種繩高質(zhì)量編織機(jī)設(shè)計與試驗*

劉春磊，梅松，童一飛

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京市,210014;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京市,210014)

0 引言

近年在疫情的影響下,國內(nèi)市場對蔬菜的需求量持續(xù)上升,蔬菜產(chǎn)量極大地影響著國民生計,蔬菜機(jī)械化生產(chǎn)是解決蔬菜產(chǎn)業(yè)高水平發(fā)展的重要手段[1]。種繩播種技術(shù)是一種新型的播種方式,通過直播設(shè)備將種繩編織機(jī)生產(chǎn)的種繩埋填在大田中,即可完成播種過程,目前國內(nèi)已有成熟的直播設(shè)備用于規(guī)?；筇锓N植,相比于傳統(tǒng)的人工播種,效率提升了8～10倍[2]。

國外最早于20世紀(jì)40年代開始種繩編織機(jī)的研究。1961年,日本成功研制出種繩編織技術(shù)并申請專利;1963年,中村喜彰提出水稻直播栽培技術(shù);1994年,上野秀人發(fā)明了覆蓋再生紙直播技術(shù);1990年,韓國實(shí)現(xiàn)旱田條播機(jī)播種;1972年,美國研制出精密播種機(jī)—四行繩帶播種機(jī)[3]。由于對排種器等核心部件有著全面的理論分析、仿制模擬、結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計等,國外的編織機(jī)在編織精度和效率上取得了較大的成果。國內(nèi)最早于20世紀(jì)70年代開始研究種繩編織技術(shù)。1952年,東北農(nóng)科所將谷物條播機(jī)改裝成水稻直播機(jī)[4];1976年,吉林省農(nóng)科院和吉林省農(nóng)機(jī)所研制成功2BS-13型水稻直播機(jī)[5]。國內(nèi)早期的種繩編織機(jī)大都是在水稻編織設(shè)備的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),其中重點(diǎn)研究氣吸式種繩編織機(jī),目前已有投入市場的編織設(shè)備[6-7];此外,還有針對草種及中藥材等小粒種子的播種研究及實(shí)踐[8-9]?，F(xiàn)有的種繩編織機(jī)主要存在以下問題:一是對于小粒蔬菜種子的吸種精度不夠高;二是編織效率偏低;三是種距精度和排種精度存在進(jìn)一步的提高空間。

基于此,本文設(shè)計了一款新型的種繩編織設(shè)備,確定排種器、凹形導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、正反向編織機(jī)構(gòu)和種繩螺旋纏繞機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù),并對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

1 種繩編織機(jī)總體結(jié)構(gòu)

種繩編織機(jī)的功能是將種子按照種距要求精確平穩(wěn)地排放在種子帶(采用紙帶)上并將其捻制成繩。對于種繩編織機(jī)設(shè)計的主要原則有:整體結(jié)構(gòu)精簡,工作可靠,便于調(diào)節(jié)。考慮到種繩編織的工作步驟較少且為了在加工上節(jié)約時間和成本,故在結(jié)構(gòu)上采用簡單的傳動機(jī)構(gòu)。如圖1所示,種繩編織機(jī)采用一機(jī)兩組的方案,可以同時進(jìn)行兩條種繩的編織,提高了生產(chǎn)效率。種繩編織機(jī)的左下側(cè)為控制系統(tǒng),右下側(cè)為紙帶卷安置處,上側(cè)為編織系統(tǒng)。

