牧草精密排種構件及其監測系統的設計

焦 巍,劉坤宇,顧麗霞,布 庫

(1．中國農業科學院 草原研究所/農業農村部草原畜牧業裝備科學觀測實驗站,呼和浩特 010010;2．內蒙古農業大學,呼和浩特 010018;3．內蒙古經貿學校,呼和浩特 010000)

0 引言

草業可以為畜牧業提供堅實的飼料基礎,依靠豐富的草地資源發展畜牧業對建設小康社會、調整產業結構和促進農民增收等諸多方面具有重要意義。當前,我國草牧業面臨草產品需求量快速增加但供應量不足的狀況。機械化作業是提高牧草播種效率與播種質量和產量的主要手段,但目前我國牧草機械化種植還存在較多不足,尤其缺少精密播種機具及工藝,因此,進行播草精密播種機構的研究具有非常重要的意義。

國內專用小粒徑牧草種子排種器種類極少,牧草種子大都是利用小麥等糧食作物排種器進行播種,影響草場播種質量。隨著科學技術不斷發展及農藝要求不斷升級,對播種質量要求越來越高,精密播種技術應運而生。精密播種優化了種苗的密度,確保種苗生長擁有合理的生存空間,有利于擴大良種覆蓋面積,達到提高作物產量的目的。但在播種過程中,牧草種子易出現籽種大量傾瀉、架空,以及播量不均且難以監測等問題,使作業過程無法順利進行,研發高效牧草專用排種系統勢在必行。

1 牧草精密排種器總體結構及工作原理

選擇9BS-2.4型播種機作為試驗機型,選擇具有代表性的苜蓿種子作為設計參考對象。依據國家牧草產業技術體系標準與魏永鵬等人播量試驗結果可知:行距為200mm時,紫花苜蓿播種量為16kg/hm2,可以使牧草達到最優的生長效果[1-4]。本研究在此基礎上進行牧草排種器的設計,播種機三維示意圖如圖1所示。

2 精密排種系統構件設計

2.1 排種器設計

2.1.1 排種器類型選擇

通過分析種子物理特性,考慮到排種通用性等因素,選擇外槽輪結構排種器。

2.1.2 外槽輪排種器設計

1)槽輪直徑d:參照播種油菜等小粒徑種子標準,槽輪直徑選取24～28mm的標準[5]。牧草種子比油菜種子稍小,要維持播種過程中均勻性,選擇24mm的直徑進行槽輪設計。

2)槽輪工作長度L:工作長度影響排種連續性。其長度設計依據牧草種子物理特性及排種量進行選擇,本試驗選擇槽輪工作長度為33mm。

3)凹槽類型與槽數Z:選擇直槽型,有利于小粒徑種子排種。常用槽數Z=8～16,由于本研究是針對于小粒徑種子進行設計,外槽輪直徑相對較小,槽數設計盡量少才不會降低排種的均勻性,因此選擇槽數Z=8。

4)槽輪轉速n:一般來說,槽輪運轉速度在10～60r/min這個范圍以內播種效果較好。為了適應小粒徑牧草種子質量輕、落速慢的特點,播種機前進速度不能太快,選擇6km/h的速度進行排種。經過試驗可知:工作長度33mm的單槽可容納約400粒苜蓿種子。按照16kg/hm2的播量進行計算,單個排種器播量為1598粒/m,播種機速度為1.67m/s,行走1mm需要0.625s的時間,即1598粒種子需要在0.625s內播完,等同于每秒需要播2556粒種子,需要6個槽轉動進行落種,即外槽輪轉速0.75圈/s。計算可得:槽輪轉速n=45r/min[6-9]。

根據加工經驗,復合材料制造的外槽輪排種器工作性能較好,成本較低,表面光滑度對牧草播種影響不大。外形截面圖及三維結構示意圖如圖2所示。

2.1.3 阻塞片設計

阻塞片與外槽輪形狀一樣,槽數為8,直徑為26mm。阻塞片與外槽輪主體相連且固定其上,在外槽輪排種器改變工作長度來調整播量時防止種子的漏出[10]。阻塞片示意圖如圖3所示。

圖3 阻塞片三維示意及裝配圖Fig.3 3D schematic and coordination diagram of blocking slice

2.1.4 阻塞輪設計

阻塞輪有2個凸棱,用于和槽輪主體進行固定,嵌合主體之后可在其導軌凹槽內來回移動,達到調節槽輪工作長度及播量的目的。在材料選擇上,使用硬質復合材料進行制造,阻塞輪示意圖如圖4所示。外槽輪式精密排種器組裝示意圖如圖5所示。

