精密播种机的改装（共7篇）
精密播种机的改装 篇1
0 引言
随着农业机械化水平的不断提高,精密播种机已经广泛应用于大面积播种作业中。精密播种机可实现一穴一粒,不仅节约种子、减少定苗工作量,而且能增加作物产量[1],提高了播种效率和质量。播种机的导种管安装在两个开沟器中间,排种器也是封闭设计的,作业过程中无法观察其工作情况; 另外,精密播种机都是多行同时作业,田间情况恶劣,会出现导种管管口被杂物堵塞或种子在导种管内部堆积造成堵塞、种箱排空等问题,如果无法及时发现故障并排除,会造成大面积漏播,严重影响粮食产量。因此,研究一套播种机播种计量监测系统对提高农业生产水平具有重要意义。
国外对精密播种机监测系统研究起步较早,技术比较成熟[2],如美国内布拉斯加大学研究出一种快速测量播种机排种间距的光电传感器系统[3]。国内对播种机监测技术的研究起步较晚,华中农业大学王树才等采用压电传感器,将单粒种子下落的物理量转化为电量,通过信号转换检测其排种性能参数[4]。国内多数研究为种管堵塞及种箱排空的监测[5,6,7,8,9],在重播、漏播的技术上不完善,且光电传感器监测盲区较大;在株距和作业面积两个参数测量上,常常通过测量机具作业距离来计算。以往的距离测量常采用超声波测距法[10],但由于田间空旷,没有参照物,无法实现。随着GPS技术的发展和广泛使用,GPS被用来测量各种作业面积[11,12,13,14],但精度不高。为了弥补上述的不足,设计了一套精密播种机播种计量监测系统,将3对光电传感器并排安装在导种管中部[15,16],有效地减少了监测盲区; 通过安装在地轮的编码器间接测量机具的作业距离,提高了精度,降低了成本; 系统可显示播种机作业过程中的各项参数,发现故障并及时报警,并可适用于不同类型的播种机,性能稳定。
1 监测系统的构成
监测系统结构如图1 所示。系统由上位机系统和下位机系统组成,上位机系统主要完成接收数据显示、人机通信及播种机作业距离采集等。编码器安装在播种机的地轮上,由上位机进行信号采集,计算出的作业距离和传上来的播种量经计算后得出平均株距,作业面积由播种机作业距离与作业幅宽计算后获得,最终显示在LCD液晶屏上; 农户通过按键设定监测系统的工作范围( 4、6、9、12 行) ; 通过无线模块,上位机可以向下位机发送控制指令、接收信息并显示,下位机根据不同的指令向上位机传送数据。下位机主要完成播种量的测量、种箱与种管状态的监测,并及时将信息传送到上位机。由光电传感器对种子下落信号进行采集和导种管空、堵的监测,正常工作状态下采集到的落种信号经调理电路和逻辑判断后送入单片机运算处理,将播种量传输到上位机。如果发生导种管排空或堵塞的故障,立即向上位机发送报警信息。安装在种箱内的电容式接近开关会实时监测种箱内的状况,一旦发生故障,向上位机发送报警信息。上位机接到报警信息后会在显示屏上显示故障区域,启动报警器通知驾驶员停车排除故障。
2 上位机系统硬件设计及测量原理
上位机系统由微处理器模块、无线模块、旋转编码器、按键开关及报警模块组成,主要是完成系统监测范围的设定、作业面积和株距的计算、与下位机之间的无线通信,以及对接收到的数据进行显示。当下位机传上来报警信号时,及时处理并在显示屏上显示出故障区域,同时启动报警。
2. 1 作业面积及株距测量原理
GPS定位和测量作业面积的方法已应用到农业生产中,但市场上大部分廉价的GPS模块定位精度不高、误差较大,影响监测系统的准确性。精度高的GPS模块价格非常昂贵,会大大增加成本,无法应用到实际生产中。考虑到成本和测量精度的问题,选择在精密播种机的地轮上加装旋转编码器,由上位机的T0 工作在计数器模式下采集编码器的脉冲数,通过编码器的脉冲数间接测量机具的作业距离。
监测系统使用PKT1030 - 512 - G05C型号的编码器,1 圈512 个脉冲,抗干扰性强、分辨率高。根据播种机地轮周长,计算出1 个脉冲机具的行进距离,通过采集到的脉冲数和作业幅宽计算出作业面积,则
其中,L为机具的作业距离( m) ; N为编码器的脉冲数; M为机具作业幅宽( m) ; S为作业面积( ㎡) 。将机具作业距离与相应下位机传上来的播种量相除,即得到该单体作业的平均株距。
2. 2 人机通信模块设计
上位机系统电路图如图2 所示。上位机系统一共设计安装8 个人机对话按键,分别定义为向上按键S1、向下按键S2、确定按键S3、返回按键S4、下位机启动按键S5、数据采集按键S6、正常停止按键S7、异常停止按键S8。系统开始工作后,通过按键对不同行数的播种机进行监测范围的设定,范围确定后,先按下S5 键向下位机发送启动指令,启动下位机工作,然后按下S6 键进行数据采集; 下位机将采集的播种量、种箱状态上传,按下正常停止按键S5 后,会显示当前的总播种量、作业面积。显示屏选用带有汉字库的QC12864B液晶显示模块,可以显示4 行,每行可以显示8 个汉字,蓝色背光,与微处理器采用并行的控制方式。
3 下位机系统硬件设计
下位机主要完成播种量的采集,实时监测导种管和种箱的工作状态,将数据传送到上位机。系统以微处理器为核心,光电传感器为播种量采集和导种管工作状态监测器件,将电容式接近开关安装在距离种箱底部5cm的位置,监测种箱状态。
3. 1 光电传感器模块
为减少监测盲区,系统将3 对并列排布的光电传感器安装在导种管中部,相比于只安装1 对光电传感器,3 对并列安装方式可以监测到在导种管中发生弹跳的种子,实现无盲区监测,且可以监测到重播。发射端使用穿透性强、光束集中的红外发光二极管,接收端使用可减少日杂光干扰的黑胶体光敏三极管。调理电路使用CD401106BE型施密特触发器,内置6个反相器。逻辑判断电路使用74LS10 型3 路3 输入与非门,将整形后的信号经过逻辑电路2 次逻辑判断后,将信号传送给微处理器。电路图如图3 所示。
3. 2 微处理器模块
微处理器是监测系统的核心,主要完成数据的传输处理、按键控制、液晶屏的显示及控制指令的发送等。系统使用STC12C5A60S2 单片机作为控制芯片,该单片机具有60k的用户应用程序空间、3 个时钟输出口、2 个串口,有独立波特率发生器,具备EEPROM功能; 相比于传统的8051 单片机,运行速度提高8 ~12 倍,稳定性强。
3. 3 箱空检测电路
由于田间播种作业距离较长,一个种箱的种子无法完成整个作业过程,需要不断添加种子。如果种箱排空未被及时发现,会造成大面积漏播,影响粮食产量。测量种箱的剩余种量常用压力检测法,将压力传感器放入种箱内,测量压力传感器在箱空时的阻值大小,计算出加上5V电压后的输出值,输出电压值经过AD转换后设为箱空标定值。当微处理器检测到传感器达到箱空值时,发出报警信号; 但是,压力传感器的敏感区域较小,种子在种箱内会不断晃动,使传感器的输出电压不断变化,容易发生误报警现象。因此,设计了一种电容式接近开关箱空检测电路,系统使用LJC30A3 - H - Z / BY型电容式接近开关,PNP常开型,工作电压5V,接近距离可调范围1 ~ 25mm。当种量充足时,输出高电平; 当种量不足时,种子离开关距离超出范围,输出低电平,微处理器根据接近开关的输出电平判断种箱状态。相比于压力检测法,此方法受外界干扰更小,准确性更高。
4 系统软件设计
软件的设计主要是控制硬件的稳定运行和进行高效率的工作,系统使用C语言进行程序的编写。软件设计分为上位机软件设计和下位机软件设计。上位机上电初始化后,进行监测范围的选择,范围确定后,按下启动按键启动下位机工作,然后按下数据采集键; 上位机以1s的间隔依次向监测范围内的下位机循环发送采集指令,下位机接收到指令后,将播种量和种箱状态上传; 上位机将计算出的作业面积、株距与下位机上传的播种量、种箱状态一同显示到液晶屏上; 如果接收到报警信号,则启动报警器,在液晶屏上显示故障区域。上位机软件流程图如图4 所示。
下位机上电初始化后,等待主机发出启动指令,当接收到上位机的启动指令后,先检测种管和种箱状态是否正常,确认正常后,启动计数器工作; 当接收到上位机数据采集指令后,将采集的播种量和种箱状态上传; 如果发现故障,通过无线模块将报警信息传送到上位机处理。下位机软件流程图如图5 所示。
5 试验方法与结果
为验证系统工作的可靠性和准确性,于2015 年9月20 - 22 日在黑龙江省曙光农场进行田间试验。试验作物为玉米,使用黑龙江八一农垦大学研制的2BJM - 6 型大马力气吸式精密播种机,行距650mm,分别进行了播种量、作业面积及报警准确性的测试。
5. 1 田间试验方案
将12 行播种机的前10 个导种管与种箱作为试验设备,按顺序设定为1 ~ 10 号。播种量的监测为选取2 000 粒玉米种子,分成10 等份,分别放入10 个种箱中,让拖拉机以6km /h的速度将其播完,将系统测量的值与实际值相比较; 机具的作业面积为机具的作业距离和作业幅宽的乘积,作业幅宽为定值。所以,通过机具作业距离的测量就可以估算出作业面积测量的精度,取5、10、15、20m距离进行试验测量,每段距离进行3 次试验。导种管空、堵及种箱排空检测试验采用人为设置故障的方法,导种管排空检测试验为先将少量种子放入1 号种箱内,2 ~ 5 号导种管与种箱的监测设备关闭,让拖拉机以6km /h的速度进行作业,依次试验5 次,观察报警信息显示是否与实际相符。导种管堵塞检测方法与导种管排空检测方法大体相同,不同点就是用物体将导种管堵住。箱空检测试验是观察种子与接近开关的距离超出设置的范围( 10mm) 后是否报警,显示信息是否准确,测试10 组。
