種繩高質量編織機設計與試驗*

劉春磊，梅松，童一飛

(1.南京理工大學機械工程學院,南京市,210014;2.農業農村部南京農業機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

近年在疫情的影響下,國內市場對蔬菜的需求量持續上升,蔬菜產量極大地影響著國民生計,蔬菜機械化生產是解決蔬菜產業高水平發展的重要手段[1]。種繩播種技術是一種新型的播種方式,通過直播設備將種繩編織機生產的種繩埋填在大田中,即可完成播種過程,目前國內已有成熟的直播設備用于規模化大田種植,相比于傳統的人工播種,效率提升了8～10倍[2]。

國外最早于20世紀40年代開始種繩編織機的研究。1961年,日本成功研制出種繩編織技術并申請專利;1963年,中村喜彰提出水稻直播栽培技術;1994年,上野秀人發明了覆蓋再生紙直播技術;1990年,韓國實現旱田條播機播種;1972年,美國研制出精密播種機—四行繩帶播種機[3]。由于對排種器等核心部件有著全面的理論分析、仿制模擬、結構改進設計等,國外的編織機在編織精度和效率上取得了較大的成果。國內最早于20世紀70年代開始研究種繩編織技術。1952年,東北農科所將谷物條播機改裝成水稻直播機[4];1976年,吉林省農科院和吉林省農機所研制成功2BS-13型水稻直播機[5]。國內早期的種繩編織機大都是在水稻編織設備的基礎上加以改進,其中重點研究氣吸式種繩編織機,目前已有投入市場的編織設備[6-7];此外,還有針對草種及中藥材等小粒種子的播種研究及實踐[8-9]。現有的種繩編織機主要存在以下問題:一是對于小粒蔬菜種子的吸種精度不夠高;二是編織效率偏低;三是種距精度和排種精度存在進一步的提高空間。

基于此,本文設計了一款新型的種繩編織設備,確定排種器、凹形導向機構、正反向編織機構和種繩螺旋纏繞機構的結構及工作參數,并對控制系統進行設計。

1 種繩編織機總體結構

種繩編織機的功能是將種子按照種距要求精確平穩地排放在種子帶(采用紙帶)上并將其捻制成繩。對于種繩編織機設計的主要原則有:整體結構精簡,工作可靠,便于調節。考慮到種繩編織的工作步驟較少且為了在加工上節約時間和成本,故在結構上采用簡單的傳動機構。如圖1所示,種繩編織機采用一機兩組的方案,可以同時進行兩條種繩的編織,提高了生產效率。種繩編織機的左下側為控制系統,右下側為紙帶卷安置處,上側為編織系統。

圖1 種繩編織機整體結構圖

如圖2所示,種繩編織機的工作原理如下:開機后,首先在觸摸屏界面上設置種繩編織的種距、繩長和編織速度等要求,然后將需要編織的種粒倒入種盒中,步進電機1帶動攪拌絲旋轉攪動,形成擠壓作用,促進種盒內種粒的流動性。步進電機2經由帶傳動驅動負壓圓盤(由負壓設備連接圓盤在其內部產生負壓)轉動,負壓圓盤最外圈是梯形凸盤,梯形凸盤上均勻分布著負壓孔,當負壓圓盤旋轉時,種盒內的種粒會被吸附在負壓吸孔上;當負壓孔攜帶種粒到達頂部時,由擋針和噴氣嘴輔助去除多余的種粒以保證每個吸孔只吸附一個種子(如果需要一穴多粒,可以在梯形凸盤軸向方向上設置多個負壓孔);當種粒到達圓盤底部時,由于負壓圓盤內部設有毛刷會將底部的負壓吸孔堵上,使得種粒失去吸附力的作用,從而在重力的作用下排出,同時,紙帶從紙帶盤經由引導輥子后在v字形壓紙舌板的擠壓作用下折疊成v形,種粒掉落在v形紙帶底部時可以很好地防止左右跳動(可以根據要求增設涂刷以進一步減少種粒跳動)。v形紙帶到達繞繩部件后,步進電機3通過錐齒輪傳動和帶傳動驅動兩個繞繩線卷等速反向對v形紙帶進行纏繞并增加一定的捻勁,從而形成種繩。最后,種繩經過傳動輥子、搖桿的擺動和壓緊輥子的傳動,被均勻纏繞在繞繩輥子上形成種繩卷。

