一種新型多路可調(diào)排種器的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械式排種器多為單體式、漏播率較高且適應(yīng)性不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的水平圓盤式排種器。該裝置主要由固定軸、上主下三盤組合結(jié)構(gòu)、檔板、種倉(cāng)和步進(jìn)電機(jī)等組成，通過(guò)特定的上盤、主盤、下盤三盤組合結(jié)構(gòu)，結(jié)合對(duì)射式紅外模塊可以實(shí)現(xiàn)豆類的多路精量落種及補(bǔ)種。同時(shí)，該排種器具有較強(qiáng)的可拓展性，通過(guò)對(duì)盤內(nèi)通孔的大小、形狀和間距進(jìn)行設(shè)計(jì)，可進(jìn)行路數(shù)、單穴種子數(shù)和種子類型的拓展。此外，通過(guò)主盤與設(shè)有多種尺寸通孔的上盤間的轉(zhuǎn)動(dòng)配合，實(shí)現(xiàn)了不同類作物的快速切換點(diǎn)播。由于成本較低，適用于中小型農(nóng)業(yè)的豆類播種作業(yè)，尤其適用于多作物輪作的農(nóng)田。試驗(yàn)結(jié)果表明：在排種盤轉(zhuǎn)速5～15 r/min的條件下，對(duì)應(yīng)豌豆和綠豆的漏播率可分別控制在2.12%～5.71 %和3.02%～4.52 %范圍內(nèi)，可滿足豆類播種的農(nóng)藝需求。另外，在落種試驗(yàn)中，豌豆的三路漏播率差異較大而綠豆的差異較小，因此推測(cè)通過(guò)改變?nèi)房讖较蜷g隔與種徑之間的大小關(guān)系可以降低漏播率。

關(guān)鍵詞：豆類；精量；多路可調(diào)排種器；紅外計(jì)數(shù)；可拓展性

中圖分類號(hào)：S223.2+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.07.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 07-0060-07

Design of a New Type of Multi-Channel Adjustable Seed Arranger

CHEN Daoming，CAO Cong，JIANG Qi，WEI Xiaofeng，SUN Xusheng，

GONG Zhongfu，SHI Haodong，ZHOU Deqiang，LU Xueyu

（ School of Mechanical Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China ）

Abstract：In response to the issues of high missed seeding rate and limited adaptability of single-unit design in existing mechanical seeders in China， we have developed a new type of horizontal disc seeder. This device consists of a fixed shaft， an upper main disc with lower three-disc combination structure， baffles， seed storage compartments， and a stepper motor. By utilizing the specific combination structure of the upper disc， main disc， and lower disc along with infrared modules for detection， it enables precise multi-channel seeding and reseeding for leguminous crops. Furthermore， this seeder offers strong scalability by allowing different sizes， shapes， and spacing of through-holes to accommodate various types of seeds and expand the number of rows seeded per pass. Additionally， the rotation coordination between the main disc and an upper disc equipped with multiple-sized through-holes allows for quick switching between seeding different crops. This seeder is particularly suitable for small to medium-scale legume planting operations in multiple crop rotation fields due to its low cost. Experimental results demonstrate that when setting the rotational speed of the seeding plate at 5-15 r/min， missed eeding rates range from 2.12% to 5.71% for peas and from 3.02% to 4.52% for mung beans， meeting agronomic requirements for legume planting. In addition， in the seed drop test， the difference of the leakage rate of the three ways of peas is larger than that of mung beans. Therefore， it can be speculated that the leakage rate can be reduced by changing the relationship between the radial interval of the three ways of holes and the seed diameter.

Key words：beans；precision；multichannel adjustable seed feeder；infrared counting；expansibility

排種器作為精密播種機(jī)的核心工作部件，其性能好壞將直接影響播種機(jī)的播種性能[1]。根據(jù)原理，精密排種器主要分為機(jī)械式和氣力 式[2]。其中機(jī)械式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，更適合個(gè)體農(nóng)戶購(gòu)買使用。

