六行同步小區(qū)條播機的研制

張婷婷，尚書旗，王東偉

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，青島 266109)

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六行同步小區(qū)條播機的研制

張婷婷，尚書旗，王東偉

(青島農業(yè)大學 機電工程學院，青島 266109)

根據我國田間小區(qū)育種種植模式的特點，研制了六行同步小區(qū)條播機。該機由排種裝置、投種裝置、抬起裝置、覆土裝置、開溝裝置、懸掛裝置及電控裝置等組成，可以進行6行同步播種，并能保證小區(qū)和小區(qū)之間不混種。在機器研制過程中，通過對電控系統(tǒng)和部分關鍵裝置配合工作的分析，將帶盤組合周期自凈時序控制排種技術、相位導向種盒整體提升技術分別應用到排種裝置及抬起裝置上，實現(xiàn)播種作業(yè)異行異種、異區(qū)異種連續(xù)播種作業(yè)，使播種操作自動化、智能化；將彈性回轉限位桿控種盒同步投種技術應用到投種裝置上，降低了勞動量、提高了播種質量和效率。田間試驗表明：該機排種裝置的轉速最大為0.34rad/s，皮帶打滑率趨近于0，排種孔直徑至少6.7mm，可提高播種精度、排種均勻性，降低傷種率、漏種率，滿足小區(qū)條播機的播種作業(yè)要求。

小區(qū)播種；排種裝置；投種裝置；抬起裝置

0 引言

小區(qū)育種是農作物新品種培育過程的重要環(huán)節(jié)之一，由于農作物品系多、選種量大，因此試驗小區(qū)的數量多，育種試驗工作量大[1-3]。小區(qū)播種不同于大田播種，小區(qū)播種機械除了滿足大田條播的農藝外，還有著特殊要求：在劃定的小區(qū)播種行長內，播完定量的種子，即保證定量播種，具有自動清種功能，播完一個小區(qū)，播種機內無殘余種子；行內種子均勻分布；不損傷種子；間隔播種，確保不同品系種子之間留有一定距離間隔帶[4]。國外的小區(qū)播種工作已經實現(xiàn)機械化、自動化作業(yè)，播種機械能夠實時記錄小區(qū)播種的相關數據，實現(xiàn)育種技術全程智能化和信息化；但機器價格昂貴，且不適應我國小區(qū)育種種植模式。而國內的小區(qū)播種機研制起步晚、發(fā)展速度慢，大多數科研機構依舊采用傳統(tǒng)的人力手工播種方式進行小區(qū)育種作業(yè)，不僅容易撒播不均勻、覆土深度波動大，而且工作量大、延誤農時，影響試驗準確性[5-6]。目前，我國現(xiàn)有的小區(qū)播種機的自動化水平較低，播種精度不夠準確，作業(yè)效果較差，嚴重制約了我國小區(qū)育種的機械化進程。

面對國內種業(yè)對育種機械化的迫切需求，盡早開發(fā)出性能穩(wěn)定、作業(yè)精度高及自動化智能化程度高的、符合我國農藝要求的小區(qū)作業(yè)裝備，擺脫對國外高昂價格裝備的依賴，是亟待解決的問題。為此，研制了六行同步小區(qū)條播種機。該機結合電控系統(tǒng)，根據機器前進距離自動控制排種器轉動和抬起裝置的啟動，使機器完成一定長度小區(qū)內的精準播種；投種裝置采用了彈性回轉限位桿控種盒同步投種技術，保證了6行投種一致性，減少了播種誤差，推進了我國小區(qū)條播機的發(fā)展進程。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

六行同步小區(qū)條播機主要由機架、駕駛座、觸摸屏、傳動系統(tǒng)、地輪、覆土裝置、排種裝置、供種裝置、抬起裝置、開溝裝置及電控系統(tǒng)等組成，能夠完成對小顆粒種子的6行同步播種，保證播種均勻性和多樣性，實現(xiàn)小區(qū)育種播種過程智能化及自動化如圖1所示。

