玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 軍

(洮南市農(nóng)業(yè)綜合行政執(zhí)法大隊(duì),吉林 洮南 137100)

0 引言

玉米作為全球重要的糧食作物之一,在人類的生產(chǎn)生活中扮演著重要的角色。但是,傳統(tǒng)的玉米播種方式存在許多問題,如效率低下、種子分布不均勻等[1-3],這不僅影響了農(nóng)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量,也增加了種植成本和勞動力成本。因此,設(shè)計(jì)一種高效、精確、節(jié)能的玉米播種系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展為玉米播種提供了更多解決方案,其中電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)是一種非常優(yōu)秀的選擇[4-5]。

與傳統(tǒng)的玉米播種方式相比,電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)具有多重優(yōu)點(diǎn)。首先,該系統(tǒng)可以大幅提高種植的效率和精度,減少種子浪費(fèi)和不良種植質(zhì)量[6]。其次,采用電驅(qū)動技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保,避免了燃油驅(qū)動系統(tǒng)帶來的噪聲和污染問題。最后,該系統(tǒng)還具有操作簡單、可靠性高等特點(diǎn),能夠提高農(nóng)民的種植效益和生活質(zhì)量。

本研究設(shè)計(jì)一種玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng),該系統(tǒng)通過利用電動驅(qū)動機(jī)構(gòu)來自動控制播種機(jī)構(gòu)的開合程度,以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的種子投放。系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)定的參數(shù),自動調(diào)整種子的投放量,從而減少種子浪費(fèi)和不良種植質(zhì)量。該系統(tǒng)還具有多種安全保護(hù)措施,如限位開關(guān)和自動停機(jī)等,以確保使用安全可靠,最后通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

1 玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)主要由電動驅(qū)動機(jī)構(gòu)、播種機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成。

1)電動驅(qū)動機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的核心部件,其通過電機(jī)的轉(zhuǎn)動來帶動軸承旋轉(zhuǎn),從而實(shí)現(xiàn)控制播種機(jī)構(gòu)的開合程度。該機(jī)構(gòu)采用高效、穩(wěn)定的電機(jī)和減速器組成,具有較高的輸出功率和扭矩,能夠滿足系統(tǒng)的工作要求。

2)播種機(jī)構(gòu)是負(fù)責(zé)種子投放的部分,由種子倉、傳送帶、隔板和種子落入孔等組成。種子倉可以容納大量的種子,通過傳送帶和隔板控制種子的運(yùn)動和落入孔的位置。播種機(jī)構(gòu)采用可拆卸式設(shè)計(jì),方便清洗和維護(hù),同時(shí)也可以根據(jù)不同種植需求更換不同類型的孔板。

3)控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的智能化核心,主要包括傳感器、控制器、顯示屏等。傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和播種質(zhì)量,控制器可以根據(jù)傳感器的反饋信息自動調(diào)整電驅(qū)動機(jī)構(gòu)的輸出功率和扭矩,實(shí)現(xiàn)種子的精準(zhǔn)投放。顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù),方便用戶進(jìn)行監(jiān)控和操作。

4)電源系統(tǒng)主要由電池組和充電器組成,可以為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、長效的電力供應(yīng)。電池組可以根據(jù)系統(tǒng)的使用情況進(jìn)行充放電管理,保證系統(tǒng)的使用壽命和穩(wěn)定性[7]。

1.2 工作原理

首先,將種子裝入種子倉,并根據(jù)播種要求選擇合適的孔板。隨后,啟動系統(tǒng),將電源接入,控制系統(tǒng)開始工作。系統(tǒng)的電驅(qū)動機(jī)構(gòu)開始旋轉(zhuǎn),通過傳動軸驅(qū)動傳送帶和隔板,控制種子的運(yùn)動和落入孔的位置。隨著軸承的旋轉(zhuǎn),孔板開合,種子從種子倉中流出并通過傳送帶進(jìn)入孔中。

