番茄排种器工作原理及应用研究—基于计算机辅助模式

曹文胜

(贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里 556000)



番茄排种器工作原理及应用研究
—基于计算机辅助模式

曹文胜

(贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里 556000)

种植机械是农业生产过程中必备的设备，也是完成农业生产的关键，其性能直接影响农业物生长情况和产量。排种器是播种机器的核心部件，排种器性能好坏对播种质量产生重要影响。计算机辅助式排种器具有操作方便、成本低等优点，符合我国发展需求。为此，以番茄种子为研究对象，介绍了新型番茄精密排种器的工作原理及结构，对其动力学和仿真效果展开分析，并利用试验证明基于计算机辅助模式设计精密排种器的合理性，找到最佳的播种速度，从而提升播种的质量和效率。

番茄；排种器；计算机辅助模式

0 引言

随着计算机技术和科学的不断发展及渗透，计算机技术在工业自动化、产品检测等领域获得成功应用。20世纪80年代，计算机技术逐步向农业领域拓展，以自动化播种和采收为代表的果蔬处理受到研究者的重视，已有的研究结果取得了良好的应用前景。目前，我国政府把农产品加工与设备研发纳入十五大科技公共项目中，将其列为我国中长期科学和技术发展规划的优先发展主题，提升了对农产品播种机械化的重视程度和应用程度。目前，日常生产所用的番茄点播器是基于原有类型播种器机械上改进而来的设备，存在播种量不稳定、深浅难以控制及播种量大等缺陷。因此，精少量播种技术成为开展精准农业的主要内容，番茄精量排种器能够满足多个地区农业发展要求，使用这项技术能有效降低生产成本，提升番茄种植效益。本文研究了一种新型的番茄排种器，通过分析番茄种子的特性，对番茄播种器结构和工作原理展开研究，设计新型的精密式的番茄排种器，并通过试验检验设计的合理性。

1 番茄排种器结构原理

1.1 简述番茄种子的特性

番茄又称作西红柿，属于茄科植物，包含丰富的营养物质，是人们日常生活中常见的蔬菜。番茄种子为扁平短卵形，一端边缘存在一个向内凹陷的种脐，种子外表面有粗毛，其颜色为灰褐色或黄褐色。番茄种子较小，长度和宽度分别为4.0mm、3.0mm左右，厚度约为0.8mm。番茄种子寿命约为4～6年，但在农业生产上的利用年限为3年左右。

1.2 新型番茄排种器的工作原理

新设计的番茄排种器主要由动盘、轴、定盘等部分组成，如图1所示。

1.滚筒 2.接种盒 3.成穴器 4.进种口 5.夹持式取种器 6.弹簧 7.翼板 8.动盘 9.定盘 10.排种器轴 11.连接螺栓图1 新型番茄排种器结构图Fig.1 New tomato seed metering device structure

定盘被固定于轴上，动盘则绕着轴转动；排播器在外在动力影响下，绕着轴进行转动；排种器的定盘与动盘组成种子室，达到合理控制充种和清种目的。工作时，滚筒在原本铺设的地膜上滚动，种子由种子箱通过滚筒定盘进种口到达种子室；受到滚筒的影响，取种器上设计的重力块离开滚筒内壁下落夹紧到达充种室，其余种子基于重力的影响滑落或脱落。由于滚筒不断转动，取种器的重力块会回落至滚筒内壁，夹持片及之相连的重力块沿着底座长槽向下滑落；充种室受双重运动的影响，在充种室的种子也会落入接种盒内，并护送至成穴器部位。若成穴器固定嘴与地膜接触，成穴器开始进行入土开穴操作，种子因重力和离心力的作用落入穴底，完成一次播种操作。排种器日常工作过程包括取种、护种接种、投种等环节。

2 番茄排种器的三维模型

随着制造技术的快速发展，各企业之间的竞争日益加剧，传统的播种器设计和功能无法提升产品设计效率和开发周期，也不能满足现代社会协同作业的要求。因此，机械设计与制造业对计算机辅助设计的需求不断升高，Pro/E恰好满足企业需求，成为市场上应用最广、最受欢迎的软件之一。

