外槽輪式播種機(jī)播量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

梁 方，楊淦光，許 豐，趙宏偉，馬麗筠，岑光毓，馬宗睿

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

外槽輪播種器具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好及排種量較為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，應(yīng)用范圍較廣，但也存在播量調(diào)節(jié)范圍有限、調(diào)節(jié)精度不高等問題。傳統(tǒng)的地輪傳動(dòng)排種系統(tǒng)主要通過改變槽輪轉(zhuǎn)速和長度實(shí)現(xiàn)播量調(diào)節(jié)[4-6]，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中多通過更換鏈輪改變地輪與槽輪轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)比來實(shí)現(xiàn)槽輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，安裝過程繁瑣，無法實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)[7-8]。槽輪長度調(diào)節(jié)中，理論上，轉(zhuǎn)速一定時(shí)播量與槽輪長度成正比，但實(shí)際工作中由于機(jī)組行進(jìn)速度的變化，槽輪轉(zhuǎn)速并不是一個(gè)恒定值，且不同農(nóng)藝要求下槽輪轉(zhuǎn)速亦不同，造成播量控制不精確。

為實(shí)現(xiàn)播量無級(jí)調(diào)節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者采用自動(dòng)控制系統(tǒng)控制槽輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)播量調(diào)節(jié)。S.kamger、F.Noei-khodabadi等人設(shè)計(jì)了閉環(huán)系統(tǒng)排種裝置，通過改變種子播種率計(jì)量單元自動(dòng)調(diào)節(jié)播量，播量誤差結(jié)果小于1%，但該裝置成本高、調(diào)試復(fù)雜[9]。李劍鋒等擬合出了槽輪轉(zhuǎn)速與播種量的關(guān)系，確定了機(jī)器前進(jìn)速度與播量的關(guān)系，并利用光電傳感器測定機(jī)器的前進(jìn)速度通過模糊控制提高其控制精度[10]。胡恒東等研究了基于PLC的播量控制裝置，原理是采用轉(zhuǎn)速信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)排種轉(zhuǎn)速與機(jī)具行進(jìn)速度同步變化[11]。金亦富、奚小波等人設(shè)計(jì)了一種電控外槽輪排種器，實(shí)現(xiàn)電控改變播量[12]。電控排種可以實(shí)現(xiàn)播量無級(jí)調(diào)節(jié)，調(diào)整方便，但當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)速大于60 r/min時(shí)播量不再隨著轉(zhuǎn)速的增加而變化，限制了播量調(diào)節(jié)范圍。為擴(kuò)大電控排種的播量調(diào)節(jié)范圍，本文提出了同時(shí)控制槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度的播量調(diào)節(jié)方式，但需要播量與槽輪轉(zhuǎn)速及排種長度數(shù)學(xué)模型作為控制依據(jù)。尹美貴等人設(shè)計(jì)了新型外槽輪排種器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，針對(duì)紫花苜蓿種子選擇3個(gè)排種軸轉(zhuǎn)速(26、33、40 r/min)、3個(gè)排種軸工作長度(4、5、6 mm)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)其播種均勻性進(jìn)行測試，得出苜蓿種子的最佳播種轉(zhuǎn)速為26～33r/min，小播量時(shí)外槽輪最佳工作長度為5～6mm，但該實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)速、槽輪有效工作長度樣本較少[13]。張濤等人[14]通過離散元分析了3種槽輪長度與播量的函數(shù)關(guān)系，并得出外槽輪工作長度與質(zhì)量流率的擬合方程，但未得出播量與槽輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系。此外，播量變異系數(shù)是外槽輪排種器重要性能參數(shù)，受到實(shí)際播量與播量標(biāo)準(zhǔn)差的影響，實(shí)際播量與槽輪有效工作長度及槽輪轉(zhuǎn)速有關(guān)[15]。槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度同步控制中，如何選取適宜的轉(zhuǎn)速與排種長度控制范圍并降低變異系數(shù)有待進(jìn)一步研究。