目前，機(jī)械式排種器為我國(guó)播種機(jī)的主要取排種裝置，對(duì)應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化也在不斷加強(qiáng)。劉娜[3]對(duì)窩眼型孔參數(shù)，鎖定棘爪等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)。林震[4]利用磁力設(shè)計(jì)了磁力指夾式排種器。李玉華等[5]針對(duì)大蒜設(shè)計(jì)了大蒜輪勺式取種器。河北農(nóng)哈哈研制的勺式排種器，主要應(yīng)用于玉米和大豆播種，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)久耐用[6]。以上研究的排種系統(tǒng)多為單體式，作業(yè)效率低，當(dāng)多行同時(shí)作業(yè)時(shí)，需要多個(gè)排種器并聯(lián)使用，傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。窩眼式排種器充種率不高，且種孔多為圓形，對(duì)不同尺寸的種子要頻繁更換窩眼輪。指夾式取種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通用性不好。勺式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，漏種率較低且通用性較好。水平圓盤式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好且便于多路拓展，但作業(yè)速度相對(duì)較低。

針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械式排種器多為單體式、通用性不好的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種水平圓盤式的多路可調(diào)排種器，結(jié)合對(duì)射式紅外模塊可進(jìn)行補(bǔ)種，并對(duì)漏播率進(jìn)行了試驗(yàn)研究。該排種器結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高、適用于多種豆類種子，旨在為后續(xù)的研究提供參考。

1 排種器所要實(shí)現(xiàn)的功能和要求

擬定點(diǎn)播對(duì)象為豌豆和綠豆。根據(jù)農(nóng)藝的需求，對(duì)排種器的設(shè)計(jì)制定了以下要求：

（1）單穴下落種子數(shù)的控制；

（2）多路分布設(shè)計(jì)及通道可拓展性的設(shè)計(jì)；

（3）對(duì)不同豆類作物種子的切換設(shè)計(jì)；

（4）舵機(jī)選擇紅外補(bǔ)償通道方式的設(shè)計(jì)；

（5）排種器初始位置自動(dòng)回零；

（6）結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，防止卡種[7]，檔位切換方便。

2 排種器的組成和工作原理

排種器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，排種器核心部分由上盤、主盤和下盤三盤組成，輔以固定軸、小齒輪、擋板和種倉(cāng)等部分。步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)主盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

工作原理如圖2所示，在多路排種機(jī)構(gòu)主盤正向轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，第一通孔在經(jīng)過(guò)存料區(qū)時(shí)有種子落入通孔，且多組第一通孔攜帶種子離開(kāi)存料區(qū)，并在經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)的排種通道上方時(shí)完成精確排種；由于補(bǔ)償通道的獨(dú)特位置，即在轉(zhuǎn)盤正向轉(zhuǎn)動(dòng)方向上，靠近第二擋板設(shè)置，使主盤在正向轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，不會(huì)攜帶種子的第一通孔從補(bǔ)償通道上方經(jīng)過(guò)，而在主盤反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則從存料區(qū)中離開(kāi)的第一通孔，將攜帶的種子經(jīng)補(bǔ)償通道快速排出，以完成補(bǔ)種作業(yè)；多路排種機(jī)構(gòu)通過(guò)上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多路精量落種以及補(bǔ)種，確保種子的最優(yōu)化分布。

3 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 多路精量落種設(shè)計(jì)

3.1.1 三盤具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）上盤

如圖3所示，上盤半徑方向開(kāi)設(shè)三路孔，一路孔對(duì)應(yīng)一路通道，沿圓周方向分為6組，組外間隔60°，組內(nèi)間隔10°。

（2）主盤

如圖4所示，主盤半徑方向開(kāi)設(shè)三路孔，一路孔對(duì)應(yīng)一路通道，有兩種類型的孔，分別對(duì)應(yīng)不同豆類種子，沿圓周方向分為12組，組外間隔30°，組內(nèi)間隔10°。

（3）下盤

如圖5所示，下盤開(kāi)設(shè)3個(gè)落種孔和1個(gè)補(bǔ)償孔，4孔圓周方向間隔90°，3個(gè)落種孔的徑向位置及間隔與主盤對(duì)應(yīng)。

3.1.2 多路落種設(shè)計(jì)

多路落種原理[8-10]如圖6所示，下盤開(kāi)設(shè)3個(gè)落種孔，一孔對(duì)應(yīng)一路通道，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)控制主盤正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)多路下落種子數(shù)的控制。依照上述結(jié)構(gòu)，每次主盤最小轉(zhuǎn)角為180°，即每路落種數(shù)為3個(gè)。

3.1.3 精量落種設(shè)計(jì)[11-12]

