Оптимизация механизма приема семян в ленточном семяпроводе на основе эксперимента с высокоскоростной видеосъемкой

При высокоскоростном посеве кукурузы со скоростью 10 км/ч интенсивный высев, вызванный высокой скоростью вращения высевающего диска, увеличивает ударную силу семян при их сбросе из высевающего аппарата в семяпровод, что, в свою очередь, снижает общую эффективность сеялки.

В данном исследовании для проведения экспериментов и оптимизации параметров механизма приема семян ленточного семяпровода использовалась высокоскоростная видеосъемка. Путем изменения скорости прижимного колеса и угла приема семян были получены и проанализированы кривые изменения скорости и траектории смещения семян в различных условиях. Результаты показывают, что колебания скорости семян являются более стабильными, а траектория их смещения достигает наибольшей стабильности при скорости прижимного колеса 560 об·мин⁻¹. При установке угла приема семян на 85° колебания скорости семян становятся менее выраженными, что приводит к более плавной траектории их смещения. Наконец, результаты экспериментов, полученные с помощью высокоскоростных камер, подтверждены полевыми испытаниями. Результаты данного исследования могут служить теоретической основой для дальнейшей оптимизации экспериментального ленточного семяпровода.

Более 170 стран и регионов выращивают кукурузу, которая является самой высокоурожайной зерновой культурой и наиболее важным кормовым зерном [ 1 ]. На долю трех крупнейших производителей — США, Китая и Бразилии — в 2020 году приходилось более 60% мирового производства кукурузы, которое оценивалось в 1,2039 миллиарда тонн [ 2 ]. Основные регионы выращивания кукурузы в США сосредоточены вдоль Великих озер, а в Китае — преимущественно в северо-восточном, северо-западном и юго-западном регионах [ 3 ]. Высокоскоростной посев — это практичный метод сокращения времени посева, снижения трудозатрат, повышения качества и однородности посева, а также увеличения урожайности и дохода. Поэтому важность высокоскоростного посева для выращивания кукурузы очевидна [ 4 , 5 , 6 ]. Для обеспечения высокоскоростной подачи семян и минимизации столкновений семян, в направляющей трубе для семян с ременным приводом используется семенная лента для всестороннего удержания семян, что обеспечивает равномерный и упорядоченный выброс семян из дозирующего устройства. Такой способ подачи семян отвечает требованиям работы сеялки в условиях высокоскоростного посева [ 7 , 8 ]. Однако при этом происходит нестабильность при переносе семян из сеялки в полость направляющей ленты [ 9 ]. В результате данное исследование сосредоточено на повышении эксплуатационной стабильности направляющей трубы для семян с ременным приводом путем оптимизации критически важных элементов в ее механизме приема семян.

Оптимальное проектирование и тестирование направляющих труб для семян с ременным приводом является одной из актуальных тем современных исследований, в основном касающихся структурных параметров, механизма передачи, характеристик движения, качества посева и других аспектов направляющих труб для семян с ременным приводом [ 10 , 11 ]. Чен Сюэгэн и др. разработали устройство для направления семян с ременным приводом, связанное со скоростью диска и скоростью движения сеялки и интегрированное с механизмами передачи и посева, на основе анализа баланса времени формирования отверстия в пневматической сеялке. Они определили основные структурные параметры направляющей трубы для семян с ременным приводом пневматической сеялки [ 12 ]. Ма Чэнчэн и др. использовали программное обеспечение для моделирования методом дискретных элементов, чтобы имитировать возможности высокоскоростной направляющей трубы для семян с ременным приводом. Они проанализировали изменения напряжений в семенах в различных условиях, включая наличие рисунка «елочка», изменение межосевого расстояния колес и т. д. В данной статье обсуждается влияние вышеуказанных параметров на изменение напряжений и скорости в семенах [ 13 ]. Тан Хань и др. Усовершенствованное и разработанное устройство для точного дозирования семян кукурузы с помощью зажима, заполняющего семена, вибрационной очистки семян и гибкого направляющего устройства для семян, проанализировано в соответствии с принципом его работы, оптимизированы структурные параметры ключевых компонентов и получены оптимальные параметры его рабочей комбинации посредством стендовых испытаний, чтобы обеспечить выполнение требований к высокой норме высева, высокой скорости равномерности и низкому повреждению [ 14 ]. Лю Цзиньцин и др. оценили производительность ленточных механизмов дозирования семян на основе теоретического анализа, численного моделирования и методов полевых испытаний [ 15 ]. Они разработали математическую модель для расчета теоретической нормы высева семян, нормы повторного посева, нормы пропущенных посевов, коэффициента вариации (CV) для расстояния между растениями и теоретического количества семян на единицу площади при различных условиях работы. Они использовали программное обеспечение EDEM 2020 для моделирования характеристик движения семян в ленточных механизмах дозирования семян в различных сценариях эксплуатации, получая информацию о распределении семян по поверхности ленты, силах контакта семян с поверхностью ленты и других важных факторах.

