李佳俊 ,陶桂香 ,衣淑娟 ,毛 欣, 劉漢武

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院 ,黑龍江 大慶 163319 ;2.德邦大為(佳木斯)農(nóng)機(jī)有限公司 ,黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

傳統(tǒng)玉米免耕播種機(jī)前進(jìn)速度一般是3～6km/h,現(xiàn)階段玉米亞高速播種機(jī)作業(yè)速度為8～12km/h,在較高的前進(jìn)速度下,種子在導(dǎo)種管內(nèi)會發(fā)生“碰撞異位”及“彈跳異位”,從而造成粒距一致性迅速下降,甚至?xí)霈F(xiàn)漏播或重播。在此背景下,對高質(zhì)、高速、高效的播種技術(shù)和穩(wěn)定精準(zhǔn)的導(dǎo)種部件的研究已成為重點(diǎn)。近些年,國內(nèi)高校院所及企業(yè)已逐步意識到導(dǎo)種部件的重要作用并開展相關(guān)研究[1]。國內(nèi)所研發(fā)的精量播種機(jī)多采用低位投種方式,一定程度上解決了種子投入種溝瞬間彈跳碰撞問題,但限于機(jī)具整體結(jié)構(gòu)無法配套同步仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),致使播種深度及投種距離無法保證,限制了機(jī)具作業(yè)質(zhì)量及效率。隨著多種類型開溝系統(tǒng)的研制并應(yīng)用于精量播種機(jī)具,一定程度上改善了其投送均勻性[2];楊麗等[3]針對種子投送方式易產(chǎn)生“碰撞異位”及“彈跳異位”問題,設(shè)計了一種適用于具有同位仿形功能的撥指同步帶式投送導(dǎo)種部件,采用撥送輪將種子由排種盤接引至撥種指密閉空間內(nèi),當(dāng)種子脫離撥送輪和護(hù)種滑道約束時經(jīng)投種滑道落入種床土壤,提升高速播種粒距均勻性。Karayel等[4]利用高速攝像技術(shù)檢測種子下落速度。劉立晶、楊慧等[5]針對因玉米精量播種機(jī)具配套導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致粒距均勻性較差的問題,應(yīng)用逆向工程設(shè)計軟件Geomagic Design 對國外導(dǎo)種部件進(jìn)行反求優(yōu)化方法重建。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)邱立春等[6]采用高速攝像技術(shù)分析了種子在弧形導(dǎo)種管內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)廖慶喜等[7]采用目標(biāo)追蹤技術(shù)獲取種子運(yùn)動軌跡曲線,利用高斯函數(shù)模型對曲線進(jìn)行擬合,得出種子分布規(guī)律。河北科技師范學(xué)院馮利臻等[8]基于零速投種理論設(shè)計了一種衩形塑料導(dǎo)種管,配置于單垂直圓盤式雙條氣吸式精量排種器,實(shí)現(xiàn)了種子的左右分行同步播種,一定程度上改善了播種機(jī)具作業(yè)質(zhì)量?，F(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司周軍平等[9]以氣吸式精量排種器為研究載體,探究其充種、清種及投種等環(huán)節(jié)對整體排種質(zhì)量影響,并相繼開展投種高度試驗(yàn)驗(yàn)證其理論分析合理性。丁鐘凱等[10]以 2BZJ-10 型窄行密植精量播種機(jī)為研究對象,采用理論分析及高速攝像方法研究大豆在透明弧形導(dǎo)種管內(nèi)彈跳碰撞情況,優(yōu)化了其配套導(dǎo)種管形狀和尺寸。王金武等[11]以指夾式精量排種器為研究載體,分析其平穩(wěn)運(yùn)移導(dǎo)種投送系統(tǒng)作業(yè)機(jī)理,探究排種器工作轉(zhuǎn)速及傾斜角度對運(yùn)移投送軌跡影響規(guī)律。

筆者以指夾式播種機(jī)的不同導(dǎo)種部件為研究對象,利用高速攝像技術(shù)對玉米種子通過導(dǎo)種管的整個運(yùn)動過程進(jìn)行追蹤拍攝,從而描述了在指夾排種器不同的轉(zhuǎn)速及傾斜角度和離地高度下玉米種子落入導(dǎo)種管的位移軌跡,從而分析比較哪種類型導(dǎo)種管影響了播種的均勻性。

