預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)出種系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張泉勇，文 晟，馮大鵬*，李 濤

(1.湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程基礎(chǔ)教學(xué)與訓(xùn)練中心，廣東 廣州 510642)

0 引言

甘蔗產(chǎn)業(yè)在中國國民經(jīng)濟(jì)中占有較大比重，是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，中國蔗糖約占世界制糖總量的60%左右。近年來，隨著全球化進(jìn)程的推進(jìn)，美國、巴西等甘蔗種植大國的種植技術(shù)機(jī)械化程度較高，導(dǎo)致甘蔗種植成本降低，使我國的甘蔗產(chǎn)業(yè)受到?jīng)_擊[1-3]。甘蔗播種是甘蔗產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)，由于甘蔗種植是一項(xiàng)勞動密集型工作，包括開溝、施肥、排種、覆土、覆膜以及培土等流程。人工種植的效率低，人力成本也逐年提升，因此大力發(fā)展甘蔗機(jī)械化種植是提高甘蔗產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵[4-8]。

針對當(dāng)前甘蔗種植機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀以及優(yōu)缺點(diǎn)[9-12]，根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了一套預(yù)切種式地輪驅(qū)動式甘蔗種植機(jī)，該種植機(jī)采用拖拉機(jī)牽引，由拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)作為甘蔗種植機(jī)的動力驅(qū)動，依次完成開溝、施肥、取種、播種、覆土、覆膜以及培土壓實(shí)等工序，實(shí)現(xiàn)甘蔗的機(jī)械化種植，為甘蔗機(jī)械化種植機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考。

1 甘蔗種植機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 方案設(shè)計(jì)要求

近年來全國推出了 “深耕、淺種、寬行、密植”的甘蔗種植新方法。根據(jù)新方法要求，蔗溝需要開寬溝，寬約40 cm，蔗段按照15～25 cm的株距排列，行距90～130 cm，每畝播種的雙牙苗蔗種3 000～3 500 個(gè)[13-14]，蔗溝深度要達(dá)到20～40 cm，蔗種回土蓋種深度在5～8 cm，其中株距、行距可按照具體地塊要求作適當(dāng)調(diào)整[15]。種植機(jī)應(yīng)具有開溝、施肥、取種、播種、覆土、覆膜以及培土壓實(shí)等功能，根據(jù)甘蔗種植的農(nóng)藝要求，甘蔗種植機(jī)需要將蔗段從種箱中自動取出，肥料要在蔗段種植前均勻鋪灑在蔗溝中，然后擺放蔗種，最后完成覆土、覆膜以及培土壓實(shí)等工序。

1.2 甘蔗種植機(jī)結(jié)構(gòu)

甘蔗種植機(jī)由開溝裝置、施肥裝置、自動取種裝置、覆土裝置、覆膜裝置和培土裝置組成。甘蔗種植機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1—運(yùn)輸帶；2—肥料箱；3—攪拌器；4—開溝器；5—導(dǎo)種槽；6—地輪；7—取種器；8—覆膜架；9—壓膜輪；10—回泥輪；11—種箱。

1.3 甘蔗種植機(jī)工作原理

機(jī)具工作時(shí)，首先由開溝器開出種植的溝槽與放置化肥的小溝槽，即蔗溝和旁溝，小溝槽與放置蔗段的溝槽間距為50 cm，將預(yù)先切好的25～35 cm的蔗段種子整齊地?cái)[放在種箱中。拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)與種植機(jī)的液壓電機(jī)相連，為施肥攪拌器和輸種機(jī)構(gòu)提供動力。行走過程中，液壓電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動旋轉(zhuǎn)攪拌器和鏈輪運(yùn)動，化肥從肥料箱中排出，通過排肥管施到溝中；同時(shí)鏈輪帶動運(yùn)輸帶運(yùn)動，蔗種經(jīng)取種裝置取出后落在刮板上，蔗種順著導(dǎo)種槽下滑，在導(dǎo)種槽的強(qiáng)制作用下平直地落在蔗溝里；然后回泥輪將壟刮平后覆膜，壓膜輪將膜壓實(shí)，最后由回泥輪將泥土壓在膜的邊緣。甘蔗種植機(jī)依次進(jìn)行開溝、施肥、取種、播種、覆土、覆膜以及培土壓實(shí)等工序，完成甘蔗的機(jī)械化種植。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 種箱的設(shè)計(jì)

