電控錐盤式蔬菜播種機設計與試驗

王方艷 孫光全 張 欽

(青島農業大學機電工程學院， 青島 266109)

0 引言

蔬菜播種作業不僅人工勞動強度大、播種精度控制難，而且耗時費工、勞動成本高，因此迫切需要實現機械化播種[1]。蔬菜播種機主要包括機械式和氣力式兩種[2]。通常采用種子丸粒化技術來規范種子尺寸，從而保證機械化播種過程中的充種、攜種和排種精度及準確性；采用種繩編織方法保證機械化播種株距，從而解決種子形狀不規則及質量小、機械化播種效果不穩定的問題；采用氣力播種技術適應種子外形及尺寸，從而提高單粒播種精度及播種適應性。但丸粒化技術和種繩編織方法都增加了蔬菜的制種成本，氣力播種技術增大了播種機的制造成本。因此，降低播種成本、提高播種質量是實現蔬菜機械化播種的關鍵。研究蔬菜精密播種技術及研發裸種播種設備對推動蔬菜機械化生產具有重要意義。

國外對蔬菜播種技術及裝備的研究起步較早，其自動化、智能化水平較高[3]。歐美發達國家以適于大田作業的氣力式播種設備為主，其配套動力大、銷售價格高，可實現開溝、播種、覆土、施肥等多種功能，且通過更換播種盤可適應不同的蔬菜種子，如馬斯奇奧的氣力式播種機。日韓以中小型動力配套的機械式播種機為主，其整機結構緊湊、輕巧，多適于種子丸粒后的播種，如矢崎SYV-M600W蔬菜播種機，但窩眼輪式排種器型孔較小，易被灰塵及雜質堵塞。國外播種機具價格高、播種成本高，并未在我國大面積推廣應用。我國對蔬菜播種技術及裝備的研究起步較晚，在引進消化國外先進技術的基礎上，研制了多種中小型蔬菜播種設備，但播種理論及技術不夠成熟，播種設備的性能及通用性還有待提高[4]。德易播農機公司生產的DB系列蔬菜播種機采用尼龍窩眼輪式排種器，具有良好的通用性，但存在窩眼堵塞、種子破碎及易漏播的問題，不適于高速工況[5-6]。青島大順精鋒公司研發的DS-3S型精量播種機采用種繩播種機構，其作業速度可達8.3 km/h，播種效率高，但需提前對種子進行包衣、纏繩，成本相對較高，且需播種后澆水，播種精度由纏繩種子間距決定[7]。青島農業大學研制的氣力式蔬菜精量播種機通過更換排種盤來適應不同蔬菜種子的播種要求，采用電機驅動排種盤從而調整播種株距，但價格高于機械式播種機。目前，我國蔬菜播種機研究已取得一定進展，但多樣的種植條件及種子特性對蔬菜小株距、淺播深的精密播種提出了更高的要求。為此本文提出電控錐盤式蔬菜播種機，以期實現白菜、菠菜等裸種的低成本、精密、高效播種。

1 整機結構與工作原理

電控錐盤式蔬菜播種機由汽油發動機提供動力，采用手扶導向前進的工作方式，主要由鎮壓輪、開溝覆土器、地輪、旋轉編碼器、汽油發動機、減速器、機架、排種管、錐盤排種器、直流電機、供種器、扶手、機架、閉環控制系統等組成。整機結構如圖1所示。

作業時，根據蔬菜種子的播種要求，在閉環控制系統中設置株距。旋轉編碼器分別檢測前輪動力輸入軸與排種軸的轉速，并反饋至閉環控制系統。針對不同前進速度，閉環控制系統調節供種器轉速及錐盤排種器轉速，實現前進速度與排種速度匹配，實現播種精度控制。播種時，發動機提供動力驅動前輪前進，操作人員輔助導向，并控制前進速度。直流電機為供種器及錐盤排種器的旋轉提供動力。種子由供種器連續落入錐盤排種器，沿著錐盤面均勻散落至錐盤的種環槽內，伴隨錐盤的轉動被推種器推入排種管內，然后經排種管掉落到滑刀開溝器開好的種溝內，完成播種過程。該機可以更換不同型孔尺寸的排種盤，實現多種蔬菜的播種作業。整機技術參數如表1所示。

