小区株行条播机弹匣式上种装置的设计与试验

杨　薇，李建东，张　翔，杨然兵，赫志飞，张东旭

(1.中机美诺科技股份有限公司，北京　100083；2.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109 )



小区株行条播机弹匣式上种装置的设计与试验

杨薇1，李建东1，张翔2，杨然兵2，赫志飞1，张东旭1

(1.中机美诺科技股份有限公司，北京100083；2.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109 )

摘要：针对现有小区株行条播机手动上种人工劳动量大、工作效率低下的情况，设计了一种株行条播机弹匣式上种装置。上种装置包含直流电机、接近开关、种盒导梯、种子导流部件、种盒插板、种盒组、种盒推块、机架、护板、链轮传动机构及插板锁紧机构。为此，阐述了弹匣式上种装置的构造特点及工作原理，对极易卡滞的种盒推块入轨环节进行了对比和力学分析；研究了多种电控传感器与检测方案，并对电控部分的工作流程进行了设计。通过对弹匣式上种装置的可靠性试验表明：装置各项指标合格率达到93%以上，上种最终作业合格情况达到98.6%,装置的连续作业可靠性及上种准确性符合小区育种精密性要求。

关键词：株行条播；上种装置；弹匣式；自动控制

0引言

随着我国良种繁育技术的快速发展，育种试验小区的整体规模和标准化程度也在不断提高，相对于快速发展的育种技术，相关育种机械装备的研发还相对滞后[1]。针对小区育种的优选繁育阶段，在初步研发出小区株行条播机的基础上，如何实现机械化上种，进一步解放劳动力已成为当前育种机械装备的一大研发方向[2]。

当前上种装置研发的难点在于：①如何选取合适的种盒进给方式，使得种盒移动平稳；②如何使种盒在两板的轨道拼接处顺利通过，避免发生卡滞现象；③如何使每次上种时种盒口准确对齐导种口，避免种子溢散出导种区域发生种子的浪费或混杂现象。由于目前还未有相对成熟的上种装置，国内现有的育种播种机的上种环节仍采用人工上种[3]，在同时播种6行以上不同种子时单人上种已无法适应机械自动播种速度，需停机上种，已成为影响小区播种机工作效率的一个原因。

本次设计的上种装置将弹匣码放子弹的原理运用到种盒排列与进给当中，并针对上述难点做了逐一的探索与设计：对种盒内种子在轨道衔接处的运动状态进行了模拟试验；创新应用了电控自动检测及上种技术，减轻了育种工作人员的作业强度，进一步解放了劳动力。该装置的研发对小区株行条播机效率提升作用明显。

1原理分析及结构设计

1.1装置结构

弹匣式上种装置的总体结构主要由直流减速电机、接近开关、种盒导梯、种子导流部件、种盒插板、种盒组、种盒推块、机架、护板、链轮传动机构及插板锁紧机构等部分组成，如图1所示。

1.直流减速电机　2.接近开关　3.种盒导梯

1.2设计原理及工作流程

1.2.1设计原理

研发的上种装置与军事上弹匣装弹的工作原理相似，即外型尺寸标准化的种盒通过整齐叠放，顺序完成进给、上种、抛盒动作，并在弹匣装弹原理的基础上结合农艺要求进行了全新的设计。为保证种盒的进给平稳(防止种子划伤和塑料种盒受损)，上种装置改军事上的托弹簧顶压托弹板的冲击性动作为由电机带动链条推动种盒推块的匀速运动方式。因种盒内种子是靠自身重力完成对排种器的供种，为了使进给顺畅，种子导流部分没有装填槽等限位装置，采用传感器对种盒行程进行检测，控制启停。不同于军事上的连续瞬发机制，上种装置需对两次上种作业之间进行延时操作为小区播种预留出作业时间，具体延时步骤如图2所示。

图2　上种装置延时动作步骤简图

1.2.2工作流程

弹匣式上种装置的种盒与种盒插板在种子加工环节就已完成分拣、装盒与穿板工作(将种盒依次排列串接到种盒插板上)。上种作业前，先将种盒板插入种子导流部件后方的预留插槽处，放下插板，合上插板锁紧装置，完成预备工作。