圖1 種繩編織機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示,種繩編織機(jī)的工作原理如下:開機(jī)后,首先在觸摸屏界面上設(shè)置種繩編織的種距、繩長和編織速度等要求,然后將需要編織的種粒倒入種盒中,步進(jìn)電機(jī)1帶動攪拌絲旋轉(zhuǎn)攪動,形成擠壓作用,促進(jìn)種盒內(nèi)種粒的流動性。步進(jìn)電機(jī)2經(jīng)由帶傳動驅(qū)動負(fù)壓圓盤(由負(fù)壓設(shè)備連接圓盤在其內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓)轉(zhuǎn)動,負(fù)壓圓盤最外圈是梯形凸盤,梯形凸盤上均勻分布著負(fù)壓孔,當(dāng)負(fù)壓圓盤旋轉(zhuǎn)時,種盒內(nèi)的種粒會被吸附在負(fù)壓吸孔上;當(dāng)負(fù)壓孔攜帶種粒到達(dá)頂部時,由擋針和噴氣嘴輔助去除多余的種粒以保證每個吸孔只吸附一個種子(如果需要一穴多粒,可以在梯形凸盤軸向方向上設(shè)置多個負(fù)壓孔);當(dāng)種粒到達(dá)圓盤底部時,由于負(fù)壓圓盤內(nèi)部設(shè)有毛刷會將底部的負(fù)壓吸孔堵上,使得種粒失去吸附力的作用,從而在重力的作用下排出,同時,紙帶從紙帶盤經(jīng)由引導(dǎo)輥?zhàn)雍笤趘字形壓紙舌板的擠壓作用下折疊成v形,種粒掉落在v形紙帶底部時可以很好地防止左右跳動(可以根據(jù)要求增設(shè)涂刷以進(jìn)一步減少種粒跳動)。v形紙帶到達(dá)繞繩部件后,步進(jìn)電機(jī)3通過錐齒輪傳動和帶傳動驅(qū)動兩個繞繩線卷等速反向?qū)形紙帶進(jìn)行纏繞并增加一定的捻勁,從而形成種繩。最后,種繩經(jīng)過傳動輥?zhàn)?、搖桿的擺動和壓緊輥?zhàn)拥膫鲃?被均勻纏繞在繞繩輥?zhàn)由闲纬煞N繩卷。

圖2 種繩編織機(jī)運(yùn)動鏈?zhǔn)疽鈭D

通過查閱相關(guān)資料及手冊,同時結(jié)合設(shè)計的要求,確定種繩編織機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 排種器

考慮到氣吸式結(jié)構(gòu)對于小粒徑種子的精密播種較為適用[10],排種器采用氣吸式結(jié)構(gòu),主要由負(fù)壓圓盤輥筒、輥筒轉(zhuǎn)軸、拉桿和毛刷等組成,如圖3所示。

圖3 排種器結(jié)構(gòu)示意圖

負(fù)壓圓盤輥筒為可拆卸結(jié)構(gòu),其上均勻分布大小相等的負(fù)壓孔,可以針對不同尺寸和形狀的種子具體設(shè)定負(fù)壓孔的大小,從而形成不同規(guī)格的輥筒,根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行拆卸與安裝。工作時,在負(fù)壓風(fēng)機(jī)的作用下,圓盤內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓,輥筒一邊旋轉(zhuǎn)一邊由負(fù)壓孔吸附種子,當(dāng)負(fù)壓孔經(jīng)由底部時,由于毛刷的阻隔使負(fù)壓被阻斷,從而種子在重力和慣性力的作用下掉落在下方的紙帶上。負(fù)壓圓盤的尺寸對吸種的效率、拋種時的種粒速度和負(fù)壓風(fēng)機(jī)功率有著很大的影響,當(dāng)負(fù)壓圓盤直徑較小時,吸種效率會較低,即相同時間的情況下吸附的種粒較少,若為了提高效率提高負(fù)壓圓盤轉(zhuǎn)速又會由于吸附不充分導(dǎo)致漏吸率過高;當(dāng)負(fù)壓圓盤直徑較大時,拋種時的種粒速度過大會引起種粒在紙帶上過度的彈跳和翻滾,影響種距精確度,同時為了提供足夠的吸附力,負(fù)壓風(fēng)機(jī)需要增加功率。此外,負(fù)壓圓盤選用不銹鋼材料,不僅易選用,而且有著表面光滑不傷種的優(yōu)點(diǎn)。

