牧草精密排種構(gòu)件及其監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

焦 巍,劉坤宇,顧麗霞,布 庫

(1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 草原研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草原畜牧業(yè)裝備科學(xué)觀測實驗站,呼和浩特 010010;2．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),呼和浩特 010018;3．內(nèi)蒙古經(jīng)貿(mào)學(xué)校,呼和浩特 010000)

0 引言

草業(yè)可以為畜牧業(yè)提供堅實的飼料基礎(chǔ),依靠豐富的草地資源發(fā)展畜牧業(yè)對建設(shè)小康社會、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和促進農(nóng)民增收等諸多方面具有重要意義。當前,我國草牧業(yè)面臨草產(chǎn)品需求量快速增加但供應(yīng)量不足的狀況。機械化作業(yè)是提高牧草播種效率與播種質(zhì)量和產(chǎn)量的主要手段,但目前我國牧草機械化種植還存在較多不足,尤其缺少精密播種機具及工藝,因此,進行播草精密播種機構(gòu)的研究具有非常重要的意義。

國內(nèi)專用小粒徑牧草種子排種器種類極少,牧草種子大都是利用小麥等糧食作物排種器進行播種,影響草場播種質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展及農(nóng)藝要求不斷升級,對播種質(zhì)量要求越來越高,精密播種技術(shù)應(yīng)運而生。精密播種優(yōu)化了種苗的密度,確保種苗生長擁有合理的生存空間,有利于擴大良種覆蓋面積,達到提高作物產(chǎn)量的目的。但在播種過程中,牧草種子易出現(xiàn)籽種大量傾瀉、架空,以及播量不均且難以監(jiān)測等問題,使作業(yè)過程無法順利進行,研發(fā)高效牧草專用排種系統(tǒng)勢在必行。

1 牧草精密排種器總體結(jié)構(gòu)及工作原理

選擇9BS-2.4型播種機作為試驗機型,選擇具有代表性的苜蓿種子作為設(shè)計參考對象。依據(jù)國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系標準與魏永鵬等人播量試驗結(jié)果可知:行距為200mm時,紫花苜蓿播種量為16kg/hm2,可以使牧草達到最優(yōu)的生長效果[1-4]。本研究在此基礎(chǔ)上進行牧草排種器的設(shè)計,播種機三維示意圖如圖1所示。

2 精密排種系統(tǒng)構(gòu)件設(shè)計

2.1 排種器設(shè)計

2.1.1 排種器類型選擇

通過分析種子物理特性,考慮到排種通用性等因素,選擇外槽輪結(jié)構(gòu)排種器。

2.1.2 外槽輪排種器設(shè)計

1)槽輪直徑d:參照播種油菜等小粒徑種子標準,槽輪直徑選取24～28mm的標準[5]。牧草種子比油菜種子稍小,要維持播種過程中均勻性,選擇24mm的直徑進行槽輪設(shè)計。

2)槽輪工作長度L:工作長度影響排種連續(xù)性。其長度設(shè)計依據(jù)牧草種子物理特性及排種量進行選擇,本試驗選擇槽輪工作長度為33mm。

3)凹槽類型與槽數(shù)Z:選擇直槽型,有利于小粒徑種子排種。常用槽數(shù)Z=8～16,由于本研究是針對于小粒徑種子進行設(shè)計,外槽輪直徑相對較小,槽數(shù)設(shè)計盡量少才不會降低排種的均勻性,因此選擇槽數(shù)Z=8。

4)槽輪轉(zhuǎn)速n:一般來說,槽輪運轉(zhuǎn)速度在10～60r/min這個范圍以內(nèi)播種效果較好。為了適應(yīng)小粒徑牧草種子質(zhì)量輕、落速慢的特點,播種機前進速度不能太快,選擇6km/h的速度進行排種。經(jīng)過試驗可知:工作長度33mm的單槽可容納約400粒苜蓿種子。按照16kg/hm2的播量進行計算,單個排種器播量為1598粒/m,播種機速度為1.67m/s,行走1mm需要0.625s的時間,即1598粒種子需要在0.625s內(nèi)播完,等同于每秒需要播2556粒種子,需要6個槽轉(zhuǎn)動進行落種,即外槽輪轉(zhuǎn)速0.75圈/s。計算可得:槽輪轉(zhuǎn)速n=45r/min[6-9]。