表1 技術參數Tab.1 Technical parameters

2 傳動及控制系統

2.1 傳動系統

汽油發動機為機具的前進提供動力，直流電機為供種器及錐盤排種器的轉動提供動力。其中，汽油發動機動力通過帶傳動、減速器、鏈傳動后，帶動機具前進。直流電機一路動力經鏈傳動帶動供種器轉動，另一路動力經錐齒輪轉向帶動錐盤排種器轉動。傳動系統原理圖如圖2所示。

該機行駛動力消耗主要包括行走功率和開溝功率。其中，行走功率P1和開溝功率P2滿足[8-9]

(1)

P2=Fvm/1 000

(2)

式中f——滾動阻力系數

m——機具質量，kg

η1——傳動效率

F——開溝阻力，N

g——重力加速度，m/s2

vm——機具前進速度,m/s

通常滾動阻力系數f為0.085～0.17，傳動效率η1為0.8～0.9，單個滑刀開溝器工作阻力為200～400 N[10]，人步行速度為1.6～2.5 km/h，機具質量約200 kg。取滾動阻力系數f=0.1，傳動效率η1=0.9，單個滑刀開溝器工作阻力F=400 N進行計算，機具前進速度為0.7 m/s，則4行播種機的行駛驅動功率約為1.27 kW。

直流電機功率由供種器工作功率P3和錐盤排種器工作功率P4組成，且滿足[11]

(3)

(4)

式中τ1——供種軸阻力矩，N·m

τ2——排種軸阻力矩，N·m

n1——供種器轉速，r/min

n2——錐盤轉速，r/min

η2、η3——傳動效率

參照水平圓盤排種器，排種器的極限線速度為0.30～0.35 m/s[10],轉軸阻力扭矩不超過10 N·m，經預試驗選定排種盤極限轉速為170 r/min，確定電機功率為356 W。

2.2 閉環控制系統

閉環控制系統由主控制器、速度檢測模塊、觸摸屏、電機驅動模塊等組成。考慮機具田間工作環境的復雜性及振動、粉塵的影響，選用抗干擾性強、可靠性高、維護方便的ZK3U型PLC。采用24 V直流電源，通過航空插頭聯接電路各模塊，利用DC-DC技術供電。閉環控制系統框圖如圖3所示。

機具驅動輪的棱條結構增加了其與地面的摩擦因數，避免了機具行進打滑。根據操作員的行走速度，設定播種機的前進速度為0～2.5 km/h，得出錐盤排種器回轉一周的時間為3～28.5 s，選用80BL100S40-445TK9型直流電機控制排種器及供種器轉速。工作時，通過2個旋轉編碼器實時獲取機具前進速度及錐盤排種器的回轉速度，借助閉環控制系統控制電機轉速，實現播種速度與前進速度的實時匹配。

3 關鍵部件設計

3.1 錐盤排種器

錐盤排種器是蔬菜直播機的核心部件，直接影響機具的播種效果，主要包括錐盤、分種螺帽、推種器、固定架、殼體等，結構如圖4所示。工作時，種子從供種器落到錐盤后順著錐盤面呈放射狀滑落入凹形結構的種槽環內，并由刮種板刮掉多余的種子，保證種子單粒排序及充種。推種器固定在殼體上，利用錐盤轉動和推種器滾動使種子在固定位置落種，實現種子的主動排種。

3.1.1種子運動特性

供種器的種子流經分種蓋沿錐盤面滑落時，錐盤處于勻速回轉狀態，使得種子的運動狀態復雜。以錐面上任意下落的單粒種子為研究對象，建立如圖5所示坐標系。

種子受力包括滑動摩擦力Ff、空氣阻力Fh、離心力FL、科氏力Fk、支承力FN、種子間作用力P及重力G。因種子間的相互作用力P方向和大小隨時變化，且供種器持續供種量不大，除去相互抵消的作用力之后，P可忽略不計[12]。種子沿錐盤向下運動過程中橫向位移很小，因此空氣阻力Fh干擾可忽略不計。科氏力Fk與錐盤轉速、種子相對錐盤速度vr成正比，即

