气吸式穴盘育苗精密播种机的设计与试验.pdf

气 吸 式 穴 盘 育 苗 精 密 播 种 机 的 设 计 与 试 验 许 明 涛 1 陈 坤 2 1 湖 北 工 业 职 业 技 术 学 院 湖 北 十 堰 442000 2 湖 北 双 兴 智 能 装 备 有 限 公 司 湖 北 十 堰 442000 摘 要 针 对 育 苗 播 种 机 设 备 作 业 过 程 播 种 效 率 较 低 取 种 播 种 过 程 不 够 精 确 等 问 题 设 计 了 气 吸 式 穴 盘 育 苗 精 密 播 种 机 并 对 其 进 行 了 试 验 验 证 该 播 种 机 的 主 要 组 成 为 PLC 控 制 器 电 源 模 块 机 架 播 种 模 块 气 动 系 统 模 块 和 传 感 器 模 块 通 过 采 用 吸 盘 进 行 吸 种 播 种 和 双 排 播 种 的 方 式 提 高 播 种 机 的 播 种 精 度 和 效 率 并 建 立 了 种 子 吸 附 过 程 和 双 排 播 种 过 程 的 数 学 模 型 为 了 验 证 该 播 种 机 的 性 能 对 其 进 行 试 验 验 证 试 验 结 果 表 明 播 种 机 的 PLC 反 馈 控 制 系 统 响 应 速 度 快 精 度 高 播 种 性 能 良 好 且 能 满 足 精 密 播 种 的 要 求 关 键 词 精 密 播 种 机 气 吸 式 穴 盘 育 苗 播 种 效 率 播 种 精 度 双 排 播 种 中 图 分 类 号 S 2 2 3 2 3 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 3 1 8 8 X 2 0 2 2 0 1 0 1 6 1 0 4 0 引 言 随 着 我 国 经 济 的 发 展 和 设 施 农 业 技 术 的 进 步 我 国 的 种 植 业 结 构 逐 渐 由 个 体 小 面 积 管 理 方 式 转 变 为 大 面 积 的 工 厂 化 专 业 管 理 方 式 种 植 方 式 也 由 传 统 的 人 工 育 苗 转 变 为 效 率 更 高 的 工 厂 化 育 苗 方 式 即 采 用 机 械 育 苗 的 方 式 完 成 育 苗 过 程 1 其 中 育 苗 最 关 键 的 步 骤 是 播 种 过 程 而 目 前 我 国 市 场 上 的 育 苗 播 种 机 设 备 在 作 业 过 程 中 仍 存 在 种 子 提 供 和 播 种 过 程 效 率 较 低 取 种 播 种 过 程 不 够 精 确 等 问 题 需 要 对 现 有 的 播 种 机 进 行 改 进 研 究 精 度 较 高 效 率 较 高 的 精 密 播 种 机 以 提 高 播 种 效 率 降 低 工 作 强 度 机 械 育 苗 中 最 常 用 的 为 穴 盘 育 苗 的 方 式 2 3 目 前 市 场 上 主 要 的 穴 盘 育 苗 精 密 播 种 机 根 据 播 种 方 式 的 不 同 主 要 有 3 种 结 构 分 别 为 针 式 板 式 和 滚 筒 式 针 式 播 种 机 的 针 头 易 损 坏 种 子 降 低 播 种 成 功 率 且 播 种 效 率 较 低 滚 筒 式 播 种 机 容 易 在 播 种 时 漏 播 造 成 空 穴 率 较 高 造 成 土 地 浪 费 板 式 播 种 机 在 取 种 时 容 易 漏 种 造 成 空 穴 4 根 据 精 密 播 种 机 的 工 作 原 理 可 以 采 用 吸 盘 进 行 取 种 和 播 种 即 利 用 电 磁 阀 控 制 吸 盘 气 压 大 小 完 成 吸 种 和 播 种 过 程 这 种 方 式 可 以 在 保 证 种 子 质 量 的 前 提 下 使 吸 盘 适 应 不 同 尺 寸 的 种 子 提 高 吸 种 播 种 精 度 提 高 工 作 效 率 为 此 将 吸 盘 进 行 取 种 和 播 种 的 方 式 应 用 于 现 有 的 播 种 机 对 气 吸 式 育 苗 精 密 播 种 收 稿 日 期 2020 02 24 基 金 项 目 湖 北 省 教 育 厅 人 文 社 会 科 学 研 究 项 目 18G175 作 者 简 介 许 明 涛 1964 男 湖 北 房 县 人 副 高 E mail xwnj5bk 163 com 机 进 行 设 计 和 试 验 1 硬 件 设 计 1 1 总 体 设 计 为 了 提 高 气 吸 式 穴 盘 育 苗 精 密 播 种 机 的 播 种 精 度 采 用 PLC 控 制 器 和 传 感 器 模 块 进 行 播 种 时 的 反 馈 调 节 播 种 机 主 要 由 PLC 控 制 器 电 源 模 块 机 架 播 种 模 块 气 动 系 统 模 