng)濟(jì)成本，同時(shí)導(dǎo)致大蒜蒜頭生長(zhǎng)畸形，造成產(chǎn)品滯銷(xiāo)，因此在保證單粒取種率的前提下，盡量降低多粒率，選擇振動(dòng)頻率20 r/min、振動(dòng)作用力15 N（A2B2）的參數(shù)組合，此時(shí)單粒取種率為93.50%，較未安裝振動(dòng)機(jī)構(gòu)前提高2.36%；多粒率為2.30%，減小了6.03%；漏取率為4.20%。

表3 振動(dòng)機(jī)構(gòu)雙因素試驗(yàn)水平表及結(jié)果Table 3 Dual factors test level and result of vibration mechanism

2.2 蒜種定向裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 蒜種定向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒜種定向裝置是大蒜播種機(jī)核心工作部件。該裝置包括多級(jí)錐形料斗、傳動(dòng)齒輪、開(kāi)閉控制氣缸等，如圖8a所示。各級(jí)料斗按照雙排并列方式排列，料斗間采用方軸串接以保證開(kāi)閉動(dòng)作統(tǒng)一，每級(jí)料斗配有傳動(dòng)齒輪和開(kāi)閉控制氣缸，氣缸活塞桿與主動(dòng)齒輪相連，另一端固定在安裝框架上，活塞桿伸縮驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成料斗開(kāi)閉動(dòng)作。料斗由一對(duì)相對(duì)安裝的半錐形殼體構(gòu)成，殼體上部為半頂角為45°的圓錐曲面，下部尖錐半頂角為θi，由上至下依次減小，如圖8b所示。

作業(yè)時(shí)，第一級(jí)料斗尖錐半頂角最大，底部呈碗狀，蒜種落入第一級(jí)料斗后以鱗芽水平的姿態(tài)穩(wěn)定，此時(shí)主要存在2種情況：1）鱗芽垂直于料斗對(duì)接線(xiàn)，則打開(kāi)后蒜種利用料斗底部邊緣對(duì)鱗芽的阻擋作用，使蒜根先開(kāi)始下落；2）鱗芽平行于料斗對(duì)接線(xiàn)，由于蒜種重心靠下，料斗在打開(kāi)過(guò)程中僅底部邊緣對(duì)蒜種最寬處有支撐作用，從而蒜根首先落下。第二級(jí)料斗錐度適中，鱗芽調(diào)整為傾斜朝上姿態(tài)；第三級(jí)料斗錐度最小，鱗芽在傾斜朝上的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)正，最終實(shí)現(xiàn)定向。

2.2.2 蒜種定向裝置參數(shù)確定

影響蒜種鱗芽定向效果的工作參數(shù)主要包括料斗尖錐半頂角θi、料斗級(jí)數(shù)A、料斗縱向安裝間距B、料斗打開(kāi)間隔時(shí)間C。

為了明確料斗尖錐半頂角 θi對(duì)定向效果的影響，進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。采用單級(jí)錐形料斗，當(dāng)取種勺內(nèi)蒜種經(jīng)導(dǎo)種槽落下后，統(tǒng)計(jì)連續(xù) 5次料斗打開(kāi)后鱗芽朝向情況，如圖9所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著半頂角 θi增大，鱗芽朝上率和朝下率均逐漸減小，而鱗芽水平率逐漸增大。當(dāng)半頂角小于30°時(shí)，鱗芽朝上率為68 %左右，鱗芽朝下率為30%左右；在30°～45°范圍內(nèi)時(shí)鱗芽朝上率大幅下降，同時(shí)鱗芽水平率迅速升高，這是由于半頂角逐漸增大時(shí)，料斗內(nèi)壁對(duì)蒜種支撐作用逐漸減小，使蒜種鱗芽處于水平姿態(tài)；半頂角大于45°時(shí)鱗芽朝上率較低，鱗芽朝下率降至為0。

圖8 蒜種定向裝置示意圖及定向原理Fig.8 Diagram of garlic seed directing device structure and garlic seed directing process