1 試驗(yàn)設(shè)備

14°導(dǎo)種管:入口處為65mm×45mm的矩形橫截面,導(dǎo)種管入口處距離底部出口處的豎直高度為430mm;16°導(dǎo)種管:入口處的矩形橫截面為55mm×35mm,入口處距離底部出口處的豎直高度為415mm;指夾排種器:出口處為110mm×30mm的矩形橫截面,排種器入口處距離底部出口處的豎直高度為300mm。指夾排種器由指夾種盤、調(diào)控凸輪、排種盤、指夾壓盤、柔性導(dǎo)種帶、清種毛刷、充種蓋及導(dǎo)種端蓋等部件組成,如圖1所示。

14°導(dǎo)種管 指夾排種器 16°導(dǎo)種管

高速攝像試驗(yàn)臺由試驗(yàn)臺架、指夾排種器、導(dǎo)種管、775直流減速電機(jī)(12V)、直流調(diào)速器數(shù)顯12V、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及PCO.dimax?CS高速攝像系統(tǒng)等組成,如圖2所示。

1.拍攝電腦 2.高速攝像機(jī) 3.白光燈 4.電源 5.直流調(diào)速器數(shù)顯 6.直流減速電機(jī) 7.指夾排種器 8.導(dǎo)種部件 9.鋁型臺架圖2 高速攝像試驗(yàn)臺Fig.2 Experimental device of high-speed camera

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與條件

1)試驗(yàn)材料。選用玉米種子品種為德美亞一號,種子平均幾何尺寸為長11.15mm,寬8.73mm,厚4.97mm,含水率12.04%。

2)試驗(yàn)條件。導(dǎo)種管周邊放置2個強(qiáng)力照明燈,每個燈光源1300W;在PCO.dimax?CS高速攝像上安裝Nikon AF NIKKOR 24～85mm焦距可調(diào)節(jié)的鏡頭,分辨率為1920×1440(276萬像素),拍攝速度為1603fps@1920×1440全分辨率,超高信噪比66dB, IOS-mono 50000 ISO-color 6400的靈敏度,12bit的動態(tài)范圍;作業(yè)速度為8、10、12km/h,對應(yīng)指夾排種器的轉(zhuǎn)速為44、55、66r/min,順時針旋轉(zhuǎn);導(dǎo)種管的傾斜角度分別為0°、10°、20°,離地高度為2、3、4cm均可調(diào)。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院收獲實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)際拍攝距離為150cm,將導(dǎo)種裝置固定于鋁型材搭建好臺架上,將筆記本電腦與攝像機(jī)主機(jī)相連接, 并利用LED燈源在試驗(yàn)臺的兩側(cè)進(jìn)行補(bǔ)光。調(diào)節(jié)作業(yè)速度、傾斜角度及離地高度值開始試驗(yàn),拍攝后將視頻導(dǎo)出;使用TEMA644.1-006-64軟件打開需要進(jìn)行分析的視頻圖像,并輸入拍攝視頻的幀速率,添加所需要的追蹤點(diǎn)并進(jìn)行設(shè)置,建立直角坐標(biāo)系,進(jìn)行手動/自動追蹤,通過修改屬性得到XY直方圖,導(dǎo)出所需要的數(shù)據(jù)表格及所要分析的數(shù)據(jù)坐標(biāo),分析其投種過程的運(yùn)動狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 14°與16°導(dǎo)種管下玉米籽粒運(yùn)動過程分析

在作業(yè)速度10km/h、傾斜角度0°、離地高度3cm條件下,通過高速攝像所拍攝玉米種子運(yùn)動圖像,時間間隔為0.15s。玉米籽粒所在的位置用圓圈進(jìn)行了明確標(biāo)注,從而獲得了在14°與16°導(dǎo)種管下玉米籽粒的運(yùn)動過程,如圖3所示。由圖3可知:在14°導(dǎo)種管中,玉米籽粒首先通過碰撞產(chǎn)生的彈跳,但幅度不大,最終沿壁滑出;在16°導(dǎo)種管中玉米籽粒通過與內(nèi)壁碰撞產(chǎn)生較大幅度彈跳,經(jīng)過兩次碰撞后彈出。

14°導(dǎo)種管

16°導(dǎo)種管圖3 種子進(jìn)入導(dǎo)種管位置圖像Fig.3 The position of seed in the seed tube

3.2 不同作業(yè)速度兩種導(dǎo)種管內(nèi)種子運(yùn)移軌跡對比

設(shè)定傾斜角度為0°、離地高度為3cm時,通過觀察8、10、12km/h速度下玉米種子投種過程中在兩種導(dǎo)種管的運(yùn)動軌跡,如圖4所示。

(a) 8km/h種子在導(dǎo)種管的位移軌跡

(b) 10km/h種子在導(dǎo)種管的位移軌跡

(c) 12km/h種子在導(dǎo)種管的位移軌跡圖4 種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動軌跡Fig.4 The seed orbit in the seed tube

