秦婷婷，王存鵬，呂寶君，匡 軍，張倩瑜，張清博，胡彩旗

(青島農(nóng)業(yè)大學 a.機電學院；b.科技處，山東 青島 266109)

0 引言

我國是大蒜種植大國，大蒜是我國在國際市場上極具競爭力的農(nóng)產(chǎn)品，也是我國重要的經(jīng)濟作物和出口產(chǎn)品，用途較為廣泛，需求量較大。大蒜的種植主要集中在山東、江蘇、安徽、河南和陜西等地。目前，我國大蒜種植面積約為75萬hm2，約占世界總種植面積的71%[1-3]。

大蒜種植對于直立性要求較高，為了保證大蒜播種成活率和大蒜產(chǎn)量，蒜瓣入土后鱗芽朝上是必要條件。但是，由于蒜瓣的不規(guī)則外形導致在大蒜機械化播種過程中的直立性很難保證。由于上述這種局限性，目前我國大蒜的種植大多采用手工種植，勞動強度大、成本較高、效率較低，故大蒜的精準定向播種是實現(xiàn)大蒜機械化和自動化播種的關鍵，對于減輕蒜農(nóng)的勞動強度、增加其收入具有重要意義[4-7]。

本文通過對大蒜外形尺寸進行多組測量獲得大蒜蒜瓣的統(tǒng)計學外形尺寸，設計了大蒜精準定向播種機構(gòu)，并基于試驗設計、三維建模軟件和三維仿真軟件等技術和方法提出可使大蒜鱗芽朝上并保證其播種直立度的多層矯正裝置。試驗數(shù)據(jù)分析和仿真分析結(jié)果表明：該裝置是可行的，能夠滿足大蒜播種蒜瓣入土鱗芽朝上的農(nóng)藝要求。

1 播種機關鍵結(jié)構(gòu)設計

1.1 大蒜種子外形尺寸測量

從大蒜種子中隨機挑出100個進行外形長度、寬度和高度尺寸的測量，如圖1所示；測量結(jié)果如表1所示。

(a)

(b)

變量長L/mm寬B/mm高H/mm質(zhì)量M/g個數(shù)100100100100平均值33.9518.2521.176.78最大值38.322.724.18.77最小值29.212.416.2 4.8

由測量數(shù)據(jù)可知：大蒜外形尺寸的最大值分別為L=38.1mm，B=22.7mm，H=24.1mm，根據(jù)以上數(shù)據(jù)確定取種勺的直徑為45mm，排種管的直徑為50mm。

1.2 排種勺設計

在一個輥子上設置多排取種勺，由取種勺的尺寸可以保證每個勺子每次只取一個蒜瓣，以達到單粒播種的目的。排種輥和排種勺外形如圖2所示。

圖2 排種輥和取種勺

1.3 施肥裝置設計

對于一個機器來說，在播種機構(gòu)之前有一個完善的施肥裝置是很有必要的。施肥裝置主要由肥料箱、排肥軸、外槽輪式排肥器、排肥管和開溝器等組成。施肥裝置的動力由地輪通過鏈傳動提供。肥料箱安裝在施肥裝置的上方，在每一行的中心位置設置一個開溝器，通過調(diào)節(jié)排肥槽輪的工作長度調(diào)整施肥量的大?。徊⒁欢康姆柿吓胚M輸肥管中，通過輸肥管，肥料落入開好的溝中，完成施肥。施肥裝置如圖3所示；排肥槽輪如圖4所示。