Помимо достижений китайских ученых, исследователи из США, Кохер, Майкл Ф. и др., исследовали, как состояние семенной трубки влияет на равномерность расстояния между семенами кукурузы. В ходе экспериментов и анализа они предоставили ценные сведения о взаимосвязи между характеристиками семенной трубки и важнейшим аспектом равномерности расстояния между семенами в процессе посева кукурузы [ 16 ]. Кроме того, Карайел Д. и др. разработали инновационную спиральную семенную трубку. Эта спиральная трубка предназначена для крепления к концу обычной подающей трубки сеялки с целью регулирования потока семян при их выгрузке в почву. Спиральная конструкция работает за счет использования реакции трения, возникающей при прохождении падающих семян по спирали. Этот механизм эффективно регулирует скорость падающих семян, тем самым повышая равномерность распределения семян [ 17 ]. Другое исследование было проведено Даниэлем Сави и др., целью которого было оценить влияние кривизны семенной трубки на продольное распределение семян кукурузы и сои при различных скоростях посева. Результаты этого исследования показали, что изогнутая семенная трубка продемонстрировала наибольшую эффективность по измеренным параметрам как для кукурузы, так и для сои. Кроме того, было отмечено, что увеличение скорости посева отрицательно повлияло на оцениваемые параметры, особенно при выращивании сои [ 18 ].

В заключение, качество высокоскоростного посева во многом зависит от конструкции и рабочих характеристик устройства подачи семян сеялки. Ременная передача направляющей трубки для семян является практичным способом повышения эффективности посева сеялок, обладающим широким спектром потенциальных применений и исследовательской ценностью. В настоящее время существует множество исследований по оптимизации и проектированию простых направляющих трубок для семян или конвейерных лент, но мало исследований, посвященных механизмам приема семян. Как переходная часть между устройством дозирования семян и конвейерной лентой, механизм приема семян напрямую связан с последующим эффектом направления семян. Поэтому, используя технологию высокоскоростной видеосъемки, в данном исследовании были протестированы рабочие параметры основного и вспомогательного зажимных колес механизма приема семян и изучена закономерность влияния изменений этих параметров на эффект приема семян, что обеспечит экспериментальную основу для оптимизации конструкции и параметров направляющей трубки для семян в будущем. Целью данного исследования является повышение стабильности перехода семян кукурузы от дозирующего устройства к направляющей трубе с ременным приводом во время высокоскоростного посева, что позволит обеспечить эффективный и быстрый посев.

2.1. Конструкция и принципы работы направляющей трубки для семян с ременным приводом

На рисунке 1 показана конструкция направляющей трубки для семян с ременным приводом. Она включает в себя важные компоненты, в том числе зажимное колесо, детали для очистки семян, ведущее/ведомое ленточное колесо, конвейерную ленту для семян, натяжное устройство, редуктор, защитный кожух, корпус и сервопривод.

Рисунок 1. Схема, демонстрирующая конфигурацию направляющей трубки для семян с ременным приводом: 1. Зажимное колесо 2. Детали для очистки семян 3. Ведущее ленточное колесо 4. Лента для транспортировки семян 5. Натяжитель 6. Ведущее ленточное колесо 7. Редуктор 8. Защитный кожух 9. Сервопривод 10. Корпус 11. Пластина для выброса семян.

Эта направляющая трубка для семян с ременным приводом заменяет выходное отверстие для семян и традиционную направляющую трубку для семян в устройстве точного дозирования семян кукурузы с пневматическим всасыванием. Направляющая трубка для семян позволяет быстро и точно зажимать семена в дискообразном отверстии семенного диска и подавать их в полость конвейерной ленты для семян посредством вращения зажимного колеса, что не только значительно повышает скорость подачи семян, но и обеспечивает равномерность и точность процесса посева, а также улучшает рабочие характеристики всей машины при высокоскоростном посеве [ 19 , 20 , 21 , 22 ].

2.2. Конфигурация и концепция функционирования механизма приема семян

По сравнению с другими традиционными устройствами для подачи семян, направляющая трубка для семян оснащена механизмом приема семян, а движение семян ограничивается вращением и зажимом прижимного колеса, что повышает стабильность и точность попадания семян из семенного диска в полость конвейерной ленты в процессе высокоскоростного посева и эффективно снижает подпрыгивание и столкновение семян во время движения. Механизм приема семян направляющей трубки для семян состоит в основном из основного и вспомогательного прижимных колес, деталей для очистки семян, корпуса вала, редуктора, сервопривода и задней крышки ( рис. 2 ). Среди них основное и вспомогательное прижимное колесо является одним из ключевых компонентов механизма, который эффективно ограничивает движение семян за счет вращения и зажима. Когда семенной диск подает семена в механизм приема семян, он приводится в движение высокоскоростными вращающимися главным и вспомогательным зажимными колесами, которые зажимают семена и контролируют направление их движения, что напрямую влияет на стабильность и точность перехода семян с семенного диска в полость конвейерной ленты. Зажимное колесо изготовлено из резины, а очищающие элементы для семян расположены в нижней части главного зажимного колеса, чтобы избежать влияния на работу механизма приема семян из-за застревания семян между пальцами главного зажимного колеса. Соотношение радиусов главного и вспомогательного зажимных колес составляет 1,7:1, и пальцы с наклонной дугообразной структурой равномерно распределены вокруг зажимного колеса, из которых 17 пальцев расположены на главном зажимном колесе и 15 пальцев — на вспомогательном зажимном колесе.

Рисунок 2. Схема механизма приема семян: 1. Порт для сбора семян 2. Вторичное зажимное колесо 3. Корпус вала 4. Детали очистки семян 5. Главное зажимное колесо 6. Корпус 7. Задняя крышка 8. Ведущая шестерня главного зажимного колеса 9. Переходная шестерня 10. Шарикоподшипник 11. Шестерня серводвигателя 12. Ведущий шкив 13. Ведущая шестерня вторичного зажимного колеса. ( a ) Передняя часть устройства; ( b ) Задняя часть устройства; ( c ) Схема зубчатой ​​передачи.

