吳紅雷，袁永偉，崔保健，弋景剛

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001)

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電動準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究

吳紅雷，袁永偉，崔保健，弋景剛

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定071001)

摘要：目前，設(shè)施蔬菜播種農(nóng)藝多以人工為主，而設(shè)施農(nóng)業(yè)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求農(nóng)業(yè)機(jī)械沿著智能化與自動化方向發(fā)展。為此，設(shè)計了一款適用于溫室的電動準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)，具備激光導(dǎo)航走直、轉(zhuǎn)彎靈活及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。同時，搭建了播種機(jī)的整體結(jié)構(gòu)模型，確定了差速轉(zhuǎn)向?yàn)槠滢D(zhuǎn)向方式；經(jīng)過對其播種開溝功率消耗和行走功率消耗理論推導(dǎo)與計算，確定了無刷直流電機(jī)的功率，并且計算了蓄電池的容量。該研究為電動準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)的樣機(jī)試制與設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：設(shè)施農(nóng)業(yè)；蔬菜播種機(jī)；電動

0引言

自20世紀(jì)90年代中期以來，我國設(shè)施蔬菜面積一直穩(wěn)居世界第1位，設(shè)施蔬菜面積約占世界總量的90%。就種植規(guī)模來說，我國無疑是種植大國，但設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械主要借鑒于以內(nèi)燃機(jī)為動力的大田機(jī)械，尺寸結(jié)構(gòu)大、操作不靈活、污染環(huán)境。在能源日益緊缺的情況下，隨著電池技術(shù)的發(fā)展及消費(fèi)者對蔬菜品質(zhì)要求的提高，研發(fā)電動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械成為一種趨勢，國外(如日本、韓國等)對溫室播種機(jī)具進(jìn)行了研究、推廣和應(yīng)用；但進(jìn)口機(jī)具價格高、維護(hù)不便、適應(yīng)性差[1-3]。與國外電動農(nóng)業(yè)機(jī)械的研究相比，國內(nèi)研究起步較晚且研究較少，播種機(jī)技術(shù)水平己經(jīng)制約了溫室蔬菜產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

針對種植蔬菜農(nóng)藝中畫線、撒播、間苗、收割以人力為主，不僅浪費(fèi)時間而且浪費(fèi)種子，且葉類蔬菜播種不直給后期收割帶來不便等現(xiàn)狀，開發(fā)了一種電動準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)。該播種機(jī)精準(zhǔn)播種、行距可調(diào)、轉(zhuǎn)向靈活，準(zhǔn)直行走精度滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)對蔬菜準(zhǔn)直播種的農(nóng)藝要求。

1總體結(jié)構(gòu)及工作流程

電動準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)主要由轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、激光引導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.排種器主動輪　2.鎮(zhèn)壓輪　3.覆土板　4.排種器從動輪

主要工作流程為：激光接收器自動找正裝置以12V微型直流電機(jī)作為動力源。播種前，激光束照到激光接收器上，控制器判斷激光束所處的位置，控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，直到激光束對準(zhǔn)激光接收器中間，實(shí)現(xiàn)激光接收器自動對中。播種時，激光信號作為走直引導(dǎo)信號，控制器通過采集激光接收器接收的激光束的照射位置，判斷播種機(jī)是否直線行駛；經(jīng)電磁剎車技術(shù)實(shí)現(xiàn)左右輪差速準(zhǔn)直校正，從而引導(dǎo)播種機(jī)沿著激光束平面直線行走。

2播種機(jī)核心部件設(shè)計

2.1　轉(zhuǎn)向方式的選擇

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的好壞直接影響了準(zhǔn)直精度，不同方式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)所需的控制方式也不同。對于精準(zhǔn)設(shè)施農(nóng)業(yè)來說，所選的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡單、便于控制、反應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定及轉(zhuǎn)彎半徑小等特點(diǎn)?，F(xiàn)對備選的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向、阿克曼轉(zhuǎn)向、差速轉(zhuǎn)向及合成軸轉(zhuǎn)向等4種轉(zhuǎn)向方式進(jìn)行比較[4-5]，其結(jié)果如表1所示。由于播種機(jī)的工作空間主要是狹小的溫室大棚，要求轉(zhuǎn)彎半徑小或者可以原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向必須靈活可控，而且能夠準(zhǔn)直行走；另一方面由于整機(jī)以車載蓄電池為動力源，宜采用兩個電驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)，因而采用差速轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠滿足播種機(jī)設(shè)計需要。

