電控赤松茸布料播種一體機(jī)設(shè)計

戈皓月，賈雅麗，李少華，呂新路，顧春洪，趙曉順

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定總站，河北 石家莊 050031；3.保定市農(nóng)機(jī)工作站，河北 保定 071000；4.保定市蓮池區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 保定 071000；5. 保定市鑫飛達(dá)農(nóng)機(jī)裝備有限公司，河北 保定 071000）

赤松茸，菌肉比較肥厚、顏色鮮艷、口感滑脆、營養(yǎng)豐富，抗癌效果高，能降低血脂、血糖，鎮(zhèn)靜神經(jīng)，改善動脈硬化，因此有很高的藥用和食用價值。赤松茸也可以作為功能菌使用，其栽培原料可以選擇木料和稻草等農(nóng)作物秸稈，使用特定的農(nóng)作物秸稈配方，可以種植出優(yōu)質(zhì)的赤松茸，合理地使用農(nóng)作物秸稈配方可以起到2個作用，一是物盡所用，避免了秸稈的資源浪費，二是減少秸稈燃燒產(chǎn)生的有害氣體排放到大氣中，更有利于生態(tài)環(huán)境地可持續(xù)發(fā)展，因此科學(xué)種植赤松茸可以為當(dāng)?shù)貛斫?jīng)濟(jì)、社會以及生態(tài)效益的多樣化。赤松茸種植為處理農(nóng)作物秸稈提供了一種環(huán)保且有經(jīng)濟(jì)效益的方法。

赤松茸喜歡半遮陰的環(huán)境，所以一般種植在防風(fēng)、陽光充足和部分遮陰的環(huán)境中。種植條件應(yīng)滿足靠近水源、排水方便、含腐殖質(zhì)、土壤疏松。赤松茸的市場需求量巨大，但其種植機(jī)械化發(fā)展水平一直不高，目前我國赤松茸種植基地分布不均勻，主要分布于甘肅、河北、浙江、河南等地。赤松茸播種多為人工播種，效率低，勞動強(qiáng)度大，人工成本高。因此，改進(jìn)赤松茸種植機(jī)械，對提高赤松茸產(chǎn)量，促進(jìn)作物種植具有重要意義。開發(fā)和推廣適合赤松茸種植農(nóng)藝的種植設(shè)備，特別是發(fā)展赤松茸布料機(jī)械和播種機(jī)械，是我國赤松茸種植業(yè)發(fā)展中亟待解決的問題。

1 赤松茸栽培基料與布料機(jī)

1.1 栽培基料

目前，我國關(guān)于農(nóng)作物秸稈資源優(yōu)化栽培基料的研究比較少，大多以木料為原材料，配方成分種類比較多，成分配比也需要優(yōu)化。最近幾年在赤松茸栽培方面，人們對農(nóng)作物秸稈資源越來越重視，因此研發(fā)處理栽培材料的農(nóng)用機(jī)械十分必要。

1.2 布料機(jī)

布料機(jī)由4 大部分構(gòu)成，分別是碎料輥、料箱、地輪和傳動裝置。箱內(nèi)設(shè)計有7 個碎料輥，每個碎料輥上安裝7 組刀片，每組有4把刀片。該機(jī)料箱采用不封蓋結(jié)構(gòu)，分別為前箱體、左箱體、右箱體、后箱體，前箱體出料口處設(shè)計有擋板，上設(shè)限位裝置，用來控制出料口的大小和出料速度。布料機(jī)工作時，通過調(diào)整限位螺栓，調(diào)整擋板與前箱下邊緣之間的距離。把草于料箱的上部加入。地輪沿牽引裝置的方向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動三級鏈輪沿同一方向旋轉(zhuǎn)。料箱里的草經(jīng)過處理后送到出料口，然后進(jìn)行攤鋪。布料機(jī)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 布料機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The schematic diagram of distributor structure

2 赤松茸播種特點和播種機(jī)設(shè)計

2.1 赤松茸播種特點

一般赤松茸播種的溫度為8℃～30℃，從播種到出菇約為45 d。春季出菇產(chǎn)量較低，質(zhì)量稍差。秋季的溫度比較適合種植赤松茸，菌絲生長快、出菇早、產(chǎn)量高、菇質(zhì)量優(yōu)。正常價格一般為14～40元/kg。

播種時，畦內(nèi)鋪20 cm 左右厚的經(jīng)浸泡處理的秸稈，形成龜背形畦床，畦與畦之間留80 cm 的人行溝道。將秸稈壓平壓實，鋪上預(yù)濕的稻殼，厚度約5 cm，播種前將菌種處理成雞蛋大小，在稻殼上進(jìn)行播種作業(yè)，一般采用調(diào)角或梅花形點播，播種深度約5 cm，穴距為10～12 cm，可以適當(dāng)增加播穴的數(shù)量，使菌絲生長更快。播種后立即覆土，覆土材料一般為樹林表層土、腐殖土、偏酸性木屑土，理想的土壤呈濕潤松散狀，以手捏土粒扁而不破，不黏手，含水量為20% 左右，覆土厚度1～2 cm 為宜，覆土完成后，需要保持土層濕潤。料面需要處理為拱形面，料壟兩側(cè)雙排至料底打直徑為3～4 cm 的孔，孔距為10～25 cm，打孔可以保證菌生長的正常溫度和保持空氣流通。高溫季節(jié)多打孔、間距小，低溫季節(jié)少打孔、間距大。播種完成后，需要為料堆保濕，一般采用加覆蓋物的方法，選用的材料為散稻草、麥稈、草簾等，厚度約1 cm，以噴水于草簾上時多余水不滲入料內(nèi)為宜。濕度太高會引起菌種腐爛，因此在雨季播種時，下雨前應(yīng)覆蓋塑料膜，防止雨水滲入料中。

