电动准直蔬菜播种机结构设计与关键技术研究

吴红雷，袁永伟，崔保健，弋景刚

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定　071001)



电动准直蔬菜播种机结构设计与关键技术研究

吴红雷，袁永伟，崔保健，弋景刚

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定071001)

摘要：目前，设施蔬菜播种农艺多以人工为主，而设施农业与精准农业要求农业机械沿着智能化与自动化方向发展。为此，设计了一款适用于温室的电动准直蔬菜播种机，具备激光导航走直、转弯灵活及节能环保等优点。同时，搭建了播种机的整体结构模型，确定了差速转向为其转向方式；经过对其播种开沟功率消耗和行走功率消耗理论推导与计算，确定了无刷直流电机的功率，并且计算了蓄电池的容量。该研究为电动准直蔬菜播种机的样机试制与设计奠定了理论基础。

关键词：设施农业；蔬菜播种机；电动

0引言

自20世纪90年代中期以来，我国设施蔬菜面积一直稳居世界第1位，设施蔬菜面积约占世界总量的90%。就种植规模来说，我国无疑是种植大国，但设施农业机械主要借鉴于以内燃机为动力的大田机械，尺寸结构大、操作不灵活、污染环境。在能源日益紧缺的情况下，随着电池技术的发展及消费者对蔬菜品质要求的提高，研发电动精准农业机械成为一种趋势，国外(如日本、韩国等)对温室播种机具进行了研究、推广和应用；但进口机具价格高、维护不便、适应性差[1-3]。与国外电动农业机械的研究相比，国内研究起步较晚且研究较少，播种机技术水平己经制约了温室蔬菜产业的进一步发展。

针对种植蔬菜农艺中画线、撒播、间苗、收割以人力为主，不仅浪费时间而且浪费种子，且叶类蔬菜播种不直给后期收割带来不便等现状，开发了一种电动准直蔬菜播种机。该播种机精准播种、行距可调、转向灵活，准直行走精度满足设施农业对蔬菜准直播种的农艺要求。

1总体结构及工作流程

电动准直蔬菜播种机主要由转向系统、驱动系统、激光引导系统和控制系统4部分组成，整机结构图如图1所示。

1.排种器主动轮　2.镇压轮　3.覆土板　4.排种器从动轮

主要工作流程为：激光接收器自动找正装置以12V微型直流电机作为动力源。播种前，激光束照到激光接收器上，控制器判断激光束所处的位置，控制直流电机转动，直到激光束对准激光接收器中间，实现激光接收器自动对中。播种时，激光信号作为走直引导信号，控制器通过采集激光接收器接收的激光束的照射位置，判断播种机是否直线行驶；经电磁刹车技术实现左右轮差速准直校正，从而引导播种机沿着激光束平面直线行走。

2播种机核心部件设计

2.1　转向方式的选择

转向系统的好坏直接影响了准直精度，不同方式的转向系统所需的控制方式也不同。对于精准设施农业来说，所选的转向系统应该具有结构简单、便于控制、反应速度快、性能稳定及转弯半径小等特点。现对备选的四轮独立转向、阿克曼转向、差速转向及合成轴转向等4种转向方式进行比较[4-5]，其结果如表1所示。由于播种机的工作空间主要是狭小的温室大棚，要求转弯半径小或者可以原地转向，转向必须灵活可控，而且能够准直行走；另一方面由于整机以车载蓄电池为动力源，宜采用两个电驱动轮结构，因而采用差速转向系统能够满足播种机设计需要。

表1　转向方式性能比较表

2.2　电驱动轮结构设计

该播种机采用直流电机作为动力源，直流电机置于驱动轮内部，电机转子与驱动轮的一侧端面通过螺栓紧固在一起，电机定子轴处在驱动轮端面中心位置，与车架连接，其结构如图2所示。该驱动轮结构紧凑，便于安装，两驱动轮对称安装在播种机前方左右两侧，输出轴与车架相连，电机转动时驱动轮相对于机架产生相对转动，驱动播种机运动，如图3所示。当两个驱动轮速度相同时，播种机沿直线运动，通过控制两轮转速差，实现转向功能。

图2　电驱动轮结构

驱动轮的外形结构决定了驱动轮与地面的附着系数：表面太光滑时，容易造成打滑现象；太粗糙时地面经驱动轮碾压后会出现高低不平的情况，导致播种深度不一致，影响出苗率。为此，采用在驱动轮表面粘有高强度EVA胶的结构设计，不仅增加了驱动轮与地面的摩擦力，而且地面壤土经驱动轮碾压后会形成比较平整的表面，保证了种子播种深度的一致性，提高了出苗率。

图3　驱动轮布置方案

3播种机的功率消耗和电机的选择

经过设施农业蔬菜播种调研发现：目前蔬菜播种深度一般都在3~5mm，最深不超过10mm, 播种机工作中行走速度为0.5~0.8m/s。由此可以推算出播种开沟和行走功率消耗。

