小麥單粒精密播種機的研制

彭強吉，薦世春，何青海，付乾坤，岳 會

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟南 250100)

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小麥單粒精密播種機的研制

彭強吉，薦世春，何青海，付乾坤，岳 會

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院，濟南 250100)

針對現(xiàn)階段小麥育種缺乏相應(yīng)機械，人工點播勞動強度大、效率低、難于滿足育種農(nóng)藝要求等問題，研制了一種基于FPGA控制技術(shù)的小麥單粒精密播種機。該機在旋耕平整后的土地上作業(yè)，可一次性完成種床平整、單粒播種及覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)；利用電機驅(qū)動代替地輪驅(qū)動，根據(jù)作業(yè)速度自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)等距播種。試驗結(jié)果表明：整機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、造價低，能夠完成寬苗帶單粒播種作業(yè)，效率高且適應(yīng)小麥小區(qū)作業(yè)的農(nóng)藝要求，為小區(qū)及大田單粒播種提供了理論與實踐依據(jù)。

排種裝置；小麥；單粒播種；智能控制

0 引言

小麥?zhǔn)俏覈匾?jīng)濟作物，小麥增產(chǎn)增收關(guān)系到國民經(jīng)濟。在我國耕地已難以增加的情況下，提高農(nóng)田的單產(chǎn)水平，培育和推廣農(nóng)作物優(yōu)良品種，發(fā)展良種的增產(chǎn)潛力就成為糧食增產(chǎn)的基本途徑和重要手段[1-2]。新品種選育過程中，播種作業(yè)是整個育種試驗過程中重要環(huán)節(jié)，需要設(shè)計大量的育種試驗小區(qū)，面積從幾平米到上百平米大小不一，并且換種頻繁、單粒播種、等粒距等特點導(dǎo)致現(xiàn)階段小麥小區(qū)作業(yè)技術(shù)難度較大、研制成本較高等問題，相關(guān)研究多停留在科研階段[3-4]。

同時，小麥單粒精密播種，相比現(xiàn)有播種模式，能夠減少相互遮光，利于通風(fēng)，提高光合作用；提高水、肥利用率，減少種子之間對養(yǎng)分的爭奪，促進個體發(fā)育健壯、早分蘗、多發(fā)育芽鞘蘗；提高小麥成穗數(shù)量，獲得穗足、穗大粒多、健壯的單株，從而促使小麥獲得增產(chǎn)增收[5-6]。小麥大田單粒播種能夠減少種子用量，提高單位產(chǎn)量，是今后小麥種植的發(fā)展方向[7-8]。

針對上述情況，本文研制了一種基于FPGA控制技術(shù)的電力驅(qū)動式小麥單粒精密播種機。該機在旋耕后的土地上作業(yè)，可一次性完成落種前地表平整、單粒播種及覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)；應(yīng)用電動機驅(qū)動取代傳統(tǒng)的地輪驅(qū)動方式，解決了地輪驅(qū)動精度問題；在控制器作用下根據(jù)作業(yè)速度自動調(diào)節(jié)播種粒距，實現(xiàn)單粒等距精準(zhǔn)播種。

室內(nèi)試驗表明：該機體積小、操作靈活、轉(zhuǎn)彎幅度小，能夠適應(yīng)小麥小區(qū)作業(yè)的農(nóng)藝要求。單粒播種裝置的研制成功為小麥單粒原種繁育技術(shù)及大田作業(yè)的推廣鋪設(shè)了一條機械化道路，對提高田間試驗機械化程度，推動小麥大田單粒播種的進程具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 設(shè)計原理

針對現(xiàn)階段小麥育種缺乏相應(yīng)機械，人工點播勞動強度大、效率低等問題，研制了小麥單粒精密播種機。該機在旋耕平整后的土地上作業(yè)，通過在地表上鎮(zhèn)壓出寬苗帶、播種、覆土鎮(zhèn)壓的方法完成小麥單粒播種作業(yè)。小麥單粒播種機設(shè)計原理及播種效果圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計原理示意圖

