槽缝式小麦气吸精密播种机的设计与研究

槽缝式小麦气吸精密播种机的设计与研究 2011年8月农机化研究第8期 槽缝式小麦气吸精密播种机的设计与研究 陈风艳,张晋国,陈凤娟 (河北农业大学机电工程学院,河北保定071O01) 摘要:我国气吸式精量播种机在大粒穴播作物领域已发展得较为成熟,而对于小粒条播作物(如小麦)气吸精 量播种机的研究却仍处于实验阶段,机具存在结构复杂,易堵塞和不适宜大田作业等问题.针对以上问题,设计 并制作了一台圆管槽缝式小麦气吸精量播种机,该播种机主要由播种机械系统和电控监测系统构成,作业稳定 性高,播种均匀性好,实现了小麦的高效精密播种. 关键词:播种机;小麦;气吸式;精量;圆管槽缝式 中图分类号:$223.2文献标识码:A文章编号:1003—188X(2011)08—0081-04 0引言 播种机械化在田间机械化中占有极其重要的地 位.目前,播种机的主要研究方向是精密播种和合理 密植.所谓精密播种,是一个复杂的,现代化的综合 技术措施,其实质是在定量,定距,定播深的条件下, 获取最高的田间出苗率和保苗率_lJ.常用的排种器 分为机械式和气力式两种:机械式排种器常见的有槽 轮式,窝眼式等;气力式排种器又分为气吸式和气吹 式J.生产中常用的气吸式排种器主要用于播种穴 播作物(如玉米)等,播种小麦的排种器多为槽轮式排 种器,结构简单,成本低,但是播种均匀性很难达到目 前农学家提出的精密播种,合理密植的农艺要求_3J. 虽然气吸式小麦精密播种机在国内外还仅处于试验 研究阶段,但是气吸式小麦排种器的排种性能远远优 于机械式小麦排种器J.为了避免孔眼式气吸排种 器在播种小粒作物时的清种和堵塞问题_5J.本文旨 在研究并设计一种不堵塞,易清种,播种均匀性好及 作业可靠性高的新型小麦气吸式精密播种机. 1槽缝式小麦气吸精密播种机的主要结构 通过对小麦种子的物理特性和气吸式播种机工作 原理的大量研究,本文设计了一台圆管槽缝式小麦气 吸精密播种机,如图1所示.该机主要是由机械和电 收稿日期:2010—10—04 基金项目:国家”十一五”粮食丰产科技工程项目(2006BADO2A08) 作者简介:陈凤艳(1983一),女,河北廊坊人,在读硕士研究生,(E— mail)ningxiaO10@126.eom. 通讯作者:张晋国(1957一),男,石家庄人,教授,博士生导师,(E— mail)zhangiinguo@hebau.edu.cn. ? 8l? 控两大系统构成的,如图2所示. 图12BXQ一12气吸式小麦播种机 Fig.12BXQ一12slot—typepneumaticwheatseeder 新型槽缝式小麦气吸精量播种机 对 行 镇 压 驱 动 轮 圆 盘 开 沟 器 电控系统 风 机 监 制 报 警 装 置 图2槽缝式小麦气吸精密播种机的组成 Fig.2Slot—typepneumaticwheatplanter 机械系统又分为播种机构和调速机构.其中,播 种机构主要包括圆管槽缝式气吸排种器,种箱,吸气 2011年8月农机化研究第8期 风机,圆盘开沟器,对行镇压轮和大架等部件;调速机 构主要采用无机调速装置调节排种器转速,最终达到 播种机播量的实时可调性.而电控系统主要是对风 机和拖拉机作业速度匹配度起到监测与报警的功用, 在播种机作业过程中,实现数字精确化控制,避免人 为操作不当带来的播种不均匀等问题. 1.1圆管槽缝式小麦气吸精密播种机机械系统 1.1.1圆管槽缝式小麦气吸精密排种器 笔者自2008年至今一直致力于小麦气吸精密播 种机排种器的研究,经过3代样机的不断实验与改 进,最终研发了技术上较为成熟,作业可靠性高的槽 缝式小麦气吸精密播种机排种器,如图3所示. 霉灞毒嚣l 1.齿轮2.气孔对接式法兰盘3.控缝垫圈 4.传动轴5.圆管槽缝式排种器壳体6.排种盒 图3槽缝式小麦气吸排种器 Fig.3Slot—typepneumaticfeedingdevice 槽缝式小麦气吸精密播种机主要由齿轮,圆管槽 缝式排种器壳体,气孔对接式法兰盘,控缝垫圈和传 动轴等组成.该排种器根据播种行数和配套动力的 大小,在作为传动轴的内管外壁套上若干个两端焊有 气孔对接式法兰盘的排种器外壳体,形成气室,每两 组外壳体中间连接处使用控缝垫圈来固定缝隙的大 小.