（农业机械化工程专业论文）种水分控式射流播种器设计与试验研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 射水成穴播种，是一种新的播种理念和方式。本文在已有研究成果的基础上，首先 设计了一套简易的种水分控式射流播种试验装置，该播种器由高压水供给系统、精密排 种系统、射水开穴及排种控制系统3 部分组成。将射水开穴系统、播种系统和控制系统 设计成一个试验小车，使之适合于在土槽上进行播种试验。在较为理想的条件下，对射 流播种元件进行了大量试验，分析了射水深度与射水压力、射水时间、射流喷管离地高 度的相关关系，为机械机构和控制系统的设计提供依据。 本文研究的重点是控制系统的设计，该控制系统以a t 8 9 s 5 1 单片机为核心精确控制 整个装置的工作过程，控制系统主要由光电检测电路、电磁阀控制电路、单片机系统、 键盘输入及显示电路、中断控制系统和声光报警电路组成。关键之处在于保证射流和排 种的协调性，其工作过程如下：当检测电路检测到种子到达挡种板处，给单片机发信号， 启动控制射水的电磁阀射水成穴，延时启动控制喷气的电磁阀和控制挡种板打开的电磁 阀对种子进行加速，使种子进入所成穴中。 关键词：射水成穴；种水分控；播种器；播种实验；单片机； 山东理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b u n c hp l 础g 谢mw a t e rj 钝an e wc o n c e p tf 拉p l a l l ：t i z l g ，w 邪f i l 瓯p u t 内删b y p r o 危s s o rd l ur u i c t l e i 培o fs b a n d 伽gu m v e r s 时o ft e c h n 0 1 0 9 yi i l2 0 0 1 ni sa1 ( i n do f u n t o u c 量砌s o i lp l 觚血g ，w h i c hu s e sl l i 曲p r e s s u r ew a t e l o e tt of o n nah o l ea i l ds e e di 1 1 “ f u r 吐l e rr e s e a r c ha l l di l l n o v a ：t i o nb a s e do nt h ee x i s d n gr e s e a r c hi sg o i r 培o n a b o v ea l l ，m e s 砷p l ew a t 叫e tp l a n t j 堍o f s e e da n d 、) l ，a t e rc o n 缸d 1 1 e ds 印a r a t e l yh a sb e e nd e s i g n e d t h es e e d e r i 1 1 c l u d e sn l r e ep a r t s ，廿1 ee q u i 呻e mo f l l i 曲一p r e s s u r ew a 把rs u p p l y ，p r e c i s i o ns e e 幽gs y s t e m 锄d s e e d - n l e l 吼i i l gd l w i c ea i 】l dc o n 仃o l l i l l gs y s t e m t h et h r e ep a r t sw a sp 位m ：t ot o g 池r i 1 1ac 鸡s o p l a i 】：t 吨e ) 【p e r i m e n tc a nb ee a s i l yo p e r a t e di l lap l a 把 h l 1 i sp 印e rm ef o c u so f m es t u d yi st od e s i 班c o n 们ls y s 咖豇l i s 黟s t e i n 谢血t h ec o r e o fs c ma r 8 9 s 51c a n 砌i z ea c c u r a c yc o n 缸0 1 c o n 虹o ls y s t e i ni s 瑚a i l l 】ym a d eu pb ym e p h 0 协e l e 喊c 妣e 咖nc i r 撕t ，s o l e n o i d 谢v ec 嘶lc 砬咄s c ms 卿e 1 1 1 ，k e y b o 捌a n d d i s p l a yc i r 吼m ，i i l t e r r u p t sc o m r o ls y s t e ma i l da c o l l s t o - o 埘ca l a i mc i r c u h t h ek e yp o i mi st o g u a r 疵e 啦j e ta i l ds e e d m 曲面n gi nh a r r n o n y t h e c o u r s eo f 也e 啪l r ki sa sf o l l o 、s ： t h es e e da t l eb l o c k e dp l a t e ，t h ed 删o nc i r c 疵d 酏t s 吒s i g n a lt om