圖2 種繩編織機運動鏈示意圖

通過查閱相關資料及手冊,同時結合設計的要求,確定種繩編織機的主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 排種器

考慮到氣吸式結構對于小粒徑種子的精密播種較為適用[10],排種器采用氣吸式結構,主要由負壓圓盤輥筒、輥筒轉軸、拉桿和毛刷等組成,如圖3所示。

圖3 排種器結構示意圖

負壓圓盤輥筒為可拆卸結構,其上均勻分布大小相等的負壓孔,可以針對不同尺寸和形狀的種子具體設定負壓孔的大小,從而形成不同規格的輥筒,根據實際需要進行拆卸與安裝。工作時,在負壓風機的作用下,圓盤內部產生負壓,輥筒一邊旋轉一邊由負壓孔吸附種子,當負壓孔經由底部時,由于毛刷的阻隔使負壓被阻斷,從而種子在重力和慣性力的作用下掉落在下方的紙帶上。負壓圓盤的尺寸對吸種的效率、拋種時的種粒速度和負壓風機功率有著很大的影響,當負壓圓盤直徑較小時,吸種效率會較低,即相同時間的情況下吸附的種粒較少,若為了提高效率提高負壓圓盤轉速又會由于吸附不充分導致漏吸率過高;當負壓圓盤直徑較大時,拋種時的種粒速度過大會引起種粒在紙帶上過度的彈跳和翻滾,影響種距精確度,同時為了提供足夠的吸附力,負壓風機需要增加功率。此外,負壓圓盤選用不銹鋼材料,不僅易選用,而且有著表面光滑不傷種的優點。

選用大小合理的負壓圓盤對于高效精準的實現種繩編織至關重要。種子的水平速度如式(1)所示。

(1)

式中:v種——種子的水平速度;

n——負壓圓盤的轉速;

D——負壓圓盤的直徑。

根據設定的種繩生產率為500～2 000 m/h,可以進一步得到紙帶的前進速度為0.14～0.54 m/s,負壓圓盤的平均轉速取為10 r/min,可得

據此,不同直徑規格的負壓孔形成不同的負壓,可以滿足不同的生產要求。此外,為保證吸種時不同負壓孔吸附的種粒互不干擾,需采用合理的分度數量,過多的分度數量會影響到排種,過少的分度數量雖然不干擾排種,但是會降低排種的效率。因此,可以采用依次遞減的試驗方法,即在分度數量偏多的情況下依次遞減,直到分度數量滿足條件。以直徑為300 mm規格的負壓圓盤為例,選用分度數量Z=60時較為合適。此外,當編織要求為一穴一粒時,負壓圓盤輥筒軸向孔徑數為單數;當農藝要求一穴多粒時,負壓圓盤輥筒軸向可以均勻分布多孔徑,達到定種數的目的。

負壓孔的直徑大小也是影響排種的關鍵因素之一,負壓孔的直徑越小,會導致其吸附力變小,直徑越大,會導致吸附多余種粒。根據經驗公式,取

d=(0.6～0.7)d1

(2)

式中:d——負壓孔直徑;

d1——種粒的名義粒徑。

其中

(3)

1) 求紙帶的速度,如式(4)所示。

(4)

式中:v——紙帶的速度;

ω0——傳動輥子的轉速;

r0——傳動輥子的半徑;

D1——繞帶輪的直徑;

D0——傳動輥子的直徑繞帶輪的直徑;

ω4——步進電機4的轉速。

2) 求種粒下落時間,如式(5)所示。

(5)

式中:v1——種粒拋出的水平速度;

ω3——負壓圓盤的轉速;

r3——負壓圓盤的半徑;

D5——小帶輪的直徑;

D6——吸種輪的直徑;

ω2——步進電機2的轉速;

D3——負壓圓盤的直徑。

負壓圓盤上種粒移動到上一個種粒位置的計算時間為

(6)

式中:t1——種粒移動到之前位置的時間;

Z——負壓圓盤等分數;

T——負壓圓盤旋轉一周的時間;

D5——小帶輪的直徑;

