番茄排種器工作原理及應用研究—基于計算機輔助模式

曹文勝

(貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學院，貴州 凱里 556000)

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番茄排種器工作原理及應用研究
—基于計算機輔助模式

曹文勝

(貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學院，貴州 凱里 556000)

種植機械是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中必備的設備，也是完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，其性能直接影響農(nóng)業(yè)物生長情況和產(chǎn)量。排種器是播種機器的核心部件，排種器性能好壞對播種質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。計算機輔助式排種器具有操作方便、成本低等優(yōu)點，符合我國發(fā)展需求。為此，以番茄種子為研究對象，介紹了新型番茄精密排種器的工作原理及結(jié)構(gòu)，對其動力學和仿真效果展開分析，并利用試驗證明基于計算機輔助模式設計精密排種器的合理性，找到最佳的播種速度，從而提升播種的質(zhì)量和效率。

番茄；排種器；計算機輔助模式

0 引言

隨著計算機技術(shù)和科學的不斷發(fā)展及滲透，計算機技術(shù)在工業(yè)自動化、產(chǎn)品檢測等領(lǐng)域獲得成功應用。20世紀80年代，計算機技術(shù)逐步向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域拓展，以自動化播種和采收為代表的果蔬處理受到研究者的重視，已有的研究結(jié)果取得了良好的應用前景。目前，我國政府把農(nóng)產(chǎn)品加工與設備研發(fā)納入十五大科技公共項目中，將其列為我國中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的優(yōu)先發(fā)展主題，提升了對農(nóng)產(chǎn)品播種機械化的重視程度和應用程度。目前，日常生產(chǎn)所用的番茄點播器是基于原有類型播種器機械上改進而來的設備，存在播種量不穩(wěn)定、深淺難以控制及播種量大等缺陷。因此，精少量播種技術(shù)成為開展精準農(nóng)業(yè)的主要內(nèi)容，番茄精量排種器能夠滿足多個地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展要求，使用這項技術(shù)能有效降低生產(chǎn)成本，提升番茄種植效益。本文研究了一種新型的番茄排種器，通過分析番茄種子的特性，對番茄播種器結(jié)構(gòu)和工作原理展開研究，設計新型的精密式的番茄排種器，并通過試驗檢驗設計的合理性。

1 番茄排種器結(jié)構(gòu)原理

1.1 簡述番茄種子的特性

番茄又稱作西紅柿，屬于茄科植物，包含豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，是人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷氖卟恕７逊N子為扁平短卵形，一端邊緣存在一個向內(nèi)凹陷的種臍，種子外表面有粗毛，其顏色為灰褐色或黃褐色。番茄種子較小，長度和寬度分別為4.0mm、3.0mm左右，厚度約為0.8mm。番茄種子壽命約為4～6年，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的利用年限為3年左右。

1.2 新型番茄排種器的工作原理

新設計的番茄排種器主要由動盤、軸、定盤等部分組成，如圖1所示。

1.滾筒 2.接種盒 3.成穴器 4.進種口 5.夾持式取種器 6.彈簧 7.翼板 8.動盤 9.定盤 10.排種器軸 11.連接螺栓圖1 新型番茄排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 New tomato seed metering device structure

定盤被固定于軸上，動盤則繞著軸轉(zhuǎn)動；排播器在外在動力影響下，繞著軸進行轉(zhuǎn)動；排種器的定盤與動盤組成種子室，達到合理控制充種和清種目的。工作時，滾筒在原本鋪設的地膜上滾動，種子由種子箱通過滾筒定盤進種口到達種子室；受到滾筒的影響，取種器上設計的重力塊離開滾筒內(nèi)壁下落夾緊到達充種室，其余種子基于重力的影響滑落或脫落。由于滾筒不斷轉(zhuǎn)動，取種器的重力塊會回落至滾筒內(nèi)壁，夾持片及之相連的重力塊沿著底座長槽向下滑落；充種室受雙重運動的影響，在充種室的種子也會落入接種盒內(nèi)，并護送至成穴器部位。若成穴器固定嘴與地膜接觸，成穴器開始進行入土開穴操作，種子因重力和離心力的作用落入穴底，完成一次播種操作。排種器日常工作過程包括取種、護種接種、投種等環(huán)節(jié)。

