勺链式大蒜取种器的优化设计与试验
2017-12-16崔荣江荐世春杨继鲁王小瑜马继春
崔荣江，荐世春，杨继鲁，王小瑜，马继春
(1.山东省农业机械科学研究院，济南 250100；2.鲁特电工股份有限公司，山东 济宁 272200)
勺链式大蒜取种器的优化设计与试验
崔荣江1，荐世春1，杨继鲁2，王小瑜1，马继春1
(1.山东省农业机械科学研究院，济南 250100；2.鲁特电工股份有限公司，山东 济宁 272200)
排种器是播种机的重要部件，很大程度上决定着播种质量。为此，以勺链式排种器为研究对象，基于金乡紫皮大蒜，对取种勺(取种器)的结构尺寸参数进行了优化。样机试验表明：当v=0.25m/s、B=40mm、L1=11mm、L2=23mm、H=10、β=5°时，单粒取种成功率为95%，漏取率为1.2 %，重取率为3.8%，满足大蒜播种需求。该研究为不同品种、级别大蒜取种勺优化设计提供了参考。
大蒜；单粒取种；取种勺；勺链式排种器
0 引言
大蒜播种属于精量播种范畴，由于蒜瓣本身形状和大小的不规则性，使得大蒜单粒排种器成为设计难点[1-2]。
目前，国内外主要存在3种成型的排种器：一是勺链式；二是转勺式；三是振动式，如图1所示。欧洲国家多采用转勺式排种器，圆弧型取蒜勺均布在转盘一侧，当取蒜勺运动到取种位置时，取蒜勺在旋转挡块的作用下打开取种，并在扭转弹簧的作用下随即将其夹紧，多余的种子被毛刷刷掉，落回到种箱[3-4]。在国内，中国农业大学金磊[5]对勺链式排种器做了研究，横式取种勺的单粒取种成功率为92.2%，漏播率为1.9%，重播率为5.9%；2013年，山东五征集团李瑞川[6]等采用转勺式排种器设计了WZ-4 型大蒜种植机。
本文以勺链式排种器为研究对象，基于金乡大蒜，重点对取种勺的结构尺寸参数进行优化，以期获得取种效果优良的取种器，同时为不同品种、级别大蒜的取蒜勺设计提供参考。
1 大蒜种体物理参数
蒜种为金乡大蒜，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Ls(mm)、宽度Bs(mm)、高度Hs(mm)和质量Ms(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。
级别数据长度Ls宽度Bs高度Hs5～6g均值32．517．320．9范围29．5～36．528．0～33．218．4～23．04～5g均值30．816．219．4范围28．0～33．213．6～20．817．1～21．23～4g均值29．114．717．6范围26．9～29．111．7～17．515．7～20．73～6g总均值30．816．119．3总范围26．9～36．511．7～33．215．7～23．0
2 机械结构与工作过程
2.1 机械结构
勺链式大蒜排种器由种箱、取蒜勺、链条、链轮、导种槽和护种槽等组成，如图2所示。取种链条安装于位于同一平面上的链轮1、链轮2、链轮3和张紧链轮上，链轮1、链轮2、链轮3均安装于单粒取种装置的驱动轴上。链轮1为原动件，靠近种箱；链轮2位于第1链轮正上方，张紧链轮位于链轮2的左上方；链轮3位于张紧链轮左方；位于护种下落段的闭环式取蒜链条外部设有护种槽，护种槽位于种箱下方，取蒜勺每隔一段相同的距离与链条固定连接。
1.链轮1 2.导种槽 3.链轮2 4.取种链条 5.取种勺 6.张紧链轮 7.护种槽 8.链轮3 9.种箱 10.取种架
2.2 工作过程
勺链式排种器的工作过程分为垂直取种阶段、斜上运行清种阶段、水平清种稳种阶段及护种并排种阶段，如图3所示。在垂直取种阶段取种勺充种，在斜上运行清种阶段和水平清种稳种阶段多余蒜种被清除回到种箱，到护种并排种阶段，在护种槽的作用下，种子被逐颗排出。
图3 勺链式排种器工作过程
3 取种勺结构尺寸参数的优化
3.1 大蒜种体受力分析
蒜瓣在取蒜勺定量孔中受到重力和孔壁反力N1和N2的作用，如图4所示。
图4 蒜瓣经过链轮受力图
离心加速度为
(1)
式中v—链条移动速度；
R—蒜瓣重心距离链轮圆心距离。
x方向受力方程为
(2)
y方向受力方程为
mgsinα=N2
(3)
蒜瓣受到内壁摩擦力为
f=μN2=μmgsinα
(4)
式中 μ—蒜瓣与取种勺材料的摩擦因数。
大蒜种体不掉出勺体的极限状态为
f=N1=μN2
(5)
将(5)式带入(3)式得
(6)
解之得
(7)
当α≥90°时，蒜瓣最容易被甩出取种勺，带入(7)式，即
(8)
3.2 取种勺结构
取种勺是勺链式排种器的核心，结构形式如图5所示。影响取种效果的主要因素有勺宽B、勺体长L1和L2、倾斜角β和取种速度v。
图5 取种勺结构简图
1)勺体：长L2、宽B、高H。勺体太长容易在取蒜过程中多取造成重播，太短容易漏播，应在Hs/Bs