D6——吸種輪的直徑。

如圖4所示,種粒到達拋種點時在豎直方向上受到重力和慣性力作用,有

圖4 拋種點種粒受力

(7)

式中:t2——最底部種粒下落時間;

H——圓盤底部到紙帶距離。

根據式(7)可以發現:落種時間不僅與排種器底部到紙帶的距離有關,還與排種器的轉速和半徑有關,增大排種器轉速和半徑能夠減少落種時間,但過大的排種器轉速和半徑會使得種粒落在紙帶上的速度過大,引起彈跳,影響種距的精確。

3) 求出種距。種粒經由排種器排種后,落在紙帶上的相鄰距離即為種距。如果假設紙帶處于靜止狀態,負壓圓盤正常工作,那么在理想狀態下每粒種子在紙帶上的落點都應該相同(目標點)。相鄰種粒落入目標點需要一個間隔時間,當紙帶正常運動時,種粒的間隔距離即為紙帶的速度與間隔時間的乘積。相鄰落種的間隔時間即從前面種粒落到紙帶上開始到后面種粒落到紙帶上的這段時間,也就是前面種粒離開拋種點開始到后面種粒離開拋種點的這段時間,即t1。故理論種距為

L=v×t1

(8)

根據式(8)得:理論種距主要與負壓圓盤等分數、步進電機4與步進電機2的轉速比、帶輪直徑比相關。當帶輪尺寸及負壓圓盤等分數確定后,種距的調節可以根據步進電機轉速比來調整。

4) 定種距分析。在實際落種的過程中,種粒最終在到達紙帶時,會存在彈跳和翻滾,這兩種情況是影響種距精確性的關鍵。一方面,理論種距與負壓圓盤底部到紙帶的高度無關,但在實際中為了減少種子在紙帶上的跳動,應該盡量降低負壓圓盤底部到紙帶的高度,經過多次樣機試驗,當取該高度10～15 cm時,種粒幾乎無跳動。另一方面,為了減少種子在紙帶上的翻滾,應該使種子初始水平速度v1與紙帶速度v的速度差盡可能小,實現零速投種[11],即要保證

v1≈v

(9)

根據式(9)可知:減少種粒翻滾的關鍵就在于步進電機4與步進電機2的轉速比控制,但經過式(8)分析發現種距的調節也需要由步進電機4與步進電機2的轉速比來控制,即種距的調節必然會引起種粒的翻滾。因此,需要將種距的調節控制在一定范圍內,并且進一步解決翻滾的問題。

2.2 落種偏移控制裝置

種粒落到紙帶上的過程中會引起偏移現象,分為種粒翻滾和種粒跳動,為提高種距精度,需要對落種偏移進行控制。

任文濤等[12]通過增設黏結劑機構有效地解決了落種偏移問題,但考慮到黏結劑成本,采用控制翻滾的另一個有效方案:增設凹形導向機構,如圖5所示,其關鍵部件為v形壓紙舌板,實現原理:壓紙舌板伸出的v形擋板將下方進給中的紙帶進行塑形,使得原本平直的紙帶變成v形帶狀。當種粒落在v形紙帶上時,由于凹形槽形狀的原因,種粒會落在底部,這樣就可以避免種粒在左右方向上的翻滾,在一定程度上達到了落種偏移控制的目的。此外,形成v形紙帶對種繩編織起到了很好的前處理效果,有效減少了編織過程中的脫種現象。

(a) v形壓紙舌板

2.3 正反向種繩編織傳動系統

紙帶通過一定的單位捻勁只是初步形成種繩,只有在進給時纏繞上棉線才會形成最終的種繩,棉線的目的就是增加種繩拉伸強度和減少種粒脫落的幾率。由于單方向編織的棉線易導致滑移,因此采用正反向編織的方案,這樣可以增強編織的穩定性,極大地避免該問題的出現。

如圖6所示,正反向種繩編織傳動系統主要由步進電機、錐齒輪組、帶輪和繞線總成組成,步進電機將動力傳遞給小錐齒輪,通過小錐齒輪與兩個左右對稱的大錐齒輪嚙合傳動,實現了左右大錐齒輪的同步正反向轉動,然后通過帶輪驅動繞線總成正反向轉動,棉線卷上的棉線經由過線陶瓷嘴(右下側小孔)和繞線勾纏繞在種繩上(種繩通過中間的過線陶瓷嘴)。