選用大小合理的負(fù)壓圓盤對于高效精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)種繩編織至關(guān)重要。種子的水平速度如式(1)所示。

(1)

式中:v種——種子的水平速度;

n——負(fù)壓圓盤的轉(zhuǎn)速;

D——負(fù)壓圓盤的直徑。

根據(jù)設(shè)定的種繩生產(chǎn)率為500～2 000 m/h,可以進(jìn)一步得到紙帶的前進(jìn)速度為0.14～0.54 m/s,負(fù)壓圓盤的平均轉(zhuǎn)速取為10 r/min,可得

據(jù)此,不同直徑規(guī)格的負(fù)壓孔形成不同的負(fù)壓,可以滿足不同的生產(chǎn)要求。此外,為保證吸種時不同負(fù)壓孔吸附的種?；ゲ桓蓴_,需采用合理的分度數(shù)量,過多的分度數(shù)量會影響到排種,過少的分度數(shù)量雖然不干擾排種,但是會降低排種的效率。因此,可以采用依次遞減的試驗方法,即在分度數(shù)量偏多的情況下依次遞減,直到分度數(shù)量滿足條件。以直徑為300 mm規(guī)格的負(fù)壓圓盤為例,選用分度數(shù)量Z=60時較為合適。此外,當(dāng)編織要求為一穴一粒時,負(fù)壓圓盤輥筒軸向孔徑數(shù)為單數(shù);當(dāng)農(nóng)藝要求一穴多粒時,負(fù)壓圓盤輥筒軸向可以均勻分布多孔徑,達(dá)到定種數(shù)的目的。

負(fù)壓孔的直徑大小也是影響排種的關(guān)鍵因素之一,負(fù)壓孔的直徑越小,會導(dǎo)致其吸附力變小,直徑越大,會導(dǎo)致吸附多余種粒。根據(jù)經(jīng)驗公式,取

d=(0.6～0.7)d1

(2)

式中:d——負(fù)壓孔直徑;

d1——種粒的名義粒徑。

其中

(3)

1) 求紙帶的速度,如式(4)所示。

(4)

式中:v——紙帶的速度;

ω0——傳動輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速;

r0——傳動輥?zhàn)拥陌霃?

D1——繞帶輪的直徑;

D0——傳動輥?zhàn)拥闹睆嚼@帶輪的直徑;

ω4——步進(jìn)電機(jī)4的轉(zhuǎn)速。

2) 求種粒下落時間,如式(5)所示。

(5)

式中:v1——種粒拋出的水平速度;

ω3——負(fù)壓圓盤的轉(zhuǎn)速;

r3——負(fù)壓圓盤的半徑;

D5——小帶輪的直徑;

D6——吸種輪的直徑;

ω2——步進(jìn)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速;

D3——負(fù)壓圓盤的直徑。

負(fù)壓圓盤上種粒移動到上一個種粒位置的計算時間為

(6)

式中:t1——種粒移動到之前位置的時間;

Z——負(fù)壓圓盤等分?jǐn)?shù);

T——負(fù)壓圓盤旋轉(zhuǎn)一周的時間;

D5——小帶輪的直徑;

D6——吸種輪的直徑。

如圖4所示,種粒到達(dá)拋種點(diǎn)時在豎直方向上受到重力和慣性力作用,有

圖4 拋種點(diǎn)種粒受力

(7)

式中:t2——最底部種粒下落時間;

H——圓盤底部到紙帶距離。

根據(jù)式(7)可以發(fā)現(xiàn):落種時間不僅與排種器底部到紙帶的距離有關(guān),還與排種器的轉(zhuǎn)速和半徑有關(guān),增大排種器轉(zhuǎn)速和半徑能夠減少落種時間,但過大的排種器轉(zhuǎn)速和半徑會使得種粒落在紙帶上的速度過大,引起彈跳,影響種距的精確。

