新疆棉花小區(qū)精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)

楊丙輝，王 偉，李天義，馬雪亭，閆樹軍

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木河種業(yè)股份有限公司，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

新疆綠洲農(nóng)區(qū)作為全國6大產(chǎn)棉區(qū)之一，在全國棉花生產(chǎn)中占有重要地位。新疆棉花經(jīng)過近50年多的發(fā)展，已與黃河、長江流域棉區(qū)成為三足鼎立的態(tài)勢，為我國棉花生產(chǎn)恢復(fù)和發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)[1-3]。為了進(jìn)一步促進(jìn)新疆棉花生產(chǎn)的發(fā)展，提高棉花的品質(zhì)和質(zhì)量，需要實(shí)施優(yōu)良種子工程，加大對棉花優(yōu)良品種的研究和推廣。經(jīng)調(diào)查，良種對發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率達(dá)50%左右，而在我國良種對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率僅為30%左右，因此育種工作極其的重要[4]。小區(qū)育種是農(nóng)作物新品種培育過程的重要環(huán)節(jié)之一，由于農(nóng)作物品系多、選種量大，因此試驗(yàn)小區(qū)的數(shù)量多，育種試驗(yàn)工作量大[5-7]，再加上不少育種人員比較重視對種子的選育和繁育工作，而通常忽視對小區(qū)育種配套作業(yè)機(jī)具的需求提升，導(dǎo)致小區(qū)育種作業(yè)手段落后，效率低下。

目前，在新疆的棉花育種過程中主要采用如下的播種方式：①人工播種方式。主要是育種人員手持小鏟子或其它類似工具進(jìn)行挖穴、播種、覆土和鎮(zhèn)壓，這種方式存在勞動強(qiáng)度大、效率低的缺點(diǎn)。②借用簡易點(diǎn)播裝置方式。主要是育種技術(shù)人員為了提高效率、降低勞動強(qiáng)度，自己找了一些其它作物的播種裝置直接借用稍加改進(jìn)進(jìn)行播種，效率稍高，但勞動強(qiáng)度也較大，尤其是現(xiàn)有的簡易點(diǎn)播裝置存在清種不方便的問題。③大田棉花播種機(jī)。如果進(jìn)行播種面積較大的示范性小區(qū)試驗(yàn)，有些棉花育種機(jī)構(gòu)會臨時借用大田棉花播種機(jī)來替代人工播種，但存在試驗(yàn)小區(qū)掉頭困難，清種操作不方便等缺點(diǎn)。

如果采用專業(yè)的機(jī)具進(jìn)行育種，不僅可以減少試驗(yàn)誤差、提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，而且可以縮短周期、提高作業(yè)效率。此外，隨著田間用工成本逐年提高，摒棄人工育種手段，采用機(jī)械化育種、逐步實(shí)現(xiàn)田間試驗(yàn)機(jī)械化，已經(jīng)成為當(dāng)前的必然選擇和迫切要求[8-11]。

對于新疆棉花的小區(qū)育種工作來講，農(nóng)藝要求更特殊，需要在地膜上進(jìn)行點(diǎn)播作業(yè)，以此實(shí)現(xiàn)精量播種，一般每穴1～2粒種子；而國外的小區(qū)播種機(jī)和國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出來的一些播種機(jī)等均不能滿足實(shí)際需求的，因此針對新疆的棉花小區(qū)播種機(jī)的研究目前還基本上是一個空白。

綜上所述，對于新疆的棉花育種工作人員而言，他們希望能夠解決小區(qū)育種播種過程中的無專用棉花小區(qū)播種裝置、現(xiàn)有點(diǎn)播裝置清種不方便、播種漏播無報警等問題，應(yīng)針對這些問題開發(fā)一種專門用于棉花小區(qū)播種的作業(yè)機(jī)具。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)在新疆棉花小區(qū)育種工作中遇到的實(shí)際問題，設(shè)計(jì)了一種能夠適合新疆地區(qū)棉花育種模式的小區(qū)精量播種機(jī)。該機(jī)采用一膜四行的播種模式，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化作業(yè)、地膜上點(diǎn)播播種、輕松清種、漏播監(jiān)控報警和漏播點(diǎn)標(biāo)記提醒等功能。

