小區播種機錐體投種器分種均勻性的試驗研究

葉 巖,吳澤全,余 濤,東忠閣,劉俊杰

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

種子安全事關國家糧食安全,已經上升到國家安全的戰略高度[1]。良種對我國糧食增產的貢獻率為43%,而美國等發達國家良種貢獻率達到60%以上[2]。小區育種播種設備作為培育優良品種的重要設備之一,對提高育種試驗的效率和試驗結果準確性具有顯著的影響[3]。

小區育種播種設備是培育新品種、繁殖良種和對比品種等田間試驗所用的專用播種機[4],具有定量播種、自動清種、間隔播種、連續播種等特點[5]。錐體分種器作為小區播種機重要組成部件之一,主要通過存種管提升部件、錐體存種部件、導種管等完成投種作業。國外育種機械發展起步較早,小區播種機形式多樣且功能完備,如奧地利Wintersteiger公司、法國Braural公司、巴西的Maquinarium公司和美國Almaco公司所生產小區播種機,一種類型是配套手動和氣動提升形式的錐體分種器,另一種類型是種盒自動投種裝置。其中,美國Almaco公司最新開發的彈匣式全自動供種裝置,從備種、分種、裝盒到排列均能夠實現無人化。經過長期的技術發展和裝備更新,國外小區播種設備已到較高的自動化和智能化水平[6-9]。

通過查閱相關文獻資料可知,目前國內小區播種機投種裝置主要分為下列幾種類型:一是通過錐體裝種裝置進行投種,需要預先將各育種區域種子分裝到紙袋進行人工投種,并利用左側和前端水平泡手動調節投種裝置的水平度,其投種均勻性受人工調節的影響程度較大;二是錐體帆布袋式投種裝置[10],利用錐體和帆布袋之間摩擦旋轉帶動種子行進至投種口,但帆布袋與錐體之間張緊度需要定期調整,且帆布袋使用壽命受材料性能影響較大;三是錐體格盤式投種器,其內部若干隔板會使“種流”斷裂,同時格盤攜種時與底板接觸面之間相對滑動易磨損種子[11]。

國內小區播種機雖然技術研究起步較晚,但近些年隨著國家重視程度的不斷加深,小區播種機械化作業和自動化水平逐年提高。劉曙光[12]等設計了錐體帆布帶式排種器,并改進了存種裝置對作物種子的適應性和播種均勻性。楊誠[13]通過研究小麥種子流在排種裝置中的運動狀態,分析了種子在錐體分種及離心分配裝置工作過程中的受力和運動規律,從而提高了錐體離心式排種器的排種均勻性。楊薇[14]針對現有小區株行條播機手動上種人工勞動量大、工作效率低的情況,設計了株行條播機彈匣式上種裝置。上述投種裝置的研究為提高國內小區播種機分種裝置水平奠定了相應的理論研究基礎。因此,為了提高小區播種機投種裝置的分種均勻性,筆者設計了一種自動調節水平及最優關鍵部件參數組合的投種裝置,旨在為提高投種器分種的均勻性提供參考。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

小區播種機錐體分種器主要由投種漏斗、提升部件、微型直線伺服電缸、伺服電機、傾角傳感器、落種導管接頭、錐體及底座、亞克力殼體、導種管固定架及導種管等部分組成,如圖1所示。

裝置主要采用伺服電機、微型直線伺服電動缸和傾角傳感器控制裝置水平度,并通過優化設計錐體角度和導種管管徑解決了投種裝置作業過程中分種均勻性難控制的問題,進而提高裝置投種均勻性,降低人工作業強度,并提高育種作業效率。其主要結構尺寸如表1所示。

表1 錐體分種部件的動態調平裝置的主要參數Table 1 Main parameters of dynamic leveling device for cone seed separation parts

