基于電驅(qū)動的智能播補(bǔ)一體化馬鈴薯播種機(jī)設(shè)計研究

李 平,馮 偉,張先鋒,鐘魏然,王 攀,崔晉波

(1.重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,重慶 401329;2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院,成都 610066)

0 引言

隨著馬鈴薯主糧化的不斷推進(jìn),西南丘陵地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,種植面積不斷擴(kuò)大,但受限于地勢和土壤條件,現(xiàn)有引進(jìn)的馬鈴薯作業(yè)機(jī)具均存在不同程度的適應(yīng)性差等問題,而馬鈴薯播種作業(yè)是馬鈴薯生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其作業(yè)質(zhì)量直接影響馬鈴薯的產(chǎn)量。因此,不斷改進(jìn)現(xiàn)有馬鈴薯播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量以降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率是提高馬鈴薯產(chǎn)業(yè)效益的重要目標(biāo)。

針對現(xiàn)有馬鈴薯播種機(jī)存在的重漏播和株距變異大的問題,H. Buitenwerf等根據(jù)馬鈴薯從取種勺的釋放時間建立了數(shù)學(xué)模型,并通過試驗臺架測試發(fā)現(xiàn)馬鈴薯薯種形狀和薯種取種勺類型會對播種精度有很大的影響。澳大利亞A.E.E公司研制的氣吸式馬鈴薯的漏播監(jiān)測系統(tǒng)采用紅外傳感器監(jiān)測輸種管中的種子流,在播種過程中,系統(tǒng)若監(jiān)測到輸種管無種子流通過時,會及時發(fā)出聲光報警,且指示燈可以標(biāo)出輸種管發(fā)生漏種故障的位置;系統(tǒng)的播種信息通過排種傳感器和速度傳感器采集并顯示各行的播種工況,在作業(yè)過程中,若某一行出現(xiàn)故障,系統(tǒng)還可自動報警。國內(nèi)的漏播監(jiān)測系統(tǒng)主要還是以光電轉(zhuǎn)化、電磁轉(zhuǎn)化為主,其補(bǔ)薯裝置有更多的解決方案。孫偉等人設(shè)計的補(bǔ)薯裝置為擊打補(bǔ)薯,解決了補(bǔ)薯的株距變異問題,但需要以小整薯作業(yè)且存在傷薯率高的問題。王關(guān)平等人設(shè)計以補(bǔ)薯鏈加速運動為基礎(chǔ)的補(bǔ)薯裝置,與正常作業(yè)的動力切換,以單向離合器實現(xiàn),但存在離合器卡滯和適應(yīng)性差的問題。

綜上所述,馬鈴薯漏播監(jiān)測系統(tǒng)研究已經(jīng)較為成熟,其原理簡單且造價低,只需要在適應(yīng)性上做相關(guān)改進(jìn)即可。本文的補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動作為源動力,采用單電機(jī)單勺鏈?zhǔn)饺》N機(jī)構(gòu)以求結(jié)構(gòu)更加緊湊,也避免了傳統(tǒng)地輪因地輪打滑造成的株距變化大、補(bǔ)薯響應(yīng)差的問題,且株距可以通過人機(jī)交互系統(tǒng)輸入直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以精確控制。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該馬鈴薯播種機(jī)主要由3部分組成,如圖1所示。其中,第一部分為漏播監(jiān)測,主要包含永磁體磁鋼、霍爾傳感器、紅外線發(fā)生器、紅外線接收器、運算控制器及驅(qū)動器等主要部件;第二部分為播補(bǔ)種機(jī)構(gòu),為單電機(jī)單勺鏈?zhǔn)饺》N機(jī)構(gòu),主要包含步進(jìn)電機(jī)、取種勺、機(jī)架及保護(hù)裝置等;第三部分為株距控制,主要包含轉(zhuǎn)速傳感器、輸入輸出模塊及運算控制器等。

