小麦数控排种系统的设计与研究

解文峰，周 帆

（1.镇江市农机培训学校，江苏 镇江 212000；2. 镇江市立昌智能装备有限公司，江苏 镇江 212000）

0 引 言

虽然我国大田农业的种植结构和种植方式发生了翻天覆地的变化，但与发达国家相比，仍有很大差距。精密播种可以节省劳动力和成本，增加产量和提高生产效率，播种质量直接关系到经济增长的趋势。精密播种技术是农业机械技术与农艺要求的完美结合，是当今农业精密操作的发展方向。

1 有关麦种特性及排种器的前期研究

1.1 小麦排种器使用现状及分析比较

小麦排种器是影响小麦播种质量的关键部件。目前广泛使用的是直径为55 mm 的由6～8 个梯形充种槽组成的槽轮排种装置，它具有结构简单、成本低等优点。然而，它的缺点也很明显，即在槽轮转动中，每当充种槽口脱离挡料板时，在重力的作用下，种子在排种器底部从梯形槽中鱼贯而出，因此，它的排种方式是脉冲式的，不连续，不均匀，离现代精准农业的要求相差甚远。

因此，设计一种充种稳定可靠、类似于单次排种的排种装置是排种工作的第一步。通过对现有各种小麦排种装置优缺点的分析和比较，本设计拟采用大直径承插孔排种轮方案。

1.2 小麦种子的形状特性分析

单粒种子的几何参数和形态特征将直接影响到种子从种箱底部进入窝眼型孔的过程和种子在型孔中的分布状态，也是影响排种器充种、清种性能的主要因素，同时，还是窝眼型孔排种轮参数确定的主要依据。对宁麦13 号麦种（千粒重为42 g）随机抽样50 粒，测量麦种长（l）、宽（b）、高（h）如图1 所示。

图1 小麦种子几何尺寸统计曲线

试验结果：麦种平均长度l=6.51 mm, 平均宽度b=3.74 mm, 平均厚度h=3.37 mm。

1.3 排种器中麦种的力学分析

小麦种子属于典型的椭球状种，其在窝眼型孔内分布状态有卧式、竖立式2 种，经试验测得，麦种卧式、竖立式的概率分别是79%和21%，因此，小麦种子的力学分析应以卧式状态来研究。麦种从种箱流出到充种的过程，其受力情况是比较复杂的，归纳起来有重力、摩擦力、角速度产生的离心力、种子间相互的作用力、种子受到型孔的切线方向的支撑力等，并且不同层面的种子受力都不一样。

种子在排种器里的受力情况如图2 所示，与窝眼型孔轮接触的第一层种子，在重力G、摩擦力f1、离心力F 等的作用下，向型孔轮转动方向作周向运动，同时也伴随有种子自身的翻转运动。理论计算得知，种子重心移动速度V1=1/2 ω(型孔轮圆周速度);而第二层种子移动速度V2=0.001 2 ω，第三层种子移动速度几乎为零。由此可见，充种层种子高度不能高，否则会影响第一层种子的运动规律，从而影响充种效果。

图2 种子在排种器里的受力情况

充种时种子的受力情况如图3 所示，只有当种子受到型孔的切线方向的支撑力N 与种子重力G的合力，大于离心力F 时，种子才能充入型孔。由理论计算出的充种角α=0～20°，试验证明α=20°时为合理的充种角。

图3 充种时种子的受力情况

2 小麦数控排种系统的设计

本设计所指的小麦数控排种系统，由精确排种器、伺服电机、车速信号传感器、CPU 中央处理器及电控系统构成。

2.1 小麦精确排种器的设计

2.1.1 窝眼型孔尺寸和排列

根据上述分析研究可知，宁麦13 号麦种（千粒重为42 g）的平均长度l=6.51 mm, 平均宽度b=3.74 mm，平均厚度h=3.37 mm。单粒精播时，窝眼轮型孔直径L 和型孔深度H 必须根据种子的最大尺寸Z 而定，其经验公式为：L=1.1Z，H=0.9Z。

