電控水稻精量穴直播機(jī)播種系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

朱 景 建

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程分院， 浙江 湖州 313000)

電控水稻精量穴直播機(jī)播種系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

朱 景 建

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電與汽車工程分院， 浙江 湖州 313000)

水稻精量穴直播種植方式是當(dāng)代最先進(jìn)的種植方式，在用和在研的水稻穴播機(jī)存在著漏播和重播、傷種及穴粒分散等技術(shù)瓶頸。采用現(xiàn)代傳感技術(shù)和智能控制技術(shù)，通過組穴過程監(jiān)測(cè)和多環(huán)節(jié)控制策略，設(shè)計(jì)了一種電控水稻精量穴直播機(jī)播種系統(tǒng)的技術(shù)控制和結(jié)構(gòu)方案，可突破現(xiàn)有水稻精量穴播機(jī)現(xiàn)存的技術(shù)瓶頸，滿足農(nóng)藝技術(shù)要求的穴播質(zhì)量。

水稻； 播種系統(tǒng)； 精量穴播； 不合格穴； 穴粒監(jiān)測(cè)

水稻精量穴直播種植技術(shù)是由水稻條直播和撒播種植方式發(fā)展而來的，是水稻直播技術(shù)的理想形式，該技術(shù)在一些農(nóng)業(yè)技術(shù)先進(jìn)的水稻主產(chǎn)國已推廣應(yīng)用多年。國內(nèi)開始重視這方面的研究也有十多年，目前還處在推廣實(shí)驗(yàn)階段，每年水稻精量穴直播種植面積不到總種植面積的1%。水稻精量穴播種植有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)水、省種、節(jié)約勞動(dòng)力；②可全程機(jī)械化作業(yè)，規(guī)?；N植，生產(chǎn)效率高；③播種較深，植株分蘗能力強(qiáng)，產(chǎn)量高于移栽水稻；④水稻旱直播種植時(shí)間遲，可避開蟲害，降低農(nóng)藥用量，提高稻米品質(zhì)[1]149-152。

水稻精量穴直播種植方式對(duì)播種質(zhì)量要求高，播種機(jī)性能和操作水平直接影響播種效果，最終影響水稻產(chǎn)量和質(zhì)量。國內(nèi)推廣水稻精量穴直播種植存在以下難題：①進(jìn)口水稻精量穴直播機(jī)價(jià)格遠(yuǎn)超農(nóng)戶購置實(shí)力，且播種質(zhì)量也不完全滿足農(nóng)藝要求；②自主品牌精量穴播機(jī)的購置成本也超過農(nóng)戶預(yù)期，且有以下關(guān)鍵技術(shù)尚待突破：①漏播和重播----每穴種子粒數(shù)小于理論粒數(shù)下限為漏播，大于理論粒數(shù)上限為重播；②傷種----主要是指播種器取種(機(jī)械式)或組穴(氣力式)過程中，對(duì)破胸露白的種子強(qiáng)制外力作用所造成的傷害；③穴粒分散----同穴種粒不同時(shí)下落，造成的條播現(xiàn)象。

以上技術(shù)難題所有在用水稻精量穴播機(jī)都不同程度存在，也是長(zhǎng)期困擾國內(nèi)自主品牌精量穴播機(jī)發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵。因此，本文擬打破常規(guī)設(shè)計(jì)理念，將現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)和智能控制技術(shù)融入設(shè)計(jì)方案中，做出全新概念的電控水稻精量穴直播機(jī)。