1.2 工作原理

當小區播種機行進至待播種小區區域時,錐體投種裝置的自動調平部件通過傾角傳感器檢測當前錐體投種器的角度,傾角傳感器反饋的數據根據設定時間間隔不斷傳輸至控制器中,通過控制器終端采集數據信號,從而控制伺服電動缸和伺服電機驅動裝置進行角度調整;在伺服電機和電缸的共同作用下,將分種裝置調整至設定傾角范圍內,使裝置維持在可控水平傾斜角度范圍內;待錐體投種裝置快速調整穩定后,人工將預先分配完成的袋裝種子倒入投種漏種中,種子經投種漏斗落入到導種管與錐體結合處,通過面板按鈕或手動控制提升支架,將投種漏斗提升至預定位置;種子均勻落入四路分種管,待下一步動作后,種子到達播種器內部,從而完成一個小區的供種過程。

2 關鍵部件設計

2.1 投種漏斗的結構設計

為適應不同玉米種粒大小的投種需求,提高種子分種適應性,將投種漏斗設計為可更換變徑連接頭;通過螺紋連接更換不同孔徑的連接頭,促使種子落點位置集中到下端錐體尖端,其錐體和投種漏斗材料均采用亞克力材料加工而成,可視度和表面光潔度較高,便于觀察落種情況和后期試驗研究。根據相關小區育種機械學者的理論研究可知[15-16],漏斗底端出口直徑尺寸與種子尺寸大小存在函數關系。以糧食作物為試驗對象,投種漏斗下端漏種口最小直徑dmin、種粒長度b和寬度c之間的經驗公式為

(1)

其中,dmin為投種漏斗下出口最小直徑(mm);b為種子的平均長度(mm);c為種子的平均寬度(mm)。

因此,根據玉米種粒參數選用合適的投種漏斗下出口直徑,有利于提高分種均勻性和適應性,降低因人工投種時種粒落點位置不可控等因素影響。可更換變徑連接件如圖2所示。

1.投種漏斗 2.變徑連接頭圖2 投種漏斗示意圖Fig.2 Schematic diagram of seed hopper

2.2 分種器錐體的結構設計

分種均勻性的高低是評價分種器性能的重要指標,均勻性越高,裝置的性能越好。為進一步分析種粒下落情況,首先對種子在投種器分種錐錐面上的種粒進行受力分析[17]。以種子中心為原點,沿錐面向上為X平面,沿錐面垂直面為Y平面,則種粒的受力情況如圖3所示。圖3中,θ為分種錐面與水平面夾角(°);G為種粒質量(g);N為支持力(N);fx為摩擦力(N);Fr為離心力(N)。具體關系式為

圖3 種子在錐面上的受力分析Fig.3 Force analysis of seed on conical surface

Frcosθ+Gsinθ-fx=max
N+Frsinθ-Gcosθ=may

(2)

其中,ax、ay分別為種粒在X、Y軸方向的加速度(m/s2)。

當投種漏斗提升后,玉米種子沿錐體表面向四周滑落,其分種錐面與水平面夾角決定玉米種子在錐體表面上滑行的時間:錐體底角角度取值越大,種子在錐體表面滑行速度越快;錐體底角角度取值越小,種子在錐體表面滑行越慢。結合錐體角度和導種管整體對投種均勻性的影響,通過后續試驗確定最優參數。

2.3 傾角傳感器的選型和控制

小區播種機在作業過程中,錐體分種器與作業機具伴隨著地表起伏做不規則振動。為穩定、準確控制錐體分種器的水平度,選用維特智能生產的MPU6050動態傾角傳感器,固定安裝在錐體固定架上端平面,來測量錐體分種器前后左右水平擺動角度。其傾角傳感器供電電壓為5～36V,抗振性能為2000g,輸出方式為RS232/485/TTL/Modbus協議接口輸出,工作溫度為-40～+85℃,尺寸為L51mm×W36mm×H15mm,質量為20g;動態精度可達到±0.1°,角度x/z軸±180°,Y軸±90°。將傾角傳感器安裝固定后進行水平測試,傾角傳感器測量系統界面如圖4所示。在設定采集數據的時間間隔下,傾角傳感器反饋的數據根據設定時間間隔傳輸水平傾角數據,通過控制終端采集的控制信號控制微型直線伺服電缸和伺服電機驅動裝置進行角度調整。通過“相對或絕對零點”按鈕實現對水平傾角傳感器的校準,以保證小區播種機區間作業時傾角測量的準確性和信號輸出的穩定性。

