基于篮球投篮命中率的精量播种装置系统的设计开发

2019-05-24杜珊珊

农机化研究 2019年9期

杜珊珊

(河北大学体育教学部,河北保定 071002)

0 引言

近年来，我国农业科技的快速发展，诞生了穴盘育苗技术。与传统育苗技术相比，该技术具有幼苗生长快、产量高、可避免自然恶劣气候等优点，在各种农作物的种植中广泛应用。穴盘育苗技术采用人工作业需要非常大的劳动量和成本，故人们研究出各种机械来完成，精量播种装置就是其中一种。根据精量播种机的发展现状[1-5]，现今研究出了气吸振动式播种机、气吹式精量播种机等[6-9]。播种是农业收获的关键因素之一，且农作物播种是有时间限制的，在较短的时间内将种子播下去才能保证农作物的正常生长，大规模种植要在短时间内进行播种就需要借助机械的实现，精量播种装置[10-25]是顺应需求研究出来，可以减少种子播种时的损伤，保证播种质量。精量播种装置的性能直接影响到播种质量，也会影响种子后期的出苗和幼苗的成活率。传统的播种机械为机械式，因为本身特性，对种子的形状要求严格，且伤种率高，种槽的尺寸比较大，播种作业时投入穴盘中的种植数量不易控制，播种的精确度低，且适用种子的种类少，通用性差。本文研究的气吸滚筒式精量播种装置，通过振动让种子动起来，不至于堵塞出口，以气泵吸取种子控制中的数量，减少播种时的空穴，以滚筒带动种子并进行排种，保证了种子的出苗率。

基于篮球投篮命中率的农业精量播种装置系统的设计，通过分析投篮时的力度、角度等因素来提高投篮命中率；精量播种装置播种的过程其实也是一样的，都是将东西投进规定的框架中，前提是精量播种装置的准确度可靠，可确保种子投进穴盘，且多次投播作业存在的空穴率低，不影响播种需要。

气吸滚筒式精量播种装置的操作简单，播种效果稳定，对种子的伤害低，而且可以适应不同类型的种子形状，通用性强。

1 原理及结构

1.1 原理

基于篮球投篮命中率的农业精量播种装置系统采用气吸滚筒式，由机架、电机、输送带、覆土机构、播种机构、铺土机构，以及洒水机构等组成。其中，播种机构最为重要，气泵是气吸种子的关键设备。气吸滚筒式精量播种装置以人工喂盘，输送带输送，自动铺土、播种、覆土。工作流程为：开启电源，工作人员将穴盘置于输送带上，穴盘被输送带带动，移动到铺土装置机构的下方；铺土机构将营养土撒入穴盘中，营养土的撒播量为事先确定，在运行过程中也可采用铺土机构中的调节板进行调节，并将多余的营养土去掉；穴盘撒好营养土后继续前进，移动到前方的光电开关时，光电开关感应到并激活电磁离合器，离合器通电后，带动播种机构，将种子播入穴盘中。播种工作连续进行，播种机构采用滚筒式，滚筒上安装有气吸嘴，气吸嘴通过电磁阀门与气泵相连，已放置了种子的播种机构通过振动台让种子运动起来，种子在滚筒的带动下来到排种区，气泵工作带动气吸嘴，通过控制气泵工作状态，即气泵出现负压和正压两种状态来控制气吸嘴吸种和放种，完成播种；输送带将播好种的穴盘带至洒水机构下方洒水，再至覆土机构，覆盖表层营养土，用刮土板刮平多余营养土，由工作人员将穴盘取下来，即完成整个精量播种过程。

气吸嘴共安装了两排，每排气吸嘴的数量应与穴盘上每行的数量一样，气吸嘴的排列方式应与穴盘上的穴孔排列方式相同，并根据需要调整，以适应各种排列方式的穴盘播种。精量播种装置的控制开关采用光电开关，控制比较精确，在穴盘被输送过程中可以准确地输送至指定位置，不然定位不准会导致播种机构将种子和铺土机构将土撒播到穴盘外面，播种作业失败。需要强调的是定位误差是可累积的，前期可能播种准确，误差一点点累积到后期播种失败。

1.2 总体结构

精量播种装置的整体结构如图1所示。

1.电机 2.机架 3.输送带 4.皮带 5.铺土机构 6.晒水机构 7.播种机构 8.覆土机构图1 精量播种装置整体结构Fig.1 Precision seeding device overall structure

1.3 工作流程图

以下精量播种装置工作流程图为铺土完成后的流程，铺土由铺土机构完成，穴盘输送至播种机构后播种。播种机构的组成如图2所示。

1.覆土机构 2.营养土 3.电机 4.导种板 5.种子 6.振动器 7.反倾斜平板 8.气泵 9.滚筒 10.穴盘图2 播种覆土过程Fig.2 The arrangement of blade seats

2 关键部件设计

2.1振动台

振动台的作用是让种子处于运动状态，因为吸种时吸取的范围比较小，在排种区的种子就会出现一个种子凹槽。如凹槽过深气吸嘴在当前的气压下吸种就会出现压力，为改善这种现象，振动台按照一定规律运动使得种子运动起来自动补充了凹槽，使吸种过程顺利。

