馬鈴薯播種機設(shè)計

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Engineering, Volume 95, Issue, September 2006: 3541 大多數(shù)馬鈴薯播種機都是通過勺型輸送鏈對馬鈴薯種子進行輸送和投放。當(dāng)種植精度只停留在一個可接受水平的時候這個過程的容量就相當(dāng)?shù)?。主要的限制因素是：輸送帶的速度以及取薯勺的?shù)量和位置。假設(shè)出現(xiàn)種植距離的偏差是因為偏離了統(tǒng)一的種植距離，這主要原因是升運鏈?zhǔn)今R鈴薯播種機的構(gòu)造造成的.一個理論的模型被建立來確定均勻安置的馬鈴薯的原始偏差，這個模型計算出兩個連續(xù)的馬鈴薯觸地的時間間隔。當(dāng)談到模型的結(jié)論時，提出了兩種假設(shè)，一種假設(shè)和鏈條速度有關(guān)，另一種假設(shè)和馬鈴薯的形狀有關(guān)。為了驗證這兩種假設(shè)，特地在實驗室安裝了一個種植機，同時安裝一個高速攝像機來測量兩個連續(xù)的馬鈴薯在到達土壤表層時的時間間隔以及馬鈴薯的運動方式。結(jié)果顯示：（a）輸送帶的速度越大，播撒的馬鈴薯越均勻；（b）篩選后的馬鈴薯形狀并不能提高播種精度。主要的改進措施是減少導(dǎo)種管底部的開放時間，改進取薯杯的設(shè)計以及其相對于導(dǎo)種管的位置。這將允許杯帶在保持較高的播種精度的同時有較大的速度變化空間。介紹說明升運鏈?zhǔn)今R鈴薯種植機（圖一）是當(dāng)前運用最廣泛的馬鈴薯種植機。每一個取薯勺裝一塊種薯從種子箱輸送到傳送鏈。這條鏈向上運動使得種薯離開種子箱到達上鏈輪，在這一點上，馬鈴薯種塊落在下一個取薯勺的背面，并局限于金屬導(dǎo)種管內(nèi).在底部，輸送鏈通過下鏈輪獲得足夠的釋放空間使得種薯落入地溝里。 圖一，杯帶式播種機的主要工作部件：（1）種子箱；（2）輸送鏈；（3）取薯勺；（4）上鏈輪；（5）導(dǎo)種管；（6）護種壁；（7）開溝器；（8）下鏈輪輪；（9）釋放孔；（10）地溝。 株距和播種精確度是評價機械性能的兩個主要參數(shù)。高精確度將直接導(dǎo)致高產(chǎn)以及馬鈴薯收獲時的統(tǒng)一分級(McPhee et al, 1996；Pavek & Thornton, 2003)。在荷蘭的實地測量株距（未發(fā)表的數(shù)據(jù)）變異系數(shù)大約為20%。美國和加拿大早期的研究顯示，相對于玉米和甜菜的精密播種，當(dāng)變異系數(shù)高達69%(Misener, 1982；Entz & LaCroix, 1983；Sieczka et al, 1986)時，其播種就精度特別低。輸送速度和播種精度顯示出一種逆相關(guān)關(guān)系，因此，目前使用的升運鏈?zhǔn)椒N植機的每條輸送帶上都裝備了兩排取薯勺而不是一排。雙排的取薯勺可以使輸送速度加倍而且不必增加輸送帶的速度。因此在相同的精度上具有更高的性能是可行的。該研究的目的是調(diào)查造成勺型帶式種植機精度低的原因，并利用這方面的知識提出建議，并作設(shè)計上的修改。例如在輸送帶的速度、取薯杯的形狀和數(shù)量上。為了便于理解，建立一個模型去描述馬鈴薯從進入導(dǎo)種管到觸及地面這個時間段內(nèi)的運動過程，因此馬鈴薯在地溝的運動情況就不在考慮之列。由于物理因素對農(nóng)業(yè)設(shè)備的強烈影響(Kutzbach, 1989)，通常要將馬鈴薯的形狀考慮進模型中。兩種零假設(shè)被提出來了：（1）播種精度和輸送帶速度無關(guān)；（2）播種精度和篩選后的種薯形狀（尤其是尺寸）無關(guān)。這兩種假設(shè)都通過了理論模型以及實驗室論證的測試。材料及方法2.1 播種材料幾種馬鈴薯種子如圣特、阿玲達以及麻佛來都已被用于升運鏈?zhǔn)讲シN機測試，因為它們有不同的形狀特征。對于種薯的處理和輸送來說，種薯塊莖的形狀無疑是一個很重要的因素。許多形狀特征在結(jié)合尺寸測量的過程中都能被區(qū)分出來(Du & Sun, 2004； Tao et al, 1995； Zdler, 1969)。在荷蘭，馬鈴薯的等級主要是由馬鈴薯的寬度和高度（最大寬度和最小寬度）來決定的。種薯在播種機內(nèi)部的整個輸送過程中，其長度也是一個不可忽視的因素。形狀因子S的計算基于已經(jīng)提到的三種尺寸： 此處l是長度，w是寬度，h是高度（單位：mm），且hw001 m時，這種關(guān)系是線性的。 ，測量數(shù)據(jù)；，數(shù)學(xué)模型的數(shù)據(jù)； ，延長到R 0 01米； -，線性關(guān)系；R2，決定系數(shù)。