煙草精量穴盤播種機的設計與試驗

宋東方,姬 虹,,李保謙,張秀麗

(1.河南職業技術學院 汽車工程學院,鄭州 450046;2.河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450002)

0 引言

煙草穴盤精密播種是煙草工廠化穴盤育苗技術的一項關鍵技術環節,是現代設施農業的重要手段[1],因其具有效率較高、節約空間、投資較少、有助于煙草幼苗的成活及高產穩產等優點得到了技術的推廣[2]。近年來,大量科研人員投入到煙草穴盤播種機研究中,針對煙草穴盤播種機出現的問題,研發出了多種煙草穴盤播種機。針對在播種時出現的空穴、多粒現象,楚宜民、張傳斌等人設計了不同形式的排種器[3-7],試驗證明:所設計的煙草穴盤播種機空穴率和多籽率較低,一定程度上解決了這類問題。針對裝基、覆土工序過程中存在的裝不滿、裝不實等問題,姬少龍、王龍飛等人設計了與之對應的覆土裝置[8-11]。在自動化程度上,吉武俊等人做了較為深入的研究,設計了全自動化煙草穴盤播種機,通過設計PLC來控制播種電機的轉速[12-15]。上述各個機型的設計和提出在一定程度上解決了各類問題,但還需要進一步改進。

為此,在前人的基礎上,設計了一種適合我國煙草工廠化穴盤播種的智能裝盤精量播種機。該播種機綜合考慮了煙草播種過程中出現的基質裝不滿、壓不實、播種合格率低、淋水覆土不均勻及控制不精確等問題,通過加入光電傳感器、編碼器得到準確信號,利用PID控制器控制播種電機與皮帶傳送電機的轉速對應關系,以達到播種均勻、破損空穴率較小、可控性高的目的。

1 基本結構及工作原理

1.1 設計原理

穴盤播種機由機架、基質填充裝置、壓穴裝置、控制系統裝置、播種裝置及噴淋裂解裝置組成,如圖1所示。穴盤播種機每一個作業裝置均是模塊化設計,便于拆卸維修。在機架中內置有傳送皮帶,皮帶由電機帶動轉動,推動煙草穴盤向前移動直至完成整個播種過程。煙草穴盤播種機中裝基、播種、覆土裝置都配有電機,播種裝置為由單片機控制的步進電機,機架、裝基覆土裝置則為普通單向異步電機。為了方便穴盤播種機的移動,機架上裝有萬向輪和定向輪組合,可根據播種地點的不同移動播種機。

1.機架 2.裝基 3.壓穴 4.電控箱 5.播種 6.裂解 7.覆土圖1 整機結構圖Fig.1 Diagram of the whole structure

1.2 工作原理及結構參數

播種機工作時,啟動機架上單向異步電機,機器開始運轉。當把穴盤放在傳送帶時,光電傳感器接收信號,單片機作用,播種、裝基及覆土裝置電機開始運轉;裝基電機和機架傳送電機轉速設置成一定的比例后運轉,保證了基質填充的效果;基質填充之后,通過壓穴裝置對穴盤中的基質進行壓實,使穴盤達到播種狀態;隨著皮帶的轉動,穴盤進入播種裝置,單片機通過機架編碼器信號得到穴盤運動速度輸入信號,以此為基礎控制播種步進電機轉速,對穴盤進行精量播種;播種后,進行后續的淋水和覆土作業,保證了煙草種子的成活率;最后,穴盤在輸送帶的驅動下進入苗池中,完成整個播種過程。

穴盤播種機的主要技術參數如下:

整機尺寸(長寬高)/mm:3800×653×1130

整機質量/kg:230

電壓/V:220

傳動電機功率/kW:0.75

步進電機功率/kW:0.4

生產效率/盤h-1:600～800

盤播種穴尺寸/mm:20×2

2 關鍵部件的設計

2.1 基質填充裝置的設計

基質填充裝置由料斗、基質輸送帶及電機等元器件組成,如圖2所示。其中,基質輸送帶由兩個帶凸起的轉動輥撐起,在輸送基質的過程中可以形成振動,使團狀基質變得松散,保證了基質的均勻拋灑,較好地解決了基質裝不滿、裝不實的問題。輥子軸距由張緊裝置調節,可改變基質在傳送帶上的振動強度,適應了不同濕度下的煙草基質。為了防止大顆粒成團基質落下影響裝基效果,設置了基質下落間隙,有效阻止了團狀基質的下落,達到均勻下料的目的,提高了裝基質量。

2.2 播種裝置的設計

播種裝置是穴盤播種機中最關鍵部件,其播種效果直接影響播種機的播種質量。目前,煙草穴盤播種通常存在空穴、多粒及破損等現象,為提高穴盤播種機的播種質量,設計了如圖3所示的播種裝置結構。

1.護種板 2.種子盒 3.毛刷輥 4.槽型播種輥圖3 播種裝置結構圖Fig.3 Diagram of the Seeding Apparatus Structure

由于煙草包衣種子很小,因此對煙草播種機提出了更高的要求。播種機最核心的部件為播種輥,該輥設置了200個穴孔,與煙草穴盤種穴相對應,可使種子一排排地落入穴盤中。毛刷輥也是播種裝置中一個重要的元件,其與槽型播種輥保持一定合理的間隙,可降低播種機的多籽率,也控制了播種機的空穴率,保證了一穴一粒的播種效果。護種板與槽型播種輥也保持相對的間隙,在播種時可避免播種裝置堵塞、破損率高等問題。播種電機轉速的控制為穴盤播種機精量播種的基礎,通過PID控制器控制播種步進電機與皮帶傳送電機的轉速對應關系,使穴盤播種達到理想的效果。