5. 2 试验结果
播种量测量结果如表1 所示。播种量测量值最大误差5% ,准确度较高,满足生产需求。有些种子尺寸偏大,同时挡住3 对光电传感器,影响到逻辑判断,系统误认为下落2 粒种子,从而导致测量结果比实际值偏大。
机具作业距离的测量结果如表2 所示。测量值比实际值偏小,原因是地轮打滑、测量土地不平整等产生的误差。因此,应该通过不同地段多次试验,计算出较准确的误差系数,在微处理器计算时加入误差系数,提高监测系统的精度。
播种防堵、防排空10 组实验中,监测系统均能及时发现故障报警,且显示的故障区域与实际的故障区域相符。种箱防排空10 组试验中,电容式接近开关能够准确地监测出种箱内的状态,一旦种子距离开关达到报警距离( 10mm) ,及时发出报警信号。
6 结论
监测系统通过3 对并列排布的光电传感器对种子下落信息进行采集,解决了一对光电传感器监测盲区大、无法监测到重播的问题; 采用编码器实时采集机具的作业距离,经微处理器计算出机具的作业面积、株距,具有结构简单、精度高等特点,有效地降低了成本。上位机与下位机通过无线模块进行数据的传输,减少了布线,便于装置的安装和拆卸; 通过人机对话可以选择不同的监测范围,适用于不同行数的播种机,通用性较强。试验结果证明: 系统能够完成对播种机作业中的各项数据的采集显示,能够及时发现导种管堵塞、排空及种箱排空等故障并启动报警,准确地显示出的故障区域。其监测系统精度高,测量最大误差率仅为5% ,报警误报率为0,可有效提高播种机作业质量和农业现代化水平,便于推广使用。
蔬菜精密播种机的应用效果初探 篇2
关键词：精密播种,小粒种子播种机,推广,应用
0 引言
播种是农业生产中关键作业环节, 必须在较短的播种农时内, 根据农业技术要求, 将种子播到田地里去, 使作物获得良好的发育生长条件。播种质量的好坏, 将直接影响到作物的出苗、苗全和苗壮, 因而对产量的影响很大。精密播种可以保证种子在田间最合理分布, 播种量精确, 株距均匀, 播深一致, 为种子的生长发育创造最佳条件, 可以大量节省种子, 减少田间间苗用工, 保证作物稳产高产。
粮食作物生产目前的机械化程度高, 基本上可以实现生产的全程机械化, 而在蔬菜生产方面, 由于我国种植品种和规模的原因很难实现生产的全程机械化, 特别是小粒种子的播种和蔬菜作物的收割环节, 目前机械化程度不高, 而为实现蔬菜生产的全程机械化, 首先就得先解决旋耕平整地和播种, 目前平整地有激光平地等, 本论文主要讨论小粒蔬菜种子的精密播种, 节省人工、提高效益的同时为后期机械化收割做准备。
播种机优点是一次可以完成多项作业, 作业效率高, 不延误农时, 保证及时播种, 使作物获得良好的发育生长条件。由于播种可以保证种子在田间合理分布, 播种量精确, 株距均匀, 播深一致, 为种子的生长发育创造最佳条件, 可以大量节省种子, 减少田间间苗用工, 保证作物稳产高产。因此, 现代农业对精密播种机械的要求越来越迫切。
1 蔬菜精密播种机的发展历程及现状
精密播种机械是实现精密播种的主要手段, 目前在欧美国家, 精密播种已达到相当完善的程度, 其排种装置多采用新的工作原理, 以保证单位精密播种。
在我国, 目前的蔬菜播种主要仍以手工和简单的劳动工具为主, 费时费力, 效率低。尤其到了播种季节, 需要在几天内抢时播种, 否则就会影响新鲜蔬菜上市期。而且人工撒播种子密度不均匀, 有缺苗或移栽的麻烦, 由于撒播无法保证种子与泥土的稳定的结合率以至于导致了出苗率也不是很高。
国内机械企业生产的播种机在实现玉米、大豆、小麦的播种上能实现机械化, 对于蔬菜的播种则存在以下问题:一是效率低, 工作速度慢。有时需2~3人操作一台小机器;二是播种的精密度不高。近几年, 国外不同类型精密播种机相继引入中国, 类型分皮带式或是气力式的, 国别有英国的播种机、意大利的播种机和美国的播种机, 其中欧美国家的播种机为大型播种机械, 比较合适北方大面积的播种, 而日本、韩国的机械较适合南方露地和设施作物的规模化生产, 本论文中的播种机为韩国进口的播种机。
2 蔬菜精密播种机的发展前景
面对当今社会劳动力严重短缺的情况, 一款自动化程度高并且能实现精密播种的播种机将会为提高蔬菜种植业的作业效率大有帮助。能解决蔬菜种植过程中, 面临着种植人员老龄化及人员难找的现象, 在蔬菜种植区, 3个人的年龄和超过200岁的现象普遍, 合作社对于蔬菜种植机械化的呼声也越来越高, 特别是单一品种的规模化生产区, 已经具备了生产机械化的硬件条件, 与此同时, 随着人工成本的不断上升, 机械化是降低种植成本、提高产量的关键因素, 因此蔬菜种植机械化是农业的革命, 而在整个机械化过程中, 蔬菜播种是首先要做的革命。
与人工作业相比, 使用蔬菜播种机进行播种, 播量、播深均匀一致, 有利于以高出苗质量、减轻劳动强度、减少人工播种造成的试验误差和提高试验的准确性, 从而解决目前对小颗粒种子的适应性差、播种精度不高的现状。
以上分析, 蔬菜精密播种机有远大的发展前景。
3 市场上各类播种机的分类
播种机类型很多, 有多种分类方法。精密播种机按配套动力可分为小型 (11~18.4k W) 、中型 (36.8~58.8k W) 和大型 (73.5k W以上) 精密播种机;按排种器的形式又可分为机械式和气力式精密播种机两大类, 其中机械式又可分为水平圆盘式、立式圆盘式、窝眼式和带夹式精密播种机等, 气力式分为气吸式、气吹式和气压式精密播种机。按播种方法可分为撒播机、条播机、点 (穴) 播机;按联合作业可分为施肥播种机、播种中耕通用机、旋耕播种机、铺地膜播种机;按播种的作物种类分为谷物播种机 (主要适用于小麦类作物) 、中耕作物播种机 (主要适用于玉米和豆类等作物) 、马铃薯播种机、棉花播种机、牧草播种机、蔬菜播种机等;按作业组合分为施肥播种机、旋耕播种机、铺膜播种机、播种中耕通用机;按牵引动力分为畜力播种机、机引播种机、悬挂播种机、半悬挂播种机;按应用条件分为普通播种机、免耕播种机 (也称硬茬播种机或贴茬播种机) 、沟播机等。按排钟原理可分为气力式播种机和离心式播种机 (本文中的播种机为自走式小粒种子精密蔬菜播种机) 。
4 蔬菜精密播种机的结构及外观
蔬菜精密播种机 (见图1) , 主要解决蔬菜种子的机械播种。
其结构包括框架、发动机、变速箱、前后滚筒、行走轮、开沟器、覆土刮片和播种器, 所述的前后滚筒是机器前后的两个转筒, 分别安装在机架的前后端;在机架上安装有发动机和变速箱, 发动机通过链条连接后滚筒传动, 然后后滚筒带动前滚筒运动, 前滚筒再通过链条带动播种器上的齿轮来进行播种作业;在机架的上方安装有扶手和两个离合器杆, 一个是行走离合器杆, 一个是播种离合器杆。本实用新型播种机工作时压平、开沟、播种、覆土、压实一次性完成, 多个播种器一起作业, 株距行距都可调节。机械传动灵活, 使用方便, 适合播多种大小的种子, 播种方式主要有直播和穴播两种, 播种质量和效率远远大于传统的手工播种方式。
1.框架2.辅助轮3.上下调节螺栓4.开沟器5.保险杠6.前滚筒7.调节固定座8.播种器齿轮9.播种器10.后滚筒11.播种离合杆12.发动机13.扶手14.油门杆15.变速箱16.引擎离合杆17.链条盒18.传动轴19.前滚筒传动轴20.滚筒传动轴21.覆土刮片
5 蔬菜精密播种机的应用效果
蔬菜精密播种机可播所有的十字花科绿叶菜, 本文主要论述榨菜、韭菜、香菜、广东菜心的播种和应用及能节省的人工成本, 经过对比发现, 采用蔬菜精密播种机能够显著提高工作效率, 此外还具有以下优点:播种方式可按种植生产要求选择点播 (穴播) 或是条播;播种的效率高, 可达0.2~0.33hm2/h;按种植的需求直接调好下种子数, 可播单粒种子、双粒种子、或是多粒种子;播种后无需间苗;同样的下种及管理生长环境下, 机播可提高播种作物的质量和产量, 有更高的商业价值 (见表1、2、3、4) 。
6 总结
该蔬菜精密播种机已在上海、江苏、浙江、河南、河北、宁夏、广东、湖北、湖南、四川、安徽、北京等20个省份使用。从以上的实际数据分析, 本文中的蔬菜精密播种机在农业生产的实际应用中, 起到省工、省种、提高产量并能在很短的农时生产中及时播种, 产品得到用户的强烈认可, 特别是需间苗的作物, 节省大量的人工, 给用户带来经济效益。对于我国的农业生产有很大的应用推广价值。
备注:数据来自浙江余姚榨菜产区, 产量以不受自然灾害影响的情况下。
备注:数据来自上海、江苏韭菜种植区。
备注:数据来自河北香菜种植区。
备注:数据来自广东菜心种植区。
参考文献
[1]陈佳琦.滚筒气力式蔬菜播种机的设计与试验[D].华南农业大学, 2006.