em i c ：r o c m l l e r ，a n d n l e l ls o l e n o i dv a l v es t a n sc o n 昀l l i i 玛m e r _ j e tt 0f o r n lah o l e s u b s e 删y ，o p e 血gs o l e n o i d v a l v e s 砌c hc o l l 缸o lj e ta 1 1 db l o c k e dp l a ：t et oa c c e l e r a ：c es e e d ，a n dl a s tm a l ( e 1 es e e di n t o 1 e h o l e k e y w o r d s ：w 撕巧e tt 0f 0 1 mah o l e ，s e e d 锄d 嘞c o n 的l l e dr e s 】p e c t i v e l y ；s e e d e r ；p l a i l ：血g e x p e 血n e n t ；s c m i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：匀伺卫时间： 新7 月肜日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：石月卫 导师签名： a v 确、 时间：五杉年月口日 时间：力，杉年衫月矽日 第一章绪论 1 1 种水分控式射流播种课题的提出及意义 我国是一个农业大国，但农业资源极其有限，人均耕地不足0 2 h m 2 ，仅为世界人均耕 地的三分之一。由于人口不断增加和耕地面积逐渐减少的双重压力，提高农产品的产量 和质量仍是一个十分重要和迫切的问题。 随着我国农村经济结构的调整和农业产业化区域布局的初步形成，以及农业向环保 节水和可持续化发展的趋势，对农业资源的合理利用和农业装备的技术水平都有了新的 要求。由于农业机械化是实现农业资源持续、合理利用的重要手段，农业装备技术的发 展负有优化农业资源配置的重任。我国是一个淡水资源匮乏的国家之一，人均占有水资源 仅为世界人均占有量的1 4 ，且水资源的时空分布不均衡，年季节变化很大，地区差别明 显。北方易春旱，南方易秋旱，而这两个季节正是播种季节。因此，如何保证及时播种，并 能保证有足够的水分供给种子，确保种子发芽、出苗、起身分蘖，从而为丰产打下良好的 基础，是一个亟待解决的问题【l j 。针对我国播种机的发展趋势及大力发展节水农业的现 状，我们课题组提出了射水成穴播种这一研究领域。 种水分控式射流成穴播种是一种( 与土壤) 非接触式播种方式，即无入土装置、由 高速水流射水成穴并播入种子的播种方法。 此项技术研究的意义在于可以减少生产中播种的能耗、实现精量播种、达到旱区播 种及液体肥料入土施肥等新的农艺要求，并在无接触的流体射种播种方面开拓了一个新 的研究方向。 1 2 射水成穴播种课题的研究现状 2 0 0 1 年山东理工大学杜瑞成教授根据我国大力发展节水农业机械和精密播种机械 的现状，提出流体射种这一概念，该领域当时国内外还没有相关研究。山东理工大学自 2 0 0 2 年开始进行这方面的研究，2 0 0 3 年硕士研究生杨善东在流体射种元件试制和试验 研究的毕业论文中对流体射种的可行性进行了初步的研究，初步确定了影响射种的各 种基本因素，比如射水压力、喷嘴大小、喷嘴离地面的高度等。但试验研究只是在一套 简易的装置上进行，试验装置的研制方面存在较大的主观性，理论依据不是很充分，在 结构设计方面可能存在很多不合理的地方。比如送种机构的设计是一个难题，试验方案 虽然能实现送种，但存在密封难、送种时刻难以确定等问题。2 0 0 4 年硕士研究生张俊亮 山东理工大学硕士学位论文 绪论 在其毕业论文自动射水成穴播种装置设计及试验研究中，试制了一套单片机控制的 自动射水成穴播种装置，并用该装置进行了大量的试验，总结归纳出一些有关流体射水 播种的理论。2 0 0 6 年硕士研究生孙杰在其毕业论文自动射水成穴播种装置的改进设计 及成穴理论分析中，对原自动射水成穴播种装置进行改进，在种水混合腔体中安装一 个定位装置，以此来确定种子在射水开始时的初始位置。通过调整种子定位装置的安装 位置可以设定种子在射水开始时的初始位置。 经过多位老师与同学的共同努力，目前流体射水成穴播种器已基本研制成形，但是 还存在着很多的不足，比如在射种过程中，种子的具体位置还不确定，种水混和后的运 动状态还不明确，试验控制与数显部分的功能相对单一，流体射种这一工作过程的理论 分析方面深度还不够等。 1 3 播种机械的现状与发展趋势 1 3 1 国内外播种机的发展现状 目前国外精密播种机已达到相当完善的程度，在精密播种机上除了设有完善的整地、 覆土、镇压及施肥、洒农药装置外，其排种装置多采用新的工作原理，包括各种气力式 排种原理与机械式排种原理，以保证单粒精密播种。另外，液压技术及电子技术也在播 种机上得以应用。2 0 世纪8 0 年代，美国、澳大利亚、加拿大、法国等西方国家开始研 制并广泛使用气力式精密播种机械，其中气流一阶分配式集排排种系统大量应用在谷物 条播机上。 我国的播种机以传统的谷物条播机为主，与小型拖拉机配套的播种机及畜力播种机 目前仍占主导地位。