该排种器壳体的轴向固定使用两端反扣锁紧式 壳体加固,周向固定利用键槽连接气孔对接式法兰盘 和传动轴.该排种装置的槽缝式结构是在缝隙两侧 设有深度为所播种子短径大小的梯形槽结构的固种 区域. 对于播种机而言,排种器是最核心的部件,其设 计的好坏直接影响播种机的性能.该槽缝式小麦气 吸精量播种机的排种器设计,主要根据缝隙的宽度和 槽缝的结构两大影响播种均匀性的因素进行的. 首先,根据影响排种器均匀性因素(如种子几何 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 ,所受重力和离心力,气室真空度和平均作业速 度等参变量)间不同的关系,设计了圆管槽缝式小 麦气吸排种器不同缝隙宽度对吸种量的影响实验. 本实试验选取的是三因素三水平的极差分析法,因素 水平表如表1所示. 表1因素水平表 Tab.1Testdataofeachfactor 经过大量的实验室实验,并对实验数据应用极差 分析法,得出因素的主次顺序依次为负压值,缝隙宽度 和转速.主要因素应取最好的水平,得出缝隙宽度 0.4mm为最佳值. 除此之外,缝隙的结构设计也是重中之重,它不仅 要限制吸种数量,还要保证吸种位置,从而满足单粒吸 种得要求,不容易产生重吸或漏吸等播种机排种器最 忌讳的问题.2010年,笔者设计了测定缝隙结构的实 验.实验在缝隙为0.4ram的基础上,根据小麦种子的 几何尺寸设计了(如图4所示)梯形,”u”型和”V”型槽 缝结构,并进行了实验室吸种均匀性的对照实验.3种 槽缝式和单一缝隙式小麦气吸排种器播种均匀性对照 测定实验结果表2所示. 图4梯形,”U”型和”V”型榴结构 Fig.4Trapezoid.”U”typeand”V”shapegrooves 在对槽缝式小麦气吸排种器吸种均匀性的实验数 据分析的基础上,权衡其他因素,最终确定缝隙宽度为 0.4mm的梯形槽缝结构变异系数较小,吸种均匀性较 好,播种稳定性较高,特别适用于大田作业. 椁 2011年8月农机化研究第8期 表2槽缝式小麦气吸排种器吸种均匀性结果 对照表 免费下载字号和pt对照表省市对照表下载尺码对照表下载、简繁体字对照表下载三体系对照表免费下载 Tab.2Resultofuniformitiesofslot—typepneumaticwheatfeedingdevice 试验号负压值转速实际小麦种子排量粒数/粒 /kPa/r?rrin-1--------—------—--—--—----?-———?-—-———?—--?-—--—----------------------------—— A为”U”型槽缝式;B为梯形槽缝式;C为”V”型槽缝式;D为单一 缝隙式. 1.1.2槽缝式小麦气吸播种机配套种箱及排种盒 该机采用常规种箱,体现了设计结构的通用性. 采用新颖的圆管槽缝结构的排种器,设计了与之配套 的排种盒,如图5所示. 1.挡种板2.毛刷3.排种盒壳体4.圆管槽缝式排种器壳体 图5排种盒示意图 Fig.5Machineassemblydiagram 该排种盒在空间上将排种器分为充种区,携种区 和投种区3部分.依据小麦种子的静止休止角,在充 种区设计了临界挡种板,限制充种区种子数量.在充 种区和携种区分隔处,设有限种毛刷,刷掉重吸种子, 使种子单粒排列进人携种区,实现精密播种的要求. 在充种区与投种区分隔板上固定投种片,实现清堵投 种的功能.该排种盒的结构设计恰到好处地辅佐排 种器的正常作业,同时也提高了整机的播种均匀性. ? 83? 1.1.3槽缝式小麦气吸播种机配套调速装置 槽缝式小麦气吸精密播种机的调速装置不仅能够 调节排种器运转速度,同时还起到控制播种机播量的 作用.因此,调速系统的好坏直接影响该播种机的适 用性.该机采用无级调速装置进行调速,可以根据播 种要求(如人为因素,土壤条件等)来实时调节播量, 最终达到因人而异,因地制宜的良好推广性要求. 1.2圆管槽缝式小麦气吸精密播种机主要的电控系统 槽缝式小麦气吸精量播种机在实际作业过程中 由机车带动吸气风机运转,使排种器气室内部达到要 求的真空度.由于风机的转速随机车的行进速度变 化而变化,难以保障气室内部保持在工作真空度阈值 内,因此本文设计了一种对风机转速进行监测的简易 装置.该装置以2O针脚的单片机AT89S2O51为核 心,配备接近开关,4位数码显示器,蜂鸣器及相应驱 动电路,由接近开关实时采集风机的转速,经单片机 处理,判断和显示.