小区播种机锥体投种器分种均匀性的试验研究

叶 岩,吴泽全,余 涛,东忠阁,刘俊杰

(黑龙江省农业机械工程科学研究院,哈尔滨 150081)

0 引言

种子安全事关国家粮食安全,已经上升到国家安全的战略高度[1]。良种对我国粮食增产的贡献率为43%,而美国等发达国家良种贡献率达到60%以上[2]。小区育种播种设备作为培育优良品种的重要设备之一,对提高育种试验的效率和试验结果准确性具有显著的影响[3]。

小区育种播种设备是培育新品种、繁殖良种和对比品种等田间试验所用的专用播种机[4],具有定量播种、自动清种、间隔播种、连续播种等特点[5]。锥体分种器作为小区播种机重要组成部件之一,主要通过存种管提升部件、锥体存种部件、导种管等完成投种作业。国外育种机械发展起步较早,小区播种机形式多样且功能完备,如奥地利Wintersteiger公司、法国Braural公司、巴西的Maquinarium公司和美国Almaco公司所生产小区播种机,一种类型是配套手动和气动提升形式的锥体分种器,另一种类型是种盒自动投种装置。其中,美国Almaco公司最新开发的弹匣式全自动供种装置,从备种、分种、装盒到排列均能够实现无人化。经过长期的技术发展和装备更新,国外小区播种设备已到较高的自动化和智能化水平[6-9]。

通过查阅相关文献资料可知,目前国内小区播种机投种装置主要分为下列几种类型:一是通过锥体装种装置进行投种,需要预先将各育种区域种子分装到纸袋进行人工投种,并利用左侧和前端水平泡手动调节投种装置的水平度,其投种均匀性受人工调节的影响程度较大;二是锥体帆布袋式投种装置[10],利用锥体和帆布袋之间摩擦旋转带动种子行进至投种口,但帆布袋与锥体之间张紧度需要定期调整,且帆布袋使用寿命受材料性能影响较大;三是锥体格盘式投种器,其内部若干隔板会使“种流”断裂,同时格盘携种时与底板接触面之间相对滑动易磨损种子[11]。

国内小区播种机虽然技术研究起步较晚,但近些年随着国家重视程度的不断加深,小区播种机械化作业和自动化水平逐年提高。刘曙光[12]等设计了锥体帆布带式排种器,并改进了存种装置对作物种子的适应性和播种均匀性。杨诚[13]通过研究小麦种子流在排种装置中的运动状态,分析了种子在锥体分种及离心分配装置工作过程中的受力和运动规律,从而提高了锥体离心式排种器的排种均匀性。杨薇[14]针对现有小区株行条播机手动上种人工劳动量大、工作效率低的情况,设计了株行条播机弹匣式上种装置。上述投种装置的研究为提高国内小区播种机分种装置水平奠定了相应的理论研究基础。因此,为了提高小区播种机投种装置的分种均匀性,笔者设计了一种自动调节水平及最优关键部件参数组合的投种装置,旨在为提高投种器分种的均匀性提供参考。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

小区播种机锥体分种器主要由投种漏斗、提升部件、微型直线伺服电缸、伺服电机、倾角传感器、落种导管接头、锥体及底座、亚克力壳体、导种管固定架及导种管等部分组成,如图1所示。

装置主要采用伺服电机、微型直线伺服电动缸和倾角传感器控制装置水平度,并通过优化设计锥体角度和导种管管径解决了投种装置作业过程中分种均匀性难控制的问题,进而提高装置投种均匀性,降低人工作业强度,并提高育种作业效率。其主要结构尺寸如表1所示。

表1 锥体分种部件的动态调平装置的主要参数Table 1 Main parameters of dynamic leveling device for cone seed separation parts

