电控窝眼轮式大豆排种器的设计与试验

安 雪,余泳昌,付广超，王 胜,杨 晨,段红艳

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002； 2.鹤壁天海电子信息系统有限公司，河南 鹤壁 458030)

电控窝眼轮式大豆排种器的设计与试验

安 雪1,余泳昌1,付广超2，王 胜1,杨 晨1,段红艳1

(1.河南农业大学机电工程学院，河南 郑州 450002； 2.鹤壁天海电子信息系统有限公司，河南 鹤壁 458030)

针对大豆形状的特点，采用单片机、脉冲发生器、步进电机、步进电机驱动器和窝眼轮式排种器组成的电控窝眼轮式大豆排种器。该播种器采用独立电控排种设计，利用脉冲当量来控制排种轴转速，从而实现育种过程中的单粒精密播种。在排种器试验台上进行的性能试验结果表明，该电控窝眼轮式大豆排种器可顺利完成播种试验，试验过程中工作稳定，性能良好，漏播指数最大为0.11%，重播指数最大为1.24%，株距变异系数最大为3.22%，各项性能指标均符合单粒精播试验的标准要求。该装置用于田间试验的结果表明，过程中排种器工作稳定，安全可靠，漏播指数最大为0.22%，重播指数最大为1.35%，株距变异系数最大为5.47%，符合单粒精播的要求。

大豆；排种器；电控排种

随着中国对大豆的需求不断增加，中国成为世界上大豆进口量最大的国家。因此，培育和推广优良大豆品种,发展良种的增产潜力就成为大豆增产的基本途径和重要手段[1]。长期以来,国内多采用传统的人力手工播种,劳动繁重、播种效率低下，相比之下小区播种机的可以改善播种质量的不均衡、人工作业效率低的问题[2]。而排种器又是小区播种机的关键部件，直接影响育种的质量。赵佳乐等[3]研究了大豆气吸式排种器的排种性能；贾洪雷等[4]研究了双凹面摇杆式排种器，通过试验分析得到排种器最佳倾斜角与排种轴最佳转速。但这些研究中的排种器均为传统排种器，播种均匀性较差，不能达到精密播种的要求。因此，作者设计了一种适合播种大豆的电控窝眼轮式排种器，为提高大豆育种工作效率，提高播种技术指标提供依据。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

如图1所示，电控窝眼轮式大豆排种器由壳体、排种轴、清种毛刷、护种板、齿轮等组成。排种轴与电机在联轴器作用下链接在一起，护种板与清种毛刷安装在排种器外壳上，排种器外壳作为支架通过螺栓直接固定在排种器试验台架上。电控窝眼轮式大豆排种器的动力由控制电机供给，电机通过联轴器和啮合轴与排种轴连接，脉冲发生器控制电机转速，进而决定排种轴转速。转动排种轴外侧齿轮课调节窝眼的大小，进而适应不同粒径的大豆进行播种。

1. 清种毛刷；2.护种板；3.壳体；4.窝眼轮；5.排种轴；6.齿轮。1.Cleaning brush；2.Seed guard；3.Shell；4.Socket-roller precision；5.Seed metering shaft；6.Gear.

1.2 工作原理

如图2所示，电源转换器把220 V电压转换为24 V，通过脉冲发生器给定脉冲当量，由单片机处理汇编指令后将脉冲信号作用于驱动器带动步进电机转动，电机输出轴与排种器轴连接，从而达到控制排种轴转速的目的[5]。充种室内的种子靠自重充填进入旋转窝眼轮内，当经过反向旋转的清种轮时，多余的种子被排除掉，然后随窝眼轮旋转进入护种区，至下方卸种位置时，靠推种片使种子离开型孔落入种沟。

图2 电控窝眼轮式大豆排种器的原理Fig.2 The principle of electronic socket-roller soybean seeding device

