基于電驅動的智能播補一體化馬鈴薯播種機設計研究

李 平,馮 偉,張先鋒,鐘魏然,王 攀,崔晉波

(1.重慶市農業科學院,重慶 401329;2.四川省農業機械研究設計院,成都 610066)

0 引言

隨著馬鈴薯主糧化的不斷推進,西南丘陵地區馬鈴薯產業不斷發展,種植面積不斷擴大,但受限于地勢和土壤條件,現有引進的馬鈴薯作業機具均存在不同程度的適應性差等問題,而馬鈴薯播種作業是馬鈴薯生產過程中的關鍵環節,其作業質量直接影響馬鈴薯的產量。因此,不斷改進現有馬鈴薯播種機的作業質量以降低生產成本和提高生產效率是提高馬鈴薯產業效益的重要目標。

針對現有馬鈴薯播種機存在的重漏播和株距變異大的問題,H. Buitenwerf等根據馬鈴薯從取種勺的釋放時間建立了數學模型,并通過試驗臺架測試發現馬鈴薯薯種形狀和薯種取種勺類型會對播種精度有很大的影響。澳大利亞A.E.E公司研制的氣吸式馬鈴薯的漏播監測系統采用紅外傳感器監測輸種管中的種子流,在播種過程中,系統若監測到輸種管無種子流通過時,會及時發出聲光報警,且指示燈可以標出輸種管發生漏種故障的位置;系統的播種信息通過排種傳感器和速度傳感器采集并顯示各行的播種工況,在作業過程中,若某一行出現故障,系統還可自動報警。國內的漏播監測系統主要還是以光電轉化、電磁轉化為主,其補薯裝置有更多的解決方案。孫偉等人設計的補薯裝置為擊打補薯,解決了補薯的株距變異問題,但需要以小整薯作業且存在傷薯率高的問題。王關平等人設計以補薯鏈加速運動為基礎的補薯裝置,與正常作業的動力切換,以單向離合器實現,但存在離合器卡滯和適應性差的問題。

綜上所述,馬鈴薯漏播監測系統研究已經較為成熟,其原理簡單且造價低,只需要在適應性上做相關改進即可。本文的補薯機構采用了步進電機驅動作為源動力,采用單電機單勺鏈式取種機構以求結構更加緊湊,也避免了傳統地輪因地輪打滑造成的株距變化大、補薯響應差的問題,且株距可以通過人機交互系統輸入直接控制電機轉速以精確控制。

1 整機結構

該馬鈴薯播種機主要由3部分組成,如圖1所示。其中,第一部分為漏播監測,主要包含永磁體磁鋼、霍爾傳感器、紅外線發生器、紅外線接收器、運算控制器及驅動器等主要部件;第二部分為播補種機構,為單電機單勺鏈式取種機構,主要包含步進電機、取種勺、機架及保護裝置等;第三部分為株距控制,主要包含轉速傳感器、輸入輸出模塊及運算控制器等。

1.種箱 2.驅動電機 3.驅動鏈條 4.取種勺 5.護種槽 6、8、11、13.霍爾傳感器 7、9、12、14.紅外發射管 10、15、16.紅外接收管 17.輪速傳感器 18.切塊種薯 19.小磁鋼圖1 馬鈴薯漏播監測與補薯播種機整機示意圖Fig.1 Schematic diagram of potato missing sowing monitoring and potato supplement planter

2 關鍵部件設計

2.1 漏播監測系統設計

由于設計的播補薯執行機構均為同一驅動勺鏈,故在漏播監測設計中考慮兩組漏播監測裝置且安裝在相鄰取種鏈勺位。其主要目的是為了避免在播種作業時,如出現相鄰兩個取種勺都未有種薯時,造成補薯不成功或株距變異太大的問題。當設計成連續兩組漏播監測裝置后,如出現相鄰連續空勺則系統直接驅動步進電機快速轉過兩個種勺行程,不再進行第二個取種勺漏播監測,將第三個種勺的種薯快速播在既定位置;如果連續兩次均出現相鄰兩個取種勺為空勺的情況,則系統判定為播種故障或種薯已播完,以報警音提示作業駕駛員。漏播監測模塊安裝如圖2所示。

1、4.霍爾傳感器 2、5.紅外發射模塊 3.觸發模塊 6.紅外接收模塊圖2 漏播監測硬件安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of missing broadcast monitoring hardware