块 和 传 感 器 模 块 等 组 成 如 图 1 所 示 1 2 P L C 控 制 器 PLC 控 制 器 为 可 编 程 控 制 器 主 要 通 过 传 感 器 模 块 反 馈 的 播 种 机 各 项 参 数 实 现 对 精 密 播 种 机 各 模 块 的 反 馈 控 制 从 而 实 现 自 动 化 控 制 1 3 电 源 模 块 电 源 模 块 用 于 对 播 种 机 的 各 工 作 模 块 供 电 主 要 包 括 电 源 和 变 压 器 两 部 分 生 活 用 电 一 般 为 220V 的 交 流 电 源 考 虑 到 播 种 机 各 模 块 工 作 所 需 电 压 不 同 且 一 般 要 求 为 直 流 电 因 此 设 置 变 压 器 进 行 降 压 并 利 用 整 流 电 路 将 交 流 电 转 变 为 直 流 电 进 行 供 电 整 流 电 路 如 图 2 所 示 1 4 播 种 模 块 播 种 模 块 主 要 组 成 部 分 为 种 子 室 电 磁 振 动 器 种 子 吸 盘 换 向 机 构 及 滑 道 种 子 室 安 装 在 机 架 上 部 种 子 吸 盘 位 于 种 子 室 上 部 的 滑 轨 上 种 子 室 内 部 安 装 有 电 磁 振 动 器 用 于 在 作 业 时 利 用 振 动 将 种 子 抛 起 呈 单 粒 的 种 子 便 于 种 子 吸 盘 吸 住 种 子 种 子 室 模 型 如 图 3 所 示 为 提 高 播 种 机 的 工 作 效 率 播 种 机 分 别 设 置 左 右 两 组 种 子 室 和 种 子 吸 盘 通 过 换 向 机 构 连 接 两 个 种 子 吸 盘 1 6 1 2022 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期 图 1 播 种 机 总 体 结 构 设 计 图 Fig 1 The general design structure diagram of planter 图 2 整 流 电 路 设 计 图 Fig 2 Rectifier design 图 3 种 子 室 模 型 图 Fig 3 The seed chamber model diagram 1 5 气 动 系 统 气 动 系 统 模 块 主 要 由 气 道 调 压 阀 气 动 阀 旋 风 泵 和 气 缸 组 成 用 于 控 制 种 子 吸 盘 的 吸 种 动 作 为 了 与 种 子 吸 盘 对 应 气 道 也 分 为 左 右 两 个 气 道 分 别 与 左 右 种 子 吸 盘 连 接 气 道 与 旋 风 泵 连 接 并 在 连 接 部 位 设 置 调 压 阀 和 气 动 阀 用 于 调 节 气 体 压 力 进 而 控 制 种 子 吸 盘 的 吸 力 气 缸 的 换 向 阀 用 于 控 制 气 动 系 统 中 的 气 体 流 向 在 播 种 机 作 业 时 PLC 控 制 器 控 制 左 气 道 进 行 吸 气 控 制 种 子 吸 盘 进 行 吸 种 在 左 气 道 完 成 吸 种 的 同 时 右 气 道 进 行 播 种 当 右 气 道 播 种 完 成 后 气 动 系 统 的 气 体 换 向 由 右 气 道 吸 种 左 气 道 播 种 在 进 行 吸 种 和 播 种 时 可 以 根 据 种 子 大 小 调 节 气 压 使 气 动 系 统 适 应 不 同 类 型 的 种 子 1 6 传 感 器 模 块 传 感 器 模 块 主 要 组 成 为 压 力 传 感 器 位 置 传 感 器 和 速 度 传 感 器 用 于 监 控 播 种 机 作 业 过 程 中 的 各 性 能 参 数 并 及 时 反 馈 给 PLC 控 制 器 做 出 响 应 其 中 压 力 传 感 器 位 于 气 道 的 位 置 用 于 实 时 监 测 气 动 系 统 中 气 道 的 压 力 位 置 传 感 器 有 两 个 一 个 位 于 穴 盘 处 用 于 检 测 穴 盘 的 位 置 是 否 位 于 排 种 处 另 一 个 位 于 气 缸 处 用 于 检 测 气 缸 位 置 是 否 位 于 可 作 业 位 置 速 度 传 感 器 有 两 个 一 个 位 于 电 机 位 置 用 于 监 测 播 种 机 的 电 机 运 行 速 度 一 个 位 于 吸 盘 下 方 用 于 实 时 监 测 排 种 速 度 并 反 馈 给 PLC 控 制 器 通 过 计 算 可 以 得 到 播 种 间 距 并 与 设 置 的 播 种 间 距 进 行 分 析 对 比 实 时 调 节 播 种 间 距 播 种 机 的 闭 环 控 制 结 构 图 如 图 4 所 示 2 播 种 性 能 理 论 