【正文】 秧盤(pán)育秧精密播種機(jī)總體配置 10 2 水稻秧盤(pán)育秧精密播種機(jī)總體配置 總體結(jié)構(gòu) 水稻秧盤(pán)育秧播種流水線(xiàn)主要由機(jī)架、供盤(pán)裝置、播底土裝置、播種裝置 (勺式槽輪 供種裝置和振動(dòng)播種器 )、覆表土裝置、清掃裝置、淋水裝置、取秧臺(tái)、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及空氣壓縮機(jī)等組成（圖 ）。工作原理為：人工把秧盤(pán)送入供送裝置的上層，光電傳感器控制供送裝置依次將秧盤(pán)送至連續(xù)運(yùn)動(dòng)的輸送鏈上，經(jīng)過(guò)鋪底土、播種、覆表土、清掃、淋灑水等工序，完成整個(gè)秧盤(pán)育秧播種過(guò)程。 圖 水稻秧盤(pán)育秧精密播種流水線(xiàn)總體結(jié)構(gòu)示意圖 振動(dòng)式精密播種裝置結(jié)構(gòu)及工作原理 振動(dòng)式精密播種裝置包括定量供種器和氣動(dòng)振盤(pán)。 定量供種器采用電磁振動(dòng)種室，在勺式外槽輪充種區(qū)上方形成振動(dòng)連續(xù)的反 “S”形薄層續(xù) 種流。在定量供種試驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立定量供種模型。氣動(dòng)振盤(pán)有V 形播種盤(pán)和充種平盤(pán)兩種形式，由氣動(dòng)振動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)定量供種器排出的脈動(dòng)種子進(jìn)行篩分除雜，形成均勻分布的種子流，在保證水稻種子沿氣動(dòng)振盤(pán)運(yùn)動(dòng)條件下，重點(diǎn)進(jìn)行氣動(dòng)振盤(pán)排種速度優(yōu)化，同時(shí)給出種子流對(duì)播種均勻性的影響規(guī)律，確定不同種子流和供種量的排種氣動(dòng)振動(dòng)器壓強(qiáng)。 氣動(dòng)振盤(pán)主要由排種盤(pán)、氣動(dòng)振動(dòng)器、振動(dòng)板簧和支架等組成。由振動(dòng)板簧把排種盤(pán)懸吊在支架內(nèi)側(cè)，調(diào)整支架的安裝角度，可保證排種盤(pán)與水平面夾角 α1在 4176?！?10176。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；氣動(dòng)振動(dòng)器安 裝在排種盤(pán)上橫梁的中間位置，振動(dòng)方向角為 δ1，其振動(dòng)引起振動(dòng)板簧帶動(dòng)排種盤(pán)產(chǎn)生有規(guī)律的振動(dòng)，調(diào)節(jié)振動(dòng)器的輸入氣體壓力 P(～)，可促使落于排種盤(pán)內(nèi)的種子按照順序向下滑行，完成播種或者充種過(guò)程。 如(圖 )所示。 工作原理為定量供種器可將精量的種子從種箱中分離出來(lái)，拋擲到氣動(dòng)振盤(pán)的排種盤(pán)上，經(jīng)過(guò)篩分除雜后，由氣動(dòng)振盤(pán)均勻的排出。可用于對(duì)秧盤(pán)直接播種或者為氣力式雙層滾筒播種器的充填區(qū)穩(wěn)定供種。 水稻秧盤(pán)育秧精密播種機(jī)總體配置 11 振動(dòng)器 圖 振動(dòng)式精密播種裝置結(jié)構(gòu)示意圖 振動(dòng)式排種器設(shè)計(jì) 12 3 氣動(dòng)振盤(pán)基本理論及振動(dòng)器選取 氣動(dòng)振盤(pán)排種的基本理論 如 (圖 )所示 ,采用勺式外槽輪供種存在脈動(dòng)，不太適合直接播種或者充種。本研究的氣動(dòng)振盤(pán)可在振動(dòng)力作用下，使滑落到排種盤(pán)上的種子分散平鋪，并繼續(xù)向下滑動(dòng)，經(jīng)篩分除雜后，流入 V 形槽板或者充種室板內(nèi)，通過(guò)調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)的工作參數(shù)，控制種子的流動(dòng)速度，使原本分段下滑的種群，形成均勻連續(xù)的種子流，按照既定的生產(chǎn)率達(dá)到均勻播種或穩(wěn)定充種的目 的。 水稻種子輸送的基礎(chǔ)理論分析 稻種子屬散粒物料，散粒體動(dòng)力學(xué)理論表明，為使物料運(yùn)動(dòng)更加均勻穩(wěn)定，必須減少散粒體的內(nèi)摩擦因數(shù)，可增加其流動(dòng)性，而特定物料的內(nèi)摩擦因數(shù)是常數(shù)，要想在不改變物料狀態(tài)的情況下改變其內(nèi)摩擦因數(shù)是不可能的，因此為改變水稻種子流動(dòng)性，可以采用振動(dòng)原理使其形成 “準(zhǔn)流體 ”。 目前振動(dòng)形式主要有簡(jiǎn)諧直線(xiàn)振動(dòng)、非簡(jiǎn)諧直線(xiàn)振動(dòng)、圓周振動(dòng)、橢圓振動(dòng)等。