電控窩眼輪式大豆排種器的設(shè)計與試驗

安 雪,余泳昌,付廣超，王 勝,楊 晨,段紅艷

(1.河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450002； 2.鶴壁天海電子信息系統(tǒng)有限公司，河南 鶴壁 458030)

電控窩眼輪式大豆排種器的設(shè)計與試驗

安 雪1,余泳昌1,付廣超2，王 勝1,楊 晨1,段紅艷1

(1.河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450002； 2.鶴壁天海電子信息系統(tǒng)有限公司，河南 鶴壁 458030)

針對大豆形狀的特點，采用單片機、脈沖發(fā)生器、步進電機、步進電機驅(qū)動器和窩眼輪式排種器組成的電控窩眼輪式大豆排種器。該播種器采用獨立電控排種設(shè)計，利用脈沖當量來控制排種軸轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)育種過程中的單粒精密播種。在排種器試驗臺上進行的性能試驗結(jié)果表明，該電控窩眼輪式大豆排種器可順利完成播種試驗，試驗過程中工作穩(wěn)定，性能良好，漏播指數(shù)最大為0.11%，重播指數(shù)最大為1.24%，株距變異系數(shù)最大為3.22%，各項性能指標均符合單粒精播試驗的標準要求。該裝置用于田間試驗的結(jié)果表明，過程中排種器工作穩(wěn)定，安全可靠，漏播指數(shù)最大為0.22%，重播指數(shù)最大為1.35%，株距變異系數(shù)最大為5.47%，符合單粒精播的要求。

大豆；排種器；電控排種

隨著中國對大豆的需求不斷增加，中國成為世界上大豆進口量最大的國家。因此，培育和推廣優(yōu)良大豆品種,發(fā)展良種的增產(chǎn)潛力就成為大豆增產(chǎn)的基本途徑和重要手段[1]。長期以來,國內(nèi)多采用傳統(tǒng)的人力手工播種,勞動繁重、播種效率低下，相比之下小區(qū)播種機的可以改善播種質(zhì)量的不均衡、人工作業(yè)效率低的問題[2]。而排種器又是小區(qū)播種機的關(guān)鍵部件，直接影響育種的質(zhì)量。趙佳樂等[3]研究了大豆氣吸式排種器的排種性能；賈洪雷等[4]研究了雙凹面搖桿式排種器，通過試驗分析得到排種器最佳傾斜角與排種軸最佳轉(zhuǎn)速。但這些研究中的排種器均為傳統(tǒng)排種器，播種均勻性較差，不能達到精密播種的要求。因此，作者設(shè)計了一種適合播種大豆的電控窩眼輪式排種器，為提高大豆育種工作效率，提高播種技術(shù)指標提供依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，電控窩眼輪式大豆排種器由殼體、排種軸、清種毛刷、護種板、齒輪等組成。排種軸與電機在聯(lián)軸器作用下鏈接在一起，護種板與清種毛刷安裝在排種器外殼上，排種器外殼作為支架通過螺栓直接固定在排種器試驗臺架上。電控窩眼輪式大豆排種器的動力由控制電機供給，電機通過聯(lián)軸器和嚙合軸與排種軸連接，脈沖發(fā)生器控制電機轉(zhuǎn)速，進而決定排種軸轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)動排種軸外側(cè)齒輪課調(diào)節(jié)窩眼的大小，進而適應不同粒徑的大豆進行播種。

1. 清種毛刷；2.護種板；3.殼體；4.窩眼輪；5.排種軸；6.齒輪。1.Cleaning brush；2.Seed guard；3.Shell；4.Socket-roller precision；5.Seed metering shaft；6.Gear.