控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和播種質(zhì)量,通過傳感器的反饋信息自動調(diào)整電驅(qū)動機(jī)構(gòu)的輸出功率和扭矩,確保種子的精準(zhǔn)投放和分布均勻。整個(gè)過程中,控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和參數(shù),方便用戶進(jìn)行監(jiān)控和操作。同時(shí),電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定、長效的電力供應(yīng),確保系統(tǒng)的持續(xù)工作。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型

2.1 電驅(qū)動機(jī)構(gòu)

選擇功率適中、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的電動機(jī),可根據(jù)播種規(guī)模和要求選用不同型號和品牌,同時(shí)在選型時(shí),需要綜合考慮驅(qū)動功率、轉(zhuǎn)速、效率、噪音、重量和價(jià)格等因素,并根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求和環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行選擇。同時(shí),配合傳動裝置和軸承使用也是確保系統(tǒng)正常工作和延長電機(jī)壽命的關(guān)鍵。本研究選擇Y2系列三相異步電動機(jī)Y2-90L-2,具體參數(shù)如表1所示[8]。

表1 Y2-90L-2技術(shù)參數(shù)

2.2 傳動帶和隔板

在玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)中,傳送帶和隔板是關(guān)鍵部件,直接影響播種效果和穩(wěn)定性。根據(jù)使用要求和材料性能,本研究采用以下設(shè)計(jì)方案。

1)傳送帶。選擇聚酰亞胺薄膜作為傳送帶材料,該材料具有優(yōu)異的耐磨損性、耐高溫性和高強(qiáng)度等特點(diǎn),適合于高速傳輸和重載運(yùn)輸?shù)裙ぷ鲌龊?。同時(shí),聚酰亞胺薄膜還具有良好的耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性,可適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。

2)隔板。選擇高強(qiáng)度的不銹鋼板作為隔板材料,不銹鋼具有耐腐蝕、耐磨損、抗拉強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),可保證播種過程中的穩(wěn)定性和可靠性。隔板的形狀和尺寸可以根據(jù)播種要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整,以達(dá)到最佳的播種效果。

3)傳送帶和隔板的連接。采用可拆卸式連接件進(jìn)行連接,方便維護(hù)和更換。同時(shí),在連接處加強(qiáng)設(shè)計(jì),增加連接件的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,以確保播種過程中不會出現(xiàn)松動或脫落的情況。

2.3 控制系統(tǒng)

針對玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)的控制系統(tǒng),可以選用PLC或單片機(jī)作為控制器,并根據(jù)實(shí)際需求配置相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器。本研究采用PLC控制系統(tǒng),選用西門子S7-1200系列PLC作為控制器,并配備相應(yīng)的數(shù)字輸入輸出模塊、模擬輸入輸出模塊和通訊模塊,以實(shí)現(xiàn)信號的采集、控制和通訊功能。此外,還可以配置壓力傳感器、光電開關(guān)等傳感器和氣缸、電磁閥等執(zhí)行器,以實(shí)現(xiàn)對種子分配和輸送的自動化控制。

2.4 電源系統(tǒng)

針對該玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng),電源系統(tǒng)的選型要求高效穩(wěn)定,可以考慮使用鋰電池作為主要電源,同時(shí)配備太陽能光伏板和車載發(fā)電機(jī)等備用電源,以確保系統(tǒng)長時(shí)間穩(wěn)定工作。具體的設(shè)計(jì)方案和型號如下。

1)主要電源。鋰電池組,型號為18650,容量為20 Ah,工作電壓為24 V,輸出電流可達(dá)20 A。

2)備用電源。太陽能光伏板和車載發(fā)電機(jī),太陽能光伏板的額定功率為100 W,工作電壓為12 V,車載發(fā)電機(jī)的額定功率為500 W,輸出電壓為24 V。

3)充電控制器。采用智能型多功能充電控制器,可對鋰電池組進(jìn)行恒流、恒壓充電,同時(shí)具有過充保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)等多種保護(hù)功能[9],型號為TP5000。

4)逆變器。逆變器可以將直流電源轉(zhuǎn)換為交流電源,可選用純正弦波逆變器,型號為SNP-500W,輸出電壓為220 VAC/50 Hz,輸出功率為500 W。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

