外槽輪式播種機播量控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

梁 方，楊淦光，許 豐，趙宏偉，馬麗筠，岑光毓，馬宗睿

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070)

0 引言

外槽輪播種器具有結(jié)構(gòu)簡單、通用性好及排種量較為穩(wěn)定等優(yōu)點[1-3]，應(yīng)用范圍較廣，但也存在播量調(diào)節(jié)范圍有限、調(diào)節(jié)精度不高等問題。傳統(tǒng)的地輪傳動排種系統(tǒng)主要通過改變槽輪轉(zhuǎn)速和長度實現(xiàn)播量調(diào)節(jié)[4-6]，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)中多通過更換鏈輪改變地輪與槽輪轉(zhuǎn)速的傳動比來實現(xiàn)槽輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，安裝過程繁瑣，無法實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)[7-8]。槽輪長度調(diào)節(jié)中，理論上，轉(zhuǎn)速一定時播量與槽輪長度成正比，但實際工作中由于機組行進速度的變化，槽輪轉(zhuǎn)速并不是一個恒定值，且不同農(nóng)藝要求下槽輪轉(zhuǎn)速亦不同，造成播量控制不精確。

為實現(xiàn)播量無級調(diào)節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者采用自動控制系統(tǒng)控制槽輪轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)播量調(diào)節(jié)。S.kamger、F.Noei-khodabadi等人設(shè)計了閉環(huán)系統(tǒng)排種裝置，通過改變種子播種率計量單元自動調(diào)節(jié)播量，播量誤差結(jié)果小于1%，但該裝置成本高、調(diào)試復(fù)雜[9]。李劍鋒等擬合出了槽輪轉(zhuǎn)速與播種量的關(guān)系，確定了機器前進速度與播量的關(guān)系，并利用光電傳感器測定機器的前進速度通過模糊控制提高其控制精度[10]。胡恒東等研究了基于PLC的播量控制裝置，原理是采用轉(zhuǎn)速信號控制步進電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)排種轉(zhuǎn)速與機具行進速度同步變化[11]。金亦富、奚小波等人設(shè)計了一種電控外槽輪排種器，實現(xiàn)電控改變播量[12]。電控排種可以實現(xiàn)播量無級調(diào)節(jié)，調(diào)整方便，但當槽輪轉(zhuǎn)速大于60 r/min時播量不再隨著轉(zhuǎn)速的增加而變化，限制了播量調(diào)節(jié)范圍。為擴大電控排種的播量調(diào)節(jié)范圍，本文提出了同時控制槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度的播量調(diào)節(jié)方式，但需要播量與槽輪轉(zhuǎn)速及排種長度數(shù)學(xué)模型作為控制依據(jù)。尹美貴等人設(shè)計了新型外槽輪排種器實驗臺，針對紫花苜蓿種子選擇3個排種軸轉(zhuǎn)速(26、33、40 r/min)、3個排種軸工作長度(4、5、6 mm)進行實驗，對其播種均勻性進行測試，得出苜蓿種子的最佳播種轉(zhuǎn)速為26～33r/min，小播量時外槽輪最佳工作長度為5～6mm，但該實驗中轉(zhuǎn)速、槽輪有效工作長度樣本較少[13]。張濤等人[14]通過離散元分析了3種槽輪長度與播量的函數(shù)關(guān)系，并得出外槽輪工作長度與質(zhì)量流率的擬合方程，但未得出播量與槽輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系。此外，播量變異系數(shù)是外槽輪排種器重要性能參數(shù)，受到實際播量與播量標準差的影響，實際播量與槽輪有效工作長度及槽輪轉(zhuǎn)速有關(guān)[15]。槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度同步控制中，如何選取適宜的轉(zhuǎn)速與排種長度控制范圍并降低變異系數(shù)有待進一步研究。

本文闡述了一種外槽輪式排種器播量自動控制系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)、工作原理，通過搭建排種試驗臺，并針對豫教5號小麥種子進行實驗，研究槽輪有效工作長度、槽輪轉(zhuǎn)速對播量、播量變異系數(shù)及相對誤差的影響規(guī)律，對實驗播量數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，采用最小二乘法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，得出槽輪有效工作長度、槽輪轉(zhuǎn)速與播量、變異系數(shù)及相對誤差的函數(shù)關(guān)系，以確定合理的工作參數(shù)。

1 播量自動控制播種機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

外槽輪式播量自動控制播種機主要由三點懸掛、機架、側(cè)板、種箱、外槽輪排種器、播量控制系統(tǒng)、雙圓盤式開溝器、平行四桿機構(gòu)、限深輪及V型鎮(zhèn)壓輪等部件組成，如圖1所示。外槽輪排種器固定在種箱上，種箱固定在左右兩側(cè)板之間；開溝器、鎮(zhèn)壓輪做成一個單體，通過平行四桿機構(gòu)實現(xiàn)對地仿形，6組單體固接在機架上；雙圓盤式開溝器進行開溝，排種器實現(xiàn)排種，種子通過輸種管落入溝底，V型鎮(zhèn)壓輪實現(xiàn)覆土鎮(zhèn)壓；限深輪安裝在側(cè)板兩側(cè)，改變限深輪與側(cè)板銷連的位置，可以實現(xiàn)播種深度調(diào)節(jié)。