一、現(xiàn)有水稻精量穴直播機(jī)播種器技術(shù)分析

在用和在研的水稻穴播機(jī)的核心技術(shù)都集中在播種器上，按其播種原理分為機(jī)械式播種器和氣力式播種器兩大類[2]23-25。

如圖1所示，是機(jī)械式播種器的基本結(jié)構(gòu)形式，基本原理是在一個(gè)由地輪帶動(dòng)的播種盤邊緣上均勻布置幾個(gè)穴槽，播種盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，其邊緣穿過儲(chǔ)種箱，穴槽可帶走一定數(shù)量的種粒，轉(zhuǎn)到接近最低點(diǎn)的穴槽中的種粒在重力和離心力的共同作用下拋向地面?；蛘咴诓シN盤圓周均布勺型鏟，轉(zhuǎn)動(dòng)過程中鏟勺穿過儲(chǔ)種箱帶走一定數(shù)量的種粒。由此過程不難看出其存在三方面技術(shù)缺陷：

①對(duì)于外形和尺寸相差較大的芽種，穴槽或鏟勺取種數(shù)量難以控制，會(huì)造成漏播或重播缺陷；

②旋轉(zhuǎn)的播種盤邊沿穿過儲(chǔ)種箱對(duì)部分芽種造成機(jī)械切割損傷和摩擦損傷；

③由于穴槽或鏟勺的一面是敞開的，穴槽或鏟勺中種粒是疊放的，播種盤是轉(zhuǎn)動(dòng)的，播種機(jī)是向前運(yùn)動(dòng)的，這幾種因素綜合影響，導(dǎo)致同穴種粒不同時(shí)下落，會(huì)造成條播現(xiàn)象，不能保證農(nóng)藝要求的穴播效果。另一種傳送帶式機(jī)械播種器，盡管取種方式能夠改善傷種問題，但漏播和重播問題仍沒有改善，且條播現(xiàn)象依然嚴(yán)重。

據(jù)權(quán)威資料報(bào)道，在用機(jī)械式水稻穴直播機(jī)，田間試驗(yàn)測(cè)得穴合格率平均值沒有突破85%，穴粒分散成條播現(xiàn)象嚴(yán)重，傷種率數(shù)據(jù)檢測(cè)難度較大而鮮見報(bào)道[3]12-16。

目前結(jié)構(gòu)上最先進(jìn)的氣力式水稻穴播播種器是氣吸—?dú)鈮菏?。圖2是這種播種器播種盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分為三部分：吸入弧段(低壓室)、攜種弧段(低壓室)和投種弧段(高壓室)。播種盤內(nèi)吸孔附近設(shè)置有梳種條，它對(duì)吸入弧段的種子有攪動(dòng)作用，可使吸種弧段種子均勻分布，保證每個(gè)吸孔不漏吸，降低漏播率。采用每組吸孔個(gè)數(shù)決定下播穴粒數(shù)最大值，重播率趨于零。在播種盤的投種弧段通入高壓氣體，可提高種子下落同時(shí)性，改善穴粒分散的條播現(xiàn)象。水稻芽種在播種盤低壓室被吸孔吸附后的狀態(tài)有平躺、豎立和側(cè)立三種情況。當(dāng)種子處于直立狀態(tài)和側(cè)立狀態(tài)時(shí)，如果是有芽一端進(jìn)入吸孔，在排種盤旋轉(zhuǎn)過程中，會(huì)由于低壓室其它懸浮飛轉(zhuǎn)的種粒碰撞而傷種，在高壓室脫落過程中也可能傷種。目前關(guān)于這種播種機(jī)構(gòu)傷種率的數(shù)據(jù)還沒有報(bào)導(dǎo)。

圖1 機(jī)械式水稻穴直播機(jī)播種器圖 2 氣吸—?dú)鈮菏讲シN器

從報(bào)道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，這種氣吸—?dú)鈮航M合式播種器的穴粒分散和重播率問題解決較好，但漏播問題沒有得到解決，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試：穴合格率平均值小于86.5%，田間試驗(yàn)穴合格率平均值小于76.3%。兩種試驗(yàn)條件下存在較大數(shù)據(jù)差值的原因，主要是低壓室真空度在田間振動(dòng)環(huán)境不穩(wěn)定，且振動(dòng)機(jī)械作用也使吸附的部分種粒脫落。如果采用提高低壓室真空度來解決這一問題，不僅消耗功率過大，也會(huì)進(jìn)一步造成傷種[4]83-125。