分 析 在 播 种 机 进 行 双 向 播 种 的 过 程 中 最 关 键 的 过 程 是 吸 种 和 排 种 过 程 在 这 个 过 程 中 种 子 和 吸 嘴 的 状 态 传 送 带 速 度 穴 盘 距 离 等 都 会 影 响 播 种 的 精 确 度 2 6 1 2022 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期 需 要 对 种 子 的 吸 附 过 程 和 双 向 排 种 过 程 建 立 数 学 模 型 确 定 吸 附 力 和 排 种 精 度 的 影 响 因 素 以 确 定 播 种 机 的 工 作 参 数 的 合 理 性 图 4 播 种 机 闭 环 控 制 结 构 图 Fig 4 The closed off control structure diagram of planter 2 1 种 子 吸 附 过 程 数 学 模 型 建 立 种 子 在 被 种 子 吸 盘 吸 附 时 的 受 力 分 析 如 图 5 所 示 图 5 种 子 吸 附 受 力 分 析 图 Fig 5 The force analysis diagram of seed absorption process 种 子 在 吸 附 时 主 要 受 到 的 力 为 绕 流 阻 力 F 1 上 升 力 F 2 气 体 浮 力 F 3 和 自 身 的 重 力 G 5 在 实 际 作 业 时 种 子 的 形 状 有 很 多 种 为 了 分 析 方 便 假 设 种 子 的 形 状 为 球 体 直 径 为 d 种 子 平 均 密 度 为 则 种 子 所 受 的 上 升 力 F 2 0 种 子 受 到 的 绕 流 阻 力 F 1 6 为 F 1 C S n 2 2 1 8 C d 2 n v 2 1 其 中 C 为 种 子 的 阻 力 系 数 S 为 种 子 表 面 积 n 为 气 体 密 度 v 为 气 体 流 速 气 体 浮 力 F 3 为 F 3 1 6 d 3 n g 2 自 身 重 力 G 为 G 1 6 d 3 g 3 种 子 能 够 被 吸 盘 吸 附 的 条 件 是 种 子 受 到 的 向 上 的 合 力 大 于 或 等 于 自 身 的 重 力 其 临 界 条 件 为 F 1 F 3 G 4 1 8 C d 2 n v 2 1 6 d 3 n g 1 6 d 3 g 5 求 解 上 式 可 以 得 到 种 子 被 吸 盘 吸 附 的 临 界 气 体 流 速 v 7 为 v 4 d n g 3 C n 6 由 图 5 可 以 看 出 气 体 在 从 吸 盘 的 吸 嘴 向 外 呈 逐 渐 扩 散 的 状 态 随 着 气 体 进 入 吸 嘴 流 速 逐 渐 增 加 并 在 吸 嘴 处 达 到 流 速 最 大 值 8 假 设 吸 嘴 中 心 作 为 一 个 球 体 的 中 心 气 体 流 速 相 等 的 位 置 看 做 一 个 球 面 则 距 离 吸 嘴 中 心 距 离 为 x 的 气 体 流 速 v 0 为 v 0 d 2 0 4 a 2 2 K K 1 p q p 1 p 0 2 K p 1 p 0 K 1 K 7 其 中 为 吸 嘴 在 球 面 的 夹 角 q 为 气 体 的 比 容 d 0 为 吸 嘴 直 径 p 为 其 正 常 状 态 压 强 q 为 气 体 比 容 K 为 气 体 的 比 热 比 p 1 为 吸 嘴 中 心 处 气 体 压 强 p 0 为 气 体 初 始 状 态 压 强 对 以 上 各 式 求 解 得 到 x 为 x 3 C 2 d 4 0 K p q p 1 p 0 2 K p 1 p 0 K 1 K 32 2 n d g K 1 8 式 8 即 为 种 子 吸 附 过 程 数 学 模 型 种 子 吸 盘 可 以 吸 附 种 子 的 最 大 高 度 与 种 子 的 密 度 和 直 径 吸 嘴 的 直 径 和 压 强 等 有 关 可 以 调 节 以 上 参 数 保 证 种 子 的 吸 附 2 2 双 向 排 种 过 程 数 学 模 型 建 立 排 种 模 型 的 建 立 是 通 过 穴 盘 在 T 时 间 周 期 的 运 动 距 离 与 吸 种 播 种 停 留 的 时 间 内 设 备 行 进 距 离 相 等 的 关 系 完 成 它 们 之 间 有 如 下 关 系 即 S v 1 T 0 2 T 1 T 2 T 3 T 4 k 9 其 中 S 为 电 机 在 T 时 间 周 期 内 的 行 进 距 离 v 1 为 电 机 的 运 行 速 度 T 0 为 PLC 控 制 器 响 应 时 间 T 2 为 吸 盘 吸 种 时 间 T 3 为 落 