根據(jù)加工經(jīng)驗,復(fù)合材料制造的外槽輪排種器工作性能較好,成本較低,表面光滑度對牧草播種影響不大。外形截面圖及三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

2.1.3 阻塞片設(shè)計

阻塞片與外槽輪形狀一樣,槽數(shù)為8,直徑為26mm。阻塞片與外槽輪主體相連且固定其上,在外槽輪排種器改變工作長度來調(diào)整播量時防止種子的漏出[10]。阻塞片示意圖如圖3所示。

圖3 阻塞片三維示意及裝配圖Fig.3 3D schematic and coordination diagram of blocking slice

2.1.4 阻塞輪設(shè)計

阻塞輪有2個凸棱,用于和槽輪主體進行固定,嵌合主體之后可在其導(dǎo)軌凹槽內(nèi)來回移動,達到調(diào)節(jié)槽輪工作長度及播量的目的。在材料選擇上,使用硬質(zhì)復(fù)合材料進行制造,阻塞輪示意圖如圖4所示。外槽輪式精密排種器組裝示意圖如圖5所示。

圖4 阻塞輪三維示意圖Fig.4 3D schematic diagram of the block wheel

圖5 外槽輪式精密排種器三維裝配示意圖Fig.5 3D assembly sketch of precision seed metering box with outer groove wheel

2.2 種箱螺旋攪龍設(shè)計

2.2.1 螺旋攪龍結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計

螺旋攪龍用于牧草種子疏松與輸送。所設(shè)計的螺旋攪龍為單螺旋固定攪龍結(jié)構(gòu),選擇鏤空水平式輸送方式[11-12],其三維結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 螺旋攪龍三維設(shè)計示意圖Fig.6 3D design sketch of spiral agitator

設(shè)計的五圓鏤空型攪龍與牧草種子接觸平緩,減少了旋轉(zhuǎn)過程對種子的損傷,且保證了工作效率。在保證穩(wěn)定輸送工作狀態(tài)的同時,留有較大鏤空面積促使多余種子回流,實現(xiàn)了種箱內(nèi)牧草種子疏松的作用。箱內(nèi)螺旋攪龍截面示意圖如圖7所示。

圖7 種箱內(nèi)螺旋攪龍截面示意圖Fig.7 Section diagram of spiral stirring dragon in seed Box

所研究的螺旋攪龍是結(jié)合9BS型播種機進行設(shè)計的,考慮其種箱的大小及螺旋攪龍與種箱底部距離,設(shè)計旋轉(zhuǎn)軸直徑為25mm,旋轉(zhuǎn)攪龍直徑為140mm;鏤空處形狀近似看作圓形,直徑為45mm,鏤空圓與螺旋外圓邊緣間的距離為3.8mm。

2.2.2 螺旋攪龍轉(zhuǎn)速計算及傳動齒設(shè)計

螺旋攪龍的主要目的是將種箱內(nèi)種子攪拌均勻而不是進行輸送,所以對螺旋攪龍的轉(zhuǎn)速要求并不高。螺旋攪龍通過地輪采用鏈傳動方式帶動運行,攪龍轉(zhuǎn)速及各鏈條傳動比計算如下:

1)播種機地輪直徑為0.6m,地輪周長為1.89m,按照設(shè)計排種器轉(zhuǎn)速時所選取的播種機運行速度1.67m/s進行計算,轉(zhuǎn)速為52r/min,排種器旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為7.5r/min,傳動比計算公式為

經(jīng)計算可知,地輪齒輪與排種器齒輪傳動比為6:1,排種器旋轉(zhuǎn)齒輪齒數(shù)設(shè)計為36,則地輪旋轉(zhuǎn)齒輪齒數(shù)為6。

2)計算螺旋攪龍旋轉(zhuǎn)齒輪齒數(shù)及傳送比,需要確定其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。依據(jù)經(jīng)驗與實際試驗可知:排種器外槽輪轉(zhuǎn)速為螺旋攪龍轉(zhuǎn)速的2～3倍時,排種系統(tǒng)可以達到較好的工作狀態(tài)。此處取傳送比i2=3,并據(jù)此進行計算,即