小区播种机行驶到第1个小区时开始进行上种作业，电机输出动力带动链条运动，链条上的种盒推块在链条带动下推动整个种盒组沿种盒插板向前进给，直到首排种盒触碰到种子导流部件前端的开关元器件时电机停转，首排种盒的对齐工作完成。之后，每完成一个小区的播种作业只需进给1个种盒的行程，播完种盒会自行沿种盒导梯滑走，如此往复即能完成多个小区的连续作业。

2关键部件设计

2.1种盒推块与推块滑道的设计

种盒推块是上种装置的主要工作部件，其运动稳定性直接影响到种盒的进给是否平稳[4]。由于在工作状态下推块需要频繁地进出滑轨，如设计不当会造成碰撞震动磨损零件，严重的会造成卡滞现象，损坏传动装置，所以在种盒推块凹槽处设计了过渡圆弧，在滑轨端口设计出导引斜坡；但在工作状态下还需考虑链条的上下振动，增大轨道面与槽面间预留间隙是解决问题的根本途径。在机架尺寸确定的情况下，设计中对推块凹槽进入轨道的角度在CAD中进行了摆放和分析，如图3所示。选取的3个测算点中，推块从竖直角度到18°过程中，预留间隙增大了0.6mm，约为竖直状态下尺寸的4/3，性能提升效果显著；而在入轨角度从18°增至32°过程中，间隙提升效果有限，仅增加了0.07mm。

图3　推块入轨角度对预留间隙的影响效果示意图

通过分析可以看出：入轨角度越大，则预留间隙越宽，槽口通过轨道进入端概率也随之增加；但同时看到轨道延伸方向与槽口方向的交角也增大，同样影响的卡壳问题的消除。如图3所示，推块能否顺利通过导轨取决于槽口与轨道端沿接触时推进力能否大于阻力，所以应对该零件瞬态受力情况进行分析。相对于推块体积，施加应力都较集中，近似为所有外力集中于一点G，因为F合=F3sinα+FNcosα，通过条件变为F合≤F额(额定负载)。垂直凹槽方向的受力情况为

F1=F2sin(90°-α+β)+FN

(1)

式中F1—槽面受轨道端沿阻力；

F2—过渡圆弧受轨道底面阻力；

FN—垂直凹槽的拉力平衡力。

平衡状态下沿凹槽的方向受力情况为

F3=F1cosα+Ff+F2sinβ

Ff=FNu

(2)

式中F3—链条沿槽向动力；

Ff—沿槽向摩擦力；

u—凹槽表面摩擦系数(钢与青铜u=0.15)。

将式(1)代入式(2)得

F3=F1cosα+u[F1-F2sin(90°-α+β)]+F2sinβ

(3)

其中，F2为恒定阻力；β值固定。链条沿槽向动力F3直接受α影响，摩擦力中含α的项在0.15的摩擦系数下效果不明显。由此可以看出：随着倾斜角度90°-α的增加，F1cosα值增加，所以F3的值加大。

从当量守恒角度考虑，由公式mΔv=Ft，要从V1变为V2在接触时间较短的情况下需大幅增加链条的向心拉力FN，减小FN的根本措施是减小ΔV(即减小两速度间夹角90°-α) ，如图4所示。

图4　种盒推块入轨状态受力分析及速度变化图

经分析对比和模拟试验，最后得出推块入轨角度的最优值为18°。

2.2种盒插板与种子导流部件衔接处设计

由于种盒插板在小区连续作业时需定时更换，所以设计时需考虑到快换特点及良好的操作性[5]，宽松的夹持连接在颠簸路况下必然会在两零件连接处出现轻微的滑移和震动现象，严重的会卡滞种盒。如图5所示，设计中运用了弹簧伸缩挡块，相比螺钉旋紧定位更加方便快捷；衔接处采用了上下搭接的方式，两板拼接处各切薄对应厚度的材料，前板打薄上端面，后板打薄下端面，同时在前板的切薄处的左右和上端做出一个导引的斜坡，在后插板端面加工出1个0.5mm厚槽，进一步提高容错率。

