人参机械化种植设备的设计研究

刘文亮，刘枫，付家庆，王新阳，姜彩宇，杨跃华，张亮

（吉林省农业机械研究院，吉林长春130022）

人参机械化种植设备的设计研究

刘文亮，刘枫，付家庆，王新阳，姜彩宇，杨跃华，张亮

（吉林省农业机械研究院，吉林长春130022）

在对比机械型孔式排种器与气力式排种器的优缺点后，结合人参种子特点，以气吸播种原理为基础，设计了针状震动气吸式人参精密播种机。对人参精密播种机的震动机理、主要零部件的机械结构、电气控制系统分别进行了计算和设计。整机采用机械式凸轮结构和电气系统控制实现自动化；利用负压吸种和导杆推种破壳技术实现单穴单粒精播；通过控制装置实现播种株距的改变，满足不同地区、不同用户的要求。通过田间试验找出影响播种性能的主要因素，用正交方法分析各因素对单粒率、空穴率、重播率影响的大小及实际情况，得出因素影响的主次顺序，找出了较优因素组合。

人参机械化种植；震动气吸式；精密排种器

人参是吉林省东部山区重要支柱型特色经济产业，种植总面积近几年稳定在5 000万hm2左右，但一直以手工作业方式为主，缺少合适的机械化设备。造成这一问题的主要原因是人参种子体积小、质量小、形状不规则，并且采用催芽播种，对机械化设备的要求较高。

目前，国内外精密播种采用的排种器主要有机械式排种器和气力式排种器[1-3]。机械式精密排种器结构简单、成本低，主要依靠种子自身重力或辅助机械装置来实现排种动作。对于人参种子，这种结构形式容易产生2个问题：一是人参种子从种盒到排种管的运动过程中始终与各种结构件接触，不可避免产生摩擦和挤压，易损伤种子；二是人参种子催芽后湿度很高，容易黏结堵塞排种器，影响排种[4-6]。气吸式精密排种器利用抽气产生的负压将种子吸附在针管的顶端。针管与种子间为点对点接触，不伤害种子，对种子尺寸要求也不严格[7-9]。其缺点是结构复杂，价格相对较高。在比较2种排种器性能后，设计了本研究的人参精密播种机，为了适应不同质量的种子，气力装置设置为可调式，根据实际需要调整吸力大小。为了克服催芽后湿度较高的人参种子间的黏附力，还专门设计了震动机构[10]，使种子处于沸腾状态，避免了黏结现象的发生。本研究设备设计的目的在于为人参机械化种植提供一种合适的设备，在设计过程中采用了震动气吸式的方法。

1 整机结构及工作流程

人参精密播种机主要由机架、电机、负压风机、吸排种机构、种盘震动机构、镇压轮、传动轴（中间轴、凸轮轴、拐臂轴等）、行走机构、落种导管组合、导轨组合、电控箱等部件组成（结构如图1所示，主要技术参数如表1所示）。其工作流程为：打开电源，负压风机与驱动电机开始工作，在负压风机的作用下风室管内腔产生一定的真空度，吸种管形成吸力。与此同时，驱动电机驱动凸轮轴转动，并通过凸轮轴带动拐臂摆动和支杆摇动。吸排种机构在拐臂、支杆、滑道和弹簧的共同作用下做往复式摆动。当吸种管随着吸排种机构运动到种子盒上方，距离足够近时，种子就会在吸附力作用下被吸附在吸种管端口上，然后种子随吸种管转到排种管处，这时导杆向下推入，吸种管上的圆形孔被堵住，负压消失，种子在自身重力和导杆推力共同作用下从吸种管落入到导种管中，然后从导种管滑落到土壤中，经过覆土镇压，完成整个播种过程。

表1 人参精密播种机的主要技术参数

人参精密播种机与220 V直流电源（或汽油发电机）配套使用，通过电机驱动行走和工作部件，实现机具沿种床自主行走和全自动精量播种作业。播种部件采用的吸针式精密播种技术，可保证小颗粒种子的精密播种要求，并可通过更换部件的方式对株距、行距等进行调整，可广泛用于人参等中药材的播种作业。

2 关键零部件设计

2.1 机架的设计

机架主要由侧板、方横梁、圆横梁、导种管下连接板、U型支腿管等组成（图2）。各部件通过螺栓紧固联接，形成框架式结构。机架上固定行走电机、工作电机、负压风机、电控箱和蜗轮蜗杆减速机。各传动轴和履带式行走机构[11]的主动轴和被动轴分别通过轴承座固定在机架的两侧板上，并可进行回转运动。种盘和导种管组件通过螺栓与机架紧固联接。镇压轮通过支臂与机架上的后支腿管固定。吸排种机构通过拐臂和支杆分别与拐臂轴和凸轮轴连接。镇压轮和吸排种机构分别通过弹簧与机架形成弹性联接。