本文闡述了一種外槽輪式排種器播量自動(dòng)控制系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)、工作原理，通過搭建排種試驗(yàn)臺(tái)，并針對(duì)豫教5號(hào)小麥種子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究槽輪有效工作長度、槽輪轉(zhuǎn)速對(duì)播量、播量變異系數(shù)及相對(duì)誤差的影響規(guī)律，對(duì)實(shí)驗(yàn)播量數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，采用最小二乘法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，得出槽輪有效工作長度、槽輪轉(zhuǎn)速與播量、變異系數(shù)及相對(duì)誤差的函數(shù)關(guān)系，以確定合理的工作參數(shù)。

1 播量自動(dòng)控制播種機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

外槽輪式播量自動(dòng)控制播種機(jī)主要由三點(diǎn)懸掛、機(jī)架、側(cè)板、種箱、外槽輪排種器、播量控制系統(tǒng)、雙圓盤式開溝器、平行四桿機(jī)構(gòu)、限深輪及V型鎮(zhèn)壓輪等部件組成，如圖1所示。外槽輪排種器固定在種箱上，種箱固定在左右兩側(cè)板之間；開溝器、鎮(zhèn)壓輪做成一個(gè)單體，通過平行四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)地仿形，6組單體固接在機(jī)架上；雙圓盤式開溝器進(jìn)行開溝，排種器實(shí)現(xiàn)排種，種子通過輸種管落入溝底，V型鎮(zhèn)壓輪實(shí)現(xiàn)覆土鎮(zhèn)壓；限深輪安裝在側(cè)板兩側(cè)，改變限深輪與側(cè)板銷連的位置，可以實(shí)現(xiàn)播種深度調(diào)節(jié)。

1.鎮(zhèn)壓輪 2.限深輪 3.左側(cè)板 4.下懸掛點(diǎn) 5.單體排種系統(tǒng) 6.上懸掛點(diǎn) 7.雙圓盤式開溝器 8.控制盒支架 9.控制盒 10.右側(cè)板 11.第1支撐梁 12.第2支撐梁 13.第3支撐梁

1.2 播量控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)的電源由拖拉機(jī)前置12V直流電源提供，采用電機(jī)控制槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度實(shí)現(xiàn)播量控制，其原理如圖2所示。兩個(gè)霍爾元件測速裝置分別測量左右兩個(gè)地輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并將這一信號(hào)傳遞至單片機(jī)；單片機(jī)比較兩個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)的大小，以加大的信號(hào)作為控制信號(hào)，根據(jù)這一信號(hào)輸出脈沖信號(hào)，控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與排種長度調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電機(jī)與排種軸通過聯(lián)軸器連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速改變時(shí)，槽輪轉(zhuǎn)速隨之改變時(shí)。槽輪、擋輪左右兩端安裝有推力球軸承，軸承側(cè)邊均有夾板，夾板上有螺紋孔，與絲桿配合，形成一個(gè)整體，可以軸向運(yùn)動(dòng)。槽輪長度調(diào)節(jié)電機(jī)與凸輪軸通過聯(lián)軸器連接，當(dāng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角改變，凸輪軸轉(zhuǎn)角亦隨之變化，帶動(dòng)與夾板固接的凸輪連桿左右移動(dòng)，而夾板與槽輪是一體的，將帶動(dòng)槽輪軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)槽輪排種長度調(diào)節(jié)。當(dāng)機(jī)組行進(jìn)速度變化導(dǎo)致播量變化時(shí)，單片將會(huì)根據(jù)設(shè)定的數(shù)學(xué)模型調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)的控制信號(hào)，使得播量恒定，實(shí)現(xiàn)播量控制。當(dāng)需要調(diào)節(jié)播量時(shí)，可以根據(jù)播量與槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度的關(guān)系，通過播量輸入鍵輸入所需的播量，實(shí)現(xiàn)播量調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)中采集兩個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)，且以轉(zhuǎn)速大的信號(hào)作為控制信號(hào)，可以使得在復(fù)雜惡劣工作條件中左右兩個(gè)地輪滑移率不一致時(shí)，以滑移率較小的信號(hào)作為控制信號(hào)，降低滑移對(duì)播量均勻性造成的影響，而且可以降低由于地輪架空造成的漏播。假設(shè)單一地輪的架空不轉(zhuǎn)的概率為δ，則在上述原理下的實(shí)際漏播率為δ2，播種率為η=1-δ2。在取δ=5%(大田地輪的平均滑移率)時(shí)的播種率為99.75%，地輪滑移的影響幾乎可以忽略。

