葉 巖,吳澤全,余 濤,東忠閣,劉俊杰

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

種子安全事關(guān)國家糧食安全,已經(jīng)上升到國家安全的戰(zhàn)略高度[1]。良種對(duì)我國糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率為43%,而美國等發(fā)達(dá)國家良種貢獻(xiàn)率達(dá)到60%以上[2]。小區(qū)育種播種設(shè)備作為培育優(yōu)良品種的重要設(shè)備之一,對(duì)提高育種試驗(yàn)的效率和試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性具有顯著的影響[3]。

小區(qū)育種播種設(shè)備是培育新品種、繁殖良種和對(duì)比品種等田間試驗(yàn)所用的專用播種機(jī)[4],具有定量播種、自動(dòng)清種、間隔播種、連續(xù)播種等特點(diǎn)[5]。錐體分種器作為小區(qū)播種機(jī)重要組成部件之一,主要通過存種管提升部件、錐體存種部件、導(dǎo)種管等完成投種作業(yè)。國外育種機(jī)械發(fā)展起步較早,小區(qū)播種機(jī)形式多樣且功能完備,如奧地利Wintersteiger公司、法國Braural公司、巴西的Maquinarium公司和美國Almaco公司所生產(chǎn)小區(qū)播種機(jī),一種類型是配套手動(dòng)和氣動(dòng)提升形式的錐體分種器,另一種類型是種盒自動(dòng)投種裝置。其中,美國Almaco公司最新開發(fā)的彈匣式全自動(dòng)供種裝置,從備種、分種、裝盒到排列均能夠?qū)崿F(xiàn)無人化。經(jīng)過長(zhǎng)期的技術(shù)發(fā)展和裝備更新,國外小區(qū)播種設(shè)備已到較高的自動(dòng)化和智能化水平[6-9]。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知,目前國內(nèi)小區(qū)播種機(jī)投種裝置主要分為下列幾種類型:一是通過錐體裝種裝置進(jìn)行投種,需要預(yù)先將各育種區(qū)域種子分裝到紙袋進(jìn)行人工投種,并利用左側(cè)和前端水平泡手動(dòng)調(diào)節(jié)投種裝置的水平度,其投種均勻性受人工調(diào)節(jié)的影響程度較大;二是錐體帆布袋式投種裝置[10],利用錐體和帆布袋之間摩擦旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)種子行進(jìn)至投種口,但帆布袋與錐體之間張緊度需要定期調(diào)整,且帆布袋使用壽命受材料性能影響較大;三是錐體格盤式投種器,其內(nèi)部若干隔板會(huì)使“種流”斷裂,同時(shí)格盤攜種時(shí)與底板接觸面之間相對(duì)滑動(dòng)易磨損種子[11]。

國內(nèi)小區(qū)播種機(jī)雖然技術(shù)研究起步較晚,但近些年隨著國家重視程度的不斷加深,小區(qū)播種機(jī)械化作業(yè)和自動(dòng)化水平逐年提高。劉曙光[12]等設(shè)計(jì)了錐體帆布帶式排種器,并改進(jìn)了存種裝置對(duì)作物種子的適應(yīng)性和播種均勻性。楊誠[13]通過研究小麥種子流在排種裝置中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),分析了種子在錐體分種及離心分配裝置工作過程中的受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,從而提高了錐體離心式排種器的排種均勻性。楊薇[14]針對(duì)現(xiàn)有小區(qū)株行條播機(jī)手動(dòng)上種人工勞動(dòng)量大、工作效率低的情況,設(shè)計(jì)了株行條播機(jī)彈匣式上種裝置。上述投種裝置的研究為提高國內(nèi)小區(qū)播種機(jī)分種裝置水平奠定了相應(yīng)的理論研究基礎(chǔ)。因此,為了提高小區(qū)播種機(jī)投種裝置的分種均勻性,筆者設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)水平及最優(yōu)關(guān)鍵部件參數(shù)組合的投種裝置,旨在為提高投種器分種的均勻性提供參考。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