種箱作為甘蔗種植機(jī)的關(guān)鍵部件，種箱要有足夠的容量，減少作業(yè)過程中的加種次數(shù)。種箱的容積大小由播種作業(yè)的行程、株距、行距以及種子體積等因素決定。種箱由隔板隔成左右2個(gè)部分，工作時(shí)，預(yù)先將蔗種切成蔗段，整齊擺放在種箱內(nèi)。種箱的容量計(jì)算公式為[16]：

(1)

式(1)中，S為地塊長度(m)，本研究試驗(yàn)地塊長度為36.5 m；l為甘蔗種植機(jī)工作的作業(yè)幅寬(m)，甘蔗種植機(jī)幅寬為1.2 m；A為單位面積的甘蔗種植量(kg/hm2)，根據(jù)國內(nèi)甘蔗種植作業(yè)要求，取6 800 kg/hm2；λ為甘蔗種子的單位容積質(zhì)量(kg/L)。

種箱分為左右2個(gè)部分，所能容納的蔗段長度最大值為35 cm，為防止蔗段卡在種箱內(nèi)部，造成出種不暢，甘蔗的平均直徑為40 mm，甘蔗切斷長度為30 cm左右，蔗段的平均質(zhì)量為0.36 kg。由公式(1)計(jì)算得V=519.185 L，根據(jù)實(shí)際需要，種箱內(nèi)部一般會預(yù)留5%左右的種子，因此設(shè)計(jì)種箱容積為600 L，所裝蔗段數(shù)為3 000段左右。

2.2 自動取種裝置的設(shè)計(jì)

取種裝置采用U型槽鉤取式取種，主要由步進(jìn)電機(jī)、回轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)盤等組成。為保證蔗段在蔗溝中能夠按照等距離排列，選用回轉(zhuǎn)式裝置安裝在種箱出種口，在重力的作用下蔗段依次排列在出種口。當(dāng)鏈輪帶動托板和刮板運(yùn)動時(shí)，漫反射式光電傳感器檢測刮板的運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動一定的角度，從而將蔗段取出放到刮板上。種箱內(nèi)部蔗段由隔板分成2列，回轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)動1次，取出1根蔗段到刮板上。刮板運(yùn)動到最高點(diǎn)時(shí)，蔗種落到導(dǎo)種槽中，在導(dǎo)種槽內(nèi)部，蔗種轉(zhuǎn)換方向后落到蔗溝中，實(shí)現(xiàn)蔗段的均勻播種。其中回轉(zhuǎn)軸分為左、右2部分，2部分的U型槽間隔180°，其中U型槽的寬度為6 cm，深度為8 cm。U型槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 U型槽結(jié)構(gòu)

2.3 開溝裝置的設(shè)計(jì)

甘蔗種植機(jī)采用隔離式開溝裝置，肥料與蔗種分開放置。開溝裝置主要由蔗溝開溝犁頭、擴(kuò)溝邊板、旁溝開溝犁頭、導(dǎo)種板、回泥板等組成。為避免肥料接觸蔗段影響蔗種的生長，采用肥料與蔗段分溝的方式，在擴(kuò)溝邊板的尾端各裝有一個(gè)旁溝開溝犁頭，用于開施肥的小溝，蔗溝開溝犁頭比旁溝開溝犁頭低10 cm，且開溝犁頭可上下調(diào)節(jié)，方便調(diào)整蔗溝深度。旁溝與蔗溝中心的理論距離為40 cm，通過上下移動調(diào)節(jié)肥料槽的深度。工作時(shí)，開溝犁將泥土破開，在擴(kuò)溝邊板的擠壓下，泥土向兩側(cè)分離形成蔗溝，旁犁開出施肥的小槽，同時(shí)肥料通過施肥管道均勻地鋪灑在小槽底部。排種器排出的蔗段沿著兩側(cè)的邊板落在蔗溝中，然后在回泥板的帶動下，兩側(cè)的泥土將蔗段和肥料掩蓋。開溝裝置結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)如圖3所示。