В соответствии с принципом работы механизма приема семян, он делится на три этапа: захват семян, транспортировка семян и выгрузка семян. Когда семенной диск перемещает одно семя к приемному отверстию, гибкие основные и вспомогательные зажимные колеса «захватывают» семя, вращаясь и зажимая его, в результате чего происходит захват семян. Захваченные семена перемещаются под действием вращающегося зажима основных и вспомогательных зажимных колес, в результате чего происходит их транспортировка. Затем зажимное колесо выгружает семена в полость нижней конвейерной ленты, в результате чего происходит их выгрузка. Метод «захвата» и последующего «освобождения» семян с помощью зажимного колеса позволяет стабильно передавать семена от дозирующего устройства к ленточной направляющей трубе без повреждения семян.

2.3. Проектирование и анализ механизма приема семян

2.3.1. Геометрические параметры семян кукурузы

Конструкция механизма приема семян в значительной степени зависит от геометрических характеристик семян кукурузы [ 23 , 24 , 25 ]. При проектировании параметров механизма приема геометрические характеристики различных сортов кукурузы являются важными ориентирами. В качестве объектов измерения были выбраны три широко распространенных в северном Китае сорта: Демия № 1, Хэю 187 и Фэнхэ № 7. В таблице 1 представлены результаты измерения их длины, ширины и толщины.

Таблица 1. Трехмерные измерения различных семян.

В таблице 1 показано, что существуют значительные различия в размерах между различными сортами семян кукурузы, а также некоторые различия внутри одного сорта. Наибольшая разница между ними заключается в длине, в то время как различия в ширине и толщине, как правило, меньше.

2.3.2. Зазор между основными и вспомогательными зажимными колесами, предназначенный для приема семян.

Эффективность приема семян существенно зависит от ширины зазора между основным и вспомогательным зажимными колесами. Как показано на рисунке 3а , «s» обозначает ширину зазора между основным и вспомогательным зажимными колесами. Зажимные колеса потеряют свою способность зажимать семена, если ширина зазора слишком велика, что может привести к таким проблемам, как естественное выпадение семян и нарушение начального потока семян [ 26 ]. Проблемы, такие как отскок семян от зажимных колес, возникнут, если ширина зазора слишком мала. Ширина зазора для приема семян в этом разделе определяется с учетом формы и положения прилегания семян кукурузы. Две основные категории положения прилегания семян — вертикальное и боковое [ 27 ]. Для обеспечения полного зажима боковых семян (как показано на рисунке 3б ) и беспрепятственного прохождения вертикальных семян (как показано на рисунке 3в ) крайне важно, чтобы ширина зазора для приема семян была достаточной. В результате зажимные колеса должны быть оснащены эластичными пальцами для захвата семян путем вращения и зажима. Если в центре отверстия находится адсорбированное зерно кукурузы, то:

где t a — высота на кончике вертикально расположенного семени, обычно от 1 до 1,5 мм; если используется t a = 1,5 мм, t b — высота у основания вертикально расположенного семени, обычно от 2,5 до 3 мм, при этом выбирается t b = 3 мм, s — ширина зазора.

Рисунок 3. Различные положения адсорбции семян кукурузы, проходящих через зазор между зажимными колесами: ( а ) ширина зазора между основным и вспомогательным зажимными колесами; ( б ) семена, расположенные боком, проходят через зазор зажимных колес; ( в ) семена, расположенные вертикально, проходят через зазор зажимных колес.

Результат уравнения (1) равен 1,5 ≤ s ≤ 3 мм; s выбрано в качестве промежуточного значения 2,3 мм, чтобы обеспечить максимально возможную адаптацию зажимных колес к большинству семян кукурузы.

2.3.3. Параметры деформации пальца

Согласно схематической диаграмме на рисунке 3 , формулы для наибольшей и наименьшей суммарной переменной формы пальцев на главном и вспомогательном зажимном колесе могут быть выражены следующим образом:

где w b — ширина конца бокового семени, которая обычно составляет 7–8,5 мм, а здесь принято значение 8,5 мм, d 1 z — наибольшая переменная формы пальца основного зажимного колеса, d 2 z — наименьшая переменная формы пальца основного зажимного колеса, d 1 f — наибольшая переменная формы пальца вторичного зажимного колеса, d 2 f — наименьшая переменная формы пальца вторичного зажимного колеса, d max — наибольший суммарный параметр формы основного и вторичного пальцев, и d min — наименьший суммарный параметр формы основного и вторичного пальцев.

Из уравнения (2) наименьшее значение переменной формы пальца ( d min ) составляет 0,7 мм, а наибольшее суммарное значение переменной формы ( d max ) равно 6,2 мм.

2.3.4. Скорость вращения зажимного колеса

После перемещения зажимным колесом семена выгружаются в полость конвейерной ленты, и на рисунке 4 показана скорость движения семян в этом процессе.

Рисунок 4. Схема ширины зазора между основным и вспомогательным зажимными колесами.