棉花小區(qū)精量播種機(jī)由排種部分、監(jiān)控報警部分、滾動開穴播種部分、標(biāo)識定位部分和機(jī)架等結(jié)構(gòu)組成,如圖1所示。

1.機(jī)架 2.光電傳感器 3.排種轉(zhuǎn)軸 4.儲種箱 5.傳動鏈條 6.霍爾傳感器 7.報警指示燈 8.接種斗 9.輸種管 10.導(dǎo)種管 11.開穴播種裝置 12.標(biāo)識定位裝置

1.2 工作原理

棉花小區(qū)精量播種機(jī)工作時，動力由配套的拖拉機(jī)提供，當(dāng)拖拉機(jī)牽引播種機(jī)前進(jìn)時，地輪(滾動開穴播種裝置)在地膜上滾動行駛和并在地膜上進(jìn)行開穴作業(yè)，同時通過地輪轉(zhuǎn)軸上的鏈條帶動兩側(cè)的排種轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動其上的排種輪轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)對儲種箱中的種子進(jìn)行選種(正常工作時，由于儲種箱底部設(shè)置的出種口與推拉擋板上的開口正對，故可以進(jìn)行正常的選排種操作；當(dāng)不需要播種或需要清種操作時，調(diào)整推拉擋板使得推拉擋板封閉出種口即可)動作，每次篩選的1粒棉種隨著排種轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動落入儲種箱下方的排種斗中。

棉種由排種斗落入滾動開穴播種裝置的過程中，播種狀態(tài)由可編程序控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，具體過程為：在棉種從排種裝置落入輸種管的過程中，光電傳感器對棉種是否通過該區(qū)域的狀態(tài)進(jìn)行檢測。如果沒有檢測到種子落下則報警指示燈發(fā)出黃燈報警，并同時標(biāo)識定位裝置對出現(xiàn)漏播的位置進(jìn)行實(shí)時定位標(biāo)識(通過推拉式電磁鐵的推桿按壓顏料噴涂瓶的按壓嘴，從而可以在漏播位置噴涂無公害顏料作為標(biāo)識)，然后繼續(xù)前行進(jìn)行正常播種；如果排種轉(zhuǎn)軸卡死或地輪相對地面滑行偏大時，則可編程序控制器控制報警指示燈發(fā)出紅燈警告，立即停止作業(yè)并排查故障。

在機(jī)器播種過程中，由于開穴播種裝置(見圖2)連續(xù)滾動前進(jìn)，其動咀和定咀相互作用把地膜扎破并深入土壤一定深度形成一個小空穴；與此同時，經(jīng)由導(dǎo)種管位于頂桿頂端頭處的棉種依靠重力滑落到土壤的小空穴中，同時頂桿在凸輪的作用下伸出，將不能依靠重力自由落下棉種強(qiáng)制推頂?shù)叫】昭ㄖ?，從而避免由于土塊堵塞等原因而導(dǎo)致棉種不能完全落入小空穴中，解決了現(xiàn)有技術(shù)中鴨嘴堵塞而發(fā)生漏播的問題，實(shí)現(xiàn)單穴強(qiáng)制播種。完成播種工作之后，頂桿會立即復(fù)位到正常狀態(tài)，動咀也跟著復(fù)位，至此一個由開穴、落種、頂種、復(fù)位動作構(gòu)成的完整播種周期完成；后續(xù)動作依次重復(fù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)連續(xù)滾動開穴和單穴強(qiáng)制播種的功能。

1.滾柱 2.圓柱彈簧 3.頂桿 4.動咀 5.定咀 6.凸輪

1.3 基本參數(shù)

根據(jù)新疆地區(qū)棉花小區(qū)育種作業(yè)種植模式的要求，確定了棉花小區(qū)精量播種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 棉花小區(qū)精量播種機(jī)主要參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與選型