下盤留有1個(gè)補(bǔ)償孔，紅外模塊對(duì)下落的種子計(jì)數(shù)并反饋至主控芯片。對(duì)于未達(dá)到目標(biāo)種子數(shù)的坑穴，舵機(jī)帶動(dòng)管道選擇需要補(bǔ)償?shù)耐ǖ溃鞅P反轉(zhuǎn)使種子經(jīng)過(guò)補(bǔ)償孔即可實(shí)現(xiàn)對(duì)種子數(shù)的補(bǔ)足。由上述結(jié)構(gòu)，主盤每反轉(zhuǎn)10°，補(bǔ)償落種數(shù)為1個(gè)，每次補(bǔ)償落種數(shù)不超過(guò)3個(gè)，補(bǔ)償后主盤和舵機(jī)歸位。

由于上盤的孔位特點(diǎn)，排種器補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)對(duì)主盤的初始位置有特定要求，需要記錄主盤的初始位置并設(shè)置為上電回零。

3.2 上下盤配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選定豌豆和綠豆作為播種機(jī)的對(duì)象，查閱資料得豌豆和綠豆的平均尺寸分別為6～9 mm和3～4 mm[13]。下盤分檔如圖7所示。

盤子上開(kāi)設(shè)兩種大小的圓形孔洞，手動(dòng)30°可調(diào)節(jié)檔位。此外，通過(guò)在盤子上開(kāi)設(shè)不同大小和形狀孔洞，可以適用于不同的豆類作物。

3.3 舵機(jī)選位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖8所示，舵機(jī)選擇紅外補(bǔ)償通道方式為舵機(jī)帶動(dòng)上選盤轉(zhuǎn)動(dòng)，將補(bǔ)償通道旋轉(zhuǎn)到下選盤的對(duì)應(yīng)落種通道，上下選盤的孔洞間距為60°，舵機(jī)轉(zhuǎn)角范圍為0°～180°。

3.4 可拓展設(shè)計(jì)

以三盤為核心部件的排種器，具有以下三方面的可拓展性：

（1）路數(shù)拓展

如表1所示，路數(shù)的改變可通過(guò)組內(nèi)間距的調(diào)整來(lái)改變。

（2）單穴種子數(shù)拓展

如表2所示，單穴最小種子數(shù)可通過(guò)上盤和主盤組數(shù)的調(diào)整來(lái)改變。

（3）種子類型拓展

如表3所示，排種器兼容的種子類型數(shù)可通過(guò)上盤組數(shù)的單獨(dú)調(diào)整來(lái)改變。

3.5 種倉(cāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了擴(kuò)大種子容量，設(shè)計(jì)了如圖9所示的種倉(cāng)結(jié)構(gòu)，底部的凸起結(jié)構(gòu)一方面起到軸向和周向的定位作用，另一方面通過(guò)縮小種子下落的面積來(lái)減小種子的流動(dòng)速度，從而降低卡種的可能。

3.6 傳動(dòng)件尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

選用齒輪的模數(shù)m選為2 mm，小齒輪" "Z2＝30、d2＝60 mm、da2＝64 mm，大齒輪" " "Z1＝90、d1＝180 mm、da1＝184 mm，即步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角為主盤轉(zhuǎn)角的3倍。

為保證分種過(guò)程能夠穩(wěn)定進(jìn)行并避免卡種現(xiàn)象的出現(xiàn)，主盤轉(zhuǎn)速不易過(guò)快，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，主盤轉(zhuǎn)速控制在5～20 r/min為宜，即電機(jī)輸出軸速度要控制在15～60 r/min內(nèi)，轉(zhuǎn)速的實(shí)際選擇視種子大小決定，種子越大轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)加快。

4 機(jī)電控制系統(tǒng)簡(jiǎn)述

實(shí)際應(yīng)用中可結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行控制，以選擇STM32F103C8T6作為主控芯片為例?？墒褂弥骺匕宓拇赨SART1來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角；同時(shí)通過(guò)3個(gè)GPIO引腳連接3路對(duì)射式紅外模塊的OUT引腳，以測(cè)量每穴下落的種子數(shù)；使用主控板的1個(gè)PWM模擬輸出接口，控制用于補(bǔ)償落種的舵機(jī)。

5 實(shí)驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料與裝置

選用東北綠豆和農(nóng)家白豌豆為試驗(yàn)樣本，尺寸分別為長(zhǎng)2.9～3.8 mm、寬3.7～5.2 mm和長(zhǎng)6.7～8.6 mm、寬5.9～7.6 mm（對(duì)100粒種子進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)），自制的物理樣機(jī)如圖10所示，排種盤上開(kāi)設(shè)直徑為6 mm和10 mm兩種大小的圓形孔洞，分別對(duì)應(yīng)綠豆和豌豆檔。選取排種盤下落路數(shù)為3，綠豆和豌豆的單穴種子數(shù)分別為4粒和3粒。