全国有5 0 0 家左右的企业生产播种机，其中只有1 0 家生产与大中型 拖拉机配套的播种机，与小拖配套的播种机和畜力播种机的产量已占到全国播种机产量 的9 0 以上。近几年，我国的联合作业播种机发展也较快，其机具主要有播种施肥联 合作业机、耕作播种联合作业机、松土一施肥覆膜一穴播联合作业机和施肥播种联 合作业机等，目前又发展了铺膜播种联合作业机。我国从2 0 世纪6 0 年代开始发展精密 播种机械，过程经过了仿制、自行研制、到应用的发展阶段。现在精少量播种机具推广 势头强劲，小麦精少量播种机和中耕作物精密播种机推广应用迅速。 1 3 2 播种机械的发展趋势 ( 1 ) 发展联合作业的直接播种。播种联合作业是指在播种的同时，完成耕整地、施 肥、喷洒液等作业，其优点是一次可以完成多项作业，作业效率高，保证及时播种，提 高产量，可以充分利用配套动力，节省能源，降低作业成本，与传统播种方法相比，联 2 山东理工大学硕上学位论文绪论 合播种的劳动消耗的作业费用约降低3 0 。同时，可以减少机组进地次数，使土壤免受 机具的过度压实。直接播种是指将作物种子直接播在留茬地里，用于直接播种的机具称 为免耕法或少耕法播种机。直接播种机与一般播种机相比，其结构特点主要是在开沟装 置上，通常在播种机组前面加装一个种床式开沟器，用以切断地表的残茬和硬秆或耕出 窄带作为种床，然后再由装在后面的种沟开沟器在其上开出种沟。 ( 2 ) 进一步推广精密播种。目前在欧美国家，播种己基本实现了精密化。我国自 2 0 世纪7 0 年代初开始研究精密播种，目前全国精播的面积还很少，迄今精密播种的作 物基本局限于中耕作物。谷物精播的难度较大，至今国内尚无成熟的机型。气力式播种 机由于对种子尺寸要求不严，不需精选分级，伤种少，易达到单粒点播，通用性较好， 同时它也具备高速作业的性能，满足了对大功率拖拉机的配套和宽幅作业的要求，作业 速度可达1 0 1 2 虹讹，工作幅宽也可加大到8 一1 2 m 以上。因此，气力式播种机应用越 来越广泛，已成为2 l 世纪播种机械的重要发展方向之一。 ( 3 ) 广泛采用新原理新技术。目前国外正在发展一些新的播种技术，如日本提出适 合蔬菜的静电播种，英国提出适合于蔬菜的液体播种、适合于牧草的超音速播种，还有 目前广泛应用的种子带播种等。例如液压等新技术在国外播种机的应用也日益广泛。美 i 虱塞科尔5 0 0 0 型气压式播种机用液压马达驱动风机；东德6 卜_ 6 9 7 型精密播种机装有供 驱动排种锥体的液压马达，当地轮滑动时，液压马达启动，以保证排种锥体的转速与机 器前进速度相协调，同时也用以操作开沟器的升降，在大宽幅的播种机上还用液压折叠 机架，以便安全运输。 ( 4 ) 发展节水农业。随着全球淡水资源的匮乏，特别是我国属于严重缺水国家，发 展节水农业具有深远的意义和广阔的前景。从1 9 9 6 年开始，农业部累计投资l 亿多元， 建设了一批旱作节水农业示范基地和行走式节水灌溉示范区，通过农艺、农机、生物、 工程等综合措施的应用，完成了一批以坡改梯生土熟化农田工程、集雨节水补灌等为重 点的高标准基础设施建设，有效改善了旱区农业基本条件。农业部还在全国各地累计推 广了水稻“浅湿晒 灌溉、“坐水种”、“行走式节水 、施用抗旱保水剂、地膜与生 物覆盖等节水农业技术措施3 4 亿亩左右，发展田间及大棚集雨节水和喷、微、渗灌等 技术措施1 0 0 0 万亩。2 1 世纪我国农业发展将面临严峻的水资源供求矛盾的挑战。大力 发展节水农业，实现我国农业可持续发展，已引起中央和各有关方面的高度重视。 1 4 机电一体化技术与农业机械 机电一体化技术运用到农业机械，极大的改进了农机的性能，目前，国外越来越多 的播种机采用机电一体化技术，提高了播种机的工作可靠性、简化操作、减轻劳动强度、 减少辅助时间、提高劳动生产率。 1 9 6 6 年，d i c k e y j o l l i l 公司就在播种机上采用了光电传感器用于监视单行播种。8 0 山东理- t 大学硕 ：学位论义 绪论 年代，又采用了基于雷达的测速仪用来测量行走速度、播种精度和谷物漏播的监视装置， 利用微处理器控制肥料分配与喷灌，以及一个液晶显示器用于显示发动机速度、拖拉机 滑移率、行走速度和每小时的工作面积1 2 j 。 美国8 0 年代中期研制出一种播种机监视系统i p i o n c e ri ，该监视系统可以用于所有 类型的播种机，包括谷物条播机、气吸式播种机和蔬菜播种机。排种传感器和速度传感 器传递数据，显示某行工作正常；同时l c d 显示播种面积、速度、每行播种量和粒距。 并能实现故障报警【3 】。 1 9 8 2 年，日本研制出一套排种系统，该系统由一圆盘式排种器和一个周期性驱动电 路组成，周期时间同种子和种道分离时间相一致，种子在种道上的运输由电磁设备控制， 这样种子被连续排至种沟【4 】。 日本9 0 年代初又研制了一套电磁操作的排种装置，用于电子控制的气力精播机。该 系统由一个高性能的电磁阀、一个数据采集与控制器和一个排种器组成。该控制系统主 要用于控制电磁阀的动作，排种性能可以根据种子下落间隔进行调整。试验室测试结果 表明，该系统能保证较好的排种精度，调整排种参数更加容易，而且全面提高了播种机 的使用效率【5 j 。 