為了精量控制排肥量，外槽輪式排肥器的排量q計算公式為

式中q1—排肥器每轉(zhuǎn)凹槽排肥量(g)；

q2—排肥器每轉(zhuǎn)凹槽外帶動的排肥量(g)；

d—外槽輪直徑(mm)；

L—外槽輪工作長度(mm)；

γ—肥料容重(g/L)；

n—排肥軸轉(zhuǎn)速(r/min)；

α(n)—肥料對排肥凹槽的充滿系數(shù)，一般取0.6～0.75；

f—每個凹槽的面積(mm2)；

t—每個凹槽的節(jié)距(mm)；

cn(n)—凹槽外帶動層特性系數(shù)，與轉(zhuǎn)速有關。

1.肥料箱 2.旋轉(zhuǎn)排肥槽輪 3.輸肥管 4.開溝器

L.槽輪工作長度

1.4 矯正裝置設計

采用鐵皮制作錐形小碗，模擬蒜瓣平躺、鱗芽朝上、鱗芽朝下3種下落狀態(tài)，以通過錐形矯正碗矯正后鱗芽朝上為達到矯正目的，通過多次試驗發(fā)現(xiàn)：當自由下落的蒜瓣掉入到具有一定角度的錐形小碗中時，蒜瓣會依靠自身重力和重心位置在下落過程中調(diào)整其狀態(tài)；通過多次改變錐形矯正小碗的錐度發(fā)現(xiàn)，當錐度為45°時，鱗芽朝上的蒜瓣最多，矯正率最高。45°錐形矯正碗的結(jié)構(gòu)如圖5所示。錐形矯正碗實驗數(shù)據(jù)如表2所示(表2中每種下落姿態(tài)下樣本容量均為100個)。

整個矯正裝置由排種管、V型矯正板、雙層錐形矯正碗和鴨嘴組成，蒜瓣從排種管掉落，通過V型矯正板調(diào)整蒜瓣的姿態(tài)，通過雙層錐形矯正碗再對蒜瓣姿態(tài)進行兩次矯正，以保證蒜瓣矯正率達到98%以上，最后通過鴨嘴種植以保證大蒜種植的精準定向要求。矯正裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 錐形矯正碗結(jié)構(gòu)圖

矯正碗錐度/(°)蒜瓣下落姿態(tài)鱗芽朝上個數(shù)矯正率/%平均矯正率/%50鱗芽朝上9090鱗芽朝下00平躺46464545鱗芽朝上9898鱗芽朝下11平躺76769140鱗芽朝上9797鱗芽朝下00平躺505049

1.凸輪 2.曲柄滑塊機構(gòu) 3.鏈輪 4.軸承座 5.落料管 6.滑動裝置1 7.V形矯正板 8.滑動裝置2 9.錐形矯正碗 10.偏心式錐形矯正碗 11.鴨嘴 12.凸輪1 13.滑動裝置 14.凸輪2 15.齒輪

由于凸輪傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、工作可靠，從動輪運動時間和靜止時間可在較大范圍內(nèi)變化，所以V型矯正板和雙層錐形矯正碗均采用凸輪機構(gòu)進行間歇傳動。為了達到逐層開合矯正的目的，需要對凸輪的回程長度、安裝角度進行設計。矯正裝置的開合距離與大蒜的外形尺寸相關，根據(jù)表1設置V形矯正器與錐形矯正碗的開合距離不小于25mm，將凸輪的回程展開長度設置為30mm，以滿足矯正裝置的開合要求。為實現(xiàn)V形矯正器和錐形矯正碗的逐層開合，各凸輪需要錯開一定角度安裝，驅(qū)動V形矯正器的凸輪安裝角度和驅(qū)動第一層錐形矯正碗的凸輪安裝角度錯開120°，驅(qū)動第一層錐形矯正碗的凸輪和驅(qū)動第二層錐形矯正碗的凸輪錯開90°。

2 播種機整體結(jié)構(gòu)

2.1 整體結(jié)構(gòu)介紹

該多層矯正式大蒜播種機由播種箱、排肥箱、排肥器、取種勺、開溝器、導種管、凸輪、鴨嘴、中心軸、牽引桿、地輪、鏈輪、凸輪、覆土器、V形矯正板，以及雙層矯正碗等組成，如圖7所示。

1.肥料箱 2.種子箱 3.鏈輪 4.排種輥 5.覆土器 6.矯正裝置 7.地輪 8.機架 9.開溝器 10.排肥裝置

播種箱內(nèi)部設置有取種勺，其下端連接排種管，排種管下口正對著矯正板，矯正板下面是兩層矯正碗裝置，矯正碗下面是一個鴨嘴。3層矯正裝置分別安裝在3個固定支架上，鴨嘴也安裝在一個固定支架上，鴨嘴支架兩端與滑塊機構(gòu)相連接。開溝器在最前端，開溝器后方為排肥系統(tǒng)，雙圓盤式覆土器在整個機構(gòu)的后面。

2.2 播種機工作原理介紹

該裝置主要由拖拉機牽引前進，所有動力從地輪輸出。將動力通過鏈傳動以及齒輪傳動逐級傳遞到各個機構(gòu)。

1)肥料箱將肥料經(jīng)排肥機構(gòu)傳動到開溝器所開好的溝底，然后泥土自動將肥料覆蓋，完成施肥。

2)種箱及排種輥中，種箱中的大蒜由排種輥上自帶的排種勺將大蒜挖起，經(jīng)擋板進行排選，后經(jīng)設計好的兩壁軌道進入輸種管；蒜瓣掉到V型板上進行初步調(diào)正，再經(jīng)下面兩級錐形矯正碗進行進一步調(diào)正，完成之后經(jīng)插播機構(gòu)進行大蒜的播種。