1.2 工作原理

如圖2所示，電源轉(zhuǎn)換器把220 V電壓轉(zhuǎn)換為24 V，通過脈沖發(fā)生器給定脈沖當量，由單片機處理匯編指令后將脈沖信號作用于驅(qū)動器帶動步進電機轉(zhuǎn)動，電機輸出軸與排種器軸連接，從而達到控制排種軸轉(zhuǎn)速的目的[5]。充種室內(nèi)的種子靠自重充填進入旋轉(zhuǎn)窩眼輪內(nèi)，當經(jīng)過反向旋轉(zhuǎn)的清種輪時，多余的種子被排除掉，然后隨窩眼輪旋轉(zhuǎn)進入護種區(qū)，至下方卸種位置時，靠推種片使種子離開型孔落入種溝。

圖2 電控窩眼輪式大豆排種器的原理Fig.2 The principle of electronic socket-roller soybean seeding device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 窩眼輪設(shè)計

窩眼輪是排種器常用部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。窩眼輪部分采用2個空腔將12個窩眼均勻分布在墻壁圓周組成單排窩眼，2個半腔在彈簧作用下通過卡銷和齒輪固定在一起，窩眼輪密接在種箱下部[6]。通過調(diào)節(jié)限位銷的相對位置，從而改變型孔容積達到適應不同品種不同粒徑的大豆。在實際工作時，種子靠自重充填在窩眼內(nèi)隨窩眼輪一起轉(zhuǎn)動，經(jīng)過輕種毛刷時，窩眼內(nèi)多余的種子被刮去，留在孔內(nèi)的種子由護種板遮蓋；當轉(zhuǎn)到下方出口時，種子靠自重落入種溝內(nèi)。由于目前受大豆品種制約，在實際排種過程中種皮容易受到型孔的剮蹭擠壓受到損傷，造成出芽率的降低， 從而影響播種質(zhì)量，所以，該窩眼輪在設(shè)計時，將型孔圓周進行了倒圓角設(shè)計，降低大豆種皮破碎，提高種子發(fā)芽率。

1.上排種盤；2.限位銷；3.下排種盤； 4.彈簧；5.傳動軸。1.Top stock; 2.Spacing pin; 3.Bottom plate; 4.Mechanical spring; 5.Transmission shaft.

2.2 電器元件選型

2.2.1 直流步進電機 針對播種機實際工作時不能夠提供交流電，因此電控窩眼輪式大豆排種器采用的是57法蘭、扭矩2.4 N·m的直流步進電機，其額定轉(zhuǎn)速為600 r·min-1[7]。由于該窩眼輪式排種器應用于小區(qū)播種機上，實際狀態(tài)為低速工作，因此對該電機加裝調(diào)速器，使得該排種器可在不同轉(zhuǎn)速下均可進行精密播種。

2.2.2 步進電機驅(qū)動器 步進電機能夠?qū)崿F(xiàn)良好的定位功能，配有相應的驅(qū)動器。通過脈沖發(fā)生器可方便地控制步進電機驅(qū)動器，實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)[8]。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖發(fā)生器的頻率成正比，控制步進電機脈沖信號的頻率，可以對電機精確調(diào)速；控制脈沖的個數(shù)，可以對電機精確定位。本研究使用DM542型細分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器，主要是對步進電機的電流進行細分，初始電流1.0 A，最高電流4.0 A，分為15個檔位，扭矩2.4 N·m，步距角1.80°·步-1。由于該步進電機需要裝在播種機上，播種機需要大的輸出轉(zhuǎn)矩，所以選擇電流4.0 A。

2.3 株距精密控制原理

本試驗選取的步進電機步進角是步距角1.80°·步-1，16細分。即轉(zhuǎn)1圈需要3 200脈沖當量。由于排種器各型孔形狀一致且均勻分布于窩眼輪圓周，所以相鄰兩型孔之間弧長和線速度均相等，又排種器軸與步進電機軸直接連接，沒有2級減速傳動，故排種器轉(zhuǎn)速與步進電機轉(zhuǎn)速一致，播種機行走時間與排種器播種時間一致，故播種機在勻速行駛時可以保證株距均勻。