国内精密播种机监控系统的研究起步较晚，主要是引进国外的产品。1 9 9 6 年山东农 业大学研制了精密播种机工况自动监视及播种量数显系统；中国农业大学近几年也将虚 拟仪器用于农机控制检测对农机的各项性能进行控制检测。 1 4 1 机电一体化技术在播种机械上的应用 单粒精密播种可以节省种子，免除田间间苗所需要的劳力，种子分布均匀、有利于 作物生长，便于田间管理和机械化。在国外，不仅玉米、甜菜、大豆等作物大量采用精 密播种，而且部分传统的谷物条播也采用精密播种，据介绍能比传统的播种方式增产 1 0 一3 0 。精密播种是一种先进的作业技术，要求有更先进的作业设备。气力式播种机对 种子要求不严格，容易达到精密点播，作业速度也比机械式高，因此在玉米、大豆、棉 花等作物的精密播种机上采用的越来越普遍。对于保护性耕作，由于收获后不翻耕，土 壤表面有大量的作物残留覆盖，播种条件较为恶劣。传统的播种机不能胜任这种情况。 目前设计的免耕覆盖播种机在实际作业中受地表条件复杂性的影响，播种效果不是很理 想，出现了排种精度底、地面打滑、排种管阻塞、漏播等现象。所以要进一步提高精密 播种质量，采用机电一体化技术是必由之路。 近年来，由于微电子技术底发展，机电一体化产品的大量涌现。机电一体化技术是 由微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合技术，一般由以下几 部分组成：机械本体部分、动力部分、传感部分、驱动部分、执行部分、控制及信息处 理部分。早在8 0 年代初，西方国家就开始电子技术应用于农业机械的转速测量，联合收 4 山东理工人学硕上学位论文绪论 割机的损失监视、速度控制，喷灌流速的测量等，并不断致力于降低产品造价、改进工 作性能及改善农业环境影响的研究。这类系统一般包括传感器、显示屏、控制单元、执 行机构、专家系统等。所以说，利用机电一体化技术对传统的播种机进行改造或者发展 新型的播种机械将有助于提高播种质量，改善产品可靠性与操作性，提高生产率。 1 4 2 监测技术在农业机械上的应用 许多精密播种机上广泛采用各种监测装置，以及时发现和排除故障，确保播种质量。 国外发达国家在该领域研究和发展比较早，并且得以推广；而我国在近几年才得到了重 视和研究。目前，精密播种上所采用的监测和报警装置，主要有机械式报警器、机电式 报警器和电子仪器式监控系统。精密机上最早使用的是机械式报警器，如法国n o d e t 气 吸式播种机上的一种响铃式排种故障报警器，以敲击铃罩不断发出响声，以示警报。由 于该系统安装在播种机种子箱附近，而机器本身具有很大的噪音，加之作业环境的噪音， 作业者很难及时听见。与机械式报警器相比，机电信号式报警装置不但有声音报警和指 示灯显示，而且可以探测种子箱内的种子是否能够达到正常播种数量。现代精密播种机 上一般安装的是电子监视装置，由传感器、光电转换线路、报警控制和信号显示装置构 成。传感器的作用是将输种管中种子流动的情况变换成电信号。 国外对精密播种机监控系统的研究和应用比较早，法国、美国、前苏联都相继做了 大量的实验，研究出了不同形式的自动监控系统，不仅可以对不同作物、不同播量的排 种器进行监控，并对漏播、重播分别进行不同的声光报警、定量统计、显示播种株距、 漏播率、重播率和合格率，也可根据需要把这些参数打印下来。 在我国，山东、黑龙江、吉林、辽宁、河北等许多省份近几年已着手研制电子监视 装置。如山东农业大学机电学院研制的2 b b j i 型播种机防漏播报警器，采用红外光感 对管作为监视传感器，在种子有规律地通过排种管时，遮断红外光束，使光电转换装置 输出电脉冲信号，l e d 有规律地闪烁，显示屏工作并累计播种量。当播种机一行或数行 发生排种口卡种时，或者当开沟器一行或数行由于工况等原因发生堵塞时，脉冲信号输 送给各播种行的故障信号指示，发出光、声信号，显示故障性质及部位，扬声器发出报 警声。 提高监控系统灵敏度是监控系统发展的重要一环，也是精播机监控系统发展的第一 走向。现在很多的研究利用微型单片机来进行控制监控装置。由于单片机根据程序设置 的时间来对监视传感器、转换线路和报警系统进行监控，所以从很大程度上提高了系统 的灵敏度与准确率【7 1 。 山东理工人学硕上学位论文 绪论 1 5 主要研究内容 本课题是在种水混和式射流播种试验装置和理论的基础上提出的，研究的主要内容 是如何设计分别控制射流成穴和播种试验装置，并根据试验不断改进装置的机械设计和 控制系统的设计，它综合了机械技术、电子技术和单片机技术，对流体射种领域进行更 进一步研究工作。主要的研究内容如下： 第一、针对流体射种的特点设计套可行的种水分控式射流播种试验性装置，并用 本套装置进行试验研究； 第二、用试验装置进行试验，根据试验数据和遇到的问题，设计种水分控式播种机 的总体设计方案： 第三、播种机的机械装置部分的设计； 第四、设计播种机的控制系统部分，其中控制系统的设计主要包括以下几个部分的 设计：单片机系统的设计、种子的检测和监测电路、报警显示电路、电磁阀控制电路及 控制程序的设计、射流成穴和播种的同步装置的设计、水箱水位的监测报警电路及控制 程序的设计和输种管防堵、防漏传感器电路及报警电路的设计； 第五、使用设计好的试验装置进行试验，依据试验的结果和结论，找出设计的不足 之处，对其进行改进以达到更加合理实用的目标。 