1.2 整機工作原理

在小區(qū)播種作業(yè)前，將六行同步小區(qū)條播機通過三點懸掛的方式掛在拖拉機上，將種子放在供種裝置中預備好，將第1個供種裝置的種子放入錐體分種器內。在播種機工作前，開啟投種裝置，種子經過上料上漏斗和輸種軟管均勻落在上料錐體與下料錐體形成的存種空間內，即分種器內；然后通過操作臺的觸摸屏給定小區(qū)參數，如小區(qū)長度、間隔長度、每列小區(qū)數、種子類型，按下開始播種按鈕，確認之后，播種機將開始播種作業(yè)。操作臺如圖2所示。控制排種裝置和抬起裝置的電機與編碼器相連，播種機前進時，驅動輪走一定行程將給編碼器一個反饋信號，編碼器上脈沖信號會分別傳遞給直線電機和伺服電機，直線電機控制開啟抬起裝置[10]；種子從錐體分種器落入排種裝置，伺服電機控制排種器的轉動，存在于錐體與帆布帶之間的種子會隨著其轉動而被投送到導種管進行播種。地輪對由圓盤式開溝器開出的種溝進行平整[7-8]，覆土板緊接壓平。在排種過程中，伺服電機通過一定的傳動比將行走輪的行走運動傳遞給排種器，讓排種器的錐體旋轉1周時播種機的行走輪正好走過一個小區(qū)長度，排種器中的種子恰好落完。機器走完一個小區(qū)時，單片機將采集到與小區(qū)長度等量的脈沖信號傳遞給編碼器，編碼器就發(fā)出一個信號驅動直線電機的運轉，再次提升抬起裝置進行新一個小區(qū)的播種作業(yè)；如此循環(huán)下去直至完成多個小區(qū)的播種工作，實現(xiàn)了播種機的精確播種作業(yè)。

1.機架 2.電機 3.投種裝置 4.觸摸屏 5.駕駛座 6.覆土裝置 7.雙圓盤開溝裝置

圖2 操作臺

2 排種裝置的設計

2.1 排種技術的研究

帶盤組合周期自凈時序控制排種技術是根據小區(qū)育種播種試驗作業(yè)過程中的要求，研究出能夠進行6行同步排種、周期性轉停且具有自凈能力的電控排種技術。

帶盤組合周期自凈時序控制排種技術是在錐體皮帶式排種裝置的結構原理基礎上，針對多行條播行間同步性差、播種均勻性低，以及小區(qū)育種試驗田塊小、有間隔，自動化播種實現(xiàn)難，播種易存種等問題[7-18]，依據錐體格盤式排種器自動化播種過程的啟發(fā)，結合電控系統(tǒng)中編程控制技術研究而出的一項綜合性技術。

小區(qū)條播機在純機械結構的控制下作業(yè)時，地輪通過與排種裝置主動軸之間一定的傳動比實現(xiàn)和排種器錐體的同步運動，使地輪行走設定好的播種行長排種器正好轉1周，同時錐體和帆布帶間楔形角內的種子恰好落完，實現(xiàn)自凈。但由于每塊小區(qū)試驗田之間有一段間隔，進行一塊新小區(qū)的播種時需要重新按照起播線進行播種，作業(yè)過程復雜、勞動力投入大，人眼估計易產生誤差使播種準確性低，且不能連續(xù)作業(yè)，將之前研究的格盤式小區(qū)條播機利用電控與電機驅動相結合，實現(xiàn)了播種機行走距離與運種裝置的轉動周期性配合的規(guī)律性運動。所以，本機通過來自編碼器的脈沖信號控制伺服電機的轉動速度，從而使機器前進速度與排種裝置自轉的速度成一定比例；進入試驗小區(qū)時排種器正好旋轉1周完成一個小區(qū)播種，在小區(qū)間隔部分則停止轉動，實現(xiàn)周期性自凈，時序控制作業(yè)。

