電動準直蔬菜播種機結構設計與關鍵技術研究

吳紅雷，袁永偉，崔保健，弋景剛

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定　071001)

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電動準直蔬菜播種機結構設計與關鍵技術研究

吳紅雷，袁永偉，崔保健，弋景剛

(河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定071001)

摘要：目前，設施蔬菜播種農藝多以人工為主，而設施農業(yè)與精準農業(yè)要求農業(yè)機械沿著智能化與自動化方向發(fā)展。為此，設計了一款適用于溫室的電動準直蔬菜播種機，具備激光導航走直、轉彎靈活及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。同時，搭建了播種機的整體結構模型，確定了差速轉向為其轉向方式；經過對其播種開溝功率消耗和行走功率消耗理論推導與計算，確定了無刷直流電機的功率，并且計算了蓄電池的容量。該研究為電動準直蔬菜播種機的樣機試制與設計奠定了理論基礎。

關鍵詞：設施農業(yè)；蔬菜播種機；電動

0引言

自20世紀90年代中期以來，我國設施蔬菜面積一直穩(wěn)居世界第1位，設施蔬菜面積約占世界總量的90%。就種植規(guī)模來說，我國無疑是種植大國，但設施農業(yè)機械主要借鑒于以內燃機為動力的大田機械，尺寸結構大、操作不靈活、污染環(huán)境。在能源日益緊缺的情況下，隨著電池技術的發(fā)展及消費者對蔬菜品質要求的提高，研發(fā)電動精準農業(yè)機械成為一種趨勢，國外(如日本、韓國等)對溫室播種機具進行了研究、推廣和應用；但進口機具價格高、維護不便、適應性差[1-3]。與國外電動農業(yè)機械的研究相比，國內研究起步較晚且研究較少，播種機技術水平己經制約了溫室蔬菜產業(yè)的進一步發(fā)展。

針對種植蔬菜農藝中畫線、撒播、間苗、收割以人力為主，不僅浪費時間而且浪費種子，且葉類蔬菜播種不直給后期收割帶來不便等現(xiàn)狀，開發(fā)了一種電動準直蔬菜播種機。該播種機精準播種、行距可調、轉向靈活，準直行走精度滿足設施農業(yè)對蔬菜準直播種的農藝要求。

1總體結構及工作流程

電動準直蔬菜播種機主要由轉向系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、激光引導系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成，整機結構圖如圖1所示。

1.排種器主動輪　2.鎮(zhèn)壓輪　3.覆土板　4.排種器從動輪

主要工作流程為：激光接收器自動找正裝置以12V微型直流電機作為動力源。播種前，激光束照到激光接收器上，控制器判斷激光束所處的位置，控制直流電機轉動，直到激光束對準激光接收器中間，實現(xiàn)激光接收器自動對中。播種時，激光信號作為走直引導信號，控制器通過采集激光接收器接收的激光束的照射位置，判斷播種機是否直線行駛；經電磁剎車技術實現(xiàn)左右輪差速準直校正，從而引導播種機沿著激光束平面直線行走。

2播種機核心部件設計

2.1　轉向方式的選擇

轉向系統(tǒng)的好壞直接影響了準直精度，不同方式的轉向系統(tǒng)所需的控制方式也不同。對于精準設施農業(yè)來說，所選的轉向系統(tǒng)應該具有結構簡單、便于控制、反應速度快、性能穩(wěn)定及轉彎半徑小等特點。現(xiàn)對備選的四輪獨立轉向、阿克曼轉向、差速轉向及合成軸轉向等4種轉向方式進行比較[4-5]，其結果如表1所示。由于播種機的工作空間主要是狹小的溫室大棚，要求轉彎半徑小或者可以原地轉向，轉向必須靈活可控，而且能夠準直行走；另一方面由于整機以車載蓄電池為動力源，宜采用兩個電驅動輪結構，因而采用差速轉向系統(tǒng)能夠滿足播種機設計需要。