精密播种机的改装 篇3
随着人们生活水平的提高, 对蔬菜的需求量和品质的要求越来越高, 我国的蔬菜种植面积也不断提高, 但是机械化水平相当低, 大部分地区从种植到收获完全依靠人工。社会不断进步, 劳动力不断转移, 人工成本也越来越昂贵, 科学选种的大力发展, 使种子的发芽率保证在95%以上, 价格也相应提高, 这些因素极大地提高了蔬菜行业的种植成本, 严重影响了菜农的积极性。老式的种植模式极大地制约了蔬菜种植规模的扩大, 蔬菜品质的提高。
目前, 市场上的蔬菜播种机以滚轮机械式为主, 轮上有一定直径的圆孔, 随着滚轮转动, 种子落入孔内, 并随之落下。此播种方式的缺点是无法实现精密播种, 精度低, 效率不高。疏菜种子的价格和发芽率的不断提高等多方面因素, 使精密播种机应运而生, 顺应了市场需要的发展。
欧美发达国家对气力式精密播种机的研究走在前列, 向大型、超大型方向发展了很多年, 技术应用成熟, 已经生产出一系列的精密播种机, 有一部分型号播种机进入了国内市场。由于各地区的种植模式, 最主要是价格的影响, 使国外的气力式蔬菜播种机在国内尚未推广开来, 但是已有一些品牌小规模地进入了中国市场, 如马思奇奥等, 研究拥有自主知识产权、适应中国国情和农艺要求的播种机迫在眉睫。
本文结合国内的蔬菜种植模式和农艺要求, 参照国外的先进机械, 考虑到作业效率、所需动力等因素, 配合我院自主开发的气力式蔬菜播种机排种器, 研制出气力式精密播种机, 并在田间进行样机播种实验, 对样机的各项性能参数进行测定。
1 总体方案和技术参数
1.1 种植模式和农艺要求
我国蔬菜种植面积广泛, 种类繁多, 种植模式也各不相同, 经过广泛的调查, 国内大面积种植的小粒蔬菜有很多, 考察了全国大田种植蔬菜面积大的省份, 对其种植模式进行了调查, 随着各地气候条件、机器设备的不同, 种植模式也不相同, 这里筛选出一些有代表性的蔬菜, 列出了其需要的行距、株距等参数, 见表1。
以胡萝卜为例, 胡萝卜的种植面积较大, 2012年全国胡萝卜播种面积为660万亩, 播种难度最高。胡萝卜为伞形科作物, 其种子为长扁形, 一端有尖头, 并且种子轻小, 千粒重只有1.2~1.5 g, 非常不易精密播种, 每亩地需保苗4.5~5万株, 种植模式分为垄作和畦作。
垄作在东北较多, 多用于和玉米、大豆等大田作物轮作, 垄距为600~700 mm, 垄上种植两行, 行间距为100 mm、120 mm、160 mm、180 mm。畦作主要是山东、河北、山西大面积种植户使用, 播种时使用的配套动力是40~60马力的拖拉机, 畦宽1.2~1.3 m;配套动力是80马力以上的拖拉机, 畦宽为1.8 m。图1为国内胡萝卜的种植模式, 由于各地的种植模式各不相同, 本机只能满足大部分地区的种植要求。
1.2 整机结构及工作过程
从全国的种植模式中, 总结出国内大面积使用且能通用的种植模式, 首先满足此类用户使用, 计划完成的种植模式为黑龙江、山东、河北、欧洲的密植等几种种植模式。这几种种植模式分布范围广泛, 与其他类蔬菜的种植模式接近, 经过更换配件, 就可以播种其他类蔬菜, 使本机真正地做到一机多用。
考虑到机器对田地的压实及工作效率等因素, 本机设计为后悬挂式, 配套动力为40马力拖拉机, 整机主要由传动地轮系统、镇压和排种装配、播种风机系统等部件组成, 该机为模块化组装, 播种单体系统、地轮系统, 位置可调, 单体间距大于300 mm, 播种单体宽度不能超过260 mm, 以保证两个播种单体行距。
一次播种4行, 每个单体可以播种单苗带、双苗带、三苗带。总体结构设计如图2所示。具体工作过程为:播种箱内装入种子, 启动拖拉机, 输出轴转速540 r/min, 带动风机高速转动, 风机转速高达5000 r/min, 形成稳定的正负压强, 通过管道, 正负压与减磨盘相通, 作用于排种盘上播种孔, 负压使种子稳定吸附其上;播种机被拖拉机带动, 播种机一侧的地轮为传动地轮, 通过链轮传动系统, 带动排种盘旋转, 播种盘上吸附的种子经过剔种刀, 剔去多余的种子, 保证每个播种孔仅吸附一粒种子, 继续旋转到达泄种器处, 泄种器强制落种, 脱离吸附状态, 种子靠重力落入下方的开沟条开出的落种沟内, 正压对排种盘孔进行吹杂, 吹去堵塞排种孔的杂物, 为下一次吸附种子做好准备, 机器继续前进, 覆土器覆土, 镇压轮镇压, 完成一个播种循环。
1.机架焊合2.支架装配3.镇压和排种装配4.地轮装配 (右) 5.悬挂装配6.连接支臂装配7.地轮装配 (左) 8.六方轴9.风机装配10.Φ32带钢丝软管11.Φ21带钢丝软管12.喉箍35-60 13.Φ59带钢丝软管
1.3 技术参数
根据蔬菜的种植模式和农艺要求, 整机的主要技术参数如表2所示。整机为模块化组合, 播种单体可自由拆卸和移动位置, 轮距可调, 适应40~120马力拖拉机使用, 播种时悬挂为自由状态, 调整上拉杆, 播种机为竖直水平位置, 拖拉机匀速行走, 油门恒定, 播种效果最好。
2 关键部件结构及工作原理
2.1 传动系统
拖拉机带动播种机前进, 播种机地轮转动, 通过链轮组带动播种盘转动, 种子均匀落入土壤中, 为保证能播种大部分的蔬菜种子, 本机的播种株距要在5~300 mm之内可调。排种盘最高转速为25 r/min, 转速过高, 吸附种子的时间太短, 使种子来不及吸附或吸附不牢固, 容易造成漏播。播种机地轮直径为600 mm, 播种盘上的孔为圆周均匀分布, 选择不同的链轮传动来调整传动比, 其链轮的传动过程如图3所示, 传动比可按下面公式计算。
式中Z2、Z4、Z6—主动链轮齿数;
Z1、Z3、Z5—被动链轮齿数。
例如, 传动比最大值为:
排种盘有120孔、96孔、48孔、24孔、12孔几种类型, 用来播种不同的株距。株距的计算公式为:
式中D—地轮的直径/mm;
l—棵距/mm;
i—传动比, 根据需要取值;
n—排种盘孔数, 按选择的排种盘取值。
经过计算, 株距的调整范围在15~600 mm之内, 可以满足大部分的蔬菜种植要求。
2.2 正负压系统
本机利用风机高速旋转时产生的负压, 传给排种真空室, 当排种盘转动时, 在真空室负压作用下吸附种子, 风机转速控制在5000 r/min, 转速过低会使排种器真空室真空度变小, 吸不住种子产生漏播。种子在播种孔受到的吸力为:
式中S—播种口面积/cm2;
P—真空室压强/kg·cm-2;
β—安全系数, ≥2.5。
以播种孔直径为0.6 mm的排种盘为例, S=2.826×10-3cm2, 经过测量, 风机转速5000转时, 内部动压力为P=0.133 kg/cm2, 安全系数β=3, F1=1.25×10-4N, 蔬菜种子的重量一般为千粒重5 g以下, 每粒种子质量为mz=5×10-6kg, 种子的重力G=mz×g=5×10-5N, 种子与排种盘表面的摩擦系数μ=0.8, 对种子受力分析如图4所示,
种子在排种盘上受向上的静摩擦力为F=1×10-4N, F>G, 蔬菜种子可以吸附在排种盘上, 对不同蔬菜种子选择有不同播种孔的排种盘, 来保证播种效果。
2.3 镇压和播种单体装置
2.3.1 镇压装置的确定
镇压装置影响蔬菜播种后的出苗效果, 前镇压轮压实后保证播种深度准确, 后镇压轮压实, 保证种子与土壤充分接触, 能快速吸收水分、营养, 减少出苗时间, 镇压轮的宽度可按照下式计算:
式中d—蔬菜的种植行距/mm;
t—蔬菜种子播种时的平均分布宽度/mm;
δ—蔬菜种子分布的宽度标准差/mm;
k—机器的行驶偏差/mm。
以图1中黑龙江的种植模式为例, 种植行距d=120 mm, 经过测量t=10 mm, δ=10 mm, k=50 mm, 则镇压轮宽度H=200 mm, 此宽度能满足行距为120 mm蔬菜的镇压要求。为了适应不同的地形, 镇压轮高度要可以调节, 通过镇压轮调节座调节。镇压系统结构如图5所示。
