新疆棉花小區精量播種機的設計

楊丙輝，王 偉，李天義，馬雪亭，閆樹軍

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.塔里木河種業股份有限公司，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

新疆綠洲農區作為全國6大產棉區之一，在全國棉花生產中占有重要地位。新疆棉花經過近50年多的發展，已與黃河、長江流域棉區成為三足鼎立的態勢，為我國棉花生產恢復和發展做出了巨大的貢獻[1-3]。為了進一步促進新疆棉花生產的發展，提高棉花的品質和質量，需要實施優良種子工程，加大對棉花優良品種的研究和推廣。經調查，良種對發達國家農業增產的貢獻率達50%左右，而在我國良種對農業增產的貢獻率僅為30%左右，因此育種工作極其的重要[4]。小區育種是農作物新品種培育過程的重要環節之一，由于農作物品系多、選種量大，因此試驗小區的數量多，育種試驗工作量大[5-7]，再加上不少育種人員比較重視對種子的選育和繁育工作，而通常忽視對小區育種配套作業機具的需求提升，導致小區育種作業手段落后，效率低下。

目前，在新疆的棉花育種過程中主要采用如下的播種方式：①人工播種方式。主要是育種人員手持小鏟子或其它類似工具進行挖穴、播種、覆土和鎮壓，這種方式存在勞動強度大、效率低的缺點。②借用簡易點播裝置方式。主要是育種技術人員為了提高效率、降低勞動強度，自己找了一些其它作物的播種裝置直接借用稍加改進進行播種，效率稍高，但勞動強度也較大，尤其是現有的簡易點播裝置存在清種不方便的問題。③大田棉花播種機。如果進行播種面積較大的示范性小區試驗，有些棉花育種機構會臨時借用大田棉花播種機來替代人工播種，但存在試驗小區掉頭困難，清種操作不方便等缺點。

如果采用專業的機具進行育種，不僅可以減少試驗誤差、提高試驗的準確性，而且可以縮短周期、提高作業效率。此外，隨著田間用工成本逐年提高，摒棄人工育種手段，采用機械化育種、逐步實現田間試驗機械化，已經成為當前的必然選擇和迫切要求[8-11]。

對于新疆棉花的小區育種工作來講，農藝要求更特殊，需要在地膜上進行點播作業，以此實現精量播種，一般每穴1～2粒種子；而國外的小區播種機和國內已經開發出來的一些播種機等均不能滿足實際需求的，因此針對新疆的棉花小區播種機的研究目前還基本上是一個空白。

綜上所述，對于新疆的棉花育種工作人員而言，他們希望能夠解決小區育種播種過程中的無專用棉花小區播種裝置、現有點播裝置清種不方便、播種漏播無報警等問題，應針對這些問題開發一種專門用于棉花小區播種的作業機具。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

根據現在新疆棉花小區育種工作中遇到的實際問題，設計了一種能夠適合新疆地區棉花育種模式的小區精量播種機。該機采用一膜四行的播種模式，能夠實現機械化作業、地膜上點播播種、輕松清種、漏播監控報警和漏播點標記提醒等功能。

棉花小區精量播種機由排種部分、監控報警部分、滾動開穴播種部分、標識定位部分和機架等結構組成,如圖1所示。

1.機架 2.光電傳感器 3.排種轉軸 4.儲種箱 5.傳動鏈條 6.霍爾傳感器 7.報警指示燈 8.接種斗 9.輸種管 10.導種管 11.開穴播種裝置 12.標識定位裝置

1.2 工作原理

棉花小區精量播種機工作時，動力由配套的拖拉機提供，當拖拉機牽引播種機前進時，地輪(滾動開穴播種裝置)在地膜上滾動行駛和并在地膜上進行開穴作業，同時通過地輪轉軸上的鏈條帶動兩側的排種轉軸轉動，進而帶動其上的排種輪轉動來實現對儲種箱中的種子進行選種(正常工作時，由于儲種箱底部設置的出種口與推拉擋板上的開口正對，故可以進行正常的選排種操作；當不需要播種或需要清種操作時，調整推拉擋板使得推拉擋板封閉出種口即可)動作，每次篩選的1粒棉種隨著排種轉軸的轉動落入儲種箱下方的排種斗中。