表1　轉(zhuǎn)向方式性能比較表

2.2　電驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

該播種機(jī)采用直流電機(jī)作為動力源，直流電機(jī)置于驅(qū)動輪內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動輪的一側(cè)端面通過螺栓緊固在一起，電機(jī)定子軸處在驅(qū)動輪端面中心位置，與車架連接，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝，兩驅(qū)動輪對稱安裝在播種機(jī)前方左右兩側(cè)，輸出軸與車架相連，電機(jī)轉(zhuǎn)動時驅(qū)動輪相對于機(jī)架產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，驅(qū)動播種機(jī)運(yùn)動，如圖3所示。當(dāng)兩個驅(qū)動輪速度相同時，播種機(jī)沿直線運(yùn)動，通過控制兩輪轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。

圖2　電驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)

驅(qū)動輪的外形結(jié)構(gòu)決定了驅(qū)動輪與地面的附著系數(shù)：表面太光滑時，容易造成打滑現(xiàn)象；太粗糙時地面經(jīng)驅(qū)動輪碾壓后會出現(xiàn)高低不平的情況，導(dǎo)致播種深度不一致，影響出苗率。為此，采用在驅(qū)動輪表面粘有高強(qiáng)度EVA膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅增加了驅(qū)動輪與地面的摩擦力，而且地面壤土經(jīng)驅(qū)動輪碾壓后會形成比較平整的表面，保證了種子播種深度的一致性，提高了出苗率。

圖3　驅(qū)動輪布置方案

3播種機(jī)的功率消耗和電機(jī)的選擇

經(jīng)過設(shè)施農(nóng)業(yè)蔬菜播種調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前蔬菜播種深度一般都在3~5mm，最深不超過10mm, 播種機(jī)工作中行走速度為0.5~0.8m/s。由此可以推算出播種開溝和行走功率消耗。

3.1　播種開溝功率計算

由于播種過程中地形土壤等因素比較復(fù)雜，播種開溝阻力計算一般采用簡單的經(jīng)驗(yàn)公式[6-8]。當(dāng)開溝器與前進(jìn)方向成一水平轉(zhuǎn)角φ時，開溝器沿作業(yè)方向的水平總阻力Fx可視為由以下幾部分組成，即

Fx=F1+F2+F3+F4+F5

其中，F(xiàn)1為切土阻力；F2為開溝器前土堆沿地面移動阻力；F3為開溝器與地面間的摩擦阻力；F4為土屑沿開溝器上升阻力；F5為土屑沿開溝器側(cè)移阻力。

F1=KbBhsinφ

其中，Kb為單位面積上土的切削阻力，取Kb=5×104N/m2；B為開溝器寬度，取B=0.32m；h為平均切土深度，取h=0.01m；φ為開溝器水平回轉(zhuǎn)角，取φ=90°。

F2=Gtμ2cosαsinφ/Ks

其中，Gt=ρvmg，vm=0.693BHL；μ2為土與土的摩擦因數(shù)，取μ2=0.3；Ks為土的松散系數(shù)，取Ks=1.06；H為開溝器高度，取H=0.08m；ρ為土的密度，北方輕質(zhì)土為ρ=1.2×103kg/m3。