1.種箱 2.驅(qū)動電機(jī) 3.驅(qū)動鏈條 4.取種勺 5.護(hù)種槽 6、8、11、13.霍爾傳感器 7、9、12、14.紅外發(fā)射管 10、15、16.紅外接收管 17.輪速傳感器 18.切塊種薯 19.小磁鋼圖1 馬鈴薯漏播監(jiān)測與補(bǔ)薯播種機(jī)整機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of potato missing sowing monitoring and potato supplement planter

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 漏播監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

由于設(shè)計的播補(bǔ)薯執(zhí)行機(jī)構(gòu)均為同一驅(qū)動勺鏈,故在漏播監(jiān)測設(shè)計中考慮兩組漏播監(jiān)測裝置且安裝在相鄰取種鏈勺位。其主要目的是為了避免在播種作業(yè)時,如出現(xiàn)相鄰兩個取種勺都未有種薯時,造成補(bǔ)薯不成功或株距變異太大的問題。當(dāng)設(shè)計成連續(xù)兩組漏播監(jiān)測裝置后,如出現(xiàn)相鄰連續(xù)空勺則系統(tǒng)直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)快速轉(zhuǎn)過兩個種勺行程,不再進(jìn)行第二個取種勺漏播監(jiān)測,將第三個種勺的種薯快速播在既定位置;如果連續(xù)兩次均出現(xiàn)相鄰兩個取種勺為空勺的情況,則系統(tǒng)判定為播種故障或種薯已播完,以報警音提示作業(yè)駕駛員。漏播監(jiān)測模塊安裝如圖2所示。

1、4.霍爾傳感器 2、5.紅外發(fā)射模塊 3.觸發(fā)模塊 6.紅外接收模塊圖2 漏播監(jiān)測硬件安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of missing broadcast monitoring hardware

漏播監(jiān)測模塊主要由觸發(fā)模塊、紅外發(fā)射和接收裝置組成,觸發(fā)模塊由小磁鋼和霍爾傳感器組成,小磁鋼采用傳統(tǒng)的Y35鐵氧體,采用A3144開關(guān)型霍爾傳感器,磁鋼安裝在取種勺端,霍爾傳感器安裝在機(jī)架上。考慮到播種機(jī)在作業(yè)時具有振動和粉塵大的問題,選用西門子SFH486作為紅外發(fā)射器,夏普GP1U52X作為接收器。發(fā)射器內(nèi)發(fā)光二極管發(fā)射880nm波長的紅外光,對灰塵具有良好的穿透力以提高監(jiān)測系統(tǒng)作業(yè)的準(zhǔn)確率;接收器內(nèi)有紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、整前電路和輸出放大器等,接收管對880nm波長附近的紅外光很敏感,有效測距范圍為10～80cm。

2.2 播補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 驅(qū)動電機(jī)設(shè)計

傳統(tǒng)的馬鈴薯播種機(jī)一般是采用主播種驅(qū)動用地輪,補(bǔ)薯驅(qū)動用步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu);或者單獨設(shè)計了主播種鏈和補(bǔ)薯播種鏈,且主播種鏈為地輪驅(qū)動而補(bǔ)薯播種鏈為電機(jī)驅(qū)動。地輪驅(qū)動的弊端主要體現(xiàn)在耕整地高低不平或高速作業(yè)時,地輪的滑移率可達(dá)20%,對馬鈴薯播種作業(yè)的株距控制存在很大偏差。因此,采用步進(jìn)電機(jī)獨立驅(qū)動播補(bǔ)勺鏈工作,避免了由地輪復(fù)雜工況造成的株距不均的問題,且該播種機(jī)的作業(yè)速度是通過監(jiān)測拖拉機(jī)輪胎的線速度進(jìn)行計算,避免了由GPS測速時信號的丟失和掉線導(dǎo)致速度誤差大的問題。根據(jù)現(xiàn)有重慶大部分地區(qū)馬鈴薯種植農(nóng)藝要求,種植密度約為4000株/667m2,采用起壟種植,壟面寬度為0.7m,株距為0.2～0.3m,按照現(xiàn)有馬鈴薯播種正常作業(yè)效率0.27hm2/h計算,馬鈴薯播種機(jī)的作業(yè)速度為3.2～4.6km/h,根據(jù)農(nóng)藝種植株距參數(shù)可以計算出取種鏈的運行速度為0.5～0.76m/s,取種速度屬于中高速工況。本文取種勺鏈采用12A鏈條,節(jié)距為12.9mm,每6節(jié)安裝一個取種勺,以降低取種初始空勺率;驅(qū)動鏈輪選擇12A鏈輪,齒數(shù)為22齒,其節(jié)圓直徑為127.82mm。根據(jù)工作線速度,計算出該驅(qū)動鏈輪的轉(zhuǎn)速為37.6～45.5r/min。