1 6 本章小结 本章介绍了流体射种课题的提出与研究现状，并介绍了国内外播种机的发展现状、 发展趋势，以及机电一体化技术和检测技术应用与农业机械的一些情况。最后，对本论 文主要研究的内容作了总结。 6 山东理工大学硕士学位论文第一二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 第二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 射水成穴播种，是一种新的播种理念。从2 0 0 1 年提出后，经过多名老师与同学的共 同努力，已经制作成功了一套基本完整的试验装置，也总结了一些射水成穴方面的理论 知识。但是由于试验条件的限制，试验采集到的数据还不是很准确，试验的可操作性和 理论知识方面还有一定的欠缺。种水混和式射流播种试验装置已经取得成功，但还存在 一些不足，离实际应用还有一定的距离。在此基础上提出了另一种新的播种理念：种水 分控式射流播种。本文探索种水分控式播种方式的可行性。 2 1 种水分控式射流播种的可行性分析 所谓种水分控式射流播种，是指分别控制种子和水进行播种，先使用高压水流进行 破土成穴，这里的高压水流的作用就相当于传统播种机的开沟器的作用，然后再把种子 播入所成的穴中，播入种子时，使用气流给种子进行加速以保证种子能准确的进入所成 穴中。这种播种方式可以形象的看作是控制水枪和气枪进行协调的工作。种水混和式射 流播种试验装置已经试验成功，在试验条件下可以成功实现播种，不过种水混合后的播 种效果尤其是种子的位置和深度还很难控制，尤其是播种一些体积较大且形状不是很规 则的种子时，比如玉米，更加难以控制甚至不能进行实际的操作，存在一些弊端。为了 克服遇到的问题，使之能应用到实际的田间作业中，课题组又提出了种水分控式射流播 种方案，此设计就是在这种背景下进行的。 首先在理论上分析一下这种播种方式的可行性，然后再根据试验情况，通过实验验 证设计和理论，然后再进行设计的改进直到达到合理和实用。下面在理论上分析一下种 水分控式射流播种的可行性。用高压水流取代传统的开沟器，高压水流距离地面较短距 离竖直向下射向相对疏松的土壤时，由于其强大的冲击力，可以在土壤中形成种穴，然 后再用气动装置把种子准确打入种穴之中。这种播种方式成功与否的关键是如何保证种 子能准确的打入穴种。由于水流的发散性，射水成穴的直径略大于射水管出口的口径。 只要合理设计水管和气管( 或种管) 的距离和离地高度，精确控制射流成穴的时间和气 动加速种子的时间的时间差，选择大小适宜的水压和气压，再尽量保证播种过程中机械 部分的稳定度，就可以实现种水分控式射流播种的成功。 2 2 试验装置整体设计方案 为了验证种水分控式射流播种方式的可行性，课题组设计了一套简单的种水分控式 射流播种试验装置，用于验证这种播种方式的可行性，为后面的进一步深入的研究和设 7 山东理工大学硕士学位论文 第二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 计提供依据。种水分控式射流播种试验装置由压力水供给系统、精密排种系统、射水成 穴及排种控制系统3 部分组成，其中高压水供给系统由射流喷管，移动式流体喷射试验装 置等组成，精密播种系统由步进电动机、窝眼式排种器等组成。将射水成穴系统、播种 系统和自动控制系统设计成一个试验小车，使之适合于在土槽上进行播种试验。 图2 1 试验装置方案设计框图 2 3 种水分控式射流播种试验装置的机械部分设计 2 3 1 机架的设计 由于试验是在槽钢轨道上进行，所以首先需要设计行走车架，再在其上安装压力水 供给系统( 演示动作过程用，实验时借用实验室移动式流体喷射试验装置) ，精密排种系 统、气动装置、射水成穴及排种控制系统等部分。机架部分示意图如下图2 2 所示。 根据实验室空间，机架外形尺寸设计为l8 8 0 1 i l m 5 0 0 n ：1 i i l 5 0 0 i 】埘，考虑到实验装 置的负荷并不大，机架整体框架可用3 0 m m 角钢制作，从实验要求的角度来分析，控制 电路主要对射流播种的两个过程：排种、射水开穴进行控制，为了简化试验装置，并没 有对机架本身进行控制。 j 。 【 1 一水箱安装角钢，2 一水泵安装角钢，3 一控制系统箱安装角钢， 4 一车架立柱5 一脚轮支板6 一步进电机安装角钢。 图2 2 射流播种试验装置机架 8 山东理工人学硕士学位论文 第二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 2 3 2 排种机构的设计 排种器是播种机的核心部件，是决定播种机特性和工作性能的主要因素。其作用是 将种子均匀连续、完好无损地按照需要的播量进行播种。目前国内外播种机使用的排种 器类型主要有外槽轮式、窝眼( 型孔) 轮式、气流式等。 本套试验装置要实现的是射流播种，且要求是精密播种，该排种机构也必须是一套 精密控制机构，所以拟采用步进电机来控制排种器，拟借鉴外槽轮排种器的结构，将排 种器设计成窝眼式来实现排种。步迸电机的转动角度可以很方便地通过电路来调节，以 实现每转一定的角度排一次种。 