3 排種器的性能試驗

3.1 試驗方法

以STB-700試驗臺為基礎(chǔ)，電控窩眼輪式大豆排種器搭建在該試驗臺上，把STB-700試驗臺模擬為種床，利用傳送帶速度模擬播種機在田間作業(yè)實際的行走速度，以徐豆20為試驗對象，選取傳送帶速度、排種高度和電控裝置所發(fā)出的脈沖當量為影響因素。考慮到播種機在實際作業(yè)速度過高會使排種器的排種輪轉(zhuǎn)速過高，不僅凹槽內(nèi)充種率降低，增加種子破碎率，且速度過高會造成開溝器將土拋得過遠，影響回土，最終影響播種質(zhì)量的實際情況。因此，選取傳送帶速度為0.45、0.60、0.75 m·s-13個水平；由于該試驗在排種器試驗臺上完成，受到臺架局限性影響，所以排種高度選取100、130 、160 mm 3個水平；為檢驗排種器不同轉(zhuǎn)速下的試驗效果，本試驗選取1 600、2 400、3 200脈沖，在此條件下改變脈沖當量進行試驗。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》要求，對重播指數(shù)(D)、漏播指數(shù)(M)和株距變異系數(shù)(C)3項性能指標進行統(tǒng)計[9-11]。

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，落種高度對試驗結(jié)果影響不大，脈沖當量和傳送帶速度相同時的重播指數(shù)、漏播指數(shù)和距變異系數(shù)保持在同一水平。由于試驗在試驗臺上進行，沒有種子在導種管內(nèi)碰撞和回土的影響，且試驗臺上涂有油層，整個試驗過程中不存在種子發(fā)生跳動，所以高度對排種器的排種性能幾乎不存在影響。

3.2.1 不同影響因素對漏播指數(shù)的影響 由表1可以看出，漏播指數(shù)最大為0.11 %。漏播指數(shù)主要由排種器本身結(jié)構(gòu)決定受傳送帶速度的影響不大，由電控窩眼輪式大豆排種器工作原理可知，排種軸轉(zhuǎn)速是由步進電機所接收到的脈沖當量間接控制，且傳送帶上涂有油層，試驗過程中不存在回土現(xiàn)象影響播種質(zhì)量，所以傳送帶速度對試驗中漏播指標影響較小，脈沖當量的影響占主要因素。當脈沖當量較小時，排種軸轉(zhuǎn)速較低，排種器充種效果好，型孔隨窩眼輪轉(zhuǎn)動過程中便于取種，隨著脈沖當量增加，排種軸轉(zhuǎn)速增大，型孔取種效果開始降低，漏播的現(xiàn)象開始出現(xiàn)。

3.2.2 不同影響因素對重播指數(shù)的影響 由表1可以看出，重播指數(shù)最大為1.24 %。隨著傳送帶速度的增大，種子的重播指數(shù)開始增加，而同一速度下隨著脈沖當量的增大，其重播指數(shù)逐漸減小。重播現(xiàn)象也主要由排種器型孔以及充種裝置結(jié)構(gòu)有關(guān)，受傳送帶速度的影響不大，由電控窩眼輪式大豆排種器工作原理可知，排種軸轉(zhuǎn)速是由步進電機所接收到的脈沖當量間接控制，且傳送帶上涂有油層，試驗過程中不存在回土現(xiàn)象影響播種質(zhì)量，所以傳送帶速度對試驗中重播和漏播兩項指標影響較小，脈沖當量的影響占主要因素。當脈沖當量較小時，排種軸轉(zhuǎn)速較低，排種器充種效果好，型孔隨窩眼輪轉(zhuǎn)動過程中便于取種，隨著脈沖當量增加，排種軸轉(zhuǎn)速增大，型孔取種效果開始降低，漏播的現(xiàn)象開始時有發(fā)生，而脈沖增大時，排種軸轉(zhuǎn)速增加，清種輪的線速度也會隨之增大在型孔取種時內(nèi)多余的種子受到的切向力增大，此時清種輪更容易刷去多余的種子[12-14]。所以，隨著脈沖當量的增加重播指數(shù)會降低。

表1 電控窩眼輪式大豆排種器的性能指標隨影響因素的變化Table 1 The performance parameters of electronic socket-roller soybean seeding device changed with influence factors