其優(yōu)點是在旋耕平整后的地表進行鎮(zhèn)壓平土，營造出平整的種床；專用排種裝置落種點低能夠避免現(xiàn)有機具排種后麥粒落土彈跳問題；采用電機驅(qū)動代替地輪驅(qū)動，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)機具作業(yè)速度實時調(diào)整，保證麥粒的等粒距，同時可根據(jù)需要調(diào)節(jié)播種粒距；體積小、結(jié)構(gòu)簡單能夠滿足小麥小區(qū)實驗的農(nóng)藝要求；與旋耕機配合可以應(yīng)用于大田作業(yè)，對田間試驗機械化的應(yīng)用具有重要意義。

1.2 整機結(jié)構(gòu)

小麥單粒精密播種機，主要由壓土輪、機架、排種裝置總成、蓄電池、機架手柄、鎮(zhèn)壓輪、覆土裝置、毛刷、電機驅(qū)動及控制器、步進電機及底座、編碼器及刮土板等組成，如圖2所示。

1.壓土輪 2.機架 3.排種裝置總成 4.蓄電池 5.機架手柄

整機結(jié)構(gòu)以機架為基準(zhǔn)，壓土輪位于機架前部，

在地表上壓出平整的種床；排種裝置安裝于機架中部，與步進電機連接完成排種作業(yè)。步進電機與底座通過螺栓固定在機架一側(cè)，電機軸通過聯(lián)軸器與排種裝置連接；電機驅(qū)動、控制器與蓄電池安裝于機架中后部上方，驅(qū)動控制電機及提供電源；毛刷位于蓄電池下部，并與排種輪緊密接觸，對排種輪表面進行清掃，保持輪面清潔；覆土裝置安裝于機架中后端，對種床進行覆土；鎮(zhèn)壓輪位于機架后端，完成鎮(zhèn)壓作業(yè)。

編碼器與壓土輪軸連接，控制器通過測算實時檢測機具作業(yè)速度。機架手柄位于蓄電池與覆土裝置中間，通過螺栓與機架相連，可以根據(jù)實際需要對手柄進行高度調(diào)整，作業(yè)人員通過推持手柄完成作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 小麥粒物理特性研究

小麥粒是單粒播種的直接作業(yè)對象，其幾何尺寸特征直接影響排種裝置型孔的尺寸特征。本設(shè)計選取黃淮海地區(qū)應(yīng)用較廣的品種濟麥22號，以每百粒小麥為單位，利用游標(biāo)卡尺(精度0.02mm)對小麥粒外形尺寸進行了統(tǒng)計，通過大量測算取平均值的方法降低統(tǒng)計誤差(只對與設(shè)計相關(guān)的幾何尺寸特征進行了統(tǒng)計)，如表1所示。

2.2 排種裝置設(shè)計

排種裝置是小麥單粒精密播種機的核心部件，其優(yōu)劣直接影響種子著床、出苗、分蘗，甚至影響產(chǎn)量。小區(qū)育種要求種子在種溝內(nèi)均勻分布、盡量達到等距排列，深度一致，覆蓋良好，換種方便，能適用于大、小面積的小區(qū)。為滿足以上農(nóng)藝要求，結(jié)合現(xiàn)有播種機構(gòu)，設(shè)計了適用于單粒播種的排種裝置，其主要由種箱總成、排種輪及輪軸等組成，如圖3所示。

表1 小麥幾何外形特征統(tǒng)計表

1.種箱總成 2.輪軸 3.排種輪

小麥單粒落種過程包括充種區(qū)(包括清種)、攜種區(qū)、空程區(qū)，投種點位于攜種區(qū)與空程區(qū)交界處；充種區(qū)種子依靠自重落入窩眼內(nèi)，經(jīng)清種后保證每個窩眼內(nèi)有一粒麥粒；攜種區(qū)內(nèi)保證種子不提前投種，到達指定投種位置依靠自重落入種床，完成單粒播種過程。

2.2.1 種箱總成

種箱結(jié)構(gòu)為組合式，主要由種箱側(cè)板、刮種板、底側(cè)板、固定板、護種板、毛刷及固定螺栓等組成。4塊不銹鋼種箱側(cè)板折彎焊合成容種箱體，在箱體中間粘有刮種板，箱體焊合在護種板上部，護種板兩側(cè)焊合有底側(cè)板，同時固定板焊合在底側(cè)板上，如圖4所示。帶有彈性的刮種板與排種輪配合有很小的間隙，對排種輪接觸的種子進行第一次清種，通過螺栓固定在種箱側(cè)板前部的清種毛刷進行二次清種。護種板上部與箱體側(cè)板焊合的位置開有弧形孔，其與排種輪間隙配合，箱體內(nèi)的麥粒與排種輪接觸進行充種。

