小麥數(shù)控排種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

解文峰，周 帆

（1.鎮(zhèn)江市農(nóng)機(jī)培訓(xùn)學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2. 鎮(zhèn)江市立昌智能裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

雖然我國(guó)大田農(nóng)業(yè)的種植結(jié)構(gòu)和種植方式發(fā)生了翻天覆地的變化，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍有很大差距。精密播種可以節(jié)省勞動(dòng)力和成本，增加產(chǎn)量和提高生產(chǎn)效率，播種質(zhì)量直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。精密播種技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)與農(nóng)藝要求的完美結(jié)合，是當(dāng)今農(nóng)業(yè)精密操作的發(fā)展方向。

1 有關(guān)麥種特性及排種器的前期研究

1.1 小麥排種器使用現(xiàn)狀及分析比較

小麥排種器是影響小麥播種質(zhì)量的關(guān)鍵部件。目前廣泛使用的是直徑為55 mm 的由6～8 個(gè)梯形充種槽組成的槽輪排種裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。然而，它的缺點(diǎn)也很明顯，即在槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)中，每當(dāng)充種槽口脫離擋料板時(shí)，在重力的作用下，種子在排種器底部從梯形槽中魚(yú)貫而出，因此，它的排種方式是脈沖式的，不連續(xù)，不均勻，離現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求相差甚遠(yuǎn)。

因此，設(shè)計(jì)一種充種穩(wěn)定可靠、類似于單次排種的排種裝置是排種工作的第一步。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有各種小麥排種裝置優(yōu)缺點(diǎn)的分析和比較，本設(shè)計(jì)擬采用大直徑承插孔排種輪方案。

1.2 小麥種子的形狀特性分析

單粒種子的幾何參數(shù)和形態(tài)特征將直接影響到種子從種箱底部進(jìn)入窩眼型孔的過(guò)程和種子在型孔中的分布狀態(tài)，也是影響排種器充種、清種性能的主要因素，同時(shí)，還是窩眼型孔排種輪參數(shù)確定的主要依據(jù)。對(duì)寧麥13 號(hào)麥種（千粒重為42 g）隨機(jī)抽樣50 粒，測(cè)量麥種長(zhǎng)（l）、寬（b）、高（h）如圖1 所示。

圖1 小麥種子幾何尺寸統(tǒng)計(jì)曲線

試驗(yàn)結(jié)果：麥種平均長(zhǎng)度l=6.51 mm, 平均寬度b=3.74 mm, 平均厚度h=3.37 mm。

1.3 排種器中麥種的力學(xué)分析

小麥種子屬于典型的橢球狀種，其在窩眼型孔內(nèi)分布狀態(tài)有臥式、豎立式2 種，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得，麥種臥式、豎立式的概率分別是79%和21%，因此，小麥種子的力學(xué)分析應(yīng)以臥式狀態(tài)來(lái)研究。麥種從種箱流出到充種的過(guò)程，其受力情況是比較復(fù)雜的，歸納起來(lái)有重力、摩擦力、角速度產(chǎn)生的離心力、種子間相互的作用力、種子受到型孔的切線方向的支撐力等，并且不同層面的種子受力都不一樣。

種子在排種器里的受力情況如圖2 所示，與窩眼型孔輪接觸的第一層種子，在重力G、摩擦力f1、離心力F 等的作用下，向型孔輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向作周向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也伴隨有種子自身的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。理論計(jì)算得知，種子重心移動(dòng)速度V1=1/2 ω(型孔輪圓周速度);而第二層種子移動(dòng)速度V2=0.001 2 ω，第三層種子移動(dòng)速度幾乎為零。由此可見(jiàn)，充種層種子高度不能高，否則會(huì)影響第一層種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而影響充種效果。

圖2 種子在排種器里的受力情況

充種時(shí)種子的受力情況如圖3 所示，只有當(dāng)種子受到型孔的切線方向的支撐力N 與種子重力G的合力，大于離心力F 時(shí)，種子才能充入型孔。由理論計(jì)算出的充種角α=0～20°，試驗(yàn)證明α=20°時(shí)為合理的充種角。

圖3 充種時(shí)種子的受力情況

2 小麥數(shù)控排種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所指的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，由精確排種器、伺服電機(jī)、車速信號(hào)傳感器、CPU 中央處理器及電控系統(tǒng)構(gòu)成。

2.1 小麥精確排種器的設(shè)計(jì)

2.1.1 窩眼型孔尺寸和排列

根據(jù)上述分析研究可知，寧麥13 號(hào)麥種（千粒重為42 g）的平均長(zhǎng)度l=6.51 mm, 平均寬度b=3.74 mm，平均厚度h=3.37 mm。單粒精播時(shí)，窩眼輪型孔直徑L 和型孔深度H 必須根據(jù)種子的最大尺寸Z 而定，其經(jīng)驗(yàn)公式為：L=1.1Z，H=0.9Z。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)依據(jù)并最大限度滿足充種的要求，確定播種小麥種子的窩眼型孔入口直徑為7.5 mm(含前倒角尺寸為8.5 mm)，型孔深度為3.5 mm，形狀為橢球形。