Fk=2m1vrωsin(90°-θ)

式中m1——種子質量

ω——錐形排種盤角速度，rad/s

θ——錐體底角,(°)

由于錐盤轉速不高、小籽粒蔬菜種子質量很小，可忽略種子的科氏力Fk。因此，要保證種子不脫離錐體表面，均勻順利滑入錐盤種槽[13]，需要滿足

(5)

式中μ——摩擦因數

r——種子所在點與錐盤中心的距離，m

由式(5)可得Gcosθ≥FLsinθ，求得

(6)

式中h——錐盤高度，m

由式(5)、(6)可知，當種子在x軸方向的合力大于等于零、y軸方向的合力等于零時，種子沿錐面順利下滑，且不飛離錐面。種子在錐盤表面順利滑落時的錐盤角速度ω與錐盤高度h有關。研究表明，排種過程中的種子彈跳與投種高度及種子落點所在面的傾角存在線性關系，即投種高度越大、傾角越大，跳種現象越明顯[14]。結合預試驗發現當錐體底角θ不大于50°時，分種螺帽與供種器的距離不大于20 mm，種子會在錐體表面發生一次彈跳但彈跳高度較小，彈跳后種子沿著錐盤表面均勻滑落到種環槽內。

種子由分種蓋沿錐盤面滑落后進入種槽環內，且落入種槽環的狀態取決于種子相對于錐盤的相對運動。設種子為圓形，種槽環寬度為W，種子沿著錐盤的徑向方向進入種溝，運動學分析如圖5所示。種子進入種溝時，其極限速度vmax為

(7)

式中r1——錐盤半徑，mm

r4——型孔半徑，mm

在滑落過程中，種子受到的外力有重力G、滑動摩擦力Ff及F′f、支承力FN，忽略種子降落的初始速度。由動能定理可得

(8)

式中s1——錐盤底部到種槽環之間的距離，mm

s——錐盤母線長度，mm

vt——種子滑落到種槽環邊緣的速度，m/s

由式(7)、(8)可得

(9)

由式(9)可知，距離s1受錐盤高度h、半徑r1、回轉角速度ω的共同影響，是錐盤結構尺寸的關鍵參數。

3.1.2錐盤結構

錐盤由中心圓錐面與圓環凹面組成。種子沿錐盤錐面滑落進入種槽環，并在推種器滾輪與刮種板的輔助下自然排序。隨著錐盤的轉動，落入型孔的種子在推種器滾輪的作用下推出型孔，實現順利排種。其中，錐盤的轉速影響種子運動狀態及充種效果。同時，錐盤轉速過高時，種子易飛離錐面，不利于種子落入種溝及種子型孔，且縮短了型孔與推種器的作用時間，易造成漏播[15-17]。下種盤的落種孔采用槽孔結構，如圖6所示，錐盤型孔、下種盤槽孔、殼體槽孔中心在同一軸線E上，且下種盤槽孔、殼體槽孔尺寸大于錐盤型孔，有利于種子的順利下落，避免落種時切種、傷種及堵塞。

為方便種子落入錐盤的型孔，保障種子排列、充種穩定、及時，選擇圓形型孔并保證型孔數量，且播種時型孔個數Z2、型孔半徑r4、種槽環寬度W、深度T1應分別滿足[18-19]

Z2=240vm/(Sn)

(10)

(11)

(12)