1.镇压轮主梁2.镇压轮3.镇压轮刷4.链条5.镇压轮调节座6.覆土链
2.3.2 播种单体装置确定
播种单体装置为固定排种器的装置, 排种器是播种装置, 此装置经过实验室验证可以播种大部分的蔬菜种子。对于不同的蔬菜种子通过改变排种盘上播种孔的大小来实现播种, 通过试验对比, 不同的蔬菜种子需要不同的播种孔来进行播种, 通过试验发现, 与蔬菜种子相匹配的播种孔大小如表3所示。
3 样机性能及实验分析
3.1 实验条件及方法
试验地点选在阿城市亚沟镇长日圆葱研究基地, 播种的蔬菜为胡萝卜, 胡萝卜种子为长日圆葱基地培育的红五寸参种子。由于胡萝卜种子的不规则性, 使其极难使用机器进行精量播种, 选择这种蔬菜种子为代表最具代表性。播种时3天内未下雨, 地面干燥, 土壤为黑壤土, 播种地块已经旋耕并起垄, 垄长为500 m, 种植模式为垄上直播, 垄距650 mm, 每垄2苗带, 苗带间距120 mm, 一次播种4行, 风力1~2级, 土壤湿度为33%。
播种时, 每一次每个排种单体加0.5 kg的种子, 拖拉机选择潍坊404, 挡位为慢3挡, 播种株距为30 mm, 理论计算每周播种量为0.1 kg左右, 分别记录每个播种来回时单个排种器内的种子重量, 在地头时注意观察排种盘上种子吸附情况, 如大面积漏种则马上调整。
3.2 实验结果分析
试验结果记录如表4。
通过田间样机试验表明, 机器播种作业顺畅, 能够完成开沟、播种、覆土、镇压等各项功能, 播种量完全能满足种植要求, 第三圈3号排种器播种过多, 是由于剔种器位置改变, 重播率过高, 经调整后回复正常, 第四圈1号排种器播种量过少, 是由于播种盘堵塞造成漏种, 经过清理, 继续播种无影响。为了确定机器的可靠性, 播种完基地的50亩试验田后, 还免费为当地的其他农民代耕300亩蔬菜, 包括胡萝卜、白菜、白萝卜, 试验效果十分理想, 完全达到了设计要求。
试验过程中也发现了问题, 例如, 播种盘的材质为0.25 mm的不锈钢板, 这种盘在装卸过程中需十分小心, 否则极易损坏, 工作200亩地后, 3号排种盘发生共振, 发出蜂鸣声, 导致不能吸种, 更换一张新盘后现象消失, 继续播种。所以, 下一步要在提高播种盘的可靠性上下工夫, 才能使机器满足广大用户的需求。
4 结论
结合国内的蔬菜种植模式, 研制出了气力式蔬菜精密播种机, 本机实现了开沟、播种、覆土、镇压等功能, 通过大面积的田间试验, 验证了本机的可靠性, 每天可作业100亩以上, 大大减少了人力的应用, 降低了种植户的成本, 确保了农民的增产增收, 为机器的大面积推广奠定了基础。
参考文献
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精密播种机的改装 篇4
我国目前超过2 /3的蔬菜栽培采用育苗移栽的方式,工厂化育苗的方式主要有穴盘育苗、容器育苗及水培育苗等,且以穴盘育苗为主[1,2,3,4]。
穴盘播种是育苗的关键环节之一。传统的穴盘播种以人工点播为主,存在劳动强度大、播种效率低、播种周期长及播种成本高等问题[5],并且难以保证播种性能,严重制约蔬菜的规模化生产和时令性要求。
穴盘育苗播种机可以减轻人工点播的劳动强度、提高播种效率、降低人力资源成本、节省大量种子[6],且可为蔬菜的移栽生产及提高产品质量打下良好的基础。
笔者调研了近年来国内外穴盘育苗精密播种机的发展状况及特点,分析了现有穴盘育苗精密播种机存在的问题,旨在为精密播种机的设计开发与应用提供科学依据与方法。
1 国外穴盘育苗精密播种机研究现状
国外穴盘育苗精密播种技术发展迅速,穴盘育苗精密播种机已经非常成熟,产品覆盖面广,并且朝着精准化、自动化和智能化的方向发展。目前,国外穴盘育苗精密播种机主要有英国的Hamilton、意大利的MOSA、美国的Blackmore和SEEDERMAN、澳大利亚的Williames[7]、荷兰的VISSER、韩国的大东机电等[8,9]。它们的特点如下:
1) 产品成熟,系列全面。精密播种设备从小型到大型,再到播种生产线,不仅能满足小型农户播种的需求,而且能满足大规模蔬菜播种的需求。针对不同的用户,开发不同结构形式的穴盘育苗精密播种机,既有半自动穴盘育苗播种机,也有全自动穴盘育苗播种机。
2) 作业效率高。目前,国外穴盘育苗精密播种机的播种效率普遍大于300盘 /h,一些穴盘育苗播种机的播种效率甚至超过1 000盘 /h。美国SEEDERMAN公司生产的GS系列穴盘 育苗精密 播种机和 英国Hamilton公司生产的Natural系列精密播种机使用单排针式排种结构,播种效率为300盘 /h; 荷兰VISSER开发出的GRANETTE 2000双排针式全自动穴盘育苗精密播种机作业效率能达到700盘 /h; 美国Blackmore公司的Cylinder滚筒式穴盘育苗精密播种机作业效率为1 200盘 /h; 意大利MOSA的M - DSL1200滚筒式和M - SDS600 /1 200电子流滚筒式穴盘育苗精密播种机的效率为1 200盘 /h。
3) 智能化程度高。半自动和全自动穴盘育苗精密播种机融合气动技术和电控技术,通过精准的气压和电气控制,实现穴盘精密播种自动化和智能化。
4) 发展多功能适应性精密播种机。在实现穴盘育苗精密播种机播种效率和精度提高的同时,对于穴盘育苗精密播种机多功能适应性的探索性工作也一直在进行中。
如图1所示,荷兰VISSER公司生产的Eco - rou-line滚筒式穴盘育苗精密播种机的滚筒为两用滚筒。该滚筒设置有12行吸嘴,可以实现滚筒的两种用途:一是12个吸嘴是同样规格的吸嘴尺寸和吸嘴间距,这种方式下每一种穴盘对应一种播种滚筒; 二是只使用滚筒的6行吸嘴播种穴盘,其他6行吸嘴可以使用不同的吸嘴尺寸来播种不同的种子或者用同样的滚筒不同的吸嘴间距播种其他的穴盘。
如图2所示,美国Blackmore公司生产的Cylinder滚筒式精密播种机采用独特的四选项滚筒头,通过快速切换吸种口,实现不同规格穴盘、不同种子的精密播种,而无需更换滚筒。该精密播种机作业效率不低于1 200盘 / h,可适应播种不同穴盘和不同规格的种子。
目前,滚筒式精密播种机是蔬菜精密播种机的发展趋势,播种速度普遍能够达到1 000盘/h以上; 但是对于精密播种机的多功能适应性研究仍处在起步阶段,适应不同形态种子的播种机仍比较缺乏。
2 国内穴盘育苗精密播种机研究现状
我国对穴盘育苗精密播种机的研究始于20世纪70年代。为解决穴盘育苗存在的机械化水平低、播种精度和效率低的问题,农业部和科技部先后将穴盘育苗技术研究列为重点科研项目,各地的农机化科研单位及生产企业同时跟进,通过借鉴国外的先进技术,结合我国穴盘育苗播种的具体要求,研制开发出了不同形式的的穴盘育苗精密播种机[10]。
北京海淀区农机研究所研制的2BSXP - 500型穴盘育苗精密播种机采用机械结构的垂直圆盘窝眼孔式排种器[11],播种机生产效率为350盘 /h。农业部规划设计研究院研制的2XB - 400型穴盘育苗精密播种机[5]采用机械窝眼式播种结构,播种效率为180盘 /h。上述机械式穴盘育苗精密播种机仅适用于包衣丸粒化种子,存在伤种率高和播种速度低等问题。
江苏大学设计了磁吸滚筒式精密播种机[12]( 如图3所示) ,排种器采用电磁铁磁吸头沿周向阵列、沿滚筒轴周向按穴盘孔距均匀分布的结构形式。经优化后的磁吸滚筒式播种机播种效率为300盘 /h,能够满足精密播种的精度和效率要求; 但磁吸式排种器对种子要求较高,待播种子需预先在外表面均匀裹上一层磁粉[13]。
