烟草精量穴盘播种机的设计与试验

宋东方,姬 虹,,李保谦,张秀丽

(1.河南职业技术学院 汽车工程学院,郑州 450046;2.河南农业大学 机电工程学院,郑州 450002)

0 引言

烟草穴盘精密播种是烟草工厂化穴盘育苗技术的一项关键技术环节,是现代设施农业的重要手段[1],因其具有效率较高、节约空间、投资较少、有助于烟草幼苗的成活及高产稳产等优点得到了技术的推广[2]。近年来,大量科研人员投入到烟草穴盘播种机研究中,针对烟草穴盘播种机出现的问题,研发出了多种烟草穴盘播种机。针对在播种时出现的空穴、多粒现象,楚宜民、张传斌等人设计了不同形式的排种器[3-7],试验证明:所设计的烟草穴盘播种机空穴率和多籽率较低,一定程度上解决了这类问题。针对装基、覆土工序过程中存在的装不满、装不实等问题,姬少龙、王龙飞等人设计了与之对应的覆土装置[8-11]。在自动化程度上,吉武俊等人做了较为深入的研究,设计了全自动化烟草穴盘播种机,通过设计PLC来控制播种电机的转速[12-15]。上述各个机型的设计和提出在一定程度上解决了各类问题,但还需要进一步改进。

为此,在前人的基础上,设计了一种适合我国烟草工厂化穴盘播种的智能装盘精量播种机。该播种机综合考虑了烟草播种过程中出现的基质装不满、压不实、播种合格率低、淋水覆土不均匀及控制不精确等问题,通过加入光电传感器、编码器得到准确信号,利用PID控制器控制播种电机与皮带传送电机的转速对应关系,以达到播种均匀、破损空穴率较小、可控性高的目的。

1 基本结构及工作原理

1.1 设计原理

穴盘播种机由机架、基质填充装置、压穴装置、控制系统装置、播种装置及喷淋裂解装置组成,如图1所示。穴盘播种机每一个作业装置均是模块化设计,便于拆卸维修。在机架中内置有传送皮带,皮带由电机带动转动,推动烟草穴盘向前移动直至完成整个播种过程。烟草穴盘播种机中装基、播种、覆土装置都配有电机,播种装置为由单片机控制的步进电机,机架、装基覆土装置则为普通单向异步电机。为了方便穴盘播种机的移动,机架上装有万向轮和定向轮组合,可根据播种地点的不同移动播种机。

1.机架 2.装基 3.压穴 4.电控箱 5.播种 6.裂解 7.覆土图1 整机结构图Fig.1 Diagram of the whole structure

1.2 工作原理及结构参数

播种机工作时,启动机架上单向异步电机,机器开始运转。当把穴盘放在传送带时,光电传感器接收信号,单片机作用,播种、装基及覆土装置电机开始运转;装基电机和机架传送电机转速设置成一定的比例后运转,保证了基质填充的效果;基质填充之后,通过压穴装置对穴盘中的基质进行压实,使穴盘达到播种状态;随着皮带的转动,穴盘进入播种装置,单片机通过机架编码器信号得到穴盘运动速度输入信号,以此为基础控制播种步进电机转速,对穴盘进行精量播种;播种后,进行后续的淋水和覆土作业,保证了烟草种子的成活率;最后,穴盘在输送带的驱动下进入苗池中,完成整个播种过程。

穴盘播种机的主要技术参数如下:

整机尺寸(长宽高)/mm:3800×653×1130

整机质量/kg:230

电压/V:220

传动电机功率/kW:0.75

步进电机功率/kW:0.4

生产效率/盘h-1:600～800

盘播种穴尺寸/mm:20×2

2 关键部件的设计

2.1 基质填充装置的设计

基质填充装置由料斗、基质输送带及电机等元器件组成,如图2所示。其中,基质输送带由两个带凸起的转动辊撑起,在输送基质的过程中可以形成振动,使团状基质变得松散,保证了基质的均匀抛洒,较好地解决了基质装不满、装不实的问题。辊子轴距由张紧装置调节,可改变基质在传送带上的振动强度,适应了不同湿度下的烟草基质。为了防止大颗粒成团基质落下影响装基效果,设置了基质下落间隙,有效阻止了团状基质的下落,达到均匀下料的目的,提高了装基质量。

2.2 播种装置的设计

播种装置是穴盘播种机中最关键部件,其播种效果直接影响播种机的播种质量。目前,烟草穴盘播种通常存在空穴、多粒及破损等现象,为提高穴盘播种机的播种质量,设计了如图3所示的播种装置结构。

1.护种板 2.种子盒 3.毛刷辊 4.槽型播种辊图3 播种装置结构图Fig.3 Diagram of the Seeding Apparatus Structure

由于烟草包衣种子很小,因此对烟草播种机提出了更高的要求。播种机最核心的部件为播种辊,该辊设置了200个穴孔,与烟草穴盘种穴相对应,可使种子一排排地落入穴盘中。毛刷辊也是播种装置中一个重要的元件,其与槽型播种辊保持一定合理的间隙,可降低播种机的多籽率,也控制了播种机的空穴率,保证了一穴一粒的播种效果。护种板与槽型播种辊也保持相对的间隙,在播种时可避免播种装置堵塞、破损率高等问题。播种电机转速的控制为穴盘播种机精量播种的基础,通过PID控制器控制播种步进电机与皮带传送电机的转速对应关系,使穴盘播种达到理想的效果。