2 番茄排種器的三維模型

隨著制造技術(shù)的快速發(fā)展，各企業(yè)之間的競爭日益加劇，傳統(tǒng)的播種器設計和功能無法提升產(chǎn)品設計效率和開發(fā)周期，也不能滿足現(xiàn)代社會協(xié)同作業(yè)的要求。因此，機械設計與制造業(yè)對計算機輔助設計的需求不斷升高，Pro/E恰好滿足企業(yè)需求，成為市場上應用最廣、最受歡迎的軟件之一。

2.1 分析Pro/E的主要功能

Pro/E是首個提出參數(shù)化設計的概念，并使用單一數(shù)據(jù)庫解決特征的相關(guān)性問題。Pro/E可將設計和生產(chǎn)整個過程集合在一起，達到并行設計的效果。同時，其采用模塊化方法，使用者可依據(jù)自身需求進行選擇，無需安裝所有的模塊，即可完成草圖繪制、制作零件、加工處理等環(huán)節(jié)，確保用戶可依據(jù)自己需要選擇運用。Pro/E是一種基于特征的實體化系統(tǒng)，設計者利用智能特性生成殼、圓角等模型，也可隨意更改模型，這種功能讓工程設計人員感受前所未有的簡便和靈活。Pro/E并不像CAD/CAM系統(tǒng)那樣需創(chuàng)建在多個數(shù)據(jù)庫上，而是屬于單一數(shù)據(jù)庫模式。單一數(shù)據(jù)庫是指工程所有的資料均來自一個庫內(nèi)，促使每個獨立用戶為某個產(chǎn)品造型而工作。換句話來說，在整個設計中，如果某處發(fā)生改動，其它環(huán)節(jié)的設計也會有所改變。例如，如果工程詳圖變動，數(shù)控工具路徑也會隨之更新，這種獨特的結(jié)構(gòu)與工程設計完美結(jié)合，促使設計的一件產(chǎn)品能夠結(jié)合起來。

2.2 添加零件的約束條件

番茄精密式排種器主要由滾筒、定盤及動盤等組成，如圖2所示。在Pro/E內(nèi)建立剛體的步驟：選擇Mech/pro—Set up mechnism—Rigid bodies—by select剛體定義工作。必須注意的是，如果數(shù)量較多，因創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)未必涵蓋全部零件，采用by selection選項更加方便，可快速完成剛體定義操作。對其添加約束條件，如表1所示。

圖2 排種器排種輪Fig.2 Rows device of wheel表1 Constraint Type 菜單選項說明Table 1 The Constraint Type menu options

選項說明對應ADAMS內(nèi)的工具Joint定義一般運動副Motion定義運動驅(qū)動CouplerJoint定義耦合運動Pointon定義點與曲線的接觸Curve定義曲線與曲線的接觸Gear定義齒輪螭和運動服

2.3 Pro/E軟件設計零件

雖然Pro/E軟件內(nèi)也有運動仿真功能，但其只能對部分簡單結(jié)構(gòu)進行仿真，不具備多體動力學仿真功能。為此，采用Pro/E軟件的零件設計模型快速建立三維零件模型，通過拉伸、混合、抽殼等操作生成各零件實體，在設計過程中設定合適的約束條件及父子關(guān)系，便于對錯誤部位實施修改。例如，排種輪三維設計包括拉伸生成基本實體切除形式中心軸孔、建立基準平面等步驟，結(jié)果如圖2所示。排種器中設計傾斜的凹坑，主要目的在于夾種的過程中能夠牢靠夾住種子，不會由于震動導致種子脫落，有效降低空穴率。護種臺主要功能是取種時進行護種，保證種子不會全部滑落。 清種平臺促使多余的種子滑落，只有2～3個種子留在平臺上面，確保夾種時沒有過多的種子，達到精密播種的要求。

3 多功能排種試驗及結(jié)果分析

3.1 設定排種試驗臺的參數(shù)

