基于籃球投籃命中率的精量播種裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

杜珊珊

(河北大學(xué) 體育教學(xué)部,河北 保定 071002)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的快速發(fā)展，誕生了穴盤(pán)育苗技術(shù)。與傳統(tǒng)育苗技術(shù)相比，該技術(shù)具有幼苗生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、可避免自然惡劣氣候等優(yōu)點(diǎn)，在各種農(nóng)作物的種植中廣泛應(yīng)用。穴盤(pán)育苗技術(shù)采用人工作業(yè)需要非常大的勞動(dòng)量和成本，故人們研究出各種機(jī)械來(lái)完成，精量播種裝置就是其中一種。根據(jù)精量播種機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀[1-5]，現(xiàn)今研究出了氣吸振動(dòng)式播種機(jī)、氣吹式精量播種機(jī)等[6-9]。播種是農(nóng)業(yè)收獲的關(guān)鍵因素之一，且農(nóng)作物播種是有時(shí)間限制的，在較短的時(shí)間內(nèi)將種子播下去才能保證農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)，大規(guī)模種植要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行播種就需要借助機(jī)械的實(shí)現(xiàn)，精量播種裝置[10-25]是順應(yīng)需求研究出來(lái)，可以減少種子播種時(shí)的損傷，保證播種質(zhì)量。精量播種裝置的性能直接影響到播種質(zhì)量，也會(huì)影響種子后期的出苗和幼苗的成活率。傳統(tǒng)的播種機(jī)械為機(jī)械式，因?yàn)楸旧硖匦?，?duì)種子的形狀要求嚴(yán)格，且傷種率高，種槽的尺寸比較大，播種作業(yè)時(shí)投入穴盤(pán)中的種植數(shù)量不易控制，播種的精確度低，且適用種子的種類少，通用性差。本文研究的氣吸滾筒式精量播種裝置，通過(guò)振動(dòng)讓種子動(dòng)起來(lái)，不至于堵塞出口，以氣泵吸取種子控制中的數(shù)量，減少播種時(shí)的空穴，以滾筒帶動(dòng)種子并進(jìn)行排種，保證了種子的出苗率。

基于籃球投籃命中率的農(nóng)業(yè)精量播種裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)分析投籃時(shí)的力度、角度等因素來(lái)提高投籃命中率；精量播種裝置播種的過(guò)程其實(shí)也是一樣的，都是將東西投進(jìn)規(guī)定的框架中，前提是精量播種裝置的準(zhǔn)確度可靠，可確保種子投進(jìn)穴盤(pán)，且多次投播作業(yè)存在的空穴率低，不影響播種需要。

氣吸滾筒式精量播種裝置的操作簡(jiǎn)單，播種效果穩(wěn)定，對(duì)種子的傷害低，而且可以適應(yīng)不同類型的種子形狀，通用性強(qiáng)。

1 原理及結(jié)構(gòu)