2.1 排種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

型孔輪式排種器具有構(gòu)造簡單、工作可靠，以及當(dāng)工作速度小時工作質(zhì)量良好等優(yōu)點(diǎn)，同時換裝磨紋式排種器還可以用作條播中耕作物，所以用途較廣。對于棉花小區(qū)播種而言，對播種的準(zhǔn)確性要求高，但對播種效率要求相對不是很高，故綜合棉種的自身特性、機(jī)具使用要求和成本等因素，選擇型孔輪式排種器作為棉花小區(qū)精量播種機(jī)的排種裝置是比較合適的。

2.1.1 型孔的形狀和尺寸確定

根據(jù)相關(guān)研究可知：棉種經(jīng)過脫絨和拋光處理后其外形近似橢球體，種子兩端差異較大，一端呈錐形，另一端呈半圓球狀。當(dāng)然不同品種種子的形狀和尺寸是有所差異的，目前新疆正在使用的棉種主要有新陸早26號、新陸早42號和中棉297-5號種子等，機(jī)具以新陸早42號種子為作業(yè)對象，其長度均值為aμ=8.78mm，寬度均值為bμ=4.95mm，厚度均值為cμ=4.35mm[12]。

據(jù)此將排種器的型孔形狀設(shè)計(jì)為圓弧型窩眼結(jié)構(gòu)，每孔正常播種時可充種1粒，由于脫絨棉種的橢球體形狀特征，故其一般情況下都是平躺的狀態(tài)。小區(qū)播種的棉種通常是經(jīng)過精選的，其大小一致性比較好，同時考慮充種后型孔的側(cè)邊一般需留Δ=0.5～1mm的間隙，故型孔的基本尺寸設(shè)計(jì)為：長度A=amax+0.5=13.7mm，寬度B=bmax+0.5=6.8mm，高度C=B=bmax+0.5=6.8mm。圖3為排種輪及其型孔基本形狀。

1.圓形型孔 2.排種輪

2.1.2 排種輪的轉(zhuǎn)速確定

在充種、排種的過程中，由于棉種是橢球體結(jié)構(gòu)，可以看作是扁平的種子，排種輪的線速度對型孔的充種性能影響很大，如果轉(zhuǎn)動速度過高，種子可能來不及進(jìn)入型孔，就會造成漏播。在播種時，棉種隨排種輪以一定的速度運(yùn)動，棉種靠自重落入型孔，充種過程如圖4所示。

圖4 充種過程示意圖

對于平躺在排種盤上的扁粒種子，設(shè)其重心距小端的距離為種子長度的2/3，則在排種輪的轉(zhuǎn)速與其它關(guān)聯(lián)參數(shù)之間需滿足如下關(guān)系式才可以保證充種過程的順利進(jìn)行，即

式中Vp—排種輪轉(zhuǎn)速(m/s)；

A—排種輪上型孔的長度(mm)，A=13.7；

l—棉種實(shí)際長度(mm),此處l=aμ=8.78；

g—重力加速度(m/s2)，g=9.8；

b—棉種的平均寬度(mm)，b=4.95。

由此可以推出：Vp≤0.35 m/s 。

實(shí)際上，排種輪的轉(zhuǎn)動由地輪(滾動開穴播種裝置)來傳動，而地輪則是由拖拉機(jī)牽引做直線運(yùn)動的，所以拖拉機(jī)的前進(jìn)速度也決定了排種輪線速度的大小，工作時必須對拖拉機(jī)加以嚴(yán)格的控制，二者之間必須要有良好的配合。

2.1.3 排種輪外徑和型孔數(shù)量確定

由于排種輪轉(zhuǎn)速Vp與排種盤直徑D成正比，與排種盤型孔數(shù)m成反比，故增加排種盤型孔數(shù)m、減小排種盤直徑D可降低排種輪轉(zhuǎn)速Vp，但會使充種路程縮短，對充種不利；同時，也縮短了型孔間的間隔，間隔太小將影響每穴之間種子分離的準(zhǔn)確性，因此采用較大直徑的排種輪以增加型孔的充種路程及充種時間，有利于提高充種系數(shù)。同時，考慮一般情況下由于排種輪轉(zhuǎn)速Vp受充種性能的限制不能過大，因而限制了拖拉機(jī)的前進(jìn)速度作業(yè)速度Vm，則