1.2 工作原理

当小区播种机行进至待播种小区区域时,锥体投种装置的自动调平部件通过倾角传感器检测当前锥体投种器的角度,倾角传感器反馈的数据根据设定时间间隔不断传输至控制器中,通过控制器终端采集数据信号,从而控制伺服电动缸和伺服电机驱动装置进行角度调整;在伺服电机和电缸的共同作用下,将分种装置调整至设定倾角范围内,使装置维持在可控水平倾斜角度范围内;待锥体投种装置快速调整稳定后,人工将预先分配完成的袋装种子倒入投种漏种中,种子经投种漏斗落入到导种管与锥体结合处,通过面板按钮或手动控制提升支架,将投种漏斗提升至预定位置;种子均匀落入四路分种管,待下一步动作后,种子到达播种器内部,从而完成一个小区的供种过程。

2 关键部件设计

2.1 投种漏斗的结构设计

为适应不同玉米种粒大小的投种需求,提高种子分种适应性,将投种漏斗设计为可更换变径连接头;通过螺纹连接更换不同孔径的连接头,促使种子落点位置集中到下端锥体尖端,其锥体和投种漏斗材料均采用亚克力材料加工而成,可视度和表面光洁度较高,便于观察落种情况和后期试验研究。根据相关小区育种机械学者的理论研究可知[15-16],漏斗底端出口直径尺寸与种子尺寸大小存在函数关系。以粮食作物为试验对象,投种漏斗下端漏种口最小直径dmin、种粒长度b和宽度c之间的经验公式为

(1)

其中,dmin为投种漏斗下出口最小直径(mm);b为种子的平均长度(mm);c为种子的平均宽度(mm)。

因此,根据玉米种粒参数选用合适的投种漏斗下出口直径,有利于提高分种均匀性和适应性,降低因人工投种时种粒落点位置不可控等因素影响。可更换变径连接件如图2所示。

1.投种漏斗 2.变径连接头图2 投种漏斗示意图Fig.2 Schematic diagram of seed hopper

2.2 分种器锥体的结构设计

分种均匀性的高低是评价分种器性能的重要指标,均匀性越高,装置的性能越好。为进一步分析种粒下落情况,首先对种子在投种器分种锥锥面上的种粒进行受力分析[17]。以种子中心为原点,沿锥面向上为X平面,沿锥面垂直面为Y平面,则种粒的受力情况如图3所示。图3中,θ为分种锥面与水平面夹角(°);G为种粒质量(g);N为支持力(N);fx为摩擦力(N);Fr为离心力(N)。具体关系式为

图3 种子在锥面上的受力分析Fig.3 Force analysis of seed on conical surface

Frcosθ+Gsinθ-fx=max
N+Frsinθ-Gcosθ=may

(2)

其中,ax、ay分别为种粒在X、Y轴方向的加速度(m/s2)。

当投种漏斗提升后,玉米种子沿锥体表面向四周滑落,其分种锥面与水平面夹角决定玉米种子在锥体表面上滑行的时间:锥体底角角度取值越大,种子在锥体表面滑行速度越快;锥体底角角度取值越小,种子在锥体表面滑行越慢。结合锥体角度和导种管整体对投种均匀性的影响,通过后续试验确定最优参数。

2.3 倾角传感器的选型和控制

小区播种机在作业过程中,锥体分种器与作业机具伴随着地表起伏做不规则振动。为稳定、准确控制锥体分种器的水平度,选用维特智能生产的MPU6050动态倾角传感器,固定安装在锥体固定架上端平面,来测量锥体分种器前后左右水平摆动角度。其倾角传感器供电电压为5～36V,抗振性能为2000g,输出方式为RS232/485/TTL/Modbus协议接口输出,工作温度为-40～+85℃,尺寸为L51mm×W36mm×H15mm,质量为20g;动态精度可达到±0.1°,角度x/z轴±180°,Y轴±90°。将倾角传感器安装固定后进行水平测试,倾角传感器测量系统界面如图4所示。在设定采集数据的时间间隔下,倾角传感器反馈的数据根据设定时间间隔传输水平倾角数据,通过控制终端采集的控制信号控制微型直线伺服电缸和伺服电机驱动装置进行角度调整。通过“相对或绝对零点”按钮实现对水平倾角传感器的校准,以保证小区播种机区间作业时倾角测量的准确性和信号输出的稳定性。