1.霍爾元件測速裝置 2.地輪 3.鉛蓄電池 4.播量輸入鍵 5.LCD顯示屏 6.單片機(jī) 7.電機(jī) 8.聯(lián)軸器 9.凸輪軸 10.凸輪連桿 11.絲桿 12.排種盒 13.擋輪 14.推力球軸承 15.排種軸

2 播量與槽輪轉(zhuǎn)速及長度關(guān)系試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

為給播量控制提供理論依據(jù)，通過試驗(yàn)建立播量與槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度的關(guān)系。試驗(yàn)所采用的外槽輪排種器參數(shù)如圖3與表1所示。

圖3 外槽輪排種器槽型尺寸示意圖

參數(shù)數(shù)值單位R30mmc5mmk18個(gè)θ9(°)β147(°)a3.6mmf0.4mmh8.5mmλ0.5-

θ、β為弓形圓心角；R為外槽輪外半徑；c為單體槽型半徑；a、f、h為下、上弓形弓高、弦長；L為槽輪有效工作長度(mm)；G0為槽輪單位時(shí)間播量(g/min)；n、k為槽輪轉(zhuǎn)速(r/min)、槽數(shù)(個(gè))；λ為充種系數(shù)。

試驗(yàn)種子為豫教5號(hào)小麥種子，近似橢球形，如圖4所示。因此，y=z，取樣測量得其物理參數(shù)如表2所示。

圖4 小麥種子模型尺寸示意圖

組數(shù)x/mmy、z/mm千粒質(zhì)量/g13.061.6141.923.121.6842.133.111.6541.3均值3.101.6441.7

x、y、z為橢球的極徑(mm)。

2.2 試驗(yàn)方法

播量與槽輪轉(zhuǎn)速及長度關(guān)系試驗(yàn)裝置由六方聯(lián)動(dòng)軸、外槽輪式排種器、聯(lián)軸器、電機(jī)和機(jī)架組成，如圖5所示。排種器固定在機(jī)架上，排種電機(jī)與六方聯(lián)動(dòng)軸通過聯(lián)軸器連接，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)排種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，排種長度可手動(dòng)調(diào)節(jié)。

1.外槽輪式排種器 2.六方聯(lián)動(dòng)軸 3.聯(lián)軸器 4.電機(jī) 5.機(jī)架

試驗(yàn)中，改變調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速與排種器的有效工作長度，通過天平量取1 min內(nèi)的播量，建立播量與轉(zhuǎn)速及有效工作長度的關(guān)系。排種器有效工作長度取14、18、22、26、30mm共5組；轉(zhuǎn)速范圍取10～60r/min，共51組轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)分為兩組：一是在槽輪有效工作長度一定的條件下，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速；二是在電機(jī)轉(zhuǎn)速一定的條件下，改變槽輪有效工作長度。每組試驗(yàn)重復(fù)5次，總共255組試驗(yàn)，得到1 275個(gè)有效播量數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 模型建立與誤差分析