Когда семена попадают в полость конвейерной ленты, они совершают параболическое движение в направлении, направленном вниз, и формула для этого выглядит следующим образом:

{вx=в0c o s 𝛼вй=в0sin α + a t​​(3)

где v x — составляющая скорости по оси абсцисс, v y — составляющая скорости по оси ординат, R — радиус зажимного колеса, n 2 — скорость вращения зажимного колеса, v 0 — полная скорость семени, α — угол падения, a — ускорение падающего семени после его освобождения зажимным колесом, и t — время, когда семя попадает в полость конвейерной ленты.

Объединение уравнений (3) и (4) приводит к уравнению (5).

Согласно уравнению (5), скорость падения семян в полость связана со скоростью вращения и радиусом зажимного колеса. Начальная скорость нисходящей наклонной параболической траектории и скорость входа в полость конвейерной ленты для семян возрастают синхронно со скоростью вращения зажимного колеса. Если эта скорость слишком высока, семена будут сильно сталкиваться при контакте с конвейерной лентой и затем выпадать из полости, что повлияет на последующий эффект направления семян и снизит точность посева всей сеялки. Резиновые пальцы на поверхности зажимного колеса будут изгибаться при контакте с семенами в процессе приема семян, поэтому радиус зажимного колеса будет изменяться в любой момент времени. Для повышения удобства и точности эксперимента в данной работе проведены эксперименты с высокоскоростной видеосъемкой и проанализирована скорость вращения зажимного колеса.

2.3.5. Строение пальцев

В результате серии предварительных экспериментов были определены оптимальные параметры конструкции пальцев зажимного колеса. В качестве формы пальцев зажимного колеса была выбрана наклонная дугообразная структура. Для удобства зажима семян начальный угол наклона пальцев основного колеса составлял 30°, угол между пальцами — 21°, а количество пальцев основного колеса — 17. При угле наклона пальцев вторичного колеса 30°, расстоянии между пальцами 24° и 15 пальцах на вторичном колесе толщина пальцев основного колеса составляла 2,5 мм, а пальцев вторичного колеса — 2 мм. Во время приема семян максимальная суммарная деформация как основных, так и вторичных пальцев достигает 6,2 мм. Суммарное значение деформации распределялось следующим образом: при условии, что деформация основного колеса составляет 5 мм, деформация вторичного колеса — 1,2 мм, длина пальцев основного колеса составляет 10 мм, а длина пальцев вторичного колеса — 3 мм. На рисунке 5 показана конструкция и структура пальцев.

Рисунок 5. Схема конструкции и размеров пальцев основного и вспомогательного зажимного колеса: ( а ) Размер пальцев основного колеса; ( б ) Размер пальцев вспомогательного колеса.

2.3.6. Угол сбора семян

Основные и вспомогательные зажимные колеса являются ключевыми рабочими частями механизма посева, которые взаимодействуют друг с другом, обеспечивая зажим, транспортировку и посев. Для эффективного захвата семян кукурузы зажимным колесом необходимо определить соответствующий угол инокуляции, то есть угол между соединительной линией между валом основного и вспомогательного зажимных колес и горизонтальной плоскостью. Этот угол должен удовлетворять следующим условиям: при транспортировке семян кукурузы из отверстия семенного диска в отверстие механизма инокуляции семена должны стабильно и точно попадать в спиральное зажимное положение между основным и вспомогательным зажимными колесами и не отклоняться. В этом случае механизм инокуляции должен обеспечивать хороший винтовой зажим семян кукурузы. Для достижения этой цели можно использовать геометрическое соотношение, чтобы определить, что когда центральная линия основного и вспомогательного зажимных колес перпендикулярна касательной к точке пересечения с центром отверстия матрицы, угол между прямой линией и горизонтальной плоскостью является оптимальным углом инокуляции. То есть, когда оси O2 и O3 основного и вспомогательного зажимных колес представляют собой три точки и одну линию с осью O1 семенного диска, θ — это угол между прямой линией и горизонтальной плоскостью, как показано на рисунке 6. Этот угловой параметр необходимо дополнительно изучить с помощью высокоскоростной видеосъемки.

Рисунок 6. Схема расположения основных и вспомогательных зажимных колес и семенного диска.

2.4. Получение и анализ траектории перемещения семян на основе высокоскоростной видеосъемки.

2.4.1. Экспериментальные условия и материалы

В экспериментальной установке использовался прецизионный дозатор семян с воздушным всасыванием. Корпус дозатора, герметизирующая камера и диск для семян были сделаны прозрачными с помощью технологии прозрачной 3D-печати, чтобы облегчить контроль за состоянием захвата семян зажимным колесом ( рис. 7 ). Использовалась высокоскоростная камера DimaxCS 3, предоставленная компанией PCO.DIMAX GmbH в Кельхайме, Бавария, Германия, и соответствующий ей ПК, предоставленный компанией Hewlett-Packard (HP) в Пало-Альто, Калифорния, США.

Рисунок 7. Компоненты прозрачного дозирующего устройства для семян: ( а ) уплотнительное кольцо; ( б ) диск для семян; ( в ) оболочка.

Высокоскоростная цифровая видеосъемка была настроена на 600 кадров, чтобы получить разрешение графика траектории перемещения семян, подходящее для данного исследования при высокоскоростном приеме семян — в качестве размера изображения было выбрано 1920 × 1440 пикселей. Видеокамера располагалась таким образом, чтобы прозрачный корпус механизма приема семян находился на одной линии с ней и на той же горизонтальной высоте, что и механизм приема семян. На рисунке 8 изображен испытательный стенд, построенный таким образом. В эксперименте был выбран сорт семян Демия № 1, характеризующийся желтым оттенком и полуподковообразной формой. Масса тысячи зерен составляет 286,3 г, а влажность — 13,4%. Отрицательное давление воздуходувки, использованное во время испытания, составляло 7 кПа.