考慮到在田間作業(yè)時,拖拉機(jī)提供的工作電源為12V,故步進(jìn)驅(qū)動電機(jī)的電壓工作范圍選擇在0～24V。經(jīng)現(xiàn)場測試,該驅(qū)動電機(jī)在12V電壓和固定的取種勺鏈的負(fù)載工況時,其工作產(chǎn)生的振動和噪音都較小。設(shè)種薯的平均質(zhì)量為50g,在整個機(jī)具排種鏈中的長度為2.9m,單邊長度為1.45m,整個勺鏈?zhǔn)饺》N機(jī)構(gòu)側(cè)面安裝及鏈條受力示意圖如圖3所示。

在馬鈴薯播種機(jī)作業(yè)的理想工況下,本機(jī)左右兩邊的馬鈴薯取種個數(shù)相同(排除單個切塊種薯質(zhì)量不同造成的誤差),故在圖3中有G1=G2cosα,力的方向均為豎直向下并且在力矩產(chǎn)生上相互抵消。參照馬鈴薯種薯在人工切塊條件下,單個種薯產(chǎn)生的質(zhì)量差不超過20%,這個誤差在后續(xù)計算中取放大系數(shù)予以抵消。在本文的三角形取種鏈條設(shè)計中,左右兩邊的鏈條自重之差產(chǎn)生的扭矩為本機(jī)有用的扭矩,可以減輕驅(qū)動電機(jī)的負(fù)載,其關(guān)系式表達(dá)為

l2=l1cosα

Δm=l1(1-cosα)m

式中l(wèi)2—豎直方向三角形的邊長(mm);

l1—三角形斜邊的變成邊長(mm);

α—三角形斜邊與豎直方向直角邊的夾角(°);

Δm—三角形鏈條兩邊的質(zhì)量差(kg);

m—馬鈴薯種薯質(zhì)量(kg)。

1.驅(qū)動鏈輪 2.切塊種薯 3.取種勺 4.下薯口圖3 馬鈴薯播種機(jī)補(bǔ)薯裝置側(cè)面示意圖Fig.3 Side diagram of potato supplement device of potato planter

取種機(jī)構(gòu)需要電機(jī)克服的扭矩為勺鏈在種箱運動時產(chǎn)生的阻力再減去鏈條質(zhì)量差與鏈輪半徑的積。取該播種機(jī)種箱高度為1.6m,在滿載情況下,經(jīng)現(xiàn)場測試取種勺在種薯箱中勻速運動產(chǎn)生阻力為88.6N,參照鏈輪的節(jié)圓直徑為127.82mm,由于取種鏈左右兩側(cè)種薯的質(zhì)量差呈離散分布,故在計算結(jié)果的扭矩中取放大系數(shù)為2,以滿足驅(qū)動取種鏈有足夠的扭矩。扭矩T計算過程為

式中F—取種勺運動的摩擦力(N);

d—鏈輪的節(jié)圓直徑(m);