圖6 正反向種繩編織傳動系統

2.4 種繩螺旋纏繞系統

在種繩編織后,由輔助繞繩部分對種繩進行卷繞,為了方便存儲以及實現播種的通用化,卷繞的種繩卷為統一規格,同時為了種繩卷的均勻性,種繩在種繩卷上需要以擺動式卷繞。隨著種繩卷上種繩卷繞的圈數增加,會使得種繩卷的直徑持續增加,種繩卷的速度需要動態調節,才能保證種繩所受的張力恒定,避免超過其斷裂強度引起斷裂造成不可避免的損失。

如圖7所示,繞繩系統采用多組帶輪機構傳動的方案,由單個步進電機驅動傳動輥子,傳動輥子通過三組帶輪傳動實現減速及轉向,刻槽輥子與搖桿為圓柱滾子擺動凸輪機構,種繩繞過傳動輥子后從搖桿的內部穿出,然后卷繞在上方的種繩卷上(種繩卷安裝在繞繩輥子上),由于搖桿做擺動式運動,使得種繩呈現擺動式卷繞,從而實現均勻卷繞的效果。

圖7 繞繩系統總成

刻槽輥子上的凸輪曲線可以采用一次曲線或正弦余弦曲線,一次曲線加工較為簡單,成本較低,但是沖擊力較大,正弦或余弦曲線加工較為困難,成本較大,沖擊力也較小,可以根據實際需求選用不同的曲線。

3 種繩編織控制系統設計

3.1 控制系統硬件設計

控制系統硬件設計圖如圖8所示。PLC與變頻器集成芯片通過485總線傳輸變速信號,變頻器接收到信號后將其轉換為模擬信號進行控制抽風電機的轉速,實現對負壓的調整。PLC通過高速輸出端口向步進驅動器輸出高數脈沖,進而控制步進電機的轉速,經過帶輪與齒輪結構傳遞動力,分別實現紙帶進給、排種器轉動、種繩編織、種粒攪拌和種繩卷繞。觸摸屏通過232串口通訊電路與PLC實現交互,在觸摸界面上設定種距和進給速度,信號經由通信層和驅動層傳遞給PLC,由PLC依據設定值控制步進驅動器和變頻器,進而控制步進電機組和單相異步電機的轉速。

圖8 基于PLC的控制系統硬件設計

步進電機1連接攪拌絲形成攪拌推進器裝置,該裝置用于增加種盒內種粒的流動性,提高排種器吸種精度;步進電機2連接排種器總成,其轉速大小對種距精度有重要影響;步進電機3連接種繩編織總成,其轉速大小對種繩單位捻勁個數有重要影響,而單位捻勁個數會影響到種繩的抗拉強度;步進電機4連接繞繩總成,其轉速會影響到紙帶的進給速度和種繩的卷繞速度;單相異步電機連接風管形成負壓,風管的另一端與排種器相連,其轉速決定負壓值,負壓值進一步影響到排種器吸附種粒的性能。光電傳感器1和2實時檢測紙帶的懸垂量,光電傳感器3實時檢測紙帶是否斷裂,光電傳感器組將光信號轉換成電信號傳遞給PLC,進而控制各電機的轉速大小以及是否停機。結合控制需求,選用西門子S7-200可編程控制器、57BYGH501型永磁感應式步進電機、M430D型四相步進電機驅動器、歐瑞E2000系列變頻器和信捷觸摸屏。

3.2 控制系統軟件設計

3.2.1 下位機控制系統軟件設計

下位機PLC啟動運行后可由上位機觸摸屏發送停止命令控制設備是否運行,同時也可以手動設置停機。下位機通過中斷接收上位機數據,將數據進行譯碼并通過調用下位機通訊程序將數據準確與否判斷結果通過串口返回到上位機,在此過程中數據會進入到步進電機子程序和抽風機子程序,由子程序實現上位機的功能指令傳達,控制執行部件。下位機主程序和子程序如圖9～圖11所示。