為了增加種子的充種機(jī)會(huì)以及種子排出時(shí)錯(cuò)落有序，排種輪周向宜按35 排窩眼型孔設(shè)計(jì)，且為螺旋狀排列布置。

2.1.2 窩眼型孔排種輪的尺寸確定

窩眼輪排種器的直徑不宜太小，因?yàn)楦C眼輪直徑越小，其曲率越大，充種路程短，不利于種子充入型孔，容易造成漏播。此外，窩眼輪直徑小，窩眼輪上的型孔數(shù)就少，在同樣的粒距和作業(yè)速度下，小直徑的窩眼輪必須轉(zhuǎn)得快，則型孔通過(guò)種子區(qū)的時(shí)間就短，不利于充種易造成漏播。因此，窩眼輪直徑適當(dāng)大些為好，因?yàn)橹睆酱蟮母C眼輪可增加充種路程，并可降低投種高度，有利于提高播種的均勻性。但直徑過(guò)大，又會(huì)造成排種器結(jié)構(gòu)龐大和離心力增加。根據(jù)試驗(yàn)，窩眼型孔排種輪的直徑在100～120 mm、厚度在40～50 mm 比較適宜。

2.1.3 清種刷安裝位置的確定

清種刷的作用是去除窩眼輪上沒(méi)有進(jìn)入型孔的種子，它是能否實(shí)現(xiàn)單粒或近似于單粒精播的關(guān)鍵之一，其重要性比肩充種的可靠性。清種刷安裝位置選擇直接影響清種效果，安裝位置不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生：窩眼輪上的種子沒(méi)有清干凈而導(dǎo)致重播，會(huì)將充入窩眼型孔里的種子刮出而導(dǎo)致漏播現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)與力學(xué)推算，本設(shè)計(jì)清種刷安裝于距充種口50°處，且清種刷的下端不超過(guò)窩眼輪垂直中心線，安裝角度與窩眼輪垂直中心線成20°。

2.2 小麥精確排種器的動(dòng)力設(shè)計(jì)

單?；蚪朴趩瘟５呐欧N器僅僅是精播條件之一，排種量（即排種器的轉(zhuǎn)速）的準(zhǔn)確性是能否實(shí)現(xiàn)精播的關(guān)鍵。目前，小麥播種機(jī)排種器的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源，主要有拖拉機(jī)傳動(dòng)、地輪傳動(dòng)、調(diào)速電機(jī)傳動(dòng)。當(dāng)拖拉機(jī)（或地輪）打滑時(shí)，排種器的轉(zhuǎn)速就不是按照拖拉機(jī)行走的線速度在排種；調(diào)速電機(jī)的傳動(dòng)方式無(wú)法使電機(jī)的轉(zhuǎn)速（即排種器的轉(zhuǎn)速）時(shí)刻與拖拉機(jī)行走的線速度匹配，排種量自然也無(wú)法準(zhǔn)確。因此，本設(shè)計(jì)采用可控的、瞬時(shí)可調(diào)的伺服電機(jī)，以滿足種子實(shí)際排量與人們預(yù)先設(shè)定的需要畝播量相符。

2.3 小麥數(shù)控排種系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所指小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，是指由精確排種器、伺服電機(jī)、車速信號(hào)傳感器、CPU 中央處理器及電控系統(tǒng)構(gòu)成，如圖4 所示。

圖4 表明，當(dāng)系統(tǒng)接通車載12 V 電源、種子箱加入種子、觸摸屏上輸入需要的畝播量后，該系統(tǒng)運(yùn)行前的準(zhǔn)備工作便完成；當(dāng)掛接車輛開(kāi)始行走時(shí)，行走速度傳感器將采集到的車輛行走速度信號(hào)，即時(shí)傳送至CPU 處理，處理結(jié)果通過(guò)電控系統(tǒng)向伺服電機(jī)發(fā)出工作指令，伺服電機(jī)帶動(dòng)精確排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，種子箱內(nèi)種子將按照輸入的畝播量，被精確排種器有序排出。當(dāng)掛接車輛行走速度快慢變化時(shí)，行走速度傳感器即時(shí)獲得速度的變化信號(hào)，經(jīng)CPU 處理后發(fā)送新的工作指令，使伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之及時(shí)變化，相應(yīng)地排出種子量的大小也變；但不變的是精確排種器排出的種子總量，與觸摸屏上輸入需要的畝播量相符。

圖4 數(shù)字式排種系統(tǒng)示意圖

3 結(jié) 論

（1）本設(shè)計(jì)中，除參閱一些理論文獻(xiàn)外，建立了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)臺(tái)架主要由直徑為110 mm 的窩眼型孔輪式排種器、電機(jī)及PLC 控制系統(tǒng)組成。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析研究，為本次設(shè)計(jì)提供實(shí)際參數(shù)。

（2）實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)并研制的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，采用20°充種角設(shè)計(jì)、合理的清種刷安裝位置、直徑110 mm 螺旋狀多排布置的窩眼型孔輪式排種器，能實(shí)現(xiàn)單?；蚪朴趩瘟Ｅ欧N，排種器轉(zhuǎn)速為3 545 r/min 時(shí)，其精確播種效果最好。

（3）實(shí)踐證明，本設(shè)計(jì)并研制的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，采用伺服電機(jī)、車速信號(hào)傳感器、CPU 及電控系統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)方案是可行的，其控制精度達(dá)到精確播種需求，穩(wěn)定可靠性能滿足田間作業(yè)環(huán)境要求。

（4）本設(shè)計(jì)并研制的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，制造成本較傳統(tǒng)小麥播種機(jī)的排種系統(tǒng)要高，但在可靠性和精確性方面遠(yuǎn)高于同檔次系統(tǒng)，利于參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

（5）由于條件的限制，本設(shè)計(jì)研制的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)尚有一些不足，有待今后進(jìn)一步改進(jìn)。