圖4 阻塞輪三維示意圖Fig.4 3D schematic diagram of the block wheel

圖5 外槽輪式精密排種器三維裝配示意圖Fig.5 3D assembly sketch of precision seed metering box with outer groove wheel

2.2 種箱螺旋攪龍設計

2.2.1 螺旋攪龍結構與參數設計

螺旋攪龍用于牧草種子疏松與輸送。所設計的螺旋攪龍為單螺旋固定攪龍結構,選擇鏤空水平式輸送方式[11-12],其三維結構如圖6所示。

圖6 螺旋攪龍三維設計示意圖Fig.6 3D design sketch of spiral agitator

設計的五圓鏤空型攪龍與牧草種子接觸平緩,減少了旋轉過程對種子的損傷,且保證了工作效率。在保證穩定輸送工作狀態的同時,留有較大鏤空面積促使多余種子回流,實現了種箱內牧草種子疏松的作用。箱內螺旋攪龍截面示意圖如圖7所示。

圖7 種箱內螺旋攪龍截面示意圖Fig.7 Section diagram of spiral stirring dragon in seed Box

所研究的螺旋攪龍是結合9BS型播種機進行設計的,考慮其種箱的大小及螺旋攪龍與種箱底部距離,設計旋轉軸直徑為25mm,旋轉攪龍直徑為140mm;鏤空處形狀近似看作圓形,直徑為45mm,鏤空圓與螺旋外圓邊緣間的距離為3.8mm。

2.2.2 螺旋攪龍轉速計算及傳動齒設計

螺旋攪龍的主要目的是將種箱內種子攪拌均勻而不是進行輸送,所以對螺旋攪龍的轉速要求并不高。螺旋攪龍通過地輪采用鏈傳動方式帶動運行,攪龍轉速及各鏈條傳動比計算如下:

1)播種機地輪直徑為0.6m,地輪周長為1.89m,按照設計排種器轉速時所選取的播種機運行速度1.67m/s進行計算,轉速為52r/min,排種器旋轉軸轉速為7.5r/min,傳動比計算公式為

經計算可知,地輪齒輪與排種器齒輪傳動比為6:1,排種器旋轉齒輪齒數設計為36,則地輪旋轉齒輪齒數為6。

2)計算螺旋攪龍旋轉齒輪齒數及傳送比,需要確定其旋轉轉速。依據經驗與實際試驗可知:排種器外槽輪轉速為螺旋攪龍轉速的2～3倍時,排種系統可以達到較好的工作狀態。此處取傳送比i2=3,并據此進行計算,即

經計算可知,排種器外槽輪轉速與攪龍轉速比為3、螺旋攪龍轉速為15r/min時,播種機整體工作性能較好,螺旋攪龍齒輪齒數為18。

2.3 導種管設計

導種管是排種器與種溝間的連接部件,要求其對種子下滑過程干擾小,具有可彎曲性,以適應不同播種方式需求。本文探究利用“零速投種”理論提升導種管工作性能,使種子到達種溝時水平相對速度接近于零[13]。

2.3.1 導種管工作曲線軌跡設計

導種管工作曲線設計思路及方法:種管形狀為減函數曲線,種子運動速度方向隨著種管斜率而變化,到達種管口處時形成較大水平分速度,有利于零速播種。

2.3.2 實際導種管曲面軌跡計算

槽輪排種器槽輪直徑24mm,轉速n=45r/min,種子與導種管摩擦系數μ=0.4,種子著地速度va=1.2m/s,β=90°,農機前進速度ve=6km/h(即1.67m/s)。根據這組數據,確定導種管工作面曲線形狀。通過分析與計算,得到導種管工作面曲線方程為:y=1.9x-0.003x2。

2.3.3 球形散種面

為保證牧草種植密度,提高牧草種子使用效率,選用撒播方式進行播種作業。因此,設計了球形散種面,置于排種管下方;當種子經過導種管下落時,落到球形散種面上。由于種子會碰撞到其各個弧面,因此種子隨機彈向周圍各個方向,形成高效自然撒播效果。圖8為球形散種面。