台州一鸣机械设备有限公司研发生产的气吸针式穴盘育苗精密播种机[14]( 如图4所示) 借鉴国外针式穴盘育苗精密播种机的结构原理,采用单排针式播种结构,通过针式吸嘴杆的往复运动实现蔬菜种子的负压吸种与正压吹种,该播种机播种效率可达360盘/h。
浙江博仁工贸有限公司生产的气吸滚筒式穴盘育苗精密播种机[15]( 如图5所示) 借鉴国外滚筒式穴盘育苗精密播种机原理,采用负压吸种和正压吹种的原理,通过正负压转换板和旋转滚筒的相位变化实现滚筒的吸种、卸种与清孔,播种效率为900 ~ 1 200盘/h。上述气力式穴盘育苗精密播种机存在气压调节困难、播种精度低及对气路系统要求严格等问题。
在通用的结构原理上,国内的穴盘育苗精密播种机与国外已相差无几,但是作业性能与国外还有很大差距,限制了穴盘育苗精密播种机的研究开发与推广。
3 穴盘育苗精密播种机的原理和分类
3. 1 根据排种原理分类
实现穴盘育苗精密播种的关键是排种器,根据排种器的囊种方式和囊种力特征[16],排种器主要有机械式、磁吸式和气力式3种结构。
1) 机械式排种器目前应用于穴盘精密播种,其结构简单、播种速度快,但对种子外形尺寸要求较严,需要对种子进行严格筛选或丸粒化处理,且排种时易伤种。
2) 磁吸式排种器依靠电磁吸头精确吸取经磁粉包衣处理的种子,断电后磁力消失,种子在重力和离心力作用下落入穴盘穴孔,通过调节磁吸力的大小来控制播种量和播种精度。其具有较高的播种精度和对不同规格种子良好的适应能力。
3) 气力式排种器通过真空负压吸种和正压落种实现种子的精密播种作业。精密播种机利用真空装置产生真空,负压空气从种箱中吸附种子,当传感器检测到穴盘时,排种器对准各个穴孔,此时负压被切换成较低的正压,利用弱正压力将种子播种到穴盘中的预定位置,实现一穴一粒的精密播种。气力式排种器不损伤种子,对待播种子的结构尺寸要求不严格,无需进行精选分级,对种子的适应性较强,并可进行较高速度作业,已成为蔬菜花卉等小粒种子穴盘育苗播种的首选[17,18,19,20]。
3. 2 排种器设计样式分类
根据气力式排种器设计样式不同,穴盘育苗播种机可分为板式播种机、针式播种机和滚筒式播种机。
如图6所示,板式精密播种机针对规格化的穴盘,配备相应的播种模版,整盘负压吸种,对穴正压吹种,实现一次播种1盘、一穴播种1粒。其突出特点是价格低、操作简单、播种精确,但存在各个穴孔气压不均匀和播种精度低的问题。
针式精密播种机通过针式吸嘴杆的往复运动实现负压吸种和正压吹种两个工作流程。精密播种机通过真空发生器产生真空,同时针式吸嘴杆在摆杆气缸的作用下到达振荡的种子盘上方,吸嘴通过真空吸嘴吸附种子; 随后,吸嘴杆在回位气缸作用下带动吸嘴杆返回到排种管上方,此时真空发生器喷射出正压气流,将种子吹落至排种管,种子沿着排种管落入穴盘中。针式精密播种机播种精度好、效率高、全自动化操作、操作简便、应用面广、省工省时,但是更换针头和种子时需要重新进行气压调试及重新设置气体压力[21,22]。
针式精密播种机的针式吸嘴杆经历了由单排针式到双排针式的发展,美国SEEDERMAN公司生产的GS系列精密播种机( 如图7所示) 和英国Hamilton公司生产的Natural系列精密播种机( 如图8所示) 均采用单排针式的播种结构,生产效率能达到300盘 /h。单排针式精密播种机能够实现蔬菜种子的全自动播种,减轻了人工劳动的强度,但是单排针式吸嘴杆的往复运动消耗大量时间和能量。
荷兰VISSER开发了采 用双排针 式结构的GRANETTE 2000精密播种机 ( 如图9所示) ,该播种机在1个行程内播种两排种子,实现播种自动化的同时,提高了播种效率,效率达700盘 /h。
滚筒式精密播种机打破了针式播种的间歇作业流程,通过滚筒圆周吸附种子,实现种子的连续播种。如图10所示,滚筒式穴盘育苗精密播种机的种子由位于滚筒上方或侧方的漏斗喂入,种子被吸附在滚筒表面的吸孔中,多余的种子被气流或刮种器清理。当滚筒转到穴盘正上方时,吸孔与大气连通,真空消失,并产生弱正压气流,种子被吹落到穴孔中; 滚筒继续滚动,强正压气流清洗滚筒吸孔,为下一次吸种做准备。滚筒式穴盘育苗精密播种机由光电传感器信号控制播种动作 的开始与 结束,滚筒的转 速可以调节[23]。滚筒式播种机的特点是播种效率高,每小时可播种超过1 000盘,适合于大型蔬菜或花卉基地使用。
3. 3 根据自动化程度分类
根据自动化程度不同,蔬菜穴盘育苗精密播种机可分为手持式播种机、半自动播种机和全自动播种机。
早期的手持式播种机为板式结构,没有正压吹种装置,播种精度较低,多用于小型生产规模的蔬菜育苗精密播种,作业效率低、人工劳动强 度大。美国Seed E - Z Seeder公司生产的E - Z精密播种机( 如图11所示) 可供单人操作,操作熟练的工人播种速度可达120 ~ 300盘 /h[24]。
随着技术的发展,为了满足提高劳动生产率的要求,半自动精密播种机应运而生。如图12所示,赛得林半自动精密播种机仍由人工操作,增加了正压吹种装置、辅助振动刷子及种子回收装置。气动控制装置和电子控制装置的应用提高了播种效率和精度,可节省50% 以上的劳动力。
气动技术和电子控制技术推动着精密播种机朝着精准化和高效化的方向发展,而人力成本的上升要求自动化操作的推广与普及,播种效率、播种精度和自动化水平成为衡量精密播种机的重要指标。
如图13所示,意大利MOSA全自动育苗播种流水线可一次完成基质装填、压穴、精量播种、覆土、喷淋等作业,播种的深浅、压实程度、覆料的厚薄一致性和播种精度较好。
4 我国蔬菜精密播种机存在的问题
4. 1 精密播种机整体可靠性低
蔬菜精密播种机对播种的漏播率和重播率要求比较高,但是目前国内研制的,许多机型的播种性能达不到要求,尤其在高速作业下易因气压不稳定导致重播和漏播增多。此外,针头堵塞和清种不及时等工艺性故障也会引起重播和漏播现象,尤其对于形状不规则和质量比较轻的小颗粒种子,播种质量不稳定。
4. 2 自主创新能力有待于提高
我国蔬菜精密播种机还处于对国外技术的模仿阶段,没有形成具有独立特点的播种设备,自主创新能力还有待于进一步提高。
4. 3 机械结构与电气控制系统的融合不完善
由于运用了先进的电气控制技术,国内的蔬菜精密播种机基本实现了全自动化播种,但是在气压等主要播种参数的精准化调节控制方面还存在缺陷,无法适应蔬菜种子的精密播种作业需要求。
4. 4 农机与农艺结合不紧密
目前在蔬菜精密播种机的研究中,产品更偏重于功能性的实现,忽略了蔬菜小粒种子的特性,在实际的播种作业中造成种子的浪费,而包衣丸化处理的种子会增加成本而且影响发芽率。一般一种形式的精密播种机只能播种少数几个品种的种子,对种子的适应性低,不利于农业生产成本的降低[25]。
5 蔬菜精密播种机发展建议
5. 1 提高蔬菜精密播种机的精细化与标准化
提高蔬菜精密播种机的精细化程度,加强国际交流合作,引进国外先进的设计方法和制造工艺,结合国情,通过设计方法创新和制造工艺改进,研制开发精密播种的新机型; 建立精密播种机的标准化设计方法,提高精密播种机的通用性与对种子的适应性,提高设备使用率,降低用户使用成本。
5. 2 提高装备稳定性与自动化水平
优化与改进电气控制系统,实现机械部件与电气控制系统的无缝衔接; 采用精密的电气控制器件,实现主要功能参数的精细化调试与操作,提高系统的稳定性与自动化水平。
5. 3 农机与农艺相结合
将种子物理特性、空气动力学特性的研究与精密播种机的设计结合起来,研究适合于不同种类种子的精密播种机。
摘要：穴盘育苗精密播种机是蔬菜育苗技术的关键设备,可以减轻播种劳动强度,提高播种精度和播种效率。为此,调研了国内外穴盘育苗精密播种机的研究应用现状,分析了穴盘育苗精密播种机的工作原理和分类,指出我国穴盘育苗精密播种机存在的问题,并对穴盘育苗精密播种机的发展提出建设性的意见,旨在为穴盘育苗精密播种机的设计开发与应用提供科学依据和方法。