根据上述设计依据并最大限度满足充种的要求，确定播种小麦种子的窝眼型孔入口直径为7.5 mm(含前倒角尺寸为8.5 mm)，型孔深度为3.5 mm，形状为椭球形。

为了增加种子的充种机会以及种子排出时错落有序，排种轮周向宜按35 排窝眼型孔设计，且为螺旋状排列布置。

2.1.2 窝眼型孔排种轮的尺寸确定

窝眼轮排种器的直径不宜太小，因为窝眼轮直径越小，其曲率越大，充种路程短，不利于种子充入型孔，容易造成漏播。此外，窝眼轮直径小，窝眼轮上的型孔数就少，在同样的粒距和作业速度下，小直径的窝眼轮必须转得快，则型孔通过种子区的时间就短，不利于充种易造成漏播。因此，窝眼轮直径适当大些为好，因为直径大的窝眼轮可增加充种路程，并可降低投种高度，有利于提高播种的均匀性。但直径过大，又会造成排种器结构庞大和离心力增加。根据试验，窝眼型孔排种轮的直径在100～120 mm、厚度在40～50 mm 比较适宜。

2.1.3 清种刷安装位置的确定

清种刷的作用是去除窝眼轮上没有进入型孔的种子，它是能否实现单粒或近似于单粒精播的关键之一，其重要性比肩充种的可靠性。清种刷安装位置选择直接影响清种效果，安装位置不当会产生：窝眼轮上的种子没有清干净而导致重播，会将充入窝眼型孔里的种子刮出而导致漏播现象。经过试验与力学推算，本设计清种刷安装于距充种口50°处，且清种刷的下端不超过窝眼轮垂直中心线，安装角度与窝眼轮垂直中心线成20°。

2.2 小麦精确排种器的动力设计

单粒或近似于单粒的排种器仅仅是精播条件之一，排种量（即排种器的转速）的准确性是能否实现精播的关键。目前，小麦播种机排种器的旋转动力源，主要有拖拉机传动、地轮传动、调速电机传动。当拖拉机（或地轮）打滑时，排种器的转速就不是按照拖拉机行走的线速度在排种；调速电机的传动方式无法使电机的转速（即排种器的转速）时刻与拖拉机行走的线速度匹配，排种量自然也无法准确。因此，本设计采用可控的、瞬时可调的伺服电机，以满足种子实际排量与人们预先设定的需要亩播量相符。

2.3 小麦数控排种系统的智能化设计

本设计所指小麦数控排种系统，是指由精确排种器、伺服电机、车速信号传感器、CPU 中央处理器及电控系统构成，如图4 所示。

图4 表明，当系统接通车载12 V 电源、种子箱加入种子、触摸屏上输入需要的亩播量后，该系统运行前的准备工作便完成；当挂接车辆开始行走时，行走速度传感器将采集到的车辆行走速度信号，即时传送至CPU 处理，处理结果通过电控系统向伺服电机发出工作指令，伺服电机带动精确排种器转动，种子箱内种子将按照输入的亩播量，被精确排种器有序排出。当挂接车辆行走速度快慢变化时，行走速度传感器即时获得速度的变化信号，经CPU 处理后发送新的工作指令，使伺服电机的转速随之及时变化，相应地排出种子量的大小也变；但不变的是精确排种器排出的种子总量，与触摸屏上输入需要的亩播量相符。

图4 数字式排种系统示意图

3 结 论

（1）本设计中，除参阅一些理论文献外，建立了一个试验台架。试验台架主要由直径为110 mm 的窝眼型孔轮式排种器、电机及PLC 控制系统组成。通过台架试验获得数据，在此基础上进行分析研究，为本次设计提供实际参数。

（2）实践证明，本设计并研制的小麦数控排种系统，采用20°充种角设计、合理的清种刷安装位置、直径110 mm 螺旋状多排布置的窝眼型孔轮式排种器，能实现单粒或近似于单粒排种，排种器转速为3 545 r/min 时，其精确播种效果最好。

（3）实践证明，本设计并研制的小麦数控排种系统，采用伺服电机、车速信号传感器、CPU 及电控系统的机电一体化设计方案是可行的，其控制精度达到精确播种需求，稳定可靠性能满足田间作业环境要求。

（4）本设计并研制的小麦数控排种系统，制造成本较传统小麦播种机的排种系统要高，但在可靠性和精确性方面远高于同档次系统，利于参与市场竞争。

（5）由于条件的限制，本设计研制的小麦数控排种系统尚有一些不足，有待今后进一步改进。