2.3 淋水裂解装置的设计

淋水裂解是烟草穴盘育苗的一个很重要的环节,可提高烟草种子的出芽率。淋水裂解装置主要由储水箱和淋水管组成,如图4所示。其中,淋水管下部设计了与穴盘对应个数的出水小孔,保证了每个种穴都能淋水,且水都淋在穴内。该设计不仅防止了烟草种子被水冲掉,而且节约了用水量。

1.水箱 2.淋水管图4 淋水裂解装置结构图Fig.4 Diagram of the watering device

2.4 覆基装置的设计

覆基装置由料箱和下料辊子组成,如图5所示。

1.料箱 2.下料辊图5 覆基装置结构图Fig.5 Diagram of the Covering device

裂解后覆基的厚度会影响烟草种子的出芽率。1～3mm厚的覆土基质为最好,故下料辊采用槽型结构。这种结构可使基质成排落下,有设定的深度,不至于使穴盘下落过多。下料辊转速由机架电机通过固定传动比的链传动装置提供,保证了下料辊转速的精确性及烟草种子的出芽率。

3 控制系统的设计

穴盘播种机采用了以STM32控制器为核心的控制系统[16],通过加入E18-D80NK漫反射式红外光电传感器和E6B2-CWZ6C-2000P编码器得到准确信号,通过PID控制器控制播种电机与皮带传送电机的转速对应关系。控制系统主程序流程图如图6所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

工作时,传送带开始运转,将穴盘放入播种机架上,此时光电传感器感应到穴盘信号,基质填充装置和播种装置电机开始运转。传送带电机转速和播种步进电机转速由编码器测得。为保正精确的播种效果,传送带电机转速与播种步进电机转速需保持稳定的关系。此时,由单片机读取传送带电机转速与播种步进电机转速值,利用PID控制器控制步进电机的转速,做到实时调整,提高了播种机的播种精度。控制结构图如图7所示。

图7 控制结构图Fig.7 Diagram of control structure

4 性能试验

4.1 PID参数整定

PID控制策略已经广泛应用在控制技术中,使控制系统具有稳态精度高、动态响应快、超调小、抗负载干扰能力强等性能,表达式为

(1)

式中e(t)—控制偏差,作为PID控制器的输入;

u(t)—PID 控制器的输出;

Kp—比例系数;

Ti—积分时间常数;

Td—微分时间常数。

在实际使用过程中,必须将控制规律进行离散化[17]才可应用。PID控制的关键在于调整参数Kp、Ki、Kd。如果比例系数Kp太小,则系统调节量不够,输出量变化缓慢,调节时间过长;比例系数Kp过大,则造成播种电机转速忽高忽低来回振荡。合适的比例系数Kp能使系统反应灵敏,减小稳态误差;合理的积分参数Ki和微分参数Kd能消除稳态误差,提高控制精度,增强系统稳定性[18]。经过反复调试,确定Kp=1.02,Ki=0.025,Kd=0.4。

4.2 播种电机转速标定试验

在600、700、800盘/h的生产效率下运转机器,通过输入不同的K值来观察播种合格率。为得到精确的数据,选取K值的间距为0.05,即K取1.30、1.35、1.40、1.45,来观察结果。其中,播种合格率通过单粒率、空穴率、破损率及多籽率来判定,其关系如图8所示。由图8可以看出:K值为1.35时,穴盘播种机播种合格率最高,播种效果最好,故设定K=1.35。

图8 不同K值对播种合格率的影响Fig.8 Effect of different K values on seeding pass rate

4.3 播种试验

在工厂试验区进行播种试验,试验现场如图9所示。试验基质为烟草常用有机基质,基质含水率在30%左右。穴盘选用常见泡沫穴盘,规格为长672mm、宽342mm、高52mm。其中,每个穴盘有200种穴,种穴尺寸为25mm×25mm。在600、700、800盘/h的生产效率下,分别统计10个穴盘播种单粒率、空穴率、破损率所占的比重和基质填充的合格率。其中,穴盘基质填充大于2/3为装基合格。

图9 试验现场图Fig.9 Field test picture

试验结果如表1所示。由表1可知:穴盘播种机播种单粒率随着生产效率的增高略有下降,但稳定在91%以上,空穴率和多籽率均在5%以下,破碎率则在2%及以下,机具各项指标均达到烟草穴盘播种机标准规定和要求。

表1 穴盘播种机试验性能结果Table 1 Experimental performance results of tobacco tray seeder

5 结论

1)穴盘播种机结构紧凑,操作简单,机动性强,可一次性完成装基、压穴、播种、裂解和覆土作业过程,且工作性能稳定可靠,生产效率较高。

2)穴盘播种机采用了以STM32控制器为核心的控制系统,通过加入光电传感器、编码器得到准确信号,通过PID控制器控制播种电机与皮带传送电机的转速对应关系,达到了精量播种的效果。

3)试验结果表明:播种单粒率在91%以上,空穴率和多籽率均在5%以下,破碎率则在2%及以下;机具各项指标均达到烟草穴盘播种机标准规定,满足农艺上对烟草穴盘精量播种的技术要求。