精密播种机的改装 篇5
播种是农业生产中关键的作业环节, 必须保证农时要求在较短播种时间内, 将农作物的种子精确播种到田间去, 可以有利于农作物的生长。因此, 播种质量的好坏, 将直接影响到作物生长, 并且对产量的影响也至关重要。播种质量的提高, 还可以节省种子, 减少田间间苗管理, 保证作物稳产高产。
精密播种机可以将确定数量的作物种子按栽培农艺要求的位置 ( 行距、株距、深度) 播入土壤。为了保证播种的精度, 笔者对播种机排种器性能、播种机组行进速度、土壤湿度等方面进行了研究。研究发现: 播种机开沟器与播种精度也有很大关系, 不同类型的开沟器形成的种子沟的形状不同, 对播种的深度和株距有一定影响。因此, 设计合理的开沟器的截面形状, 是提高播种机播种精度的主要手段之一。
为了研究开沟器的截面形状对种子播种精度影响, 选取V型截面、矩形截面和平底V型截面3种不同形状的种子沟对种子落地的影响分析和试验研究。 试验研究结果表明: 平底V型截面种子沟具有种子落地散射、反弹和滚动小的优点, 又具备了平底面硬底型种子沟播深一致性好的优点。通过计算和试验设计确定了平底V型种子沟的开沟器的结构参数, 并通过田间试验对平底V型开沟器播种精度进行了验证。
1不同种沟形状对种子着地的影响分析
1. 1 V型截面种子沟
V型截面种子沟, 如图1所示。通过对V型种子沟种子着地运动分析可以看出, 种子着地后沿两面沟壁向下滑, 落入沟内。不同的沟壁夹角, 种子楔入沟底的概率不同, 夹角越小, 种子楔入沟底的概率越大, 种子落地后的散射幅度越小, 精确度高。研究表明, 在前进速度1. 11 ~ 2. 22m /s时, V型沟夹角由90°减小到30°时, 沟内种子的分布精度提高了15% ~ 30% 。 因此, 设计V型截面开沟器时应考虑V型截面夹角, 不同种子大小对夹角的要求也不同。V型种子沟虽然具有克服种子着地后滚动和散射小的优点, 但是对种子的几何形状和尺寸反映的灵敏度较高, 只有在使种子能准确落入沟底, 才能保证播种的精确度。
1. 2矩形截面种子沟
如图2所示矩形截面种子沟, 通过对矩形种子沟种子着地运动分析可以看出, 种子一次性直接着地, 不存在沿两面沟壁向下滑问题。可以将沟底压成微椭圆状的硬平底, 其目的是从改善沟底的毛细现象出发, 使下层水分迅速上升到种子周围, 以利于种子发芽出苗。但根据精密播种机的田间实验和实际发展情况看, 已证明这种种子沟影响种子落地的精确度, 下落的种子易反弹、散射, 由于种子的滚动加大, 从而使作物的行距、株距不准确。其播种的精确度较低。 但是, 这种种子沟的播深一致性好于V型种子沟。
1. 3平底V型截面种子沟
如图3所示, 平底V型截面种子沟, 种子着地运动及种子着地后沿两面沟壁向下滑入沟内与V型截面种子沟相同。这种平底V型截面种子沟当种子落入沟底后, 楔入与种子尺寸相适应的平底沟内不再滚动。它具备了V型种子沟种子落地散射、反弹和滚动都很小的优点, 又具备了平底面硬底型种子沟播深一致性好的优点。这种种子沟具有精密播种独特的优越性, 实际使用证明, 播距精确度高, 播深一致性好。 但是, 必须根据不同种子大小, 设计开沟器底托的宽度, 使种子沟平底宽度与种子相适应。通过上述综合分析, 应首选适合平底V型截面种子沟。
2平底V型种子沟的开沟器的设计
2. 1开沟器的运动参数设计
1) 基本要求: 开出的种子沟要深浅一致, 沟型整齐、平直, 开沟深度可在一定范围内调节, 以适应不同作物的播深要求; 开沟时不乱土层, 不应将下层湿土翻至地面, 也不可使干土落入沟底, 应将种子和肥料导至湿土上。行内种子分布均匀, 种子不飞散而应都落到沟底; 应有一定的回土作用, 使细湿土将种子全部覆盖, 以利于种子发芽; 要有良好的入土性能和切土能力, 工作可靠, 不易被杂草、残茬和土块堵塞; 结构简单, 工作阻力小, 调整、维护方便。
2) 主要参数: 种子沟V型断面成 α = 40°; 播种机在前进速度vx= 1. 6m / s; 初始排种与水平方向成15°; 投种上限高度h = 110mm ; 投种下限高度h'= 140mm 。
2. 2 V型平底种子沟种子着地运动分析
运动分析表明, 当种子着地时, 种子相对开沟器已经后移一段距离。为了使种子沟在种子着地前仍保持设计形状, 必须合理设计开沟器的长度。V型平底种子沟种子落地运动分析如图3所示。为了叙述方便, 设v0为种子离开播种器初始速度, v1为种子初次着地速度, v2为种子二次着地速度。当播种机前进速度选1. 6m /s时, 初始排种相对速度与水平方向成15°, 要求种子相对地面绝对初始速度的水平分量v0x= 0 , 而铅垂初始速度分量为v0y= vxtanθ = 1. 6 × tan 15°= 0. 43m / s 。
经分析, 种子着地有两个极限状态: 一是因开沟器侧板结构决定的上限着地高度, 取h = 110mm , 此种情况种子将继续沿沟壁下滑, 种子二次滚落沟底; 二是种子一次性投入沟底, 取下限高度h'= 140mm 。
首先讨论第1种情况: 根据匀加速运动公式可计算种子初次着地速度v1= 1. 53m / s , 由落体运动公式v1= v0y+ gt = 0. 43 + 9. 8t = 1. 53m / s , 不难求出着地时间t = 0. 11s , 于是种子相对开沟器后移距离为Sr= vxt = 180mm着地。根据动能定理 ( 初动能只取沿沟壁方向速度, 设垂直沟壁方向速度的动能完全消耗在松软土的塑性变形上) , 取种子滑动坡长S = 0. 035m , 求出种子着地最终速度v2= 1. 55m / s 。此数据对种子相对后移距离影响可忽略不计。
同理, 可计算第2种情况的一次性着地速度为v'1= 1. 71m / s , 着地时间t = 0. 125s , 种子相对开沟器后移距离为Sr= 200mm着地。
上述分析种子相对开沟器后移距离数据, 为开沟器长度设计提供参考依据。
2. 3开沟器的结构设计
由上述可知, 平底V型种子沟在播种时, 播距精确度高, 播深一致性好。因此, 根据本地区生产的BQ型气吸式精量播种机 ( 专利号: 200320104978. X) 来研究开沟器的设计和使用。该种开沟器结构如图4所示。开沟器由开沟器刀、侧板、底托、盖板、连接板等组成。各部分通过焊合组合成开沟器本体。两底托板和侧板组成的角度, 决定了V型种子沟的夹角大小, 该夹角大小在设计时, 应根据前述的原理, 不宜过大。底托宽度决定了种子沟平形底边的宽度, 该宽度设计必须与种子的几何尺寸相适应, 以利于种子楔入。
2. 4开沟器主要部件设计
1) 开沟器刀的设计。对开沟器刀的基本要求是: 要有足够的强度和较高的耐磨性, 合理的入土角和正确的刃角, 具有较好的通过性, 以减小工作阻力。为保证和达到上述要求, 把开沟器刀的材料设计为6mm厚度的65Mn钢, 该材料强度高, 耐磨性好; 入土角设计为35°, 刃角设计为28°, 可以保证开沟器刀的入土性能, 可利于切断杂草, 提高开沟器的通过性, 大大降低了工作阻力。开沟器刀的受力情况如图5所示。
要求开沟器刀有足够的强度, 主要是其连接焊缝应保证强度足够。采取双面焊缝, 其单缝长lw= 150mm , 根据土壤阻力取pt= 12k N / m2, 种子沟横截面积At= 0. 006 5m2, 确定单犁水平阻力Fs= 200N , 引起铅垂压力Fq= 170N 。根据开沟器刀犁地角度和相关尺寸, 简化后焊缝所受力矩为Mz= 20N ·m 、平行焊缝受力Fx= 66N 、垂直焊缝受力Fy= 254N·m取焊缝强度ffw= 160 N / mm2, 设计焊缝高he= 0. 7hf= 5mm, 动力系数 βf= 0. 8 。因此, 垂直焊缝正应力为
