新疆棉花小区精量播种机的设计

杨丙辉，王 伟，李天义，马雪亭，闫树军

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.塔里木河种业股份有限公司，新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

新疆绿洲农区作为全国6大产棉区之一，在全国棉花生产中占有重要地位。新疆棉花经过近50年多的发展，已与黄河、长江流域棉区成为三足鼎立的态势，为我国棉花生产恢复和发展做出了巨大的贡献[1-3]。为了进一步促进新疆棉花生产的发展，提高棉花的品质和质量，需要实施优良种子工程，加大对棉花优良品种的研究和推广。经调查，良种对发达国家农业增产的贡献率达50%左右，而在我国良种对农业增产的贡献率仅为30%左右，因此育种工作极其的重要[4]。小区育种是农作物新品种培育过程的重要环节之一，由于农作物品系多、选种量大，因此试验小区的数量多，育种试验工作量大[5-7]，再加上不少育种人员比较重视对种子的选育和繁育工作，而通常忽视对小区育种配套作业机具的需求提升，导致小区育种作业手段落后，效率低下。

目前，在新疆的棉花育种过程中主要采用如下的播种方式：①人工播种方式。主要是育种人员手持小铲子或其它类似工具进行挖穴、播种、覆土和镇压，这种方式存在劳动强度大、效率低的缺点。②借用简易点播装置方式。主要是育种技术人员为了提高效率、降低劳动强度，自己找了一些其它作物的播种装置直接借用稍加改进进行播种，效率稍高，但劳动强度也较大，尤其是现有的简易点播装置存在清种不方便的问题。③大田棉花播种机。如果进行播种面积较大的示范性小区试验，有些棉花育种机构会临时借用大田棉花播种机来替代人工播种，但存在试验小区掉头困难，清种操作不方便等缺点。

如果采用专业的机具进行育种，不仅可以减少试验误差、提高试验的准确性，而且可以缩短周期、提高作业效率。此外，随着田间用工成本逐年提高，摒弃人工育种手段，采用机械化育种、逐步实现田间试验机械化，已经成为当前的必然选择和迫切要求[8-11]。

对于新疆棉花的小区育种工作来讲，农艺要求更特殊，需要在地膜上进行点播作业，以此实现精量播种，一般每穴1～2粒种子；而国外的小区播种机和国内已经开发出来的一些播种机等均不能满足实际需求的，因此针对新疆的棉花小区播种机的研究目前还基本上是一个空白。

综上所述，对于新疆的棉花育种工作人员而言，他们希望能够解决小区育种播种过程中的无专用棉花小区播种装置、现有点播装置清种不方便、播种漏播无报警等问题，应针对这些问题开发一种专门用于棉花小区播种的作业机具。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

根据现在新疆棉花小区育种工作中遇到的实际问题，设计了一种能够适合新疆地区棉花育种模式的小区精量播种机。该机采用一膜四行的播种模式，能够实现机械化作业、地膜上点播播种、轻松清种、漏播监控报警和漏播点标记提醒等功能。

棉花小区精量播种机由排种部分、监控报警部分、滚动开穴播种部分、标识定位部分和机架等结构组成,如图1所示。

1.机架 2.光电传感器 3.排种转轴 4.储种箱 5.传动链条 6.霍尔传感器 7.报警指示灯 8.接种斗 9.输种管 10.导种管 11.开穴播种装置 12.标识定位装置

1.2 工作原理

棉花小区精量播种机工作时，动力由配套的拖拉机提供，当拖拉机牵引播种机前进时，地轮(滚动开穴播种装置)在地膜上滚动行驶和并在地膜上进行开穴作业，同时通过地轮转轴上的链条带动两侧的排种转轴转动，进而带动其上的排种轮转动来实现对储种箱中的种子进行选种(正常工作时，由于储种箱底部设置的出种口与推拉挡板上的开口正对，故可以进行正常的选排种操作；当不需要播种或需要清种操作时，调整推拉挡板使得推拉挡板封闭出种口即可)动作，每次筛选的1粒棉种随着排种转轴的转动落入储种箱下方的排种斗中。