式中S——株距，mm

n——錐盤轉速，r/min

lmax——種子最大長度，mm

b——種子平均寬度，mm

l——種子平均長度，mm

ΔT——種槽環間隙，mm

參照蔬菜種子的滑動摩擦因數及常用錐面排種器的結構，經預試驗確定錐盤高度h為55 mm，錐體底角θ為30°，求得r1為95 mm，型孔的分布半徑r2為100 mm，錐盤外輪廓的半徑r3為110 mm。針對蔬菜種子尺寸，確定菠菜種子錐盤上的種槽環寬度W為2.5 mm，深度T1為2 mm，型孔半徑r4為1.25 mm，型孔數量Z2為28個；白菜種子錐盤上的種槽環寬度W為2.5 mm，深度T1為2 mm，型孔半徑r4為1.5 mm，型孔數量Z2為20個；大蔥種子錐盤上的種槽環寬度W為1.5 mm，深度T1為2 mm，型孔半徑r4為0.5 mm，型孔數量Z2為30個。

3.1.3推種器結構

推種器固定于排種器的外殼，由壓板、刮種板及推種器滾輪組成，結構如圖7所示。工作時，刮種板將種溝外的種子刮離。滾輪沿種槽底部被動滾動，并在彈簧力輔助下滾壓種子。當錐盤型孔與隔板投種口重合時，型孔內的種子被滾輪推出，避免卡塞或遺漏種子。

推種器與錐盤結構相互配合，并固定于排種器的外殼內側，且滾輪位于種環的正上方，則通道寬度H1、高度H2、推種器的厚度H3應滿足

(13)

H3=r3-r2+r4+Δh3

(14)

式中 Δh3——推種器凹面與推種輪之間距離，mm

推種的弧度ε滿足

(15)

式中c——推種器滾輪到固定點的安裝距離，mm

刮種板用兩個螺釘固定在推種器兩側，寬度H4與推種器厚度H3保持一致，并采用橡膠材質減少對種子的損傷。考慮蔬菜種子尺寸的范圍，取種槽環寬度W為2.5 mm，0<Δh3

推種器滾輪直徑是影響推種效果的關鍵參數，若推種器滾輪直徑過大推種效果不明顯，若過小則會損傷種子[20]，推種位置如圖8所示。推種器滾輪半徑r5應滿足

(16)

式中 ?——型孔倒角，(°)

s3——推種行程，mm

為適應不同類型的小籽粒蔬菜種子，保證種子被順利推出型孔，取?為45°、推種行程s3為1 mm，則3 mm≤r5≤15 mm。為提高推種裝置的適應性，取r5為7.5 mm。因推種器滾輪質量較小，則推種器的推種力由彈簧力決定。彈簧力過大，會損壞種子；彈簧力過小，則推種效果不明顯，不利于種子的下落。為保證低損投種，經預試驗初定彈簧壓力為5 N，選擇推種彈簧剛度為5 N/mm。

3.2 供種器

供種器位于錐盤排種器的上方，與直流電機、鏈輪、鏈條、閉環控制系統組成種量控制系統。為保障錐盤排種器內的種量穩定、滿足播種要求，采用槽輪式排種結構連續取種、排種，通過閉環控制系統控制供種輪的轉速，調節供種器與錐盤排種器的速度匹配關系。供種器由傳動軸、分種箱、傳動鏈輪、供種輪組成，結構如圖9所示。

針對蔬菜種子特性及尺寸，考慮播種的種量要求，控制排種器的實時種量，設計合理外槽輪結構(槽輪直徑、槽深、凹槽半徑等)，利用傳動軸及槽輪孔的螺紋連接形式，調節供種器的有效工作長度，從而實現種量的精確控制，避免因槽輪尺寸大而發生種量的脈動現象。

播種前，錐盤種槽環內需要充滿種子，初次供種量q1應滿足[21]

(17)

正常工作后，供種輪每轉1圈的供種量q2應滿足[22]

(18)

其中

le≥2l

(19)

式中dg——外槽輪外徑，mm

le——供種輪有效工作長度，mm

ρ——種子密度，g/cm3

α0——槽內種子充滿系數

fg——單個種槽橫截面積，mm2

tg——種槽節距，mm

γ——帶動層特性系數

為了方便種子順利進入供種輪凹槽，凹槽深度h3應適應種子尺寸。凹槽深度h3應滿足

(20)

