楊　薇，李建東，張　翔，楊然兵，赫志飛，張東旭

(1.中機美諾科技股份有限公司，北京　100083；2.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島　266109 )

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小區(qū)株行條播機彈匣式上種裝置的設(shè)計與試驗

楊薇1，李建東1，張翔2，楊然兵2，赫志飛1，張東旭1

(1.中機美諾科技股份有限公司，北京100083；2.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島266109 )

摘要：針對現(xiàn)有小區(qū)株行條播機手動上種人工勞動量大、工作效率低下的情況，設(shè)計了一種株行條播機彈匣式上種裝置。上種裝置包含直流電機、接近開關(guān)、種盒導梯、種子導流部件、種盒插板、種盒組、種盒推塊、機架、護板、鏈輪傳動機構(gòu)及插板鎖緊機構(gòu)。為此，闡述了彈匣式上種裝置的構(gòu)造特點及工作原理，對極易卡滯的種盒推塊入軌環(huán)節(jié)進行了對比和力學分析；研究了多種電控傳感器與檢測方案，并對電控部分的工作流程進行了設(shè)計。通過對彈匣式上種裝置的可靠性試驗表明：裝置各項指標合格率達到93%以上，上種最終作業(yè)合格情況達到98.6%,裝置的連續(xù)作業(yè)可靠性及上種準確性符合小區(qū)育種精密性要求。

關(guān)鍵詞：株行條播；上種裝置；彈匣式；自動控制

0引言

隨著我國良種繁育技術(shù)的快速發(fā)展，育種試驗小區(qū)的整體規(guī)模和標準化程度也在不斷提高，相對于快速發(fā)展的育種技術(shù)，相關(guān)育種機械裝備的研發(fā)還相對滯后[1]。針對小區(qū)育種的優(yōu)選繁育階段，在初步研發(fā)出小區(qū)株行條播機的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)機械化上種，進一步解放勞動力已成為當前育種機械裝備的一大研發(fā)方向[2]。

當前上種裝置研發(fā)的難點在于：①如何選取合適的種盒進給方式，使得種盒移動平穩(wěn)；②如何使種盒在兩板的軌道拼接處順利通過，避免發(fā)生卡滯現(xiàn)象；③如何使每次上種時種盒口準確對齊導種口，避免種子溢散出導種區(qū)域發(fā)生種子的浪費或混雜現(xiàn)象。由于目前還未有相對成熟的上種裝置，國內(nèi)現(xiàn)有的育種播種機的上種環(huán)節(jié)仍采用人工上種[3]，在同時播種6行以上不同種子時單人上種已無法適應(yīng)機械自動播種速度，需停機上種，已成為影響小區(qū)播種機工作效率的一個原因。

本次設(shè)計的上種裝置將彈匣碼放子彈的原理運用到種盒排列與進給當中，并針對上述難點做了逐一的探索與設(shè)計：對種盒內(nèi)種子在軌道銜接處的運動狀態(tài)進行了模擬試驗；創(chuàng)新應(yīng)用了電控自動檢測及上種技術(shù)，減輕了育種工作人員的作業(yè)強度，進一步解放了勞動力。該裝置的研發(fā)對小區(qū)株行條播機效率提升作用明顯。

1原理分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1裝置結(jié)構(gòu)

彈匣式上種裝置的總體結(jié)構(gòu)主要由直流減速電機、接近開關(guān)、種盒導梯、種子導流部件、種盒插板、種盒組、種盒推塊、機架、護板、鏈輪傳動機構(gòu)及插板鎖緊機構(gòu)等部分組成，如圖1所示。

1.直流減速電機　2.接近開關(guān)　3.種盒導梯

1.2設(shè)計原理及工作流程

1.2.1設(shè)計原理

研發(fā)的上種裝置與軍事上彈匣裝彈的工作原理相似，即外型尺寸標準化的種盒通過整齊疊放，順序完成進給、上種、拋盒動作，并在彈匣裝彈原理的基礎(chǔ)上結(jié)合農(nóng)藝要求進行了全新的設(shè)計。為保證種盒的進給平穩(wěn)(防止種子劃傷和塑料種盒受損)，上種裝置改軍事上的托彈簧頂壓托彈板的沖擊性動作為由電機帶動鏈條推動種盒推塊的勻速運動方式。因種盒內(nèi)種子是靠自身重力完成對排種器的供種，為了使進給順暢，種子導流部分沒有裝填槽等限位裝置，采用傳感器對種盒行程進行檢測，控制啟停。不同于軍事上的連續(xù)瞬發(fā)機制，上種裝置需對兩次上種作業(yè)之間進行延時操作為小區(qū)播種預留出作業(yè)時間，具體延時步驟如圖2所示。