Рисунок 8. Испытательный стенд для высокоскоростной видеосъемки при приеме семян.

2.4.2. Экспериментальный метод

В процессе измерения траекторий движения семян скорость вращения и угол поворота зажимного колеса регулировались в соответствии с экспериментально заданными значениями. Камера в режиме реального времени захватывала и сохраняла изображения траекторий движения семян на компьютере. После эксперимента эти изображения сохранялись в виде видеофайла формата .avi. Для отслеживания семян в видеофайле использовалось программное обеспечение TEMA Classic, которое извлекало координаты центра масс семян кукурузы из разных кадров. Затем были построены траектории перемещения семян в различных условиях. Во время сбора данных диск с семенами вращался со скоростью 39, 42, 47, 50 и 53 об/мин⁻¹ ^, что эквивалентно скоростям посадки 12, 13, 14, 15 и 16 км/ч соответственно. Эти конкретные скорости вращения и соответствующие скорости посадки были определены в ходе ряда предварительных экспериментов до начала основного эксперимента. Предварительные эксперименты были направлены на изучение различных скоростных режимов с целью выявления тех, которые могли бы всесторонне отражать работу устройства для направления семян в различных условиях эксплуатации, обеспечивая тем самым достоверность и репрезентативность последующего сбора данных. Для каждой экспериментальной группы эксперимент повторяли три раза.

На рисунке 9 показано, как высокоскоростная видеосъемка запечатлела фактическое воздействие зажимного колеса на зажим, транспортировку и выгрузку семян.

Рисунок 9. Схема процесса приема семян, снятая с помощью высокоскоростной видеосъемки: ( а ) зажим семян; ( б ) транспортировка семян; ( в ) выгрузка семян.

3.1. Влияние скорости вращения зажимного колеса на скорость и траекторию перемещения семян кукурузы.

3.1.1. Влияние скорости вращения зажимного колеса на скорость посадки семян кукурузы.

Скорость движения семян кукурузы напрямую зависит от скорости вращения зажимного колеса. В определенном диапазоне, с увеличением скорости вращения зажимного колеса, линейная скорость семян также возрастает, увеличивая общую скорость движения семян. Более высокая скорость способствует сокращению времени попадания семян в полость конвейерной ленты, но увеличивает вероятность столкновения семян с конвейерной лентой и снижает устойчивость семян в направляющем механизме. Поэтому изучение тенденции изменения скорости движения семян при различных скоростях вращения зажимного колеса имеет большое значение для повышения эффективности приема семян зажимным колесом. Для уменьшения столкновений между зажимным колесом и семенами и обеспечения надежного захвата семян зажимным колесом, диапазон изменения скорости вращения зажимного колеса был определен в пределах 500–620 об/мин , поэтому были проведены высокоскоростные видеосъемки при скоростях вращения зажимного колеса 500, 560 и 620 об/мин ^{соответственно .} На рисунке 10 представлена ​​схематическая диаграмма изменения скорости вращения семян пунктирной линией при различных скоростях вращения зажимного колеса, полученная с помощью системы сбора данных.

Рисунок 10. Влияние изменения скорости вращения зажимного колеса на скорость посадки семян.

Как видно из рисунка 10 , с увеличением скорости вращения зажимного колеса скорость движения семян кукурузы в целом демонстрирует тенденцию к увеличению. При скорости вращения зажимного колеса 500 об/мин ^{скорость} движения семян сильно колеблется. При увеличении скорости вращения зажимного колеса до 560 об/мин ^{колебания} скорости движения семян еще больше уменьшаются. Однако при увеличении скорости вращения зажимного колеса до 620 об/мин колебания скорости движения семян стабилизируются . Согласно закономерностям изменения данных, чем ниже скорость вращения зажимного колеса и линейная скорость, тем меньше скорость движения семян. Это приводит к значительным колебаниям скорости движения семян, снижая стабильность процесса приема семян и уменьшая инерционную силу зажимного колеса на семена. Чем быстрее вращается зажимное колесо, тем быстрее оно движется линейно, что приводит к более быстрому движению семян. По мере увеличения инерционной силы зажимного колеса, воздействующей на семена, изменение скорости семян становится более стабильным. Поэтому в последующих исследованиях скорость семян кукурузы можно изменять, изменяя скорость вращения зажимного колеса, что обеспечивает экспериментальную основу для определения параметров применения вращающегося зажимного механизма для приема семян.

3.1.2. Влияние скорости вращения зажимного колеса на траекторию перемещения семян кукурузы

Используя технологию отслеживания цели на изображении в высокоскоростной видеосъемке, координаты семян в каждом кадре можно записать в программу Excel 2018 и получить траекторию перемещения семян. На рисунке 11 показаны траектории перемещения пяти групп семян при скоростях 500, 560 и 620 об/мин ^для зажимных колес соответственно.

Рисунок 11. Влияние скорости вращения зажимного колеса на траекторию перемещения семян: ( а ) Траектория перемещения семян при скорости вращения зажимного колеса 500 об.·мин⁻¹ ^; ( б ) траектория перемещения семян при скорости вращения зажимного колеса 560 об.·мин⁻¹ ^; ( в ) траектория перемещения семян при скорости вращения зажимного колеса 620 об.· ^мин⁻¹ .