通過以上數(shù)據(jù)分析可知，氣力式水稻穴直播機(jī)實(shí)際應(yīng)用的綜合性能指標(biāo)還達(dá)不到機(jī)械式穴直播機(jī)的水平，尚待進(jìn)一步研究。

二、電控水稻精量穴直播機(jī)播種系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

鑒于目前在用和在研的水稻穴直播機(jī)存在的技術(shù)問題，本文認(rèn)為，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)難以逾越這些技術(shù)障礙，這是由于水稻芽種特殊的機(jī)械物理特性所決定的。因此，本設(shè)計(jì)運(yùn)用現(xiàn)代檢測(cè)手段和智能控制技術(shù)，力圖使最終播種效果符合農(nóng)藝要求的技術(shù)指標(biāo)，即穴合格率平均值大于95%，傷種率平均值小于2‰，穴粒集中度平均值不大于R=15 mm。

該設(shè)計(jì)方案技術(shù)特點(diǎn)與當(dāng)前機(jī)械式或氣力式播種器比較，從根本上把隨機(jī)強(qiáng)制取種組穴、自由下播的模糊、簡(jiǎn)單控制，分解成如下清晰的多環(huán)節(jié)控制：整定種粒規(guī)則流動(dòng)----輪刷輕播組穴----穴粒監(jiān)測(cè)----篩選合格穴----儲(chǔ)備合格穴----穴粒同時(shí)下播。把播種全過程作為一個(gè)控制系統(tǒng)，并將整個(gè)系統(tǒng)分為三個(gè)控制環(huán)節(jié)。

(一)種粒流整定與組穴控制

為避免傳統(tǒng)組穴方式對(duì)種子的傷害，本方案設(shè)計(jì)了種子流動(dòng)規(guī)整與組穴系統(tǒng)控制技術(shù)路線，如圖3所示。通過對(duì)滿足農(nóng)藝技術(shù)要求的水稻芽種的機(jī)械物理特性監(jiān)測(cè)，分析種子流動(dòng)態(tài)的可規(guī)整性，運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)種子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，設(shè)計(jì)出具有振動(dòng)機(jī)構(gòu)和整定軌道的整定系統(tǒng)，特定的軌道幾何形狀設(shè)計(jì)，保證種子連續(xù)規(guī)則的流動(dòng)，其流速與組穴刷輪的步進(jìn)速度相適應(yīng)，最大限度地提高組穴速度和穴合格率，滿足最大播種速度要求。

(二)組穴情況監(jiān)測(cè)與選、儲(chǔ)穴控制

通過種子流動(dòng)規(guī)整和組穴控制環(huán)節(jié)，爭(zhēng)取獲得穴合格率平均值在85%以上。為使最終下播穴合格率接近100%，需要對(duì)不合格穴篩選剔除，并對(duì)合格穴進(jìn)行儲(chǔ)備。為此制定了穴情檢測(cè)與選、儲(chǔ)穴控制技術(shù)路線，如圖4所示。

圖3 稻種流動(dòng)規(guī)整及組穴控制系統(tǒng)技術(shù)路線圖 圖4 穴情監(jiān)測(cè)與選儲(chǔ)穴控制系統(tǒng)技術(shù)路線圖

(三)儲(chǔ)穴與播種速度匹配控制

儲(chǔ)備合格穴可消除由于剔除不合格穴所造成的連續(xù)播種中斷，避免空穴現(xiàn)象，或者，保證下播的穴種都是取自準(zhǔn)備充分的、合格的儲(chǔ)種盤的種源，這樣在播種過程中既不會(huì)出現(xiàn)不合格的穴種，也不會(huì)出現(xiàn)間斷的空穴現(xiàn)象。除此之外，播種過程還必須實(shí)時(shí)控制儲(chǔ)種速度與播種速度相匹配。本設(shè)計(jì)采用播種盤與儲(chǔ)種盤單獨(dú)驅(qū)動(dòng)、功能交替互換、聯(lián)合控制策略。