步进电机是机电控制系统中的关键驱动元件之一，它是一种将电脉冲信号转换为相 应的角位移或线位移的执行元件。每外加一个脉冲信号，它就运动一步，故称之为步进 电机。选取步进电机的型号为2 3 h s 3 0 0 2 ，相数2 相，步距角1 8 。，驱动电压d c 2 4 4 0 v ，最大静转矩1 2 n m 。 排种器基本示意图如下图2 3 所示： 3 4 1 一步进电机，2 一定位螺丝，3 一种箱，4 一排种器外壳( 包括毛刷) ，5 一排种窝眼，6 一排种轴 图2 3 排种器总体示意图 2 3 3 射流喷管设计 喷管亦是整套射流播种装置的关键部件( 图2 4 ) ，我们将喷管设计成直孔型，这种 结构加工比较简单，能尽量集中射出水束的能量，而且能顺利排出种子。在孔径尺寸的 设计上亦经过多次试验，要确定喷嘴的出口内径尺寸，必须要满足两个原则，一是要保 证有足够大的出口速度，因为出口尺寸越大，在压力一定的情况下，出口速度就越小， 9 山东理工大学硕士学位论文 第二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 就越不容易在地面上成穴，也就是说，压力一定，出口尺寸越小越好；二是管口不容易 被水中的杂物堵塞，经过不同尺寸比较，喷管的出口尺寸定为1 0 m m 。 2 3 4 管路连接及附属设备 图2 4 射流喷管 管路联接包括管子与管子、管子与管件及管子与阀门的联接，其主要方式有：螺纹、 焊接联接。本装置的管路都采用螺纹联接的方式。安装时在管子接头丝扣上涂上铅油， 缠上麻绳来增强密封性。 借用试验室移动式流体喷射试验装置，并可通过旋钮来调节压力( 最高压力 2 2 m p a ) ，还自带1 0 米长的耐压水管以供试验用。 1 牵引架与刹车，2 一电机，3 柱塞泵，4 稳压罐，5 一安全阀，6 一压力表， 7 流量传感器与压力变送器，8 水箱，9 压力水接口，l 卜自流水接口 图2 5 实验室移动式流体喷射试验装置 2 4 种水分控式射流播种试验装置的控制部分设计 2 4 1 总体控制方案 本实验装置电路部分要控制的两个参数为电磁阀打开时间，步进电机每次转过的角 1 0 山东理工大学硕上学位论文第二章种水分控式射流播种町行性分析与试验装置的设计 度( 通过电路每次发送的脉冲数来实现) 。其基本的控制过程为：种子经过窝眼式排种器 进入种子导管，触发光电开关，光电开关产生的信号控制射流电磁阀开启完成射水，在 地面上形成种穴，此时，种子落入穴内。此过程即完成了一次射流播种，然后再反复循 环。 2 4 2 步进电机的控制 图2 6 步进电机控制图 ( 1 ) 步进电机的运行性能 步距角和静态步距误差 步距角是指步进电机在一个电脉冲作用下( 即一拍) ，转子所转过的角位移，也称为 步距，由下式计算： 口。：兰生 5 渐z c 式中，o 。一步进电机的步距角；m 一控制绕组的相数；互一转子的齿数；c 一状态系 数；从理论上讲，每一个脉冲信号应使电机的转子转过同样的步距角。实际上，由于定 转子的齿距分度步均匀，定转子之间的气吸不均匀或铁心分段时的错位误差等，使实际 步距角和理论步距角之间存在偏差，称为静态步距角误差。它将直接影响到角度控制时 的角度误差，也影响到速度控制时的角度误差，还影响到速度控制时转子瞬时转速的稳 定性大小。 ( 2 ) 步进电机的控制电路包括控制器，驱动器，直流电源。其中控制器采用s t k 0 1 型号，驱动器采用的是s h 一2 h 0 5 7 m 型号，直流电源采用的d c 2 4 v ，1 0 a 。 山东理r t 大学硕士学位论文第二章种水分控式射流播种叮行性分析与试验装置的设计 2 4 3 步进电机与电磁阀的动作协调 y 1y 2 丫a 3n 一 图2 7 电磁阀门控制图 步进电机与电磁阀的动作协调是通过光电开关p h 来实现的。如图2 7 所示。 红外线光电开关( 光电传感器) 属于光电接近开关的简称，它是利用被检测物体对 红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，对所有能反射光线的物体 均可检测。 2 5 试验所依据的主要射流理论分析 对各种类型的射流来说，它们的共同的作用形式都是被加压后的水通过细小的喷嘴 射出，形成一个具有强大动能的水流。流体自圆孔或喷嘴流出进入较大空间形成轴对称 射流，亦称圆射流。空间中介质可以是静止的也可以是流动的，它的温度、密度与射流 温度、密度可以相同，也可以不同。 2 5 1 高压水射流结构 高压水射流是一种自由射流，正如图2 8 射流结构所描绘的状态。根据实验和理论的 研究表明，其射流结构由等速核、连续射流、液滴层和外围气流层组成。在射流中存在 不同的速度分布。 1 2 山东理工大学硕十学位论文第二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 一 _ i i l 区主要区 一 后i 益 一 连续流段 液滴流段扩散段 细微液滴 射流核心过渡段 靠滴层边 彳 参夕 jv 、|、 凸f l 迭 1 彩 t 等速核 图2 8 射流结构 等速核是纯液相流，呈楔形，其流线为平行直线，速度相等、能量也最大。 