1.1 原理

基于籃球投籃命中率的農(nóng)業(yè)精量播種裝置系統(tǒng)采用氣吸滾筒式，由機(jī)架、電機(jī)、輸送帶、覆土機(jī)構(gòu)、播種機(jī)構(gòu)、鋪土機(jī)構(gòu)，以及灑水機(jī)構(gòu)等組成。其中，播種機(jī)構(gòu)最為重要，氣泵是氣吸種子的關(guān)鍵設(shè)備。氣吸滾筒式精量播種裝置以人工喂盤(pán)，輸送帶輸送，自動(dòng)鋪土、播種、覆土。工作流程為：開(kāi)啟電源，工作人員將穴盤(pán)置于輸送帶上，穴盤(pán)被輸送帶帶動(dòng)，移動(dòng)到鋪土裝置機(jī)構(gòu)的下方；鋪土機(jī)構(gòu)將營(yíng)養(yǎng)土撒入穴盤(pán)中，營(yíng)養(yǎng)土的撒播量為事先確定，在運(yùn)行過(guò)程中也可采用鋪土機(jī)構(gòu)中的調(diào)節(jié)板進(jìn)行調(diào)節(jié)，并將多余的營(yíng)養(yǎng)土去掉；穴盤(pán)撒好營(yíng)養(yǎng)土后繼續(xù)前進(jìn)，移動(dòng)到前方的光電開(kāi)關(guān)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)感應(yīng)到并激活電磁離合器，離合器通電后，帶動(dòng)播種機(jī)構(gòu)，將種子播入穴盤(pán)中。播種工作連續(xù)進(jìn)行，播種機(jī)構(gòu)采用滾筒式，滾筒上安裝有氣吸嘴，氣吸嘴通過(guò)電磁閥門(mén)與氣泵相連，已放置了種子的播種機(jī)構(gòu)通過(guò)振動(dòng)臺(tái)讓種子運(yùn)動(dòng)起來(lái)，種子在滾筒的帶動(dòng)下來(lái)到排種區(qū)，氣泵工作帶動(dòng)氣吸嘴，通過(guò)控制氣泵工作狀態(tài)，即氣泵出現(xiàn)負(fù)壓和正壓兩種狀態(tài)來(lái)控制氣吸嘴吸種和放種，完成播種；輸送帶將播好種的穴盤(pán)帶至灑水機(jī)構(gòu)下方灑水，再至覆土機(jī)構(gòu)，覆蓋表層營(yíng)養(yǎng)土，用刮土板刮平多余營(yíng)養(yǎng)土，由工作人員將穴盤(pán)取下來(lái)，即完成整個(gè)精量播種過(guò)程。

氣吸嘴共安裝了兩排，每排氣吸嘴的數(shù)量應(yīng)與穴盤(pán)上每行的數(shù)量一樣，氣吸嘴的排列方式應(yīng)與穴盤(pán)上的穴孔排列方式相同，并根據(jù)需要調(diào)整，以適應(yīng)各種排列方式的穴盤(pán)播種。精量播種裝置的控制開(kāi)關(guān)采用光電開(kāi)關(guān)，控制比較精確，在穴盤(pán)被輸送過(guò)程中可以準(zhǔn)確地輸送至指定位置，不然定位不準(zhǔn)會(huì)導(dǎo)致播種機(jī)構(gòu)將種子和鋪土機(jī)構(gòu)將土撒播到穴盤(pán)外面，播種作業(yè)失敗。需要強(qiáng)調(diào)的是定位誤差是可累積的，前期可能播種準(zhǔn)確，誤差一點(diǎn)點(diǎn)累積到后期播種失敗。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

精量播種裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.電機(jī) 2.機(jī)架 3.輸送帶 4.皮帶 5.鋪土機(jī)構(gòu) 6.曬水機(jī)構(gòu) 7.播種機(jī)構(gòu) 8.覆土機(jī)構(gòu)圖1 精量播種裝置整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Precision seeding device overall structure

1.3 工作流程圖

以下精量播種裝置工作流程圖為鋪土完成后的流程，鋪土由鋪土機(jī)構(gòu)完成，穴盤(pán)輸送至播種機(jī)構(gòu)后播種。播種機(jī)構(gòu)的組成如圖2所示。

1.覆土機(jī)構(gòu) 2.營(yíng)養(yǎng)土 3.電機(jī) 4.導(dǎo)種板 5.種子 6.振動(dòng)器 7.反傾斜平板 8.氣泵 9.滾筒 10.穴盤(pán)圖2 播種覆土過(guò)程Fig.2 The arrangement of blade seats

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1振動(dòng)臺(tái)

振動(dòng)臺(tái)的作用是讓種子處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)槲N時(shí)吸取的范圍比較小，在排種區(qū)的種子就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)種子凹槽。如凹槽過(guò)深氣吸嘴在當(dāng)前的氣壓下吸種就會(huì)出現(xiàn)壓力，為改善這種現(xiàn)象，振動(dòng)臺(tái)按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)使得種子運(yùn)動(dòng)起來(lái)自動(dòng)補(bǔ)充了凹槽，使吸種過(guò)程順利。