三、電控水稻精量穴直播機(jī)播種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

執(zhí)行上述三個(gè)控制技術(shù)路線需要合理的結(jié)構(gòu)技術(shù)方案作支撐，本文對(duì)應(yīng)三個(gè)技術(shù)路線做了如下結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。

(一)種粒流整定與組穴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5所示機(jī)構(gòu)是試驗(yàn)驗(yàn)證水稻芽種自由流動(dòng)態(tài)可規(guī)整性能，并進(jìn)行組穴控制的硬件系統(tǒng)。通過刷輪和軌道截面幾何形狀及軌道傾角的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化種粒連續(xù)流動(dòng)規(guī)則的整定系統(tǒng)幾何參數(shù)，并運(yùn)用軟件系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)電機(jī)參數(shù)和組穴刷輪步進(jìn)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行程序控制，使該控制環(huán)節(jié)能夠達(dá)到輸出組穴合格率不小于85%的技術(shù)指標(biāo)。

(二)組穴監(jiān)測(cè)與選、儲(chǔ)穴控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖6所示機(jī)構(gòu)是試驗(yàn)驗(yàn)證組穴情況監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)選、儲(chǔ)穴控制的硬件系統(tǒng)。在種粒下落的通道上設(shè)置光柵傳感器，傳感器將檢測(cè)到的稻粒通過信號(hào)輸送到微機(jī)進(jìn)行放大處理，微機(jī)系統(tǒng)根據(jù)稻粒數(shù)量信號(hào)向選穴電機(jī)和儲(chǔ)穴電機(jī)發(fā)出工作指令，決定一組穴粒通過光柵傳感器后的去向。該環(huán)節(jié)控制參數(shù)設(shè)定包括：傳感器參數(shù)設(shè)定、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)定、落種通道長(zhǎng)度設(shè)定和分配管長(zhǎng)度設(shè)定。應(yīng)保證該控制環(huán)節(jié)達(dá)到輸出合格穴漏檢率小于3%、穴儲(chǔ)存率不小于98%的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖5 可橫向振動(dòng)芽種流動(dòng)規(guī)整及組穴機(jī)構(gòu) 圖6 穴情監(jiān)測(cè)及選、儲(chǔ)穴控制機(jī)構(gòu)

(三)儲(chǔ)穴與播種速度匹配控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

播種過程是連續(xù)作業(yè)的，但受諸多因素影響，不能保證組成連續(xù)的合格穴并充入儲(chǔ)穴盤，因此在下播之前，必須儲(chǔ)備有充足數(shù)量的合格穴，才能避免發(fā)生空穴現(xiàn)象。本機(jī)構(gòu)雖然設(shè)計(jì)有儲(chǔ)穴盤，但還必須保證儲(chǔ)種速度與播種速度相匹配。微機(jī)系統(tǒng)通過判斷儲(chǔ)種盤情況，及時(shí)調(diào)整播種速度參數(shù)。通過排種閥門電磁閥脈沖參數(shù)設(shè)定，可保證穴粒集中度。該控制環(huán)節(jié)的輸出指標(biāo)應(yīng)達(dá)到：儲(chǔ)、排種盤工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換無間隙，保證儲(chǔ)穴盤100%充滿，播種盤100%順利播下。

四、方案試驗(yàn)條件分析

此方案是基于初步計(jì)算和試驗(yàn)而設(shè)計(jì)，結(jié)合現(xiàn)有在用水稻穴播機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)，試驗(yàn)條件和預(yù)期結(jié)果可做如下考慮：