每組轉(zhuǎn)速水平下對(duì)應(yīng)5組有效工作長度的播量，轉(zhuǎn)速一定，建立有效工作長度與播量的函數(shù)模型。為保證擬合優(yōu)度，每組數(shù)據(jù)用4次函數(shù)進(jìn)行擬合，則

Gn=a1n+a2n·L+a3n·L2+

a4n·L3+a5n·L4…

(1)

其中，n為槽輪轉(zhuǎn)速(r/min)；Gn為單位時(shí)間播量(g/min)；L為有效工作長度(mm)；a為擬合參數(shù)。

將播量數(shù)據(jù)按槽輪轉(zhuǎn)速10～60r/min轉(zhuǎn)速范圍分成51組，得到51組形如式(1)的式子；對(duì)等式右邊的51組a1n、a2n、a3n、a4n、a5n用最小二乘法進(jìn)行擬合[16-17]，得到關(guān)于a1、a2、a3、a4、a5取值的5組方程，等式右邊加入交互項(xiàng)，得到擬合函數(shù)為

am=b1m+b2m·n+b3m·n2+

b4m·n4+b5m·am·n

(2)

整理式(2)，bkm用矩陣坐標(biāo)模式b(k,m)表示，取值如表3所示，得到數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為

am=[b(1,m)+b(2,m)·n+b(3,m)·n2+

b(4,m)·n3]/[1-b(5,m)·n]

(3)

將方程(3)中得到的am回代方程(1)中得到播量Gn與槽輪有效工作長度L、槽輪轉(zhuǎn)速n的函數(shù)方程為

G(L,n)=a1+a2·L+a3·L2+

a4·L3+a5·L4…

(4)

為驗(yàn)證模型的精度，測量播種轉(zhuǎn)速為10、20、30、40、50、60 r/min，有效工作長度為16、20、24、28mm時(shí)的實(shí)際播量，并與模型預(yù)測值進(jìn)行比較，得到驗(yàn)證組相對(duì)誤差如表4所示。模型相對(duì)平均誤差為3.2%，滿足精度要求。

表4 模型相對(duì)誤差

續(xù)表4

3.2 槽輪轉(zhuǎn)速與長度對(duì)變異系數(shù)影響分析

運(yùn)用MatLab軟件進(jìn)行分析，得出不同有效工作長度中播量變異系數(shù)ν與轉(zhuǎn)速的擬合曲線，如圖6所示。當(dāng)槽輪工作長度水平為14、18、22、26、30 mm時(shí)，隨著槽輪轉(zhuǎn)速的增大，播量變異系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于40 r/min時(shí)，播量變異系數(shù)趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。這一結(jié)果與“外槽輪排種器在轉(zhuǎn)速較高(尤其超過60r/min)時(shí)，播量基本不再變化”的結(jié)論相吻合。在同一轉(zhuǎn)速下，槽輪有效工作長度為22mm時(shí)，播量變異系數(shù)最大，槽輪有效工作長度為30mm時(shí)，播量變異系數(shù)最?。徊圯営行Чぷ鏖L度為14～30mm、轉(zhuǎn)速低于10r/min時(shí)，播種變異系數(shù)大于1.5%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為40～60r/min時(shí)，變異系數(shù)小于0.5%。

圖6 不同排種長度下播種量變異系數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種播量自動(dòng)控制播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了外槽輪排種器播量轉(zhuǎn)速與排種長度同步控制，擴(kuò)大了播量控制范圍與精度，提高了播量的均勻性。

2)通過試驗(yàn)建立播量與槽輪有效工作長度、轉(zhuǎn)速的函數(shù)模型，經(jīng)驗(yàn)證模型理論播量與實(shí)際播量的平均誤差為3.2%，為外槽輪排種器的播量自動(dòng)控制策略提供了理論依據(jù)。

3)槽輪有效工作長度為14～30mm、轉(zhuǎn)速為40～60r/min時(shí)，變異系數(shù)小于0.5%，屬于播量控制參數(shù)適宜控制范圍。