种 时 间 T 4 为 吸 盘 停 留 所 需 要 的 时 间 以 上 参 数 均 可 根 据 设 备 实 际 运 行 状 态 得 出 T 1 为 气 缸 运 动 所 需 要 的 时 间 根 据 气 缸 的 结 构 组 成 主 要 包 括 气 缸 自 身 运 行 时 间 排 气 时 间 和 换 向 阀 换 向 时 间 气 缸 自 身 运 行 时 间 非 常 短 可 以 忽 略 不 计 因 此 只 考 虑 排 气 时 间 和 换 向 阀 换 向 时 间 为 简 化 计 算 做 以 下 假 设 换 向 阀 总 容 积 一 定 排 气 截 面 定 为 排 气 截 面 积 与 充 气 气 阻 界 面 的 差 值 换 向 时 的 加 速 度 a 为 常 值 则 排 气 时 间 t 0 为 3 6 1 2022 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期 t 0 0 43 V S 0 1 T 0 P 1 P 0 1 7 1 10 其 中 V 为 排 气 总 体 积 S 0 为 排 气 截 面 积 T 0 为 气 体 的 绝 对 温 度 P 1 为 腔 体 内 部 克 服 摩 擦 力 后 的 压 力 P 0 为 气 体 压 力 换 向 阀 芯 从 开 始 移 动 至 换 向 结 束 的 时 间 t 1 为 t 1 2 d 1 a 11 其 中 d 1 为 换 向 阀 移 动 距 离 通 过 将 实 际 的 设 备 运 行 时 间 带 入 即 可 确 定 双 向 排 种 过 程 的 数 学 模 型 3 试 验 结 果 为 了 验 证 该 气 吸 式 穴 盘 育 苗 精 密 播 种 机 的 性 能 进 行 试 验 验 证 主 要 对 其 PLC 的 反 馈 控 制 系 统 和 播 种 性 能 进 行 试 验 验 证 3 1 P L C 反 馈 控 制 系 统 试 验 验 证 将 播 种 机 开 启 测 试 PLC 控 制 系 统 的 响 应 时 间 并 得 到 响 应 曲 线 如 图 6 所 示 图 6 PLC 控 制 系 统 响 应 曲 线 Fig 6 The response curve of PLC control system 由 图 6 可 知 PLC 控 制 系 统 的 响 应 速 度 快 精 度 高 可 以 满 足 播 种 机 设 计 精 度 高 的 要 求 可 以 采 用 PLC 控 制 系 统 进 行 控 制 3 2 播 种 性 能 试 验 验 证 选 择 一 块 土 地 对 播 种 机 进 行 播 种 性 能 测 试 在 种 箱 内 放 置 500 粒 黄 豆 种 子 开 启 播 种 机 进 行 播 种 完 成 后 统 计 播 种 后 的 空 穴 率 多 粒 率 破 碎 率 及 播 种 合 格 率 为 保 证 试 验 结 果 的 准 确 性 共 进 行 5 次 试 验 结 果 如 表 1 所 示 由 表 1 可 知 该 播 种 机 的 空 穴 率 多 粒 率 和 破 碎 率 均 低 于 3 合 格 率 均 高 于 96 8 可 以 满 足 精 密 播 种 的 要 求 保 证 了 播 种 机 的 可 靠 性 表 1 播 种 性 能 试 验 结 果 Table 1 The test results of seeding performance 组 号 空 穴 率 多 粒 率 破 碎 率 播 种 合 格 率 1 2 5 2 6 1 9 96 8 2 2 2 2 1 1 7 97 1 3 1 8 2 0 2 0 97 0 4 2 0 2 1 1 8 97 6 5 1 9 1 8 1 9 97 7 4 结 论 1 播 种 机 采 用 PLC 控 制 器 和 传 感 器 模 块 进 行 播 种 时 的 反 馈 调 节 主 要 组 成 为 PLC 控 制 器 电 源 模 块 机 架 播 种 模 块 气 动 系 统 模 块 和 传 感 器 模 块 2 通 过 采 用 吸 盘 进 行 吸 种 播 种 和 双 排 播 种 的 方 式 并 建 立 种 子 吸 附 过 程 和 双 排 播 种 过 程 的 数 学 模 型 提 高 播 种 机 的 播 种 精 度 和 效 率 3 为 了 验 证 该 播 种 机 的 性 能 对 其 进 行 试 验 验 证 试 验 结 果 表 明 播 种 机 的 PLC 反 馈 控 制 系 统 响 应 速 度 快 精 度 高 播 种 性 能 良 好 能 够 满 足 精 密 播 种 的 要 求 参 考 文 献 1 盛 国 成 盛 哲 各 具 特 色 的 穴 盘 育 苗 播 种 机 械 J 农 业 机 械 装 备 2010 1 10 