μ—放大系數(shù)。

帶入計算公式可得,取種勺驅(qū)動電機(jī)的扭矩T=11.3N·m,帶入功率計算公式可得

式中T—驅(qū)動電機(jī)的扭矩(N·m);

n—電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)。

帶入公式計算出電機(jī)的功率為87.7W。考慮到電機(jī)在極限工況下,驅(qū)動電機(jī)在補(bǔ)薯過程中,其瞬間加速度可達(dá)2m/s2,為防止電機(jī)過載堵轉(zhuǎn)造成燒毀,最終確定選擇電機(jī)的功率為200W,工作電壓為12V。

2.2.2 驅(qū)動電機(jī)運動控制

拖拉機(jī)行走的速度通過加載在拖拉機(jī)輪上通過摩擦傳動的輪速傳感器獲取,采用霍爾式輪速傳感器,設(shè)輪速傳感器上外置被動輪的直徑為da,輪軸上布置的磁鋼數(shù)為c,單片機(jī)讀取傳感器時間間隔為t,拖拉機(jī)行走速度va與單位時間的脈沖數(shù)a的關(guān)系式為

va=aπda×10-3/(c·t)

式中va—拖拉機(jī)行走速度(m/s);

da—被動輪直徑(mm);

t—定時器T1的設(shè)定時間(s);

a—霍爾傳感器接收的脈沖數(shù);

c—輪軸上布置的磁鋼數(shù)。

由于馬鈴薯播種機(jī)的播補(bǔ)薯驅(qū)動均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動,根據(jù)播種機(jī)工作原理建立起播種株距La與驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速Ra和播種及行走速度va之間的關(guān)系為

La=va×103·lb×60/(dc·π·Ra)

Ra=Rb

vd=πdaRb×10-3/60

式中La—播種株距(mm);

lb—相鄰種勺之間的距離(mm);

dc—驅(qū)動鏈輪直徑(mm);

Ra—驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min);

Rb—驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)速(r/min);

vd—驅(qū)動鏈條線速度(m/s)。

由于電機(jī)驅(qū)動鏈輪帶動勺式取種鏈運行,由上式合并可得到播種株距La與驅(qū)動鏈條線速度vd及播種機(jī)行走速度va之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為

La=va·lb/vd

根據(jù)上式可知,根據(jù)驅(qū)動電機(jī)反饋模塊得到的轉(zhuǎn)速即可計算出驅(qū)動鏈條線速度vd和輪速傳感器檢測出播種機(jī)的行走速度va,就可以控制播種株距La。

2.3 軟件系統(tǒng)流程設(shè)計

軟件控制系統(tǒng)主要由主控制模塊、自檢模塊、播種株距控制模塊、人機(jī)交互模塊及故障報警模塊等組成,如圖4所示。在系統(tǒng)開機(jī)時,完成系統(tǒng)的初始化和各模塊的自檢,如果有系統(tǒng)軟、硬件故障,則以點亮故障燈同時報警的形式提醒用戶;在自檢完成后,系統(tǒng)自動啟動漏播監(jiān)測模塊及補(bǔ)薯系統(tǒng),按照系統(tǒng)初始的播種速度,驅(qū)動取種鏈條將待播種端取種勺自動填滿,直到漏播監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到待播取種勺中有種薯為止,此時系統(tǒng)進(jìn)入待命狀態(tài);當(dāng)牽引拖拉機(jī)行走時,系統(tǒng)立即拾取拖拉機(jī)輪速信號,以計算拖拉機(jī)的行走速度;按照人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)定的株距,計算出取種勺電機(jī)的轉(zhuǎn)速,并對株距進(jìn)行測量以修正電機(jī)轉(zhuǎn)速;系統(tǒng)進(jìn)入正常作業(yè),漏播監(jiān)測系統(tǒng)同時工作,當(dāng)漏播監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到取種勺背面未有種薯時,系統(tǒng)立即驅(qū)動電機(jī)瞬時加速,將下一個取種勺的種薯補(bǔ)上,同時將補(bǔ)薯次數(shù)進(jìn)行累計。其工作流程圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Work flow chart of software system