漏播監測模塊主要由觸發模塊、紅外發射和接收裝置組成,觸發模塊由小磁鋼和霍爾傳感器組成,小磁鋼采用傳統的Y35鐵氧體,采用A3144開關型霍爾傳感器,磁鋼安裝在取種勺端,霍爾傳感器安裝在機架上。考慮到播種機在作業時具有振動和粉塵大的問題,選用西門子SFH486作為紅外發射器,夏普GP1U52X作為接收器。發射器內發光二極管發射880nm波長的紅外光,對灰塵具有良好的穿透力以提高監測系統作業的準確率;接收器內有紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、整前電路和輸出放大器等,接收管對880nm波長附近的紅外光很敏感,有效測距范圍為10～80cm。

2.2 播補薯機構設計

2.2.1 驅動電機設計

傳統的馬鈴薯播種機一般是采用主播種驅動用地輪,補薯驅動用步進電機的結構;或者單獨設計了主播種鏈和補薯播種鏈,且主播種鏈為地輪驅動而補薯播種鏈為電機驅動。地輪驅動的弊端主要體現在耕整地高低不平或高速作業時,地輪的滑移率可達20%,對馬鈴薯播種作業的株距控制存在很大偏差。因此,采用步進電機獨立驅動播補勺鏈工作,避免了由地輪復雜工況造成的株距不均的問題,且該播種機的作業速度是通過監測拖拉機輪胎的線速度進行計算,避免了由GPS測速時信號的丟失和掉線導致速度誤差大的問題。根據現有重慶大部分地區馬鈴薯種植農藝要求,種植密度約為4000株/667m2,采用起壟種植,壟面寬度為0.7m,株距為0.2～0.3m,按照現有馬鈴薯播種正常作業效率0.27hm2/h計算,馬鈴薯播種機的作業速度為3.2～4.6km/h,根據農藝種植株距參數可以計算出取種鏈的運行速度為0.5～0.76m/s,取種速度屬于中高速工況。本文取種勺鏈采用12A鏈條,節距為12.9mm,每6節安裝一個取種勺,以降低取種初始空勺率;驅動鏈輪選擇12A鏈輪,齒數為22齒,其節圓直徑為127.82mm。根據工作線速度,計算出該驅動鏈輪的轉速為37.6～45.5r/min。

考慮到在田間作業時,拖拉機提供的工作電源為12V,故步進驅動電機的電壓工作范圍選擇在0～24V。經現場測試,該驅動電機在12V電壓和固定的取種勺鏈的負載工況時,其工作產生的振動和噪音都較小。設種薯的平均質量為50g,在整個機具排種鏈中的長度為2.9m,單邊長度為1.45m,整個勺鏈式取種機構側面安裝及鏈條受力示意圖如圖3所示。

在馬鈴薯播種機作業的理想工況下,本機左右兩邊的馬鈴薯取種個數相同(排除單個切塊種薯質量不同造成的誤差),故在圖3中有G1=G2cosα,力的方向均為豎直向下并且在力矩產生上相互抵消。參照馬鈴薯種薯在人工切塊條件下,單個種薯產生的質量差不超過20%,這個誤差在后續計算中取放大系數予以抵消。在本文的三角形取種鏈條設計中,左右兩邊的鏈條自重之差產生的扭矩為本機有用的扭矩,可以減輕驅動電機的負載,其關系式表達為

l2=l1cosα

Δm=l1(1-cosα)m

式中l2—豎直方向三角形的邊長(mm);

l1—三角形斜邊的變成邊長(mm);

α—三角形斜邊與豎直方向直角邊的夾角(°);

Δm—三角形鏈條兩邊的質量差(kg);

m—馬鈴薯種薯質量(kg)。

1.驅動鏈輪 2.切塊種薯 3.取種勺 4.下薯口圖3 馬鈴薯播種機補薯裝置側面示意圖Fig.3 Side diagram of potato supplement device of potato planter

取種機構需要電機克服的扭矩為勺鏈在種箱運動時產生的阻力再減去鏈條質量差與鏈輪半徑的積。取該播種機種箱高度為1.6m,在滿載情況下,經現場測試取種勺在種薯箱中勻速運動產生阻力為88.6N,參照鏈輪的節圓直徑為127.82mm,由于取種鏈左右兩側種薯的質量差呈離散分布,故在計算結果的扭矩中取放大系數為2,以滿足驅動取種鏈有足夠的扭矩。扭矩T計算過程為

式中F—取種勺運動的摩擦力(N);

d—鏈輪的節圓直徑(m);