图4 倾角传感器测量系统界面Fig.4 Simulation model of the pneumatic device

3 性能试验与结果

3.1 试验基本条件

为检验投种器工作时的均匀性及可靠性,试验在黑龙江省农业机械工程科学研究院智能化所实验室台架上进行。试验选用“农科玉”克单14号,随机挑选出外型尺寸相对较规则且外观无破损的玉米种粒1000粒,使用精度为0.01g的电子秤进行称重,重复3次,实际测量千粒质量平均为314.6g。

3.2 试验方法与评价指标

以玉米为试验研究对象,对锥体投种器的分种均匀性进行试验研究。试验前, 将试验装置固定于试验台架上,调平系统测试至稳定控制状态。试验过程中,将纸袋装有的玉米种子均匀地倒入到投种漏斗中,随着存种管的提升,玉米种子在重力的作用下落入到各路分种管内,对4路分种管排出的落种量用播种监视器和人工复检进行计数。通过计算分种器分布均匀性变异系数[18]检验分种器分种均匀性,公式为

(3)

式中cv-分配均匀性变异系数(%);

qi-第i路种子数量,i=1、2、3、4;

3.3 试验参数设计

根据样机试验可知,为保证单行播种时有足够的种子量,在使用锥体投种器时需要额外添加约10%～15%的种子量,用于补偿分种器出现的误差。首先,常见小区播种面积为几平方米至十几平方米之间,且玉米种植的行距一般在0.5～0.6m之间、株距在25～40cm之间,本文选取面积为12m2的矩形试验小区。用种量计算公式为:种子量={(播种长度/株距+余种量)×播种列数}。其中,余种量为补偿量。综上所述,确定单一小区所需单粒种子量约为56粒。根据文献[19-20],选取投种器锥头角度范围为40°～50°,导种管直径为60、50、40mm进行试验。

3.4 试验因素和水平

针对各个影响因素对分种均匀性的影响程度,设计正交试验进行分析,试验因素水平如表2所示。为分析各因素对投种器分种均匀性性能指标的影响,试验采用三因素三水平设计,共进行27组,每组重复3次,并取平均值[21-23]。

表2 试验因素水平表Table 2 Test factor level table

3.5 试验方案与结果

为降低人工和物力成本,既减少试验次数又不影响试验效果,从L9(34)正交表中选出具有代表性的搭配组合,序号为1、5、9、11、15、16、21、22、26,将这9个试验按新编号列出。试验方案与均匀性变异系数如表3所示。

表3 试验方案与结果Table 3 Experimental project and results

由表3可知:极差值越大的因素水平改变,对试验指标的影响越大,极差最大的一列是需要考虑的主要因素;各因素对试验指标(分种均匀性)的影响程度主次顺序为A(锥体角度)、B(导种管直径)、C(漏斗口直径),最优的方案为A1B3C1。为验证A1B3C1是否为最佳方案,进行样机验证试验。结果表明:理论优化结果与验证试验结果相近,分种均匀性处于较优水平,且分种装置均匀性较稳定,调平效果良好,能够满足投种要求。

4 结论

1)通过对锥体分种器的投种、携种和分种等作业过程分析研究,得出各因素对分种均匀性的影响程度主次排序为锥体角度、导种管直径、漏斗口直径。其中, 锥体角度和导种管直径的结构及配合变化对分种装置均匀性的影响较显著,漏斗底端管径的大小变化对分种均匀性的影响不显著。

2)台架试验结果表明:分种投种器能够稳定实现玉米投种作业,调平结构和控制装置能够有效提高投种均匀性和落种流畅度。试验过程中投种作业稳定,分种均匀性变异系数均值为13.7%,各项参数和指标均符合分种需求。

3)验证试验和参数优化试验过程中未出现漏种和无法调平装置等问题,其性能满足了小区育种试验过程中持续、稳定、均匀投种方式的作业需求。