表1　轉向方式性能比較表

2.2　電驅動輪結構設計

該播種機采用直流電機作為動力源，直流電機置于驅動輪內部，電機轉子與驅動輪的一側端面通過螺栓緊固在一起，電機定子軸處在驅動輪端面中心位置，與車架連接，其結構如圖2所示。該驅動輪結構緊湊，便于安裝，兩驅動輪對稱安裝在播種機前方左右兩側，輸出軸與車架相連，電機轉動時驅動輪相對于機架產生相對轉動，驅動播種機運動，如圖3所示。當兩個驅動輪速度相同時，播種機沿直線運動，通過控制兩輪轉速差，實現(xiàn)轉向功能。

圖2　電驅動輪結構

驅動輪的外形結構決定了驅動輪與地面的附著系數(shù)：表面太光滑時，容易造成打滑現(xiàn)象；太粗糙時地面經驅動輪碾壓后會出現(xiàn)高低不平的情況，導致播種深度不一致，影響出苗率。為此，采用在驅動輪表面粘有高強度EVA膠的結構設計，不僅增加了驅動輪與地面的摩擦力，而且地面壤土經驅動輪碾壓后會形成比較平整的表面，保證了種子播種深度的一致性，提高了出苗率。

圖3　驅動輪布置方案

3播種機的功率消耗和電機的選擇

經過設施農業(yè)蔬菜播種調研發(fā)現(xiàn)：目前蔬菜播種深度一般都在3~5mm，最深不超過10mm, 播種機工作中行走速度為0.5~0.8m/s。由此可以推算出播種開溝和行走功率消耗。

3.1　播種開溝功率計算

由于播種過程中地形土壤等因素比較復雜，播種開溝阻力計算一般采用簡單的經驗公式[6-8]。當開溝器與前進方向成一水平轉角φ時，開溝器沿作業(yè)方向的水平總阻力Fx可視為由以下幾部分組成，即

Fx=F1+F2+F3+F4+F5

其中，F(xiàn)1為切土阻力；F2為開溝器前土堆沿地面移動阻力；F3為開溝器與地面間的摩擦阻力；F4為土屑沿開溝器上升阻力；F5為土屑沿開溝器側移阻力。

F1=KbBhsinφ

其中，Kb為單位面積上土的切削阻力，取Kb=5×104N/m2；B為開溝器寬度，取B=0.32m；h為平均切土深度，取h=0.01m；φ為開溝器水平回轉角，取φ=90°。

F2=Gtμ2cosαsinφ/Ks

其中，Gt=ρvmg，vm=0.693BHL；μ2為土與土的摩擦因數(shù)，取μ2=0.3；Ks為土的松散系數(shù)，取Ks=1.06；H為開溝器高度，取H=0.08m；ρ為土的密度，北方輕質土為ρ=1.2×103kg/m3。

F3=104K2Bλμ1

其中，K2為刀刃磨損后壓入土的比壓力，取K2=0.4MPa；λ為刀刃磨損后的接地長度，取λ=0.05m；μ1為土與鋼的摩擦因數(shù)，取μ1=0.5。

F4=0.5GtcosLδsinφ

其中，δ為開溝器切削角，取δ=50°。

F5=R0μ1cosφ

其中，R0為作用在開溝器上的法向。

播種開溝功率消耗為

P1=Fx·vm

其中，vm=0.8m/s為工作過程中最大速度。

播種開溝消耗的功率由上式計算可得：P1=160W。

3.2　行走功率計算

工作過程中驅動輪與地面接觸部分會產生法向、切向的相互作用力，受力分析[5]如圖4所示。

圖4　驅動輪行走受力圖

行走滾動阻力計算公式為

Ff=Gsfcosα

其中，Gs為整機質重，取G=6×102N；f為滾動阻力系數(shù)，取f=0.25；α為坡度角，取α=0°。

播種行走功率消耗為P2=Ff·vm，則播種行走消耗的功率為P2=120W。

3.3　驅動電機的選擇

無刷直流電機因具有良好的調速性能在電力拖動中得到廣泛應用[9-10]，其取消了電刷和換向器，直接采用位置信號傳感器感應永磁轉子的位置，通過控制器邏輯判斷控制相應的電極順序得電，具有結構簡單、工作穩(wěn)定、壽命長、無級調速及電子剎車等功能。考慮到車載電源為蓄電池，選擇無刷直流電機為播種機的驅動部件。本設計選擇的霍爾無刷直流電機的主要技術參數(shù)如表2所示。