圖9 下位機主程序流程圖

圖10 步進電機控制子程序

圖11 抽風機控制子程序

3.2.2 上位機控制系統軟件設計

結合種距控制、紙帶進給速度控制與種繩編織等功能需求,上位機界面設計通過信捷開發平臺搭建。根據電門鎖是否開關和種繩編織是否啟動決定進入運行狀態,在運行狀態的情況下,上位機(觸摸屏)與下位機PLC進行數據交互,觸摸屏設定的參數數據會發送給下位機,下位機啟動時先進行初始化設置,同時,上位機會接收下位機的反饋數據,在界面上顯示出種繩編織種距和速度等。上位機主程序如圖12所示。

圖12 上位機主程序

3.2.3 通訊軟件設計

由于觸摸屏控制系統會與PLC微控制器的下位機以及執行控制器模塊的上下位機進行數據交互,為了保證接收與發送的準確性,防止產生數據錯誤影響到種距控制,所以在此過程中選用Modbus/rtu協議和CRC校驗算法[13]。

4 試驗分析

4.1 試驗條件

2021年5月在江蘇省常州市某公司進行種繩編織試驗,室內環境干燥無風,種子帶材料選用紙帶,試驗種子選用黃瓜種子和油菜種子,測量種距選用刻度直尺。

4.2 試驗方法

參照中華人民共和國國家標準GB/T 6973—2005(單粒精密播種機實驗方法),采用種繩編織的合格率、重播率和漏播率三個因素,作為衡量排種器作業性能的根本指標[14]。通過對黃瓜種子和油菜種子分別進行兩組試驗,其中黃瓜試驗組的設定種距為75 mm,選用孔徑為1.5 mm的負壓圓盤輥筒,油菜試驗組的設定種距為100 mm,選用孔徑為1 mm的負壓圓盤輥筒,兩組試驗均設定在排種器轉速為9 r/min、排種器負壓為2.2 kPa、種子帶進給速度為0.3 m/s,分別對黃瓜種繩和油菜種繩取750組種距進行測量記錄。

合格率、重播率及漏播率計算公式如式(10)～式(12)所示。

(10)

式中:R——合格率;

A1——一段種繩中在規定種距下的單粒種子的種數;

A——一段種繩中在規定種距下的所有的種數。

(11)

式中:Q——重播率;

A2——一段種繩中在規定種距下出現兩粒及以上種子的種數。

(12)

式中:L——漏播率;

A0——一段種繩中在規定種距下無種子的種數。

4.3 試驗結果與分析

試驗記錄的種距范圍如表2和表3所示。

表3 油菜組性能指標

考慮到一定的誤差,將種距在設定值上下浮動25 mm范圍內視為符合條件,得到合格率為90%～95%,其中黃瓜組相比于油菜組,合格率更低,重播率和漏播率更高。主要是由于黃瓜種子的形狀扁圓不光滑且為大種粒,相較于圓形小種粒的油菜種,更難吸附,勢必漏播率較高,而黃瓜種兩端尖細容易造成負壓圓盤上吸種孔吸附多余的種子,導致重播率過高,因此造成合格率略低。總體而言,蔬菜種繩編織的種距合格率在90%以上,對于部分規整的種粒可以達到95%,滿足了設計的要求。

5 結論

為滿足一定的種距精度、排種精度和生產率,本文設計了一種新型的種繩編織機,并進行了試驗驗證。

1) 依據排種要求對關鍵部件與控制系統進行設計,確定理論種距與負壓圓盤等分數、步進電機轉速比、帶輪直徑比的關系,選用基于PLC通過步進驅動器和變頻器分別控制步進電機和單項異步電機的硬件方案,實現負壓孔單穴單粒和種繩定距精確,解決了紙帶在輸送過程中的纏繞與斷裂問題。

2) 選用兩種典型的種子進行種距合格率試驗發現:在排種器轉速為9 r/min、排種器負壓為2.2 kPa、種子帶進給速度為0.3 m/s時,黃瓜組由于種粒較大,形狀不規則,排種合格率略低于油菜組,但整體上排種合格率均在90%以上,滿足設計要求。

3) 由于氣吸式結構的特性,對于重量和形狀變動較大的種粒,排種距離會有一定的差異。通過丸粒化的方式可以有效地提高種距合格率,今后可對丸粒的重量及形狀與種距合格率的關系做進一步的研究。