一種離地高度可調(diào)節(jié)的播種平臺設(shè)計

谷天龍，郁澤同，周 龍，葛佳輝，徐恒偉，奚小波

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引 言

傳統(tǒng)式小麥播種機(jī)在播種作業(yè)中大多采用管式輸送排種[1]，由于小麥種植密度高，種子脫離排種器后還將經(jīng)過一段管道進(jìn)而落入土地，在這一過程當(dāng)中，小麥種子處于不可控狀態(tài)，極易發(fā)生碰撞、滾動、彈跳，導(dǎo)致均勻種子流受到破壞，致使播種的準(zhǔn)確性、離散度較差，影響種子出苗及后續(xù)生長[2-3]。為此本文采用無管式貼地播種，使種子可以直接落入土地，減少了落種的不確定性因素，有利于精確排種。為進(jìn)一步研究排種裝置的播種性能，設(shè)計了升降調(diào)節(jié)裝置，使排種口距離地面的高度在5～20 cm 可調(diào)節(jié)，有利于研究排種高度對播種性能的影響。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

目前，國內(nèi)外許多專家學(xué)者測試了許多模擬播種試驗方法，經(jīng)過大量的試驗研究與對比。其中最受學(xué)者看重的是利用在帆布等類似布料上涂抹一些粘膠材料的帆布法，用來模擬小麥播種時，播種機(jī)械播種作業(yè)時小麥落種狀況。本文設(shè)計的離地高度可調(diào)節(jié)的播種平臺如圖1 所示，其主要由排種裝置、升降裝置和模擬平臺組成。傳送帶的轉(zhuǎn)動模擬排種裝置在土地上播種。脈沖電機(jī)驅(qū)動定軸齒輪旋轉(zhuǎn)，兩齒輪嚙合同步傳動，使得與齒條固鏈的機(jī)架實現(xiàn)升降運(yùn)動，完成離地高度可控的播種。通過調(diào)速電機(jī)調(diào)節(jié)皮帶傳動速度來模擬播種機(jī)具的行進(jìn)速度，通過排種器的轉(zhuǎn)速來模擬調(diào)節(jié)播種量，通過調(diào)節(jié)排種口離傳送帶的距離來實現(xiàn)離地高度的調(diào)節(jié)。

圖1 播種平臺的總體結(jié)構(gòu)

2 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.1 傳動機(jī)構(gòu)

4 條齒條分別固定于機(jī)架四角，4 個小齒輪分別與之嚙合。齒輪1 齒輪2 嚙合，齒輪3 齒輪4 嚙合。齒輪軸孔內(nèi)開有鍵槽，兩根軸上對應(yīng)位置設(shè)有平鍵，齒輪和軸以鍵傳動。齒輪4 與萬向節(jié)一端相連，萬向節(jié)另一端接伺服電機(jī)。齒輪3 在此機(jī)構(gòu)中起減速作用。以圖2 為例，當(dāng)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)時，排種箱上升，反之下降。

圖2 升降機(jī)構(gòu)

2.2 電機(jī)選型

本文所設(shè)計的可調(diào)節(jié)播種平臺，使用交流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)具有體積小、反應(yīng)快、過載能力大、變壓范圍大、頻率可調(diào)等特點(diǎn)，且可通過后端編碼器反饋構(gòu)成直流伺服。本設(shè)備要求每個頻率旋轉(zhuǎn)一定的角度，需要一定的靈敏度和精準(zhǔn)度，所以選擇交流伺服電機(jī)。

（1）電機(jī)選擇首先要考慮機(jī)器運(yùn)行速度，最高運(yùn)行行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在其額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)：

式中：nnom為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min；n 為快速行程時的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；Vmax為直線運(yùn)行速度，m/min；u 為傳動比；Pn為絲杠導(dǎo)程，mm。

（2）保證擁有足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，負(fù)載慣量JL要限制在2.5倍的電機(jī)慣量JM之內(nèi)，即：

式中：Jj為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ωj為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min；mj為各移動件的質(zhì)量，kg；Vj為各移動件的速度，m/min；ω 為伺服電機(jī)的角速度，rad/min。

（3）空載加速轉(zhuǎn)矩應(yīng)限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%以內(nèi)，即：

式中：TAmax為與電機(jī)配合的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Tmax為空載時加速轉(zhuǎn)矩，N·m；TF為快速行程時轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的載荷轉(zhuǎn)矩，N·m；toc為快速行程時加減速時間常數(shù)，ms。