2.2 吸排种机构的设计

吸排种机构是人参精密播种机的核心，由风室管、吸针及导杆组成（图3），采用针式气吸精密播种技术。风室管既通过吸风软管与负压风机相连，又与吸针连接，在电机、链条、链轮、导轨组合的作用下实现往复式运动，带动吸针到达吸种及排种位置。吸针的作用是在气动系统作用下完成吸种和排种[12-13]。人参种子从种子盒内被吸附到吸针端口的过程中，受到吸管吸力和人参种子自身重力的双重作用。当吸力大于人参种子重力的时候，种子即被吸针吸附。种子被吸附在气针上，并与气针一起运动到投种区，投种区是由隔板和倒种管组成，与大气相通，真空度为零，种子在重力与针芯推力的作用下下落，投入倒种管中。

2.3 导轨组合的设计

导轨组合主要由拐臂、导杆固定轴、导杆、吸针、风室管、弹簧、支杆、凸轮组成（图4），用来控制吸排种机构的运动轨迹。风室管带动吸针沿滑块运动，支杆连接吸排种机构和凸轮，凸轮做圆周运动，通过轴承带动拐臂做往复式摆动。在拐臂、弹簧、支杆、凸轮的共同作用下，吸排种机构做往复式运动，在往复摆动的2个极限位置完成吸种和排种。

2.4 种盘震动机构的设计

种盘震动机构采用偏心式机械振动方式，振动电机安装在种盘中部底面的下方，其上固定有偏心块，种盘与机架间采用4个弹性尼龙销连接，偏心块转动带动种盘做小幅高频震动（图5）。种盘震动使种子盒内的人参种子在播种机工作过程中始终处于激荡状态，避免黏结现象的发生，同时避免种盒内种子因吸种产生凹坑现象，使种子始终处于吸针正下方。

种子在种盘内受到震动后又受到种盘摩擦力、空气阻力、种子间作用力、横向滑动等多方面的作用力。为了研究种子的运动规律将这些外力作出限制条件，将种子运动过程简化为理想散粒体的简谐振动模型[14]。相关研究表明，种子受震动抛起的剧烈程度取决于震动指数，其中，A为振幅，ω为振动圆频率，δ为振动方向与水平方向的夹角）的大小，震动指数Kp较小时，人参种子振幅较小，横向偏移距离较大；提高震动指数Kp，人参种子振幅增大，横向偏移距离降低，甚至可以忽略不计；当Kp的取值大约为7时，种子震动综合效果最好[15-16]。

2.5 行走机构的设计

由图6可知，行走机构采用履带式结构，主要由主动链轮轴、被动链轮轴、履带板、链条等组成，履带板通过螺栓固定在链条上。履带板为12条突出的轮条，具有一定的质量和面积，支撑和平衡整机质量。单个轮条结构为长方形，尺寸为1 400 mm× 120 mm，轮条前端设计成有一定弧度的形状，采用航空铝材一次冲压而成。工作时，行走电机驱动主动链轮轴转动，主动链轮轴带动链条和履带板运动，通过履带板与地面的磨擦作用实现机具的自主行走。

2.6 电控系统的设计与功能

电控系统主要由电机、接触器、继电器、可控硅调压器、变压器、触摸式控制面板、调压旋钮等组成（图7）。通过电控系统实现机器的总启动与停止、吸排种机构单独启动与停止、负压风机单独启动与停止、行走系统单独启动与停止、机具正向行走与反向行走、真空度的无极调整等功能。

3 性能试验

2013年5月至2015年11月，人参精密播种机分别在吉林省农业大学、吉林省集安市、辽宁省太平哨镇的人参种植基地进行了作业试验。试验过程参考王丽君[17]的方法，考虑到各因素对工作性能影响的大小及实际情况，选择通过改变吸嘴孔径、真空度和播种速度这3个影响播种性能的主要因素，观察单粒率、空穴率和重播率的变化，并通过正交试验对试验结果进行数据处理，找出影响播种性能因素的主次关系和最优组合。

通过查阅资料和初步的试验摸索，确定各因素的水平值采用表2所示的值[18-19]。吸嘴直径根据人参种子和自主研发的人参精密播种机设计参数范围来定；真空度值依据气泵所达到的真空绝对压力值范围来定；播种速度根据机具前进速度设定。

表2 各因素水平值

由于具有均衡分散性和整齐可比性，能够减少试验次数，消除各效应之间的相关性，使计算分析大为简化，故播种性能试验采用二水平三因素的正交试验。

对人参种子进行正交试验，所得结果列于表3。

从表3可以看出，以2号试验的结构最佳，试验结果为单粒率99.03%，空穴率0.85%，重播率0.98%。其因素水平的组合为A1B2C2，即吸嘴孔径3.0 mm，真空度0.03 MPa，播种速度45 mm/s。