圖9 料斗尖錐半頂角θi試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Testing results of hopper pointed cone half top angle θi

考慮到單級(jí)料斗定向效果不能滿(mǎn)足播種要求。為了進(jìn)一步提高蒜種定向效果，進(jìn)行了多級(jí)料斗組合試驗(yàn)，根據(jù)單級(jí)料斗試驗(yàn)結(jié)果，半頂角 θi取值選擇 30°～45°范圍，按照逐級(jí)遞減的順序排列，設(shè)置料斗縱向安裝間距為150 mm，料斗打開(kāi)間隔時(shí)間為0.5 s，以鱗芽朝上率、水平率和朝下率為試驗(yàn)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)料斗打開(kāi)后10次鱗芽朝向情況，試驗(yàn)水平及結(jié)果如表4所示。

根據(jù)多級(jí)料斗試驗(yàn)結(jié)果，采用二級(jí)料斗時(shí)，蒜種鱗芽朝上率較單級(jí)料斗有所提高，這是因?yàn)樵诘谝患?jí)料斗時(shí)蒜種若保證鱗芽水平姿態(tài)，則在第二級(jí)料斗中鱗芽朝上率較高，平均鱗芽朝上率為74.28 %，朝下率為13.86%，仍不能滿(mǎn)足大蒜播種要求；采用三級(jí)料斗時(shí)，若相鄰兩級(jí)料斗半頂角差值增大，鱗芽朝下率較高，當(dāng)半頂角取45°、40°、30°時(shí)鱗芽朝上率為 95.65%，鱗芽朝下率為3.77%，定向效果較好；采用四級(jí)料斗和五級(jí)料斗時(shí)鱗芽朝上率均在 95%左右，且重復(fù)角度組合對(duì)蒜種定向效果沒(méi)有顯著改善?？紤]到級(jí)數(shù)越大，定向效率越低，綜合料斗級(jí)數(shù)和尖錐半頂角對(duì) 3個(gè)指標(biāo)的影響，最終選擇三級(jí)錐形料斗，尖錐半頂角θi依次為45°、40°、30°。

表4 料斗級(jí)數(shù)A試驗(yàn)水平及結(jié)果Table 4 Test levels and results of stages of hopper A

料斗級(jí)數(shù)試驗(yàn)表明，當(dāng)料斗縱向安裝間距為150 mm時(shí)存在蒜種彈出料斗的現(xiàn)象，為了確定料斗縱向安裝間距B和料斗打開(kāi)間隔時(shí)間C最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)行了雙因素試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表5所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

隨著縱向間距 B增大，鱗芽朝上率先增大后減小，而隨著料斗打開(kāi)間隔時(shí)間C增大而增大，這是因?yàn)榘惭b間距B越小，鱗芽不能完成調(diào)整過(guò)程，料斗間距B越大，蒜種下落速度越快，容易彈出料斗；由于間隔時(shí)間C越短，定向過(guò)程中蒜種姿態(tài)越不穩(wěn)定，時(shí)間 C越長(zhǎng)，蒜種定向裝置作業(yè)效率越低，綜合考慮播種機(jī)鱗芽定向效果、工作效率等因素，確定料斗縱向安裝間距100 mm、料斗打開(kāi)間隔時(shí)間 0.4 s的參數(shù)組合，此時(shí)鱗芽朝上率為94.44%，綜合作業(yè)效果較優(yōu)，滿(mǎn)足大蒜播種要求。

表5 料斗縱向安裝間距和料斗打開(kāi)間隔時(shí)間雙因素試驗(yàn)水平表Table 5 Dual factors test levels of longitudinal spacing of adjacent two stages hopper and time interval of hoppers opening

圖10 料斗縱向安裝間距與料斗打開(kāi)間隔時(shí)間對(duì)鱗芽朝上率的影響Fig.10 Influence of longitudinal spacing between adjacent two stages hoppers and time interval of hoppers opening on seed scaly bud upward rate