2.2 排種裝置的結構及工作原理

排種裝置主要由抬起裝置、錐體、帆布帶、滾動銷軸、底座、錐齒輪及主動軸等部件組成。抬起裝置由固定在兩端的限位軸上，圓孔落在錐體上形成分種器，能夠上下開啟。排種裝置上的錐齒輪與主動軸上的錐齒輪相嚙合，連接各排種器的錐齒輪在主動軸的帶動下做同步運動，錐齒輪將動力傳遞給錐體，3個滾動軸銷安裝在底座上，帆布帶緊緊圍繞在3個滾動銷軸和錐體上，錐體和帆布帶之間就形成一個楔形角，3根滾動軸銷和錐體之間留有排種孔。帆布帶的松緊可以通過其中的一個滾動銷軸進行調節(jié)，使帆布帶與錐體共同運動。圖3為該裝置的三維實體模型；圖4為排種裝置的結構簡圖。

將帶盤組合周期自凈時序控制排種技術應用到排種裝置上，就是將傳統(tǒng)的錐體皮帶式排種裝置與電控自動化系統(tǒng)相結合，根據輸入的小區(qū)數據，經過單片機處理計算所產生的脈沖信號，通過一定傳動比控制伺服電機轉動；伺服電機再經過減速器、錐齒輪傳遞到排種裝置的中心軸上，使排種器中心軸上的錐體底座、錐體、帆布帶及其楔形空間內的種子同步轉動，完成排種。錐齒輪傳動配合關系如圖5所示。

圖3 排種裝置三維實體模型

1.帆布帶 2.錐體 3.抬起裝置 4.滾動銷軸 5.底座 6.主動軸 7.錐齒輪

圖5 錐齒輪傳動配合

3 抬起裝置的設計

3.1 落種技術的研究

目前，國內外對小區(qū)播種機的研究相對較少，現(xiàn)有的抬起裝置主要采用壓桿式落種提升技術。這種提升技術一般采用人工驅動[11]，在抬起裝置提升的過程中存種圓筒易晃動，無法保證存種圓筒與椎體的同軸度；視覺誤差和反應滯后性等影響了排種的準確性，嚴重影響落種的均勻性和準確性。抬起裝置主要采用了獨立式提升控制方式，無法保證多個抬起裝置的同步提升，影響各個排種器之間的排種均勻性。所以，抬起裝置的提升技術對播種均勻性的影響因素主要包括3個方面：存種圓筒與錐體的同軸度、抬起裝置的驅動方式及抬起裝置的控制方式。

為了降低這3個因素對抬起裝置作業(yè)效果的影響，研究了相位導向整體提升式種盒開閉落種技術，利用雙軸定位方式控制抬起裝置的上下運動，形成縱向無偏移導向，實現(xiàn)對6個排種器的同步落種。

3.2 抬起裝置結構及工作原理分析

抬起裝置的落種均勻性的提高，取決于上述3個主要影響因素影響因子的大小，為了降低影響，對抬起裝置的相位導向機構、抬起裝置控制系統(tǒng)和抬起裝置整體提升機構進行了創(chuàng)新設計，如圖6所示。

1.相位導向機構 2.提升機構 3.控制系統(tǒng)

相位導向裝置通過約束存種圓筒的5個自由度，僅保留提升方向的1個自由度，改善了存種圓筒的波動性，有效地提高了存種圓筒和錐體的同軸度，保證了落種的均勻性。

通過對現(xiàn)有落種提升裝置驅動方式的分析及試驗，設計了抬起裝置精準控制系統(tǒng)，主要工作過程是：六行同步小區(qū)條播機開始作業(yè)后，當驅動輪行走一個小區(qū)長度時，編碼器捕獲來自驅動輪的脈沖信號，將信號反饋給直線電機，直線電機開啟抬起裝置，完成落種過程。這種控制系統(tǒng)提高了落種的精準性，降低落種裝置響應的滯后性及外界因素的影響，進而改善播種效果。