Vp=πDVm(1+δ)/Zt

式中Vp—排種輪轉(zhuǎn)速(m/s)；

π—常數(shù)，取3.14；

D—排種輪直徑(mm)；

Vm—機(jī)組前進(jìn)速度(km/h)；

δ—滑移系數(shù)，取0.05；

Z—排種輪上的型孔數(shù)量；

t—穴距(cm)，t=10。

經(jīng)過匹配計(jì)算，可知取D=200mm，Vm=4.5km/h，Z=24時比較合理 ，Vp能夠滿足要求。

2.2 清種裝置的設(shè)計(jì)

對于棉花小區(qū)播種機(jī)而言，方便地進(jìn)行清種操作是一個最基本的要求，以保證不同品系的棉種在播完后能夠及時被清理、不混種、提高播種的效率和試驗(yàn)準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計(jì)時要考慮清種方便、播種可靠，據(jù)此設(shè)計(jì)了可拆卸式清種裝置，如圖5所示。該裝置由種箱架、儲種箱和推拉擋板組成，種箱架固定在機(jī)架上，其上有3個小支耳來放置和約束儲種箱，儲種箱可以在支耳上沿豎直方向上自由放置；在儲種箱底部和排種輪接觸的部分有推拉擋板，正常播種時，推拉擋板處于打開的位置，若要進(jìn)行清種時則可以將其推到關(guān)閉的位置，并拿掉種箱就可以把剩余的棉種及時清理。

2.3 漏播標(biāo)識定位裝置的設(shè)計(jì)選型

漏播標(biāo)識定位裝置是一個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目的是為了對棉花小區(qū)播種機(jī)在工作過程中的漏播點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識定位，為后續(xù)人工檢查及補(bǔ)種提供方便，主要由電磁鐵和顏料噴涂瓶組成。該裝置工作時，由可編程序控制器在接收到漏播的信號反饋后，通過對電磁鐵的控制來實(shí)現(xiàn)顏料噴涂瓶中顏料的噴涂操作。

1.儲種箱 2.種箱架 3.支耳 4.推拉擋板

1)顏料噴涂瓶容積的設(shè)計(jì)：考慮到噴涂顏料時的實(shí)際情況，每次噴涂顏料的體積為0.25mL(約5滴水的體積)比較合適，噴出來標(biāo)識面直徑大約在1.5cm左右，容易識別。據(jù)文獻(xiàn)可知：型孔輪式排種器播種過程中漏播率一般小于5%，機(jī)具行進(jìn)速度為4.5km/h，再考慮棉花的株距(10cm),每天機(jī)具純工作時間工作4h的情況下(小區(qū)播種過程中經(jīng)常反復(fù)進(jìn)行清種、換種、檢查等工作，故機(jī)具純工作時間相對較少)，顏料瓶的容積需求為2 250mL,實(shí)際應(yīng)用時也可以帶一個顏料瓶備用。

對于顏料噴涂瓶噴頭部分采用按壓式乳液泵方式實(shí)現(xiàn)顏料噴涂，按壓部分的結(jié)構(gòu)和要求符合BBT 0028-2014 按壓泵的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由于按壓式乳液泵的本質(zhì)上是一個活塞式的水泵，所以在設(shè)計(jì)噴嘴時可以將其調(diào)整為直徑1.5cm的圓形網(wǎng)狀噴嘴，以便能夠在需要標(biāo)識的位置直接形成一個醒目的標(biāo)識，方便檢查和補(bǔ)種。

2)電磁鐵的選用：根據(jù)顏料噴涂瓶的基本情況和PLC提供的24V直流電源，故電磁鐵的電源電壓為DC24V,按壓力一般情況下20N就可以滿足要求，行程則要求不高，通常情況下10mm的行程就滿足要求。考慮到使用工況比較惡劣，綜合所有因素，選擇的電磁鐵為JP1253H-01-DC24V型的工業(yè)級電磁鐵。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)構(gòu)成