1.種箱側(cè)板 2.刮種板 3.底側(cè)板 4.固定板 5.護種板 6.毛刷固定螺栓

2.2.2 排種輪

排種輪型孔的形狀與尺寸對種子充填性能具有重要影響。實際生產(chǎn)中，小麥粒形狀及尺寸并不均勻，而是在一定范圍內(nèi)變化。

在充種區(qū)充種過程中，種子一般呈“平躺” “側(cè)臥”“豎立”3種形態(tài)。為提高沖種性能，排種輪上面的型孔應(yīng)有較好的余量。因此，在表1小麥尺寸特征統(tǒng)計基礎(chǔ)上，結(jié)合型孔長寬深尺寸確定型孔，型孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 型孔結(jié)構(gòu)示意圖

要實現(xiàn)每一個型孔只容納一粒小麥,則要求型孔的尺寸滿足下列不等式

dmax≤d≤2dmin

(1)

lmax≤l≤2lmin

(2)

hmax≤h≤2hmin

(3)

式中dmax—麥粒最大長度(mm)，取7.00；

Dmin—麥粒最短長度(mm)，取5.30；

lmax—麥粒最大寬度(mm)，取3.70；

lmin—麥粒最小寬度(mm)，取2.36；

hmax—麥粒最大厚度(mm)，取3.90；

hmin—麥粒最小厚度(mm)，取2.40。

為了便于清種、減少清種時種子損傷，型孔前后開有前、尾槽。本文采用大排種輪，排種輪表面與種箱直接接觸增加充種性能，同時為降低種子的垂直分力對毛刷影響，先用帶有彈性的擋板進行第一次刮種，再用毛刷進行二次清種，保證單孔單麥粒?；谇手睆?、轉(zhuǎn)速對充種效果的影響，排種輪選用大直徑、密集型孔設(shè)計，且型孔均勻交錯分布，如圖6所示。排種輪直徑取0.4m，厚度0.16m，采用尼龍材料通過3D打印技術(shù)制作。

2.3 壓土輪、鎮(zhèn)壓輪

土地旋耕平整后地表較松散，微小的起伏易導(dǎo)致種子著床后彈跳。為解決該問題，在播種機前部添加壓土輪，壓土輪采用較重的鐵輪；在播種前壓出較寬的苗帶，便于種子著床；壓土輪一側(cè)焊接有較短的鋼筋，能夠深入地表防止打滑。

鎮(zhèn)壓輪的主要作用是將覆土后的土壤壓實，以利于小麥種子與土壤充分接觸，提高出苗率[9]，鎮(zhèn)壓輪采用與壓土輪相同的鐵輪。

圖6 排種輪結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 覆土裝置

播種后及時覆土，能夠防止土壤水分的流失，避免出現(xiàn)涼種現(xiàn)象。為便于安裝調(diào)節(jié)，本文設(shè)計了寬苗帶覆土裝置，由固定板、弧形板、螺栓、連接板及覆土板等組成，如圖7所示。

1.固定板 2.弧形板 3.螺栓 4.連接板 5.覆土板

覆土板是覆土裝置的關(guān)鍵部件，可以用于較好地調(diào)節(jié)覆土量。覆土板通過鈑金折彎而成，前后開口成梯形收縮，左右成對稱結(jié)構(gòu)，最窄處等于苗帶寬度。通過螺栓調(diào)節(jié)改變覆土板傾斜角度來調(diào)整覆土量。

2.5 編碼器及電機

編碼器可將輸出軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出(REP)。由于軸的轉(zhuǎn)速不同，單位時間內(nèi)收到的脈沖總量就不相同，結(jié)合實際轉(zhuǎn)動的長度即可測得實際速度[10]。編碼器軸與壓土輪軸連接進行速度測量，選用Omron/歐姆龍E6A2-CWZ5C。