圖3 開溝裝置結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)

3 自動出種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 自動出種控制系統(tǒng)原理

甘蔗種植機(jī)自動出種控制系統(tǒng)采用可編程控制器為中央數(shù)據(jù)處理器，通過漫反射式光電傳感器(三線NPN常開，上海邁得豪實(shí)業(yè)有限公司)檢測刮板機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，同時(shí)記錄相鄰2次光電傳感器被觸發(fā)的時(shí)間。設(shè)定取種機(jī)構(gòu)的工作頻率為1～10 Hz，通過計(jì)算得知，取種時(shí)的最大扭矩為10 N·m，由鋰電池(48 V,15 A·h)提供電力。步距角是步進(jìn)電機(jī)保證其加工精度的關(guān)鍵參數(shù)，步距角越小，精度越高[17]。因此選擇兩相混合式步進(jìn)電機(jī)(86HBP150AL4，北京時(shí)代超群科技有限公司)，扭矩為12 N·m，步距角為1.8°，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)的方向由驅(qū)動模塊(ZD-2HA860，北京時(shí)代超群科技有限公司)調(diào)節(jié)，步進(jìn)電機(jī)安裝在U型槽的一端，U型槽的另外一端由軸承支撐。自動出種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

1—可編程控制器；2—漫發(fā)射式光電傳感器；3—步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器；4—步進(jìn)電機(jī)；5—電源；6—降壓模塊；7—U型槽。

甘蔗種植機(jī)自動出種控制系統(tǒng)的核心是可編程控制器，主要包括信號處理模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等。自動出種控制系統(tǒng)的工作流程如圖5所示。

圖5 自動出種控制系統(tǒng)的工作流程

系統(tǒng)工作時(shí)，機(jī)車的運(yùn)動帶動刮板運(yùn)動，漫反射式光電傳感器檢測刮板的運(yùn)動，觸發(fā)光電傳感器，光電信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到可編程控制器。光電傳感器觸發(fā)后，電平從低電平變化為高電平，刮板穿過光電傳感器的位置后，電平從高電平轉(zhuǎn)換為低電平，可編程控制器連續(xù)2次檢測到電平變化后發(fā)送指令，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，從種箱中取出蔗段到刮板上，有效減少因停機(jī)而導(dǎo)致的出種混亂情況。

3.2 自動出種控制系統(tǒng)仿真

取種機(jī)構(gòu)中相鄰刮板之間的距離相等，為防止由于機(jī)車速度變化造成蔗種間距發(fā)生變化，需要實(shí)時(shí)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制排出的蔗種間距保持不變?？删幊炭刂破鲀?nèi)部的定時(shí)計(jì)數(shù)器，記錄2次光電傳感器輸出信號的時(shí)間間隔△t，計(jì)算刮板的運(yùn)行速度，從而調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于系統(tǒng)從接收速度信號到改變轉(zhuǎn)速至目標(biāo)值存在一定的延滯，為快速調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，采用控制精度高、易于實(shí)現(xiàn)、實(shí)用性強(qiáng)的閉環(huán)控制方法對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，該方法在連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)特性校正過程中作用明顯。

閉環(huán)控制方法是通過計(jì)算目標(biāo)值與實(shí)際輸出值之間的偏差，將偏差的比例(Proportion，P)、積分(Integration，I)、微分(Differentiation，D)通過線性組合作為控制量，對步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，其控制的一般規(guī)律為[18]：

(2)

式(2)中，u(k)為采樣時(shí)刻k控制系統(tǒng)的輸出量；KP為比例增益；KI=TKP/TI為積分時(shí)間常數(shù)；KD=KPTD為微分時(shí)間常數(shù)；e(k)為采樣時(shí)刻k系統(tǒng)輸出量與輸入量的偏差，e(k)=y(k)-r(k)，y(k)為輸出反饋值，r(k)為參考輸入值。