棉種由排種斗落入滾動開穴播種裝置的過程中，播種狀態由可編程序控制器構成的控制系統進行監控，具體過程為：在棉種從排種裝置落入輸種管的過程中，光電傳感器對棉種是否通過該區域的狀態進行檢測。如果沒有檢測到種子落下則報警指示燈發出黃燈報警，并同時標識定位裝置對出現漏播的位置進行實時定位標識(通過推拉式電磁鐵的推桿按壓顏料噴涂瓶的按壓嘴，從而可以在漏播位置噴涂無公害顏料作為標識)，然后繼續前行進行正常播種；如果排種轉軸卡死或地輪相對地面滑行偏大時，則可編程序控制器控制報警指示燈發出紅燈警告，立即停止作業并排查故障。

在機器播種過程中，由于開穴播種裝置(見圖2)連續滾動前進，其動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個小空穴；與此同時，經由導種管位于頂桿頂端頭處的棉種依靠重力滑落到土壤的小空穴中，同時頂桿在凸輪的作用下伸出，將不能依靠重力自由落下棉種強制推頂到小空穴中，從而避免由于土塊堵塞等原因而導致棉種不能完全落入小空穴中，解決了現有技術中鴨嘴堵塞而發生漏播的問題，實現單穴強制播種。完成播種工作之后，頂桿會立即復位到正常狀態，動咀也跟著復位，至此一個由開穴、落種、頂種、復位動作構成的完整播種周期完成；后續動作依次重復進行，實現連續滾動開穴和單穴強制播種的功能。

1.滾柱 2.圓柱彈簧 3.頂桿 4.動咀 5.定咀 6.凸輪

1.3 基本參數

根據新疆地區棉花小區育種作業種植模式的要求，確定了棉花小區精量播種機的主要技術參數，如表1所示。

表1 棉花小區精量播種機主要參數

2 關鍵部件設計與選型

2.1 排種機構的設計

型孔輪式排種器具有構造簡單、工作可靠，以及當工作速度小時工作質量良好等優點，同時換裝磨紋式排種器還可以用作條播中耕作物，所以用途較廣。對于棉花小區播種而言，對播種的準確性要求高，但對播種效率要求相對不是很高，故綜合棉種的自身特性、機具使用要求和成本等因素，選擇型孔輪式排種器作為棉花小區精量播種機的排種裝置是比較合適的。

2.1.1 型孔的形狀和尺寸確定

根據相關研究可知：棉種經過脫絨和拋光處理后其外形近似橢球體，種子兩端差異較大，一端呈錐形，另一端呈半圓球狀。當然不同品種種子的形狀和尺寸是有所差異的，目前新疆正在使用的棉種主要有新陸早26號、新陸早42號和中棉297-5號種子等，機具以新陸早42號種子為作業對象，其長度均值為aμ=8.78mm，寬度均值為bμ=4.95mm，厚度均值為cμ=4.35mm[12]。

據此將排種器的型孔形狀設計為圓弧型窩眼結構，每孔正常播種時可充種1粒，由于脫絨棉種的橢球體形狀特征，故其一般情況下都是平躺的狀態。小區播種的棉種通常是經過精選的，其大小一致性比較好，同時考慮充種后型孔的側邊一般需留Δ=0.5～1mm的間隙，故型孔的基本尺寸設計為：長度A=amax+0.5=13.7mm，寬度B=bmax+0.5=6.8mm，高度C=B=bmax+0.5=6.8mm。圖3為排種輪及其型孔基本形狀。

1.圓形型孔 2.排種輪

2.1.2 排種輪的轉速確定

在充種、排種的過程中，由于棉種是橢球體結構，可以看作是扁平的種子，排種輪的線速度對型孔的充種性能影響很大，如果轉動速度過高，種子可能來不及進入型孔，就會造成漏播。在播種時，棉種隨排種輪以一定的速度運動，棉種靠自重落入型孔，充種過程如圖4所示。