表3 正交试验结果

4 结论

本研究通过人参精密播种机的结构设计、试验分析，结果表明：（1）针状震动气吸式精密播种技术对于解决人参种子体积小、质量小、形状不规则，并且采用催芽播种的特点是一种合适的排种器设计方式。（2）采用针吸式吸种法，既能够保证不伤害催芽后的人参种子，又能够保证每个吸针只吸附一粒种子，达到精密播种的要求。（3）凸轮导轨机构实现了吸排种机构的往复式运动，到达吸种、排种位置，位置精确，性能可靠。（4）震动式种箱可以使催芽后湿度很高的人参种子处于离散状态，同时消除种子盒内因吸种产生的凹坑现象，使吸种更容易。（5）通过性能试验，找出了影响播种性能因素的主次关系和最优组合，单粒率、空穴率和重播率等指标均能满足人参播种要求，能够可靠地实现自动化精量播种。

总之，这种针状震动气吸式精密播种机可以精确、高效地完成人参机械化种植作业，并且通过可调式气力控件适用于不同规格的种子。根据需要行距可以设置为30，60 mm，株距设计30～200 mm多种可调。研制这种播种机，不但具有较好的推广价值和应用前景，也具有显著的经济效益和良好的社会效益。

［1］赵湛.气吸振动式精密排种器理论及试验研究[D].镇江：江苏大学，2009：3-4.

［2］刘彩玲，宋建农，张广智，等.气吸式水稻钵盘精量播种装置的设计与试验研究[J].农业机械学报，2005（2）：43-46.

［3］陈进，李耀明.气吸振动式播种试验台内种子运动规律的研究[J].农业机械学报，2002（1）：47-50.

［4］赵立新，郑立允，王玉果，等.振动气吸式穴盘播种机的吸种性能研究[J].农业工程学报，2003（4）：122-125.

［5］Sial F S，Persson S P E.Vacuum nozzle design for seed metering[J]. Transaction of the ASAE，1984，3：688-696．

［6］陈立东，何堤，马淑英，等.气吸式排种器排种性能影响因素的试验研究[J].沈阳农业大学学报，2005（5）：634-636.

［7］Guarella P，Pellerano A，Pascuzzi S.Experimental and theoretical performance of a vacuum seeder nozzle for vegetable seeds[J].Journal of AgricIlltural Engineering Research，1996，64（1）：29-36．

［8］IOraycl D，Barut Z B，Ozmerzi A.Mathematieal modelling of va6：uum pmsse on aprecision seeder[J].Biosystems Engineering，2004，87（4）：437-444．

［9］Parish R L，Bergeron P E，BracyR P.Comparison of vacuum and belt seeders for vegetable planting[J].Applied Engineering in Agriculture，1991，7（5）：537-540．

［10］吴国瑞，李耀明，邱白晶，等.水稻播种机振动试验研究[J].江苏理工大学学报，1997（6）：12-17.

［11］尚书旗，隋爱娜，张子华.国外钵苗栽植机的几种类型及性能分析[J].粮油加工与食品机械，1998（1）：28-30.

［12］赵月霞.机械式精密排种器关键技术研究[D].南京：南京农业大学，2003.

［13］于进璋，尹功，姜家绪.人参播种机排种部件设计[J].农机与食品机械，1995（6）：12-13.

［14］庞昌乐.2BQ-300气吸式水稻播种机的研制及试验分析[J].粮油加工与食品机械，1999（6）：9-11.

［15］李耀明，邱白晶，陈进，等.气吸振动式水稻播种试验台的振动分析[J].农业机械学报，1998（3）：44-48.

［16］张敏.气吸滚筒式水稻精量播种装置的理论与试验研究[D].镇江：江苏大学，2006.

［17］王丽君.针吸式穴盘自动播种机的设计与研究[D].郑州：河南农业大学，2003.

［18］赵毅彬，李汝莘，张琳，等.2BLQ-6型气吸式小麦精量播种机的设计及性能测试[J].农业装备技术，2005（1）：45-48.

［19］王树才，许绮川，耿礼如.水稻芽谷的物料特性及其在水稻单粒气吹式排种器设计中的意义[J].粮油加工与食品机械，1997

Study on the Design of Mechanical Planting Equipment of Ginseng

LIUWenliang，LIUFeng，FUJiaqing，WANGXinyang，JIANGCaiyu，YANGYuehua，ZHANGLiang
（Jilin Academy of Agricultural Machinery，Changchun 130022，China）

The author designed the acicular vacuum-vibration ginseng seeder after contrasting the mechanical precision seeder and the vacuum-vibration seeder,calculated and designed about the vibration principle of the ginseng seeder,the mechanical structure of main components and electronic control system.The machine was automatic with the structure of cam and electronic control system,it completed precision seeding with negative pressure suction push seeds.It could meet the requirements of different regions and different users through changing seeding planting distance.We found out the main factors of influencing the plant performance through field experiment,analysed the effects of single grain rate,hole ratio,replay ratio,concluded the primary and secondary order,found a optimal combination.

mechanical plant of ginseng;vibration-vacuum;precision seeder

S223

A

1002-2481（2016）10-1537-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.10.28

2016-06-16

吉林省科技发展计划项目（20150204019YY）；吉林省农业机械研究院项目（201505014，YL201607011）

刘文亮（1983-），男，吉林长春人，助理研究员，主要从事农业机械自动化技术研究工作。