棉种由排种斗落入滚动开穴播种装置的过程中，播种状态由可编程序控制器构成的控制系统进行监控，具体过程为：在棉种从排种装置落入输种管的过程中，光电传感器对棉种是否通过该区域的状态进行检测。如果没有检测到种子落下则报警指示灯发出黄灯报警，并同时标识定位装置对出现漏播的位置进行实时定位标识(通过推拉式电磁铁的推杆按压颜料喷涂瓶的按压嘴，从而可以在漏播位置喷涂无公害颜料作为标识)，然后继续前行进行正常播种；如果排种转轴卡死或地轮相对地面滑行偏大时，则可编程序控制器控制报警指示灯发出红灯警告，立即停止作业并排查故障。

在机器播种过程中，由于开穴播种装置(见图2)连续滚动前进，其动咀和定咀相互作用把地膜扎破并深入土壤一定深度形成一个小空穴；与此同时，经由导种管位于顶杆顶端头处的棉种依靠重力滑落到土壤的小空穴中，同时顶杆在凸轮的作用下伸出，将不能依靠重力自由落下棉种强制推顶到小空穴中，从而避免由于土块堵塞等原因而导致棉种不能完全落入小空穴中，解决了现有技术中鸭嘴堵塞而发生漏播的问题，实现单穴强制播种。完成播种工作之后，顶杆会立即复位到正常状态，动咀也跟着复位，至此一个由开穴、落种、顶种、复位动作构成的完整播种周期完成；后续动作依次重复进行，实现连续滚动开穴和单穴强制播种的功能。

1.滚柱 2.圆柱弹簧 3.顶杆 4.动咀 5.定咀 6.凸轮

1.3 基本参数

根据新疆地区棉花小区育种作业种植模式的要求，确定了棉花小区精量播种机的主要技术参数，如表1所示。

表1 棉花小区精量播种机主要参数

2 关键部件设计与选型

2.1 排种机构的设计

型孔轮式排种器具有构造简单、工作可靠，以及当工作速度小时工作质量良好等优点，同时换装磨纹式排种器还可以用作条播中耕作物，所以用途较广。对于棉花小区播种而言，对播种的准确性要求高，但对播种效率要求相对不是很高，故综合棉种的自身特性、机具使用要求和成本等因素，选择型孔轮式排种器作为棉花小区精量播种机的排种装置是比较合适的。

2.1.1 型孔的形状和尺寸确定

根据相关研究可知：棉种经过脱绒和抛光处理后其外形近似椭球体，种子两端差异较大，一端呈锥形，另一端呈半圆球状。当然不同品种种子的形状和尺寸是有所差异的，目前新疆正在使用的棉种主要有新陆早26号、新陆早42号和中棉297-5号种子等，机具以新陆早42号种子为作业对象，其长度均值为aμ=8.78mm，宽度均值为bμ=4.95mm，厚度均值为cμ=4.35mm[12]。

据此将排种器的型孔形状设计为圆弧型窝眼结构，每孔正常播种时可充种1粒，由于脱绒棉种的椭球体形状特征，故其一般情况下都是平躺的状态。小区播种的棉种通常是经过精选的，其大小一致性比较好，同时考虑充种后型孔的侧边一般需留Δ=0.5～1mm的间隙，故型孔的基本尺寸设计为：长度A=amax+0.5=13.7mm，宽度B=bmax+0.5=6.8mm，高度C=B=bmax+0.5=6.8mm。图3为排种轮及其型孔基本形状。

1.圆形型孔 2.排种轮

2.1.2 排种轮的转速确定

在充种、排种的过程中，由于棉种是椭球体结构，可以看作是扁平的种子，排种轮的线速度对型孔的充种性能影响很大，如果转动速度过高，种子可能来不及进入型孔，就会造成漏播。在播种时，棉种随排种轮以一定的速度运动，棉种靠自重落入型孔，充种过程如图4所示。