圖4 充種過程示意圖

對于平躺在排種盤上的扁粒種子，設其重心距小端的距離為種子長度的2/3，則在排種輪的轉速與其它關聯參數之間需滿足如下關系式才可以保證充種過程的順利進行，即

式中Vp—排種輪轉速(m/s)；

A—排種輪上型孔的長度(mm)，A=13.7；

l—棉種實際長度(mm),此處l=aμ=8.78；

g—重力加速度(m/s2)，g=9.8；

b—棉種的平均寬度(mm)，b=4.95。

由此可以推出：Vp≤0.35 m/s 。

實際上，排種輪的轉動由地輪(滾動開穴播種裝置)來傳動，而地輪則是由拖拉機牽引做直線運動的，所以拖拉機的前進速度也決定了排種輪線速度的大小，工作時必須對拖拉機加以嚴格的控制，二者之間必須要有良好的配合。

2.1.3 排種輪外徑和型孔數量確定

由于排種輪轉速Vp與排種盤直徑D成正比，與排種盤型孔數m成反比，故增加排種盤型孔數m、減小排種盤直徑D可降低排種輪轉速Vp，但會使充種路程縮短，對充種不利；同時，也縮短了型孔間的間隔，間隔太小將影響每穴之間種子分離的準確性，因此采用較大直徑的排種輪以增加型孔的充種路程及充種時間，有利于提高充種系數。同時，考慮一般情況下由于排種輪轉速Vp受充種性能的限制不能過大，因而限制了拖拉機的前進速度作業速度Vm，則

Vp=πDVm(1+δ)/Zt

式中Vp—排種輪轉速(m/s)；

π—常數，取3.14；

D—排種輪直徑(mm)；

Vm—機組前進速度(km/h)；

δ—滑移系數，取0.05；

Z—排種輪上的型孔數量；

t—穴距(cm)，t=10。

經過匹配計算，可知取D=200mm，Vm=4.5km/h，Z=24時比較合理 ，Vp能夠滿足要求。

2.2 清種裝置的設計

對于棉花小區播種機而言，方便地進行清種操作是一個最基本的要求，以保證不同品系的棉種在播完后能夠及時被清理、不混種、提高播種的效率和試驗準確性。因此，設計時要考慮清種方便、播種可靠，據此設計了可拆卸式清種裝置，如圖5所示。該裝置由種箱架、儲種箱和推拉擋板組成，種箱架固定在機架上，其上有3個小支耳來放置和約束儲種箱，儲種箱可以在支耳上沿豎直方向上自由放置；在儲種箱底部和排種輪接觸的部分有推拉擋板，正常播種時，推拉擋板處于打開的位置，若要進行清種時則可以將其推到關閉的位置，并拿掉種箱就可以把剩余的棉種及時清理。

2.3 漏播標識定位裝置的設計選型

漏播標識定位裝置是一個執行機構，目的是為了對棉花小區播種機在工作過程中的漏播點進行標識定位，為后續人工檢查及補種提供方便，主要由電磁鐵和顏料噴涂瓶組成。該裝置工作時，由可編程序控制器在接收到漏播的信號反饋后，通過對電磁鐵的控制來實現顏料噴涂瓶中顏料的噴涂操作。

1.儲種箱 2.種箱架 3.支耳 4.推拉擋板

1)顏料噴涂瓶容積的設計：考慮到噴涂顏料時的實際情況，每次噴涂顏料的體積為0.25mL(約5滴水的體積)比較合適，噴出來標識面直徑大約在1.5cm左右，容易識別。據文獻可知：型孔輪式排種器播種過程中漏播率一般小于5%，機具行進速度為4.5km/h，再考慮棉花的株距(10cm),每天機具純工作時間工作4h的情況下(小區播種過程中經常反復進行清種、換種、檢查等工作，故機具純工作時間相對較少)，顏料瓶的容積需求為2 250mL,實際應用時也可以帶一個顏料瓶備用。