当转速采集值低于或高于要求转 速的限定范围时,启动鸣笛和灯闪双重报警,以提示 农机手适当调整机车速度,来实现要求的吸种真空 度.该装置有效避免了由机手对拖拉机行进速度掌 控不当引起的排种器气室真空度不达标而造成的漏 吸和重吸等问题.监测装置的实现方法是单片机启 动内部定时器和查询方式,定时为10ms.在2s内对 接近开关针脚的周期变化进行计数,转换得出相应的 风机转速.该报警系统设计流程图如图6所示. 图6监测流程图 Fig.6Themonitoringflowchart 2槽缝式小麦气吸播种机工作原理 在实际作业过程中,由拖拉机带动风机,使该圆 2011年8月农机化研究第8期 管槽缝式排种器壳体内部形成要求的吸种真空度,从 而使种子在充种区受负压吸力的作用下连续地吸附 到排种器缝隙处;在排种器的槽缝结构和排种盒毛刷 的配合下,调整所吸种子的粒数与位置,最终使所吸 种子均匀,稳固地吸附在排种器槽缝结构中.随着排 种器的转动种子从吸种区经携种区运动到投种区,由 于自身重力和投种片的共同作用,使得进入投种区的 种子投落到输种管中,从而实现种子精密播种的农艺 要求.该机排种器工作原理图如图7所示. 1.挡种板2.毛刷3.排种盒壳体4.圆管槽缝式排种器壳体 图7排种器工作原理图 Fig_7Machineassemblydiagram 该装置的最大特点是将气吸式原理应用到了小粒 条播作物的播种机上.首先,实现了对小粒条播作物 (如小麦)的精量播种;其次,又由于采用了槽缝结构 吸种和嵌入式投种片清种,不但继承了气吸式排种器 的诸多优点,而且能够在保证连续均匀投种情况下缝 隙不会堵塞,解决了气吸式排种器易堵塞的问题;最 后,该机采用无机调速装置来控制播量,增强了该机 的推广性. 3结论 1)圆管槽缝式小麦气吸精量播种机不仅继承了 气吸式播种机的诸多优点,而且由于采用了独特的设 计结构,解决了易堵塞和难清种等问题. 2)槽缝式小麦气吸精播排种器缝隙处采用了槽 结构的护种区域,并且设计了与之相匹配的排种盒, 使种子牢固地吸附在槽结构中,减少了外界环境对它 的影响,从而为均匀连续地充排种奠定了基础. 3)槽缝式小麦气吸排种器结合独特的圆管槽缝 式的结构设计,将气吸式的原理应用到了小粒条播作 物领域,这种结构在国内乃至国外都是鲜见的,从而 在该领域提出了一种新颖的设计理念. 参考文献: [1]赵百通.精密播种机自动补偿式监控系统的研制[D]. 泰安:山东农业大学,2004. 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DesignandResearchonSuctionSlot—typePrecisionWheatSeeder ChenFengyan,ZhangJinguo,ChenFengjuan (CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding071001,China) Abstract:Inchinapneumaticprecisionseederisalreadymatureinsowingofthelargegrain.Researchonpneumatic precisionseeder,suchaswheatplanter,isstillatanexperimentalstage,whichiscomplexandeasytoplug,notsuitable forcropland.Tosolvetheaboveproblem, thispaperdesignedslot—typepneumaticprecisionwheatseeder.Theseeder includesmechanicalsystemandelectricalmonitoringsystem.Thismachinehasthefollowingadvantagessuchashighsta— bility,goodseedinguniformitywhichishighefficiencyandprecisioninsowingofwheat. Keywords:seeder;wheat;pneumatic;precision;slot—style