连续种植式大蒜立直种植装置性能分析

马伟童,宋井玲,孙 倩,许鹏飞,臧云飞,徐洪岑,蔡善儒

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院,山东 淄博 255000)

0 引言

大蒜在我国的种植历史悠久,因其具有丰富的营养物质且具有杀菌、消毒、抗癌的作用,成为了我国重要的经济作物之一[1-4]。我国是世界重要的大蒜生产、消费和出口国,2016年我国大蒜的种植总面积约为37.9万～40.5万hm2,约占世界大蒜总种植面积的60%以上[5-6]。

大蒜芽尖向上立直种植才会长出蒜头直径大、蒜瓣饱满的大蒜头[7]。实现大蒜机械化种植,一般先要实现蒜种单粒化和单粒蒜种定向,再把单粒定向好的蒜种立直种植在土壤中。目前,国内外现有的大蒜种植机根据功能基本分为两种:一种是只能实现蒜种单粒化播种的平播式,播种后的蒜种方位随机,不能实现牙尖向上立直种植,因此没有立直种植装置,如西班牙、法国研制的大蒜种播种机等;另一种是有立直种植装置能实现芽尖向上立直种植的大蒜立直种植机,国外有日本、美国和韩国研制的这种类型的大蒜种植机[8-10],国内有山东省商河县庆华机械厂研制的QH18-2自走式大蒜播种[11]、五征集团李瑞川等人研制WZ-4型大蒜种植机[12]和山东省农业机械科学研究院崔荣江等人研制的大蒜种植机[13]等。

根据大蒜芽尖向上立直种植农艺要求,对单粒定向好的蒜种立直种植技术是实现大蒜种植机械化的关键之一。具有蒜种立直种植功能的大蒜种植机中,多采用鸭嘴式栽植器携带蒜种做种植运动,入土后鸭嘴打开将定向好的单粒蒜种立直插送到土壤中。种植过程中,为减小水平方向的速度对蒜种立直状态的影响,栽植器种植过程中的水平速度应接近于零。为满足此要求,栽植器的运动形式一般有两种形式:一种为上下往复直线运动或摆动。种植蒜种时,水平方向的分速度为零或较小,实现蒜种水平零速投种栽种,有利于蒜种保持原来牙尖向上状态,立直种植效果好;但由于栽植器栽种运动是间歇式的,且向下运动入土栽种时种植机一般要停止前进,效率低,平稳性较差。另一种为圆周运动。种植蒜种时,栽植器在做圆周运动的过程中要保持方位不变,即鸭嘴的开口始终向上,蒜种在栽植器内也保持原来牙尖向上的状态,栽植器连续栽种,机具可保持匀速前进,运转平稳,效率高;但栽植器在做圆周运动打开过程中,其水平分速度是不断变化的。如何使蒜种保持原来的芽尖向上的状态插送到土壤中,是连续种植式大蒜立直种植装置要解决的主要问题。

针这一问题,笔者对鸭嘴连续种植式大蒜立直种植装置进行性能分析,为优化设计高效且满足农艺要求的大蒜种植机械提供参考。

1 圆周连续种植装置结构形式与工作原理

1.1 结构形式

可以使栽植器在圆周连续运动及种植过程中时刻保持开口向上垂直状态的运动机构一般有两种:一种是行星齿轮结构,另一种是平行四杆机构,如图1所示。平行四杆结构中,O1ABO2为双曲柄平行四杆机构,O1O2为固定件,AB为连杆,O1A=O2B,O1O2=AB,O1A为主动件。栽植器固定在连杆的AB上,C点为栽植器的下端点。工作时,主动杆驱动平行四杆机构运动,栽植器做圆周转动的同时方位不变。若栽植器固定在连杆AB的A点处,则栽植器绕O1点旋转1周同时绕A反向自转1周。行星齿轮结构中,固定齿轮1中心固定在O1点不转动,中间齿轮2、3分别固定在转盘上,随转盘转动而转动。中间齿轮2分别与固定齿轮1、驱动齿轮3啮合,且齿轮3与齿轮1相同,栽植器固定在齿轮3的中心A处,转盘中心与固定齿轮同中心O1一致,可绕O1转动。行星齿轮机构在工作中,驱动转盘绕O1转动,转盘转动1周,栽植器绕点O1旋转1周同时随齿轮3绕A自转1周。

1．杆1 2．杆2 3．连杆 4．栽植器 5．转盘 6．齿轮1 7．齿轮2 8．齿轮3图1 栽植器运动机构示意图Fig.1 Structure diagram of garlic upright plant

1.2 工作原理

在栽植器做圆周连续种植运动的一个工作循环里,首先闭合状态的栽植器运动到接种位置接入单粒定向好的蒜种,蒜种在栽植器中仍然保持牙尖向上直立状态;栽植器携带蒜种运动到栽种位置插入土壤中,栽植器打开,将定向好的蒜种立直送入土壤,并随种植装置的转动维持打开状态,在离开土壤后栽植器逐渐闭合;闭合的栽植器随同心装盘继续转动进行下一工作循环。