F3=104K2Bλμ1

其中，K2為刀刃磨損后壓入土的比壓力，取K2=0.4MPa；λ為刀刃磨損后的接地長度，取λ=0.05m；μ1為土與鋼的摩擦因數(shù)，取μ1=0.5。

F4=0.5GtcosLδsinφ

其中，δ為開溝器切削角，取δ=50°。

F5=R0μ1cosφ

其中，R0為作用在開溝器上的法向。

播種開溝功率消耗為

P1=Fx·vm

其中，vm=0.8m/s為工作過程中最大速度。

播種開溝消耗的功率由上式計算可得：P1=160W。

3.2　行走功率計算

工作過程中驅(qū)動輪與地面接觸部分會產(chǎn)生法向、切向的相互作用力，受力分析[5]如圖4所示。

圖4　驅(qū)動輪行走受力圖

行走滾動阻力計算公式為

Ff=Gsfcosα

其中，Gs為整機(jī)質(zhì)重，取G=6×102N；f為滾動阻力系數(shù)，取f=0.25；α為坡度角，取α=0°。

播種行走功率消耗為P2=Ff·vm，則播種行走消耗的功率為P2=120W。

3.3　驅(qū)動電機(jī)的選擇

無刷直流電機(jī)因具有良好的調(diào)速性能在電力拖動中得到廣泛應(yīng)用[9-10]，其取消了電刷和換向器，直接采用位置信號傳感器感應(yīng)永磁轉(zhuǎn)子的位置，通過控制器邏輯判斷控制相應(yīng)的電極順序得電，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、壽命長、無級調(diào)速及電子剎車等功能?？紤]到車載電源為蓄電池，選擇無刷直流電機(jī)為播種機(jī)的驅(qū)動部件。本設(shè)計選擇的霍爾無刷直流電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2　主要技術(shù)性能參數(shù)

電動機(jī)功率與牽引力、行駛速度、電動機(jī)扭矩和電動機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

其中，Pw為電機(jī)功率(kW)；F為整機(jī)最大牽引力(N)；v為整機(jī)行走速度(m/s)；T為電機(jī)阻力矩(N·m)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；ηw為傳動效率。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式可得：F=502.6N。

理論上驅(qū)動電動機(jī)可以提供502.6N的牽引力，實(shí)際所能提供的牽引力還與整機(jī)質(zhì)量及地面附著系數(shù)有關(guān)。播種機(jī)行走時最大附著力FXmax與驅(qū)動輪法向反作用力FZ存在的關(guān)系為

FXmax=FZφ

其中，F(xiàn)Z為驅(qū)動輪法向反作用力；φ為附著系數(shù)，0.7。將數(shù)據(jù)帶入式中可得：FXmax=420N。

整機(jī)可提供的最大牽引力為420N，大于播種時的作業(yè)阻力，選取電機(jī)型號合適。

4蓄電池容量計算

其中，n為電池個數(shù);Cb為蓄電池額定容量(Ah)；E0為電池初始電動勢，E0=12V;Dη為電池放電深度，Dη=75%；k為放電指數(shù)，k=1.3～1.4，鉛酸電池k=1.347 ；Ib為額定放電電流，Ib=14.58A ；I為恒流放電電流，I=5.98A；P為電機(jī)的額定功率，P=350W。

帶入相關(guān)數(shù)值，計算得到：工作3h時，Cb≥11.9Ah，取Cb=20Ah。

5結(jié)論

1)針對目前設(shè)施蔬菜播種農(nóng)藝多以人工為主、浪費(fèi)時間和種子，以及葉類蔬菜播種不直給后期收割帶來不便等現(xiàn)狀，設(shè)計搭建了一種具備精準(zhǔn)播種、行距可調(diào)、轉(zhuǎn)向靈活的電動準(zhǔn)直蔬菜播種機(jī)。

2)采取電機(jī)轉(zhuǎn)子與驅(qū)動輪為一體、定子軸與機(jī)架固定，并在驅(qū)動輪表面粘有EVA膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅增加了附著力，且地面壤土經(jīng)驅(qū)動輪碾壓后得到比較平整的表面，保證了種子播種深度的一致性，提高了出苗率。

3)經(jīng)過理論分析與推導(dǎo)，得出了播種機(jī)工作過程中播種開溝和行走功率消耗，確定了驅(qū)動電機(jī)的功率和型號。

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Electric Collimating Vegetable Seeder Structure Design and Key Technology Study

Wu Honglei, Yuan Yongwei, Cui Baojian, Yi Jinggang

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Hebei，Baoding 071001，China )

Abstract：The current facility vegetable sowing process is still human-base, and the requirement of facility agriculture and precision agriculture is that agricultural machinery develops towards intelligent and automatic directions. In this paper we design a electric vegetable seeder for greenhouse, the machinery include some advantages that are the laser navigation for go straight and Flexible turning, energy saving and environmental protection. We also built the structure model of seeding machine, determining differential steering for steering mode. According to the sowing and ditching power consumption and walking power consumption theory, We decided to use brushless DC motor and calculate the capacity of the battery. That will lay the theoretical foundation for the development and design of electric collimation planter vegetables.

Key words：facility agriculture; vegetable seeder; electric

中圖分類號：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0105-04

作者簡介：吳紅雷(1988-)，男，河北保定人，碩士研究生，(E-mail)wuhonglei@163.com。通訊作者：弋景剛(1961-)，男，河北滄州人，教授，(E-mail)yjg@hebau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：河北省科技計劃項(xiàng)目(13227204D)

收稿日期：2015-07-16