本次設計使用的PSD-8排種試驗臺主要包括機械張緊裝置、變速裝置、排種裝置、可控硅無極變速裝置等部分組成，如3所示。其中，可控硅無級變速裝置能合理調(diào)整皮帶速度，用來模擬機車前進速度的裝置，促使排種器在一定轉(zhuǎn)速下進行運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)模擬傳動比例關(guān)系的效果。排種裝置主要由排種器、傳動裝置、托架3部分組成?？刂泼姘遄鳛檎麄€試驗臺的核心裝置，用戶利用控制面板對試驗臺運轉(zhuǎn)進行控制，也能獲取一系列實驗信息。

圖3 PSD-8型多功能排種試驗臺示意圖Fig.3 The PSD - 8 multi-function metering system schematic diagram

采用排種器試驗臺進行實驗前，先安裝好排種器，安裝完畢即可啟動電機，促使承種皮帶滑動起來并實施轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。利用加速裝置確保皮帶滑動速度滿足設定要求，并啟動電機待排種器轉(zhuǎn)動起來后，借助機械無極變速機構(gòu)進行調(diào)整，促使排種器轉(zhuǎn)速與承種皮帶線速度相同。該排種試驗臺的性能參數(shù)如表2所示。

表2 試驗臺基本參數(shù)

3.2 排種器正交試驗

試驗需要花費大量時間、物力、人力，多數(shù)人希望盡可能減少試驗次數(shù)且得到較好的試驗結(jié)果，因此必須對試驗展開合理的安排。本次試驗的目的是檢測番茄排種器在不同情況下排種情況，優(yōu)化番茄排種器的播種效果。所以，明確實驗指標是判定播種合格率、排種速度的重要依據(jù)。明確指標后，確定影響試驗指標的各項因素。綜合分析，可知影響播種質(zhì)量的參數(shù)包括滾筒轉(zhuǎn)速、夾持片前端寬度及重力塊重心至支座鉸接中心之間的距離。依據(jù)所掌握的資料，對各因素進行考察，具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 排種器試驗影響因素調(diào)查表

3.3 試驗結(jié)果

對新型番茄播種期進行9次試驗，綜合分析其顆粒分布情況，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 綜合正交試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：計算機輔助模式的番茄排種器每穴排種小于4粒的保持在95%以上，空穴率低于5%。播輪可靠速度和容種高度分別為2.5～3.4km/h、30～120mm。當穴播輪轉(zhuǎn)速設定為3.0km/h、夾持片前端寬度為3mm時，排種器播種效果最好。這種排種器播種質(zhì)量和性能優(yōu)于其他機械式排種器，且能在高速度下工作。由此說明：基于計算機輔助模式的排種器能滿足番茄準精量播種要求，尤其適合形狀及尺寸差異不大的種子。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有番茄排種器在精密排種中的不足之處，設計了基于計算機輔助模式的排種器，提升排種器的播種質(zhì)量和適應性，大大降低播種空穴率。該新型番茄排種器有效克服種子地面顛簸、種子大小不均對精密播種的影響，空穴率低于5%。試驗結(jié)果表明：此排種器滿足番茄精密播種要求，值得在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣使用。

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Working Principle and Application of the Tomato Seed Research—Based on Computer Aided Pattern

Cao Wensheng

(Guizhou Vocational Technology College of Electronics & Information, Kaili 556000, China)

Planting machine is the necessary equipment in the process of agricultural production, is also completed one of the key link of agricultural production, its performance directly affects agricultural growth and yield. Metering device is the core of the seeding machine components, metering device performance is an important impact on sowing quality. Computer aided type metering instruments has convenient operation, low cost advantages,can meet the demand of development in our country. Tomato seeds as the research object, is used to show a new type of tomato, the structure and working principle of precision, and the dynamic analysis and simulation results, using the test proved that based on computer aided pattern design of precision rationality, to find the best sowing speed, so as to improve the quality and efficiency of planting, this design also offers important reference for the similar research of disseminator.

tomato; seed; computer aided pattern

2016-04-29

河南省自然科學基金特別委托項目(2015GJZK1022)

曹文勝(1980-)，男，河南范縣人，副教授,工程碩士，(E-mail)caowensheng0429@163.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)06-0238-04