2.3 插播裝置的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)蒜種直立栽種設(shè)計(jì)了插播裝置，采用鴨嘴式插播器，利用傳動(dòng)齒輪和開(kāi)閉控制氣缸完成開(kāi)閉動(dòng)作；通過(guò)往復(fù)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向上承接蒜種和向下插播栽種 2個(gè)功能，由往復(fù)運(yùn)動(dòng)氣缸、前傳動(dòng)軸、后傳動(dòng)軸和扇形配重構(gòu)成，如圖11a所示。

2.3.1 插播裝置工作原理

作業(yè)時(shí)，隨著播種機(jī)行進(jìn)，往復(fù)升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)插播器做豎直方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。蒜種從第三級(jí)料斗落入插播器后，由于插播器限制了蒜種調(diào)整空間，使其在鱗芽朝上姿態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)正為直立姿態(tài)；插播器豎直插入土壤，打開(kāi)后形成種穴，使蒜種剛好直立栽入土中；最后插播器上升并關(guān)閉，完成栽植。

2.3.2 鴨嘴式插播器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

蒜種播種深度一般為 40～60 mm，以此作為鴨嘴式插播器的設(shè)計(jì)依據(jù)，平均播深定為 50 mm。為了保證蒜種鱗芽豎直朝上栽入種穴，設(shè)計(jì)種穴呈“U”形，同時(shí)有利于回土。為此，插播器尖端設(shè)計(jì)為圓弧形，與錐形面相比降低了工作阻力，外壁設(shè)計(jì)為圓錐形薄殼，如圖11b所示。

為了保證蒜種根部穩(wěn)定在種穴內(nèi)，不發(fā)生偏移，根據(jù)蒜種外形尺寸，尖端圓弧直徑d1取15 mm；為了使蒜種在插播器中保持直立，播深處圓錐直徑 d2應(yīng)略大于蒜種厚度，取25 mm。

根據(jù)蒜種自由落體試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)蒜種初始姿態(tài)為鱗芽朝上時(shí)，下落距離在0～250 mm范圍內(nèi)，鱗芽朝向沒(méi)有顯著變化，超過(guò)250 mm后出現(xiàn)鱗芽?jī)A斜的現(xiàn)象，為此，利用插播器圓錐形外壁控制蒜種運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的鱗芽朝向。

圖11 插播裝置及鴨嘴式插播器結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of inserted planting device and duckbill inserted planting apparatus

蒜種從第三級(jí)料斗開(kāi)始下落的初速度為0，則最大下落距離（忽略空氣阻力）為式（3）。

式中h0為第三級(jí)料斗下端與插播器頂端縱向間距，mm；h2為插播器高度，mm；t0為蒜種在插播器中運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；g為重力加速度，9.8 m/s2；h0為第三級(jí)料斗下端與插播器頂端縱向安裝間距，mm。

為了避免蒜種在落入插播器前發(fā)生姿態(tài)變化的情況，在不妨礙第三級(jí)料斗工作的前提下，其下端與插播器頂端縱向間距h0取50 mm。h2取值應(yīng)在50～200 mm范圍內(nèi)，根據(jù)式（3）計(jì)算得t0在0.14～0.23 s范圍內(nèi)，綜合考慮實(shí)際工作中應(yīng)盡量減小運(yùn)動(dòng)時(shí)間t0，插播器使用壽命，以及生產(chǎn)加工工藝等問(wèn)題，最終h2取125 mm，t0為0.19 s。同時(shí)，為了避免蒜種在插播器內(nèi)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，外壁圓錐最大直徑應(yīng)與蒜種長(zhǎng)度基本一致，鑒于個(gè)別蒜種尺寸較大，因此圓錐直徑d3取45 mm。