连续射流是液相流，由于射流内部的紊流和液体粘滞作用，断面速度开始降低，液 柱发散。液滴层是射流与周围空气卷吸形成，是气液二相混合流。射流的能量存在扩散， 质量差。由于气液两相存在摩擦和碰撞，产生噪声。气流层是最外层，一部分小液滴发 散到射流周围的空气中。 随着射流半径的和长度的增加，射流的形态和特性参数发生变化。具体表现在： 1 射流组成状态由液态转变为气液两相； 2 流速减弱，截面存在速度梯度，整体动能降低； 3 半径扩大，整体呈现锥形； 4 流线弯曲； 2 5 2 水射流参数的确定 1 水射流出口速度 为方便对水射流理论的分析，我们首先做出如下的假设：射流介质为常温下纯净水； 连续流动；不可压缩；过流元件无几何变形和喷嘴长度小；以上的假设本试验都符合， 则根据贝努利方程及能量守恒，可以得到： g z 。+ 旦+ 昙v i 2 ：g z 2 + 墨+ v ； ( 2 1 ) p上p 其中：g 一重力加速度( m s 2 ) ；p 一水的密度( k g 聊3 ) ；只一高压水的压力( p a ) ； b 一喷嘴出口压力( p a ) ；v 。一蓄能器断面的平均速度( m s ) ；v ：一射流出口速度( m s )： 由于e 最，1 ，2 v l 所以假设最= o ，v l = 0 ，得到下式： 山东理工大学硕上学位论文第二章种水分控式射派播种日j 行性分析与试验装簧的改计 鼻= 去； ( 2 2 ) 驴侈 q 1 ， 另外，章= 跏，1 9 是喷嘴的能量转换系数，与r e 有关，1 9 = o 8 0 9 8 。由此可见， 水射流喷嘴速度仅与压力有关，射流对物体的作用就是压能转换为动能的过程。 由式( 2 3 ) 可以近似计算喷嘴处射流的速度。但根据对流体喷射试验所用的管道进 行试验与分析可知，从压力变送器处至喷嘴处的总压力沿程损失一般为压力变送器定所 显示压力的1 5 左右，则式( 2 3 ) 可变为 驴等 q 叫， 其中，在本试验中k = o 8 5 ，鼻是压力变送器测得的数值，v ：是喷嘴出口处水的流 速。 2 流量 流速得到后，流量可由下列公式计算。这两个公式是以后理论分析要用到的，在本 试验中是以流量传感器所测得的数据为主，公式得到的流量可以作为参考。 缓一v 2 和= 三印倍 ( 2 - 5 ) 鲰际2 啪- c d 和一。秘等 c 2 吲 c 。喷嘴流量系数( c d = 0 7 ) ，其与喷嘴的摩阻系数有关，d j 一喷嘴直径。 3 动能 流体射种主要依靠的是射流的动能e e = 丢聊1 ，2 ：丢妙2 ( 2 7 ) 根据前面的公式，并考虑实际情况，可以得到： e = 2 c d 彳1 9 3 p 2 尸2 ( 2 8 ) 式中：q 喷嘴流量系数，1 9 喷嘴的能量转换系数。从式( 2 8 ) 可以看出射流的 动能与流量成正比；与压力的3 2 幕成正比。因此，在流量一定的情况下，可以增大压力 而获得较大的动能。 4 功率 喷嘴是高压水射流能量转换的元件，转换效率可以表示其性能的优劣。( 转换效率) 是喷嘴产生水射流的功率与进入喷嘴的高压水功率的比值。在喷嘴内任取一滴水( d m ) 作 为研究对象，其受力分析如图2 9 所示。由于存在沿x 轴的运动，则水滴受不平衡的压 1 4 山东理工大学硕十学位论文第二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 力p 的作用。因此喷嘴产生的射流能量就是水射流具有的动能。 论= 丢加理论v ； 际= 圭蛾际v ； ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由以上两式硼= 篆= 筹= q ，的舯在某种程度上反映了功率的损 失情况。 图2 9 微小液滴受力 5 水射流参数之间的关系 舭蝴灿，a = 甓层艴酣一一一间 是相互制约的。压力不变，喷嘴直径影响着流量的变化。喷嘴直径一定时，流量随着压 力增大而增大。 2 5 3 冲击射流的速度分布 当射流流体以一定的出口速度分布从喷嘴喷出，并冲击到壁面上时就形成了冲击射 流。如图2 1 0 所示为一圆形喷嘴垂直冲击射流。其主要的几何参数有：喷嘴直径d ， 喷嘴出口高度h ( 喷嘴出口中心o 与几何冲击点d 之间的距离) ，喷嘴轴线与入射面之间 的夹角目。 轴对称冲击射流的流动结构己经被特征化，通常被分为如图2 1 0 所示的三个特征区 域，即自由射流区、冲击( 滞止) 区和壁面射流区。 山东理工大学硕十学位论文第二章种水分控式射流播种町行性分析与试验装置的设计 土j 工 縻囱， u 0口i t1 n 燎 | i i i 、 而i 工ii l丕!j 图2 1 0 冲击射流示意图 如图2 1 0 所示i 区为自由射流区，其流动基本上没有受到固体壁面的影响。 i i 区为冲击区，该区中流动受壁面作用，压强增高，大于周围静压，在滞止点0 处 压强最大，形成较大的压强梯度，促使流线弯曲，折转逐渐平行于壁面，压强也逐渐恢 复为周围静压。 i i i 区为附壁射流区，当压强基本上恢复为静压后，流动成为壁面射流的性质。 对于自由射流区，它和冲击区的分界约为x m o 7 ，该区的性质基本上和自由射流 相同。其距离喷嘴出口中心点。