3 播種性能試驗與結(jié)果分析

3.1 不同行走速度對播、補(bǔ)薯作業(yè)性能的影響

試驗選取的地塊為重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院建立的“西南馬鈴薯全程機(jī)械化示范基地”,待播種地已經(jīng)通過旋耕機(jī)進(jìn)行整備以滿足播種作業(yè)條件,選取播種直線長度為100m測試該播種機(jī)的作業(yè)性能。由于該播種機(jī)采用的播薯一體設(shè)計,無法區(qū)分機(jī)具完成的哪一顆種薯是播薯還是補(bǔ)薯,為了便于試驗測試,在馬鈴薯在取種鏈運動的過程中,如果發(fā)現(xiàn)取種勺有空勺的情況,則由工作人員將空勺的下一個種薯用自噴漆噴上紅色,用于區(qū)分播薯和補(bǔ)薯。試驗設(shè)定播種的作業(yè)速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2m/s工況下,采集正常播種數(shù)(α)、漏播數(shù)(β)、補(bǔ)播種數(shù)(γ),以此計算馬鈴薯播種機(jī)的正常播種率(Va)、補(bǔ)種成功率(Vb)、總播種成功率(Vc),即

Va=α/(α+β)×100%

Vb=γ/β×100%

Vc=(α+γ)/(α+β)×100%

為了減小試驗誤差和錯誤,在試驗中選取相對穩(wěn)定的一段測試數(shù)據(jù)作為分析樣本。本次測試每個行走速度測試3次,分別取3次正常播種數(shù)(α)、漏播數(shù)(β)、補(bǔ)播種數(shù)(γ)、正常播種率(Va)、補(bǔ)種成功率(Vb)、總播種成功率(Vc)并求3次的平均值,測試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出:搭載了漏播監(jiān)測及補(bǔ)薯裝置的馬鈴薯播種機(jī)在正常行走速度區(qū)間,總播種成功率為91%～98%,在行走速度為0.6m/s時,正常播種率最高91%,總播種成功率也最高98%。這是因為在低速作業(yè)狀態(tài),取種勺具有足夠的充種時間,產(chǎn)生的空勺率也較低,故補(bǔ)種成功率較高;隨著行走速度的加快,正常播種率和補(bǔ)種成功率均在下降,在行走速度為0.6～1.0m/s時,屬于較為經(jīng)濟(jì)的作業(yè)區(qū)間,具有良好的整體作業(yè)性能;但在行走速度超過1.0m/s以后,其播種成功率和補(bǔ)種成功率在急速下降。這是因為本機(jī)采用的播補(bǔ)薯鏈條一體化設(shè)計,在提高了播種機(jī)的行走速度后,其驅(qū)動電機(jī)的速度也會隨之加快,在執(zhí)行補(bǔ)薯過程中,電機(jī)轉(zhuǎn)速及補(bǔ)薯加速度還會急速增加,這就造成了在種箱內(nèi)的取種勺充種時間更短,導(dǎo)致連續(xù)空勺的情況,即補(bǔ)薯成功率急速下降。綜上所述,該馬鈴薯播種的最佳作業(yè)區(qū)間速度為0.8～1.0m/s。