此种设计方式对盛装大颗粒种子的种盒影响较小[6]，而对于在种盒存放的小颗粒种子会在交缝处出现残留现象。改进措施为将两板切薄面调转，此种方式上端支撑面拼接处还是会有阻碍可能，需提高加工精度。

2.3电气控制部分设计

2.3.1开关的方案选择与设计

弹匣式上种装置的电控开关的选择与安置是此次设计的难点。首先，传动链条的运动最终是以种盒的移动进给为目的，在传动轴上装电控开关不利于检测种盒的移动；其次，种盒是已经标准化的塑料件，在其上装电控开关也不现实；再次，由于种盒的排列相对紧凑，且外表面有坡度，普通的触点行程开关无法伸入盒间间隙，又不能规避种盒表面坡度带来的误差[7]。针对上述电控开关配置的限制，在此次设计中一共提出以下3种待选择方案。

1)方案1：采用步进电机驱动链轮轴的方式，省去了电控开关元器件，传动精度大幅提升；但步进电机没有反馈调节，电机内部的累进误差不可消除。

2)方案2：采用接近开关作为检测传感器与减速电机配合完成作业，通过检测种盒间的间隙来判断进给行程，可以做到误差的反馈调节，也规避了种盒的表面形状的干扰，但此种方式传感器安置较为复杂，既不能影响种盒行进，又需将检测头靠近种盒面，且传感器与种盒间如遇到遮挡检测效果会变差。

3)方案3：采用应变片作为检测传感器与减速电机配合完成作业。该方案将应变片放置在种子导流部件的种盒支撑面上，利用种盒通过时应变片表面压力的变化来判断进给行程，结构紧凑，抗外界干扰性强；但由于种盒是紧凑型排列，竖直方向只有自身重力，压力变化较小，应变片对压力的敏感性会导致结果误差较大，造成作业发生错误。

经过对比分析，考虑到精确度对育种试验的重要性，为了尽可能地规避由于机械与电控自身存在的误差对试验的影响[8]，设计最终选用了第2套方案。即在一侧机架为接近开关，设置一可动机座，可调整接近开关位置，竖向上架高接近开关空出推块的位置，接近开关的感应距离需大于种盒壁的间隔距离，感应面积需小于种盒间的间隙量。其电气控制流程图如图5所示。

图5　插板固定装置结构示意图

图6　电气控制流程图

2.3.2电机参数选择

设计中选用18齿节距为12.7的前链轮，分度圆直径为73mm，种盒宽度为60mm，即链轮转过1周共向前进给约4个种盒，种盒进给速度不宜过快[9]，要求电机具有低速运转功能。以盛装荞麦为例，装置最多可一次安放10组种盒，每组6行式种盒自重0.2kg，种盒内种子量为每腔约40g，每一整盒种子约重240g，负载总重4.4kg。考虑到机械内部阻力及轨道接触面间摩擦等因素，将额定负载扩大至16kg，计算得转矩约为6N/m。最终，本设计选用的减速电机参数如下：

型号：GPG-05SC

电压/V：12

电流/A：1.39

转速范围/r·min-1：1～1 800

功率/W：10

3性能试验与结果

3.1试验基本条件

性能试验在位于河北固安的中机美诺科技股份有限公司的试制车间进行。试验采用荞麦品种为平荞2号，随机抽选百粒，测算平均长×宽×高为6.23mm×3.43mm×2.99mm，千粒质重为30g，种子含水率为10.4%，尺寸具有较强的代表性。

3.2试验步骤

试验主要是检验上种装置的作业可靠性。试验中，每个种盒的6个腔中每腔装填100粒，每个种盒插板按上限数排布10个种盒；上种试验流程模拟小区连续播种的作业步骤，每完成一个种盒的上种，留存上种原情况，待完成整个插板的上种后统计每个种盒的性能合格情况。每个插板从换装到上种完成用时约9min，每天试验20个插板，用时3h，试验共持续5天时间，总用时约为15个h。同时，从工作频率到工作时间考虑上消除试验误差，保证装置性能检验的准确性和可靠性[9]。