为x f 的断面上流速分布存在相似性，可按照下式表示： 旦= ( 1 一f j ) 2 ( 2 1 1 ) 材肼 式中f 。压，强为射流在处的半径。 x 。处射流断面中心轴线流速： 堕：圣垒( 2 一1 2 ) 一一= = = = = = 厶上厶， x 式中为射流喷嘴出口处中心轴线流速。 冲击区的范围大致从x h = 0 7 开始，至下游进入附壁射流处x h o 3 5 为止，该区 中流线弯曲，因此流线的分布难以用简单的式子表达。 在冲击区，射流流线经历了显著的弯曲，并在该区末几乎变成平行于壁面的流动， 即进入附壁射流区。在附壁射流区，由于壁面射流的紊动掺混和吸卷，射流断面上的最 大流速“。沿程逐渐减小，并满足下式： 1 6 山东理工人学硕士学位论文 第二章种水分控式射流播种町行性分析与试验装置的设计 堑：丝( 2 1 3 ) 一一= = = = = 、三i ) ， 式中材。为射流喷嘴出口处中心轴线流速，x 为射流断面离开冲击区的距离。 射流对物体的作用力也随着喷嘴到物体的距离变化而不断变化的，这是由于射流 速度随着的变化而变化阎。 为了比较肋( 拐喷口直径) 和雷诺数尼与物体表面压强的一次变化关系，选择过 中心点截面x 方向上的压力变化情况进行分析( 图2 1 1 ，2 1 2 ) ，在y 方向上和其它截 面上以及其他 夕勿和尼数下表面压力的变化规律具有相似性。 图2 11 通过中心截面x 向压力变化( re = 3 4 1 0 4 ) = 。3 dr n 图2 1 2 通过中心截面x 向压力变化( 胁5 ) 从图中可以看出，当尼一定时，压力随着岛仞的增大而减小，冲击作用的范围增 大。助z 5 比助z 净3 时的压力变化平稳，也就是助z 垮5 时在一个较长距离上都保持较 1 7 山东理工大学硕士学位论文第二章种水分控式射流播种可行性分析与试验装置的设计 大的压力值。而励诊= 7 虽然有较大范围的压力平稳区，可压力值比励诊- 5 低很多，所 以胁5 左右最好【9 】【1 0 1 。 2 6 射水深度一射水时间和射水压力的回归分析 射水深度一射水时间和射水压力的关系曲线如下图2 1 3 。从曲线看，随着射水压力 的增加，射水深度整体是增大的趋势，从o 9 到1 0 m p a 射水深度值增大的趋势最为明显。 而从射水时间上来分析，在相同的压力条件下，射水时间的增长也导致射水深度增大， 时间越长趋势越明显。土壤是一个多孔体，随着时间的延长，水分渗入土壤的速度有加 快的趋势，因此射水深度的增加也有加快的趋势。 0 7 卜1 p q 0 8 卜1 p q 0 9 m p q 1 0 卜1 p q 0 50 60 70 8 0 91 01 1 射水时间t ( 8 ) 图2 1 3 射水深度一射水时间和射水压力关系曲线图 课题组在种水混和式射流播种装置研制的过程中，进行试验得出了射水深度和射水 压力和射水时间的关系，根据试验数据得到回归方程。理论上就可以根据射水压力和射 水时间长短的值，就可以计算出相应的射水深度。 1 8 山东理工大学硕上学位论文第三章种水分控式射流播种机的总体设计方案 第三章种水分控式射流播种机的总体设计方案 3 1 种水分控式射流播种机的工作原理 种水分控式射流播种是一种新型的播种方式和理论，故种水分控式射流播种机是一 种新型的播种机械。下面介绍一下其工作原理：提供高压水和高压气流的动力由拖拉机 提供，控制系统的电源有车载电瓶提供，水箱装在拖拉机两侧的副板上，空气压缩机安 放在驾驶员座后，控制系统的控制面板放在驾驶员的正前方，便于操作控制。下面介绍 一下播种机的工作原理：在播种机开始运动播种之前，驾驶员先开启控制系统的电源， 让控制系统的软硬件做好工作的准备；开始作业，拖拉机牵动播种机运动，在运动的过 程中地轮带动排种器排种，当种子在排种管种中下落的过程中，光电检测电路检测到有 种子到达挡种板处，检测电路向单片机报告，单片机发出指令命令控制射流的电磁阀打 开预定的时间，高压水流打进土壤形成一定直径和深度的穴；同时有一定延时的同时打 开控制气压的电磁阀和控制挡种板的电磁阀，对种子进行加速以保证种子尽可能准确的 播入射流所成的穴。至此完成一次播种，然后重复以上播种过程。 3 2 种水分控式射流播种机的机械结构 种水分控式射流播种机与传统的播种机最大的不同之处在于它没有开沟器等类似的 与地面接触的机械结构，它是一种非接触式的播种方式，这又不同于气动式播种方式。 能否完成准确的播种，除了控制系统的精确之外，机械结构的合理与否直接影响到播种 的效果。下面介绍一下本系统设计使用的射流播种的机构。 由于种子和水是分开的，故应该把射流管和射种管分开，如图3 1 所示，此结构是 最初设计的结构，射流管和射种管并行放着，射流管的下端装有一个电磁阀，控制高压 水流的通断，高压水流射进土壤里成预定深度的穴；射种管与排种管和喷气管相连，其 排气管中装有一电磁阀，用于控制气流的通断，排种管上端与排种器相连，射种管的下 端装有挡种板，用于定位种子的位置，挡种板的关闭有电磁铁控制。通过试验验证这种 结构在低速播种时可以满足要求，种子入穴率在9 5 以上，比如在播种速度在1 n 洮以 下时可以，但实际的播种机的播种速度要远大于这个速度，在速度较高时，形成穴后， 当种子下落过程中，它不仅有一个向下的速度而且还有一个和播种机一样的水平速度， 因