郑广隶,於海明,何瑞银,张大成
(南京农业大学,江苏 南京 210095)
播种机是最重要农机具之一,近年来,各种型号的播种机层出不穷,人们在追求播种工作的稳定性的同时,越来越重视播种的精确性,因此有必要对播种装置及其配套装置进行研究,以提高播种的质量,实现降低损失、稳产、增产。本文设计的播种功能部分由播种装置、仿形限深装置、种肥箱、排种电控系统、漏播监测报警系统组成,并利用台架试验对关键部件的作业性能进行了优化与验证;在此基础上研制了一台适配于旋耕播种开沟复式作业机的播种装置。
结合国内外现有旋播复式作业机结构与功能现状,确定所设计的播种装置所属整机的整体结构如图1 所示。
设计作业机采用三点式挂接方式,一次性下地完成旋耕、开沟、施肥、播种、覆土、镇压作业。旋耕开沟动力采用侧边传动,旋耕部分紧跟施肥管之后,肥料落地之后直接将其旋耕带入土壤,旋耕刀轴中间加装开沟刀盘开出排水沟。排种轴与电机相连,驱动排种轴(也可单独驱动排肥轴),播种采用圆盘开沟器开出种沟,开沟器后连接镇压轮。
设计了一种螺旋槽式小麦排种器,主要包括外壳、金属垫片、调节手轮、弹簧、排种轮、主轴、毛刷、毛刷支座、挡种块等,具体结构如图2所示。
排种轮上间隔均布排种槽,在播量调节装置与排种轮间安装弹簧。播种时,播量调整手轮将排种轮工作长度调至对应区间,实现播量调节。排种时,种子在重力和种子间摩擦力作用下进入排种轮槽完成充种,电机根据档位速度驱动排种轴带动排种轮转动,使槽内种子随排种轮转动至清种区,毛刷清理多余种子,轮槽内种子转至正下方时落入投种装置(排种槽或排种管)完成播种作业。
为消除仿形所产生的入土角变化,本设计采用圆盘式开沟器,并设计较长的拉杆长度。根据整机尺寸,在尽量节省安装空间、保证行距的前提下,设计拉杆长度分别为40和60cm。
拉杆上的弹簧是将仿形装置压紧,当地面土壤升高时,弹簧被压缩,开沟器相对于机架上升,当地面凹陷时,播种单体受重力作用下降,弹簧拉长,减小开沟器下陷量,以此保证所开种沟深度一致。调节弹簧下端开口销位置可调节弹簧长度,进而调节弹簧对地压力。查阅弹簧设计手册,选用材料碳素I类C级别弹簧,直径8mm,外径35mm,总圈数20,自由长度480mm,工作长度250mm。
圆盘式开沟器目前使用较多的有双圆盘和单圆盘两种形式。单圆盘开沟器重量较轻,入土能力强,但播幅较窄,开沟时土壤沿凹面易抛起形成上下干湿土层搅混,天气干燥时播种对种子吸收水分不利。单圆盘开沟器较适用于墒情较好的地区。本文选用双圆盘开沟器作为开沟装置。
双圆盘开沟器主要工作参数有:圆盘直径,圆盘夹角、聚点位置m、开沟宽度,根据对播种环节的农艺要求,对上述工作参数进行确定。
圆盘直径:圆盘直径通常范围是300~380mm。圆盘的直径过小,容易反生转动卡盘和壅土,增加工作阻力,工作质量变差。圆盘直径过大,会加重整机重量,且增加开沟器的牵引阻力,无法保证种沟质量。在开沟器作业前,土地经过犁翻或旋耕,土壤阻力较小,综合考虑后采用双圆盘直径为300mm。
圆盘夹角:圆盘夹角小,种沟宽度较小,相应降低工作阻力,投种越精确。但是如果夹角过小,会导致双圆盘之间的空间不足,排种管易被挤压变形,导致种子在种管内的运动轨迹发生偏移,使投种不精准。若夹角过大,则工作阻力变大,土壤扰动量大,开沟后土壤不容易回落,不利于护种保墒。常用的夹角为10°~15°。根据牵引阻力等因素后确定选用15°。
聚点位置m:聚点m是双圆盘开沟器两圆盘的交点。聚点位置用β表示,m点越高β越大,沟宽越大,沟底中部凸起越高。m点越低β角度越小,土壤可能从聚点上面进入双圆盘之间,导致圆盘夹土和堵塞,轴承磨损加速。m点位置一般取在地面稍上方,离地高度等于最大开沟深度为宜,一般β=55°—75°,依据小麦播深为2~4cm,因此确定m点位置为离地4cm处,此时β约为75°。
开沟深度根据以上公式并带入公式计算,可得开沟深度22.02mm,取整后取22mm。
为提高工作效率,节省加种加肥时间,装满一箱种子或肥料所能播种或施肥的距离最少应等于一个往返行程,即地块长度的两倍,就普通农户地块而言,地块长度约为50m,机具工作幅宽为2.3m,种子或肥料的单位容积取分别为0.8、1,播种量为30kg/亩,播肥量为65kg/亩。可得种箱容量和肥箱容量分别是15.52m3和26.90m3。因小麦基肥尿素与磷酸二铵比例为1:1,因此,两肥箱容量相同,为节省空间,将两肥箱设计为一体,中间使用隔板隔开,使二者体积相同。
为了解决播种机排种排肥同步性的问题,设计了基于PID控制算法的播量控制系统。该系统可以在线无极调节排种量,实现排种转速的闭环控制,达到同步播种目的,提高播量控制精度。
播种作业时,通过电位器设定目标播量,在测速轮上安装编码器,采集实时机具车速及排种轴转速,计算出排种轴目标转速;同时安装在排种轴上的编码器实时检测排种转速;决策系统输入量为将目标播量、机具车速、排种转速,得到当前排种器的转速控制量,然后通过PID调速算法使控制器输出相应PWM波,再经过放大调理后,驱动排种电机在线调节排种转速,实现同步排种作业。
当实际播种量与理论播种量不相符将会直接影响播种质量,进而影响土地产出率,采用光电法获取种子下落的电脉冲信号,滤波整形后由单片机处理,对漏播情况进行监测。监测装置的安装位置将会影响其工作性能,如果位置安装靠近排种器,则下方排种管堵塞时很难及时检测到,为提高系统工作性能,在实际生产中,本系统监测装置被安装在紧靠开沟器上方处。
正常工作时,红外光穿过凸透镜后平行照射至接收端。当种子经过监测装置完全遮挡1个或多个红外接收二极管时,接收端会产生电平变化,并将该电平信号传输给单片机,单片机根据该电平信号统计种子下落时间间隔,结合增量式编码器所测机具前进速度得出实际株距,并与设定的理论株距相比较,分析得出漏播率、重播率、播种量信息。
控制面板上的按键模块可以对理论株距、测速轮直径、滑移率、传动比、测速周期和报警系数的范围进行设置。液晶模块可以显示单行播量、总播种量、播种机行进速度,LED报警模块与播种通道对应,若某一行或多行出现漏播或重播现象,则对应的LED会闪烁报警,并发出语音报警。
试验按照GB/T 9478-2005《谷物条播机 试验方法》进行设计和指标测定,试验表明,各行排种量一致性系数为3.4%,总排种量稳定性变异系数为0.86%,分别小于国标要求的3.9%和1.3%,符合复合作业机作业要求。