小區(qū)播種機(jī)錐體分種器主要由投種漏斗、提升部件、微型直線伺服電缸、伺服電機(jī)、傾角傳感器、落種導(dǎo)管接頭、錐體及底座、亞克力殼體、導(dǎo)種管固定架及導(dǎo)種管等部分組成,如圖1所示。

裝置主要采用伺服電機(jī)、微型直線伺服電動(dòng)缸和傾角傳感器控制裝置水平度,并通過優(yōu)化設(shè)計(jì)錐體角度和導(dǎo)種管管徑解決了投種裝置作業(yè)過程中分種均勻性難控制的問題,進(jìn)而提高裝置投種均勻性,降低人工作業(yè)強(qiáng)度,并提高育種作業(yè)效率。其主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 錐體分種部件的動(dòng)態(tài)調(diào)平裝置的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of dynamic leveling device for cone seed separation parts

1.2 工作原理

當(dāng)小區(qū)播種機(jī)行進(jìn)至待播種小區(qū)區(qū)域時(shí),錐體投種裝置的自動(dòng)調(diào)平部件通過傾角傳感器檢測(cè)當(dāng)前錐體投種器的角度,傾角傳感器反饋的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔不斷傳輸至控制器中,通過控制器終端采集數(shù)據(jù)信號(hào),從而控制伺服電動(dòng)缸和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行角度調(diào)整;在伺服電機(jī)和電缸的共同作用下,將分種裝置調(diào)整至設(shè)定傾角范圍內(nèi),使裝置維持在可控水平傾斜角度范圍內(nèi);待錐體投種裝置快速調(diào)整穩(wěn)定后,人工將預(yù)先分配完成的袋裝種子倒入投種漏種中,種子經(jīng)投種漏斗落入到導(dǎo)種管與錐體結(jié)合處,通過面板按鈕或手動(dòng)控制提升支架,將投種漏斗提升至預(yù)定位置;種子均勻落入四路分種管,待下一步動(dòng)作后,種子到達(dá)播種器內(nèi)部,從而完成一個(gè)小區(qū)的供種過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 投種漏斗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同玉米種粒大小的投種需求,提高種子分種適應(yīng)性,將投種漏斗設(shè)計(jì)為可更換變徑連接頭;通過螺紋連接更換不同孔徑的連接頭,促使種子落點(diǎn)位置集中到下端錐體尖端,其錐體和投種漏斗材料均采用亞克力材料加工而成,可視度和表面光潔度較高,便于觀察落種情況和后期試驗(yàn)研究。根據(jù)相關(guān)小區(qū)育種機(jī)械學(xué)者的理論研究可知[15-16],漏斗底端出口直徑尺寸與種子尺寸大小存在函數(shù)關(guān)系。以糧食作物為試驗(yàn)對(duì)象,投種漏斗下端漏種口最小直徑dmin、種粒長(zhǎng)度b和寬度c之間的經(jīng)驗(yàn)公式為

(1)

其中,dmin為投種漏斗下出口最小直徑(mm);b為種子的平均長(zhǎng)度(mm);c為種子的平均寬度(mm)。

因此,根據(jù)玉米種粒參數(shù)選用合適的投種漏斗下出口直徑,有利于提高分種均勻性和適應(yīng)性,降低因人工投種時(shí)種粒落點(diǎn)位置不可控等因素影響?？筛鼡Q變徑連接件如圖2所示。