3.2 馬鈴薯的尺寸和形狀 實驗數(shù)據(jù)由表三給出。顯示固定進料率為每分鐘400個種薯的時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)偏差。這些結(jié)果與期望值剛好相反，即高的標(biāo)準(zhǔn)偏差將使得形狀因子增加。球狀馬鈴薯的結(jié)果尤其令人吃驚：球的標(biāo)準(zhǔn)偏差高過阿玲達馬鈴薯50%以上。時間間隔的正態(tài)分布如圖七所示，球和馬鈴薯之間的差異明顯。兩個不同品種的馬鈴薯之間的差異不明顯。 表三 馬鈴薯品種對種植間距的精確度的影響 品種 標(biāo)準(zhǔn)偏差，ms CV, % 阿玲達 8.60 30 麻佛來 9.92 35 高爾夫球 13.24 46 圖七，固定進料率下不同形狀的沉積的馬鈴薯時間間隔的正態(tài)分布。球狀馬鈴薯的這種結(jié)果是因為球可以以不同的方式在取薯勺背部定位。臨近杯中球的不同定位導(dǎo)致沉積精度降低。杯帶的三維視圖顯示了取薯勺與導(dǎo)種管之間的間隔的形狀，顯然獲得不同大小的開放空間是可行的。圖八，取薯勺呈45度時的效果圖；馬鈴薯在護種壁的位置對其釋放具有決定性影響。阿玲達塊莖種薯在沉積時比麻佛來的精度高。通過對記錄的幀和馬鈴薯的分析，結(jié)果表明：阿玲達這種馬鈴薯總是被定位平行于最長的軸線的護種壁。因此，除了形狀因子外，寬度與高度的高比例值也將造成更大的偏差。阿玲達的這個比例是1.09，麻佛來的為1.15。3.3 實驗室對抗模型測試平臺該數(shù)學(xué)模型預(yù)測了不同情況下的流程性能。相對于馬鈴薯，該模型對球模擬了更好的性能，然而實驗測試的結(jié)果卻恰然相反。另外實驗室試驗是為了檢查模型的可靠性。在該模型里，兩個馬鈴薯之間的時間間隔被計算出來。起始點出現(xiàn)在馬鈴薯開始經(jīng)過A點的時刻，終點出現(xiàn)在馬鈴薯到達C點的時刻。通過實驗平臺，從A到C點的馬鈴薯的時間間隔被測出。每個馬鈴薯的長度、寬度和高度也通過測量獲得，同時記錄了馬鈴薯的數(shù)量。測量過程中馬鈴薯在取薯杯上的位置是已經(jīng)確定好的。這個位置和馬鈴薯的尺寸將作為模型的輸入量，測量過程將阿玲達與麻佛來以400個馬鈴薯每分的速率下進行。測量時間間隔的標(biāo)準(zhǔn)偏差如表四所示。測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差與模型的標(biāo)準(zhǔn)誤差只是稍稍不同。對這種不同現(xiàn)象的解釋是：（1）模型并沒有把圖八中出現(xiàn)的情況考慮進去；（2）從A點到C點的時間不一致。塊狀馬鈴薯如阿玲達可能從頂部或者最遠(yuǎn)距離下落，這將導(dǎo)致種薯到達C點底部的時間增加6ms表四 通過實驗室測量和模型計算出來的開放時間的標(biāo)準(zhǔn)誤差的差異 品種 形狀因子 標(biāo)準(zhǔn)偏差, ms 測量值 計算值 阿玲達 326 8.02 5.22 麻佛來 175 6.96 4.404. 總結(jié)這個模擬馬鈴薯從輸送帶開始釋放的運動的數(shù)學(xué)模型是一個非常有用的證實假設(shè)和設(shè)計實驗平臺的工具。模型和實驗室的測試都表明：鏈速越高，馬鈴薯在零速度水平沉積得更均勻。這是由于開口足夠大使得馬鈴薯下降得越快，這對馬鈴薯的形狀和種薯在取薯杯上的定位有一定的影響，與鏈條速度的關(guān)系也就隨之明確，因此，在保持高的播種精度時，應(yīng)該提供更多的空間以減小鏈條的速度。建議降低鏈輪的半徑，直至低到技術(shù)上的可行度。該研究顯示，播種機的取薯勺升運鏈鏈對播種精度（播種的幅寬）有很大的影響。更規(guī)格的形狀（形狀因子低）并不能自動提高播種精度。小球（高爾夫球）在很多情況下沉積的精度低于馬鈴薯，這是由導(dǎo)向的導(dǎo)種管和取薯勺的形狀決定的。因此建議重新設(shè)計取薯勺和導(dǎo)種管的形狀，要做到這一點還應(yīng)該將小鏈輪加以考慮。參考文獻1 Du and Sun, 2004 Cheng-Jin Du and Da-Wen Sun, Recent developments in the applications of image processing techniques for food quality evaluation, Trends in Food Science & Technology 15 (2004), pp. 230249.2 Entz and LaCroix, 1983 M.H. 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