玉米電驅動精量播種系統設計

王 軍

(洮南市農業綜合行政執法大隊,吉林 洮南 137100)

0 引言

玉米作為全球重要的糧食作物之一,在人類的生產生活中扮演著重要的角色。但是,傳統的玉米播種方式存在許多問題,如效率低下、種子分布不均勻等[1-3],這不僅影響了農作物的生長發育和產量,也增加了種植成本和勞動力成本。因此,設計一種高效、精確、節能的玉米播種系統具有重要的實際意義和廣泛的應用價值。現代農業技術的發展為玉米播種提供了更多解決方案,其中電驅動精量播種系統是一種非常優秀的選擇[4-5]。

與傳統的玉米播種方式相比,電驅動精量播種系統具有多重優點。首先,該系統可以大幅提高種植的效率和精度,減少種子浪費和不良種植質量[6]。其次,采用電驅動技術可以實現節能環保,避免了燃油驅動系統帶來的噪聲和污染問題。最后,該系統還具有操作簡單、可靠性高等特點,能夠提高農民的種植效益和生活質量。

本研究設計一種玉米電驅動精量播種系統,該系統通過利用電動驅動機構來自動控制播種機構的開合程度,以實現精準的種子投放。系統可以根據設定的參數,自動調整種子的投放量,從而減少種子浪費和不良種植質量。該系統還具有多種安全保護措施,如限位開關和自動停機等,以確保使用安全可靠,最后通過田間試驗驗證系統運行的可靠性與穩定性。

1 玉米電驅動精量播種系統整體結構

1.1 整體結構

玉米電驅動精量播種系統的整體結構主要由電動驅動機構、播種機構、控制系統和電源系統組成。

1)電動驅動機構是系統的核心部件,其通過電機的轉動來帶動軸承旋轉,從而實現控制播種機構的開合程度。該機構采用高效、穩定的電機和減速器組成,具有較高的輸出功率和扭矩,能夠滿足系統的工作要求。

2)播種機構是負責種子投放的部分,由種子倉、傳送帶、隔板和種子落入孔等組成。種子倉可以容納大量的種子,通過傳送帶和隔板控制種子的運動和落入孔的位置。播種機構采用可拆卸式設計,方便清洗和維護,同時也可以根據不同種植需求更換不同類型的孔板。

3)控制系統是整個系統的智能化核心,主要包括傳感器、控制器、顯示屏等。傳感器可以實時監測系統的運行狀態和播種質量,控制器可以根據傳感器的反饋信息自動調整電驅動機構的輸出功率和扭矩,實現種子的精準投放。顯示屏可以實時顯示系統的工作狀態和參數,方便用戶進行監控和操作。

4)電源系統主要由電池組和充電器組成,可以為整個系統提供穩定、長效的電力供應。電池組可以根據系統的使用情況進行充放電管理,保證系統的使用壽命和穩定性[7]。

1.2 工作原理

首先,將種子裝入種子倉,并根據播種要求選擇合適的孔板。隨后,啟動系統,將電源接入,控制系統開始工作。系統的電驅動機構開始旋轉,通過傳動軸驅動傳送帶和隔板,控制種子的運動和落入孔的位置。隨著軸承的旋轉,孔板開合,種子從種子倉中流出并通過傳送帶進入孔中。

控制系統實時監測系統的運行狀態和播種質量,通過傳感器的反饋信息自動調整電驅動機構的輸出功率和扭矩,確保種子的精準投放和分布均勻。整個過程中,控制系統可以實時顯示系統的工作狀態和參數,方便用戶進行監控和操作。同時,電源系統為整個系統提供穩定、長效的電力供應,確保系統的持續工作。

2 關鍵部件的設計與選型

2.1 電驅動機構

選擇功率適中、轉速穩定的電動機,可根據播種規模和要求選用不同型號和品牌,同時在選型時,需要綜合考慮驅動功率、轉速、效率、噪音、重量和價格等因素,并根據系統的實際需求和環境特點進行選擇。同時,配合傳動裝置和軸承使用也是確保系統正常工作和延長電機壽命的關鍵。本研究選擇Y2系列三相異步電動機Y2-90L-2,具體參數如表1所示[8]。

表1 Y2-90L-2技術參數

2.2 傳動帶和隔板

在玉米電驅動精量播種系統中,傳送帶和隔板是關鍵部件,直接影響播種效果和穩定性。根據使用要求和材料性能,本研究采用以下設計方案。

1)傳送帶。選擇聚酰亞胺薄膜作為傳送帶材料,該材料具有優異的耐磨損性、耐高溫性和高強度等特點,適合于高速傳輸和重載運輸等工作場合。同時,聚酰亞胺薄膜還具有良好的耐腐蝕性和化學穩定性,可適應各種復雜環境。

2)隔板。選擇高強度的不銹鋼板作為隔板材料,不銹鋼具有耐腐蝕、耐磨損、抗拉強度高等優點,可保證播種過程中的穩定性和可靠性。隔板的形狀和尺寸可以根據播種要求進行設計和調整,以達到最佳的播種效果。