圖4 傾角傳感器測量系統界面Fig.4 Simulation model of the pneumatic device

3 性能試驗與結果

3.1 試驗基本條件

為檢驗投種器工作時的均勻性及可靠性,試驗在黑龍江省農業機械工程科學研究院智能化所實驗室臺架上進行。試驗選用“農科玉”克單14號,隨機挑選出外型尺寸相對較規則且外觀無破損的玉米種粒1000粒,使用精度為0.01g的電子秤進行稱重,重復3次,實際測量千粒質量平均為314.6g。

3.2 試驗方法與評價指標

以玉米為試驗研究對象,對錐體投種器的分種均勻性進行試驗研究。試驗前, 將試驗裝置固定于試驗臺架上,調平系統測試至穩定控制狀態。試驗過程中,將紙袋裝有的玉米種子均勻地倒入到投種漏斗中,隨著存種管的提升,玉米種子在重力的作用下落入到各路分種管內,對4路分種管排出的落種量用播種監視器和人工復檢進行計數。通過計算分種器分布均勻性變異系數[18]檢驗分種器分種均勻性,公式為

(3)

式中cv-分配均勻性變異系數(%);

qi-第i路種子數量,i=1、2、3、4;

3.3 試驗參數設計

根據樣機試驗可知,為保證單行播種時有足夠的種子量,在使用錐體投種器時需要額外添加約10%～15%的種子量,用于補償分種器出現的誤差。首先,常見小區播種面積為幾平方米至十幾平方米之間,且玉米種植的行距一般在0.5～0.6m之間、株距在25～40cm之間,本文選取面積為12m2的矩形試驗小區。用種量計算公式為:種子量={(播種長度/株距+余種量)×播種列數}。其中,余種量為補償量。綜上所述,確定單一小區所需單粒種子量約為56粒。根據文獻[19-20],選取投種器錐頭角度范圍為40°～50°,導種管直徑為60、50、40mm進行試驗。

3.4 試驗因素和水平

針對各個影響因素對分種均勻性的影響程度,設計正交試驗進行分析,試驗因素水平如表2所示。為分析各因素對投種器分種均勻性性能指標的影響,試驗采用三因素三水平設計,共進行27組,每組重復3次,并取平均值[21-23]。

表2 試驗因素水平表Table 2 Test factor level table

3.5 試驗方案與結果

為降低人工和物力成本,既減少試驗次數又不影響試驗效果,從L9(34)正交表中選出具有代表性的搭配組合,序號為1、5、9、11、15、16、21、22、26,將這9個試驗按新編號列出。試驗方案與均勻性變異系數如表3所示。

表3 試驗方案與結果Table 3 Experimental project and results

由表3可知:極差值越大的因素水平改變,對試驗指標的影響越大,極差最大的一列是需要考慮的主要因素;各因素對試驗指標(分種均勻性)的影響程度主次順序為A(錐體角度)、B(導種管直徑)、C(漏斗口直徑),最優的方案為A1B3C1。為驗證A1B3C1是否為最佳方案,進行樣機驗證試驗。結果表明:理論優化結果與驗證試驗結果相近,分種均勻性處于較優水平,且分種裝置均勻性較穩定,調平效果良好,能夠滿足投種要求。

4 結論

1)通過對錐體分種器的投種、攜種和分種等作業過程分析研究,得出各因素對分種均勻性的影響程度主次排序為錐體角度、導種管直徑、漏斗口直徑。其中, 錐體角度和導種管直徑的結構及配合變化對分種裝置均勻性的影響較顯著,漏斗底端管徑的大小變化對分種均勻性的影響不顯著。

2)臺架試驗結果表明:分種投種器能夠穩定實現玉米投種作業,調平結構和控制裝置能夠有效提高投種均勻性和落種流暢度。試驗過程中投種作業穩定,分種均勻性變異系數均值為13.7%,各項參數和指標均符合分種需求。

3)驗證試驗和參數優化試驗過程中未出現漏種和無法調平裝置等問題,其性能滿足了小區育種試驗過程中持續、穩定、均勻投種方式的作業需求。