圖2　上種裝置延時動作步驟簡圖

1.2.2工作流程

彈匣式上種裝置的種盒與種盒插板在種子加工環(huán)節(jié)就已完成分揀、裝盒與穿板工作(將種盒依次排列串接到種盒插板上)。上種作業(yè)前，先將種盒板插入種子導流部件后方的預留插槽處，放下插板，合上插板鎖緊裝置，完成預備工作。

小區(qū)播種機行駛到第1個小區(qū)時開始進行上種作業(yè)，電機輸出動力帶動鏈條運動，鏈條上的種盒推塊在鏈條帶動下推動整個種盒組沿種盒插板向前進給，直到首排種盒觸碰到種子導流部件前端的開關(guān)元器件時電機停轉(zhuǎn)，首排種盒的對齊工作完成。之后，每完成一個小區(qū)的播種作業(yè)只需進給1個種盒的行程，播完種盒會自行沿種盒導梯滑走，如此往復即能完成多個小區(qū)的連續(xù)作業(yè)。

2關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1種盒推塊與推塊滑道的設(shè)計

種盒推塊是上種裝置的主要工作部件，其運動穩(wěn)定性直接影響到種盒的進給是否平穩(wěn)[4]。由于在工作狀態(tài)下推塊需要頻繁地進出滑軌，如設(shè)計不當會造成碰撞震動磨損零件，嚴重的會造成卡滯現(xiàn)象，損壞傳動裝置，所以在種盒推塊凹槽處設(shè)計了過渡圓弧，在滑軌端口設(shè)計出導引斜坡；但在工作狀態(tài)下還需考慮鏈條的上下振動，增大軌道面與槽面間預留間隙是解決問題的根本途徑。在機架尺寸確定的情況下，設(shè)計中對推塊凹槽進入軌道的角度在CAD中進行了擺放和分析，如圖3所示。選取的3個測算點中，推塊從豎直角度到18°過程中，預留間隙增大了0.6mm，約為豎直狀態(tài)下尺寸的4/3，性能提升效果顯著；而在入軌角度從18°增至32°過程中，間隙提升效果有限，僅增加了0.07mm。

圖3　推塊入軌角度對預留間隙的影響效果示意圖

通過分析可以看出：入軌角度越大，則預留間隙越寬，槽口通過軌道進入端概率也隨之增加；但同時看到軌道延伸方向與槽口方向的交角也增大，同樣影響的卡殼問題的消除。如圖3所示，推塊能否順利通過導軌取決于槽口與軌道端沿接觸時推進力能否大于阻力，所以應(yīng)對該零件瞬態(tài)受力情況進行分析。相對于推塊體積，施加應(yīng)力都較集中，近似為所有外力集中于一點G，因為F合=F3sinα+FNcosα，通過條件變?yōu)镕合≤F額(額定負載)。垂直凹槽方向的受力情況為

F1=F2sin(90°-α+β)+FN

(1)

式中F1—槽面受軌道端沿阻力；

F2—過渡圓弧受軌道底面阻力；

FN—垂直凹槽的拉力平衡力。

平衡狀態(tài)下沿凹槽的方向受力情況為

F3=F1cosα+Ff+F2sinβ

Ff=FNu

(2)

式中F3—鏈條沿槽向動力；

Ff—沿槽向摩擦力；

u—凹槽表面摩擦系數(shù)(鋼與青銅u=0.15)。

將式(1)代入式(2)得

F3=F1cosα+u[F1-F2sin(90°-α+β)]+F2sinβ

(3)

其中，F(xiàn)2為恒定阻力；β值固定。鏈條沿槽向動力F3直接受α影響，摩擦力中含α的項在0.15的摩擦系數(shù)下效果不明顯。由此可以看出：隨著傾斜角度90°-α的增加，F(xiàn)1cosα值增加，所以F3的值加大。

從當量守恒角度考慮，由公式mΔv=Ft，要從V1變?yōu)閂2在接觸時間較短的情況下需大幅增加鏈條的向心拉力FN，減小FN的根本措施是減小ΔV(即減小兩速度間夾角90°-α) ，如圖4所示。