(1)水稻芽種要在適應(yīng)自身機(jī)械物理特性和幾何形狀的軌道內(nèi)做規(guī)則、有序運(yùn)動(dòng)，并保證其排列速度和流動(dòng)速度符合預(yù)設(shè)要求，需要確定整定系統(tǒng)的安裝傾角參數(shù)和振動(dòng)參數(shù)。當(dāng)取下列一組參數(shù)試驗(yàn)時(shí)(軌道長(zhǎng)度250～300 mm，軌道傾角在28～31 °之間，振動(dòng)頻率400～500 Hz，振幅7～9 mm，兩刷頭弦長(zhǎng)4～5 mm，刷輪轉(zhuǎn)速100 rpm)，應(yīng)得到單個(gè)組穴刷頭平均播空率不大于15%的結(jié)果。如果得不到預(yù)期結(jié)果，可在各參數(shù)變化范圍內(nèi)重新組合調(diào)整，并進(jìn)一步優(yōu)化軌道截面結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)組合式光柵傳感器應(yīng)安裝在低于軌道下端口45 mm處，按照每個(gè)組穴刷輪的振動(dòng)范圍，分隔成與光柵輸出端數(shù)量相等的種粒下落單通道。在距離光柵傳感器下端面80 mm處，設(shè)置微機(jī)控制的三位三通旋轉(zhuǎn)電磁閥，即選、儲(chǔ)穴閥，它根據(jù)檢測(cè)到的穴情和播種盤工作情況轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)狀態(tài)。光柵傳感器的漏檢率不大于2%；選、儲(chǔ)穴閥響應(yīng)速度應(yīng)不大于10 °/ms，才能實(shí)現(xiàn)選、儲(chǔ)穴功能。可通過增加光柵傳感器到電磁閥之間距離，降低對(duì)電磁閥響應(yīng)速度要求。

(3)播種速度受儲(chǔ)穴速度限制。儲(chǔ)穴盤步進(jìn)速度由組穴情況決定，要確保儲(chǔ)種盤和播種盤無間隙轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無空穴連續(xù)播種的農(nóng)藝要求，播種盤步進(jìn)速度應(yīng)是儲(chǔ)穴盤步進(jìn)速度的70～80%之間，單位時(shí)間內(nèi)合格穴的儲(chǔ)存數(shù)量決定了播種生產(chǎn)率的大小。

[1] 趙永亮,梁寶忠,唐華晴,等.水稻不同種植方式的比較試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014(8).

[2] 李洪昌,高 芳,趙 湛.國內(nèi)外精密排種器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014(2).

[3] 包春江,王瑞麗.日本水稻機(jī)械直播技術(shù)綜述[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2007(6).

[4] 翟建波.氣力式水稻芽種精量穴直播排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2015.

Conceptual Design on the Electronic Precision Controlled Rice Hole Planting Seeder

ZHU Jing-jian

(School of Mechanical Electrical ﹠ Automotive Engineering, Huzhou Vocational and Technological College, Huzhou 313000, China)

Rice hole planting precision controlling planting method on rice hole planting is the most advanced planting method, There are three insurmountable technical bottlenecks on being used and being studied rice hole planting seeder: unqualified seeds per bunch, seed damage and seeds are too scattered. This paper introduces the control technology route and structure design scheme on the electronic precision controlled rice hole planting seeder. The scheme adopts modern sensor technology and intelligent control technology through the process of monitoring and multi link control strategy, which is able to break through the technical bottleneck of existing rice hole planting seeder, to meet the technical requirements of the Agronomic sowing quality.

rice; planning system; precision hole planting; unqualified seeds per bunch; monitoring of seeds per bunch

2017-02-02

本文系2016年度湖州市科技計(jì)劃公益性應(yīng)用研究項(xiàng)目“水稻精量穴直播機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2016GY05)的成果之一。

朱景建(1962-)，男，河南南陽人，副教授，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)研究。

TH122

A

1672-2388(2017)01-0069-04