電控系統(tǒng)控制抬起裝置的整體提升方式穩(wěn)定有序，當直線電機接收到來自編碼器的脈沖信號時，抬起裝置開啟，提升過程中分種器內的種子沿錐體的錐面均勻下落，進入到排種器內；電控系統(tǒng)設置好的提升時長為2s，落種完成后，抬起裝置沿雙相位導向軸下落至初始位置，完成一次落種周期。這種提升方式具有良好的同步性和穩(wěn)定性，能夠有效保證落種均勻性。

4 投種裝置的設計

4.1 投種技術的研究

目前，大多數小區(qū)播種機的投種裝置采用人工單個投種方式[11]，工作量大、效率低、同步性差，不能滿足六行同步播種的播種要求，造成播種不均勻。雖然在田間育種機械中，相對比較成熟自動供種裝置已經在小區(qū)株行條播機上有所應用，其最具代表性的是奧地利Wintersteiger公司生產的RowseedTC、RowseedS等系列小區(qū)株(穗)行條播機上采用的料箱彈夾式氣動供種裝置(wintersteigerAG,2009)；但該裝置是由氣動裝置提供動力，種盒數量相對較少，并不適用于小區(qū)育種播種機[13-14]。因此，該小區(qū)播種機設計了彈性回轉限位桿控種盒同步投種技術，利用彈簧回轉限位功能實現(xiàn)對投種裝置擋種板的控制，實現(xiàn)6行同步投種。

4.2 投種裝置結構及工作原理

該小區(qū)育種播種機的投種裝置主要結構由種盒、操作手柄、固定板、彈簧卡(扭轉彈簧)及活門等構成，如圖7所示。操作手柄是控制活門(擋種板)與種盒分開與閉合的開關，操作手柄焊接在中間軸兩端和活門一端同軸心，通過彈簧卡控制位置旋轉；中間軸連接了活門和操作手柄，所有裝置都圍繞中間軸運動，中間軸通過中間架的兩個通孔焊接在種盒上；扭轉彈簧圈在操作手柄內側與中間軸同心；種盒焊接在兩個固定板上；活門將種盒下部擋住，需要投種時，扳動操作手柄將擋種板打開，種子就會落下來。

此投種裝置直接安裝在抬起裝置上，一共有6個相同的投種裝置，一次可以供6個小區(qū)進行排種，其中一個放在抬起裝置上，其他5個放在機器的一側備用，此裝置操作簡單、供種同步性高。當小區(qū)育種播種機通過觸摸屏按下開始工作按鈕之前，需要將種子倒入所有的投種裝置的種盒內，開啟投種裝置時扳動操作手柄，通過中間軸帶動擋種板的轉動，6個種盒的種子經過上料上漏斗和輸種軟管滑同時落到每一個的上料錐體內，并均勻落進分種器，等待進入排種器。投種完畢后，松開操作手柄，將放在機器一側盛有種子的投種裝置替換下來，將盛有種子的投種裝置再次放到抬起裝置上，進行下一次投種，以完成多個小區(qū)投種工作。投種器內的種子為不同品種，則可實現(xiàn)異區(qū)異種的播種作業(yè)。

1.種盒 2.固定板 3.操作手柄 4.彈簧卡 5.活門

5 整機性能試驗

5.1 試驗地點

小區(qū)播種機的作業(yè)土地一般比較平整，且盡量避免因天氣原因造成的影響，為了提高機器性能檢測的精準性，節(jié)約播種機研制時間，優(yōu)化整機的各項性能指標，六行同步條播機選擇在土槽試驗臺中進行試驗，試驗臺操作安全方便、可靠性高。

圖8 土槽試驗臺

5.2 試驗方法

要想測量在排種裝置中的傷種率、存種率及存種均勻性變異系數，應首先給定總播量，對排種口排出的種子進行統(tǒng)計，從而得出機器的存種率；然后，挑選出受到損傷的種子，計算出傷種率，根據每測量段種子量，求出排種均勻性變異系數。此過程對數據要求比較準確，所以在試驗臺上進行排種裝置的排種試驗。