圖4　種盒推塊入軌狀態(tài)受力分析及速度變化圖

經(jīng)分析對比和模擬試驗，最后得出推塊入軌角度的最優(yōu)值為18°。

2.2種盒插板與種子導流部件銜接處設(shè)計

由于種盒插板在小區(qū)連續(xù)作業(yè)時需定時更換，所以設(shè)計時需考慮到快換特點及良好的操作性[5]，寬松的夾持連接在顛簸路況下必然會在兩零件連接處出現(xiàn)輕微的滑移和震動現(xiàn)象，嚴重的會卡滯種盒。如圖5所示，設(shè)計中運用了彈簧伸縮擋塊，相比螺釘旋緊定位更加方便快捷；銜接處采用了上下搭接的方式，兩板拼接處各切薄對應(yīng)厚度的材料，前板打薄上端面，后板打薄下端面，同時在前板的切薄處的左右和上端做出一個導引的斜坡，在后插板端面加工出1個0.5mm厚槽，進一步提高容錯率。

此種設(shè)計方式對盛裝大顆粒種子的種盒影響較小[6]，而對于在種盒存放的小顆粒種子會在交縫處出現(xiàn)殘留現(xiàn)象。改進措施為將兩板切薄面調(diào)轉(zhuǎn)，此種方式上端支撐面拼接處還是會有阻礙可能，需提高加工精度。

2.3電氣控制部分設(shè)計

2.3.1開關(guān)的方案選擇與設(shè)計

彈匣式上種裝置的電控開關(guān)的選擇與安置是此次設(shè)計的難點。首先，傳動鏈條的運動最終是以種盒的移動進給為目的，在傳動軸上裝電控開關(guān)不利于檢測種盒的移動；其次，種盒是已經(jīng)標準化的塑料件，在其上裝電控開關(guān)也不現(xiàn)實；再次，由于種盒的排列相對緊湊，且外表面有坡度，普通的觸點行程開關(guān)無法伸入盒間間隙，又不能規(guī)避種盒表面坡度帶來的誤差[7]。針對上述電控開關(guān)配置的限制，在此次設(shè)計中一共提出以下3種待選擇方案。

1)方案1：采用步進電機驅(qū)動鏈輪軸的方式，省去了電控開關(guān)元器件，傳動精度大幅提升；但步進電機沒有反饋調(diào)節(jié)，電機內(nèi)部的累進誤差不可消除。

2)方案2：采用接近開關(guān)作為檢測傳感器與減速電機配合完成作業(yè)，通過檢測種盒間的間隙來判斷進給行程，可以做到誤差的反饋調(diào)節(jié)，也規(guī)避了種盒的表面形狀的干擾，但此種方式傳感器安置較為復雜，既不能影響種盒行進，又需將檢測頭靠近種盒面，且傳感器與種盒間如遇到遮擋檢測效果會變差。

3)方案3：采用應(yīng)變片作為檢測傳感器與減速電機配合完成作業(yè)。該方案將應(yīng)變片放置在種子導流部件的種盒支撐面上，利用種盒通過時應(yīng)變片表面壓力的變化來判斷進給行程，結(jié)構(gòu)緊湊，抗外界干擾性強；但由于種盒是緊湊型排列，豎直方向只有自身重力，壓力變化較小，應(yīng)變片對壓力的敏感性會導致結(jié)果誤差較大，造成作業(yè)發(fā)生錯誤。

經(jīng)過對比分析，考慮到精確度對育種試驗的重要性，為了盡可能地規(guī)避由于機械與電控自身存在的誤差對試驗的影響[8]，設(shè)計最終選用了第2套方案。即在一側(cè)機架為接近開關(guān)，設(shè)置一可動機座，可調(diào)整接近開關(guān)位置，豎向上架高接近開關(guān)空出推塊的位置，接近開關(guān)的感應(yīng)距離需大于種盒壁的間隔距離，感應(yīng)面積需小于種盒間的間隙量。其電氣控制流程圖如圖5所示。

圖5　插板固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6　電氣控制流程圖

2.3.2電機參數(shù)選擇

設(shè)計中選用18齒節(jié)距為12.7的前鏈輪，分度圓直徑為73mm，種盒寬度為60mm，即鏈輪轉(zhuǎn)過1周共向前進給約4個種盒，種盒進給速度不宜過快[9]，要求電機具有低速運轉(zhuǎn)功能。以盛裝蕎麥為例，裝置最多可一次安放10組種盒，每組6行式種盒自重0.2kg，種盒內(nèi)種子量為每腔約40g，每一整盒種子約重240g，負載總重4.4kg。考慮到機械內(nèi)部阻力及軌道接觸面間摩擦等因素，將額定負載擴大至16kg，計算得轉(zhuǎn)矩約為6N/m。最終，本設(shè)計選用的減速電機參數(shù)如下：