確定振動(dòng)形式后，通過(guò)改變振動(dòng)系統(tǒng)的工作參數(shù) (振幅、頻率、工作面傾角、振動(dòng)方向角等 )，使振動(dòng)工作面帶動(dòng)其上的散粒物料產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)形式，相對(duì)于 工作面散粒物料的運(yùn)動(dòng)形式主要有：靜止、沿工作面下滑、沿工作面上行、拋擲運(yùn)動(dòng)等。 為滿(mǎn)足均勻播種或穩(wěn)定充種的需要，本研究將采用簡(jiǎn)諧直線(xiàn)振動(dòng)形式的氣 動(dòng)振盤(pán)系統(tǒng)，使水稻種子產(chǎn)生沿盤(pán)面下滑或拋擲運(yùn)動(dòng)。 振動(dòng)器的選擇 因水稻芽種濕度較大，形狀不規(guī)則，芽長(zhǎng)不整齊等特點(diǎn)，使其流動(dòng)性比較差。通過(guò)試驗(yàn)觀察，振動(dòng)系統(tǒng)的頻率和振幅對(duì)流動(dòng)性影響比較明顯，因此為獲得較好的排種流動(dòng)性，所選用的振動(dòng)器要具有頻率和振幅可調(diào)且調(diào)節(jié)范圍寬，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。 電磁振動(dòng)器 對(duì)播種器的振動(dòng)，以往大部分都采用電磁振動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn) ，因受電壓頻率限制 (一般為 0～ 50Hz)，在實(shí)際使用過(guò)程中，頻率變化范圍比較小，多用于低頻場(chǎng)合，單個(gè)電磁鐵的往復(fù)振動(dòng)的產(chǎn)生，還需配備能使其復(fù)位的彈性機(jī)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜 (圖 )，雖然振幅和頻率可以調(diào)節(jié)，但電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜，易受到干擾，影響振動(dòng)效果。 振動(dòng)式排種器設(shè)計(jì) 13 a) 電磁振動(dòng)器應(yīng)用 b) 控制電路板 圖 電磁振動(dòng)播種器及控制電路板 氣動(dòng)振動(dòng)器 瑞士 Findeva 公司生產(chǎn)的 FP 系列氣動(dòng)活塞振動(dòng)器 (圖 )，具有直線(xiàn)振動(dòng)功能，其內(nèi) 部結(jié)構(gòu)如（圖 ），頻率和離心力由氣壓控制，空氣壓縮機(jī)提供氣源，通過(guò)氣體調(diào)壓閥控制進(jìn)氣壓力和流量來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率和離心力的調(diào)節(jié)，振動(dòng)頻率高達(dá) 4000Hz。 本研究根據(jù)試驗(yàn)條件以離心力大和耗氣量少為原則選擇了 FP18M 型氣動(dòng)活塞振動(dòng)器，以下簡(jiǎn)稱(chēng)氣動(dòng)振動(dòng)器 (圖 )，其技術(shù)參數(shù)、形狀及安裝參數(shù)見(jiàn)表 和表 。 a) b) c) d) 圖 FP 系列氣動(dòng)活塞振動(dòng)器 振動(dòng)式排種器設(shè)計(jì) 14 圖 氣動(dòng)活塞振動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖 表 FP18M 型氣動(dòng)活塞振動(dòng)器的技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 不同壓強(qiáng)（ MPa）下的頻率 Hz 不同壓強(qiáng)（ MPa）下的離心力 N 不同壓強(qiáng)（ MPa）下空氣消耗量 Lmin1 噪聲 級(jí) 極限值 4000 5000 5900 68 134 188 4 28 52 61 67 注：離心力數(shù)據(jù)是在重型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上取自 Kistler 3 軸測(cè)力計(jì) 表 FP18M 型氣動(dòng)活塞振動(dòng)器的形狀及安裝尺寸 型號(hào) 振動(dòng)器高度mm 振動(dòng)器的最大直徑 mm 安裝螺栓mm 進(jìn)氣口螺紋 排氣口螺紋 總重量kg FP18M 94 48 M8*13 1/8 1/8 氣動(dòng)振動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)理論 根據(jù)氣動(dòng)振動(dòng)器的直線(xiàn)往復(fù)振動(dòng)功能和氣動(dòng)振盤(pán)的結(jié)構(gòu)可知，由氣動(dòng)振動(dòng)器和排種盤(pán)組合在一起形成的氣動(dòng)振動(dòng)體，作簡(jiǎn)諧直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方程為 S = Asin? () 式中： A 為振動(dòng)體振幅， μ m； ? 