表2　主要技術性能參數(shù)

電動機功率與牽引力、行駛速度、電動機扭矩和電動機轉速的關系為

其中，Pw為電機功率(kW)；F為整機最大牽引力(N)；v為整機行走速度(m/s)；T為電機阻力矩(N·m)；n為電機轉速(r/min)；ηw為傳動效率。將相關數(shù)據(jù)帶入公式可得：F=502.6N。

理論上驅動電動機可以提供502.6N的牽引力，實際所能提供的牽引力還與整機質量及地面附著系數(shù)有關。播種機行走時最大附著力FXmax與驅動輪法向反作用力FZ存在的關系為

FXmax=FZφ

其中，F(xiàn)Z為驅動輪法向反作用力；φ為附著系數(shù)，0.7。將數(shù)據(jù)帶入式中可得：FXmax=420N。

整機可提供的最大牽引力為420N，大于播種時的作業(yè)阻力，選取電機型號合適。

4蓄電池容量計算

其中，n為電池個數(shù);Cb為蓄電池額定容量(Ah)；E0為電池初始電動勢，E0=12V;Dη為電池放電深度，Dη=75%；k為放電指數(shù)，k=1.3～1.4，鉛酸電池k=1.347 ；Ib為額定放電電流，Ib=14.58A ；I為恒流放電電流，I=5.98A；P為電機的額定功率，P=350W。

帶入相關數(shù)值，計算得到：工作3h時，Cb≥11.9Ah，取Cb=20Ah。

5結論

1)針對目前設施蔬菜播種農藝多以人工為主、浪費時間和種子，以及葉類蔬菜播種不直給后期收割帶來不便等現(xiàn)狀，設計搭建了一種具備精準播種、行距可調、轉向靈活的電動準直蔬菜播種機。

2)采取電機轉子與驅動輪為一體、定子軸與機架固定，并在驅動輪表面粘有EVA膠的結構設計，不僅增加了附著力，且地面壤土經驅動輪碾壓后得到比較平整的表面，保證了種子播種深度的一致性，提高了出苗率。

3)經過理論分析與推導，得出了播種機工作過程中播種開溝和行走功率消耗，確定了驅動電機的功率和型號。

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Electric Collimating Vegetable Seeder Structure Design and Key Technology Study

Wu Honglei, Yuan Yongwei, Cui Baojian, Yi Jinggang

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China )

Abstract：The current facility vegetable sowing process is still human-base, and the requirement of facility agriculture and precision agriculture is that agricultural machinery develops towards intelligent and automatic directions. In this paper we design a electric vegetable seeder for greenhouse, the machinery include some advantages that are the laser navigation for go straight and Flexible turning, energy saving and environmental protection. We also built the structure model of seeding machine, determining differential steering for steering mode. According to the sowing and ditching power consumption and walking power consumption theory, We decided to use brushless DC motor and calculate the capacity of the battery. That will lay the theoretical foundation for the development and design of electric collimation planter vegetables.

Key words：facility agriculture; vegetable seeder; electric

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0105-04

作者簡介：吳紅雷(1988-)，男，河北保定人，碩士研究生，(E-mail)wuhonglei@163.com。通訊作者：弋景剛(1961-)，男，河北滄州人，教授，(E-mail)yjg@hebau.edu.cn。

基金項目：河北省科技計劃項目(13227204D)

收稿日期：2015-07-16