图4 充种过程示意图

对于平躺在排种盘上的扁粒种子，设其重心距小端的距离为种子长度的2/3，则在排种轮的转速与其它关联参数之间需满足如下关系式才可以保证充种过程的顺利进行，即

式中Vp—排种轮转速(m/s)；

A—排种轮上型孔的长度(mm)，A=13.7；

l—棉种实际长度(mm),此处l=aμ=8.78；

g—重力加速度(m/s2)，g=9.8；

b—棉种的平均宽度(mm)，b=4.95。

由此可以推出：Vp≤0.35 m/s 。

实际上，排种轮的转动由地轮(滚动开穴播种装置)来传动，而地轮则是由拖拉机牵引做直线运动的，所以拖拉机的前进速度也决定了排种轮线速度的大小，工作时必须对拖拉机加以严格的控制，二者之间必须要有良好的配合。

2.1.3 排种轮外径和型孔数量确定

由于排种轮转速Vp与排种盘直径D成正比，与排种盘型孔数m成反比，故增加排种盘型孔数m、减小排种盘直径D可降低排种轮转速Vp，但会使充种路程缩短，对充种不利；同时，也缩短了型孔间的间隔，间隔太小将影响每穴之间种子分离的准确性，因此采用较大直径的排种轮以增加型孔的充种路程及充种时间，有利于提高充种系数。同时，考虑一般情况下由于排种轮转速Vp受充种性能的限制不能过大，因而限制了拖拉机的前进速度作业速度Vm，则

Vp=πDVm(1+δ)/Zt

式中Vp—排种轮转速(m/s)；

π—常数，取3.14；

D—排种轮直径(mm)；

Vm—机组前进速度(km/h)；

δ—滑移系数，取0.05；

Z—排种轮上的型孔数量；

t—穴距(cm)，t=10。

经过匹配计算，可知取D=200mm，Vm=4.5km/h，Z=24时比较合理 ，Vp能够满足要求。

2.2 清种装置的设计

对于棉花小区播种机而言，方便地进行清种操作是一个最基本的要求，以保证不同品系的棉种在播完后能够及时被清理、不混种、提高播种的效率和试验准确性。因此，设计时要考虑清种方便、播种可靠，据此设计了可拆卸式清种装置，如图5所示。该装置由种箱架、储种箱和推拉挡板组成，种箱架固定在机架上，其上有3个小支耳来放置和约束储种箱，储种箱可以在支耳上沿竖直方向上自由放置；在储种箱底部和排种轮接触的部分有推拉挡板，正常播种时，推拉挡板处于打开的位置，若要进行清种时则可以将其推到关闭的位置，并拿掉种箱就可以把剩余的棉种及时清理。

2.3 漏播标识定位装置的设计选型

漏播标识定位装置是一个执行机构，目的是为了对棉花小区播种机在工作过程中的漏播点进行标识定位，为后续人工检查及补种提供方便，主要由电磁铁和颜料喷涂瓶组成。该装置工作时，由可编程序控制器在接收到漏播的信号反馈后，通过对电磁铁的控制来实现颜料喷涂瓶中颜料的喷涂操作。

1.储种箱 2.种箱架 3.支耳 4.推拉挡板

1)颜料喷涂瓶容积的设计：考虑到喷涂颜料时的实际情况，每次喷涂颜料的体积为0.25mL(约5滴水的体积)比较合适，喷出来标识面直径大约在1.5cm左右，容易识别。据文献可知：型孔轮式排种器播种过程中漏播率一般小于5%，机具行进速度为4.5km/h，再考虑棉花的株距(10cm),每天机具纯工作时间工作4h的情况下(小区播种过程中经常反复进行清种、换种、检查等工作，故机具纯工作时间相对较少)，颜料瓶的容积需求为2 250mL,实际应用时也可以带一个颜料瓶备用。