式中rg——外槽輪凹槽圓弧半徑，mm

ξ1——槽輪兩齒數間夾角，(°)

ξ2——凹槽圓弧所對應的夾角，(°)

單個種槽橫截面積fg為

(21)

考慮供種輪空間結構及播種效果，小籽粒種子播種輪不宜過大，且種槽數多、槽淺時播種量均勻[23]。如菠菜種子每次播種4行，W=2.5 mm，T1=2 mm，r2=100 mm，l=1.5 mm，初次供種量q1為930粒。經預試驗確定種子充滿系數α0為0.3，槽半徑r6為1 mm，帶動層特性系數γ為0.2，外槽輪半徑dg為28 mm，供種輪凹槽個數Z1為12，供種輪有效工作長度lg為9 mm。

3.3 開溝覆土器

開溝覆土器與土壤直接接觸，主要完成開溝、導種及覆土任務。鋤鏟式開溝器和寬幅翼鏟式開溝器開溝阻力較大、工作幅寬較大且工作不穩定，不適用小籽粒蔬菜播種；圓盤式開溝器易將干濕土混合，不利于保墑，且種子在橢圓形種溝內易造成播深不一致，不適用于精量播種[24]。滑刀開溝器入土性能較好，但長滑刀多用于播種大粒種子，短滑刀易壓實土壤不利于種子萌發。結合蔬菜播深淺的特性，設計一種滑刀開溝器。該機構主要由開溝鏟片、覆土板、開溝器定位桿、排種管及張緊彈簧等組成，結構如圖10所示。

滑刀刃口采用鈍角破土，側板將土壤擠向兩側，種子從中部排種管落到溝底。為防止溝壁上層干土先落到溝底和覆蓋種子，側板尾部制成斜口，并逐漸向后收攏，使下層細濕土先落到溝中覆蓋種子，以利于種子發芽。同時，減少滑刀刀片的長度，增加自適應刮土機構使其結構更加緊湊。彈簧有一定的預緊力，保障刮土板隨地浮動，將種溝兩側的土壤刮送到種溝內，完成種子的覆土。開溝器的開溝阻力與滑刀刃的曲線有關。設刃口曲線為指數函數曲線[25]，如圖11所示。

刃口曲線公式為

(22)

(23)

(24)

式中QA——A點處切線與x軸夾角，rad

QB——B點處切線與x軸夾角，rad

βA——滑切角，rad

βB——初始滑切角，rad

因為yB=yA+lAB,求得e1=e(cotβB-cotβA)/lAB,代入式(22)得AB曲線方程為

y=[e(cotβB-cotβA)/lAB]x

(25)

滑切角要滿足滑切條件，摩擦角大于23°，所以滑切角應不小于23°。經實踐得出，滑切角大于 55°時，工作阻力大，不易入土；而滑切角在 23°時，刀口滑切曲線曲率大，實際應用不可能[26]。因此，滑切角βA為23°～55°時，曲線AB適用于滑刀開溝器的刀口滑切曲線[27]。

開溝器接觸土壤瞬間，土壤發生變形，受力如圖12所示。其主要受到摩擦力F′和滑刀對土壤的法向壓力N′。為使刀刃切開土壤，減小工作阻力且使產生的土壤顆粒沿刃口向后運動，應使滑刀對土壤的法向壓力N′的分力T′大于滑切過程中土壤質點受到的摩擦力F′[28]，即

T′>F′

(26)

式中，T′=N′tanη，F′=N′tanβ，由于β+η=90°，為實現順暢滑切，故刃口角η應滿足η<90°-β，確定η為60°。

滑刀開溝器刀片厚度一般為3～8 mm，考慮機具結構的緊湊性及安裝要求，確定開溝器寬度b應比排種直徑略寬，取b為30 mm[29-30]。為保證滑刀與土壤之間產生滑切效果，滑刀入土角α應滿足[31-32]

α>90°+β

(27)