為振動(dòng)相位角， ? = ωt， rad； ω 為振動(dòng)角頻率， ω = 2πf， rad/s； f 為振動(dòng)頻率， Hz； t 為時(shí)間， s。 振動(dòng)式排種器設(shè)計(jì) 15 a) 0 ≤ sinω t≤1 b) ? 1 ≤sinωt≤0 圖 種子在排種盤(pán)上的受力 如 (圖 )所示，在 xoy 坐標(biāo)系中，振動(dòng)體沿 x 方向和 y 方向的分位移方程為 Sx=ACosδ1sinωt， Sy=Asinδ1sinωt （ ） 式中： δ1 為振動(dòng)方向角， 對(duì)上式求導(dǎo)得速度方程為 Vx=AωCosδ1Cosωt， Vy=Aωsinδ1Cosωt， （ ） 同理加速度方程為 αx=Aω2Cosδ1sinωt， αy=Aω2sinδ1sinωt， （ ） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 4 振動(dòng)式精密播種裝置 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為滿(mǎn)足超級(jí)稻精量播種、少傷種的技術(shù)要求，本章將采用振動(dòng)原理對(duì)振動(dòng)式精密播種裝置 的基本理論及工作性能進(jìn)行研究和分析。 該裝置主要包括定量供種器和氣動(dòng)振盤(pán)兩部分。定量供種器采用電磁振動(dòng)種室，在勺式外槽輪充種區(qū)上方形成振動(dòng)連續(xù)的反 “S”形薄層續(xù)種流。在定量供種試驗(yàn)基礎(chǔ)上，基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立定量供種模型。氣動(dòng)振盤(pán)有 V 形播種盤(pán)和充種平盤(pán)兩種形式，由氣動(dòng)振動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)定量供種器排出的脈動(dòng)種子進(jìn)行篩分除雜，形成均勻分布的種子流，在保證水稻種子沿氣動(dòng)振盤(pán)運(yùn)動(dòng)條件下，重點(diǎn)進(jìn)行氣動(dòng)振盤(pán)排種速度優(yōu)化，同時(shí)給出種子流對(duì)播種均勻性的影響規(guī)律，確定不同種子流和供種量的排種氣動(dòng)振動(dòng)器壓強(qiáng)。 水稻芽種的物料特性 種子的形狀和尺寸直接影響到種子在播種裝置內(nèi)的充填和流動(dòng)性能，在選擇播種裝置結(jié)構(gòu)時(shí)，首先要考慮這個(gè)基本參數(shù)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表 。 表 水稻芽種的外形尺寸 項(xiàng)目 秀優(yōu) 5 號(hào) 兩優(yōu)培九 培雜泰豐 空育 131 長(zhǎng)度均值 a mm 寬度均值 b mm 高度均值 c mm 干種千粒重 g/千粒 芽種千粒重 g/千粒 滑動(dòng)摩擦角 靜摩擦角 176。 176。 176。 176。 176。 176。 176。 176。 定量供種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 定量供種器主要由種箱、振動(dòng)板、電磁振動(dòng)器、調(diào)節(jié)門(mén)、橡膠彈性板、勺式外槽輪及調(diào)速電機(jī)構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及功能如下： 1）調(diào)節(jié)門(mén) 調(diào)節(jié)門(mén)安裝在勺式外槽輪的正上方，與槽輪外表面的距離為 H 排 ，在試驗(yàn)中，一般H 排 在 ～ 范圍內(nèi)取值 (種子高度大于 2mm，可避免種子沿槽輪外表面帶出 )，調(diào)節(jié)門(mén)的下部安裝有韌性較強(qiáng)的橡膠或者毛刷，起到 柔性清種的作用。 2）橡膠彈性板 設(shè)于箱體內(nèi)的橡膠彈性板的前部貼附在勺式外槽輪的左右兩側(cè)和后方，其前方開(kāi)口(圖 )，寬度與秧盤(pán)播寬 B 秧 相等，控制著外槽輪的充種區(qū)域，同時(shí)與外槽輪接觸，使其隨外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生振動(dòng)，促進(jìn)外槽輪充種。該板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)換方便，可滿(mǎn)足不同寬度規(guī)格的秧盤(pán)供種，本文所使用秧盤(pán)型號(hào)及其播寬 B 秧 見(jiàn)表 。