对于颜料喷涂瓶喷头部分采用按压式乳液泵方式实现颜料喷涂，按压部分的结构和要求符合BBT 0028-2014 按压泵的行业标准。由于按压式乳液泵的本质上是一个活塞式的水泵，所以在设计喷嘴时可以将其调整为直径1.5cm的圆形网状喷嘴，以便能够在需要标识的位置直接形成一个醒目的标识，方便检查和补种。

2)电磁铁的选用：根据颜料喷涂瓶的基本情况和PLC提供的24V直流电源，故电磁铁的电源电压为DC24V,按压力一般情况下20N就可以满足要求，行程则要求不高，通常情况下10mm的行程就满足要求。考虑到使用工况比较恶劣，综合所有因素，选择的电磁铁为JP1253H-01-DC24V型的工业级电磁铁。

3 控制系统的设计

3.1 控制系统构成

为了提高棉花小区精量播种机的可靠性，弥补型孔轮式排种器可能选不上种子而导致的漏播，需要在播种过程中对其播种状态进行监控，且要求对漏播点进行标识定位，方便后续的补种操作。为了提高样机开发的成功率，采用了有蓄电池、可编程序控制器、光电传感器、霍尔传感器等元件构成的控制系统。

3.2 控制逻辑过程

播种机在播种过程中其播种状态由可编程序控制器构成的控制系统进行监控，当种子从排种器落入输种管的过程中，在排种斗下方有光电传感器对棉种是否通过该区域的状态进行检测，从而确定有无漏播的异常问题，如果无异常情况则正常播种；如果没有检测到种子落下则发出声音和黄灯报警，并对出现漏播的位置进行实时定位标识，为人工检查或补种提高便利，然后继续前行正常播种；如果在播种过程中遇到排种器主轴被棉种卡死或地轮相对地面滑行偏大时，则播种监控系统会发出报警声音和红灯警告，此时应停止播种并排查故障。具体控制过程如图6所示。

图6 棉花小区精量播种机控制流程图

4 田间试验与结果

在新疆生产建设兵团第一师塔里木河种业股份有限公司技术中心的棉花试验田中开展了田间试验。试验基本条件如下：配套动力为东风354拖拉机，地膜宽度1.2m，棉种为经过筛选的新陆早42号脱绒棉种，土壤墒情适宜播种，设定播种深度为2.5cm。为了验证样机性能，分别以2.7、4.4、5.9km/h的车速进行了播种试验，由于条件所限，试验过程中仅对部分项目进行了测试。试验结果如表2所示。

由试验结果可以看出：在棉花小区播种机进行播种的过程中，播种的合格率受车速的影响较大，车速高时漏播情况严重，主要原因是充种时间缩短，充种率下降造成的；漏播报警准确率比较高，但漏播报警的时间点和漏播点的匹配情况无法测定。对于漏播点的标识定位准确率而言，实际上每个漏播点都进行了标识，只是由于个别定位点不在考查范围内，从总体上来讲机具的性能基本达到了预期的设计目标，当然后期仍需开展大量的试验，提高其可靠性和稳定性。

表2 棉花小区精量播种机试验结果

漏播报警准确率=漏播报警穴数/总的漏播穴数；漏播点标识准确率=合格的标识点/总的漏播穴数；合格标识点指以漏播点为圆心半径5cm范围的标识点。

5 结论

1)根据新疆地区棉花小区育种工作的现实需求和农艺要求，设计了一种可在地膜上点播播种、轻松清种、漏播监控报警和漏播点标记提醒等功能的棉花小区精量播种机，为育种工作者提供了一种可以提高效率、降低劳动强度的棉花育种作业新机具，同时也提供了一种新的作业手段。

2)通过对关键工作部件进行设计和选型，分析了各关键部件的主要参数对机具作业的影响，并确定了各关键部件的主要结构、参数要求和具体型号；同时，也提出了播种监控系统的控制方案，为机具样机的研制打下了基础。

3)通过田间试验，测试了在不同车速下棉花小区精量播种机的基本性能，为机具的进一步改进提供了参考。