Как видно на рисунке 11 , семя перемещается вместе с диском в течение 0–1,5 с, а траектория перемещения семени изменяется в момент времени 1,5 с. Эта точка поворота соответствует моменту приема семени, поэтому 1,5–2,5 с — это этап приема семени. На рисунке 11а показано, что при скорости вращения зажимного колеса 500 об/мин траектория перемещения семени колеблется вверх и вниз в течение 1,5–2,5 с, что указывает на высокую нестабильность семени в процессе приема. Затем скорость вращения зажимного колеса была отрегулирована регулятором до 560 об/мин ^; траектория перемещения семени стала относительно плавной, что указывает на стабильность семени в процессе приема. При увеличении скорости вращения зажимного колеса до 620 об/мин траектория перемещения семян колеблется вверх и вниз примерно с интервалом в 1,5 с, что указывает на слишком высокую скорость вращения зажимного колеса, которая может оказывать ударное воздействие на семена. В целом, при скорости вращения зажимного колеса 560 об/мин эффект приема семян является наилучшим, а траектория перемещения семян — наиболее плавной.

3.2. Влияние угла приема семян на скорость и траекторию перемещения семян кукурузы.

3.2.1. Влияние угла приема семян на скорость прорастания семян кукурузы

Для изучения тенденции изменения скорости посадки семян кукурузы при различных углах захвата семян, скорость вращения зажимного колеса была отрегулирована до 560 об/мин ^. В соответствии с практическими требованиями процесса посева и с учетом эффективности захвата семян зажимным колесом, диапазон изменения угла захвата семян в зажимном колесе был определен в пределах 80–90°. Поэтому были проведены испытания высокоскоростной видеосъемки при углах захвата семян 80°, 85° и 90° соответственно. На рисунке 12 показана закономерность изменения скорости посадки семян при различных углах захвата семян, полученная с помощью модуля постобработки высокоскоростной видеосъемки.

Рисунок 12. Влияние изменения углов приема семян на скорость их высева.

Из рисунка 12 можно рассчитать, что средняя скорость семян составляет 0,7 м·с⁻¹ ^, и она не сильно зависит от угла захвата семян, но значительно изменяется в зависимости от колебаний значения скорости. Скорость движения семян сильно колеблется при угле захвата семян 80° или 90°; однако при угле захвата семян 85° скорость движения семян колеблется достаточно плавно. Анализируя закономерности изменения данных, можно определить, что меньший угол захвата семян приводит к тому, что семена сначала соприкасаются со вторичным зажимным колесом, создавая несбалансированную силу, которая снижает стабильность скорости движения семян; больший угол захвата семян приводит к тому, что семена сначала соприкасаются с основным зажимным колесом, создавая проблему, аналогичную описанной выше. Следовательно, более стабильную скорость движения семян можно достичь, изменяя угол захвата семян.

3.2.2. Влияние угла приема семян на траекторию смещения семян кукурузы

Используя технологию отслеживания цели на изображении в высокоскоростной видеосъемке, координаты семян в каждом кадре можно записать в программу Excel, и получить траекторию перемещения семян. На рисунке 13 показаны траектории перемещения семян при скорости посева от 12 до 16 км/ч и углах приема семян 80°, 85° и 90° соответственно.

Рисунок 13. Влияние угла приема семян на траекторию перемещения семян: ( а ) Траектория перемещения семян при угле приема 80°; ( б ) траектория перемещения семян при угле приема 85°; ( в ) траектория перемещения семян при угле приема 90°.

Как показано на рисунке 13 , семя перемещается вместе с диском в интервале от 0 до 1,5 с, и через 1,5 с траектория перемещения семени изменяется. Кроме того, 1,5–2,5 с — это этап приема семени, и эта точка поворота соответствует моменту приема семени. Когда угол приема семени составляет 80°, на рисунке 13а показано, что траектория перемещения семени колеблется вверх в течение 1,5–2,5 с, что указывает на дисбаланс сил, из-за которого семя сначала ударяется о вторичное зажимное колесо. Траектория перемещения семени колеблется вниз в течение 1,5–2,5 с, когда угол приема семени составляет 90°, что указывает на дисбаланс сил, из-за которого семя сначала сталкивается с основным зажимным колесом. При угле приема семени 85° траектория перемещения семени за 1,5–2,5 с относительно плавная, что указывает на плавный прием семени. В заключение, траектория перемещения семени наиболее плавная при угле приема семени 85°.

3.3. Проверка качества

Для подтверждения результатов высокоскоростной видеосъемки был проведен полевой эксперимент. В качестве тяговой машины был выбран трактор Aike MF2204 производства AGCO (Changzhou) Agricultural Machinery Co., Ltd. из Чанчжоу, Китай. На сеялку точного земледелия DEBONT 1405 производства Debon Dawei были установлены устройство для точного дозирования семян кукурузы с пневматическим всасыванием и направляющая труба для семян с ременным приводом, что позволило одновременно выполнить работы по измельчению соломы, рытью канав и засыпке почвы. В качестве переменных испытаний использовались скорость вращения зажимного колеса и угол приема семян, а в качестве показателей эффективности полевого эксперимента использовались показатели соблюдения расстояния между растениями, частота повторных посевов и частота пропущенных посевов направляющей трубы для семян с ременным приводом [ 28 , 29 ]. Процесс испытаний показан на рисунке 14 .