5.2 試驗(yàn)指標(biāo)

參照GBT 6973－2005[14]，確定試驗(yàn)排種性能指標(biāo)為漏播率[15-16]。選取工作轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，將試驗(yàn)水平分別設(shè)置為5、10和15 r/min，每次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)315穴，即每行為105穴，計(jì)算每次試驗(yàn)中的三行分別的漏播率L。

計(jì)算公式為：

（1）

式中：N為105穴的總種子數(shù)；K為單穴種子數(shù)，豌豆檔K取3，綠豆檔K取4。

試驗(yàn)結(jié)果如圖11、圖12所示，可以看出：

對(duì)于豌豆，三行平均漏播率可以控制在2.12%～5.71%范圍內(nèi)；隨著轉(zhuǎn)速的增大， 逐漸增加；中間行的漏播率可保持在0%，兩側(cè)行的漏播率接近且較高，可能是由于三路孔的徑向間隔與種徑的大小接近，影響到了兩側(cè)行的種子下落；

對(duì)于綠豆，三行平均播種率可控制在3.02%～4.52%范圍內(nèi)；三行分別的L數(shù)值接近；L受轉(zhuǎn)速的影響不大，可能是由于種子徑長(zhǎng)較小，在轉(zhuǎn)速上升時(shí)，運(yùn)動(dòng)的種子更加容易相互補(bǔ)充。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）為保證每穴的精確落種數(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的水平圓盤式排種器，結(jié)合對(duì)射式紅外模塊實(shí)現(xiàn)了精量落種閉環(huán)控制，通過(guò)該閉環(huán)系統(tǒng)可對(duì)落種不達(dá)標(biāo)的種穴進(jìn)行補(bǔ)種。此外，為解決市面上的排種器多為單體式的問(wèn)題，對(duì)主盤孔位的分布進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可進(jìn)行多路拓展。

（2）為滿足多種豆類作物的點(diǎn)播，在排種器上設(shè)計(jì)了一種新型的上下盤配合結(jié)構(gòu)，通過(guò)手動(dòng)換擋的方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種豆類作物的播種。

總體來(lái)說(shuō)，此排種器可以妥善處理種子的分選和播種的問(wèn)題，很大程度上解放了農(nóng)民的雙手。在實(shí)際應(yīng)用中，本裝置搭配特定播種機(jī)，可以較高的效率完成播種工作，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]鹿瑤，呂釗欽，鄭文秀，等. 玉米窩眼輪排種器性能影響因素試驗(yàn)研究：基于EDEM[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（6）：155-160.

[2]李洪昌，高芳，趙湛，等. 國(guó)內(nèi)外精密排種器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014，35（02）：12-16+56.

[3]劉娜. 窩眼輪式玉米精量排種器改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 咸陽(yáng)：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2019.

[4]林震. 磁力指夾式排種器設(shè)計(jì)及排種性能試驗(yàn)[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2020.

[5]李玉華，張智龍，李天華，等. 輪勺式大蒜單粒取種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51（3）：61-68.

[6]許永磊. 勺式水稻直播機(jī)的設(shè)計(jì)[D]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[7]李玉環(huán)，魏亞男，楊麗，等. 擾動(dòng)促充機(jī)械式綠豆精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51（S1）：43-53.

[8]李玉環(huán)，趙爍，楊麗，等. 獨(dú)立分充式大豆雙排毛刷高速精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2024，55（06）：101-110.

[9]李帥奇，王應(yīng)彪，李瑋，等. 山地水平圓盤式排種器設(shè)計(jì)及EDEM仿真試驗(yàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2022，50（14）：183-190.

[10]李彥平，盧琦，安邦，等. 燕麥穴播排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2022，44（12）：156-162.

[11]王宗源，明家銳，王其歡，等. 機(jī)械式漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2023，44（10）：21-29.

[12]王浩宇. 水稻精少量排種漏播檢測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D]. 合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2023.

[13] 黃云平，杜勤，倪松貴，等. 江西省蠶豌豆生產(chǎn)狀況研究[J]. 綠色科技，2014（02）：144-146.

[14]全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). 單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法：GB/T 6973－2005[S]. 2005.

[15]韓丹丹，王清，顏君坤，等. 氣吸式綠豆密植精量排種器的優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，28（9）：147-157.

[16]蓋苗苗，楊娟，李曉紅，等. 導(dǎo)引式水平圓盤大豆精密排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2023，51（22）：200-206.