3) 求出種距。種粒經(jīng)由排種器排種后,落在紙帶上的相鄰距離即為種距。如果假設(shè)紙帶處于靜止?fàn)顟B(tài),負(fù)壓圓盤正常工作,那么在理想狀態(tài)下每粒種子在紙帶上的落點(diǎn)都應(yīng)該相同(目標(biāo)點(diǎn))。相鄰種粒落入目標(biāo)點(diǎn)需要一個間隔時間,當(dāng)紙帶正常運(yùn)動時,種粒的間隔距離即為紙帶的速度與間隔時間的乘積。相鄰落種的間隔時間即從前面種粒落到紙帶上開始到后面種粒落到紙帶上的這段時間,也就是前面種粒離開拋種點(diǎn)開始到后面種粒離開拋種點(diǎn)的這段時間,即t1。故理論種距為

L=v×t1

(8)

根據(jù)式(8)得:理論種距主要與負(fù)壓圓盤等分?jǐn)?shù)、步進(jìn)電機(jī)4與步進(jìn)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速比、帶輪直徑比相關(guān)。當(dāng)帶輪尺寸及負(fù)壓圓盤等分?jǐn)?shù)確定后,種距的調(diào)節(jié)可以根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速比來調(diào)整。

4) 定種距分析。在實(shí)際落種的過程中,種粒最終在到達(dá)紙帶時,會存在彈跳和翻滾,這兩種情況是影響種距精確性的關(guān)鍵。一方面,理論種距與負(fù)壓圓盤底部到紙帶的高度無關(guān),但在實(shí)際中為了減少種子在紙帶上的跳動,應(yīng)該盡量降低負(fù)壓圓盤底部到紙帶的高度,經(jīng)過多次樣機(jī)試驗,當(dāng)取該高度10～15 cm時,種粒幾乎無跳動。另一方面,為了減少種子在紙帶上的翻滾,應(yīng)該使種子初始水平速度v1與紙帶速度v的速度差盡可能小,實(shí)現(xiàn)零速投種[11],即要保證

v1≈v

(9)

根據(jù)式(9)可知:減少種粒翻滾的關(guān)鍵就在于步進(jìn)電機(jī)4與步進(jìn)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速比控制,但經(jīng)過式(8)分析發(fā)現(xiàn)種距的調(diào)節(jié)也需要由步進(jìn)電機(jī)4與步進(jìn)電機(jī)2的轉(zhuǎn)速比來控制,即種距的調(diào)節(jié)必然會引起種粒的翻滾。因此,需要將種距的調(diào)節(jié)控制在一定范圍內(nèi),并且進(jìn)一步解決翻滾的問題。

2.2 落種偏移控制裝置

種粒落到紙帶上的過程中會引起偏移現(xiàn)象,分為種粒翻滾和種粒跳動,為提高種距精度,需要對落種偏移進(jìn)行控制。

任文濤等[12]通過增設(shè)黏結(jié)劑機(jī)構(gòu)有效地解決了落種偏移問題,但考慮到黏結(jié)劑成本,采用控制翻滾的另一個有效方案:增設(shè)凹形導(dǎo)向機(jī)構(gòu),如圖5所示,其關(guān)鍵部件為v形壓紙舌板,實(shí)現(xiàn)原理:壓紙舌板伸出的v形擋板將下方進(jìn)給中的紙帶進(jìn)行塑形,使得原本平直的紙帶變成v形帶狀。當(dāng)種粒落在v形紙帶上時,由于凹形槽形狀的原因,種粒會落在底部,這樣就可以避免種粒在左右方向上的翻滾,在一定程度上達(dá)到了落種偏移控制的目的。此外,形成v形紙帶對種繩編織起到了很好的前處理效果,有效減少了編織過程中的脫種現(xiàn)象。