11 2 袁 华 玲 张 金 云 张 学 义 等 蔬 菜 穴 盘 工 厂 化 育 苗 技 术 及 发 展 策 略 J 安 徽 农 业 科 学 2003 31 6 977 979 3 张 俊 杰 张 西 群 彭 发 智 等 蔬 菜 工 厂 化 播 种 育 苗 技 术 及 应 用 前 景 J 河 北 农 业 科 学 2013 17 4 20 23 4 周 长 吉 工 厂 化 穴 盘 育 苗 技 术 在 我 国 的 发 展 J 农 业 工 程 学 报 1996 12 12 102 107 5 盛 江 源 种 子 在 吸 孔 气 流 作 用 下 受 力 的 数 学 模 型 及 其 试 验 研 究 J 吉 林 农 业 大 学 学 报 1989 1 12 14 6 钟 声 玉 流 体 力 学 和 热 工 理 论 基 础 M 北 京 机 械 工 业 出 版 社 1980 103 108 7 杨 宛 章 气 息 式 播 种 机 种 子 吸 附 过 程 研 究 J 新 疆 农 业 大 学 学 报 2001 24 4 49 53 8 SHEAR S A Precisioin seed metering with a submerged tur bulent air jet J Transactioins of the ASAE 1991 34 3 下 转 第 182 页 4 6 1 2022 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期 D e s i g n a n d E x p e r i m e n t o f B i o n i c S h o v e l f o r S i n g l e R o w C a s s a v a R o o t H a r v e s t e r Li Donghe Peng Xuyou Liao Yulan Guo Daigui Shi Tingting College of Mechanic and Electronic Engineering Hainan University Haikou 570228 China A b s t r a c t Aiming at the problems of the difficulty in penetrating soil the unsatisfactory effect of breaking soil and elimi nating soil and the lack of work intensity a excavation shovel was put forward and designed of the cassava root harvester basing on the principle of bionics and combining with the knowledge of dynamics Basing on the experimental design method in Design Expert software the working speed soil moisture content and digging shovel type were taken as exper imental factors and the working parameters of excavating shovel were experimentally studied by using the rate of digging potato and the rate of injuring potato A quadratic orthogonal regression model between experimental factors and experi mental indicators was established The influence of each factor on each test index was analyzed The experimental factors were comprehensively optimized and the best working parameter combinations were determined as when the bionic shov el is chosen the advance speed of the machine is 1 5m s and the soil moisture content is 17 the harvesting