栽植器在做匀速圆周运动的同时,随大蒜种植机匀速前进。设栽植器匀速圆周运动的线速度为v1,机器前进速度为v,令速比λ=v1/v。以栽植器下端点C的旋转中心O为坐标原点,机器的前进方向为x轴方向,垂直向上的方向为y轴方向建立直角坐标系,则栽植器的运动轨迹如图2(a)所示。轨迹1为λ>1,轨迹2为λ=1,轨迹3为λ<1。轨迹1存在两个水平绝对速度为零的点a、b,轨迹2存在一个零速点c,轨迹3不存在零速点[14-15]。种植装置在满足λ>1时立直种植效果最好[16],而且能获得较小的株距,所以本文对λ>1的情形进行分析研究。

图2 栽植器运动规律Fig.2 The movement law of planting device

2 栽植器的性能分析

2.1 栽植器打开方式

栽植器一般为鸭嘴结构,由可沿机器行驶方向打开的两部分组成,如图3所示。打开方式有3种:立直种植装置两侧同时打开为对称打开;行驶方向后方的一侧向后打开为单侧向打开;行驶方向前方的一侧向前打开为单侧向前打开(图3虚线所示)。

B—栽植器开度 D—旋转中心 h—蒜种下落高度1.对称打开 2.后侧打开 3.前侧打开图3 栽植器鸭嘴结构Fig.3 The structure of the duck beak of the planter

2.1.1栽植器打开性能要求及其在打开过程中速度分析

完成立直种植的关键在于:栽植器打开后蒜种与栽植器分离过程中,蒜种保持原来垂直状态做自由落体运动不受干扰,且蒜种水平方向受到的土壤回流作用力关于蒜种对称。栽植器的运动和两侧打开都是沿机器行驶方向的,土壤在栽植器左右方向的作用是对称的,主要是保证前后方向的作用对称。λ>1时,栽植器的运动轨迹与速度变化如图2(b)所示,起始点g为运动垂直方向的最高点,H为栽植器入土深度。在栽植器打开投种前,蒜种的运动规律与栽植器一致,为减小水平速度对蒜种立直状态的影响,栽植器应在水平速度接近零速点时打开投种。根据栽植器的水平分速度变化,栽植器的绝对水平分速度的变化可分为以下几个阶段:垂直方向的最高点g到第一零速点a为正向减小;第1个零速点a到垂直方向的最低点为反向增加;垂直方向的最低点到第二零速点b为反向减小,第二零速点b到垂直方向的最高点为正向增加。

2.1.2 栽植器打开位置对种植性能的影响

栽植器在第一零速点a前打开,蒜种在离开栽植器下落入土后,栽植器继续运动经过蒜种入土位置会破坏蒜种的直立状态;在第二零速点b后打开,蒜种已经离开栽植器运动最低点,蒜种能达到的土壤深度远离栽植器运动最低点,播深及蒜种状态受土壤回流影响较大。

在第一零速点a和最低点之间打开,蒜种离开栽植器时水平速度向后,蒜种水平速度不变自由下落的过程中,栽植器继续做水平向后加速运动,后侧远离蒜种,不会干涉蒜种自由下落,前侧会干涉蒜种自由下落。若栽植器单侧向前打开或对称打开,避免前侧干涉蒜种自由下落的条件是:栽植器前侧相对蒜种水平向后运动未到达蒜种最前端,即前侧向前打开距离B与蒜种下落过程的向后水平位移S2之和大于栽植器前侧投种后到第二零速点b水平位移S1与蒜种最大宽度wmax之和,即

B+S2≥S1+wmax

B≥S1+wmax-S2

(1)

式中B—栽植器前侧最低点C打开水平距离;

S1—栽植器投种后到第二零速点b水平位移;

S2—蒜种下落过程的向后水平位移。

在第一零速点a和最低点之间,蒜种离开栽植器时向后水平分速度大于零,即S2大于零。在相同λ值下,S2等于零时,栽植器前侧不对蒜种产生干涉要求栽植器前侧打开的宽度B有最小值,此时S1应为两零速点水平距离,则

则式(1)为

(2)

式中λ—速比;

wmax―蒜种最大宽度;

R―栽植器旋转半径。

式(2)表示前侧打开距离B只与栽植器旋转半径R、速比λ有关。在速比λ一定的情况下,栽植器旋转半径R越大,前侧打开距离B应越大。因此,栽植器在实际工作中单侧向前打开开度应大于B,对称打开开度应大于2B。

蒜种自由下落接触土壤完成自由下落过程,其底部先接触土壤,绝对速度瞬间为零,上部因惯性向后倾倒。若栽植器后侧或后侧回土不能及时对蒜种支撑,蒜种将不会保持直立状态种植。因此,栽植器后侧不应向后打开或打开距离很小。在蒜种离开栽植器后,栽植器后侧相对蒜种向后运动并在蒜种落地后通过第二零速点b向前运动接近蒜种同时向上运动,起到防止蒜种向后倾倒或扶正的作用,也能使蒜种后侧及时回土支撑蒜种,避免其继续向后倾倒,如图4所示(蒜种播深为H′)。因此,栽植器向前单侧打开比对称打开更有利于蒜种的直立种植。