2 关键部件设计

2.1 窝眼轮设计

窝眼轮是排种器常用部件，其结构如图3所示。窝眼轮部分采用2个空腔将12个窝眼均匀分布在墙壁圆周组成单排窝眼，2个半腔在弹簧作用下通过卡销和齿轮固定在一起，窝眼轮密接在种箱下部[6]。通过调节限位销的相对位置，从而改变型孔容积达到适应不同品种不同粒径的大豆。在实际工作时，种子靠自重充填在窝眼内随窝眼轮一起转动，经过轻种毛刷时，窝眼内多余的种子被刮去，留在孔内的种子由护种板遮盖；当转到下方出口时，种子靠自重落入种沟内。由于目前受大豆品种制约，在实际排种过程中种皮容易受到型孔的剐蹭挤压受到损伤，造成出芽率的降低， 从而影响播种质量，所以，该窝眼轮在设计时，将型孔圆周进行了倒圆角设计，降低大豆种皮破碎，提高种子发芽率。

1.上排种盘；2.限位销；3.下排种盘； 4.弹簧；5.传动轴。1.Top stock; 2.Spacing pin; 3.Bottom plate; 4.Mechanical spring; 5.Transmission shaft.

2.2 电器元件选型

2.2.1 直流步进电机 针对播种机实际工作时不能够提供交流电，因此电控窝眼轮式大豆排种器采用的是57法兰、扭矩2.4 N·m的直流步进电机，其额定转速为600 r·min-1[7]。由于该窝眼轮式排种器应用于小区播种机上，实际状态为低速工作，因此对该电机加装调速器，使得该排种器可在不同转速下均可进行精密播种。

2.2.2 步进电机驱动器 步进电机能够实现良好的定位功能，配有相应的驱动器。通过脉冲发生器可方便地控制步进电机驱动器，实现步进电机转速的调节[8]。步进电机的转速与脉冲发生器的频率成正比，控制步进电机脉冲信号的频率，可以对电机精确调速；控制脉冲的个数，可以对电机精确定位。本研究使用DM542型细分型两相混合式步进电机驱动器，主要是对步进电机的电流进行细分，初始电流1.0 A，最高电流4.0 A，分为15个档位，扭矩2.4 N·m，步距角1.80°·步-1。由于该步进电机需要装在播种机上，播种机需要大的输出转矩，所以选择电流4.0 A。

2.3 株距精密控制原理

本试验选取的步进电机步进角是步距角1.80°·步-1，16细分。即转1圈需要3 200脉冲当量。由于排种器各型孔形状一致且均匀分布于窝眼轮圆周，所以相邻两型孔之间弧长和线速度均相等，又排种器轴与步进电机轴直接连接，没有2级减速传动，故排种器转速与步进电机转速一致，播种机行走时间与排种器播种时间一致，故播种机在匀速行驶时可以保证株距均匀。

3 排种器的性能试验

3.1 试验方法

以STB-700试验台为基础，电控窝眼轮式大豆排种器搭建在该试验台上，把STB-700试验台模拟为种床，利用传送带速度模拟播种机在田间作业实际的行走速度，以徐豆20为试验对象，选取传送带速度、排种高度和电控装置所发出的脉冲当量为影响因素。考虑到播种机在实际作业速度过高会使排种器的排种轮转速过高，不仅凹槽内充种率降低，增加种子破碎率，且速度过高会造成开沟器将土抛得过远，影响回土，最终影响播种质量的实际情况。因此，选取传送带速度为0.45、0.60、0.75 m·s-13个水平；由于该试验在排种器试验台上完成，受到台架局限性影响，所以排种高度选取100、130 、160 mm 3个水平；为检验排种器不同转速下的试验效果，本试验选取1 600、2 400、3 200脉冲，在此条件下改变脉冲当量进行试验。根据GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》要求，对重播指数(D)、漏播指数(M)和株距变异系数(C)3项性能指标进行统计[9-11]。