表1 不同播種速度下測定數(shù)據(jù)Table 1 Measured data under different sowing speeds

3.2 不同作業(yè)速度對實際株距的影響

株距控制是馬鈴薯播種機(jī)一個核心技術(shù)參數(shù),本試驗選取播種長度為100m,隨機(jī)選取6個點作為株距測定點,分別設(shè)定播種機(jī)行走速度為0.6、0.8、1.0、1.2m/s,與上文的播補(bǔ)薯性能形成對照,按照重慶市馬鈴薯播種農(nóng)藝規(guī)范,本次試驗設(shè)定株距為0.25m。試驗結(jié)果分別取6個測定點株距的平均偏差作為該播種機(jī)的株距控制性能參數(shù),選取其中較為平穩(wěn)一段數(shù)據(jù)作為結(jié)果,數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知:在設(shè)定的株距250mm不變的情況下,隨著播種機(jī)作業(yè)速度的提升,株距誤差在明顯的增大,當(dāng)行走速度達(dá)到1.2m/s時,因誤差太大而不能滿足作業(yè)需求;在作業(yè)速度為0.6～1.0m/s時,實際播種株距的誤差均可控制在允許范圍。究其原因,對照上文的試驗結(jié)果,在行走速度加快時,取種鏈的漏播率增加,造成補(bǔ)薯動作的連續(xù)執(zhí)行,因為補(bǔ)薯作業(yè)時電機(jī)處于高速運轉(zhuǎn),導(dǎo)致種薯下薯瞬間初速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常作業(yè)速度,導(dǎo)致株距變窄,或者是出現(xiàn)連續(xù)空勺,造成株距急劇增大。考慮到應(yīng)同時滿足作業(yè)效率和作業(yè)性能,取該馬鈴薯播種機(jī)的經(jīng)濟(jì)作業(yè)行走速度為1m/s。

表2 不同作業(yè)速度對株距誤差的影響Table 2 Effect of different operating speeds on plant spacing error

4 結(jié)論

1)設(shè)計的單鏈取種勺式馬鈴薯播補(bǔ)薯一體機(jī)在現(xiàn)有地輪驅(qū)動的雙鏈取種馬鈴薯播種機(jī)上進(jìn)行了升級改造,主要的優(yōu)勢是在合理的作業(yè)速度范圍內(nèi)可達(dá)到良好的作業(yè)效果以滿足馬鈴薯播種農(nóng)藝需求,且株距通過人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)定可連續(xù)可調(diào)。田間試驗表明:在播種機(jī)作業(yè)速度1.0m/s以下時,播種機(jī)的補(bǔ)薯成功率為73%～81%,總播種成功率為97%～98%,相比沒有搭載補(bǔ)薯系統(tǒng)的播種機(jī)總播種成功率提高了近10個百分點,且其播種株距誤差為2.52%～4.83%,取得較好的株距控制效果。

2)設(shè)計的馬鈴薯播種機(jī)通過電機(jī)驅(qū)動勺鏈?zhǔn)饺》N機(jī)構(gòu)進(jìn)行播補(bǔ)薯作業(yè),通過系統(tǒng)的設(shè)定,可以隨意調(diào)整馬鈴薯播種的株距,解決了傳統(tǒng)的播種機(jī)調(diào)節(jié)株距需要調(diào)整配套的鏈輪導(dǎo)致工作效率低的問題;另外,通過電機(jī)驅(qū)動取種機(jī)構(gòu),解決了傳統(tǒng)播種機(jī)的地輪驅(qū)動由于整地高低不平和高速作業(yè)時因滑移率高導(dǎo)致株距變異大的問題,有效保證了播種株距。試驗表明,當(dāng)作業(yè)速度在1m/s以下時,能較好地達(dá)到各項測試指標(biāo)。

3)馬鈴薯播種機(jī)采用了單勺鏈?zhǔn)饺》N播補(bǔ)薯一體式機(jī)構(gòu),通過電機(jī)直接驅(qū)動取種勺鏈,省去了現(xiàn)有播種機(jī)地輪及傳動等機(jī)構(gòu),減輕了整機(jī)質(zhì)量,更加適宜丘陵山區(qū)對作業(yè)機(jī)具小型化的需求。但是,單鏈?zhǔn)饺》N機(jī)構(gòu)在取種和補(bǔ)種作業(yè)過程中,對作業(yè)速度的變化極為敏感,試驗測試表明:當(dāng)作業(yè)速度超過極限數(shù)值時,漏播率急劇升高而補(bǔ)薯成功率急劇下降,應(yīng)合理地設(shè)定單鏈?zhǔn)饺》N機(jī)構(gòu)播種機(jī)的作業(yè)速度。