α為14°～38°，在此選定入土角為120°。

覆土板結構簡單，主要借助自身重力及彈簧拉力實現隨地起伏及土壤的刮送，其受力如圖13所示，且滿足

FTL1=FDL2

(28)

式中FT——彈簧對覆土板的力，N

FD——地面對覆土板的力，N

L1——彈簧力作用點到覆土板固定點距離，m

L2——力FD作用點到覆土板固定點的距離，m

在此取L1=L2,代入式(30)求得FT=FD。

在安裝覆土板時應對張緊彈簧施加預緊力，此時覆土板對地面有恒定的壓力且保證覆土板下限量不大，避免破壞種溝，覆土板下陷量ZX與作用力FD應滿足[33]

ZX=6FD/(5K0B)

(29)

其中

K0=k0(1+0.27B)

式中B——覆土板間距，mm

K0——土壤物理特性相關參數

k0——與土壤性質有關的參數

對剛松過土的粘土土壤來說，K0=1.01。根據種植要求及種溝深度取ZX=3 mm,覆土板間距B根據適應行距要求取B=100 mm,代入式(29)經計算得到作用在覆土板上的力FD=252.5 N。根據胡克定律FT應滿足

FT=k1ΔL

(30)

式中k1——張緊彈簧剛度

ΔL——彈簧變形量，mm

取覆土板上下擺動的行程為10 mm，求得k1為25.2 N/mm。

4 田間試驗

4.1 試驗條件與方法

試驗用地為輕黏土，經旋耕碎土，地表平整，無大石塊、秸稈、雜草等，土壤含水率為15.6%，土壤堅實度為720 kPa，符合蔬菜種植要求。試驗地塊長50 m，寬20 m。

2018年5月20日，在濰坊市對電控錐盤式蔬菜播種機進行試驗，如圖14所示。準備大蔥種子、白菜種子、菠菜種子各1 000粒，平均分3次播種，每次試驗播種距離為30 m。由同一操作人員手扶操作，試驗地塊前后各留10 m的啟停距離。

4.2 評價標準

依據JB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機 試驗方法》和JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機技術條件》的要求，對樣機播種效果進行統計測量，得到合格指數、漏播指數、重播指數等評價指標。

4.3 試驗結果及分析

在播種試驗過程中，電控錐盤式蔬菜播種機工作性能穩定。種子的播種合格指數大于90%，重播指數小于5%，漏播指數小于5%，滿足播種要求，具體參數如表2所示。由于人工操作不穩，使得機具前進速度不穩定。種子的漏播、重播誤差主要來自種子落入種溝后會發生彈跳，后期需進一步完善。

表2 試驗結果Tab.2 Operating results %

5 結論

(1)通過閉環控制系統實時控制播種速度，保證了播種精度及質量；通過連續供種、錐盤排種器分種、滾輪推種的播種方式，保證了排種量及播種精度；通過滑刀曲線構建及覆土機構受力分析，確定了開溝覆土器結構及參數。

(2)通過錐盤排種器排種過程中種子的受力與運動分析，明確了種子順利充種的條件，確定了推種器的關鍵結構及運動參數。借助種子特性及種量分析，確定了供種器初次供種量、正常供種量及供種輪結構參數。結合開溝及覆土要求，確定指數函數曲線刃口及覆土機構。主要參數為：錐盤高度h為55 mm，底角θ為30°，錐盤半徑r1為95 mm，型孔的分布半徑r2為100 mm，錐盤外輪廓的半徑r3為110 mm；推種器通道寬度H1為2.5 mm，高度H2為2 mm，厚度H3為21.25 mm，弧度ε為0.8 rad，推種器滾輪半徑r5為7.5 mm,推種彈簧剛度為5 N/mm；開溝覆土器入土角為120°，張緊彈簧剛度k1為25.2 N/mm。

(3)采用菠菜種子、大蔥種子、白菜種子進行了不同類型種子的播種試驗，結果表明，該機播種作業質量高、整機性能穩定，播種合格指數大于90%，重播指數小于5%，漏播指數小于5%，符合國家精密播種標準要求。