3.2 试验结果与分析

试验结果如表1所示。从表1可以看出，落种高度对试验结果影响不大，脉冲当量和传送带速度相同时的重播指数、漏播指数和距变异系数保持在同一水平。由于试验在试验台上进行，没有种子在导种管内碰撞和回土的影响，且试验台上涂有油层，整个试验过程中不存在种子发生跳动，所以高度对排种器的排种性能几乎不存在影响。

3.2.1 不同影响因素对漏播指数的影响 由表1可以看出，漏播指数最大为0.11 %。漏播指数主要由排种器本身结构决定受传送带速度的影响不大，由电控窝眼轮式大豆排种器工作原理可知，排种轴转速是由步进电机所接收到的脉冲当量间接控制，且传送带上涂有油层，试验过程中不存在回土现象影响播种质量，所以传送带速度对试验中漏播指标影响较小，脉冲当量的影响占主要因素。当脉冲当量较小时，排种轴转速较低，排种器充种效果好，型孔随窝眼轮转动过程中便于取种，随着脉冲当量增加，排种轴转速增大，型孔取种效果开始降低，漏播的现象开始出现。

3.2.2 不同影响因素对重播指数的影响 由表1可以看出，重播指数最大为1.24 %。随着传送带速度的增大，种子的重播指数开始增加，而同一速度下随着脉冲当量的增大，其重播指数逐渐减小。重播现象也主要由排种器型孔以及充种装置结构有关，受传送带速度的影响不大，由电控窝眼轮式大豆排种器工作原理可知，排种轴转速是由步进电机所接收到的脉冲当量间接控制，且传送带上涂有油层，试验过程中不存在回土现象影响播种质量，所以传送带速度对试验中重播和漏播两项指标影响较小，脉冲当量的影响占主要因素。当脉冲当量较小时，排种轴转速较低，排种器充种效果好，型孔随窝眼轮转动过程中便于取种，随着脉冲当量增加，排种轴转速增大，型孔取种效果开始降低，漏播的现象开始时有发生，而脉冲增大时，排种轴转速增加，清种轮的线速度也会随之增大在型孔取种时内多余的种子受到的切向力增大，此时清种轮更容易刷去多余的种子[12-14]。所以，随着脉冲当量的增加重播指数会降低。

表1 电控窝眼轮式大豆排种器的性能指标随影响因素的变化Table 1 The performance parameters of electronic socket-roller soybean seeding device changed with influence factors

3.2.3 不同影响因素对株距变异系数的影响 株距变异系数是衡量播种均匀性的指标，株距变异系数越小播种均匀性越好，株距变异系数变化情况相对复杂。实际播种作业中，株距由排种轴转速和播种机作业速度二者共同决定，因此脉冲当量和传送带速度对株距变异系数均有影响。由表1可以看出，株距变异系数最大为3.22%。随着脉冲当量的增大株距变异系数会增加，这是由于脉冲当量增大后排种器运行的不稳定性增加，台架的震动会导致播种均匀性降低，排种器自身产生的震动也会对播种均匀性造成影响，所以株距变异系数会随着脉冲当量的增大而增加。从表1还可以看出，随着传送带速度的增加，株距变异系数会随之增大，这是由于传送带速度增大后，种子落于油层的跳动会加大，传送带速度的改变也会造成株距不一，所以播种均匀性会受到影响，株距变异系数也会增大，除此之外，传送带速度增大后，传送带运行的稳定性会降低，这会对播种均匀性造成一定影响。

4 田间验证试验

试验在河南省睢县河集乡河南农业大学机电工程学院黄淮海夏大豆主产区试验基地进行。试验使用河南农业大学自主研发设计的QX3J-HAU型大豆播种机，以徐豆20为试验对象，选取与室内试验因素水平相同播种机作业速度、排种高度和电控装置所发出的脉冲当量为影响因素进行试验。田间验证试验播种结果按照国标GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》要求，对重播指数(D)、漏播指数(M)和株距变异系数(C)3项性能指标进行统计[9-11]，试验结果如表2～表4所示。