Рисунок 14. Полевой эксперимент.

Каждая группа прошла три повторения, а результат теста определялся с использованием среднего значения данных статистической обработки, как показано на рисунке 15 .

Рисунок 15. Линейный график данных полевых испытаний посева: ( а ) Влияние скорости вращения зажимного колеса на показатели посева; ( б ) Влияние угла приема семян на показатели посева.

Как показано на рисунке 15а , с увеличением скорости вращения зажимного колеса процент соблюдения расстояния между растениями сначала возрастает, а затем снижается, а процент повторных пропусков посева сначала уменьшается, а затем увеличивается, что соответствует закономерности изменения скорости и траектории семян при различных скоростях вращения зажимного колеса, наблюдаемой при высокоскоростной видеосъемке. Как показано на рисунке 15б , с увеличением угла приема семян процент соблюдения правильного расстояния между растениями сначала возрастает, а затем уменьшается, а процент повторных пропусков посева сначала уменьшается, а затем увеличивается, что соответствует закономерности изменения скорости и траектории семян при различных углах приема семян зажимным колесом, наблюдаемой при высокоскоростной видеосъемке.

(1) Скорость вращения зажимного колеса и угол приема семян были установлены в качестве основных факторов испытаний после структурной оптимизации и анализа механизма приема семян для направляющей трубки семян с ременным приводом.

(2) При различных скоростях вращения зажимного колеса и углах приема семян с помощью высокоскоростной видеосъемки изучались тенденция изменения скорости и траектория перемещения семян. Результаты показали, что траектория перемещения была более плавной при скорости вращения зажимного колеса 560 об·мин⁻¹ ^; скорость семян демонстрировала улучшенную стабильность и уменьшенные колебания. Траектория перемещения также была более плавной при угле приема семян 85°.

(3) Результаты полевых испытаний показали, что результаты полевых испытаний в значительной степени соответствуют закономерности изменения данных испытаний высокоскоростной видеосъемки, что позволяет использовать технологию высокоскоростной видеосъемки для изучения работы механизма приема семян в направляющей трубе для семян с ременным приводом.

1.    Liu, J.; Tian, Q.; Huang, Y.; Du, L.; Wang, L. Extraction of the corn planting area based on multi-temporal HJ-1 satellite data. In Proceedings of the 2011 19th International Conference on Geoinformatics, Shanghai, China, 24–26 June 2011; p. 4. [Google Scholar] [CrossRef]

2.    Virk, S.S.; Fulton, J.P.; Porter, W.M.; Pate, G.L. Row-crop planter performance to support variable-rate seeding of maize. Precis. Agric. 2020, 21, 603–619. [Google Scholar] [CrossRef]

3.    Lobell, D.B.; Schlenker, W.; Costa-Roberts, J. Climate trends and global crop production since 1980. Science 2011, 333, 616–620. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

4.    Tigchelaar, M.; Battisti, D.S.; Naylor, R.L.; Ray, D.K. Future warming increases probability of globally synchronized maize production shocks. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 2018, 115, 6644–6649. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

5.    Erenstein, O.; Jaleta, M.; Sonder, K.; Mottaleb, K.; Prasanna, B.M. Global maize production, consumption and trade: Trends and R&D implications. Food Secur. 2022, 14, 1295–1319. [Google Scholar] [CrossRef]

6.    Grote, U.; Fasse, A.; Nguyen, T.T.; Erenstein, O. Food security and the dynamics of wheat and maize value chains in Africa and Asia. Front. Sustain. Food Syst. 2021, 4, 617009. [Google Scholar] [CrossRef]

7.    Wang, S.; Yi, S.; Zhao, B.; Li, Y.; Wang, G.; Li, S.; Sun, W. Photoelectric sensor-based belt-type high-speed seed guiding device performance monitoring method and system. Comput. Electron. Agric. 2024, 227, 109489. [Google Scholar] [CrossRef]

8.    Liu, Z.; Xia, J.; Hu, M.; Du, J.; Luo, C.; Zheng, K. Design and analysis of a performance monitoring system for a seed metering device based on pulse width recognition. PLoS ONE 2021, 16, e0261593. [Google Scholar] [CrossRef]

9.    Tang, H.; Xu, F.; Guan, T.; Xu, C.; Wang, J. Design and test of a pneumatic type of high-speed maize precision seed metering device. Comput. Electron. Agric. 2023, 211, 107997. [Google Scholar] [CrossRef]

10. Zhang, J.; Hou, Y.; Ji, W.; Zheng, P.; Yan, S.; Hou, S.; Cai, C. Evaluation of a Real-Time Monitoring and Management System of Soybean Precision Seed Metering Devices. Agronomy 2023, 13, 541. [Google Scholar] [CrossRef]

11. Badua, S.A.; Sharda, A.; Strasser, R.; Ciampitti, I. Ground speed and planter downforce influence on corn seed spacing and depth. Trans. ASABE 2021, 22, 1154–1170. [Google Scholar] [CrossRef]

12. Chen, X.; Zhong, L. Design and test on belt-type seed delivery of air-suction metering device. Trans. CSAE 2012, 28, 8–15. [Google Scholar] [CrossRef]

13. Ma, C.; Yi, S.; Tao, G.; Li, Y.; Wang, S.; Wang, G.; Gao, F. Research on receiving seeds performance of belt-type high-speed corn seed guiding device based on discrete element method. Agriculture 2023, 13, 1085. [Google Scholar] [CrossRef]