在播種后,每個(gè)區(qū)塊應(yīng)定期檢查玉米種子的發(fā)芽情況和生長狀態(tài),并記錄在試驗(yàn)表中。收獲時(shí),對每個(gè)區(qū)塊的玉米產(chǎn)量進(jìn)行測量,以評估不同播種密度和播種方式對玉米產(chǎn)量的影響。通過對比不同組別的數(shù)據(jù),分析電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)和傳統(tǒng)人工播種方式的優(yōu)劣,評估該系統(tǒng)的播種效果。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)不同的播種密度組合,例如150,180,210萬顆/hm2等,每組設(shè)立3個(gè)重復(fù)區(qū)塊。

2)選擇同等面積的土地作為試驗(yàn)田,并將其分為相同大小的區(qū)塊,每個(gè)區(qū)塊應(yīng)按照預(yù)設(shè)的播種密度進(jìn)行播種。

3)分別采用傳統(tǒng)人工播種和電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)進(jìn)行玉米種子的播種。

3.3 測定指標(biāo)

1)播種深度。使用深度測量儀在播種后的土壤中測量種子的深度,記錄每個(gè)樣本的平均深度。

2)播種距離。使用測距儀在播種行上測量相鄰兩個(gè)種子之間的距離,記錄每個(gè)樣本的平均距離。

3)種子發(fā)芽率。在播種后一定時(shí)間內(nèi),統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣本的種子發(fā)芽率。

3.4 結(jié)果與分析

3.4.1 播種深度

播種深度數(shù)據(jù)經(jīng)過正態(tài)性檢驗(yàn),符合正態(tài)分布(P>0.05),因此采用均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為描述統(tǒng)計(jì)量。結(jié)果表明,玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期播種深度控制效果,播種深度均勻、穩(wěn)定,平均播種深度為3.15 cm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.11 cm。結(jié)果表明電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)播種方式,可以更加準(zhǔn)確地控制播種深度,并且播種深度的變異系數(shù)更小,說明了系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性和可靠性。此外,電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)在播種深度上的控制也更加靈活,可以根據(jù)具體要求進(jìn)行調(diào)整。這些結(jié)果說明該系統(tǒng)能夠有效提高播種的質(zhì)量和效率,為農(nóng)作物的生長發(fā)育提供更好的基礎(chǔ)條件。

3.4.2 播種距離

播種距離試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,結(jié)果表明,不同的玉米種子間距離對播種效果有一定影響。在本次試驗(yàn)中,種子間距離在15～20 cm范圍內(nèi)的播種效果較好,出苗率高于90%,同時(shí)實(shí)際距離與設(shè)定距離也較接近。而在距離較遠(yuǎn)或較近的情況下,出苗率和實(shí)際距離都出現(xiàn)了一定的偏差,影響了播種效果。因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的種子間距離進(jìn)行播種。

表2 播種距離試驗(yàn)結(jié)果

3.4.3 種子發(fā)芽率

在田間試驗(yàn)中,對比了傳統(tǒng)手工播種和電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)播種的玉米種子的發(fā)芽率。在播種后10天,通過對比兩組玉米種子的發(fā)芽情況,計(jì)算出兩組種子的發(fā)芽率。結(jié)果如表3所示,通過對比可以看出,電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)播種的玉米種子發(fā)芽率明顯高于傳統(tǒng)手工播種。這是因?yàn)殡婒?qū)動精量播種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)種子的精確投放和深度控制,種子與土壤的接觸更加緊密,有利于種子的發(fā)芽生長。

表3 種子發(fā)芽率試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的玉米電驅(qū)動精量播種系統(tǒng)能夠有效提高播種效率和精度,降低勞動力成本,改善種植環(huán)境。在田間試驗(yàn)中,該系統(tǒng)的播種深度、播種距離和種子發(fā)芽率均取得了較好的結(jié)果,與傳統(tǒng)播種方式相比具有明顯優(yōu)勢。因此,該系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景。未來,將進(jìn)一步完善系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,提高其適應(yīng)性和智能化水平,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加高效、精準(zhǔn)、可持續(xù)的技術(shù)支持。