通過對以上3組典型的運(yùn)動軌跡分析可知:在前進(jìn)速度達(dá)到8km/h時,玉米種子在16°導(dǎo)種管坐標(biāo)為(0.5,4.3)的位置接觸了導(dǎo)種管的前板,在坐標(biāo)為(0,6.4)的位置進(jìn)行了第二次碰撞,但碰撞后玉米籽粒彈跳較小;在坐標(biāo)(0.8,8.5)處產(chǎn)生第三次碰撞,并向下滑移25.2cm后,最終從導(dǎo)種管的排種口排出;在14°導(dǎo)種管時,玉米種子運(yùn)動相對規(guī)律,入種口相對較近的位置緊緊地貼著導(dǎo)種管的后板進(jìn)行滑移,在坐標(biāo)(0,16.2)的位置產(chǎn)生一次輕微碰撞但不明顯,最后伴隨著玉米種子的自身重力滾動從導(dǎo)種管的排種口排出落入到種床。

在前進(jìn)速度達(dá)到10km/h時,玉米種子在16°導(dǎo)種管中發(fā)生較大彈跳,在坐標(biāo)(2.4,21.1)的位置進(jìn)行了第一次碰撞且幅度較大,向下滑移12.9cm,落在坐標(biāo)(1.1,34)并進(jìn)行了第二次碰撞;通過運(yùn)動軌跡觀察發(fā)現(xiàn)種子的彈跳頻率相對較小且幅度較大,但還是從排種口處滑出;14°導(dǎo)種管在坐標(biāo)(0,7.3)產(chǎn)生第一次較為輕微的碰撞,并向下滑移29.5cm,在坐標(biāo)(2.4,36.8)進(jìn)行第二次碰撞,但幅度并不是很大,最終沿導(dǎo)種管的內(nèi)壁滑出。

在前進(jìn)速度達(dá)到12km/h時,玉米種子在16°導(dǎo)種管發(fā)生劇烈彈跳,種子在坐標(biāo)(1.3,8.5)的位置產(chǎn)生第一次碰撞,碰撞力度較大,向下滑移3.2cm,在坐標(biāo)(0.3,11.7)進(jìn)行第二次碰撞,彈跳力度較小,向下滑移20.7cm;在坐標(biāo)(2.9,32.4)產(chǎn)生第三次碰撞,向下滑移4.6cm,在坐標(biāo)(1.6,37)產(chǎn)生第四次碰撞,可見種子彈跳頻率大,彈跳幅度大。由此可見:當(dāng)速度過大時,玉米種子與16°導(dǎo)種管碰撞劇烈,種子在導(dǎo)種管內(nèi)運(yùn)動時間不同,且玉米種子離開導(dǎo)種管出口速度大小、方向有非常大隨機(jī)性,直接影響其播種均勻性;14°導(dǎo)種管中玉米在坐標(biāo)(2.1,41)產(chǎn)生碰撞,隨后種子進(jìn)行自轉(zhuǎn)式下落,但力度較大,種子通過內(nèi)壁從排種口滑射而出。

3.3 不同傾斜角度兩種導(dǎo)種管內(nèi)種子運(yùn)移軌跡對比

設(shè)定其作業(yè)速度為8km/h、排種器轉(zhuǎn)速為44r/min、離地高度為3cm時,在0°、10°、20°、30°傾斜角度下玉米種子投種過程中在兩種導(dǎo)種管的運(yùn)動軌跡,如圖5所示。

由圖5可知:在0°角度下,玉米種子在16°導(dǎo)種管坐標(biāo)為(0.5,4.3)的位置接觸了導(dǎo)種管的前板,在坐標(biāo)為(0,6.4)的位置進(jìn)行了第二次碰撞,但碰撞后玉米籽粒彈跳較小;在坐標(biāo)(0.8,8.5)處產(chǎn)生第三次碰撞,并向下滑移25.2cm后,最終從導(dǎo)種管的排種口排出。在14°導(dǎo)種管時,玉米種子運(yùn)動相對規(guī)律:入種口相對較近的位置緊緊地貼著導(dǎo)種管的后板進(jìn)行滑移,在坐標(biāo)(0,16.2)的位置產(chǎn)生一次輕微碰撞但不明顯,最后伴隨著玉米種子的自身重力滾動從導(dǎo)種管的排種口排出落入到種床。

在10°角度下,種子在16°導(dǎo)種管(4,36.8)處產(chǎn)生輕微的碰撞,但力度較小,種子產(chǎn)生輕微彈跳,最終種子平行內(nèi)壁滑射而出;種子在14°導(dǎo)種管(0.8,11.3)產(chǎn)生輕微的彈跳,但能夠跟著導(dǎo)種管的曲線進(jìn)行滑落,全程沒有產(chǎn)生劇烈碰撞,最終沿著底部滑出。