2.1 分析Pro/E的主要功能

Pro/E是首个提出参数化设计的概念，并使用单一数据库解决特征的相关性问题。Pro/E可将设计和生产整个过程集合在一起，达到并行设计的效果。同时，其采用模块化方法，使用者可依据自身需求进行选择，无需安装所有的模块，即可完成草图绘制、制作零件、加工处理等环节，确保用户可依据自己需要选择运用。Pro/E是一种基于特征的实体化系统，设计者利用智能特性生成壳、圆角等模型，也可随意更改模型，这种功能让工程设计人员感受前所未有的简便和灵活。Pro/E并不像CAD/CAM系统那样需创建在多个数据库上，而是属于单一数据库模式。单一数据库是指工程所有的资料均来自一个库内，促使每个独立用户为某个产品造型而工作。换句话来说，在整个设计中，如果某处发生改动，其它环节的设计也会有所改变。例如，如果工程详图变动，数控工具路径也会随之更新，这种独特的结构与工程设计完美结合，促使设计的一件产品能够结合起来。

2.2 添加零件的约束条件

番茄精密式排种器主要由滚筒、定盘及动盘等组成，如图2所示。在Pro/E内建立刚体的步骤：选择Mech/pro—Set up mechnism—Rigid bodies—by select刚体定义工作。必须注意的是，如果数量较多，因创建的结构未必涵盖全部零件，采用by selection选项更加方便，可快速完成刚体定义操作。对其添加约束条件，如表1所示。

图2 排种器排种轮Fig.2 Rows device of wheel表1 Constraint Type 菜单选项说明Table 1 The Constraint Type menu options

选项说明对应ADAMS内的工具Joint定义一般运动副Motion定义运动驱动CouplerJoint定义耦合运动Pointon定义点与曲线的接触Curve定义曲线与曲线的接触Gear定义齿轮螭和运动服

2.3 Pro/E软件设计零件

虽然Pro/E软件内也有运动仿真功能，但其只能对部分简单结构进行仿真，不具备多体动力学仿真功能。为此，采用Pro/E软件的零件设计模型快速建立三维零件模型，通过拉伸、混合、抽壳等操作生成各零件实体，在设计过程中设定合适的约束条件及父子关系，便于对错误部位实施修改。例如，排种轮三维设计包括拉伸生成基本实体切除形式中心轴孔、建立基准平面等步骤，结果如图2所示。排种器中设计倾斜的凹坑，主要目的在于夹种的过程中能够牢靠夹住种子，不会由于震动导致种子脱落，有效降低空穴率。护种台主要功能是取种时进行护种，保证种子不会全部滑落。 清种平台促使多余的种子滑落，只有2～3个种子留在平台上面，确保夹种时没有过多的种子，达到精密播种的要求。

3 多功能排种试验及结果分析

3.1 设定排种试验台的参数

本次设计使用的PSD-8排种试验台主要包括机械张紧装置、变速装置、排种装置、可控硅无极变速装置等部分组成，如3所示。其中，可控硅无级变速装置能合理调整皮带速度，用来模拟机车前进速度的装置，促使排种器在一定转速下进行运转，实现模拟传动比例关系的效果。排种装置主要由排种器、传动装置、托架3部分组成。控制面板作为整个试验台的核心装置，用户利用控制面板对试验台运转进行控制，也能获取一系列实验信息。

图3 PSD-8型多功能排种试验台示意图Fig.3 The PSD - 8 multi-function metering system schematic diagram

采用排种器试验台进行实验前，先安装好排种器，安装完毕即可启动电机，促使承种皮带滑动起来并实施转速调节。利用加速装置确保皮带滑动速度满足设定要求，并启动电机待排种器转动起来后，借助机械无极变速机构进行调整，促使排种器转速与承种皮带线速度相同。该排种试验台的性能参数如表2所示。

表2 试验台基本参数

3.2 排种器正交试验

试验需要花费大量时间、物力、人力，多数人希望尽可能减少试验次数且得到较好的试验结果，因此必须对试验展开合理的安排。本次试验的目的是检测番茄排种器在不同情况下排种情况，优化番茄排种器的播种效果。所以，明确实验指标是判定播种合格率、排种速度的重要依据。明确指标后，确定影响试验指标的各项因素。综合分析，可知影响播种质量的参数包括滚筒转速、夹持片前端宽度及重力块重心至支座铰接中心之间的距离。依据所掌握的资料，对各因素进行考察，具体数据如表3所示。