平行焊缝剪应为
由焊缝强度条件计算, 即, 表明焊缝强度足够。
2) 开沟器侧板的设计。侧板是与土壤接触的主要工作部件, 要求有较高的强度和较好的耐磨性; 具有合理的侧板断面形状, 压制成型时在下部要有合理的侧面斜角, 保证和底托焊合后形成符合要求的平底V型断面, 从而保证在播种时, 能开出一个理想的平底V型的种子沟。根据计算和田间试验统计结果, 在设计侧板时选用3mm厚的65Mn的钢板, 左右侧板下面的斜角各设计为20°, 保证左右侧板和底托焊合后形成40°的V型平底断面 ( 理论计算时V型夹角45°时最好, 但考虑土壤变形等因素在田间试验时左右侧板的V型夹角以40°较好) 。侧板的断面形状如图6所示。
3) 开沟器底托的设计。开沟器底托在开沟器焊合中为核心部件, 它的几何形状、长度、宽度直接关系到能否形成理想的平底V型种子沟, 实现种子楔入沟底, 而不产生滚动, 达到理想播深和播距。在设计底托时, 考虑到精密播种机播种的农作物品种较多, 如玉米、大豆、向日葵、花生等, 由于种子的形状各不相同, 对底托的宽度要求各不相同。底托宽度尺寸的确定, 主要取决于种子的平均宽度。经过多次对不同作物的种子宽度进行实际测量, 经过统计计算, 决定把底托的宽度设计为6 ~ 10mm。同时, 制作了不同底托宽度的开沟器进行实际播种试验。通过大量的田间播种试验, 根据实际播种粒距测量并且把实际播种粒距与理论株距对比统计数据, 发现底托宽度在8mm时, 种子实际播种粒距和理论要求的播种粒距误差最小, 经过实际测量株距合格率可以达到95% 以上。通过理论计算和试验, 决定设计的底托宽度为8mm, 长度为70mm。
4) 开沟器盖板和连接板的设计。开沟器盖板的用途主要是盖住开沟器的上面, 防止土块和杂质掉进开沟器内, 影响播种的株距。连接板主要的作用是把开沟器总成牢固地连接到播种机的四杆仿形机构的下端, 这两个部件只要有足够的强度和准确的连接尺寸就可以了。
3田间试验与结果分析
3. 1试验设计与方法
1) 试验目的: 在开沟器设计过程中, 通过田间试验对比, 检测不同开沟器形成的种子沟对播种精度的影响。
2) 试验地点: 辽宁大连瓦房店田间耕作试验区。
3) 试验条件: 播种机前进速度1. 11 ~ 2. 22m / s; 试验用地: 采用粑地带拖板的方法平整土地, 实际播种地块土壤类型为壤土, 土粒细碎, 土表松软, 平整, 有适当的紧密度, 深度适应; 试验用的种子为玉米: 认真精选种子, 其颗粒大小均匀, 百粒质量29. 2g; 调整好BQ型气吸式精量播种机 ( 专利号: 200320104978. X) : 机具技术条件符合要求, 按要求调整好行距和株距, 播种机的理论株距为260mm。
4) 试验方法: 按正常农田播种技术要求进行播种试验, 播种精度数据采集后, 按播种质量检验标准内容, 经过统计计算得出。
将3种不同结构的开沟器安装在调试好的播种机上进行田间播种试验, 3种开沟器开出的种子沟的播种精度统计数据如表1所示; 对不同夹角侧板形成的种子沟进行田间播种试验统计数据如表2所示; 通过对不同底托宽度的开沟器进行实际播种试验的统计数据如表3所示。
通过田间实际试验结果可以看出, 播种精度符合JB / T1093 - 2001《单粒 ( 精密) 播种机技术条件》中要求的粒距在200 ~ 300mm时, 粒距合格指数大于或等于80% , 重播指数小于或等于15% 合格粒距变异系数小于或等于30% 。也证明了该开沟器主要部件的形状、 尺寸设计合理。
3. 2结论
1) 不同的开沟器开出的种子沟影响播种精度。V型种子沟: 对种子的几何形状和尺寸反映的灵敏度较高, 开沟器左右侧板V型夹角大小影响种子落入沟底的精度, V型夹角越小种子落入沟底的概率越大, 播种的精确度越高。V型平底种子沟: 这种种子沟的播深一致性好于V型种子沟, 播距精确度高, 播深一致性好。但是, 必须根据不同种子大小, 设计开沟器底托的宽度, 使种子沟平底宽度与种子相适应, 播种精度高。矩形截面种子沟: 这种种子沟影响种子落地的精确度, 它使下落的种子易反弹、散射、使种子的滚动加大, 从而使作物的行距、株距不准确, 其播种的精确度较低。但是, 这种种子沟的播深一致性好于V型种子沟。
2) 根据田间试验结果, 设计合适的开沟器底托宽度, 使种子沟平底宽度与种子相适应, 播距精确度高。 试验可以看出, 开沟器的底托宽度在8mm时, 播种玉米时, 种子实际播种粒距和理论要求的播种粒距误差最小, 并且对播种如大豆等颗粒相似的种子其兼容性也较好。
3) 经过计算和田间试验结果, 开沟器刀的设计, 选用材料为6mm厚度的65Mn钢, 其材料强度和耐磨性及焊缝强度能够满足工作要求, 开沟器刀的入土性能、通过性都很好, 大大降低了工作阻力, 并可利于切断杂草。
综上所述, 在精密播种机上设计和选用合适的开沟器开出的种子沟, 可以使行内种子分布均匀, 种子落入种子沟后不飞散和滚动, 大大提高了种子的播深和播距精确度, 达到了精密播种的要求, 播种质量和效果也很理想。经过多年的研究和实践, 平底V型截面开沟器具有广泛的应用价值, 特别对玉米、大豆等颗粒一致性好的种子, 合理设计平底V型截面开沟器的平底宽度, 播种效果更好。
参考文献
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精密播种机的改装 篇6
由信息技术支持的根据空间变异,定位、定时、定量地实施一套现代化农事操作技术与管理的系统,统称为精准农业(Precision Agriculture),其核心是根据作物生长的土壤性状,调节对作物的投入。在我国实施精准农业示范和研究工作具有重要的战略意义,作为精准农业系统之一的智能化农机具系统起着不可或缺的重要作用[1]。
现代农业对精密播种机械的要求越来越迫切。安徽省地形多为丘陵地带,播种作业规模多为中小型,且种子种类多,如芝麻、花生、大豆等,对播种机械提出了更高的要求[2,3,4,5]。
本文研究一种适应多类种子播种的手推式株距可调精密播种机的结构和运动特性,并以韩国姜式播种机为例,先进行CATIA建模,后进行ADAMS多体动力学仿真分析。该研究平台的建立为进一步分析土壤不平度、土壤力学特性以及播种机结构等因素对播种效率的影响提供了有效手段,为研究小型精密播种技术奠定了基础。
1 播种机整体结构
为适应山区和丘陵地区使用,手推式播种机结构简单、轻便,便于携带和作业。设计时,可采用轮式支撑以减小土壤阻力,并调节推力支架与地面角度以优化开沟深度和克服土壤阻力因素,降低作业人员疲劳强度。播种器的设计应能适应不同大小种子播种要求,且株矩在一定范围内可调节。另外,播种机整体设计可靠性要高,成本低[2,4]。图1所示是一款韩国姜式播种机三维模型,结合具体实物在CATIA环境中绘制。本文基于其具体物理尺寸建立虚拟样机,进行结构和运动学仿真,分析其工作特性。该播种机由支架、行走机构、排种器和传动装置组成。
1.推杆支架 2.播种装置 3 .地轮 4.传动装置 5.开沟器 6.覆土器 7.镇压轮
作业人员手施力于推杆支架,由地轮和镇压轮支撑播种机向前运动。地轮通过传动装置带动播种装置中的排种器旋转。在播种过程中,首先要由开沟器开沟,种子排入土壤后再由覆土器为播种沟覆土,最后由镇压轮将播种沟压实。
2 播种机关键部件建模与分析
2.1 窝眼式排种器
对播种机而言,其播种方式和播种质量主要取决于排种器,播种株矩调节主要取决于传动装置,排种器是播种机的核心部件。图2是排种装置的具体结构。采用了窝眼轮排种器,其工作部件是一个绕水平轴旋转的窝眼轮,窝眼轮转动时,种子容器中的种子靠重力滚入窝眼内,经刮种器刮去多余的种子后,窝眼内种子随窝眼沿护种板转到下方,靠重力下落。此机具适宜于播粒度均匀的种子,而以播球状种子最好[4,5]。此外,可制作多个窝眼轮备用,也可将窝眼轮制成滑套式,滑套可轴向移动以调节窝眼轮横向大小,简洁方便,易于操作。选用不同型孔的排种器可以匹配不同大小种子进行排种作业。