(a) v形壓紙舌板

2.3 正反向種繩編織傳動系統(tǒng)

紙帶通過一定的單位捻勁只是初步形成種繩,只有在進(jìn)給時纏繞上棉線才會形成最終的種繩,棉線的目的就是增加種繩拉伸強(qiáng)度和減少種粒脫落的幾率。由于單方向編織的棉線易導(dǎo)致滑移,因此采用正反向編織的方案,這樣可以增強(qiáng)編織的穩(wěn)定性,極大地避免該問題的出現(xiàn)。

如圖6所示,正反向種繩編織傳動系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)、錐齒輪組、帶輪和繞線總成組成,步進(jìn)電機(jī)將動力傳遞給小錐齒輪,通過小錐齒輪與兩個左右對稱的大錐齒輪嚙合傳動,實(shí)現(xiàn)了左右大錐齒輪的同步正反向轉(zhuǎn)動,然后通過帶輪驅(qū)動繞線總成正反向轉(zhuǎn)動,棉線卷上的棉線經(jīng)由過線陶瓷嘴(右下側(cè)小孔)和繞線勾纏繞在種繩上(種繩通過中間的過線陶瓷嘴)。

圖6 正反向種繩編織傳動系統(tǒng)

2.4 種繩螺旋纏繞系統(tǒng)

在種繩編織后,由輔助繞繩部分對種繩進(jìn)行卷繞,為了方便存儲以及實(shí)現(xiàn)播種的通用化,卷繞的種繩卷為統(tǒng)一規(guī)格,同時為了種繩卷的均勻性,種繩在種繩卷上需要以擺動式卷繞。隨著種繩卷上種繩卷繞的圈數(shù)增加,會使得種繩卷的直徑持續(xù)增加,種繩卷的速度需要動態(tài)調(diào)節(jié),才能保證種繩所受的張力恒定,避免超過其斷裂強(qiáng)度引起斷裂造成不可避免的損失。

如圖7所示,繞繩系統(tǒng)采用多組帶輪機(jī)構(gòu)傳動的方案,由單個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動傳動輥?zhàn)?傳動輥?zhàn)油ㄟ^三組帶輪傳動實(shí)現(xiàn)減速及轉(zhuǎn)向,刻槽輥?zhàn)优c搖桿為圓柱滾子擺動凸輪機(jī)構(gòu),種繩繞過傳動輥?zhàn)雍髲膿u桿的內(nèi)部穿出,然后卷繞在上方的種繩卷上(種繩卷安裝在繞繩輥?zhàn)由?,由于搖桿做擺動式運(yùn)動,使得種繩呈現(xiàn)擺動式卷繞,從而實(shí)現(xiàn)均勻卷繞的效果。

圖7 繞繩系統(tǒng)總成

刻槽輥?zhàn)由系耐馆喦€可以采用一次曲線或正弦余弦曲線,一次曲線加工較為簡單,成本較低,但是沖擊力較大,正弦或余弦曲線加工較為困難,成本較大,沖擊力也較小,可以根據(jù)實(shí)際需求選用不同的曲線。