在20°角度下,種子在16°導(dǎo)種管(2.6,12)產(chǎn)生輕微彈跳,開始沿著內(nèi)壁滑落,種子自轉(zhuǎn)并產(chǎn)生輕微彈跳,在坐標(biāo)(6.3,38.8)產(chǎn)生碰撞,最終滑射而出;種子在14°導(dǎo)種管(0,1.7)產(chǎn)生輕微的彈跳,幅度較小,最終沿著導(dǎo)種管內(nèi)壁滑出。

在30°角度下,種子在16°導(dǎo)種管(3,7.3)產(chǎn)生較大彈跳,在(1.9,8.2)產(chǎn)生第二次彈跳,并向下滑移32.7cm,最后在(10.7,40.9)碰撞后滑射出排種口;種子在14°導(dǎo)種管排出后,產(chǎn)生多次彈跳,但幅度較小,最終在坐標(biāo)(7.8,41)處產(chǎn)生碰撞,最終彈射出導(dǎo)種口。

(a) 0°種子在導(dǎo)種管的位移軌跡

(b) 10°種子在導(dǎo)種管的位移軌跡

(c) 20°種子在導(dǎo)種管的位移軌跡

(d) 30°種子在導(dǎo)種管的位移軌跡圖5 種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動軌跡 Fig．5 Theseed orbit in the seed tube

3.4 不同離地高度兩種導(dǎo)種管內(nèi)種子運(yùn)移軌跡對比

設(shè)定其作業(yè)速度為8km/h,排種器轉(zhuǎn)速為44r/min,傾斜角度為0°,離地高度分別為2、3、4cm,玉米種子投種過程中在兩種導(dǎo)種管的運(yùn)動軌跡如圖6所示。

由圖6可知:離地高度為2cm時,種子在16°導(dǎo)種管時,經(jīng)過坐標(biāo)(1.2,2)至(2.4,2)產(chǎn)生彈跳后并滑移12mm最終靜止不動;在14°導(dǎo)種管時,在(1.7,2)點(diǎn)產(chǎn)生輕微彈跳,最終滑移11.7mm靜止不動。

在離地高度為3cm時,種子在16°導(dǎo)種管時,分別在坐標(biāo)(2,3)、(2.1,2.9)、(2.3,3.1)、(2.5,2.9)處產(chǎn)生彈跳,最后滑移10mm后靜止不動;在14°導(dǎo)種管時,在坐標(biāo)(1.7,3.2)產(chǎn)生一次彈跳,向后滑移7mm靜止不動,在此過程中種子彈跳次數(shù)極少。

在離地高度為4cm時,種子在16°導(dǎo)種管中,在坐標(biāo)(2.3,4)、(3,3.6)、(4.4,4.1)、(4.8,3.6)處產(chǎn)生多段彈跳,最終滑移34mm靜止不動;在14°導(dǎo)種管中,種子在坐標(biāo)(1.7, 3.8)、(2.7,3.5)、(4,3.6)產(chǎn)生較大幅度彈跳,最終滑移29mm靜止不動。

(a) 距地面2cm位移軌跡

(b) 距地面3cm位移軌跡

(c) 距地面4cm位移軌跡圖6 種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動軌跡Fig.6 The seed orbit in the seed tube

4 結(jié)論

1)玉米種子在指夾式排種器的工作條件下,當(dāng)作業(yè)速度為8～12km/h時,由種子在管內(nèi)曲線的斜率及在導(dǎo)種管中的彈跳次數(shù)能夠看出,14°導(dǎo)種管優(yōu)于16°導(dǎo)種管。

2)當(dāng)傾斜角度在0°～20°時,通過種子的運(yùn)動軌跡可以觀測到種子在16°導(dǎo)種管內(nèi)進(jìn)行較多或較少的彈跳,而在14°導(dǎo)種管中是沿著管的內(nèi)壁滑出,可見14°導(dǎo)種管要優(yōu)于16°導(dǎo)種管,且在10°～20°范圍內(nèi)軌跡較優(yōu)。

3)當(dāng)離地高度在2～4cm時,種子從16°導(dǎo)種管排出后,種子與地面的彈跳頻率在2～4之間明顯較多,滑移距離在12～34mm區(qū)間內(nèi)較多;而種子從14°導(dǎo)種管排出后其彈跳次數(shù)1～3次且滑移距離在11.7～29mm之間。由此可見14°導(dǎo)種管要優(yōu)于16°導(dǎo)種管,且在2～3cm范圍內(nèi)軌跡較優(yōu)。