刮板的運(yùn)行速度作為影響步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速外部關(guān)鍵因素，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程具有延遲和轉(zhuǎn)速慣性的特點(diǎn)，建立二階自動控制模型，其傳遞函數(shù)為：

(3)

式(3)中，G(s)為步進(jìn)電機(jī)電流與實(shí)際轉(zhuǎn)速之間的傳遞函數(shù)；K為反饋信號時(shí)的比例常數(shù)；T1和T2為時(shí)間系數(shù)；τ為延遲時(shí)間。

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB軟件(美國MathWorks公司)在給定信號為單位階躍信號時(shí)，利用最優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)的方法對建立的系統(tǒng)傳遞函數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制仿真系數(shù)調(diào)試，獲取最優(yōu)的控制效果和參數(shù)。閉環(huán)控制仿真模型如圖6所示。

圖6 閉環(huán)控制仿真模型

經(jīng)過反復(fù)的仿真和試驗(yàn)，確定傳遞函數(shù)中各參數(shù)數(shù)值為T1=0.0945，T2=1.899，K=1，τ=0.005。在輸入為單位“1”的情況下，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

由圖7可知，將目標(biāo)速度設(shè)定為單位“1”，當(dāng)未增加閉環(huán)控制算法調(diào)節(jié)時(shí)，可編程控制器發(fā)出改變信號后，到步進(jìn)電機(jī)開始響應(yīng)有一定的延滯，轉(zhuǎn)速改變到目標(biāo)值需要250 ms左右，而且在達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速值后，實(shí)際轉(zhuǎn)速值還會在目標(biāo)值附近波動，與目標(biāo)值有一定偏差。但是經(jīng)過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)后，響應(yīng)時(shí)間縮短為20 ms左右，同時(shí)實(shí)際轉(zhuǎn)速到達(dá)目標(biāo)值后就穩(wěn)定在目標(biāo)值附近，在一定程度上提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的甘蔗種植機(jī)田間作業(yè)環(huán)境下的性能，制造物理樣機(jī)，在廣東省廣州市增城區(qū)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地進(jìn)行試機(jī)，試驗(yàn)挑選莖稈較直、無病蟲害的甘蔗作為蔗種，試驗(yàn)前，將甘蔗切為30 cm左右的蔗段。甘蔗種植機(jī)由久保田M704K拖拉機(jī)作為牽引機(jī)械和液壓驅(qū)動動力源。選擇80 m ×10 m的地塊作為試驗(yàn)用地，土壤平均濕度為45%。

試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)拖拉機(jī)的行駛路線依次設(shè)置4個(gè)行程，每個(gè)行程長度為40 m。試驗(yàn)過程為測量開溝犁和旁犁開出的溝的形狀數(shù)據(jù)，前3個(gè)行程均在拆除回泥板與覆膜裝置的前提下進(jìn)行，在前3個(gè)行程內(nèi)分別記錄每個(gè)行程的蔗溝和旁溝的溝深、溝寬、株距、漏播株數(shù)等。第4個(gè)行程為一次完成開溝、施肥、取種、播種、覆土、覆膜以及培土壓實(shí)等工序。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1取種裝置的速度測量

試驗(yàn)時(shí)，使用激光轉(zhuǎn)速計(jì)測量刮板鏈輪和取種轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，共進(jìn)行3次測量試驗(yàn)，每次測量連續(xù)測量5次，求取平均值。取種裝置轉(zhuǎn)速測量結(jié)果見表1。

表1 取種裝置轉(zhuǎn)速測量結(jié)果

由表1的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)鏈輪轉(zhuǎn)速不同時(shí)，光電傳感器信號接通時(shí)間間隔不同，系統(tǒng)通過閉環(huán)控制調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取種轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速有不同的變化。

