CN110710361B - 一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置及其播种方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业机械与精准农业技术领域，尤其涉及一种支持小麦精量播种的窝眼轮式排种装置及其播种方法，排种装置主要包括壳体、窝眼轮部件与同步带轮部件；其中窝眼轮安装在排种轮上，窝眼轮上设有便于导流的凹槽，凹槽下方均匀排布着若干个窝眼，同时窝眼轮一侧安装有护种板，护种板上方安装有种盒挡块，种盒挡块上布置有清种刷，窝眼轮的另一侧设有清种挡块；同步带轮部件处于窝眼轮部件正下方，包括大同步带轮、小同步带轮、张紧轮以及外侧带有一定数量挡块的同步带。本发明通过窝眼轮部件和同步带轮部件之间转速的高容差性匹配，可以完成不同数量小麦低位低惯性投种，确保小麦播种的均匀性和株距一致性，实现精量化和变量化播种作业。

Description

一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置及其播种方法

技术领域

本发明属于农业机械与精准农业技术领域，具体涉及一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置及基于该排种装置的小麦播种方法。

背景技术

小麦传统条播技术采用密集条播，使得小麦种子簇拥在一起，播种均匀性差，在小麦个体生长期间，局部簇拥或密集的小麦种子难以获得足够的有效光照和水肥，造成根少苗弱，最后导致产量降低。

现有的播种机大多采用应用最广泛的外槽轮式排种器，虽然有研究将外槽轮式排种器的动力来源由地轮驱动换成电机驱动，并利用PLC和单片机来驱动和控制电机的转速变化，实现了小麦播种一定程度上的精量化和变量化，但由于外槽轮排种器的结构局限性，客观上不能根本消除小麦播种的非均匀性，已经越来越不能满足和适应精确农业的要求。

而且，目前外槽轮式排种器的导种管由于普遍使用波纹管式柔性材料，无法形成固定的导种轨迹，种子在导种管内整个运动过程不可控，麦种在导种管内壁往往会发生多次随机碰撞，运动轨迹和下落时间均处于紊乱状态，严重影响了播种过程的可控性以及小麦播种的精量化和变量化。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中存在的问题，设计一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置其播种方法；该排种器通过窝眼轮进行小麦的单粒充种，经同步带输送从窝眼轮排出的麦种，到达合适的投种位置进行投种，实现小麦播种的精确性；通过构建得到不同小麦播量下窝眼轮转速、同步带轮转速两者之间的耦合运动数学模型，改变窝眼轮转速与同步带转速之间的转速比，进而改变落入同步带外侧两个挡块之间输种腔小麦种子的数量，完成精量化和变量化的小麦播种。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明首先提出了一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置，其包括壳体、安装在壳体内的排种机构和导种机构、以及安装在壳体一侧用于促进种群扰动的超声波换能器，所述排种机构包括窝眼轮、排种轮和护种板，所述窝眼轮可拆卸安装在排种轮上，窝眼轮的上方区域为充种区域，下方区域为落种区域，并且窝眼轮的外圆上加工有便于导流和排种的凹槽，且凹槽内圈上均匀布置有若干个窝眼，所述护种板安装在窝眼轮外侧，用于防止种子从窝眼中掉落；所述导种机构包括大同步带轮、小同步带轮、张紧轮和同步带，所述大同步带轮安装在窝眼轮的下方，小同步带轮安装在大同步带轮的下方且靠近壳体底部处，同时在大同步带轮和小同步带轮之间安装有用于张紧同步带的张紧轮，所述大同步带轮、小同步带轮和张紧轮的外圆表面上安装有所述同步带，同步带的外侧表面上嵌有一定数量的挡块，且每两个挡块之间形成一个输种腔，从落种区掉落的种子落入该输种腔中，并经同步带输送至合适的高度进行投种，实现低位低惯性投种。

作为本方案的优选，所述窝眼轮外圆上加工有两排等腰梯形凹槽，并且窝眼轮通过键连接或过盈配合安装在排种轮上。其中，梯形凹槽便于充种时的导流，能使麦种排列有序地进入窝眼。

作为本方案的优选，所述窝眼为直槽型，窝眼底部均倒圆角，窝眼边缘倒角，以便于种子更容易充种。根据最小势能原则，直槽型窝眼可以确保麦种在窝眼中不易晃动，并提高其运动稳定性。

作为本方案的优选，所述护种板设于窝眼轮转动方向的前方壳体上，在护种板的上方安装有种盒挡块，所述种盒挡块上设有清种刷，所述清种刷通过螺栓连接方式安装在种盒挡块上，用于清除多余的种子，确保窝眼的单粒充种。