表3 排种器试验影响因素调查表

3.3 试验结果

对新型番茄播种期进行9次试验，综合分析其颗粒分布情况，具体数据如表4所示。

表4 综合正交试验结果

试验结果表明：计算机辅助模式的番茄排种器每穴排种小于4粒的保持在95%以上，空穴率低于5%。播轮可靠速度和容种高度分别为2.5～3.4km/h、30～120mm。当穴播轮转速设定为3.0km/h、夹持片前端宽度为3mm时，排种器播种效果最好。这种排种器播种质量和性能优于其他机械式排种器，且能在高速度下工作。由此说明：基于计算机辅助模式的排种器能满足番茄准精量播种要求，尤其适合形状及尺寸差异不大的种子。

4 结论

针对现有番茄排种器在精密排种中的不足之处，设计了基于计算机辅助模式的排种器，提升排种器的播种质量和适应性，大大降低播种空穴率。该新型番茄排种器有效克服种子地面颠簸、种子大小不均对精密播种的影响，空穴率低于5%。试验结果表明：此排种器满足番茄精密播种要求，值得在农业生产中推广使用。

[1] 曹慧鹏.2BG-6型电子智能谷子精量播种机的创新设计[J].农业开发与装备,2014,23(11):55-56.

[2] 刘建英,刘飞,张鹏举，等.气吸式免耕播种机排种器监测系统设计[J].农机化研究,2015,37(9):143-146.

[3] 马亚朋,马振,胡斌，等.气吹供种的滚筒式排种器性能的试验研究[J].农机化研究,2016,38(12):173-178.

[4] 张顺,夏俊芳,翟建波，等.气力式水稻芽种直播精量排种器关键部件的设计与仿真[J].图学学报,2014,12(3):412-416.

[5] 纪玉杰,薛宏达,李成华，等.玉米精密排种器工作过程的离散元仿真分析[J].计算机仿真,2013,30(3):393-397.

[6] 高富强,齐鹏,邱立春,等.气吸式排种器排种性能影响因素的分析与试验研究[J].农机化研究,2016,38(9):191-196.

[7] 〗叶大明,曹成茂,丁冉，等.一器多行环槽推送式排种器的优化设计及研究[J].农机化研究,2016,38(8):36-40,45.

[8] 颜利民,陈其兵,黄春晖，等.旱作水稻铺膜播种机排种器性能优化试验[J].新疆农垦科技,2014,11(6):39-40,41.

[9] 郑仕勇,朱强,覃德泽,等.基于多信道路由控制的精量播种机优化设计[J].农机化研究,2016,38(5):138-142.

[10] 阳琼芳.气吸式播种机质量监控系统设计-基于ZigBee无线传感网络[J].农机化研究,2016,38(11):86-90.

[11] 胡建平,郭坤,周春健，等.磁吸滚筒式排种器种箱振动供种仿真与试验[J].农业机械学报,2014,45(8):61-65.

[12] 舍乐莫,杨瑞成,王彪，等.播种机漏播补种系统设计-基于 ZigBee 无线传感网络[J].农机化研究,2016,38(10):203-207.

Working Principle and Application of the Tomato Seed Research—Based on Computer Aided Pattern

Cao Wensheng

(Guizhou Vocational Technology College of Electronics & Information, Kaili 556000, China)

Planting machine is the necessary equipment in the process of agricultural production, is also completed one of the key link of agricultural production, its performance directly affects agricultural growth and yield. Metering device is the core of the seeding machine components, metering device performance is an important impact on sowing quality. Computer aided type metering instruments has convenient operation, low cost advantages,can meet the demand of development in our country. Tomato seeds as the research object, is used to show a new type of tomato, the structure and working principle of precision, and the dynamic analysis and simulation results, using the test proved that based on computer aided pattern design of precision rationality, to find the best sowing speed, so as to improve the quality and efficiency of planting, this design also offers important reference for the similar research of disseminator.

tomato; seed; computer aided pattern

2016-04-29

河南省自然科学基金特别委托项目(2015GJZK1022)

曹文胜(1980-)，男，河南范县人，副教授,工程硕士，(E-mail)caowensheng0429@163.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)06-0238-04