丹参直播机的设计及试验

杨兆慧,王家胜,王东伟,何晓宁

(青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109)

0 引言

丹参(Salvia miltiorrhiza Bge.)为唇形科鼠尾草属,其干燥根茎是传统常用的大宗中药材,具有活血调经、祛癖止痛、凉血消痈、清心除烦及养血安神等功能[1]。山东省是丹参种植大省,由于丹参的质量上乘,近几年交易量迅速上升,据统计在全国的交易量中占60%以上。

丹参的传统种植模式为先育苗再移栽的方式[2]。在育苗环节,种植户以撒播为主,成苗后再进行移栽,整个种植过程都以人工作业为主,作业强度大、工作效率低。由于是撒播育苗,均匀性很差,产生根苗的形态多样,给移栽带来极大不便。我国现阶段对于中药材机械化种植重视程度不高,研发投入资金少,相关研发项目缺乏,直接影响到丹参机械化种植的发展和推广。鉴于此现状,结合当地丹参种植模式,充分考虑农机农艺相融合,在参照相关作物的机械化播种的基础上,开发了一种了丹参直播机,针对丹参种植农艺要求实现丹参直接田间精量播种,省去了育苗及移栽环节。该机型可一次性完成开沟、清土、播种、覆土及镇压等任务,具有结构紧凑、操作简易、效率高、播种效果好等特点,完全满足丹参机械化播种的技术要求,显著提高了丹参种植的综合经济效益。

1 丹参种子性状及农艺参数

丹参生产上主要采用育苗移栽技术。由于丹参种子花期较长,自然条件变化多样,会对丹参种子的育苗造成影响,种子成熟度不一致,导致发芽率低,进一步影响出苗率。自然条件下种子的发芽率只有30%～40%,常温状态下每放置30天种子发芽率就下降10%,上一年丹参种子的发芽率几乎为零[3-4]。这些不利因素直接影响到丹参育苗和栽培技术。

丹参种子的千粒质量在1.2～2.6g之间,品种不一样,千粒质量也是有所差异。由于丹参品种较多,本文以山东地区为主要研究区域,重点使用山东丹参品种,进行机械化播种试验。山东丹参种子形态呈椭球型,基部呈圆形,长2.40～2.68mm,宽1.25～1.3mm,颗粒状的种子更利于直播[5]。丹参通常起垄播种,垄宽350～400mm,行距20～25cm,株距100～150mm。

2 丹参直播机的设计

2.1 整体结构设计与工作原理

丹参直播机整体结构如图1所示。该机型为手扶自走式,由汽油机提供动力,整机主要由汽油机、前辊轮、后辊轮、种箱、窝眼轮式排种器、滑刀式开沟器、覆土器、传动装置及扶手架等部件组成。

1.扶手 2. 后辊轮 3.种箱 4.汽油机 5.前辊轮 6.滑刀开沟器 7.排种器主轴 8.覆土器 9.后辊轴 10.后辊输入链轮 11.窝眼轮排种器 12.前辊输入链轮图1 丹参直播机总体结构示意图Fig.1 Overall structure of Salvia miltiorrhiza direct seeder。

丹参直播机作业流程为:开沟—清土—播种—覆土—镇压。具体工作原理为:汽油机启动后,由1人在机器后方把持扶手控制机器前进方向、快慢和转向,汽油机动力输出链轮经链传动系统将动力先后传给前辊轮和后辊轮,在前、后两辊轮双驱动作用下带动整个机器在垄面上行走前进;前、后辊轮除驱动播种机前进外,还分别起到播种前压平垄面和播种后镇压的作用。动力从后辊轮输出后再经过链传动传递给排种器主轴,带动窝眼轮排种器旋转,实现精密排种;布置在排种器下端的滑刀开沟器在机器前进过程中开出沟槽,排出的种子经输种管落入沟槽中;接着,在覆土器的作用下将两侧的土壤填平沟槽;最后,由后辊轮镇压完成播种。

汽油机动力开关及油门控制器均布置在扶手架上,播种机行走速度由油门控制器调节。机器理论作业速度为1.8～7.2km/h,最高生产率可达0.3 hm2/h,实际平均生产率为0.2 hm2/h。作业前,首先调节开沟深度、行距、株距等工作参数。基于当前丹参常用种植农艺要求,播种机工作幅宽设计为400mm,适应行距范围100～200mm,可满足垄上1～3行丹参播种,排种器的套数及相邻间距可根据丹参播种行数和行距要求在排种器主轴上灵活布置。整机技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数Table 1 Main technical parameters。

2.2 关键部件及系统的设计

2.2.1 排种器的设计

本机型采用窝眼轮式排种器作为排种装置,通过控制在槽轮上的型孔大小来控制播种量,便于实现丹参种子的精量播种[6]。该机构主要由种箱、窝眼轮、护种盒、毛刷、护种弹簧片和落种斗等组成,如图2所示。排种器驱动轴与齿链轮连接在一起,后辊轮输出链轮经链传动带动排种器转动实现排种,因此排种速度与行走速度呈正比。排种器驱动轴采用六棱截面轴,便于每组排种机构沿轴向移动,实现行距的调整。窝眼式排种轮为尼龙材料,便于在排种轮表面加工型孔;另外,尼龙材料型孔可防止静电,不粘种子,避免漏播现象。毛刷采用猪鬃制造,柔软顺滑,便于清种。护种弹簧片采用铜合金制造,弹性好,弹性变形范围大,便于护种,也不易伤种。排种轮上型孔的大小和形态根据丹参种子的三维尺寸来确定,型孔形状及尺寸直接决定播种精度的大小。排种机构需要优化配置排种轮型孔尺寸,毛刷清种高度,护种弹簧片的变形量等参变量,达到最佳组合,实现精量播种。