作为本方案的优选，所述护种板的下方安装有窝眼轮挡块，窝眼轮挡块用于固定约束窝眼轮。

作为本方案的优选，所述窝眼轮转动方向的末端壳体上安装有用于清除未播出种子的清种挡块。

作为本方案的优选，所述排种轮和大同步带轮分别与提供动力或扭矩的外部电机连接，该外部电机带有变频控制器，所述排种轮转动带动窝眼轮一起转动，并且窝眼轮与大同步带轮之间具有一定的转速匹配关系，通过改变窝眼轮与大同步带轮之间的转速比，可以调节落入到同步带外侧两个挡块之间的小麦颗粒数，从而精确改变小麦一个位置点的播量。

作为本方案的优选，所述大同步带轮的两侧安装有滚动轴承A和滚动轴承B，用于大同步带轮的支撑和固定；所述小同步带轮与张紧轮分别安装在滚动轴承C与滚动轴承D上，并通过小同步带轮与张紧轮的中心轴为其提供旋转支撑。

作为本方案的优选，所述壳体的其中一侧面上设有可拆卸的密封盖板进行约束封闭。

本发明还提出了一种基于窝眼轮式排种装置的播种方法，其包括以下步骤：

步骤1、将窝眼轮式排种装置安装在种箱的下方，种子从种箱落入充种区域；

步骤2、超声波换能器工作，其产生的振动促进种群扰动，并使种子有序进入窝眼轮的凹槽与窝眼，同时随着窝眼轮的转动多余的种子将被清种刷清除，确保了种子在没有机械损伤的条件下完成单粒充种，并通过护种板到达落种区；

步骤3、从落种区掉落的种子落入同步带外侧的输种腔中，并经同步带输送至合适的高度进行投种；通过改变所建立的大同步带与轮窝眼轮耦合模型的转速匹配关系，可以改变落入同步带外侧两个挡块之间输种腔中的小麦粒数，从而完成小麦的精量化和变量化播种。

对于上述的窝眼轮式排种装置的结构和尺寸按照如下方法确定：

1)基于EDEM的窝眼轮式排种器设计

通过分析种子充入窝眼的过程，设计了具有导流作用的等腰梯形凹槽，窝眼均匀分布在凹槽下方，根据要求的播量和机械式排种器的线速度最大值，计算得到了窝眼轮结构参数和窝眼个数等相关参数，并通过EDEM离散元软件分析了结构的合理性，模拟了种子充种、窝眼轮携种和排种全过程，通过其仿真结果对相关参数进行优化，使结构更加合理。

2)基于同步带的导种带设计

通过理论的分析，选择了同步带作为输送麦种的装置，对同步带理论计算，进行同步带选型，并在同步带外侧均匀嵌入了一圈挡块，两个挡块之间形成输种腔，对种子进行输送，同时建立了窝眼轮转速、大同步带轮转速和机组前进速度三者之间的数学耦合模型，满足不同小麦种类的不同播量要求，改变了不同位置点的小麦颗粒数，使小麦对水肥阳光充分利用。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的窝眼轮上的凹槽可以使种子按照窝眼的排布方向排列，超声波换能器促进种群的扰动，清种刷可以清除多余的种子，保证窝眼的单粒充种，清种挡块可以快速清除窝眼轮式排种装置的充种区域内未播出的种子。

(2)在电机带动同步带轮转动后，同步带输种腔内的小麦种子通过同步带的输送，可控地将种子输送至更低的投种高度，固定了从窝眼轮排出到地面的运动轨迹，同时保证了小麦播种的均匀性和株距一致性，实现小麦播种的精量化，保证了小麦种子在播种时，不会造成簇拥现象，充分利用了水肥和阳光。另外，通过改变窝眼轮转速和大同步带轮之间的转速比，进而改变落入同步带外侧输种腔中的小麦颗粒数，实现小麦播种的变量化。

(3)该窝眼轮式排种装置包括了窝眼轮部件和同步带轮部件，将排种器和导种装置形成了一体化，结构可靠，易拆卸，维护简单方便。

附图说明

图1为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的正剖视图。

图2为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的左视图。

图3为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的俯视图。

图4为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的分解示意图。

图5为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的窝眼轮正剖视图。

图6为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮排种装置的窝眼轮左视图。

图7为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的大同步带轮正剖视图。

图8为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的大同步带轮左剖视图。

图9为本发明一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置的同步带正视图。

图中所示：1、壳体；2、窝眼轮；3、排种轮；4、窝眼轮挡块；5、护种板；6、种盒挡块；7、清种刷；8、清种挡块；9、大同步带轮；10、同步带(嵌有挡块)；11、张紧轮； 12、小同步带轮；13、滚动轴承A；14、滚动轴承B；15、滚动轴承C；16、滚动轴承D； 17、超声波换能器；18、密封盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一。