14. Tang, H.; Xu, C.; Wang, Z.; Wang, Q.; Wang, J. Optimized design, monitoring system development and experiment for a long-belt finger-clip precision corn seed metering device. Front. Plant Sci. 2022, 13, 814747. [Google Scholar] [CrossRef]

15. Lü, J.; Yang, Y.; Li, Z.; Tian, Z.; Shang, Q.; Wu, J.E. Design and experiment of cup-belt type potato seed-metering device. Trans. CSAE 2016, 32, 17–25. [Google Scholar] [CrossRef]

16. Kocher, M.F.; Coleman, J.M.; Smith, J.A.; Kachman, S.D. Corn seed spacing uniformity as affected by seed tube condition. Appl. Eng. Agric. 2011, 27, 177–183. [Google Scholar] [CrossRef]

17. Karayel, D.; Šarauskis, E.; Aktaş, A. Design and Experiment of a Helicoidal Seed Tube to Improve Seed Distribution Uniformity of Seed Drills. Processes 2022, 10, 1271. [Google Scholar] [CrossRef]

18. Savi, D.; Kmiecik, L.L.; Neto, L.S.; da Silva, T.X.; Jasper, S.P. Influence of seed tube curvature on seed longitudinal distribution. Eng. Agríc. 2020, 40, 732–739. [Google Scholar] [CrossRef]

19. Wang, B.; Liao, Q.; Wang, L.; Shu, C.; Cao, M.; Du, W. Design and test of air-assisted seed-guiding device of precision hill-seeding centralized seed-metering device for sesame. Agriculture 2021, 13, 393. [Google Scholar] [CrossRef]

20. Li, Y.; Zhou, W.; Ma, C.; Feng, Z.; Wang, J.; Yi, S.; Wang, S. Design and optimization of the seed conveying system for belt-type high-speed corn seed guiding device. Int. J. Agric. Biol. Eng. 2024, 17, 123–131. [Google Scholar] [CrossRef]

21. Zhu, H.; Zhang, S.; Wang, W.; Lv, H.; Chen, Y.; Zhou, L.; Li, M.; Zhao, J. Design and Testing of Soybean Double-Row Seed-Metering Device with Double-Beveled Seed Guide Groove. Agriculture 2024, 14, 1595. [Google Scholar] [CrossRef]

22. Li, H.; Liu, H.; Zhou, J.; Wei, G.; Shi, S.; Zhang, X.; Zhang, R.; Zhu, H.; He, T. Development and first results of a no-till pneumatic seeder for maize precise sowing in Huang-Huai-Hai plain of China. Agriculture 2021, 11, 1023. [Google Scholar] [CrossRef]

23. Wen, W.; Wang, Y.; Wu, S.; Liu, K.; Gu, S.; Guo, X. 3D phytomer-based geometric modelling method for plants—The case of maize. AoB Plants 2021, 13, plab055. [Google Scholar] [CrossRef]

24. Tang, H.; Xu, C.; Jiang, Y.; Wang, J.; Wang, Z.; Tian, L. Evaluation of physical characteristics of typical maize seeds in a cold area of north China based on principal component analysis. Processes 2021, 9, 1167. [Google Scholar] [CrossRef]

25. Wang, B.; Zhang, Y.; Hao, B.; Xu, X.; Zhao, Z.; Wang, Z.; Xue, Q. Grain Yield and Water Use Efficiency in Extremely-Late Sown Winter Wheat Cultivars under Two Irrigation Regimes in the North China Plain. PLoS ONE 2016, 11, e0153695. [Google Scholar] [CrossRef]

26. Guo, H.; Cao, Y.; Song, W.; Zhang, J.; Wang, C.; Wang, C.; Yang, F.; Zhu, L. Design and simulation of a garlic seed metering mechanism. Agriculture 2021, 11, 1239. [Google Scholar] [CrossRef]

27. Ding, Y.; Li, H.; Gao, J.; Yu, H.; Wang, Y.; Feng, D. Parameter Optimization of Finger Clip Plate Garlic Seed-Metering Device. Agriculture 2023, 13, 2071. [Google Scholar] [CrossRef]

28. Cui, X.; Wang, Z.; Zhuang, T.; Sun, J.; Song, Y. Improving wheat seedling quality through deep ploughing and soil compaction at sowing in lime concretion black soil. PLoS ONE 2023, 18, e0288459. [Google Scholar] [CrossRef]

29. Bai, S.; Yuan, Y.; Niu, K.; Shi, Z.; Zhou, L.; Zhao, B.; Wei, L.; Liu, L.; Zheng, Y.; An, S.; et al. Design and experiment of a sowing quality monitoring system of cotton precision hill-drop planters. Agriculture 2022, 12, 1117. [Google Scholar] [CrossRef]

Ma C, Zhao Z, Chen X, Tang Y, Song N, Xiao Y, Yang X. Optimization of Seed-Receiving Mechanism in Belt-Driven Seed Guide Tube Based on High-Speed Videography Experiment. Agriculture. 2025; 15(2):174. https://doi.org/10.3390/agriculture15020174

Перевод статьи «Optimization of Seed-Receiving Mechanism in Belt-Driven Seed Guide Tube Based on High-Speed Videography Experiment» авторов Ma C, Zhao Z, Chen X, Tang Y, Song N, Xiao Y, Yang X., оригинал доступен по ссылке. Лицензия: CC BY. Изменения: переведено на русский язык