1. 落种斗 2.窝眼轮 3.种箱 4.护种盒 5.毛刷 6.护种弹簧片图2 窝眼轮式排种器结构示意图Fig.2 Structure of socket-roller seeding device。

1)窝眼轮型孔。本机型采用穴播方式,每穴播种按7粒计算。选择的窝眼轮型孔为半球形,边缘处做倒角处理。窝眼轮结构如图3所示。

图3 窝眼轮结构示意图Fig.3 Structure of socket-roller wheel。

型孔的直径和深度根据下式计算[7],即

d≥l+b

(1)

7b≥h≥l

(2)

其中,d为型孔直径(mm);h为型孔深度(mm);l为种子的平均长度(mm);b为种子的平均宽度(mm)。

将l=2.68mm、b=1.63mm带入上式可得:d≈5mm,h≈7mm。

2)窝眼轮直径。窝眼轮直径不易太小,曲率增大会导致种子填充难度,一般选择型孔直径为60mm。

型孔数量越多,窝眼轮的线速度越低,有利于种子充分填充,但型孔数量也会受到型孔直径和型孔间距的约束,其公式为

(3)

其中,z为窝眼轮型孔数(个);dw为窝眼轮直径(mm);vm为播种机作业速度(m/s);vw为窝眼轮线速度(m/s);s为株距(mm)。

实际作业时,vm=vw,dw=60mm,s=25mm,代入公式可得,z≈8。

3)窝眼轮转速与线速度。排种盘运动时,种子靠自身重力落入型孔,当型孔线速度过高时,来不及填充种子,型孔填充性能降低,会造成漏播。其计算公式为

(4)

(5)

其中,n为窝眼轮转速(r/min);vp为窝眼轮线速度(m/s)。

将vm=2m/s、s=25mm、z=8、dw=60mm代入公式可得:n=0.6r/min,vp=1.89m/s。

2.2.2 不同传动比的调节系统

1)根据型孔数调节传动比,以改变丹参播种株距。其计算公式为

(6)

其中,D为地轮直径(mm);δ为地轮滑移系数,根据经验值取δ=0.05～0.12。

当其他值一定时,传动比与型孔数成反比,两者呈反比变化规律,通过传动比改变株距。

2)改变链轮齿数,调节传动比。通过改变排种轮侧与驱动轮侧的齿数比,来改变传动比,获得需要株距。在排种轮侧和驱动轮侧安装的链轮都可以更改链轮齿数,齿数按9～14齿之间配比。

2.2.3 滑刀式开沟器

滑刀式开沟器为钝角开沟器,开沟过程中不翻土,适合于小粒种子浅层播种,两行之间干涉小[8],如图4所示。

1.滑刀 2.侧板 3.覆土器图4 开沟器结构示意图Fig.4 Structure of furrow opener。

开沟器主要由滑刀、侧板和覆土器构成,播种过程中,靠前端滑刀将土壤切开,再由V形两侧板分开一沟槽,种子经输种管落入沟槽,之后由覆土器将沟槽填平。

保证滑刀对土壤滑切作用的必要条件是[7]

α>90°+φ

(7)

其中,α为滑刀入土角(°);φ为土壤与滑刀间摩擦角(°),φ=14°～38°。

在此将滑刀入土角设计为α=135 °。

为了使刀刃切开土壤,并尽量减小工作阻力,土壤在刃口向后滑移的必要条件是

β<90°-φ

(8)

其中,β为滑刀刃口角(°)。为满足以上条件,滑刀刃口角取β=35°。

3 田间试验

3.1 试验条件

试验选在临沂市蒙阴县山东省现代农业产业体系试验站进行,试验田具有一定代表性,地块面积均符合试验田标准,测试相关数据并进行分析。丹参播种品种为山东丹参, 播种前土壤用旋耕机旋耕松土、开沟、起垄,土壤含水率16%～18%。试验过程中采用丹参直播机进行播种,作业速度2m/s,每次作业3行,每行20m,理论工作效率0.07～0.3hm2/h。

3.2 试验方法

根据NY/T2709-2015《油菜播种机作业质量》进行试验,选择测试区长25m,测定区前有20m长稳定区,测定区后有15m长停车区,选定试验区重复3次试验;机械接取和处理样品,测试相关数据,保证精确度。试验样机符合基本作业要求,驾驶员能够熟练操作机器。

3.3 试验结果

通过田间试验可得知:本机型架构简单、操作简便、省时省力,整机作业速度2m/s。试验结果如表2所示。

表2 试验结果汇总Table 2 Test results summary。

4 结论

1)研制出的丹参直播机具有结构紧凑、机动灵活、操作方便等特点,可实现丹参田间直播,能够一次性完成开沟、清土、播种、覆土及镇压等作业,适应国内丹参主产区主要种植模式。

2)采用窝眼轮式排种器,型孔形状与尺寸根据丹参种子外特性及播种粒数设计,排种精度高,可实现丹参精量播种。通过更换不同型孔尺寸及型孔数量的型孔轮和调整不同传动比的链轮,来满足不同的播种密度要求。

3)田间试验表明:平均播种生产率为0.24 hm2/h,平均播种深度合格率为91%,平均穴距合格率为83%,平均邻接行距合格率为88%,均达到国家相关标准要求。