如图1至9所示，本实施例提出一种支持小麦精确变量播种的窝眼轮式排种装置，包括壳体1和安装在壳体内的窝眼轮2，所述窝眼轮2安装在排种轮3上，所述窝眼轮2由窝眼轮挡块4固定约束，所述窝眼轮2左侧安装有防止种子掉落的护种板5，所述护种板 5上方安装有种盒挡块6，所述种盒挡块6上有清种刷7，所述壳体1右侧设有用于清除未播出种子的清种挡块8，所述窝眼轮2下方安装有大同步带轮9，所述大同步带轮9的下方安装有小同步带轮12和张紧轮11，所述大同步带轮9、小同步带轮12和张紧轮11外圆表面上安装有同步带10，所述壳体1外侧安装有超声波换能器17，用以促进种群扰动，所述壳体1用密封盖板18进行约束封闭。

进一步的，所述窝眼轮2直径为208mm，外侧有两排等腰梯形凹槽，凹槽高度4mm，该设计容易使种子进入窝眼，凹槽下方均匀布置42个窝眼，窝眼底部两侧圆角半径为2mm，外侧倒角为1×45°。

进一步的，所述窝眼轮2通过键的作用安装在排种轮3上，排种轮3与外部电机(可带变频控制器)连接，外部电机带动排种轮3旋转，排种轮3带动窝眼轮2旋转，并完成充种、携种和排种工作。

进一步的，所述窝眼轮2的下方安装有窝眼轮挡块4，所述窝眼轮挡块4上方安装有护种板5，所述护种板5上方安装有种盒挡块6。

进一步的，所述护种板6上安装有清种刷7，用于清除未充入窝眼的麦种，同时避免种子受到种子损伤。

进一步的，所述清种挡块8安装在壳体1上，通过自重和种子的重量使清种挡块保持常闭状态，播种完成后，打开清种挡块完成快速清除排种器内未播出的种子。

进一步的，所述大同步带轮9、同步带10、张紧轮11、小同步带轮12、滚动轴承13、滚动轴承14、滚动轴承15与滚动轴承16，安装在窝眼轮2的下方。

进一步的，所述同步带10安装在大同步带轮9、张紧轮11与小同步带轮12上，同步带10外侧嵌入一定数量的挡块，每两个挡块之间形成输种腔，用于输送由窝眼轮2排出的种子至合适的高度，完成投种。

进一步的，大同步带轮9上安装了起支撑和固定作用的滚动轴承A13与滚动轴承B14，张紧轮11与小同步带轮12内安装有起支撑作用的一个滚动轴承C15与滚动轴承D16。

进一步的，通过改变窝眼轮2与大同步带轮9的速度耦合匹配关系，可以改变落入同步带外侧输种腔之中的小麦粒数。

进一步的，将密封盖板18安装在壳体1上，形成一套完整的窝眼轮式排种装置。

实施例二。

本实施例提出一种基于窝眼轮式排种装置小麦的播种方法，包括如下步骤：

步骤1、将窝眼轮式排种装置安装在种箱下方，种子从种箱落入排种装置充种区域。

步骤2、在重力作用下与窝眼轮旋转力矩的共同作用下，种子经箱底排种孔进入窝眼轮外圆表面上的等腰梯形凹槽中，并通过超声波振动器的种群扰动作用，使得种子按照窝眼排列方向进行有序排列并进入窝眼，多余的种子将被清种刷清除，确保了种子在没有机械损伤的条件下完成单粒充种，并通过护种板到达落种区，护种板保证在种子在窝眼轮携种过程中不易掉落。

步骤3、从落种区掉落的种子落入同步带外侧的输种腔中，并经同步带输送至合适的高度进行投种。通过改变大同步带轮与窝眼轮之间耦合模型的转速匹配关系，可以改变落入同步带外侧两个挡块之间输种腔中的小麦粒数，完成小麦的精量化和变量化播种。

其中，窝眼轮式排种装置的结构和尺寸按照如下方法确定：

1)基于EDEM的窝眼轮式排种器设计

通过分析种子充入窝眼的过程，设计了具有导流作用的等腰梯形凹槽，窝眼均匀分布在凹槽下方，根据要求的播量和机械式排种器的线速度最大值，计算得到了窝眼轮结构参数和窝眼个数等相关参数，并通过EDEM离散元软件分析了结构的合理性，模拟了种子充种、窝眼轮携种和排种全过程，通过其仿真结果对相关参数进行优化，使结构更加合理。

