一種離地高度可調(diào)節(jié)的播種平臺設(shè)計

谷天龍，郁澤同，周 龍，葛佳輝，徐恒偉，奚小波

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引 言

傳統(tǒng)式小麥播種機在播種作業(yè)中大多采用管式輸送排種[1]，由于小麥種植密度高，種子脫離排種器后還將經(jīng)過一段管道進而落入土地，在這一過程當中，小麥種子處于不可控狀態(tài)，極易發(fā)生碰撞、滾動、彈跳，導致均勻種子流受到破壞，致使播種的準確性、離散度較差，影響種子出苗及后續(xù)生長[2-3]。為此本文采用無管式貼地播種，使種子可以直接落入土地，減少了落種的不確定性因素，有利于精確排種。為進一步研究排種裝置的播種性能，設(shè)計了升降調(diào)節(jié)裝置，使排種口距離地面的高度在5～20 cm 可調(diào)節(jié)，有利于研究排種高度對播種性能的影響。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

目前，國內(nèi)外許多專家學者測試了許多模擬播種試驗方法，經(jīng)過大量的試驗研究與對比。其中最受學者看重的是利用在帆布等類似布料上涂抹一些粘膠材料的帆布法，用來模擬小麥播種時，播種機械播種作業(yè)時小麥落種狀況。本文設(shè)計的離地高度可調(diào)節(jié)的播種平臺如圖1 所示，其主要由排種裝置、升降裝置和模擬平臺組成。傳送帶的轉(zhuǎn)動模擬排種裝置在土地上播種。脈沖電機驅(qū)動定軸齒輪旋轉(zhuǎn)，兩齒輪嚙合同步傳動，使得與齒條固鏈的機架實現(xiàn)升降運動，完成離地高度可控的播種。通過調(diào)速電機調(diào)節(jié)皮帶傳動速度來模擬播種機具的行進速度，通過排種器的轉(zhuǎn)速來模擬調(diào)節(jié)播種量，通過調(diào)節(jié)排種口離傳送帶的距離來實現(xiàn)離地高度的調(diào)節(jié)。

圖1 播種平臺的總體結(jié)構(gòu)

2 升降機構(gòu)的設(shè)計

2.1 傳動機構(gòu)

4 條齒條分別固定于機架四角，4 個小齒輪分別與之嚙合。齒輪1 齒輪2 嚙合，齒輪3 齒輪4 嚙合。齒輪軸孔內(nèi)開有鍵槽，兩根軸上對應(yīng)位置設(shè)有平鍵，齒輪和軸以鍵傳動。齒輪4 與萬向節(jié)一端相連，萬向節(jié)另一端接伺服電機。齒輪3 在此機構(gòu)中起減速作用。以圖2 為例，當電機逆時針轉(zhuǎn)時，排種箱上升，反之下降。

圖2 升降機構(gòu)

2.2 電機選型

本文所設(shè)計的可調(diào)節(jié)播種平臺，使用交流伺服電機。交流伺服電機具有體積小、反應(yīng)快、過載能力大、變壓范圍大、頻率可調(diào)等特點，且可通過后端編碼器反饋構(gòu)成直流伺服。本設(shè)備要求每個頻率旋轉(zhuǎn)一定的角度，需要一定的靈敏度和精準度，所以選擇交流伺服電機。

（1）電機選擇首先要考慮機器運行速度，最高運行行程的電機轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在其額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)：

式中：nnom為電機的額定轉(zhuǎn)速，r/min；n 為快速行程時的伺服電機轉(zhuǎn)速，r/min；Vmax為直線運行速度，m/min；u 為傳動比；Pn為絲杠導程，mm。

（2）保證擁有足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，負載慣量JL要限制在2.5倍的電機慣量JM之內(nèi)，即：

式中：Jj為各轉(zhuǎn)動件的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；ωj為各轉(zhuǎn)動件角速度，rad/min；mj為各移動件的質(zhì)量，kg；Vj為各移動件的速度，m/min；ω 為伺服電機的角速度，rad/min。

（3）空載加速轉(zhuǎn)矩應(yīng)限定在變頻驅(qū)動系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80%以內(nèi)，即：