3.2.3 不同影響因素對株距變異系數(shù)的影響 株距變異系數(shù)是衡量播種均勻性的指標，株距變異系數(shù)越小播種均勻性越好，株距變異系數(shù)變化情況相對復雜。實際播種作業(yè)中，株距由排種軸轉(zhuǎn)速和播種機作業(yè)速度二者共同決定，因此脈沖當量和傳送帶速度對株距變異系數(shù)均有影響。由表1可以看出，株距變異系數(shù)最大為3.22%。隨著脈沖當量的增大株距變異系數(shù)會增加，這是由于脈沖當量增大后排種器運行的不穩(wěn)定性增加，臺架的震動會導致播種均勻性降低，排種器自身產(chǎn)生的震動也會對播種均勻性造成影響，所以株距變異系數(shù)會隨著脈沖當量的增大而增加。從表1還可以看出，隨著傳送帶速度的增加，株距變異系數(shù)會隨之增大，這是由于傳送帶速度增大后，種子落于油層的跳動會加大，傳送帶速度的改變也會造成株距不一，所以播種均勻性會受到影響，株距變異系數(shù)也會增大，除此之外，傳送帶速度增大后，傳送帶運行的穩(wěn)定性會降低，這會對播種均勻性造成一定影響。

4 田間驗證試驗

試驗在河南省睢縣河集鄉(xiāng)河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院黃淮海夏大豆主產(chǎn)區(qū)試驗基地進行。試驗使用河南農(nóng)業(yè)大學自主研發(fā)設(shè)計的QX3J-HAU型大豆播種機，以徐豆20為試驗對象，選取與室內(nèi)試驗因素水平相同播種機作業(yè)速度、排種高度和電控裝置所發(fā)出的脈沖當量為影響因素進行試驗。田間驗證試驗播種結(jié)果按照國標GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》要求，對重播指數(shù)(D)、漏播指數(shù)(M)和株距變異系數(shù)(C)3項性能指標進行統(tǒng)計[9-11]，試驗結(jié)果如表2～表4所示。

表2 落種高度為160 mm時排種器性能指標隨脈沖當量與播種機作業(yè)速度的變化 Table 2 Changes of performance parameters with the given impulse and seeding speed when seeding height of 160 mm

表3 落種高度為130 mm時排種器性能指標隨脈沖當量與播種機作業(yè)速度的變化 Table 3 Changes of performance parameters with the given impulse and seeding speed when seeding height of 130 mm

表4 落種高度為100 mm時排種器性能指標隨脈沖當量與播種機作業(yè)速度的變化 Table 4 Changes of performance parameters with the given impulse and seeding speed when seeding height of 100 mm

從表2～表4可以看出，不同高度對排種器排種性能的影響較小，相同脈沖當量和播種機作業(yè)速度下，排種器的重播指數(shù)、漏播指數(shù)和株距變異系數(shù)幾乎保持不變。由表2可以看出，落種高度為160 mm時，相同脈沖當量下的漏播指數(shù)和株距變異系數(shù)均隨著播種機作業(yè)速度的增大而增大， 重播指數(shù)的影響受到播種機作業(yè)速度和脈沖當量的雙重影響，隨著傳送帶速度的增大，種子的重播指數(shù)開始增加，而同一速度下隨著脈沖當量的增大，其重播指數(shù)逐漸減小。試驗結(jié)果表明，該排種器的漏播指數(shù)最大為0.22%，重播指數(shù)最大為1.35%，株距變異系數(shù)最大為5.47%。田間試驗效果基本與試驗室試驗結(jié)果保持一致，各項指標均符合GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》要求。說明該排種器不僅在理論上播種均勻性好，在實際生產(chǎn)過程中也可以達到精量播種的要求。

5 結(jié)論

1)田間試驗結(jié)果表明，該排種器的漏播指數(shù)最大為0.22%，重播指數(shù)最大為1.35%，株距變異系數(shù)最大為5.47%，所有指標均符合GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》要求,該排種器可以實現(xiàn)精密播種。

2)在落種高度為130 mm、播種機速度為0.60 m·s-1，脈沖當量為2 400時，各項性能指標達到最優(yōu)，漏播指數(shù)、重播指數(shù)和株距變異系數(shù)分別為0.03%、1.01%、2.59%。