經(jīng)計算可知,排種器外槽輪轉(zhuǎn)速與攪龍轉(zhuǎn)速比為3、螺旋攪龍轉(zhuǎn)速為15r/min時,播種機整體工作性能較好,螺旋攪龍齒輪齒數(shù)為18。

2.3 導(dǎo)種管設(shè)計

導(dǎo)種管是排種器與種溝間的連接部件,要求其對種子下滑過程干擾小,具有可彎曲性,以適應(yīng)不同播種方式需求。本文探究利用“零速投種”理論提升導(dǎo)種管工作性能,使種子到達種溝時水平相對速度接近于零[13]。

2.3.1 導(dǎo)種管工作曲線軌跡設(shè)計

導(dǎo)種管工作曲線設(shè)計思路及方法:種管形狀為減函數(shù)曲線,種子運動速度方向隨著種管斜率而變化,到達種管口處時形成較大水平分速度,有利于零速播種。

2.3.2 實際導(dǎo)種管曲面軌跡計算

槽輪排種器槽輪直徑24mm,轉(zhuǎn)速n=45r/min,種子與導(dǎo)種管摩擦系數(shù)μ=0.4,種子著地速度va=1.2m/s,β=90°,農(nóng)機前進速度ve=6km/h(即1.67m/s)。根據(jù)這組數(shù)據(jù),確定導(dǎo)種管工作面曲線形狀。通過分析與計算,得到導(dǎo)種管工作面曲線方程為:y=1.9x-0.003x2。

2.3.3 球形散種面

為保證牧草種植密度,提高牧草種子使用效率,選用撒播方式進行播種作業(yè)。因此,設(shè)計了球形散種面,置于排種管下方;當種子經(jīng)過導(dǎo)種管下落時,落到球形散種面上。由于種子會碰撞到其各個弧面,因此種子隨機彈向周圍各個方向,形成高效自然撒播效果。圖8為球形散種面。

圖8 球形散種面三維示意圖Fig.8 3D schematic diagram of the spherical scattered surface

3 播種作業(yè)的監(jiān)控裝置

為實現(xiàn)精量播種,及時發(fā)現(xiàn)并排除工作故障,研發(fā)了適合不同排種要求的精種作業(yè)監(jiān)控裝置。圖9為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所研制的高精度數(shù)粒傳感器。

工作原理:種子從排種器排出后,通過高精度數(shù)粒傳感器感應(yīng)區(qū)域,遮擋紅外線產(chǎn)生截斷信號,控制器記錄傳感信號,記為種子播量。

數(shù)粒傳感器在工作過程中,當種子從排種器下落時,會出現(xiàn)種子之間相互遮擋,卻只有1次光束遮斷的情況發(fā)生,產(chǎn)生計數(shù)偏少的誤差。為了減小這種情況所造成的誤差,需要使種子下落到感應(yīng)平面處時盡量不要重疊(即實現(xiàn)種子相互不遮擋),從而提高感應(yīng)裝置的采集數(shù)據(jù)的準確性。圖10所示為所設(shè)計的散種部件截面圖及整體圖,其橫截面為三角形下漏斗,最底端開有一定尺寸的下漏口。下漏口大小需要考慮種子的正常流量下落,既不會造成種子卡殼影響播種,又要防止種子在下落時形成相互遮擋的情況。因此,下漏口寬窄選擇為種子最大粒徑的1.25倍較為合適。散種部件兩側(cè)可以進行旋轉(zhuǎn)移動,兩端裝有固定螺栓用以調(diào)整漏種口大小,具有很好的適應(yīng)性。種子從排種器下落到散種部件中,會有種子反彈濺射,為了防止種子彈出,在散種部件上部兩端增設(shè)封蓋,保證排種作業(yè)的順利進行。

散種部件與排種器在排種器的排種口處直接進行匹配,如圖11所示。散種部件漏種口伸入高精度傳感器感應(yīng)截面處,減少了外部條件對排種的影響。

4 試驗

試驗設(shè)定排種器槽輪為最長工作狀態(tài),即長度為33mm,此時排種器落種數(shù)量最大,對數(shù)粒傳感器的監(jiān)測難度最高,且能夠較為精確地對排種器性能進行監(jiān)測,研究結(jié)果對產(chǎn)品的性能改進有實用價值,具有代表性。

