解文峰，周 帆

（1.鎮(zhèn)江市農(nóng)機培訓(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)達國家相比，仍有很大差距。精密播種可以節(jié)省勞動力和成本，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)濟增長的趨勢。精密播種技術(shù)是農(nóng)業(yè)機械技術(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 個梯形充種槽組成的槽輪排種裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。然而，它的缺點也很明顯，即在槽輪轉(zhuǎn)動中，每當(dāng)充種槽口脫離擋料板時，在重力的作用下，種子在排種器底部從梯形槽中魚貫而出，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。通過對現(xiàn)有各種小麥排種裝置優(yōu)缺點的分析和比較，本設(shè)計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入窩眼型孔的過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，還是窩眼型孔排種輪參數(shù)確定的主要依據(jù)。對寧麥13 號麥種（千粒重為42 g）隨機抽樣50 粒，測量麥種長（l）、寬（b）、高（h）如圖1 所示。

圖1 小麥種子幾何尺寸統(tǒng)計曲線

試驗結(jié)果：麥種平均長度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)試驗測得，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)來研究。麥種從種箱流出到充種的過程，其受力情況是比較復(fù)雜的，歸納起來有重力、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)動方向作周向運動，同時也伴隨有種子自身的翻轉(zhuǎn)運動。理論計算得知，種子重心移動速度V1=1/2 ω(型孔輪圓周速度);而第二層種子移動速度V2=0.001 2 ω，第三層種子移動速度幾乎為零。由此可見，充種層種子高度不能高，否則會影響第一層種子的運動規(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，種子才能充入型孔。由理論計算出的充種角α=0～20°，試驗證明α=20°時為合理的充種角。

圖3 充種時種子的受力情況

2 小麥數(shù)控排種系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計所指的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，由精確排種器、伺服電機、車速信號傳感器、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

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 號麥種（千粒重為42 g）的平均長度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，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)驗公式為：L=1.1Z，H=0.9Z。

根據(jù)上述設(shè)計依據(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會以及種子排出時錯落有序，排種輪周向宜按35 排窩眼型孔設(shè)計，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，因為窩眼輪直徑越小，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，則型孔通過種子區(qū)的時間就短，不利于充種易造成漏播。因此，窩眼輪直徑適當(dāng)大些為好，因為直徑大的窩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。但直徑過大，又會造成排種器結(jié)構(gòu)龐大和離心力增加。根據(jù)試驗，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有進入型孔的種子，它是能否實現(xiàn)單?；蚪朴趩瘟＞サ年P(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)會產(chǎn)生：窩眼輪上的種子沒有清干凈而導(dǎo)致重播，會將充入窩眼型孔里的種子刮出而導(dǎo)致漏播現(xiàn)象。經(jīng)過試驗與力學(xué)推算，本設(shè)計清種刷安裝于距充種口50°處，且清種刷的下端不超過窩眼輪垂直中心線，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力設(shè)計

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)確性是能否實現(xiàn)精播的關(guān)鍵。目前，小麥播種機排種器的旋轉(zhuǎn)動力源，主要有拖拉機傳動、地輪傳動、調(diào)速電機傳動。當(dāng)拖拉機（或地輪）打滑時，排種器的轉(zhuǎn)速就不是按照拖拉機行走的線速度在排種；調(diào)速電機的傳動方式無法使電機的轉(zhuǎn)速（即排種器的轉(zhuǎn)速）時刻與拖拉機行走的線速度匹配，排種量自然也無法準(zhǔn)確。因此，本設(shè)計采用可控的、瞬時可調(diào)的伺服電機，以滿足種子實際排量與人們預(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

本設(shè)計所指小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，是指由精確排種器、伺服電機、車速信號傳感器、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)運行前的準(zhǔn)備工作便完成；當(dāng)掛接車輛開始行走時，行走速度傳感器將采集到的車輛行走速度信號，即時傳送至CPU 處理，處理結(jié)果通過電控系統(tǒng)向伺服電機發(fā)出工作指令，伺服電機帶動精確排種器轉(zhuǎn)動，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，行走速度傳感器即時獲得速度的變化信號，經(jīng)CPU 處理后發(fā)送新的工作指令，使伺服電機的轉(zhuǎn)速隨之及時變化，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)計中，除參閱一些理論文獻外，建立了一個試驗臺架。試驗臺架主要由直徑為110 mm 的窩眼型孔輪式排種器、電機及PLC 控制系統(tǒng)組成。通過臺架試驗獲得數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行分析研究，為本次設(shè)計提供實際參數(shù)。

（2）實踐證明，本設(shè)計并研制的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，采用20°充種角設(shè)計、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，能實現(xiàn)單粒或近似于單粒排種，排種器轉(zhuǎn)速為3 545 r/min 時，其精確播種效果最好。

（3）實踐證明，本設(shè)計并研制的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)，采用伺服電機、車速信號傳感器、CPU 及電控系統(tǒng)的機電一體化設(shè)計方案是可行的，其控制精度達到精確播種需求，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)，利于參與市場競爭。

（5）由于條件的限制，本設(shè)計研制的小麥數(shù)控排種系統(tǒng)尚有一些不足，有待今后進一步改進。