1.蒜种下落状态 2.蒜种接触土壤后倾斜状态 3.扶正后蒜种状态图4 栽植器后侧扶正作用示意图Fig.4 Schematic diagram of the rear side straightening of the planter

在最低点和第二零速点b之间打开,栽植器前侧相对于蒜种向前运动逐渐远离蒜种,不会对蒜种产生干涉;若栽植器单侧向后打开,在保证蒜种顺利排出的前提下,后侧相对于蒜种距离较大,在蒜种结束下落产生倾斜时,栽植器后侧不会对蒜种起到扶正作用,且后侧在向后打开过程中栽植器绝对向后上方运动,后侧受土壤阻力较大;对称打开时,在保证后侧不会干涉蒜种下落的前提下,栽植器开度相应增加1倍,前侧打开水平移动对蒜种立直种植无作用,为避免较大开度带来的撅土现象需增加栽植器开口尺寸,这样不但会增加栽植器结构尺寸,同时还会增加栽植器在打开过程中受土壤的阻力。,不但会增加栽植器在打开过程中受土壤的阻力,为避免较大的开度带来的撅土现象还需增加栽植器开口尺寸,进而增加栽植器结构尺寸。

2.1.3 栽植器打开成穴剖面形状分析

栽植器在第一零速点a到最低点之间打开时成穴剖面形状,如图5所示。对称打开在靠近第一零速点a或最低点时打开,栽植器成穴剖面宽度都较大,空间越大会使蒜种产生的倾斜角度越大;单侧向前打开在靠近第一零速点a或最低点时打开,栽植器成穴剖面宽度都较小,而靠近第一零速点a打开穴底不平整,靠近最低点时打开成穴形状基本对称,中部向下凹陷的穴底与蒜种底部向下凸起的轮廓相对应,有利于蒜种与土壤接触后保持立直状态。因此,单侧向前打开在靠近最低点打开成穴形状对蒜种直立最有利。

1．靠近最低点打开 2.靠近第一零速点a打开图5 栽植器打开成穴剖面形状Fig.5 The planter opens into a cavity profile shape

2.2 栽植器鸭嘴形状

在成穴形性能较好的情况下,即栽植器在最低点和第二零速点b之间单侧向前打开中,入土过程时栽植器在水平方向相对土壤向后运动,栽植器鸭嘴的后侧为垂直。与倾斜相比,由于土壤对栽植器的阻力没有向上的分力(见图6),栽植器入土阻力小。对蒜种扶正时,后侧垂直时是面作用,倾斜时是线或点作用,扶正作用更稳定。

图6 鸭嘴形状对比Fig.6 Duck Beak Shape Contrast

3 栽植器开合过程性能分析

上述分析是在假设栽植器打开时间接近于零的情况下,实际上栽植器的打开是有一个过程的,鸭嘴后侧垂直的栽植器在前侧打开过程中,对种子的下落也有可能发生干涉。

栽植器在第一零速点a和最低点之间单侧向前打开及后侧垂直结构的情况下,为避免前侧在打开过程中对蒜种的下落产生干涉,蒜种接触土壤时前侧打开的开度应大于蒜种宽度与栽植器相对于蒜种水平位移之和,即前侧最低点打开先于时间小于蒜种下落时间,则

B′≥wmax+S′

(3)

式中B′—蒜种接触土壤时前侧打开的开度;

wmax―蒜种最大宽度;

S′―蒜种开始下落至接触土壤时间内栽植器相对于蒜种位移。

由于在前侧打开过程中栽植器接近蒜的速度远小于前侧打开速度,S′远小于B′可忽略,设前侧以速度v′匀速打开,则式(3)可简化为

B′≥wmax

若蒜种接触土壤时栽植器未到达第二零速点b,前侧应继续打开至最大开度B,并保持此时的开度B;在栽植器垂直向上位移大于入土深度H离开土壤后,前侧开始闭合,闭合速度可依据避免栽植器鸭嘴闭合冲击适度减小。

栽植器前侧打开一般是由打开凸轮打开,由弹簧关闭,为便于打开凸轮轮廓的设计,上述栽植器打开规律可用图7表示。

图7 栽植器打开规律曲线Fig.7 Planter opens the regular curve

由图7可知:栽植器活动侧在mn段迅速打开,避免前侧干涉蒜种下落;在np段维持打开状态,避免栽植器吃土;在pq段缓慢闭合,栽植器到达p点时间时应垂直向上位移H。若栽植器工作1个周期所用时间为T,由m到q所用时间应小于T减去由m到p所用时间。

4 结论

1)栽植器在第一零速点a和最低点之间单侧向前打开,不会对蒜种下落产生干涉,栽植器后侧可扶正倾斜的蒜种,有利于蒜种的立直种植。

2)通过栽植器入土打开成穴剖面形状分析栽植器在靠近最低点单侧向前打开成穴形状最好,土壤回流作用相对于蒜种对称,有利于立直种植。

3)栽植器后侧为垂直形状,栽植器在入土阻力较小,对蒜种有扶正作用。