2BJQ-8A型精量桔梗播种机设计

林蜀云，刘 伟，任永飞，闵 航，李坦东

(贵州省山地农业机械研究所，贵阳 550002)

0 引言

桔梗是传统中药材和食材，鲜桔梗可食用，经干燥可入药，具有祛痰止咳及消肿排脓之功效。桔梗喜凉爽湿润的气候环境，适合生长在海拔1 100m以下的向阳山坡及平地，喜阳光耐干旱，对土壤要求不严；但以种植在富含磷、钾的沙类土壤较好[1]。桔梗栽培方式主要为大田直播。大田直播栽培不仅产量高，且品质好，根形分叉少。近年来，随着特色山地农业的发展，桔梗被大面积广泛种植；但是，由于贵州特殊工作环境，目前机械化水平极低，且北方大型机械很难使用，人工播种成本较高。为此，根据贵州现有桔梗播种现状及山地丘陵特色设计了一款可以实现行走速度可调、精确播种、播种量无级可调的自走式精良桔梗播种机，作业效果良好。

1 总体设计及技术参数

1.1 总体设计方案

2BJQ-8A型自走式桔梗播种机结构紧凑，质量轻易搬运，主要用于山地桔梗直播作业。在确定总体方案之后，采用SolidWorks样机进行部件的设计分析、优化并最终完成三维建模。自走式精量桔梗播种机由汽油发动机、窝眼轮排种器、开沟器、行走轮、前镇压辊及后镇压辊等部件组成，如图1所示。工作时，BJQ-8A精量桔梗播种机后行走轮移除，前行走轮向上收起，通过汽油发动机提供动力；当增加油门，离合器闭合，驱动后镇压辊旋转，再通过链传动驱动前镇压辊同步旋转，前镇压辊通过一个可调链传动驱动排种部件工作。考虑到桔梗种子颗粒较小，播种深度要求很高(一般控制1～3cm)，为保证播种深度，前镇压辊保证种前土壤平整，可通过调节开沟器调节螺钉调节开沟深度；播种覆土之后，后镇压辊再次将土壤镇压平整，保证播种深度均匀。

1.开沟器 2.覆土器 3.后行走轮 4.减速器 5.扶手 6.机架 7.汽油机 8.后镇压辊 9.排种器 10.链传动 11.前镇压辊 12.前行走轮图1 桔梗播种机结构组成示意图Fig.1 Structure of 2BJQ-8A platycodon seed planter

1.2 技术参数

外形尺寸/mm(长×宽×高):1 600×1 200×900

配套动力/kW：3.0

工作幅宽/mm:720

作业行数/行:1～8(可调)

行距/cm: 4～60(可调)

播种深度/cm: 0～6(可调)

2 关键部件设计

2.1 传动设计与布置

2BJQ-8A型精量桔梗播种机传动机构简图，如图2 所示。考虑到播种深度较小，山地作业，需易于搬运，以及经济性，采用小型汽油机作为动力输出。为了减小播种机体型，采用垂直布置结合环绕布置的方式，以减小整体体积，达到结构紧凑、质量轻的目的。

1.汽油机 2.减速器及超越离合器 3.联轴器 4.带轮减速机构 5.排种器驱动轴 6.可调链传动 7.前镇压辊 8.后镇压辊 9.同级传动链图2 传动机构简图Fig.2 The gear of the burdock seeder

2.1.1 匹配动力计算

由于桔梗播种深度浅，且工作前土地会进行耕整，所以桔梗播种机负载低，由于多为山地作业，采用小型汽油机即可满足驱动要求。发动机输出功率[2-3]为

式中Fk—切线牵引力；

V—播种机行走速度，取V=0.6m/s；

η—传动效率。

1)切线牵引力Fk为

Fk=f+mgsinα+Fx

式中f—斜坡摩擦力，f=μmgcosα;

m—整机质量；

Fx—工作阻力。

贵州山地较多，设计坡度α=30° ，整机质量m=90kg，摩擦阻力因数μ=0.08 ，由此可得

Fk=μmgcosα+mgsinα+Fx=2817.3N

2)传动效率η为

其中，η1为齿轮减速器，取0.95；η2为联轴器，取0.99；η3为轴承，取0.99；η4为带传动，取0.95。由此可得

η=0.84

由上可得，驱动功率P=2.01kW。

查阅相关设计手册，综合考虑使用情况，选择本田JH168F汽油机作为驱动动力,其额定输出转速3 600r/min。

2.1.2 减速器选择

播种机行走速度V≥0.6m/s，而滚筒直径d=0.32m，故滚筒转速为

2.2 排种装置

2.2.1 排种器结构设计

排种器是2BJQ-8A型精量桔梗播种机的核心部件，其排种的稳定性和排种量的可控性直接影响到整机作业效果。桔梗种子较小，且种子表面具有绒毛，单粒精确播种技术难度过高，一般以条播为主，综合考虑采用选用窝眼轮结构排种器机构作为总体设计结构。采用3种方式结合：①改变链传动传动比，更换不同的传动链轮；②固定大小窝眼的排种轮；③采用可调节窝眼大小的排种轮。如果是通过更换窝眼实现排种量的变化，过程麻烦且需要整个排种装置拆下，容易造成种子洒落，因而采用改变传动链传动比结合窝眼大小微调结构实现种子排种量的调节。排种器结构如图3所示。