3)播種完成之后，由雙圓盤式覆土器進行鎮(zhèn)壓覆蓋，覆土器將種子覆蓋。

3 基于ADAMS的矯正裝置仿真分析

ADAMS軟件使用交互式的圖像環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)模型，可用于對虛擬樣機進行運動學、動力學和靜力學分析，得出輸出速度、位移、加速度和反作用力曲線。

本文中，為了進一步分析矯正裝置的性能，采用 ADAMS對矯正機構(gòu)進行運動仿真。把在SOLIDWORKDS中建立矯正裝置的三維模型導入到ADAMS中，并對各零部件添加約束后，對矯正裝置進行運動仿真，設置蒜瓣以不同的形態(tài)下落，如平放、鱗芽朝上、鱗芽朝下，以及其他不規(guī)律形態(tài)；隨著蒜瓣逐漸由種箱經(jīng)排種勺下落，機構(gòu)的開合主要由凸輪機構(gòu)進行控制，進行仿真，導出蒜瓣質(zhì)心隨時間變化的運動軌跡曲線。為便于獲取蒜瓣在下落過程中的姿態(tài)變化，在蒜瓣的兩端各建立一個標記點113(鱗芽部)和114(根部)，標記點位置如圖8所示。蒜瓣以不同形態(tài)下落時質(zhì)心點以及所標記點隨時間變化的運動軌跡曲線如圖9所示。其中，(a)為蒜瓣平放，(b)為蒜瓣鱗芽朝上，(c)為蒜瓣鱗芽朝下。

圖8 蒜瓣標記點

蒜瓣開始下落時相對矯正機構(gòu)的位置如圖10所示。蒜瓣下落初始位置為距離排種管上端向上8cm，圖9縱坐標中的位移0點位置為距離排種管下端向上2.5cm，即矯正機構(gòu)導入ADAMS后生成的坐標原點，其坐標位置如圖10所示。

(a)

(b)

(c)

由圖9可以看出：蒜瓣在下落過程中發(fā)生多次碰撞，第1次碰撞發(fā)生在V形矯正板上，蒜瓣在掉落到V形矯正板上時質(zhì)心點曲線與所標記兩點的曲線幾乎重合，可以判定此時蒜瓣的狀態(tài)為平躺；第2次碰撞發(fā)生在錐形矯正碗中，蒜瓣掉落在錐形矯正碗中時質(zhì)心點曲線處在所標記兩點曲線的中間，標記在鱗芽端的點的曲線在最上方，但曲線距離較近，由此可以判定此時蒜瓣的狀態(tài)為鱗芽端傾斜朝上；第3次碰撞發(fā)生在偏心式錐形矯正碗中，蒜瓣在掉落在偏心式錐形矯正碗中時質(zhì)心點曲線處在所標記點曲線的中間，標記在鱗芽端部的點的曲線在最上方，可以判定此時蒜瓣的狀態(tài)為鱗芽端朝上。即多層矯正裝置將蒜瓣調(diào)整為鱗芽朝上的狀態(tài)。

1.大蒜 2.坐標原點 3.矯正機構(gòu)

4 結(jié)論

在大蒜播種過程中，為了保證播種質(zhì)量和大蒜產(chǎn)量，要求蒜瓣入土后鱗芽朝上。本文針對這個問題提出了多層矯正式大蒜播種機結(jié)構(gòu)，以蒜瓣鱗芽朝上、鱗芽朝下、平躺3種典型下落姿態(tài)為主，分別以100個蒜瓣的樣本容量，試驗統(tǒng)計和分析了3個錐度的錐形矯正碗對各姿態(tài)蒜瓣的矯正規(guī)律，并運用SolidWorks軟件對該機構(gòu)進行建模，基于ADAMS軟件對主要矯正部件進行運動仿真獲得大蒜播種過程中的蒜瓣運動軌跡曲線。通過對質(zhì)心點和兩端標記點運動軌跡的對比分析表明：蒜瓣在通過多層矯正裝置的過程中由于矯正裝置對其多次矯正，保證了蒜瓣鱗芽朝上的要求。