（4）在正常的工作狀態(tài)下，切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tms不超過電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩TMs的80%，即：

式中：Tc為最大運(yùn)行轉(zhuǎn)矩，N·m；D 為最大負(fù)載比。

（5）連續(xù)過載時間tlon應(yīng)限制在電機(jī)的規(guī)定過載時間tMon之內(nèi)。

根據(jù)上述選型要求，本設(shè)備選擇80-03520AS4型的伺服電動機(jī)。

3 臺架試驗設(shè)計

3.1 參數(shù)設(shè)定

由于離地高度h 對貼地播種的播種作業(yè)效果影響最大，因此選取該因素進(jìn)行試驗設(shè)計，通過試驗得出不同離地高度下的落種準(zhǔn)確性，研究離地高度與落種準(zhǔn)確性關(guān)系并得出一定結(jié)論。

根據(jù)小麥播種作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，試驗過程中取作業(yè)速度1.2 m/s，試驗中即為傳送帶的傳輸速度為1.2 m/s，取排種轉(zhuǎn)速20 r/min?？紤]到由于高度過低可能會導(dǎo)致落種口與地面摩擦造成損傷，因此設(shè)置最低高度為5 cm，范圍取 5～15 cm；劃分區(qū)間為 5、7.5、10、12.5、15 cm。試驗過程采用上述齒輪傳動的方法進(jìn)行排種高度調(diào)節(jié)。

為準(zhǔn)確模擬貼地寬帶播種效果，試驗時，在傳送帶中央鋪上薄的透明膠帶，膠帶寬5 cm、長200 cm，排種器播種后種子落下粘在膠帶上，通過觀測膠帶上的落種情況分析播種性能，可反映實際播種分布情況。透明膠帶能夠通過粘性固定種子落下的位置，這樣也便于后續(xù)小麥播種準(zhǔn)確性和離散度的數(shù)據(jù)采集。

3.2 評價依據(jù)

播種性能指標(biāo)與測定方法參考NY/T1768—2009 《免耕播種機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[4]與NY/T996—2006《小麥精少量播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[5]。選取播種準(zhǔn)確性以及播種離散度作為播種性能指標(biāo)。

播種準(zhǔn)確性μ 用于描述種子落于種槽內(nèi)的準(zhǔn)確程度，即在臺架試驗中種子落于膠帶上的含量，計算公式如下：

式中：m1為落在膠帶上的種子和膠帶的總質(zhì)量，g；m2為落在膠帶外種子的質(zhì)量，g；m3為試驗用膠帶的質(zhì)量，g。上述質(zhì)量電子天平測得。μ 值越大，代表種子落在種槽內(nèi)的準(zhǔn)確程度越高，有利于精確播種。

播種離散度V 用于描述種子落在種槽內(nèi)的分散程度，在落種膠帶的100～200 cm 區(qū)間內(nèi)連續(xù)取10段5 cm×5 cm 的種帶，記錄下每粒種子距離膠帶邊界的距離 yi，如圖 3 所示，V 可表達(dá)成：

圖3 離散度檢測方法

3.3 試驗結(jié)果分析

對離地高度h 在區(qū)間內(nèi)取值，并重復(fù)進(jìn)行3 次試驗，結(jié)果取平均值，試驗如表1 所示，并通過Origin 得出準(zhǔn)確性、離散度與離地高度關(guān)系數(shù)據(jù)折線，如圖4 所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4 μ、V 與h 關(guān)系數(shù)據(jù)折線

由圖4 可知，小麥播種準(zhǔn)確性μ 隨著離地高度h 的增加而減小，離散度V 隨著離地高度h 的增加而增大，并根據(jù)折線交叉圖可知，兩線相交點(diǎn)的離地高度h 值極為接近10 cm。所以取離地高度值為10 cm，保證落種準(zhǔn)確性為85.44%，同時播種離散度為43.55%，此時的播種效果最佳。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計的離地高度可調(diào)節(jié)的播種平臺能在一定程度上簡化實驗操作，獲得較為準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，有利于貼地控深播種的研究。試驗結(jié)果顯示，離地高度為10 cm 時播種機(jī)作業(yè)效果最佳，落種準(zhǔn)確性為85.44%，同時播種離散度為43.55%。