3 種繩編織控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖8所示。PLC與變頻器集成芯片通過485總線傳輸變速信號,變頻器接收到信號后將其轉(zhuǎn)換為模擬信號進(jìn)行控制抽風(fēng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)對負(fù)壓的調(diào)整。PLC通過高速輸出端口向步進(jìn)驅(qū)動器輸出高數(shù)脈沖,進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,經(jīng)過帶輪與齒輪結(jié)構(gòu)傳遞動力,分別實(shí)現(xiàn)紙帶進(jìn)給、排種器轉(zhuǎn)動、種繩編織、種粒攪拌和種繩卷繞。觸摸屏通過232串口通訊電路與PLC實(shí)現(xiàn)交互,在觸摸界面上設(shè)定種距和進(jìn)給速度,信號經(jīng)由通信層和驅(qū)動層傳遞給PLC,由PLC依據(jù)設(shè)定值控制步進(jìn)驅(qū)動器和變頻器,進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)組和單相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖8 基于PLC的控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)1連接攪拌絲形成攪拌推進(jìn)器裝置,該裝置用于增加種盒內(nèi)種粒的流動性,提高排種器吸種精度;步進(jìn)電機(jī)2連接排種器總成,其轉(zhuǎn)速大小對種距精度有重要影響;步進(jìn)電機(jī)3連接種繩編織總成,其轉(zhuǎn)速大小對種繩單位捻勁個數(shù)有重要影響,而單位捻勁個數(shù)會影響到種繩的抗拉強(qiáng)度;步進(jìn)電機(jī)4連接繞繩總成,其轉(zhuǎn)速會影響到紙帶的進(jìn)給速度和種繩的卷繞速度;單相異步電機(jī)連接風(fēng)管形成負(fù)壓,風(fēng)管的另一端與排種器相連,其轉(zhuǎn)速決定負(fù)壓值,負(fù)壓值進(jìn)一步影響到排種器吸附種粒的性能。光電傳感器1和2實(shí)時檢測紙帶的懸垂量,光電傳感器3實(shí)時檢測紙帶是否斷裂,光電傳感器組將光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給PLC,進(jìn)而控制各電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小以及是否停機(jī)。結(jié)合控制需求,選用西門子S7-200可編程控制器、57BYGH501型永磁感應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、M430D型四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、歐瑞E2000系列變頻器和信捷觸摸屏。

3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.2.1 下位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機(jī)PLC啟動運(yùn)行后可由上位機(jī)觸摸屏發(fā)送停止命令控制設(shè)備是否運(yùn)行,同時也可以手動設(shè)置停機(jī)。下位機(jī)通過中斷接收上位機(jī)數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼并通過調(diào)用下位機(jī)通訊程序?qū)?shù)據(jù)準(zhǔn)確與否判斷結(jié)果通過串口返回到上位機(jī),在此過程中數(shù)據(jù)會進(jìn)入到步進(jìn)電機(jī)子程序和抽風(fēng)機(jī)子程序,由子程序?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)的功能指令傳達(dá),控制執(zhí)行部件。下位機(jī)主程序和子程序如圖9～圖11所示。

圖9 下位機(jī)主程序流程圖

圖10 步進(jìn)電機(jī)控制子程序

圖11 抽風(fēng)機(jī)控制子程序

3.2.2 上位機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

結(jié)合種距控制、紙帶進(jìn)給速度控制與種繩編織等功能需求,上位機(jī)界面設(shè)計通過信捷開發(fā)平臺搭建。根據(jù)電門鎖是否開關(guān)和種繩編織是否啟動決定進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),在運(yùn)行狀態(tài)的情況下,上位機(jī)(觸摸屏)與下位機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,觸摸屏設(shè)定的參數(shù)數(shù)據(jù)會發(fā)送給下位機(jī),下位機(jī)啟動時先進(jìn)行初始化設(shè)置,同時,上位機(jī)會接收下位機(jī)的反饋數(shù)據(jù),在界面上顯示出種繩編織種距和速度等。上位機(jī)主程序如圖12所示。

圖12 上位機(jī)主程序

3.2.3 通訊軟件設(shè)計

由于觸摸屏控制系統(tǒng)會與PLC微控制器的下位機(jī)以及執(zhí)行控制器模塊的上下位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,為了保證接收與發(fā)送的準(zhǔn)確性,防止產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯誤影響到種距控制,所以在此過程中選用Modbus/rtu協(xié)議和CRC校驗算法[13]。

4 試驗分析

4.1 試驗條件

2021年5月在江蘇省常州市某公司進(jìn)行種繩編織試驗,室內(nèi)環(huán)境干燥無風(fēng),種子帶材料選用紙帶,試驗種子選用黃瓜種子和油菜種子,測量種距選用刻度直尺。