1.刮种器 2.排种器 3.排种器窝眼 4.种子容器
2.2 双链联合传动
播种机传动装置采用双链联合传动,传动路线如图3所示;传动装置三维建模如图4所示。
主链条两链轮之间的中心距a1=236.4mm;链节型号为08A型滚子链,节距p=12.7mm,链条共有50个链节组成;与滚子链相配套的主从动链轮齿数z1=z2=11,链轮分度圆直径d1=45.07mm。侧链条两链轮之间的中心距a2=123.2mm,链节型号同主链条,侧链共有28个链节组成,侧链中主从动链轮齿数z3=z4=8,链轮分度圆直径d2=33.19 mm。
主链条和侧链条之间通过六棱柱的传动轴进行动力的传动,其水平距离d=107 mm。与窝眼轮相配合的轴链轮的齿数z5=10。
1.主链条主动链齿 2.主链条 3.主链条从动链齿 4.六棱柱传动轴 5.侧链条从动链齿 6.侧链条 7.窝眼轮链齿 8.侧链条主动链齿
播种机总的传动比为
在理想情况下,地轮与地面接触且不滑转,地轮旋转1.25周,排种器旋转1周。
链轮与传动轴直接采用成形联接,工作过程中没有弹性滑动和打滑,尺寸紧凑,能保持准确的平均传动比和高的传动效率(约98%)。手推式播种机因人工操作,间断性和随意性较大,利用链传动是精密播种机传动的最佳选择[6]。
2.3 株距控制技术
株距可调是提高播种机适应性和改善播种质量的重要指标。根据土壤以及作物的特点选择适当的株距播种对农作物的生长和发芽率起重要作用[7,8]。合适的行距和株距可使作物受到充足的阳光照射,提高作物光合作用效率。图1中的播种机是单行型的,其播种行距由操作人员确定;但排种株距可采用两种方式实现:一是改变传动装置传动比,二是选配不同窝眼数量的排种器。
播种机传动装置传动比的改变通过选配不同链齿数z2的主链条从动链轮实现。在选择相同排种器时,z2选取越大,排种株矩越大。
窝眼轮排种器拆装方便,可现场选配不同窝眼数量的排种器调节播种株矩。图5为两种窝眼轮三维视图和尺寸图,两个窝眼轮在播种器中的安装方式以及运作方式都一样。
(a) (b)
株距s按式(2)计算,即
式中 s―株距(mm);
dd―地轮直径(mm),dd=260;
i―从地轮到窝眼轮传动比,i=1.25;
n―窝眼数,图5(a)中n=4,图5(b)中n=6。
分别计算得到:当n=6时,s≈108.85 mm;当n=4时,s≈163.25 mm。
综上,改变排种窝眼轮数目和选配不同的传动链轮,可以实现调节播种株矩的目的,以适应不同作物生长需要。
3 播种机仿真分析
ADAMS是以计算多体动力学为基础,包含多个专业模块的虚拟样机开发系统软件,利用它可以建立起复杂机械系统的运动学和动力学模型,通过对虚拟样机的仿真试验分析,可以有效实现结构改进、缩短开发周期。ADAMS软件基于IGES,STEP,STL/DWG/DXF等产品数据交换库标准文件格式实现其与其他CAD/CAM/CAE软件之间数据双向传输,从而实现同一数据在不同软件间的共享。
本文中基于CATIA软件建立整机模型。CATIA中的模型可以保存为IGES和STEP格式,但若用这两种格式导入装配体的话,导入的装配体成立一个PART,丢失了装配关系,且各部分显示为形面状态,无solid信息。ParaSolid为著名几何造型核心系统,可以提供精确的几何边界表达,能够在以它为核心的CAD/CAE/CAM系统间可靠地传递几何和拓扑信息。文中先将在CATIA中建立的模型保存为stp格式,再将其通过Solidworks软件转换成Parasolid格式,然后导入ADAMS软件中。这种方法很好地实现了CATIA和ADAMS之间的图形交换问题[9,10]。对导入ADAMS/View模型,还需要定义各部分的材料属性。图6为在ADAMS中定义各部分之间运动副和驱动副后的运动仿真模型。
精密播种机的运动仿真主要是研究各个部件之间的运动、受力情况和运动稳定性。设置仿真时间t = 10 s,仿真步长stp = 100,仿真类型为动力学分析(Dynamics)。基于ADAMS中提供的各个运动副在仿真过程中的受力、速度、加速度、位移等的测量信息对播种机运动进行分析。在仿真时以窝眼式排种轮作为检测目标,验证模型的准确性以及排种轮的工作性能。图7为排种轮的角加速度和角速度图。从图7中可知看出,在播种机启动运行一段时间后,保持手推速度不变时,窝眼轮的旋转速度稳定性很高,只是在启动过程中会有很短时间的加速过程。由此可知,建立的模型排种准确性高,运行可靠。
4 结论
通过CATIA软件建立了某典型手推式单行珠距可调精密播种机三维模型,并通过Parasolid格式导入到ADAMS软件中进行多体动力学分析。仿真表明了模型建立准确,运行可靠。
搭建的联合仿真平台为进一步分析土壤和播种机结构等因素对播种效率的影响,以及结构优化以提高播种机适应性等提供了有效手段,为研究适应安徽省山区、丘陵地带小型精密播种技术奠定了基础。文中采用的方法可以应用于其他类似研究领域。
参考文献
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精密播种机及常见故障排除 篇7
一、精密播种机的种类
精密播种机的类型按排种装置的工作原理可分为气吸式和机械式两大类。
1.气吸式精播机是由风机产生的负压使种子吸附在排种盘孔上, 在排种盘转到气道末端时随着负压结束, 种子靠自重落入种床。具有不嗑子、不伤种, 播种精度高等优点, 但价格昂贵。
(1) 为大型拖拉机配套的有2BQ-6型气吸式播种中耕通用机和2BQS-6型气吸式精播机。其作业行数均为6行, 通过更换不同排种盘可精播玉米、大豆、高粱、甜菜等作物。能一次完成侧深施肥、开沟播种、复土镇压等工序。通过改变安装形式, 更换不同专用部件, 可用于起垄、中耕、除草、施肥等作业, 具有通用性广, 综合利用率高的特点。
(2) 为中小型拖拉机配套的有2BQS-4型、2BQS、2型气吸式精播机。
2.机械式精播机。具有结构简单, 便于操作, 价格便宜等特点。
大型精密播种机如LFBJ-6型垄耕施肥精播机, 该机播种6行, 用于垄作深松整地, 同时进行精密播种、分层施肥作业, 可双行播大豆、穴播玉米等作物。主要结构特点:①整地与播种联合作业, 做到随整地随播种, 有利于保墒;②能进行分层深施化肥;③播种机自带镇压装置, 随播随压, 有利于保墒;④通过更换部件可进行整地、中耕等作业, 该机年利用率高。
比较常见的还有2BY-6型玉米精播机, 该机一次播6行, 能播玉米、大豆、高粱等作物, 垄作与平作兼用。该机结构特点是:①具有单体仿型机构, 播种深度控制准确;②有零压胶胎式镇压轮, 镇压效果好;③有倾斜勺轮式排种器, 投种位置低, 株距均匀, 嗑籽率低。2BT-1型通用单体播种机, 作业行数1行, 机械式畜力牵引作业。2BT-2型大豆精播机, 该机与小四轮拖拉机配套, 播2行, 能播玉米、大豆、高粱谷糜、甜菜等作物, 可双行单粒等距点播大豆, 单行穴播玉米, 精度3粒/穴±1, 双行拐播高粱, 精度为6粒/穴±2;双行簇播谷子, 精度10粒/穴±3。能播种同时深施化肥, 深度5～8cm。还可中耕趟地。
二、常见故障及排除方法
1.开沟器开出尖底沟。
原因是开沟器入土角过大, 应调整仿形机构。
2.开沟器不入土。
原因是压力弹簧压力不足, 入土角过小, 应调整为0～3°。镇压轮压力弹簧压力过大, 合理调整。
3.破碎率高。
原因是种子未清选, 精选种子净度应在97%以上;种子过湿;清种刀与排种盘间隙不当, 调整间隙在0～0.5mm。
4.排种不匀和空穴多。