式中：TAmax為與電機配合的變頻驅(qū)動系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，N·m；Tmax為空載時加速轉(zhuǎn)矩，N·m；TF為快速行程時轉(zhuǎn)換到電機軸上的載荷轉(zhuǎn)矩，N·m；toc為快速行程時加減速時間常數(shù)，ms。

（4）在正常的工作狀態(tài)下，切削負載轉(zhuǎn)矩Tms不超過電機額定轉(zhuǎn)矩TMs的80%，即：

式中：Tc為最大運行轉(zhuǎn)矩，N·m；D 為最大負載比。

（5）連續(xù)過載時間tlon應(yīng)限制在電機的規(guī)定過載時間tMon之內(nèi)。

根據(jù)上述選型要求，本設(shè)備選擇80-03520AS4型的伺服電動機。

3 臺架試驗設(shè)計

3.1 參數(shù)設(shè)定

由于離地高度h 對貼地播種的播種作業(yè)效果影響最大，因此選取該因素進行試驗設(shè)計，通過試驗得出不同離地高度下的落種準確性，研究離地高度與落種準確性關(guān)系并得出一定結(jié)論。

根據(jù)小麥播種作業(yè)標準，試驗過程中取作業(yè)速度1.2 m/s，試驗中即為傳送帶的傳輸速度為1.2 m/s，取排種轉(zhuǎn)速20 r/min?？紤]到由于高度過低可能會導致落種口與地面摩擦造成損傷，因此設(shè)置最低高度為5 cm，范圍取 5～15 cm；劃分區(qū)間為 5、7.5、10、12.5、15 cm。試驗過程采用上述齒輪傳動的方法進行排種高度調(diào)節(jié)。

為準確模擬貼地寬帶播種效果，試驗時，在傳送帶中央鋪上薄的透明膠帶，膠帶寬5 cm、長200 cm，排種器播種后種子落下粘在膠帶上，通過觀測膠帶上的落種情況分析播種性能，可反映實際播種分布情況。透明膠帶能夠通過粘性固定種子落下的位置，這樣也便于后續(xù)小麥播種準確性和離散度的數(shù)據(jù)采集。

3.2 評價依據(jù)

播種性能指標與測定方法參考NY/T1768—2009 《免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[4]與NY/T996—2006《小麥精少量播種機作業(yè)質(zhì)量》[5]。選取播種準確性以及播種離散度作為播種性能指標。

播種準確性μ 用于描述種子落于種槽內(nèi)的準確程度，即在臺架試驗中種子落于膠帶上的含量，計算公式如下：

式中：m1為落在膠帶上的種子和膠帶的總質(zhì)量，g；m2為落在膠帶外種子的質(zhì)量，g；m3為試驗用膠帶的質(zhì)量，g。上述質(zhì)量電子天平測得。μ 值越大，代表種子落在種槽內(nèi)的準確程度越高，有利于精確播種。

播種離散度V 用于描述種子落在種槽內(nèi)的分散程度，在落種膠帶的100～200 cm 區(qū)間內(nèi)連續(xù)取10段5 cm×5 cm 的種帶，記錄下每粒種子距離膠帶邊界的距離 yi，如圖 3 所示，V 可表達成：

圖3 離散度檢測方法

3.3 試驗結(jié)果分析

對離地高度h 在區(qū)間內(nèi)取值，并重復進行3 次試驗，結(jié)果取平均值，試驗如表1 所示，并通過Origin 得出準確性、離散度與離地高度關(guān)系數(shù)據(jù)折線，如圖4 所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

圖4 μ、V 與h 關(guān)系數(shù)據(jù)折線

由圖4 可知，小麥播種準確性μ 隨著離地高度h 的增加而減小，離散度V 隨著離地高度h 的增加而增大，并根據(jù)折線交叉圖可知，兩線相交點的離地高度h 值極為接近10 cm。所以取離地高度值為10 cm，保證落種準確性為85.44%，同時播種離散度為43.55%，此時的播種效果最佳。

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計的離地高度可調(diào)節(jié)的播種平臺能在一定程度上簡化實驗操作，獲得較為準確的實驗數(shù)據(jù)，有利于貼地控深播種的研究。試驗結(jié)果顯示，離地高度為10 cm 時播種機作業(yè)效果最佳，落種準確性為85.44%，同時播種離散度為43.55%。