2.2 播種機(jī)

赤松茸播種裝置主要由直流無刷電機(jī)和機(jī)架、播種裝置和鎮(zhèn)壓裝置等部分組成，見圖2，播種裝置為赤松茸種箱、赤松茸播種輪、赤松茸播種輪連體漏斗等。種箱由前后左右4 個箱體組成。播種輪包括播種輪、帶有清種刷的播種輪擋板和清種刀片。播種時，將赤松茸種子放入料箱中，用鎮(zhèn)壓裝置將基料壓實。地輪通過鏈條帶動播種輪，填充赤松茸種子到播種輪的種孔中，種子隨赤松茸播種輪旋轉(zhuǎn)。在播種過程中，赤松茸播種輪擋板上的刷子靠近赤松茸播種輪，負(fù)責(zé)清理種孔內(nèi)多余的赤松茸種子，保證播種的有序進(jìn)行。然后播種機(jī)將種子轉(zhuǎn)移到連體漏斗中，當(dāng)種孔中有殘留的種子時，首先將種子轉(zhuǎn)移至清種刀片，然后再轉(zhuǎn)移到連體漏斗中。連體漏斗中安裝有分籽板，排種管可以均勻的分配種子，保證播種的有序進(jìn)行。連體漏斗設(shè)計成V 型，靠重力使種子從連體漏斗中落下排種，完成播種任務(wù)。

圖2 赤松茸播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of Pinus densiflora velvet seeder

2.3 播種機(jī)電機(jī)控制硬件電路與調(diào)速

播種機(jī)電機(jī)采用的是直流無刷電機(jī)，運行可靠、噪音低、能效利用率較高、壽命長。電機(jī)通過STC89C52RC 單片機(jī)控制，更經(jīng)濟(jì)，運行速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件電路見圖3，VCC 引腳接直流電源5 V，GND 引腳接直流電源負(fù)極；XTAL1 引腳和XTAL2 引腳接晶振電路，選擇晶振頻率12MHZ；RST 引腳與復(fù)位電路連接，S0 控制單片機(jī)復(fù)位。電機(jī)連接電路圖見圖4，單片機(jī)P3.4 端口產(chǎn)生PWM信號，用于控制直流無刷電機(jī)。

圖3 最小系統(tǒng)Fig.3 The minimum system

圖4 電機(jī)電路Fig.4 The motor circuit

播種控制的關(guān)鍵是控制直流無刷電機(jī)，播種作業(yè)速度和電機(jī)轉(zhuǎn)速需要實時監(jiān)測，并且將數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)，單片機(jī)將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，向電機(jī)控制器發(fā)出特定的PWM 信號驅(qū)動電機(jī)運行，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠滿足播種要求。改變占空比，可以改變直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)空載運行時，直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速與占空比大致呈線性關(guān)系，但是當(dāng)電機(jī)接上負(fù)載，這種線性關(guān)系被打破，如果還是按線性關(guān)系進(jìn)行控制會產(chǎn)生很大的誤差，因此播種系統(tǒng)采用反饋控制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定的轉(zhuǎn)速有誤差時，單片機(jī)會輸出PWM 信號，改變占空比，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，直到電機(jī)速度滿足播種要求，這是一個動態(tài)變化的過程，也是一個持續(xù)調(diào)節(jié)的過程，單片機(jī)會一直指導(dǎo)播種的進(jìn)行。

3 播種性能試驗

播種行數(shù)定為4 行，播種深度定為4.6 cm，播種速度定為0.7 km/h。為了避免偶然性，在田間隨機(jī)選擇16個行樣本，由于行長度比較大，不方便測量，因此選擇每行的15 m 作為每行的代表，測量15 m內(nèi)赤松茸的栽種行距并對其間的漏播和重播進(jìn)行統(tǒng)計。然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)對每一行的播種機(jī)播種性能和播種精度進(jìn)行計算，以平均值為最終結(jié)果。3 個播種性能評價指標(biāo)分別為漏播率、破損率和播種深度合格率；株距變異系數(shù)作為播種精度評價指標(biāo)，將播種后穴口中無種定義為漏播。

根據(jù)JB/T 10291-2013《旱地栽植機(jī)械》中規(guī)定的旱地播種機(jī)的主要性能指標(biāo)與播種精度指標(biāo)要求需滿足：漏播率≤5%，合格率≥90%，株距變異系數(shù)≤15%。將赤松茸田間試驗獲得的各項結(jié)果與以上播種指標(biāo)進(jìn)行對比，參照表1、表2 結(jié)果可知，該赤松茸布料播種一體機(jī)的播種性能和播種精度均符合標(biāo)準(zhǔn)中的性能和精度指標(biāo)要求，因此該赤松茸布料播種一體機(jī)有推廣價值。

表1 播種性能試驗結(jié)果Tab.1 The seeding performance test results

表2 播種精度試驗結(jié)果Tab.2 The seeding accuracy test results