圖8 球形散種面三維示意圖Fig.8 3D schematic diagram of the spherical scattered surface

3 播種作業的監控裝置

為實現精量播種,及時發現并排除工作故障,研發了適合不同排種要求的精種作業監控裝置。圖9為中國農業科學院草原研究所研制的高精度數粒傳感器。

工作原理:種子從排種器排出后,通過高精度數粒傳感器感應區域,遮擋紅外線產生截斷信號,控制器記錄傳感信號,記為種子播量。

數粒傳感器在工作過程中,當種子從排種器下落時,會出現種子之間相互遮擋,卻只有1次光束遮斷的情況發生,產生計數偏少的誤差。為了減小這種情況所造成的誤差,需要使種子下落到感應平面處時盡量不要重疊(即實現種子相互不遮擋),從而提高感應裝置的采集數據的準確性。圖10所示為所設計的散種部件截面圖及整體圖,其橫截面為三角形下漏斗,最底端開有一定尺寸的下漏口。下漏口大小需要考慮種子的正常流量下落,既不會造成種子卡殼影響播種,又要防止種子在下落時形成相互遮擋的情況。因此,下漏口寬窄選擇為種子最大粒徑的1.25倍較為合適。散種部件兩側可以進行旋轉移動,兩端裝有固定螺栓用以調整漏種口大小,具有很好的適應性。種子從排種器下落到散種部件中,會有種子反彈濺射,為了防止種子彈出,在散種部件上部兩端增設封蓋,保證排種作業的順利進行。

散種部件與排種器在排種器的排種口處直接進行匹配,如圖11所示。散種部件漏種口伸入高精度傳感器感應截面處,減少了外部條件對排種的影響。

4 試驗

試驗設定排種器槽輪為最長工作狀態,即長度為33mm,此時排種器落種數量最大,對數粒傳感器的監測難度最高,且能夠較為精確地對排種器性能進行監測,研究結果對產品的性能改進有實用價值,具有代表性。

4.1 試驗目的

對上文中所設計排種監測系統按照田間工作模式進行模擬試驗[14],試驗主要目的如下:

1)檢測所設計的外槽輪排種器在實地播種作業過程中的運行準確性和可靠性;

2)檢測所設計的散種部件工作性能及計數傳感器的可靠性和準確性;

3)檢測所播種子物理特性,計算傷種率,驗證系統的播種性能。

試驗儀器:外槽輪排種器、散種部件、高精度數粒計數器及微電腦自動數粒儀,如圖12所示。

4.2 試驗方案

使用小粒徑苜蓿種子進行試驗,取100粒種子進行試驗,檢驗數粒播種準確性。

4.2.1 種子數粒監測試驗

苜蓿粒徑小,難以監測,可作為小顆粒牧草種子的代表。苜蓿種子數粒監測對比折線圖如圖13所示。

圖13 苜蓿種子數粒監測對比折線圖Fig.13 Monitoring and Contrast Breakdown Chart of Alfalfa Seed Number and Seed Number

試驗發現:設計的排種監測系統在添加散種前后,苜蓿種子數粒監測平均值為82粒和89粒,計數精度有所提高。

由于目前國內還未有數粒監測裝置性能檢測標準,所以根據本試驗結果可得,所設計的排種監測裝置有較高的準確性,且具備實際應用價值,對于牧草機械化精密種植有很大的實際意義。

4.2.2 種子破損率分析

由試驗發現,種子在排種過程中破損率與有無添加散種部件無關,只與排種器排種結構性能有關。試驗結果如下:

1)苜蓿種子排種實驗中,多組100粒苜蓿種子經由排種器播種幾乎沒有出現損傷,計算符合依據編號DB1/T295-2005的《農業機械化標準概要》中規定的牧草(苜蓿)播種機的作業質量:種子破損率≤0.5%。

2)排種試驗在破損率方面符合行業標準,尤其在小粒徑種子排種方面表現優異,說明本排種器結構設計合理。

4.2.3 與微電腦自動數粒儀的對比

表1為自動數粒儀與高精度數粒傳感器的多組試驗平均計數量對比。

表1 數粒儀與數粒傳感器精確性對比表Table 1 Precision comparison between high precision granulometer and automatic granulometer

通過對比試驗發現,對粒徑較小苜蓿種子進行計數時,設計的數粒傳感器精度遠高于微電腦數粒儀精度,其監測效果更好,更適合實際工作。

4.2.4 試驗結論

試驗結果表明:排種器設計合理,在排種過程中可以保持較低的種子破損率,且添加了散種部件的排種系統排種更為準確,在實際生產過程具備較高應用價值。

5 結論

1)所設計的外槽輪式排種器可以保證穩定的工作狀態并使種子破損率處于很低的數值,適合小粒徑種子排種。

2)本文所設計高精度數粒傳感器可以精準測量排種量,平均精度82%以上,且具備較高的實用價值。

3)在添加散種部件進行數粒監測后,發現種子計數精度明顯提高,其中小粒徑種子計數精度提高了7%～8%。由此可見,散種部件對于精確計數具有明顯的提升作用。