3)傳送帶和隔板的連接。采用可拆卸式連接件進行連接,方便維護和更換。同時,在連接處加強設計,增加連接件的強度和穩定性,以確保播種過程中不會出現松動或脫落的情況。

2.3 控制系統

針對玉米電驅動精量播種系統的控制系統,可以選用PLC或單片機作為控制器,并根據實際需求配置相應的傳感器和執行器。本研究采用PLC控制系統,選用西門子S7-1200系列PLC作為控制器,并配備相應的數字輸入輸出模塊、模擬輸入輸出模塊和通訊模塊,以實現信號的采集、控制和通訊功能。此外,還可以配置壓力傳感器、光電開關等傳感器和氣缸、電磁閥等執行器,以實現對種子分配和輸送的自動化控制。

2.4 電源系統

針對該玉米電驅動精量播種系統,電源系統的選型要求高效穩定,可以考慮使用鋰電池作為主要電源,同時配備太陽能光伏板和車載發電機等備用電源,以確保系統長時間穩定工作。具體的設計方案和型號如下。

1)主要電源。鋰電池組,型號為18650,容量為20 Ah,工作電壓為24 V,輸出電流可達20 A。

2)備用電源。太陽能光伏板和車載發電機,太陽能光伏板的額定功率為100 W,工作電壓為12 V,車載發電機的額定功率為500 W,輸出電壓為24 V。

3)充電控制器。采用智能型多功能充電控制器,可對鋰電池組進行恒流、恒壓充電,同時具有過充保護、過放保護、短路保護等多種保護功能[9],型號為TP5000。

4)逆變器。逆變器可以將直流電源轉換為交流電源,可選用純正弦波逆變器,型號為SNP-500W,輸出電壓為220 VAC/50 Hz,輸出功率為500 W。

3 田間試驗

3.1 試驗方法

在播種后,每個區塊應定期檢查玉米種子的發芽情況和生長狀態,并記錄在試驗表中。收獲時,對每個區塊的玉米產量進行測量,以評估不同播種密度和播種方式對玉米產量的影響。通過對比不同組別的數據,分析電驅動精量播種系統和傳統人工播種方式的優劣,評估該系統的播種效果。

3.2 試驗設計

1)設計不同的播種密度組合,例如150,180,210萬顆/hm2等,每組設立3個重復區塊。

2)選擇同等面積的土地作為試驗田,并將其分為相同大小的區塊,每個區塊應按照預設的播種密度進行播種。

3)分別采用傳統人工播種和電驅動精量播種系統進行玉米種子的播種。

3.3 測定指標

1)播種深度。使用深度測量儀在播種后的土壤中測量種子的深度,記錄每個樣本的平均深度。

2)播種距離。使用測距儀在播種行上測量相鄰兩個種子之間的距離,記錄每個樣本的平均距離。

3)種子發芽率。在播種后一定時間內,統計每個樣本的種子發芽率。

3.4 結果與分析

3.4.1 播種深度

播種深度數據經過正態性檢驗,符合正態分布(P>0.05),因此采用均值和標準差作為描述統計量。結果表明,玉米電驅動精量播種系統實現了預期播種深度控制效果,播種深度均勻、穩定,平均播種深度為3.15 cm,標準差為0.11 cm。結果表明電驅動精量播種系統相較于傳統播種方式,可以更加準確地控制播種深度,并且播種深度的變異系數更小,說明了系統具有更高的穩定性和可靠性。此外,電驅動精量播種系統在播種深度上的控制也更加靈活,可以根據具體要求進行調整。這些結果說明該系統能夠有效提高播種的質量和效率,為農作物的生長發育提供更好的基礎條件。

3.4.2 播種距離

播種距離試驗結果如表2所示,結果表明,不同的玉米種子間距離對播種效果有一定影響。在本次試驗中,種子間距離在15～20 cm范圍內的播種效果較好,出苗率高于90%,同時實際距離與設定距離也較接近。而在距離較遠或較近的情況下,出苗率和實際距離都出現了一定的偏差,影響了播種效果。因此,在實際生產中,應根據具體情況選擇合適的種子間距離進行播種。

表2 播種距離試驗結果

3.4.3 種子發芽率

在田間試驗中,對比了傳統手工播種和電驅動精量播種系統播種的玉米種子的發芽率。在播種后10天,通過對比兩組玉米種子的發芽情況,計算出兩組種子的發芽率。結果如表3所示,通過對比可以看出,電驅動精量播種系統播種的玉米種子發芽率明顯高于傳統手工播種。這是因為電驅動精量播種系統可以實現種子的精確投放和深度控制,種子與土壤的接觸更加緊密,有利于種子的發芽生長。

表3 種子發芽率試驗結果

4 結論

本研究設計的玉米電驅動精量播種系統能夠有效提高播種效率和精度,降低勞動力成本,改善種植環境。在田間試驗中,該系統的播種深度、播種距離和種子發芽率均取得了較好的結果,與傳統播種方式相比具有明顯優勢。因此,該系統在實際生產中具有廣闊的應用前景。未來,將進一步完善系統的設計和優化,提高其適應性和智能化水平,為現代農業生產提供更加高效、精準、可持續的技術支持。