1.鎮(zhèn)壓輪 2.限深輪 3.左側(cè)板 4.下懸掛點 5.單體排種系統(tǒng) 6.上懸掛點 7.雙圓盤式開溝器 8.控制盒支架 9.控制盒 10.右側(cè)板 11.第1支撐梁 12.第2支撐梁 13.第3支撐梁

1.2 播量控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)的電源由拖拉機前置12V直流電源提供，采用電機控制槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度實現(xiàn)播量控制，其原理如圖2所示。兩個霍爾元件測速裝置分別測量左右兩個地輪的轉(zhuǎn)速信號，并將這一信號傳遞至單片機；單片機比較兩個轉(zhuǎn)速信號的大小，以加大的信號作為控制信號，根據(jù)這一信號輸出脈沖信號，控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速與排種長度調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電機與排種軸通過聯(lián)軸器連接，當電機轉(zhuǎn)速改變時，槽輪轉(zhuǎn)速隨之改變時。槽輪、擋輪左右兩端安裝有推力球軸承，軸承側(cè)邊均有夾板，夾板上有螺紋孔，與絲桿配合，形成一個整體，可以軸向運動。槽輪長度調(diào)節(jié)電機與凸輪軸通過聯(lián)軸器連接，當調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)角改變，凸輪軸轉(zhuǎn)角亦隨之變化，帶動與夾板固接的凸輪連桿左右移動，而夾板與槽輪是一體的，將帶動槽輪軸向移動，實現(xiàn)槽輪排種長度調(diào)節(jié)。當機組行進速度變化導(dǎo)致播量變化時，單片將會根據(jù)設(shè)定的數(shù)學(xué)模型調(diào)節(jié)兩個電機的控制信號，使得播量恒定，實現(xiàn)播量控制。當需要調(diào)節(jié)播量時，可以根據(jù)播量與槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度的關(guān)系，通過播量輸入鍵輸入所需的播量，實現(xiàn)播量調(diào)節(jié)。

該系統(tǒng)中采集兩個轉(zhuǎn)速信號，且以轉(zhuǎn)速大的信號作為控制信號，可以使得在復(fù)雜惡劣工作條件中左右兩個地輪滑移率不一致時，以滑移率較小的信號作為控制信號，降低滑移對播量均勻性造成的影響，而且可以降低由于地輪架空造成的漏播。假設(shè)單一地輪的架空不轉(zhuǎn)的概率為δ，則在上述原理下的實際漏播率為δ2，播種率為η=1-δ2。在取δ=5%(大田地輪的平均滑移率)時的播種率為99.75%，地輪滑移的影響幾乎可以忽略。

1.霍爾元件測速裝置 2.地輪 3.鉛蓄電池 4.播量輸入鍵 5.LCD顯示屏 6.單片機 7.電機 8.聯(lián)軸器 9.凸輪軸 10.凸輪連桿 11.絲桿 12.排種盒 13.擋輪 14.推力球軸承 15.排種軸

2 播量與槽輪轉(zhuǎn)速及長度關(guān)系試驗

2.1 試驗材料

為給播量控制提供理論依據(jù)，通過試驗建立播量與槽輪轉(zhuǎn)速與排種長度的關(guān)系。試驗所采用的外槽輪排種器參數(shù)如圖3與表1所示。

圖3 外槽輪排種器槽型尺寸示意圖

參數(shù)數(shù)值單位R30mmc5mmk18個θ9(°)β147(°)a3.6mmf0.4mmh8.5mmλ0.5-

θ、β為弓形圓心角；R為外槽輪外半徑；c為單體槽型半徑；a、f、h為下、上弓形弓高、弦長；L為槽輪有效工作長度(mm)；G0為槽輪單位時間播量(g/min)；n、k為槽輪轉(zhuǎn)速(r/min)、槽數(shù)(個)；λ為充種系數(shù)。

試驗種子為豫教5號小麥種子，近似橢球形，如圖4所示。因此，y=z，取樣測量得其物理參數(shù)如表2所示。

圖4 小麥種子模型尺寸示意圖

組數(shù)x/mmy、z/mm千粒質(zhì)量/g13.061.6141.923.121.6842.133.111.6541.3均值3.101.6441.7

x、y、z為橢球的極徑(mm)。

2.2 試驗方法

播量與槽輪轉(zhuǎn)速及長度關(guān)系試驗裝置由六方聯(lián)動軸、外槽輪式排種器、聯(lián)軸器、電機和機架組成，如圖5所示。排種器固定在機架上，排種電機與六方聯(lián)動軸通過聯(lián)軸器連接，改變電機轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)排種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，排種長度可手動調(diào)節(jié)。