對于顏料噴涂瓶噴頭部分采用按壓式乳液泵方式實現顏料噴涂，按壓部分的結構和要求符合BBT 0028-2014 按壓泵的行業標準。由于按壓式乳液泵的本質上是一個活塞式的水泵，所以在設計噴嘴時可以將其調整為直徑1.5cm的圓形網狀噴嘴，以便能夠在需要標識的位置直接形成一個醒目的標識，方便檢查和補種。

2)電磁鐵的選用：根據顏料噴涂瓶的基本情況和PLC提供的24V直流電源，故電磁鐵的電源電壓為DC24V,按壓力一般情況下20N就可以滿足要求，行程則要求不高，通常情況下10mm的行程就滿足要求。考慮到使用工況比較惡劣，綜合所有因素，選擇的電磁鐵為JP1253H-01-DC24V型的工業級電磁鐵。

3 控制系統的設計

3.1 控制系統構成

為了提高棉花小區精量播種機的可靠性，彌補型孔輪式排種器可能選不上種子而導致的漏播，需要在播種過程中對其播種狀態進行監控，且要求對漏播點進行標識定位，方便后續的補種操作。為了提高樣機開發的成功率，采用了有蓄電池、可編程序控制器、光電傳感器、霍爾傳感器等元件構成的控制系統。

3.2 控制邏輯過程

播種機在播種過程中其播種狀態由可編程序控制器構成的控制系統進行監控，當種子從排種器落入輸種管的過程中，在排種斗下方有光電傳感器對棉種是否通過該區域的狀態進行檢測，從而確定有無漏播的異常問題，如果無異常情況則正常播種；如果沒有檢測到種子落下則發出聲音和黃燈報警，并對出現漏播的位置進行實時定位標識，為人工檢查或補種提高便利，然后繼續前行正常播種；如果在播種過程中遇到排種器主軸被棉種卡死或地輪相對地面滑行偏大時，則播種監控系統會發出報警聲音和紅燈警告，此時應停止播種并排查故障。具體控制過程如圖6所示。

圖6 棉花小區精量播種機控制流程圖

4 田間試驗與結果

在新疆生產建設兵團第一師塔里木河種業股份有限公司技術中心的棉花試驗田中開展了田間試驗。試驗基本條件如下：配套動力為東風354拖拉機，地膜寬度1.2m，棉種為經過篩選的新陸早42號脫絨棉種，土壤墑情適宜播種，設定播種深度為2.5cm。為了驗證樣機性能，分別以2.7、4.4、5.9km/h的車速進行了播種試驗，由于條件所限，試驗過程中僅對部分項目進行了測試。試驗結果如表2所示。

由試驗結果可以看出：在棉花小區播種機進行播種的過程中，播種的合格率受車速的影響較大，車速高時漏播情況嚴重，主要原因是充種時間縮短，充種率下降造成的；漏播報警準確率比較高，但漏播報警的時間點和漏播點的匹配情況無法測定。對于漏播點的標識定位準確率而言，實際上每個漏播點都進行了標識，只是由于個別定位點不在考查范圍內，從總體上來講機具的性能基本達到了預期的設計目標，當然后期仍需開展大量的試驗，提高其可靠性和穩定性。

表2 棉花小區精量播種機試驗結果

漏播報警準確率=漏播報警穴數/總的漏播穴數；漏播點標識準確率=合格的標識點/總的漏播穴數；合格標識點指以漏播點為圓心半徑5cm范圍的標識點。

5 結論

1)根據新疆地區棉花小區育種工作的現實需求和農藝要求，設計了一種可在地膜上點播播種、輕松清種、漏播監控報警和漏播點標記提醒等功能的棉花小區精量播種機，為育種工作者提供了一種可以提高效率、降低勞動強度的棉花育種作業新機具，同時也提供了一種新的作業手段。

2)通過對關鍵工作部件進行設計和選型，分析了各關鍵部件的主要參數對機具作業的影響，并確定了各關鍵部件的主要結構、參數要求和具體型號；同時，也提出了播種監控系統的控制方案，為機具樣機的研制打下了基礎。

3)通過田間試驗，測試了在不同車速下棉花小區精量播種機的基本性能，為機具的進一步改進提供了參考。