插播器打開(kāi)角度σ可近似計(jì)算為式（4）。

式中 σ為插播器打開(kāi)角度，(°)；b為插播器打開(kāi)寬度，mm。

當(dāng)插播器打開(kāi)后，蒜種應(yīng)以直立姿態(tài)剛好通過(guò)開(kāi)口，由于蒜種厚度大于寬度，插播器打開(kāi)寬度 b應(yīng)略大于厚度，當(dāng)b取值范圍為25～35 mm時(shí)，由式（4）計(jì)算得 σ為11.48°～16.10°。為了避免種穴內(nèi)側(cè)與種子存在較大間隙而造成鱗芽?jī)A斜，σ取14°，b約為30 mm，即可保證蒜種能夠直立落入種穴，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.4 氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)底盤(pán)、取種裝置、蒜種定向裝置和插播裝置間精準(zhǔn)配合[26-28]。氣動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分主要包括高壓儲(chǔ)氣罐、換向電磁閥、觸點(diǎn)、磁性開(kāi)關(guān)，觸點(diǎn)按照一定角度差安裝在前傳動(dòng)軸上。電磁閥和氣缸連接方式如圖12所示。

圖12 氣動(dòng)控制系統(tǒng)示意圖Fig.12 Diagram of pneumatic control system

觸點(diǎn)分別控制對(duì)應(yīng)于各級(jí)料斗和鴨嘴式插播器的磁性開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，作業(yè)時(shí)，隨著前傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，磁性開(kāi)關(guān)觸發(fā)，換向電磁閥內(nèi)部線(xiàn)圈導(dǎo)通，高壓空氣由Min端迅速充入氣缸，活塞帶動(dòng)活塞桿向外伸長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使料斗打開(kāi)。隨后觸點(diǎn)離開(kāi)磁性開(kāi)關(guān)，電磁閥斷電，高壓空氣由Nin端充入氣缸，活塞桿向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，料斗關(guān)閉。

為了實(shí)現(xiàn)播種機(jī)行進(jìn)速度、取種裝置、蒜種定向裝置和插播裝置間密切配合，結(jié)合式（1），前傳動(dòng)軸與取種裝置間傳動(dòng)比i1計(jì)算公式如式（5）。

式中n1為取種裝置傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min；n2為前傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，r/min；α為觸點(diǎn)安裝角度差，(°)；l為取種勺縱向安裝間距，228 mm；D1為取種裝置傳動(dòng)鏈輪齒頂圓直徑，180 mm；t為料斗打開(kāi)間隔時(shí)間，0.4 s；T為播種機(jī)工作周期，s。

為了便于氣動(dòng)開(kāi)關(guān)裝置安裝，角度差 α 取 60°。由于蒜種定向裝置和插播器上升和下降過(guò)程用時(shí)相同，二者下降過(guò)程中同時(shí)完成蒜種定向，共用時(shí)3t s，因此播種機(jī)工作周期T與料斗打開(kāi)間隔時(shí)間t存在如式（6）關(guān)系。

將已知參數(shù)代入式（5）和（6），計(jì)算得傳動(dòng)比i1為2，播種機(jī)工作周期為2.4 s。

3 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省濟(jì)南市商河縣玉皇廟鎮(zhèn)農(nóng)田。試驗(yàn)地長(zhǎng)200 m，寬10 m，平作種植。選用蘭陵大蒜，播種株距100 mm，行距100 mm，依據(jù)取種裝置試驗(yàn)結(jié)果，該播種機(jī)作業(yè)速度取0.10 m/s，如圖13。

圖13 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.13 Prototype field test

目前，中國(guó)還沒(méi)有針對(duì)大蒜播種裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》（JB/T 10293－2001）[29]、《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T 6973－2005）[30]以及農(nóng)民實(shí)際播種需求，以地面垂直線(xiàn)為基準(zhǔn)，蒜種鱗芽?jī)A斜角小于30°視為朝上。測(cè)試長(zhǎng)度為25 m，播種完成后隨機(jī)選取5行，對(duì)鱗芽朝上率、重播率、漏播率3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。

樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果如表 6所示，鱗芽朝上率為89.2%，重播率為3.2%，漏播率為2.0%，播種效果較好；工作時(shí)，播種機(jī)行進(jìn)速度在0.08～0.10 m/s范圍內(nèi)，生產(chǎn)效率為500～650 m2/h，各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿(mǎn)足大蒜田間播種的一般種植要求。