表2 落种高度为160 mm时排种器性能指标随脉冲当量与播种机作业速度的变化 Table 2 Changes of performance parameters with the given impulse and seeding speed when seeding height of 160 mm

表3 落种高度为130 mm时排种器性能指标随脉冲当量与播种机作业速度的变化 Table 3 Changes of performance parameters with the given impulse and seeding speed when seeding height of 130 mm

表4 落种高度为100 mm时排种器性能指标随脉冲当量与播种机作业速度的变化 Table 4 Changes of performance parameters with the given impulse and seeding speed when seeding height of 100 mm

从表2～表4可以看出，不同高度对排种器排种性能的影响较小，相同脉冲当量和播种机作业速度下，排种器的重播指数、漏播指数和株距变异系数几乎保持不变。由表2可以看出，落种高度为160 mm时，相同脉冲当量下的漏播指数和株距变异系数均随着播种机作业速度的增大而增大， 重播指数的影响受到播种机作业速度和脉冲当量的双重影响，随着传送带速度的增大，种子的重播指数开始增加，而同一速度下随着脉冲当量的增大，其重播指数逐渐减小。试验结果表明，该排种器的漏播指数最大为0.22%，重播指数最大为1.35%，株距变异系数最大为5.47%。田间试验效果基本与试验室试验结果保持一致，各项指标均符合GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》要求。说明该排种器不仅在理论上播种均匀性好，在实际生产过程中也可以达到精量播种的要求。

5 结论

1)田间试验结果表明，该排种器的漏播指数最大为0.22%，重播指数最大为1.35%，株距变异系数最大为5.47%，所有指标均符合GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》要求,该排种器可以实现精密播种。

2)在落种高度为130 mm、播种机速度为0.60 m·s-1，脉冲当量为2 400时，各项性能指标达到最优，漏播指数、重播指数和株距变异系数分别为0.03%、1.01%、2.59%。

3)通过脉冲发生器给定脉冲当量，由单片机处理后作用于驱动器带动步进电机转动，从而达到控制排种轴转速的电控窝眼轮式大豆排种器结构合理，工作稳定可靠，在实际生产过程中也能够达到精密排种的效果。

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Designandtestsofelectronicsocket-rollersoybeanseedingdevice

AN Xue1, YU Yongchang1, FU Guangchao2, WANG Sheng1, YANG Chen1, DUAN Hongyan1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China；2.Hebi Tianhai Electronic Information System Co.,Ltd.,Hebi 458030,China)

According to the shape features of soybean, a new electronic socket-roller precision seeding device was designed in this study. The device was composed of microcontrollers, pulse generator, stepper motor, stepper motor driver and other auxiliary units. By adopting an independent electronic seeding design, single precision seeding could be realized by changing pulses and the speed of seeding shaft could be controlled.The results of performance tests on the seeding experimental platform showed that the electronic socket-roller precision seeding device could be seeding successfully. The index of maximum missing sowing was 0.11%, the index of maximum of repeat sowing was 1.24% and the coefficient of variation was 3.22%. All indexes satisfied the standard of single grain precision seeding requirement. The field trial results showed that the seeding device was stable and reliable in actual working condition. The indexes of maximum missing sowing, repeat sowing, and coefficient of variation in filed trail were 0.22%, 1.35% and 5.47%, respectively. Its performance indexes engage the requirements of the single grain precision seeding.

soybean; seeding device; electronic seeding

2017-05-19

农业部公益性行业科研专项(201303011-4)

安 雪(1991-)，河南鹤壁人，硕士研究生，主要从事农业机械方面的研究。

余泳昌(1954-)，男，河南杞县人，教授，博士生导师。

1000-2340(2017)06-0828-06

S233.2

A

蒋国良)