μ—放大系數。

帶入計算公式可得,取種勺驅動電機的扭矩T=11.3N·m,帶入功率計算公式可得

式中T—驅動電機的扭矩(N·m);

n—電機的轉速(r/min)。

帶入公式計算出電機的功率為87.7W。考慮到電機在極限工況下,驅動電機在補薯過程中,其瞬間加速度可達2m/s2,為防止電機過載堵轉造成燒毀,最終確定選擇電機的功率為200W,工作電壓為12V。

2.2.2 驅動電機運動控制

拖拉機行走的速度通過加載在拖拉機輪上通過摩擦傳動的輪速傳感器獲取,采用霍爾式輪速傳感器,設輪速傳感器上外置被動輪的直徑為da,輪軸上布置的磁鋼數為c,單片機讀取傳感器時間間隔為t,拖拉機行走速度va與單位時間的脈沖數a的關系式為

va=aπda×10-3/(c·t)

式中va—拖拉機行走速度(m/s);

da—被動輪直徑(mm);

t—定時器T1的設定時間(s);

a—霍爾傳感器接收的脈沖數;

c—輪軸上布置的磁鋼數。

由于馬鈴薯播種機的播補薯驅動均采用步進電機驅動,根據播種機工作原理建立起播種株距La與驅動電機的轉速Ra和播種及行走速度va之間的關系為

La=va×103·lb×60/(dc·π·Ra)

Ra=Rb

vd=πdaRb×10-3/60

式中La—播種株距(mm);

lb—相鄰種勺之間的距離(mm);

dc—驅動鏈輪直徑(mm);

Ra—驅動電機轉速(r/min);

Rb—驅動鏈輪轉速(r/min);

vd—驅動鏈條線速度(m/s)。

由于電機驅動鏈輪帶動勺式取種鏈運行,由上式合并可得到播種株距La與驅動鏈條線速度vd及播種機行走速度va之間的數學關系表達式為

La=va·lb/vd

根據上式可知,根據驅動電機反饋模塊得到的轉速即可計算出驅動鏈條線速度vd和輪速傳感器檢測出播種機的行走速度va,就可以控制播種株距La。

2.3 軟件系統流程設計

軟件控制系統主要由主控制模塊、自檢模塊、播種株距控制模塊、人機交互模塊及故障報警模塊等組成,如圖4所示。在系統開機時,完成系統的初始化和各模塊的自檢,如果有系統軟、硬件故障,則以點亮故障燈同時報警的形式提醒用戶;在自檢完成后,系統自動啟動漏播監測模塊及補薯系統,按照系統初始的播種速度,驅動取種鏈條將待播種端取種勺自動填滿,直到漏播監測系統監測到待播取種勺中有種薯為止,此時系統進入待命狀態;當牽引拖拉機行走時,系統立即拾取拖拉機輪速信號,以計算拖拉機的行走速度;按照人機交互系統設定的株距,計算出取種勺電機的轉速,并對株距進行測量以修正電機轉速;系統進入正常作業,漏播監測系統同時工作,當漏播監測系統監測到取種勺背面未有種薯時,系統立即驅動電機瞬時加速,將下一個取種勺的種薯補上,同時將補薯次數進行累計。其工作流程圖如圖4所示。

圖4 軟件系統工作流程圖Fig.4 Work flow chart of software system

3 播種性能試驗與結果分析

3.1 不同行走速度對播、補薯作業性能的影響

試驗選取的地塊為重慶市農業科學院建立的“西南馬鈴薯全程機械化示范基地”,待播種地已經通過旋耕機進行整備以滿足播種作業條件,選取播種直線長度為100m測試該播種機的作業性能。由于該播種機采用的播薯一體設計,無法區分機具完成的哪一顆種薯是播薯還是補薯,為了便于試驗測試,在馬鈴薯在取種鏈運動的過程中,如果發現取種勺有空勺的情況,則由工作人員將空勺的下一個種薯用自噴漆噴上紅色,用于區分播薯和補薯。試驗設定播種的作業速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2m/s工況下,采集正常播種數(α)、漏播數(β)、補播種數(γ),以此計算馬鈴薯播種機的正常播種率(Va)、補種成功率(Vb)、總播種成功率(Vc),即

Va=α/(α+β)×100%

Vb=γ/β×100%

Vc=(α+γ)/(α+β)×100%

為了減小試驗誤差和錯誤,在試驗中選取相對穩定的一段測試數據作為分析樣本。本次測試每個行走速度測試3次,分別取3次正常播種數(α)、漏播數(β)、補播種數(γ)、正常播種率(Va)、補種成功率(Vb)、總播種成功率(Vc)并求3次的平均值,測試數據如表1所示。