振动台采用类似扬声器原理的电磁振动，通过通电导体在磁场中，受到电磁磁场力的影响而振动。振动台由电磁线圈、衔铁、种子盘和弹簧构成，如图3所示。工作时，将缠绕在衔铁的电磁线圈通电后，产生电磁场，再由衔铁移动，在磁场磁力的作用下压缩弹簧；改变通电电流，改变磁场，弹簧在反作用力的驱使下恢复原状，衔铁重复移动，产生重复性往复运动即振动。通过控制电流可达到振动效果，衔铁的移动可以控制磁场的强弱以控制振动的幅度，振动幅度过大会将种子振出种子盘，而振幅太小则达不到期望的效果。

1.种子盘 2.弹簧 3.衔铁 4.电磁线圈图3 振动台结构Fig.3 ShakingTable structure

2.2 滚筒

滚筒结构的设计会直接影响吸种和排种的效果。滚筒装置由滚筒体、固定轮、导体架、气吸嘴及密封圈等组成。滚筒上的气吸嘴在气泵负压的状态下吸种，滚筒转动至播种区，气泵改变气压状态为正压将种子释放。

2.3 气泵装置

气泵采用旋涡气泵，在播种装置上接管，并安装控制阀门、气压表及真空表等附件，通过改变气阀使得滚筒内出现正压状态；在正压状态下，滚筒上的气吸嘴进行放种和吸种作业。气泵工作原理如图4所示。

2.4 其他装置

精量播种装置上的其他装置，如加种箱、输送带、光电开关等都会影响到播种效果。加种箱加入一定量的种子后，采用振动使得种子顺利落下，且种子的出口设计为漏斗型，使得种子可以沿加种箱的墙壁自动填满下料口，并以振动防止种子堵塞下料口。输送带的作用是将穴盘移动到播种、铺土和覆土装置的位置。输送带控制以光电开关控制，准确度高，播种精确度高。

1.阀门 2.气压表 3.播种机构 4.真空表 5.气泵图4 气泵工作原理Fig.4 Air pump working principle

3 影响因素

3.1 振动参数

在精量播种装置中，振动参数如振动幅度、振动频率都会影响种子的运动状态。当种子处于运动状态时，种子之间的接触减少，相互影响比较小，在这种状态下的种子易被气吸嘴吸取。而且，振幅和频率还会影响种子运动的稳定性，幅度或频率过大，造成种子飞溅，影响吸种效果，种子的损耗比较大，对种子造成损伤，影响种子的出苗率；而幅度或频率过小，则达不到改善吸种效果的目的，故选择合适的振动参数是保障吸种效果的关键。

3.2 滚筒转速

气吸滚筒的转速对气吸嘴的吸种效果有比较大的影响：当滚筒转速比较快时，滚筒就会拥有比较大的离心力；如果滚筒的气压不足或是种子吸取的状态不太好，容易造成种子被甩出，气吸嘴上种子被甩掉，播种会出现空穴，进而影响播种效果。

3.3 滚筒内气压

滚筒中的气压通过气泵控制，有负压和正压两种形态，正压状态是气吸嘴放种需要的，这时压力大小对放种的影响不大。负压状态是气吸嘴吸种时需要的状态，滚筒中的负压力高低不同时，气吸嘴吸附种子的吸附力也不同，负压越大，吸附力也越大，负压越小，吸附力越小。根据种植的大小和质量分别确定负压大小，即保证吸种时的吸附力足够，满足吸种需要的效果，不至于负压太大造成不必要的浪费。

3.4 吸种孔的直径和形状

在外部约束条件相同的情况下，不同吸种孔的直径和形状、吸种孔中的气流速度也是不一样，针对不同的种子，选择合适的吸种孔的直径和形状，可以达到更好的吸种效果。

4 精量播种装置的播种效果试验

本文以水稻种子为试验对象测试精量播种装置，通常水稻钵体穴盘幼苗为1～2粒水稻种子。以空穴率、重播率、合格率为性能指标，合格率即单粒率，穴盘中种子超过1粒即重播。

影响精量播种装置工作的因素很多，本文以精量播种装置的吸种孔直径、滚筒内的负压、振动频率这3个影响力比较大的因素为试验对象，以正交表处理试验数据，通过精量播种装置的播种性能试验，分析试验结果，确定播种装置性能因素的最优组合，如表1～表3所示。

表1 试验因素水平值Table 1 Test factor level value

表2 正交试验结果Table 2 Orthogonal test results

对试验数据进行方差分析，结果表明：影响精量播种装置合格率的因素顺序为滚筒的负压>吸种孔直径>振动频率，即滚筒的负压对合格率的影响最大。从方差分析结果看，滚筒的负压、吸种孔直径影响较显著，振动频率比较显著。最佳组合为A3B3C1,即吸种孔直径为1.3mm、振动频率为35r/min、滚筒负压为0.016MPa时，该精量播种装置效果最好。