型號：GPG-05SC

電壓/V：12

電流/A：1.39

轉(zhuǎn)速范圍/r·min-1：1～1 800

功率/W：10

3性能試驗與結(jié)果

3.1試驗基本條件

性能試驗在位于河北固安的中機美諾科技股份有限公司的試制車間進行。試驗采用蕎麥品種為平蕎2號，隨機抽選百粒，測算平均長×寬×高為6.23mm×3.43mm×2.99mm，千粒質(zhì)重為30g，種子含水率為10.4%，尺寸具有較強的代表性。

3.2試驗步驟

試驗主要是檢驗上種裝置的作業(yè)可靠性。試驗中，每個種盒的6個腔中每腔裝填100粒，每個種盒插板按上限數(shù)排布10個種盒；上種試驗流程模擬小區(qū)連續(xù)播種的作業(yè)步驟，每完成一個種盒的上種，留存上種原情況，待完成整個插板的上種后統(tǒng)計每個種盒的性能合格情況。每個插板從換裝到上種完成用時約9min，每天試驗20個插板，用時3h，試驗共持續(xù)5天時間，總用時約為15個h。同時，從工作頻率到工作時間考慮上消除試驗誤差，保證裝置性能檢驗的準確性和可靠性[9]。

3.3試驗結(jié)果

上種裝置試驗結(jié)果如表1所示。

表1　彈匣式上種裝置試驗性能結(jié)果

由表1可以看出：推塊的進給速度波動較小，減速電機的選型和工作穩(wěn)定性較佳，而每播完10盒的累積進給偏移量則比進給速度的變異系數(shù)高24.8%。這些已在電控設(shè)計時考慮到，并合理地控制在可準確完成上種的要求波動范圍內(nèi)。

對于上種裝置的機械性能，國家還沒有明確的評價指標，所以在此次試驗中以多角度、高標準對指標進行設(shè)置。從表1后4項可以看出：彈匣式上種裝置的各項指標合格率均在98.6%以上，即在小區(qū)播種的上種環(huán)節(jié)，每1 000個小區(qū)中有986個小區(qū)完成準確上種，在連續(xù)作業(yè)情況下，裝置可靠性較強。

4結(jié)論

1)設(shè)計研發(fā)的上種裝置利用彈匣式上種原理，順序進給，裝置可靠性高，通過電氣控制可以與小區(qū)播種機配合完成自動化播種作業(yè)。

2)對軌道端面的結(jié)構(gòu)和推塊的入軌角度進行了重點研究，經(jīng)過對比和力學分析確定了軌道端面結(jié)構(gòu)，得出推塊的最佳入軌角度為18°。在軌道拼接處創(chuàng)新應(yīng)用了兩板搭接，開設(shè)微型插槽的結(jié)構(gòu)，保證了插板的快速更換。電控部分考慮到開關(guān)精度和方案可行性，優(yōu)選了接近開關(guān)檢測方式，電機選擇合理，在試驗中進給速度波動較小。

3)上種裝置構(gòu)造簡單，結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理。在試驗過程中，先前優(yōu)化的種盒推塊入軌角度對上種裝置性能提升明顯，卡滯率僅為1.1%。但試驗過程中發(fā)現(xiàn)，每完成10個種盒的上種后，累積的進給偏移的變異系數(shù)偏高，需要進一步優(yōu)化傳感器靈敏性，提高機具的動作精度。

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Design and Experiment of Magazine-fed Seed-distributing Device for Row-seeding Spaced Planter

Yang Wei1, Li Jiandong1, Zhang Xiang2, Yang Ranbing2, He Zhifei1, Zhang Dongxu1

(1.MENOBLE Co.，Ltd, Beijing 100083, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：In order to solve the problems of considerable manual-labor consumption and low efficiency, a magazine-fed seed-distributing device for row-seeding spaced planter has been designed, which is composed of continuous current dynamo, approach switch, seed-box guider, seed guider, seed-box flashboard, seed-box group, pushing block, frame, guard board, sprocket drive mechanism and lock mechanism. The structure and operating principle are explained. The analysis and comparison of mechanics for the working process of pushing block have been done. Various detection schemes of electronic sensors are studied. The workflow of electrical control is designed. By means of the reliability tests, the qualification rates of the indicators have reached over 93% of which the qualification rate of seed-distributing has reached 98.6%. The continuous operational reliability of this device accords with the requirements of the spaced breeding precision.

Key words：row-seeding; seed-distributing device; magazine-fed; automatic control

文章編號：1003-188X(2016)02-0072-05

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

作者簡介：楊薇(1984-)，女，天津人，工程師，碩士，(E-mail)yangw@maen.com.cn。

基金項目：國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203028.1)

收稿日期：2014-12-24