4.2.2溝寬和溝深的測量

蔗溝和旁溝的溝寬和溝深是決定甘蔗種植機(jī)開溝裝置性能的關(guān)鍵參數(shù)。

1)蔗溝和旁溝的溝寬測量。試驗(yàn)時(shí)，在每個(gè)行程內(nèi)間隔5 m為一個(gè)采樣點(diǎn)，共選取8個(gè)采樣點(diǎn)。在每個(gè)采樣點(diǎn)位置用米尺量取蔗溝和左右旁溝(機(jī)車前進(jìn)方向?yàn)榍?的溝寬，以及蔗溝中心到左右旁溝中心的間距。前3個(gè)行程的蔗溝和左右旁溝的溝寬測量結(jié)果見表2。

國家推廣的甘蔗種植新技術(shù)要求甘蔗種植開寬溝約40 cm，左右旁溝開溝寬度與撒肥管道的直徑有關(guān)，所設(shè)計(jì)的甘蔗種植機(jī)出肥口管道直徑為10 cm，左右旁溝中心線到蔗溝中心線間距為50 cm。試驗(yàn)測量左右旁溝中心到蔗溝中心的距離為46 cm，滿足設(shè)計(jì)要求。由表1的數(shù)據(jù)可知，甘蔗種植機(jī)開出的蔗溝平均溝寬為46.5 cm，左右旁溝的平均溝寬分別為24.1 cm和25.1 cm，3個(gè)行程中蔗溝溝寬的變異系數(shù)為0.051，左右旁溝溝寬的變異系數(shù)分別為0.086和0.123。測量結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的甘蔗種植機(jī)開溝裝置性能良好，溝寬滿足甘蔗種植要求。

表2 蔗溝和左右旁溝的溝寬測量結(jié)果 cm

2)蔗溝和旁溝的溝深測量。為精確測量蔗溝和旁溝的深度，在每個(gè)采樣點(diǎn)位置，選取溝形的中心點(diǎn)，以中心點(diǎn)為“0”點(diǎn)，分別在“0”點(diǎn)的左右兩側(cè)根據(jù)溝寬，按照等距原則依次各選取4個(gè)點(diǎn)測量3個(gè)行程內(nèi)蔗溝和旁溝的深度。蔗溝和旁溝的溝深測量結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，蔗溝溝深為26 cm，旁溝溝深為15 cm，溝面輪廓清晰，滿足甘蔗種植作業(yè)要求。

(a) 蔗溝溝深

(b) 旁溝溝深

4.2.3甘蔗株距和漏播指數(shù)測量

根據(jù)甘蔗種植作業(yè)要求，每米至少有5～6根甘蔗才能保證甘蔗發(fā)芽時(shí)每米有10～12個(gè)有效種芽[19]。當(dāng)出現(xiàn)漏播時(shí)，對蔗種均勻性影響很大，因此當(dāng)相鄰蔗段端部相距超過0.25 m時(shí)即定為漏播[20-21]。

試驗(yàn)時(shí)，在各個(gè)行程內(nèi)測量總的蔗段數(shù)和漏播的蔗段數(shù)，蔗段株距和株數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3，其中漏播指數(shù)測定公式為：

(4)

式(4)中，η為漏播率；m為有效測量區(qū)域內(nèi)漏播的蔗段數(shù)(株)；n為有效測量區(qū)域內(nèi)蔗段總數(shù)(株)。

表3 蔗段株距和株數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表3數(shù)據(jù)可知，所設(shè)計(jì)的甘蔗種植機(jī)在40 m的行程播種作業(yè)時(shí)，平均株距均在15～25 cm的范圍內(nèi)，并且漏播率維持在6%以內(nèi)，滿足甘蔗種植均勻性的要求。

5 結(jié)論

1)甘蔗種植機(jī)能夠依次完成開溝、施肥、取種、播種、覆土、覆膜以及培土壓實(shí)等工序，開溝裝置開出的蔗溝和旁溝溝形完整，蔗溝溝深為26 cm，旁溝溝深為15 cm，結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足甘蔗種植作業(yè)要求。

2)自動出種控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制算法對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3)田間均勻性試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的甘蔗種植機(jī)播種精度高，株距穩(wěn)定在15～25 cm范圍內(nèi)，漏播率維持在6%以內(nèi)，滿足國家新推出的甘蔗種植要求。