effect of the whole machine is the best the rate of digging cassava is as high as 96 1 and the rate of injuring cassava is as low as 2 48 which meets the job requirements in harvesting cassava roots The field experiment was carried out on the cassava plants treated with pre treatment and the actual cassava excavation rate was 95 7 the cassava injure rate was 2 57 and compared with the software analysis values 96 1 2 48 the decrease was 0 42 and the increase was 3 50 which verified the accuracy of the software analysis The research data can provide reference for the mecha nized harvesting of cassava roots and it is of great significance for the excavation of cassava roots K e y w o r d s harvester bionic shovel cassava roots mathematical model Design Expert 上 接 第 164 页 A b s t r a c t I D 1 0 0 3 1 8 8 X 2 0 2 2 0 1 0 1 6 1 E A D e s i g n a n d T e s t o f t h e B r e a t h T y p e H o l e P l a t e S e e d i n g P l a n t e r Xu Mingtao 1 Chen Kun 2 1 Hubei Industrial Polytechnic Shiyan 442000 China 2 Hubei Shuangxing Intelligent Equipment Co Ltd Shiyan 442000 China A b s t r a c t Aiming at the problem of low efficiency and low accuracy during seeding process of the planter the breath type hole plate seeding planter was designed and verified The planter was constituted of PLC controller power module rack planting module pneumatic system module and sensor module The efficiency and accuracy were improved by u sing suck to seed and double row planting The mathematic model of seed absorption process and double row seeding process were built To verified the property of the planter the tests were done The test results show that the PLC feed back control system was fast response and high accuracy The seeding performance was well It could meet the require ment of the precision seeding K e y w o r d s seeding planter breath type hole plate seeding efficiency seeding accuracy double row seeding 2 8 1 2022 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期