表6 自動(dòng)定向大蒜播種機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Field test result of automatic directing garlic planter

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)定向大蒜播種機(jī)，主要包括底盤(pán)、種箱、取種裝置、蒜種定向裝置、插播裝置和氣動(dòng)控制系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有播種機(jī)難以滿(mǎn)足大蒜“根下尖上、直立栽種”播種要求的問(wèn)題。

2）該文設(shè)計(jì)了取種裝置、蒜種定向裝置和插播裝置等關(guān)鍵部件，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)確定了各部件的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，結(jié)果表明，當(dāng)播種機(jī)行進(jìn)速度為0.10 m/s、振動(dòng)機(jī)構(gòu)十字輪轉(zhuǎn)速為20 r/min、振動(dòng)作用力為15 N時(shí)，取種裝置單粒取種率為93.50%、多粒率為2.30%、漏取率為4.20%；蒜種定向裝置三級(jí)錐形料斗的尖錐半頂角依次為 45°、40°、30°，當(dāng)料斗縱向安裝間距為 100 mm、料斗打開(kāi)間隔時(shí)間為0.4 s時(shí)，蒜種鱗芽朝上率為94.44%。

3）樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，該播種機(jī)播種后蒜種鱗芽朝上率為89.2%，重播率為3.2%，漏播率為2.0%，播種機(jī)生產(chǎn)效率在500～650 m2/h范圍內(nèi)，滿(mǎn)足大蒜播種農(nóng)藝要求。

4）由田間試驗(yàn)情況知，取種裝置工作時(shí)存在漏取現(xiàn)象，因此播種機(jī)作業(yè)時(shí)需人工進(jìn)行補(bǔ)種，下一步將針對(duì)漏取檢測(cè)及補(bǔ)種裝置進(jìn)行研究；蒜種定向裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)仍需改進(jìn)，針對(duì)鱗芽方向檢測(cè)調(diào)正系統(tǒng)進(jìn)行研究。

[1] 王盛威，彭華. 大蒜2016年市場(chǎng)形勢(shì)及2017年市場(chǎng)預(yù)測(cè)[EB/OL]. (2017-1-22)[2018-1-19]. http://jiuban.moa.gov.cn/zwllm/jcyj/201701/t20170122_5461576.htm.

[2] 王盛威，熊露，韓書(shū)慶，等. 2016年中國(guó)大蒜市場(chǎng)形勢(shì)分析及后市展望[J]. 農(nóng)業(yè)展望，2016，12(11)：4－6.

[3] 周福兵，宋瑛穎. 淺談大蒜的種植及技術(shù)要求[J]. 農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2016(12)：178.

[4] Duck K, Won K, Tea G, et al. Garlic upright-position and planting device: US 6619219 B2[P]. 2003－11－16.

[5] Труфляк Е В, Скоробогаченко И С, Сапрыкин В Ю.Ручная сеялка точно-ориентированного посева зубков чеснокаи луковиц[J]. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета, 2014, 104(10): 1－17.

[6] Xuan L I, Baotong D, Hua Y E. The research based on the 3-R principle of agro-circular economy model-the Erhai lake basin as an example[J]. Energy Procedia, 2011, 12(5):1399－1404.

[7] Gao C, Zhang H. Study on the direction identification and alignment of garlic scaly bud[C]// Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, 2012: 220 －223.

[8] Zhang D Q, Wu Y J, Zhang C K. Vertical planting structure design for planter[C]// Applied Mechanics and Materials.Trans Tech Publications, 2014: 87－90.

[9] Jiraporn B, Hai S, Nobutaka I. Study of the mechanics of a 5 hp power tiller attached to a 10-row garlic planter[J].Agricultural Mechanization in Asia, 2010, 41(1): 40－44.

[10] Tarun K M, Varma M R. Modification and performance evaluation of garlic planter[J]. Agricultural Engineering Today, 2007, 31(2): 11－14.