3.1　播种开沟功率计算

由于播种过程中地形土壤等因素比较复杂，播种开沟阻力计算一般采用简单的经验公式[6-8]。当开沟器与前进方向成一水平转角φ时，开沟器沿作业方向的水平总阻力Fx可视为由以下几部分组成，即

Fx=F1+F2+F3+F4+F5

其中，F1为切土阻力；F2为开沟器前土堆沿地面移动阻力；F3为开沟器与地面间的摩擦阻力；F4为土屑沿开沟器上升阻力；F5为土屑沿开沟器侧移阻力。

F1=KbBhsinφ

其中，Kb为单位面积上土的切削阻力，取Kb=5×104N/m2；B为开沟器宽度，取B=0.32m；h为平均切土深度，取h=0.01m；φ为开沟器水平回转角，取φ=90°。

F2=Gtμ2cosαsinφ/Ks

其中，Gt=ρvmg，vm=0.693BHL；μ2为土与土的摩擦因数，取μ2=0.3；Ks为土的松散系数，取Ks=1.06；H为开沟器高度，取H=0.08m；ρ为土的密度，北方轻质土为ρ=1.2×103kg/m3。

F3=104K2Bλμ1

其中，K2为刀刃磨损后压入土的比压力，取K2=0.4MPa；λ为刀刃磨损后的接地长度，取λ=0.05m；μ1为土与钢的摩擦因数，取μ1=0.5。

F4=0.5GtcosLδsinφ

其中，δ为开沟器切削角，取δ=50°。

F5=R0μ1cosφ

其中，R0为作用在开沟器上的法向。

播种开沟功率消耗为

P1=Fx·vm

其中，vm=0.8m/s为工作过程中最大速度。

播种开沟消耗的功率由上式计算可得：P1=160W。

3.2　行走功率计算

工作过程中驱动轮与地面接触部分会产生法向、切向的相互作用力，受力分析[5]如图4所示。

图4　驱动轮行走受力图

行走滚动阻力计算公式为

Ff=Gsfcosα

其中，Gs为整机质重，取G=6×102N；f为滚动阻力系数，取f=0.25；α为坡度角，取α=0°。

播种行走功率消耗为P2=Ff·vm，则播种行走消耗的功率为P2=120W。

3.3　驱动电机的选择

无刷直流电机因具有良好的调速性能在电力拖动中得到广泛应用[9-10]，其取消了电刷和换向器，直接采用位置信号传感器感应永磁转子的位置，通过控制器逻辑判断控制相应的电极顺序得电，具有结构简单、工作稳定、寿命长、无级调速及电子刹车等功能。考虑到车载电源为蓄电池，选择无刷直流电机为播种机的驱动部件。本设计选择的霍尔无刷直流电机的主要技术参数如表2所示。

表2　主要技术性能参数

电动机功率与牵引力、行驶速度、电动机扭矩和电动机转速的关系为

其中，Pw为电机功率(kW)；F为整机最大牵引力(N)；v为整机行走速度(m/s)；T为电机阻力矩(N·m)；n为电机转速(r/min)；ηw为传动效率。将相关数据带入公式可得：F=502.6N。

理论上驱动电动机可以提供502.6N的牵引力，实际所能提供的牵引力还与整机质量及地面附着系数有关。播种机行走时最大附着力FXmax与驱动轮法向反作用力FZ存在的关系为

FXmax=FZφ

其中，FZ为驱动轮法向反作用力；φ为附着系数，0.7。将数据带入式中可得：FXmax=420N。

整机可提供的最大牵引力为420N，大于播种时的作业阻力，选取电机型号合适。

4蓄电池容量计算

其中，n为电池个数;Cb为蓄电池额定容量(Ah)；E0为电池初始电动势，E0=12V;Dη为电池放电深度，Dη=75%；k为放电指数，k=1.3～1.4，铅酸电池k=1.347 ；Ib为额定放电电流，Ib=14.58A ；I为恒流放电电流，I=5.98A；P为电机的额定功率，P=350W。

带入相关数值，计算得到：工作3h时，Cb≥11.9Ah，取Cb=20Ah。

5结论

1)针对目前设施蔬菜播种农艺多以人工为主、浪费时间和种子，以及叶类蔬菜播种不直给后期收割带来不便等现状，设计搭建了一种具备精准播种、行距可调、转向灵活的电动准直蔬菜播种机。

2)采取电机转子与驱动轮为一体、定子轴与机架固定，并在驱动轮表面粘有EVA胶的结构设计，不仅增加了附着力，且地面壤土经驱动轮碾压后得到比较平整的表面，保证了种子播种深度的一致性，提高了出苗率。

3)经过理论分析与推导，得出了播种机工作过程中播种开沟和行走功率消耗，确定了驱动电机的功率和型号。

参考文献：

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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

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0105-04

作者简介：吴红雷(1988-)，男，河北保定人，硕士研究生，(E-mail)wuhonglei@163.com。通讯作者：弋景刚(1961-)，男，河北沧州人，教授，(E-mail)yjg@hebau.edu.cn。

基金项目：河北省科技计划项目(13227204D)

收稿日期：2015-07-16