振動(dòng)臺(tái)采用類似揚(yáng)聲器原理的電磁振動(dòng)，通過(guò)通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中，受到電磁磁場(chǎng)力的影響而振動(dòng)。振動(dòng)臺(tái)由電磁線圈、銜鐵、種子盤(pán)和彈簧構(gòu)成，如圖3所示。工作時(shí)，將纏繞在銜鐵的電磁線圈通電后，產(chǎn)生電磁場(chǎng)，再由銜鐵移動(dòng)，在磁場(chǎng)磁力的作用下壓縮彈簧；改變通電電流，改變磁場(chǎng)，彈簧在反作用力的驅(qū)使下恢復(fù)原狀，銜鐵重復(fù)移動(dòng)，產(chǎn)生重復(fù)性往復(fù)運(yùn)動(dòng)即振動(dòng)。通過(guò)控制電流可達(dá)到振動(dòng)效果，銜鐵的移動(dòng)可以控制磁場(chǎng)的強(qiáng)弱以控制振動(dòng)的幅度，振動(dòng)幅度過(guò)大會(huì)將種子振出種子盤(pán)，而振幅太小則達(dá)不到期望的效果。

1.種子盤(pán) 2.彈簧 3.銜鐵 4.電磁線圈圖3 振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 ShakingTable structure

2.2 滾筒

滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)直接影響吸種和排種的效果。滾筒裝置由滾筒體、固定輪、導(dǎo)體架、氣吸嘴及密封圈等組成。滾筒上的氣吸嘴在氣泵負(fù)壓的狀態(tài)下吸種，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)至播種區(qū)，氣泵改變氣壓狀態(tài)為正壓將種子釋放。

2.3 氣泵裝置

氣泵采用旋渦氣泵，在播種裝置上接管，并安裝控制閥門(mén)、氣壓表及真空表等附件，通過(guò)改變氣閥使得滾筒內(nèi)出現(xiàn)正壓狀態(tài)；在正壓狀態(tài)下，滾筒上的氣吸嘴進(jìn)行放種和吸種作業(yè)。氣泵工作原理如圖4所示。

2.4 其他裝置

精量播種裝置上的其他裝置，如加種箱、輸送帶、光電開(kāi)關(guān)等都會(huì)影響到播種效果。加種箱加入一定量的種子后，采用振動(dòng)使得種子順利落下，且種子的出口設(shè)計(jì)為漏斗型，使得種子可以沿加種箱的墻壁自動(dòng)填滿下料口，并以振動(dòng)防止種子堵塞下料口。輸送帶的作用是將穴盤(pán)移動(dòng)到播種、鋪土和覆土裝置的位置。輸送帶控制以光電開(kāi)關(guān)控制，準(zhǔn)確度高，播種精確度高。

1.閥門(mén) 2.氣壓表 3.播種機(jī)構(gòu) 4.真空表 5.氣泵圖4 氣泵工作原理Fig.4 Air pump working principle

3 影響因素

3.1 振動(dòng)參數(shù)

在精量播種裝置中，振動(dòng)參數(shù)如振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率都會(huì)影響種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)種子處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，種子之間的接觸減少，相互影響比較小，在這種狀態(tài)下的種子易被氣吸嘴吸取。而且，振幅和頻率還會(huì)影響種子運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，幅度或頻率過(guò)大，造成種子飛濺，影響吸種效果，種子的損耗比較大，對(duì)種子造成損傷，影響種子的出苗率；而幅度或頻率過(guò)小，則達(dá)不到改善吸種效果的目的，故選擇合適的振動(dòng)參數(shù)是保障吸種效果的關(guān)鍵。

3.2 滾筒轉(zhuǎn)速

氣吸滾筒的轉(zhuǎn)速對(duì)氣吸嘴的吸種效果有比較大的影響：當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速比較快時(shí)，滾筒就會(huì)擁有比較大的離心力；如果滾筒的氣壓不足或是種子吸取的狀態(tài)不太好，容易造成種子被甩出，氣吸嘴上種子被甩掉，播種會(huì)出現(xiàn)空穴，進(jìn)而影響播種效果。