3)通過脈沖發(fā)生器給定脈沖當量，由單片機處理后作用于驅(qū)動器帶動步進電機轉(zhuǎn)動，從而達到控制排種軸轉(zhuǎn)速的電控窩眼輪式大豆排種器結(jié)構(gòu)合理，工作穩(wěn)定可靠，在實際生產(chǎn)過程中也能夠達到精密排種的效果。

[1] 王紹東.南美洲大豆育種現(xiàn)狀及展望[J].中國油料作物學報,2014,36(4):538-544.

[2] 欒紹波.大豆育種進展與前景展望[J].農(nóng)技服務(wù),2016,33(17):37.

[3] 趙佳樂,賈洪雷,姜鑫銘，等.大豆播種機偏置雙圓盤氣吸式排種器[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2013,44(8):78-83.

[4] 賈洪雷，趙佳樂，郭明卓，等.雙凹面搖桿式排種器設(shè)計與性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報,2015,6(1):60-65.

[5] 金亦富,奚小波,沈函孝，等.外槽輪電動排種器設(shè)計與播種試驗[J].中國農(nóng)機化學報,2016,37(10):14-16.

[6] 龔麗農(nóng),員玉良,尚書旗，等.小區(qū)播種機電控系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(5):122-126.

[7] 范超毅,范巍.步進電機的選型與計算[J].機床與液壓,2008,36(5):310-313.

[8] 劉亞東,李從心,王小新，等.步進電機速度的精確控制[J].上海交通大學學報,2001,35(10):1517-1520.

[9] 呂金慶,楊穎,李紫輝，等.舀勺式馬鈴薯播種機排種器的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2016,32(16):17-25.

[10] 劉宏新,劉俊孝,唐師法，等.對置斜盤高速精密大豆排種器設(shè)計與充種機理分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2016,32(20):24-31.

[11] ANANTACHAR M,KUMAR G V P,GURUSWAMY T， et al.Neural network prediction of performance parameters of an inclined plate seed metering device and its reverse mapping for the determination of optimum design and operational parameters[J].Computers and Electronics in Agriculture,2010,72(2):87-98.

[12] 楊然兵,張翔,李建東，等.錐體帆布帶式排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2016,32(3):6-13.

[13] 張春嶺,吳榮,陳黎卿，等.電控玉米排種系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2017,48(2):51-59.

[14] 祁兵,張東興,劉全威，等.集排式精量排種器清種裝置設(shè)計與性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2015,31(1):20-27.

Designandtestsofelectronicsocket-rollersoybeanseedingdevice

AN Xue1, YU Yongchang1, FU Guangchao2, WANG Sheng1, YANG Chen1, DUAN Hongyan1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China；2.Hebi Tianhai Electronic Information System Co.,Ltd.,Hebi 458030,China)

According to the shape features of soybean, a new electronic socket-roller precision seeding device was designed in this study. The device was composed of microcontrollers, pulse generator, stepper motor, stepper motor driver and other auxiliary units. By adopting an independent electronic seeding design, single precision seeding could be realized by changing pulses and the speed of seeding shaft could be controlled.The results of performance tests on the seeding experimental platform showed that the electronic socket-roller precision seeding device could be seeding successfully. The index of maximum missing sowing was 0.11%, the index of maximum of repeat sowing was 1.24% and the coefficient of variation was 3.22%. All indexes satisfied the standard of single grain precision seeding requirement. The field trial results showed that the seeding device was stable and reliable in actual working condition. The indexes of maximum missing sowing, repeat sowing, and coefficient of variation in filed trail were 0.22%, 1.35% and 5.47%, respectively. Its performance indexes engage the requirements of the single grain precision seeding.

soybean; seeding device; electronic seeding

2017-05-19

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(201303011-4)

安 雪(1991-)，河南鶴壁人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機械方面的研究。

余泳昌(1954-)，男，河南杞縣人，教授，博士生導師。

1000-2340(2017)06-0828-06

S233.2

A

蔣國良)