為了提高棉花小區(qū)精量播種機(jī)的可靠性，彌補(bǔ)型孔輪式排種器可能選不上種子而導(dǎo)致的漏播，需要在播種過程中對其播種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，且要求對漏播點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)識定位，方便后續(xù)的補(bǔ)種操作。為了提高樣機(jī)開發(fā)的成功率，采用了有蓄電池、可編程序控制器、光電傳感器、霍爾傳感器等元件構(gòu)成的控制系統(tǒng)。

3.2 控制邏輯過程

播種機(jī)在播種過程中其播種狀態(tài)由可編程序控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)種子從排種器落入輸種管的過程中，在排種斗下方有光電傳感器對棉種是否通過該區(qū)域的狀態(tài)進(jìn)行檢測，從而確定有無漏播的異常問題，如果無異常情況則正常播種；如果沒有檢測到種子落下則發(fā)出聲音和黃燈報警，并對出現(xiàn)漏播的位置進(jìn)行實(shí)時定位標(biāo)識，為人工檢查或補(bǔ)種提高便利，然后繼續(xù)前行正常播種；如果在播種過程中遇到排種器主軸被棉種卡死或地輪相對地面滑行偏大時，則播種監(jiān)控系統(tǒng)會發(fā)出報警聲音和紅燈警告，此時應(yīng)停止播種并排查故障。具體控制過程如圖6所示。

圖6 棉花小區(qū)精量播種機(jī)控制流程圖

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果

在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師塔里木河種業(yè)股份有限公司技術(shù)中心的棉花試驗(yàn)田中開展了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)基本條件如下：配套動力為東風(fēng)354拖拉機(jī)，地膜寬度1.2m，棉種為經(jīng)過篩選的新陸早42號脫絨棉種，土壤墑情適宜播種，設(shè)定播種深度為2.5cm。為了驗(yàn)證樣機(jī)性能，分別以2.7、4.4、5.9km/h的車速進(jìn)行了播種試驗(yàn)，由于條件所限，試驗(yàn)過程中僅對部分項(xiàng)目進(jìn)行了測試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在棉花小區(qū)播種機(jī)進(jìn)行播種的過程中，播種的合格率受車速的影響較大，車速高時漏播情況嚴(yán)重，主要原因是充種時間縮短，充種率下降造成的；漏播報警準(zhǔn)確率比較高，但漏播報警的時間點(diǎn)和漏播點(diǎn)的匹配情況無法測定。對于漏播點(diǎn)的標(biāo)識定位準(zhǔn)確率而言，實(shí)際上每個漏播點(diǎn)都進(jìn)行了標(biāo)識，只是由于個別定位點(diǎn)不在考查范圍內(nèi)，從總體上來講機(jī)具的性能基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)然后期仍需開展大量的試驗(yàn)，提高其可靠性和穩(wěn)定性。

表2 棉花小區(qū)精量播種機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

漏播報警準(zhǔn)確率=漏播報警穴數(shù)/總的漏播穴數(shù)；漏播點(diǎn)標(biāo)識準(zhǔn)確率=合格的標(biāo)識點(diǎn)/總的漏播穴數(shù)；合格標(biāo)識點(diǎn)指以漏播點(diǎn)為圓心半徑5cm范圍的標(biāo)識點(diǎn)。

5 結(jié)論

1)根據(jù)新疆地區(qū)棉花小區(qū)育種工作的現(xiàn)實(shí)需求和農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種可在地膜上點(diǎn)播播種、輕松清種、漏播監(jiān)控報警和漏播點(diǎn)標(biāo)記提醒等功能的棉花小區(qū)精量播種機(jī)，為育種工作者提供了一種可以提高效率、降低勞動強(qiáng)度的棉花育種作業(yè)新機(jī)具，同時也提供了一種新的作業(yè)手段。

2)通過對關(guān)鍵工作部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，分析了各關(guān)鍵部件的主要參數(shù)對機(jī)具作業(yè)的影響，并確定了各關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)、參數(shù)要求和具體型號；同時，也提出了播種監(jiān)控系統(tǒng)的控制方案，為機(jī)具樣機(jī)的研制打下了基礎(chǔ)。

3)通過田間試驗(yàn)，測試了在不同車速下棉花小區(qū)精量播種機(jī)的基本性能，為機(jī)具的進(jìn)一步改進(jìn)提供了參考。