2)基于同步带的导种带设计

通过理论的分析，选择了同步带作为输送麦种的装置，对同步带理论计算，进行同步带选型，并在同步带外侧均匀嵌入了一圈挡块，两个挡块之间形成输种腔，对种子进行输送，同时建立了窝眼轮转速、大同步带轮转速和机组前进速度三者之间的数学耦合模型，满足不同小麦种类的不同播量要求，改变了不同位置点的小麦颗粒数，使小麦对水肥阳光充分利用。

上述具体实施方式仅是本发明的基本原理和主要特征进行描述，并非对本实发明的范围进行限定，凡是在未脱离本发明技术精神的前提下，本领域普通技术人员对发明的技术方案作出的同等变化或改型，皆应视为本发明的保护范围。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置，其特征在于，包括壳体、安装在壳体内的排种机构和导种机构、以及安装在壳体一侧用于促进种群扰动的超声波换能器，所述排种机构包括窝眼轮、排种轮和护种板，所述窝眼轮可拆卸安装在排种轮上，窝眼轮的上方区域为充种区域，下方区域为落种区域，并且窝眼轮的外圆上加工有便于导流和排种的凹槽，且凹槽内圈上均匀布置有若干个窝眼，所述护种板安装在窝眼轮外侧，用于防止种子从窝眼中掉落；所述导种机构包括大同步带轮、小同步带轮、张紧轮和同步带，所述大同步带轮安装在窝眼轮的下方，小同步带轮安装在大同步带轮的下方且靠近壳体底部处，同时在大同步带轮和小同步带轮之间安装有用于张紧同步带的张紧轮，所述大同步带轮、小同步带轮和张紧轮的外圆表面上安装有所述同步带，同步带的外侧表面上嵌有一定数量的挡块，且每两个挡块之间形成一个输种腔，从落种区掉落的种子落入该输种腔中，并经同步带输送至合适的高度进行投种；所述窝眼轮外圆上加工有两排等腰梯形凹槽，并且窝眼轮通过键连接或过盈配合安装在排种轮上；所述窝眼为直槽型，窝眼底部均倒圆角，窝眼边缘倒角，所述护种板设于窝眼轮转动方向的前方壳体上，在护种板的上方安装有种盒挡块，所述种盒挡块上设有清种刷，所述清种刷通过螺栓连接方式安装在种盒挡块上，用于清除多余的种子；所述排种轮和大同步带轮分别与提供动力或扭矩的外部电机连接，该外部电机带有变频控制器，所述排种轮转动带动窝眼轮一起转动，并且窝眼轮与大同步带轮之间具有一定的转速匹配关系，通过改变窝眼轮与大同步带轮之间的转速比，可以调节落入到同步带外侧两个挡块之间的小麦颗粒数，从而精确改变小麦一个位置点的播量；所述大同步带轮的两侧安装有滚动轴承A和滚动轴承B，用于大同步带轮的支撑和固定；所述小同步带轮与张紧轮分别安装在滚动轴承C与滚动轴承D上，并通过小同步带轮与张紧轮的中心轴为其提供旋转支撑。

2.根据权利要求1所述的一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置，其特征在于，所述护种板的下方安装有窝眼轮挡块，窝眼轮挡块用于固定约束窝眼轮。

3.根据权利要求1所述的一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置，其特征在于，所述窝眼轮转动方向的末端壳体上安装有用于清除未播出种子的清种挡块。

4.根据权利要求1所述的一种支持小麦精确播种的窝眼轮式排种装置，其特征在于，所述壳体的其中一侧面上设有可拆卸的密封盖板进行约束封闭。

5.一种如权利要求1至4中任一项所述的窝眼轮式排种装置的播种方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、将窝眼轮式排种装置安装在种箱的下方，种子从种箱落入充种区域；

步骤2、超声波换能器工作，其产生的振动促进种群扰动，并使种子有序进入窝眼轮的凹槽与窝眼，同时随着窝眼轮的转动多余的种子将被清种刷清除，确保了种子在没有机械损伤的条件下完成单粒充种，并通过护种板到达落种区；

步骤3、从落种区掉落的种子落入同步带外侧的输种腔中，并经同步带输送至合适的高度进行投种；通过改变所建立的大同步带轮与窝眼轮耦合模型的转速匹配关系，可以改变落入同步带外侧两个挡块之间输种腔中的小麦粒数，从而完成小麦的精量化和变量化播种。

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