步進電機是一種高精度的執(zhí)行元件，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為步距角,其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的[11]。因此，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的,步進電機選用惠斯通57BYGH401。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)由控制器、編碼器、步進電機、電機驅(qū)動及蓄電池等組成。其中，控制器是XLINX公司的XC3S500為主控制芯片，其數(shù)據(jù)處理能力強，響應(yīng)速度快；控制器設(shè)計有16路的數(shù)字量通用輸入輸出接口，8路模擬量輸入，4路模擬量輸出，4路繼電器輸出，8路PWM輸出，能夠滿足小麥電機控制的調(diào)節(jié)性能要求。整個控制系統(tǒng)軟、硬件由山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院自行研制。

轉(zhuǎn)速控制主要是通過PWM脈寬調(diào)制，調(diào)節(jié)電機的輸入占空比以控制電機的平均電壓，進而控制電機轉(zhuǎn)速。作業(yè)過程中設(shè)定好播種粒距，控制器可以根據(jù)機具前進的速度自動調(diào)節(jié)排種輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)精準(zhǔn)播種，電源由自帶電池提供。

4 室內(nèi)試驗

試驗是檢驗機械裝置的最佳方法，由于田間小麥播種受到播種季節(jié)的限制，周期性長，不能隨時進行性能測試，而室內(nèi)試驗恰恰可以解決這個問題[12]。為驗證該播種機性能，進行了室內(nèi)試驗。

2016年3月，在濟南市章丘市棗園大街山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院土槽試驗室內(nèi)進行了性能試驗驗證。試驗前先用旋耕機對土槽內(nèi)土壤進行了旋耕平整，并對濟麥22號進行簡單清選除雜。試驗結(jié)果表明：該機能夠?qū)崿F(xiàn)平土、單粒播種及覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)；并根據(jù)行走快慢自動調(diào)節(jié)排種輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)等粒距排種。

5 結(jié)論及建議

1)該小麥單粒精密播種機能夠在旋耕后的土地上，一次性完成種床平整、單粒播種、覆土及鎮(zhèn)壓作業(yè)，為小麥小區(qū)及大田單粒播種技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了理論與實踐依據(jù)。

2)該機具控制系統(tǒng)能夠根據(jù)前進速度實時調(diào)整轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，保證小麥播種的等粒距，同時可根據(jù)試驗需要調(diào)節(jié)實際播種粒距，實現(xiàn)精密播種，大大提高了試驗機械化智能化水平。

3)該小麥單粒精密播種機可以利用懸掛機構(gòu)與旋耕機配合，通過整體機構(gòu)組合成多行單粒播種機，在提高作業(yè)效率的同時可以適用于大田作業(yè)。

4)小麥單粒精密播種機尚需結(jié)合室內(nèi)試驗進一步優(yōu)化整機結(jié)構(gòu)，并進行多因素田間試驗驗證，爭取早日應(yīng)用推廣。

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Development of a Single Grain of Wheat Precision Seeder

Peng Qiangji, Jian Shichun, He Qinghai, Fu Qiankun, Yue Hui

(Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences,Jinan 250100, China)

Aiming at the problems of wheat breeding lack of appropriate machinery at present,artificial demand high labor intensity, low efficiency, difficult to meet the requirements of agronomy and breeding etc, the single grain of wheat precision seeder is designed based on FPGA control technology.The machine work in the land after the rotary and land levelling,it can accomplish the kind of bed formation,single grain seeding,covering, compacting in one pass;Using the motor driver instead of wheel drive,according to the operation speed automatically adjust the motor speed, realize equidistant planting.The test shows that the whole structure of the machine is simple,small size and low cost,able to complete the wide blade seedling operation,high efficiency and adapt to the agronomic requirements of wheat district operation, and provide theoretical and practical basis for single grain seeding in plot and field.

seed metering device; wheat; single grain sowing; intelligent control

2016-05-18

山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目(2015YZ103);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項 (201303103-2)

彭強吉(1984-),男,山東臨沂人,工程師,碩士，(E-mail) pengqiangji1984@126.com。

薦世春(1963-)，男，山東青島人，研究員，(E-mail)jscsh2002@163.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)07-0071-05