2)定量孔：长L1、宽B、高H1和H2。定量孔太长，多余种子不易清除，容易重播，太短容易漏播，应在Hs/Bs 3)倾角β。倾角β有利于横卧在勺体内的蒜瓣滑入定量孔中，还有利于清种。β的取值应该大于蒜瓣侧立倾倒的角度和蒜瓣与取蒜勺制造材料之间的摩擦角，一般取4°～8°。 4)取种速度v。取种速度影响着取种效率和效果，太快蒜瓣容易甩出，太慢影响播种效率，一般取0.2～0.35m/s。 4.1 取种勺改进试验1 为简化取种勺结构，去掉勺柄，在定量孔后方增加两个安装孔与链条平板连接，上盖全敞开。取种勺的基本结构尺寸为B=40mm、L1=11 mm 、L2=23mm、H=10、β=5°，如图6所示。建立简易取种装置，如图7所示。 图6 取种勺结构 图7 简易取种装置 选取形状规范、个头饱满的金乡大蒜蒜瓣5kg， 试验结果表明，取种勺存在多取问题，如图8所示。取种勺多取主要原因在于以下两个方面：勺体太宽，蒜瓣能并排竖立进入；全敞开式上盖板能够容纳2个并排竖立蒜瓣。 图8 多取现象 4.2 取种勺改进试验2 为解决多取问题，一方面将勺体边缘倒圆角，减小勺体宽度，避免两个蒜瓣并排竖立进入；另一方面，把取种勺上盖板改成拱形，限制蒜瓣并排进入，如图9所示。 图9 改进取种勺1 根据上述设计，进行取种样机试制，选取形状规范、个头饱满的金乡大蒜蒜瓣20kg，在山东省农业机械科学研究院试验基地进行试验，动力为泰山25拖拉机，如图10所示。 图10 样机试验 试验表明：改进取种勺1存在0.2 %左右的卡种率，如图11所示。卡种的原因在于定量孔的H2太小。 图11 卡种现象 4.3 取种勺改进试验3 为解决卡种问题，将上盖板由平拱形改成带有锥度的拱形，保证定量孔空间大于蒜瓣，如图12所示。根据上述设计，进行取种样机试制，选取形状规范、个头饱满的金乡大蒜蒜瓣20kg，在山东省农业机械科学研究院试验基地进行试验，动力为泰山25拖拉机，如图13所示。 图12 改进取种勺2 图13 样机试验 试验表明：当v=0.25m/s时，单粒取种成功率为95%，漏取率为1.2 %，重取率为3.6%，满足大蒜播种要求，如图14所示。 图14 试验效果 1)样机试验表明：勺链式单粒取种装置可以满足大蒜播种需求。在v=0.25m/s时，单粒取种成功率为95%，漏播率为1.2 %，重播率为3.8%。 2)本文只针对金乡大蒜进行取种勺设计，其它不同品种、级别大蒜的取种勺设计还需要做进一步的研究。 [1] 郭毅， 张祖立，于丽颖，等.大蒜播种机械的研究现状[J].农机化研究，2009，31(6):221-223. [2] 李瑞川，孙雪，曲殿伟，等.某大蒜播种机单粒排种装置的研究[J].农业装备与车辆工程，2013， 51(6):5-8. [3] Jiraporn Benjaphragairat，Hai Sakurai，Nobutaka Ito.大蒜播种机排种器及开沟器设计与控制[J].农业工程，2011(2)：109-110. [4] 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. [5] 金磊. 大蒜种植机械设计[D].北京:中国农业大学, 2007. [6] 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. Abstract： Seeding is an important component of the planter, largely determines the seeding quality. With spoon chain Seed meter as the research object,based on Jin Xiang Garlic,the structure size parameters of spoon (The kind of lifter).were optimized.Prototype tests showed that whenv=0.25m/s，B=40mm，L1=11 mm，L2=23mm，H=10，β=5°, the success rate of single grain seed take was 95 percent, the leakage rate was 1.2 percent, the replay was 3.8 percent, which meets the needs of garlic planting. The study take optimal design reference to different varieties and species level tablespoons garlic. ID:1003-188X(2017)02-0099-EA Optimization Design and Test of Take Garlic Spoon Cui Rongjiang1, Jian Shichun1, Yang Jilu2, Wang Xiaoyu1, Ma Jichun1 (1.Shandong Agriculture Machinery Research Institute, Jinan 250100, China；2.LUTE Electric Co., Ltd，Jining 272200, China ) garlic; take a single grain seed; take seed spoon; chain spoon seeder 2016-01-14 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) 崔荣江(1983-)，男，山东巨野人，助理工程师，(E-mail)cuirongjiang2009@163.com。 荐世春(1963-)，男，济南人，研究员，(E-mail)jscsh2002@163.com。 S224.2 A 1003-188X(2017)02-0099-044 取种勺改进试验
5 结论