由表1可以看出:搭載了漏播監測及補薯裝置的馬鈴薯播種機在正常行走速度區間,總播種成功率為91%～98%,在行走速度為0.6m/s時,正常播種率最高91%,總播種成功率也最高98%。這是因為在低速作業狀態,取種勺具有足夠的充種時間,產生的空勺率也較低,故補種成功率較高;隨著行走速度的加快,正常播種率和補種成功率均在下降,在行走速度為0.6～1.0m/s時,屬于較為經濟的作業區間,具有良好的整體作業性能;但在行走速度超過1.0m/s以后,其播種成功率和補種成功率在急速下降。這是因為本機采用的播補薯鏈條一體化設計,在提高了播種機的行走速度后,其驅動電機的速度也會隨之加快,在執行補薯過程中,電機轉速及補薯加速度還會急速增加,這就造成了在種箱內的取種勺充種時間更短,導致連續空勺的情況,即補薯成功率急速下降。綜上所述,該馬鈴薯播種的最佳作業區間速度為0.8～1.0m/s。

表1 不同播種速度下測定數據Table 1 Measured data under different sowing speeds

3.2 不同作業速度對實際株距的影響

株距控制是馬鈴薯播種機一個核心技術參數,本試驗選取播種長度為100m,隨機選取6個點作為株距測定點,分別設定播種機行走速度為0.6、0.8、1.0、1.2m/s,與上文的播補薯性能形成對照,按照重慶市馬鈴薯播種農藝規范,本次試驗設定株距為0.25m。試驗結果分別取6個測定點株距的平均偏差作為該播種機的株距控制性能參數,選取其中較為平穩一段數據作為結果,數據如表2所示。

由表2可知:在設定的株距250mm不變的情況下,隨著播種機作業速度的提升,株距誤差在明顯的增大,當行走速度達到1.2m/s時,因誤差太大而不能滿足作業需求;在作業速度為0.6～1.0m/s時,實際播種株距的誤差均可控制在允許范圍。究其原因,對照上文的試驗結果,在行走速度加快時,取種鏈的漏播率增加,造成補薯動作的連續執行,因為補薯作業時電機處于高速運轉,導致種薯下薯瞬間初速度遠遠大于正常作業速度,導致株距變窄,或者是出現連續空勺,造成株距急劇增大。考慮到應同時滿足作業效率和作業性能,取該馬鈴薯播種機的經濟作業行走速度為1m/s。

表2 不同作業速度對株距誤差的影響Table 2 Effect of different operating speeds on plant spacing error

4 結論

1)設計的單鏈取種勺式馬鈴薯播補薯一體機在現有地輪驅動的雙鏈取種馬鈴薯播種機上進行了升級改造,主要的優勢是在合理的作業速度范圍內可達到良好的作業效果以滿足馬鈴薯播種農藝需求,且株距通過人機交互系統設定可連續可調。田間試驗表明:在播種機作業速度1.0m/s以下時,播種機的補薯成功率為73%～81%,總播種成功率為97%～98%,相比沒有搭載補薯系統的播種機總播種成功率提高了近10個百分點,且其播種株距誤差為2.52%～4.83%,取得較好的株距控制效果。

2)設計的馬鈴薯播種機通過電機驅動勺鏈式取種機構進行播補薯作業,通過系統的設定,可以隨意調整馬鈴薯播種的株距,解決了傳統的播種機調節株距需要調整配套的鏈輪導致工作效率低的問題;另外,通過電機驅動取種機構,解決了傳統播種機的地輪驅動由于整地高低不平和高速作業時因滑移率高導致株距變異大的問題,有效保證了播種株距。試驗表明,當作業速度在1m/s以下時,能較好地達到各項測試指標。

3)馬鈴薯播種機采用了單勺鏈式取種播補薯一體式機構,通過電機直接驅動取種勺鏈,省去了現有播種機地輪及傳動等機構,減輕了整機質量,更加適宜丘陵山區對作業機具小型化的需求。但是,單鏈式取種機構在取種和補種作業過程中,對作業速度的變化極為敏感,試驗測試表明:當作業速度超過極限數值時,漏播率急劇升高而補薯成功率急劇下降,應合理地設定單鏈式取種機構播種機的作業速度。