1.外槽輪式排種器 2.六方聯(lián)動軸 3.聯(lián)軸器 4.電機 5.機架

試驗中，改變調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速與排種器的有效工作長度，通過天平量取1 min內(nèi)的播量，建立播量與轉(zhuǎn)速及有效工作長度的關(guān)系。排種器有效工作長度取14、18、22、26、30mm共5組；轉(zhuǎn)速范圍取10～60r/min，共51組轉(zhuǎn)速。試驗分為兩組：一是在槽輪有效工作長度一定的條件下，改變電機轉(zhuǎn)速；二是在電機轉(zhuǎn)速一定的條件下，改變槽輪有效工作長度。每組試驗重復(fù)5次，總共255組試驗，得到1 275個有效播量數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 模型建立與誤差分析

每組轉(zhuǎn)速水平下對應(yīng)5組有效工作長度的播量，轉(zhuǎn)速一定，建立有效工作長度與播量的函數(shù)模型。為保證擬合優(yōu)度，每組數(shù)據(jù)用4次函數(shù)進行擬合，則

Gn=a1n+a2n·L+a3n·L2+

a4n·L3+a5n·L4…

(1)

其中，n為槽輪轉(zhuǎn)速(r/min)；Gn為單位時間播量(g/min)；L為有效工作長度(mm)；a為擬合參數(shù)。

將播量數(shù)據(jù)按槽輪轉(zhuǎn)速10～60r/min轉(zhuǎn)速范圍分成51組，得到51組形如式(1)的式子；對等式右邊的51組a1n、a2n、a3n、a4n、a5n用最小二乘法進行擬合[16-17]，得到關(guān)于a1、a2、a3、a4、a5取值的5組方程，等式右邊加入交互項，得到擬合函數(shù)為

am=b1m+b2m·n+b3m·n2+

b4m·n4+b5m·am·n

(2)

整理式(2)，bkm用矩陣坐標模式b(k,m)表示，取值如表3所示，得到數(shù)學(xué)模型表達式為

am=[b(1,m)+b(2,m)·n+b(3,m)·n2+

b(4,m)·n3]/[1-b(5,m)·n]

(3)

將方程(3)中得到的am回代方程(1)中得到播量Gn與槽輪有效工作長度L、槽輪轉(zhuǎn)速n的函數(shù)方程為

G(L,n)=a1+a2·L+a3·L2+

a4·L3+a5·L4…

(4)

為驗證模型的精度，測量播種轉(zhuǎn)速為10、20、30、40、50、60 r/min，有效工作長度為16、20、24、28mm時的實際播量，并與模型預(yù)測值進行比較，得到驗證組相對誤差如表4所示。模型相對平均誤差為3.2%，滿足精度要求。

表4 模型相對誤差

續(xù)表4

3.2 槽輪轉(zhuǎn)速與長度對變異系數(shù)影響分析

運用MatLab軟件進行分析，得出不同有效工作長度中播量變異系數(shù)ν與轉(zhuǎn)速的擬合曲線，如圖6所示。當槽輪工作長度水平為14、18、22、26、30 mm時，隨著槽輪轉(zhuǎn)速的增大，播量變異系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；當轉(zhuǎn)速大于40 r/min時，播量變異系數(shù)趨于穩(wěn)定趨勢。這一結(jié)果與“外槽輪排種器在轉(zhuǎn)速較高(尤其超過60r/min)時，播量基本不再變化”的結(jié)論相吻合。在同一轉(zhuǎn)速下，槽輪有效工作長度為22mm時，播量變異系數(shù)最大，槽輪有效工作長度為30mm時，播量變異系數(shù)最小；槽輪有效工作長度為14～30mm、轉(zhuǎn)速低于10r/min時，播種變異系數(shù)大于1.5%；當轉(zhuǎn)速為40～60r/min時，變異系數(shù)小于0.5%。

圖6 不同排種長度下播種量變異系數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)系

4 結(jié)論

1)設(shè)計了一種播量自動控制播種機，實現(xiàn)了外槽輪排種器播量轉(zhuǎn)速與排種長度同步控制，擴大了播量控制范圍與精度，提高了播量的均勻性。

2)通過試驗建立播量與槽輪有效工作長度、轉(zhuǎn)速的函數(shù)模型，經(jīng)驗證模型理論播量與實際播量的平均誤差為3.2%，為外槽輪排種器的播量自動控制策略提供了理論依據(jù)。

3)槽輪有效工作長度為14～30mm、轉(zhuǎn)速為40～60r/min時，變異系數(shù)小于0.5%，屬于播量控制參數(shù)適宜控制范圍。