楊 壯,高琪珉,張銀平,刁培松

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

粒距均勻性是衡量播種質(zhì)量的重要指標(biāo)，保證粒距均勻不僅可以節(jié)約種子用量，還可以提高作物產(chǎn)量[1]。GRIEPENTROG[2]指出均勻的粒距可以減少作物間對(duì)光、水分和養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，從而提高作物產(chǎn)量。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上玉米播種機(jī)的主流機(jī)型還是機(jī)械式，排種器驅(qū)動(dòng)方式為橡膠地輪驅(qū)動(dòng)，播種作業(yè)時(shí)滑移率高，導(dǎo)致施肥播種粒距均勻性差[3-4]。國(guó)外對(duì)排種器驅(qū)動(dòng)及控制方式的研究較多，Precision Planting[5]公司研發(fā)的電驅(qū)式排種系統(tǒng)，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種盤(pán)，采用測(cè)速雷達(dá)獲取播種機(jī)前進(jìn)速度，根據(jù)測(cè)取的速度實(shí)時(shí)調(diào)控排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用。CASE設(shè)計(jì)的變量播種機(jī)采用電控液壓馬達(dá)變量播種施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)改變液壓比例閥的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[6]。近幾年，國(guó)內(nèi)研究人員也逐步開(kāi)展了排種器驅(qū)動(dòng)及控制方式的研究，蔣春燕等[7]設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種的玉米播種機(jī)，建立了電機(jī)轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)行進(jìn)速度之間的關(guān)系模型，通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。YANG等[8]研發(fā)了排種器的電機(jī)直驅(qū)技術(shù)，采用直流電機(jī)通過(guò)周向傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)排種，通過(guò)傳感器檢測(cè)地輪轉(zhuǎn)速計(jì)算播種機(jī)前進(jìn)速度，根本播種機(jī)前進(jìn)速度和目標(biāo)株距控制排種器轉(zhuǎn)速。唐堯華[9]利用霍爾元件對(duì)拖拉機(jī)前輪測(cè)速，根據(jù)拖拉機(jī)行走速度控制排種器轉(zhuǎn)速，證明電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器變異系數(shù)小于地輪傳動(dòng)。這些研究在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)效果很好，但通過(guò)地輪測(cè)速，仍然存在滑移率高的問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用效果不佳[10]。國(guó)內(nèi)對(duì)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式的玉米播種機(jī)也很少。

為實(shí)現(xiàn)粒距無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，本課題采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排種的方式，設(shè)計(jì)了粒距動(dòng)態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)行駛速度的精確匹配。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于液壓馬達(dá)集中驅(qū)動(dòng)的玉米免耕播種機(jī)整機(jī)主要包括限深輪、防堵裝置、施肥裝置、播種單體及傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。其中，傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓馬達(dá)集中驅(qū)動(dòng)，主要由液壓馬達(dá)、液壓流量閥以及各級(jí)傳動(dòng)軸和鏈輪、鏈條組成。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

玉米免耕播種機(jī)工作時(shí)，采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)速，拖拉機(jī)速度信號(hào)通過(guò)可編程控制器(PLC)轉(zhuǎn)換為液壓馬達(dá)的流量信號(hào)，在拖拉機(jī)速度與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速之間建立一定的關(guān)系模型，使液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速隨拖拉機(jī)速度變化而變化；液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)總動(dòng)力軸，總動(dòng)力軸將動(dòng)力分配給排肥軸，通過(guò)排肥軸分配給單個(gè)的排種器。液壓馬達(dá)速度的變化引起排種器轉(zhuǎn)速的變化，從而保證播種粒距不隨拖拉機(jī)行駛速度的變化而變化，實(shí)現(xiàn)粒距的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)，工作原理如圖2所示。

1.限深輪 2.防堵裝置 3.施肥開(kāi)溝器 4.播種開(kāi)溝器 5.排種器 6.覆土器 7.鎮(zhèn)壓輪 8.種箱 9.傳統(tǒng)系統(tǒng) 10.兩側(cè)肥箱

11.中間肥箱 12.液壓馬達(dá) 13.機(jī)架 14.液壓流量閥 圖1 玉米免耕播種機(jī)Fig.1 No-tillage planter of corn表1 玉米免耕播種機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of no-tillage maize planter

圖2 粒距動(dòng)態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of the seed spacing dynamic adaptive system

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在拖拉機(jī)上，一方面為排種器驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供速度信號(hào)；另一方面在沒(méi)有劃行器的情況下保證播種行直線(xiàn)度和鄰接行距一致，方便后續(xù)管理。同時(shí)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有輔助駕駛功能，在作業(yè)過(guò)程中，機(jī)手無(wú)需掌控方向盤(pán)，拖拉機(jī)即可按設(shè)定的路徑行駛，在地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)，輔助駕駛模式自動(dòng)解除，大大減輕了機(jī)手的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)的準(zhǔn)確性和效率[11-12]。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 液壓驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