[11] Brajesh N, Shrivastava A K, Rajesh K N, et al. Design,Development and Evaluation of Self Propelled Garlic(Allium Sativum L.) Clove Planter[D]. Jabalpur: College of Agricultural Engineering Jabalpur, 2010.

[12] Devesh K, Jitendra K, Kamal K. Studies and performance of a garlic planter in Uttar Pradesh[J]. International Journal of Agricultural Engineering, 2017, 10(1): 228－223.

[13] 劉云東，白玉成. 2ZDS-5型自走式大蒜栽植機(jī)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械，2002(7)：52.Liu Yundong, Bai Yucheng. Self-propelled 2ZDS-5 type garlic planter[J]. Farm Machinery, 2002(7): 52. (in Chinese with English abstract)

[14] 謝學(xué)虎，張永，劉召，等. 大蒜播種機(jī)種植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(1)：34－39.Xie Xuehu, Zhang Yong, Liu Zhao, et al. Design of planting mechanism for garlic planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineerng (Transactions of the CSAE), 2015, 31(1): 34－39. (in Chinese with English abstract)

[15] 薦世春，趙峰，李青，等. 大蒜播種機(jī)蒜瓣自動(dòng)定向控制裝置的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2009，(10)：28－37.

[16] 包建領(lǐng)，劉輝，時(shí)元鵬. 一種基于液壓傳動(dòng)的履帶式大蒜播種機(jī): ZL 201510890445.6[P]. 2016－03－16.

[17] 崔榮江. 一種實(shí)現(xiàn)定向栽種的大蒜栽種杯及一種大蒜栽種機(jī): ZL 201610673469.0[P]. 2016－11－09.

[18] 耿愛(ài)軍，張兆磊，宋占華, 等. 蒜種盒機(jī)械投放過(guò)程運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(5)：29－35.Geng Aijun, Zhang Zhaolei, Song Zhanhua, et al. Kinematic analysis and parameter optimized experiment of garlic box delivery process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016,32 (5): 29－35. (in Chinese with English abstract)

[19] 張兆磊，耿愛(ài)軍，李汝莘，等. 蒜種振動(dòng)排序裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(8)：138－142.Zhang Zhaolei, Geng Aijun, Li Rushen, et al. Design and test of the garlic seed sequencing vibration machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(8): 138－142.(in Chinese with English abstract)

[20] 趙克利. 底盤(pán)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[21] 康拉德·賴(lài)夫. 柴油機(jī)管理系統(tǒng)：系統(tǒng)、部件、控制和調(diào)節(jié)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[22] 崔榮江，薦世春，楊繼魯，等. 勺鏈?zhǔn)酱笏馊》N器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(2)：99－102.Cui Rongjiang, Jian Shichun, Yang Jilu, et al. Optimization design and test of take garlic spoon[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(2): 99－102. (in Chinese with English abstract)

[23] 史書(shū)強(qiáng). 鏈勺式馬鈴薯播種機(jī)振動(dòng)排種裝置: ZL 201220705417.4[P]. 2013－06－05.

[24] 孫偉，王關(guān)平，吳建民. 鏈勺式馬鈴薯排種器漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(11)：8－15.Sun Wei, Wang Guanping, Wu Jianmin. Design and experiment on loss sowing testing and compensation system of spoon-chain potato metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 8－15. (in Chinese with English abstract)

[25] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

[26] Mohammad R B, Desa A. Determining physical and aerodynamic properties of garlic to design and develop of a pneumatic garlic clove metering system[J]. Agricultural Engineering International: CIGR Journal, 2015, 17(1): 59－67.

[27] 林文坡. 氣動(dòng)傳動(dòng)及控制[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社,1992.

[28] 徐炳輝. 氣動(dòng)手冊(cè)[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.

[29] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法: GB/T 6973－2005[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005：10.

[30] 中國(guó)工業(yè)機(jī)械聯(lián)合會(huì). 單粒 (精密)播種機(jī)技術(shù)條件: JB/T 10293－2001[S]. 北京：機(jī)械科學(xué)研究院，2001：06.