3.3试验结果

上种装置试验结果如表1所示。

表1　弹匣式上种装置试验性能结果

由表1可以看出：推块的进给速度波动较小，减速电机的选型和工作稳定性较佳，而每播完10盒的累积进给偏移量则比进给速度的变异系数高24.8%。这些已在电控设计时考虑到，并合理地控制在可准确完成上种的要求波动范围内。

对于上种装置的机械性能，国家还没有明确的评价指标，所以在此次试验中以多角度、高标准对指标进行设置。从表1后4项可以看出：弹匣式上种装置的各项指标合格率均在98.6%以上，即在小区播种的上种环节，每1 000个小区中有986个小区完成准确上种，在连续作业情况下，装置可靠性较强。

4结论

1)设计研发的上种装置利用弹匣式上种原理，顺序进给，装置可靠性高，通过电气控制可以与小区播种机配合完成自动化播种作业。

2)对轨道端面的结构和推块的入轨角度进行了重点研究，经过对比和力学分析确定了轨道端面结构，得出推块的最佳入轨角度为18°。在轨道拼接处创新应用了两板搭接，开设微型插槽的结构，保证了插板的快速更换。电控部分考虑到开关精度和方案可行性，优选了接近开关检测方式，电机选择合理，在试验中进给速度波动较小。

3)上种装置构造简单，结构优化合理。在试验过程中，先前优化的种盒推块入轨角度对上种装置性能提升明显，卡滞率仅为1.1%。但试验过程中发现，每完成10个种盒的上种后，累积的进给偏移的变异系数偏高，需要进一步优化传感器灵敏性，提高机具的动作精度。

参考文献：

[1]尚书旗,杨然兵,殷元元,等.国际田间试验机械的发展现状及展望[J].农业工程学报,2010,26(1):5-8.

[2]连政国,王建刚,杨兆慧,等.小区播种机械化在中国的发展[J].农业工程学报,2012,28(S2):140-145.

[3]佟超.我国农业试验区播种机械的研究与发展[J]. 农业机械学报,1995,26(1):125-126.

[4]郭佩玉,施森宝,汪裕安.田间育种机械化与种子加工现代化[M].北京:中国农业大学出版社,1998: 12-30.

[5]刘曙光,尚书旗,杨然兵,等.小区播种机存种装置参数试验及优化[J].农业工程学报,2010,26(9): 101-108.

[6]徐迪娟,李问盈,王庆杰.2BML-2(Z)型玉米垄作免耕播种机的研制[J].中国农业大学学报,2006, 11(3):75-78.

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[8]王超铁,吴建新.电脑控制小区育种播种机的研制[J].农机与食品机械，1997(1):14,17.

[9]孙庆卫，王延耀，王东伟，等. 田间育种播种机精密排种器的试验[J]. 农业工程学报，2012，28(S2)：59-64.

Design and Experiment of Magazine-fed Seed-distributing Device for Row-seeding Spaced Planter

Yang Wei1, Li Jiandong1, Zhang Xiang2, Yang Ranbing2, He Zhifei1, Zhang Dongxu1

(1.MENOBLE Co.，Ltd, Beijing 100083, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：In order to solve the problems of considerable manual-labor consumption and low efficiency, a magazine-fed seed-distributing device for row-seeding spaced planter has been designed, which is composed of continuous current dynamo, approach switch, seed-box guider, seed guider, seed-box flashboard, seed-box group, pushing block, frame, guard board, sprocket drive mechanism and lock mechanism. The structure and operating principle are explained. The analysis and comparison of mechanics for the working process of pushing block have been done. Various detection schemes of electronic sensors are studied. The workflow of electrical control is designed. By means of the reliability tests, the qualification rates of the indicators have reached over 93% of which the qualification rate of seed-distributing has reached 98.6%. The continuous operational reliability of this device accords with the requirements of the spaced breeding precision.

Key words：row-seeding; seed-distributing device; magazine-fed; automatic control

文章编号：1003-188X(2016)02-0072-05

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：杨薇(1984-)，女，天津人，工程师，硕士，(E-mail)yangw@maen.com.cn。

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201203028.1)

收稿日期：2014-12-24