2.2.2 可调窝眼轮设计

常规设计中，窝眼一般分为圆柱形、锥柱形和半球形孔[4]。为了实现排种量可调，显然圆柱形的线性调节更易实现，而排种性能锥柱形和半球形更佳。为了保证窝眼的线性可调和排种性能，采用圆柱形孔结合锥形孔，调节部分为圆柱形孔，基础排种孔部分为圆锥形孔，中间连接处采用圆角处理。

异形孔[5]窝眼轮工作原理如图4所示。调节旋盖采用小径螺纹连接，通过旋转旋盖可以实现旋盖的轴向的进给；而旋盖前端为梯形圆台，通过改变圆周上的柱塞伸长量以改变窝眼圆柱部分体积，实现窝眼可调；同时，当旋盖反转时，弹簧作用下柱塞复位，从而实现窝眼大小的无极可调。

1.排种漏斗 2.驱动轴及链轮 3.种盒 4.盒盖 5.侧盖螺钉 6.侧盖 7.刮种器 8.护种板 9排种轮图3 排种器结构图Fig.3 The gear of the burdock seeder

1.排种轮体 2.调节柱塞 3.弹簧 4.调节 5.调节旋盖图4 排种轮结构图Fig.4 The gear of the burdock seeder

由于曲率问题，排种轮直径不宜过大，一般取值范围在80～200mm。根据贵州本地桔梗播种情况调研，桔梗种子为小颗粒种子，设计排种量45 000～60 000g/hm2，排种轮不宜过大，选择100mm作为初选排种轮，传动比按照i=1进行设计，这样便于播种量的调节。

型孔直径为

d=l+b

型孔深度为

3b≥h≥b

其中，l为种子平均宽度，考虑到桔梗种子较小，且为条播，故l=4.8mm ，取l=5mm；b为种子平均宽度，取b=3mm。

柱塞直径取d柱塞=3mm，设计调整柱塞调节行程S柱塞=3.5mm。在贵州省山地农业机械研究所TC2.5-36土槽实验台上进行了模拟播种测试，调整旋盖，单圈播种量如图5所示。在土槽的模拟排种播种质量略大于单圈测量播种量，与土壤平整度和排种波动有关系，排种量调节范围为0.89～2.38kg，结合传动比范围0.41～5.14kg，调节完全满足设计要求。

图5 单圈排种量Fig.5 The application rate of single coil

2.3 开沟器设计

2.3.1 开沟器结构组成

开沟部件是2BJQ-8A型自走式桔梗播种机上的关键部件，其工作效果直接影响到桔梗播种机的作业效果。桔梗种子较小，顶土能力较差，如果覆土过深，极易引起出苗困难或者不能出苗从而直接影响出苗率。开沟器分为滚动式和滑动式开沟器，贵州土壤以黄棕壤为主，粘性大、易板结，可选择平底可调犁式开沟器，其结构如图6所示。工作时，调节螺钉调节深度，在镇压轮镇压平地之后，分土板开沟作业，覆土器完成覆土。

1.覆土器 2.分土板 3.开沟器体 4.调节螺钉图6 开沟器结构组成Fig.6 The gear of the burdock seeder

2.3.2 开沟器载荷分析及优化

铧式犁开沟器的犁面可以认为与普通犁的下犁面相同，当前大多数开沟器适用于砂土[6]，而贵州以黄壤、黄棕壤为主的高粘性的土壤开沟器作业效果不好，阻力较大。所以，需要对开沟器结构进行优化。根据设计最大开沟深度d=30mm，假设在泥土中受载荷是均匀的[7]，将模型曲面就行分割处理便于加载。

由图7、图8可得：开沟器应力集中在固定支撑点;为便于焊接，未经处理，优化之前明显超载，最大应力为5.972×109N/m2；通过圆角处理，最大应力为3.449×109N/m2，应力集中情况改善，分布更加均匀，对提升开沟器使用寿命有良好效果。

图7 载荷分析Fig.7 Analysis of static load

图8 固定点应力集中情况对比Fig.8 Stress concentration at fixed point

3 田间试验与结果

3.1 试验条件

2017年5月，在贵州省金沙县崖孔镇桔梗种植基地进行了试验示范。实验土壤为贵州典型土壤, 土壤紧实度为30.2N/cm2，土壤含水率为9.1%(测量深度小于5cm)，实验示范地块面积为2 110.9m2，播种前采用大型旋耕机进行了碎土作业。试验地块情况如表1所示。

3.2 试验结果与出苗情况

播种完成后进行了数据采集，结果如下: 空穴率0，种子破损率0，播种深度合格率90%，公顷播种量为47.1kg，工作平均幅宽0.72m，工作时间1.49h，计算工作效率为6.14hm2/h。作业效果如图9和图10所示。由图9和图10可知：出苗情况良好，出苗率较高，但是密度偏高，后期使用应需要降低播种量。

表1 试验条件Table 1 Summary of test condition

图9 作业效果Fig.9 Effect of operation

图10 出苗情况Fig.10 Status of emergence

4 结论

2BJQ-8A型桔梗播种机结构简单紧凑，播种量可在0.41～5.14kg/667m2内无级可调，播种效率高。田间试验的表明：该机播种合格率90%以上，作业质量符合农艺要求，且工作性能稳定可靠，对于贵州山地具有较好的适应性，对于降低桔梗种植成本具有重要意义。