3.3 滾筒內(nèi)氣壓

滾筒中的氣壓通過(guò)氣泵控制，有負(fù)壓和正壓兩種形態(tài)，正壓狀態(tài)是氣吸嘴放種需要的，這時(shí)壓力大小對(duì)放種的影響不大。負(fù)壓狀態(tài)是氣吸嘴吸種時(shí)需要的狀態(tài)，滾筒中的負(fù)壓力高低不同時(shí)，氣吸嘴吸附種子的吸附力也不同，負(fù)壓越大，吸附力也越大，負(fù)壓越小，吸附力越小。根據(jù)種植的大小和質(zhì)量分別確定負(fù)壓大小，即保證吸種時(shí)的吸附力足夠，滿足吸種需要的效果，不至于負(fù)壓太大造成不必要的浪費(fèi)。

3.4 吸種孔的直徑和形狀

在外部約束條件相同的情況下，不同吸種孔的直徑和形狀、吸種孔中的氣流速度也是不一樣，針對(duì)不同的種子，選擇合適的吸種孔的直徑和形狀，可以達(dá)到更好的吸種效果。

4 精量播種裝置的播種效果試驗(yàn)

本文以水稻種子為試驗(yàn)對(duì)象測(cè)試精量播種裝置，通常水稻缽體穴盤(pán)幼苗為1～2粒水稻種子。以空穴率、重播率、合格率為性能指標(biāo)，合格率即單粒率，穴盤(pán)中種子超過(guò)1粒即重播。

影響精量播種裝置工作的因素很多，本文以精量播種裝置的吸種孔直徑、滾筒內(nèi)的負(fù)壓、振動(dòng)頻率這3個(gè)影響力比較大的因素為試驗(yàn)對(duì)象，以正交表處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)精量播種裝置的播種性能試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果，確定播種裝置性能因素的最優(yōu)組合，如表1～表3所示。

表1 試驗(yàn)因素水平值Table 1 Test factor level value

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Orthogonal test results

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：影響精量播種裝置合格率的因素順序?yàn)闈L筒的負(fù)壓>吸種孔直徑>振動(dòng)頻率，即滾筒的負(fù)壓對(duì)合格率的影響最大。從方差分析結(jié)果看，滾筒的負(fù)壓、吸種孔直徑影響較顯著，振動(dòng)頻率比較顯著。最佳組合為A3B3C1,即吸種孔直徑為1.3mm、振動(dòng)頻率為35r/min、滾筒負(fù)壓為0.016MPa時(shí)，該精量播種裝置效果最好。

表3 方差分析結(jié)果Table 3 Test factor level value

對(duì)于不同種子可通過(guò)試驗(yàn)確定最佳組合，因?yàn)榉N子的品種不同，種子的大小、質(zhì)量不同，滾筒的負(fù)壓、吸種孔直徑和振動(dòng)頻率適應(yīng)值也會(huì)不一樣，可通過(guò)調(diào)整參數(shù)得到最佳參數(shù)，保證播種效果。

5 結(jié)論

1) 對(duì)于精量播種裝置在播種時(shí)遇到的空穴、重播等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了氣吸滾筒式精量播種裝置。該播種裝置由滾筒、氣吸泵、落種機(jī)構(gòu)及覆土裝置等機(jī)構(gòu)組成，利用振動(dòng)將種子和雜物分開(kāi)，通過(guò)滾筒氣室負(fù)壓將種子吸至排種裝置上，利用排種板的傾斜度排種，將種子輸送至穴盤(pán)中，完成播種作業(yè)。

2) 基于籃球投籃命中率的原理，借鑒籃球投籃的研究，分析了影響播種效果的因素，如吸種孔直徑、氣室負(fù)壓、振動(dòng)頻率，并通過(guò)試驗(yàn)確定影響因素的最佳組合參數(shù)，保證精量播種裝置投播的種子可以準(zhǔn)確進(jìn)入穴盤(pán)中。

3) 隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的快速發(fā)展，大規(guī)模種植的開(kāi)展，育苗實(shí)現(xiàn)工廠化的關(guān)鍵技術(shù)之一穴盤(pán)育苗播種機(jī)械的研究是重點(diǎn)，精量播種裝置的應(yīng)用對(duì)農(nóng)業(yè)育苗的規(guī)?；艾F(xiàn)代化具有重大影響。