2.3 淋水裂解裝置的設計

淋水裂解是煙草穴盤育苗的一個很重要的環節,可提高煙草種子的出芽率。淋水裂解裝置主要由儲水箱和淋水管組成,如圖4所示。其中,淋水管下部設計了與穴盤對應個數的出水小孔,保證了每個種穴都能淋水,且水都淋在穴內。該設計不僅防止了煙草種子被水沖掉,而且節約了用水量。

1.水箱 2.淋水管圖4 淋水裂解裝置結構圖Fig.4 Diagram of the watering device

2.4 覆基裝置的設計

覆基裝置由料箱和下料輥子組成,如圖5所示。

1.料箱 2.下料輥圖5 覆基裝置結構圖Fig.5 Diagram of the Covering device

裂解后覆基的厚度會影響煙草種子的出芽率。1～3mm厚的覆土基質為最好,故下料輥采用槽型結構。這種結構可使基質成排落下,有設定的深度,不至于使穴盤下落過多。下料輥轉速由機架電機通過固定傳動比的鏈傳動裝置提供,保證了下料輥轉速的精確性及煙草種子的出芽率。

3 控制系統的設計

穴盤播種機采用了以STM32控制器為核心的控制系統[16],通過加入E18-D80NK漫反射式紅外光電傳感器和E6B2-CWZ6C-2000P編碼器得到準確信號,通過PID控制器控制播種電機與皮帶傳送電機的轉速對應關系。控制系統主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

工作時,傳送帶開始運轉,將穴盤放入播種機架上,此時光電傳感器感應到穴盤信號,基質填充裝置和播種裝置電機開始運轉。傳送帶電機轉速和播種步進電機轉速由編碼器測得。為保正精確的播種效果,傳送帶電機轉速與播種步進電機轉速需保持穩定的關系。此時,由單片機讀取傳送帶電機轉速與播種步進電機轉速值,利用PID控制器控制步進電機的轉速,做到實時調整,提高了播種機的播種精度。控制結構圖如圖7所示。

圖7 控制結構圖Fig.7 Diagram of control structure

4 性能試驗

4.1 PID參數整定

PID控制策略已經廣泛應用在控制技術中,使控制系統具有穩態精度高、動態響應快、超調小、抗負載干擾能力強等性能,表達式為

(1)

式中e(t)—控制偏差,作為PID控制器的輸入;

u(t)—PID 控制器的輸出;

Kp—比例系數;

Ti—積分時間常數;

Td—微分時間常數。

在實際使用過程中,必須將控制規律進行離散化[17]才可應用。PID控制的關鍵在于調整參數Kp、Ki、Kd。如果比例系數Kp太小,則系統調節量不夠,輸出量變化緩慢,調節時間過長;比例系數Kp過大,則造成播種電機轉速忽高忽低來回振蕩。合適的比例系數Kp能使系統反應靈敏,減小穩態誤差;合理的積分參數Ki和微分參數Kd能消除穩態誤差,提高控制精度,增強系統穩定性[18]。經過反復調試,確定Kp=1.02,Ki=0.025,Kd=0.4。

4.2 播種電機轉速標定試驗

在600、700、800盤/h的生產效率下運轉機器,通過輸入不同的K值來觀察播種合格率。為得到精確的數據,選取K值的間距為0.05,即K取1.30、1.35、1.40、1.45,來觀察結果。其中,播種合格率通過單粒率、空穴率、破損率及多籽率來判定,其關系如圖8所示。由圖8可以看出:K值為1.35時,穴盤播種機播種合格率最高,播種效果最好,故設定K=1.35。

圖8 不同K值對播種合格率的影響Fig.8 Effect of different K values on seeding pass rate

4.3 播種試驗

在工廠試驗區進行播種試驗,試驗現場如圖9所示。試驗基質為煙草常用有機基質,基質含水率在30%左右。穴盤選用常見泡沫穴盤,規格為長672mm、寬342mm、高52mm。其中,每個穴盤有200種穴,種穴尺寸為25mm×25mm。在600、700、800盤/h的生產效率下,分別統計10個穴盤播種單粒率、空穴率、破損率所占的比重和基質填充的合格率。其中,穴盤基質填充大于2/3為裝基合格。

圖9 試驗現場圖Fig.9 Field test picture

試驗結果如表1所示。由表1可知:穴盤播種機播種單粒率隨著生產效率的增高略有下降,但穩定在91%以上,空穴率和多籽率均在5%以下,破碎率則在2%及以下,機具各項指標均達到煙草穴盤播種機標準規定和要求。

表1 穴盤播種機試驗性能結果Table 1 Experimental performance results of tobacco tray seeder

5 結論

1)穴盤播種機結構緊湊,操作簡單,機動性強,可一次性完成裝基、壓穴、播種、裂解和覆土作業過程,且工作性能穩定可靠,生產效率較高。

2)穴盤播種機采用了以STM32控制器為核心的控制系統,通過加入光電傳感器、編碼器得到準確信號,通過PID控制器控制播種電機與皮帶傳送電機的轉速對應關系,達到了精量播種的效果。

3)試驗結果表明:播種單粒率在91%以上,空穴率和多籽率均在5%以下,破碎率則在2%及以下;機具各項指標均達到煙草穴盤播種機標準規定,滿足農藝上對煙草穴盤精量播種的技術要求。