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

對上文中所設(shè)計排種監(jiān)測系統(tǒng)按照田間工作模式進行模擬試驗[14],試驗主要目的如下:

1)檢測所設(shè)計的外槽輪排種器在實地播種作業(yè)過程中的運行準確性和可靠性;

2)檢測所設(shè)計的散種部件工作性能及計數(shù)傳感器的可靠性和準確性;

3)檢測所播種子物理特性,計算傷種率,驗證系統(tǒng)的播種性能。

試驗儀器:外槽輪排種器、散種部件、高精度數(shù)粒計數(shù)器及微電腦自動數(shù)粒儀,如圖12所示。

4.2 試驗方案

使用小粒徑苜蓿種子進行試驗,取100粒種子進行試驗,檢驗數(shù)粒播種準確性。

4.2.1 種子數(shù)粒監(jiān)測試驗

苜蓿粒徑小,難以監(jiān)測,可作為小顆粒牧草種子的代表。苜蓿種子數(shù)粒監(jiān)測對比折線圖如圖13所示。

圖13 苜蓿種子數(shù)粒監(jiān)測對比折線圖Fig.13 Monitoring and Contrast Breakdown Chart of Alfalfa Seed Number and Seed Number

試驗發(fā)現(xiàn):設(shè)計的排種監(jiān)測系統(tǒng)在添加散種前后,苜蓿種子數(shù)粒監(jiān)測平均值為82粒和89粒,計數(shù)精度有所提高。

由于目前國內(nèi)還未有數(shù)粒監(jiān)測裝置性能檢測標準,所以根據(jù)本試驗結(jié)果可得,所設(shè)計的排種監(jiān)測裝置有較高的準確性,且具備實際應(yīng)用價值,對于牧草機械化精密種植有很大的實際意義。

4.2.2 種子破損率分析

由試驗發(fā)現(xiàn),種子在排種過程中破損率與有無添加散種部件無關(guān),只與排種器排種結(jié)構(gòu)性能有關(guān)。試驗結(jié)果如下:

1)苜蓿種子排種實驗中,多組100粒苜蓿種子經(jīng)由排種器播種幾乎沒有出現(xiàn)損傷,計算符合依據(jù)編號DB1/T295-2005的《農(nóng)業(yè)機械化標準概要》中規(guī)定的牧草(苜蓿)播種機的作業(yè)質(zhì)量:種子破損率≤0.5%。

2)排種試驗在破損率方面符合行業(yè)標準,尤其在小粒徑種子排種方面表現(xiàn)優(yōu)異,說明本排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4.2.3 與微電腦自動數(shù)粒儀的對比

表1為自動數(shù)粒儀與高精度數(shù)粒傳感器的多組試驗平均計數(shù)量對比。

表1 數(shù)粒儀與數(shù)粒傳感器精確性對比表Table 1 Precision comparison between high precision granulometer and automatic granulometer

通過對比試驗發(fā)現(xiàn),對粒徑較小苜蓿種子進行計數(shù)時,設(shè)計的數(shù)粒傳感器精度遠高于微電腦數(shù)粒儀精度,其監(jiān)測效果更好,更適合實際工作。

4.2.4 試驗結(jié)論

試驗結(jié)果表明:排種器設(shè)計合理,在排種過程中可以保持較低的種子破損率,且添加了散種部件的排種系統(tǒng)排種更為準確,在實際生產(chǎn)過程具備較高應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

1)所設(shè)計的外槽輪式排種器可以保證穩(wěn)定的工作狀態(tài)并使種子破損率處于很低的數(shù)值,適合小粒徑種子排種。

2)本文所設(shè)計高精度數(shù)粒傳感器可以精準測量排種量,平均精度82%以上,且具備較高的實用價值。

3)在添加散種部件進行數(shù)粒監(jiān)測后,發(fā)現(xiàn)種子計數(shù)精度明顯提高,其中小粒徑種子計數(shù)精度提高了7%～8%。由此可見,散種部件對于精確計數(shù)具有明顯的提升作用。