5.3 試驗結果

選擇L9(34)正交表對所選的試驗因素和水平進行試驗，試驗設計及試驗結果如表1所示。最終得出排種裝置的轉速最大為0.34rad/s，皮帶打滑率盡量減少到0，排種孔直徑大于6.7mm，就可以降低機器作業(yè)的傷種率，增強自凈能力，提高排種均勻性，滿足條播機播種作業(yè)的需求。

表1 試驗設計及試驗結果

6 結論

1)對六行同步小區(qū)條播機機電結合的結構及工作原理進行分析，首次實現(xiàn)了電控系統(tǒng)控制多個排種器同步運動的功能。電控系統(tǒng)運用一套信息采集系統(tǒng)，同時控制排種裝置和抬起裝置的相互配合運動，完成了小區(qū)條播機整體的周期自凈時序轉換式播種作業(yè)。

2)機器作業(yè)過程中要解決行間播種均勻性低、自凈能力差、傷種率高，以及小區(qū)間播種連續(xù)性差等問題，帶盤組合周期自凈時序轉換式排種技術的提出，使排種裝置在電控系統(tǒng)的控制下，利用與行走輪、編碼器、電機等部件之間的傳動比關系，根據小區(qū)播種機設計要求，實現(xiàn)了不同小區(qū)間的連續(xù)性播種和不同行間的同步播種。

3)研究了相位導向整體提升式種盒開閉落種技術，為落種技術的理論研究提供了依據。將該技術應用到抬起裝置中，提高了落種均勻性和落種精確度，進而提高了播種均勻性。

4)投種裝置的設計應用了彈性回轉限位桿控種盒同步投種技術，將多個投種裝置放進事先準備好的種子，安放在機器一側的掛架上，一個投種裝置由6個投種盒組成，可以一次性完成6個排種裝置依次供種工作。此裝置操作簡單、比較實用，可以提高種子在存種空間內的均勻性。

5)整機性能試驗是對排種裝置的轉速，皮帶打滑率、排種孔直徑三個因素進行試驗，以確定出整機最佳排種性能下最優(yōu)的因素水平，使機器對種子損傷率降到最低，排種裝置的自凈能力最強，排種均勻性和穩(wěn)定性最好。

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Design of Six Lines Synchronous Plot Seeder

Zhang Tingting, Shang Shuqi, Wang Dongwei

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

According to the characteristics of field planting mode in China, this paper successfully developed the Six lines synchronous plot seeder, this machine was consisted of metering device, throwing device, lifting device, soil covering device, ditching device, suspending device, electric controlling device etc, which can realize synchronous sowing in six lines and avoid seeds mixing between different plots. In the process of machine inventing, according to the analysis of coordination work between electronic control system and some key devices, the reel combined periodic self timing control row technology and the direction-guided synchronous throwing technology was respectively used in metering device and the lifting device, which realize continuous seeding in dissimilar line and heterogeneous region that enable the seeding operation became automatic and intelligent. Applied the elastic rotary limiting synchronous technology to the use of throwing device that reduced the labor intensity, improved the quality and efficiency of seeding. The field performance test of the machine shows that the maximum rotate speed of the metering device was 0.34rad/s, the belt slipping rate was close to zero, the minimum diameter of the dropping hole was 6.7mm. In this case, the seeding accuracy and the seeding homogenization was improved, the injury rate and the leakage rate was reduced, which meet the seeding requirement of plot seeder.

plot sowing; metering device; throwing device; lifting device

2016-04-14

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201203028-6)

張婷婷(1990-),女，山東濰坊人，碩士研究生，(E-mail) 946877371@qq.com。

尚書旗(1958-)，男，山東青州人，教授，博士生導師， (E-mail) sqshang@qau.edu.cn。

S223.2+6

A

1003-188X(2017)05-0144-06