1.投種漏斗 2.變徑連接頭圖2 投種漏斗示意圖Fig.2 Schematic diagram of seed hopper

2.2 分種器錐體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分種均勻性的高低是評(píng)價(jià)分種器性能的重要指標(biāo),均勻性越高,裝置的性能越好。為進(jìn)一步分析種粒下落情況,首先對(duì)種子在投種器分種錐錐面上的種粒進(jìn)行受力分析[17]。以種子中心為原點(diǎn),沿錐面向上為X平面,沿錐面垂直面為Y平面,則種粒的受力情況如圖3所示。圖3中,θ為分種錐面與水平面夾角(°);G為種粒質(zhì)量(g);N為支持力(N);fx為摩擦力(N);Fr為離心力(N)。具體關(guān)系式為

圖3 種子在錐面上的受力分析Fig.3 Force analysis of seed on conical surface

Frcosθ+Gsinθ-fx=max
N+Frsinθ-Gcosθ=may

(2)

其中,ax、ay分別為種粒在X、Y軸方向的加速度(m/s2)。

當(dāng)投種漏斗提升后,玉米種子沿錐體表面向四周滑落,其分種錐面與水平面夾角決定玉米種子在錐體表面上滑行的時(shí)間:錐體底角角度取值越大,種子在錐體表面滑行速度越快;錐體底角角度取值越小,種子在錐體表面滑行越慢。結(jié)合錐體角度和導(dǎo)種管整體對(duì)投種均勻性的影響,通過后續(xù)試驗(yàn)確定最優(yōu)參數(shù)。

2.3 傾角傳感器的選型和控制

小區(qū)播種機(jī)在作業(yè)過程中,錐體分種器與作業(yè)機(jī)具伴隨著地表起伏做不規(guī)則振動(dòng)。為穩(wěn)定、準(zhǔn)確控制錐體分種器的水平度,選用維特智能生產(chǎn)的MPU6050動(dòng)態(tài)傾角傳感器,固定安裝在錐體固定架上端平面,來測(cè)量錐體分種器前后左右水平擺動(dòng)角度。其傾角傳感器供電電壓為5～36V,抗振性能為2000g,輸出方式為RS232/485/TTL/Modbus協(xié)議接口輸出,工作溫度為-40～+85℃,尺寸為L(zhǎng)51mm×W36mm×H15mm,質(zhì)量為20g;動(dòng)態(tài)精度可達(dá)到±0.1°,角度x/z軸±180°,Y軸±90°。將傾角傳感器安裝固定后進(jìn)行水平測(cè)試,傾角傳感器測(cè)量系統(tǒng)界面如圖4所示。在設(shè)定采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔下,傾角傳感器反饋的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)定時(shí)間間隔傳輸水平傾角數(shù)據(jù),通過控制終端采集的控制信號(hào)控制微型直線伺服電缸和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行角度調(diào)整。通過“相對(duì)或絕對(duì)零點(diǎn)”按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)水平傾角傳感器的校準(zhǔn),以保證小區(qū)播種機(jī)區(qū)間作業(yè)時(shí)傾角測(cè)量的準(zhǔn)確性和信號(hào)輸出的穩(wěn)定性。

圖4 傾角傳感器測(cè)量系統(tǒng)界面Fig.4 Simulation model of the pneumatic device

3 性能試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件

為檢驗(yàn)投種器工作時(shí)的均勻性及可靠性,試驗(yàn)在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院智能化所實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上進(jìn)行。試驗(yàn)選用“農(nóng)科玉”克單14號(hào),隨機(jī)挑選出外型尺寸相對(duì)較規(guī)則且外觀無破損的玉米種粒1000粒,使用精度為0.01g的電子秤進(jìn)行稱重,重復(fù)3次,實(shí)際測(cè)量千粒質(zhì)量平均為314.6g。

3.2 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

以玉米為試驗(yàn)研究對(duì)象,對(duì)錐體投種器的分種均勻性進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)前, 將試驗(yàn)裝置固定于試驗(yàn)臺(tái)架上,調(diào)平系統(tǒng)測(cè)試至穩(wěn)定控制狀態(tài)。試驗(yàn)過程中,將紙袋裝有的玉米種子均勻地倒入到投種漏斗中,隨著存種管的提升,玉米種子在重力的作用下落入到各路分種管內(nèi),對(duì)4路分種管排出的落種量用播種監(jiān)視器和人工復(fù)檢進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過計(jì)算分種器分布均勻性變異系數(shù)[18]檢驗(yàn)分種器分種均勻性,公式為