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 圖 橡膠彈性板平面示意圖 表 秧盤(pán)型號(hào)與播寬 B 秧 對(duì)照表 名稱(chēng) 缽體盤(pán) 缽體毯狀盤(pán) 毯狀盤(pán) 秧盤(pán)總穴數(shù) 規(guī)格尺寸比 播寬 B 秧 mm 2515 2512 600:350 600:300 345 300 2616 3616 585:356 600:300 352 280 4016 3618 3020 600:300 280 3）振動(dòng)板 振動(dòng)板連接在電磁振動(dòng)器上，距種箱前臂 左右間隙 (該值大于電磁振動(dòng)器的振幅，小于種子的高度 )，隨電磁振動(dòng)器一起振動(dòng)，其下部與種箱內(nèi)隔板配置，使種子形成一反 “S”形續(xù)種流。與以往外槽輪供種箱不同的是振動(dòng)板支撐起種箱內(nèi)種子，使堆積在外槽輪充種區(qū)內(nèi)的種量比較小，僅是反 “S”形尾部部分，不是整個(gè)種 箱內(nèi)的種子，因此充種區(qū)內(nèi)的種子比較蓬松，也降低了外槽輪刮擦種子的強(qiáng)度，盡量避免了傷芽。同時(shí)振動(dòng)板可促使反 “S”形續(xù)種流的正常流動(dòng)，起到對(duì)充種區(qū)域連續(xù)穩(wěn)定續(xù)種的作用，避免在無(wú)振狀態(tài)下因種子被架空而造成局部充種困難的現(xiàn)象，這是以往所沒(méi)有的特點(diǎn)。 4）勺式外槽輪 定量供種器采用外槽輪進(jìn)行排種，外槽輪的周圈均布著勺形種槽，其截面為 “直線(xiàn)段+圓弧線(xiàn) ”構(gòu)成的 “勺形流線(xiàn) ”，如 (圖 )，在調(diào)節(jié)門(mén)柔性清種的作用下，槽輪的轉(zhuǎn)向有利于種子沿著勺形流線(xiàn)滑動(dòng)，并且順勢(shì)堆積于勺內(nèi)，如圖中的陰影所示，這也是勺形流線(xiàn)積種、槽輪順轉(zhuǎn)集種 、調(diào)節(jié)門(mén)清種的完美組合，達(dá)到充種飽滿(mǎn)的目的。通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)，槽輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，充種不均勻現(xiàn)象十分明顯。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 圖 勺式外槽輪截面示意圖 根據(jù)表 得知種寬 b,種長(zhǎng) a。 r ≥b 3b≥r≥ ≥L+r≥ (ΔL+L+r)/π=D α=π/11 β=90176。 r= 勺式外槽輪是由變頻調(diào)速電機(jī)來(lái)帶動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化定量調(diào)節(jié)，使用非常方便、準(zhǔn)確，比以往采用模擬量控制器控制供種的精度高，數(shù)字化變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為精量供種奠定了基礎(chǔ)。 氣動(dòng)振盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 氣動(dòng)振盤(pán)主要由排種盤(pán)、氣動(dòng)振動(dòng)器、振動(dòng)板簧和支架等組成 (圖 )。由振動(dòng)板簧把排種盤(pán)懸吊在支架內(nèi)側(cè)，調(diào)整支架的安裝角度，可保證排種盤(pán)與水平面夾角 α1 在4176。～ 10176。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；氣動(dòng)振動(dòng)器安裝在排種盤(pán)上橫梁的中間位置，振動(dòng)方向角為 δ1，其振動(dòng)引起振動(dòng)板簧帶動(dòng)排種盤(pán)產(chǎn)生有規(guī)律的振動(dòng)，調(diào)節(jié)振動(dòng)器的輸入氣體壓力 P (～ )， 可 促使落于排種盤(pán)內(nèi)的種子按照順序向下滑行，完成播種或者充種過(guò)程。 根據(jù)氣動(dòng)振盤(pán)的功能不同，排種盤(pán)有 V 形播種盤(pán)和充種平盤(pán)兩種， V 形播種盤(pán)用于直接播種，而充種平盤(pán)是氣力式雙層滾筒播種器的充填區(qū)，起到振動(dòng)充種的作用，具體結(jié)構(gòu)和功能如下： 1） V 形播種盤(pán)設(shè)計(jì) V 形播種盤(pán)由梯形篩分板、調(diào)節(jié)板、 V 形槽板、上橫梁組成 (圖 )。梯形篩分板和 V 形槽板之間由調(diào)節(jié)板