4.2 試驗方法

參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973—2005(單粒精密播種機(jī)實(shí)驗方法),采用種繩編織的合格率、重播率和漏播率三個因素,作為衡量排種器作業(yè)性能的根本指標(biāo)[14]。通過對黃瓜種子和油菜種子分別進(jìn)行兩組試驗,其中黃瓜試驗組的設(shè)定種距為75 mm,選用孔徑為1.5 mm的負(fù)壓圓盤輥筒,油菜試驗組的設(shè)定種距為100 mm,選用孔徑為1 mm的負(fù)壓圓盤輥筒,兩組試驗均設(shè)定在排種器轉(zhuǎn)速為9 r/min、排種器負(fù)壓為2.2 kPa、種子帶進(jìn)給速度為0.3 m/s,分別對黃瓜種繩和油菜種繩取750組種距進(jìn)行測量記錄。

合格率、重播率及漏播率計算公式如式(10)～式(12)所示。

(10)

式中:R——合格率;

A1——一段種繩中在規(guī)定種距下的單粒種子的種數(shù);

A——一段種繩中在規(guī)定種距下的所有的種數(shù)。

(11)

式中:Q——重播率;

A2——一段種繩中在規(guī)定種距下出現(xiàn)兩粒及以上種子的種數(shù)。

(12)

式中:L——漏播率;

A0——一段種繩中在規(guī)定種距下無種子的種數(shù)。

4.3 試驗結(jié)果與分析

試驗記錄的種距范圍如表2和表3所示。

表3 油菜組性能指標(biāo)

考慮到一定的誤差,將種距在設(shè)定值上下浮動25 mm范圍內(nèi)視為符合條件,得到合格率為90%～95%,其中黃瓜組相比于油菜組,合格率更低,重播率和漏播率更高。主要是由于黃瓜種子的形狀扁圓不光滑且為大種粒,相較于圓形小種粒的油菜種,更難吸附,勢必漏播率較高,而黃瓜種兩端尖細(xì)容易造成負(fù)壓圓盤上吸種孔吸附多余的種子,導(dǎo)致重播率過高,因此造成合格率略低?？傮w而言,蔬菜種繩編織的種距合格率在90%以上,對于部分規(guī)整的種?？梢赃_(dá)到95%,滿足了設(shè)計的要求。

5 結(jié)論

為滿足一定的種距精度、排種精度和生產(chǎn)率,本文設(shè)計了一種新型的種繩編織機(jī),并進(jìn)行了試驗驗證。

1) 依據(jù)排種要求對關(guān)鍵部件與控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計,確定理論種距與負(fù)壓圓盤等分?jǐn)?shù)、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速比、帶輪直徑比的關(guān)系,選用基于PLC通過步進(jìn)驅(qū)動器和變頻器分別控制步進(jìn)電機(jī)和單項異步電機(jī)的硬件方案,實(shí)現(xiàn)負(fù)壓孔單穴單粒和種繩定距精確,解決了紙帶在輸送過程中的纏繞與斷裂問題。

2) 選用兩種典型的種子進(jìn)行種距合格率試驗發(fā)現(xiàn):在排種器轉(zhuǎn)速為9 r/min、排種器負(fù)壓為2.2 kPa、種子帶進(jìn)給速度為0.3 m/s時,黃瓜組由于種粒較大,形狀不規(guī)則,排種合格率略低于油菜組,但整體上排種合格率均在90%以上,滿足設(shè)計要求。

3) 由于氣吸式結(jié)構(gòu)的特性,對于重量和形狀變動較大的種粒,排種距離會有一定的差異。通過丸?；姆绞娇梢杂行У靥岣叻N距合格率,今后可對丸粒的重量及形狀與種距合格率的關(guān)系做進(jìn)一步的研究。