(3)

式中cv-分配均勻性變異系數(shù)(%);

qi-第i路種子數(shù)量,i=1、2、3、4;

3.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)可知,為保證單行播種時(shí)有足夠的種子量,在使用錐體投種器時(shí)需要額外添加約10%～15%的種子量,用于補(bǔ)償分種器出現(xiàn)的誤差。首先,常見小區(qū)播種面積為幾平方米至十幾平方米之間,且玉米種植的行距一般在0.5～0.6m之間、株距在25～40cm之間,本文選取面積為12m2的矩形試驗(yàn)小區(qū)。用種量計(jì)算公式為:種子量={(播種長(zhǎng)度/株距+余種量)×播種列數(shù)}。其中,余種量為補(bǔ)償量。綜上所述,確定單一小區(qū)所需單粒種子量約為56粒。根據(jù)文獻(xiàn)[19-20],選取投種器錐頭角度范圍為40°～50°,導(dǎo)種管直徑為60、50、40mm進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)因素和水平

針對(duì)各個(gè)影響因素對(duì)分種均勻性的影響程度,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)進(jìn)行分析,試驗(yàn)因素水平如表2所示。為分析各因素對(duì)投種器分種均勻性性能指標(biāo)的影響,試驗(yàn)采用三因素三水平設(shè)計(jì),共進(jìn)行27組,每組重復(fù)3次,并取平均值[21-23]。

表2 試驗(yàn)因素水平表Table 2 Test factor level table

3.5 試驗(yàn)方案與結(jié)果

為降低人工和物力成本,既減少試驗(yàn)次數(shù)又不影響試驗(yàn)效果,從L9(34)正交表中選出具有代表性的搭配組合,序號(hào)為1、5、9、11、15、16、21、22、26,將這9個(gè)試驗(yàn)按新編號(hào)列出。試驗(yàn)方案與均勻性變異系數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experimental project and results

由表3可知:極差值越大的因素水平改變,對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,極差最大的一列是需要考慮的主要因素;各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(分種均勻性)的影響程度主次順序?yàn)锳(錐體角度)、B(導(dǎo)種管直徑)、C(漏斗口直徑),最優(yōu)的方案為A1B3C1。為驗(yàn)證A1B3C1是否為最佳方案,進(jìn)行樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明:理論優(yōu)化結(jié)果與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果相近,分種均勻性處于較優(yōu)水平,且分種裝置均勻性較穩(wěn)定,調(diào)平效果良好,能夠滿足投種要求。

4 結(jié)論

1)通過對(duì)錐體分種器的投種、攜種和分種等作業(yè)過程分析研究,得出各因素對(duì)分種均勻性的影響程度主次排序?yàn)殄F體角度、導(dǎo)種管直徑、漏斗口直徑。其中, 錐體角度和導(dǎo)種管直徑的結(jié)構(gòu)及配合變化對(duì)分種裝置均勻性的影響較顯著,漏斗底端管徑的大小變化對(duì)分種均勻性的影響不顯著。

2)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明:分種投種器能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)玉米投種作業(yè),調(diào)平結(jié)構(gòu)和控制裝置能夠有效提高投種均勻性和落種流暢度。試驗(yàn)過程中投種作業(yè)穩(wěn)定,分種均勻性變異系數(shù)均值為13.7%,各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)均符合分種需求。

3)驗(yàn)證試驗(yàn)和參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)漏種和無法調(diào)平裝置等問題,其性能滿足了小區(qū)育種試驗(yàn)過程中持續(xù)、穩(wěn)定、均勻投種方式的作業(yè)需求。