針對(duì)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)使用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了兩種液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方案。方案1如圖3(a)所示：排種器采用獨(dú)立的液壓馬達(dá)，由一個(gè)液壓站統(tǒng)一供油。方案2如圖3(b)所示：采用一個(gè)液壓馬達(dá)集中驅(qū)動(dòng)主軸，主軸再將動(dòng)力分配到各排種器。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可知：采用方案1時(shí)，即使是同一型號(hào)、同一批次的液壓馬達(dá)，由總的液壓站分配到各個(gè)液壓馬達(dá)的流量也會(huì)有差異，很難標(biāo)定，造成各行播種粒距不一致，無(wú)法達(dá)到要求的播種精度。而方案2由一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)主軸后再將動(dòng)力進(jìn)行分配，可以保證每個(gè)排種器轉(zhuǎn)速一致，從而保證各行播種粒距的一致性。因此，本研究采用方案2的驅(qū)動(dòng)方式。

(a) 方案1 排種器獨(dú)立驅(qū)動(dòng)

(b) 方案2 排種器集中驅(qū)動(dòng) 圖3 排種器液壓驅(qū)動(dòng)方案Fig.3 Methods of seed metering device hydraulic driven

2.2 液壓元器件選擇

2.2.1 液壓馬達(dá)

根據(jù)玉米免耕播種機(jī)的工作環(huán)境及工作性能要求，選用液壓馬達(dá)首先應(yīng)保證馬達(dá)的功率及流量能夠達(dá)到使用要求，本課題選用BM1系列擺線(xiàn)液壓馬達(dá)。該系列液壓馬達(dá)體積小、質(zhì)量輕；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在負(fù)載下容易啟動(dòng)；低速大扭矩，安裝方便；響應(yīng)速率快[13]。由于所需液壓馬達(dá)僅需帶動(dòng)排種器和排肥器的工作，不需要太大的輸出功率，因此可選用BM1-160擺線(xiàn)液壓馬達(dá)，如圖4所示。

圖4 BM1-160擺線(xiàn)液壓馬達(dá)Fig.4 BM1-160Cycloid hydraulic motor

2.2.2 PLC(可編程控制器)

該玉米免耕播種機(jī)的施肥器、排種器由轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓流量閥流量由PLC控制，PLC根據(jù)測(cè)得的速度動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，使排種器轉(zhuǎn)速與播種機(jī)作業(yè)速度一致。選用西門(mén)子S7-200 SMART系列PLC，如圖5所示。

該款PLC有極高的可靠性，豐富的指令集， 易于掌握，操作便捷，內(nèi)置豐富集成功能，實(shí)時(shí)性好，通訊能力強(qiáng)勁，擴(kuò)展模塊豐富[14]。

圖5 S7-200 SMAR控制器Fig.5 SMAR S7-200 controller

2.2.3 比例調(diào)速閥

該玉米免耕播種機(jī)的排種器由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速通過(guò)流量控制，為保證液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，所選用的流量閥必須能在低速時(shí)防止跳動(dòng)，因此選用2FRE6A-20B/10Q-R型比例調(diào)速閥，如圖6所示。該比例調(diào)速閥采用給定電氣信號(hào)控制系統(tǒng)的流量保存恒定，與壓力和穩(wěn)定變化無(wú)關(guān)，其流量特性和動(dòng)態(tài)特性好，壓力損失小，能有效避免起動(dòng)跳動(dòng)[15]。

圖6 比例調(diào)速閥2FRE6A-20B/10Q-RFig.6 2FRE6A-20B/10Q-R proportional flow regulator

播種機(jī)作業(yè)啟停階段速度較低，通過(guò)北斗導(dǎo)航所測(cè)速度信號(hào)不穩(wěn)定，為了修正低速時(shí)測(cè)得的不穩(wěn)定信號(hào)，在動(dòng)力主軸上安裝齒盤(pán)測(cè)速傳感器，測(cè)速結(jié)果反饋給PLC，修正液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，保證排肥、排種的均勻性。液壓控制系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。

2.3 排種器轉(zhuǎn)速與機(jī)具作業(yè)速度關(guān)系

播種作業(yè)時(shí)，首先將畝播量輸入到PLC控制器中，建立播量、排種器轉(zhuǎn)速與機(jī)具行駛速度之間的函數(shù)關(guān)系，即

L=v·t

(1)

其中，L為t時(shí)間內(nèi)拖拉機(jī)行駛的距離(m)；t為拖拉機(jī)行駛距離為L(zhǎng)所用時(shí)間。

(2)

式中N—畝播量(株/667m2)；

n—排種器轉(zhuǎn)速(rad/s)；

m—單個(gè)排種器上的勺孔數(shù)量；

v—拖拉機(jī)行駛速度；

d—行距(m)。

從而得排種器轉(zhuǎn)速與機(jī)具行駛速度、畝播量之間的函數(shù)關(guān)系為

n=N·v·d/666.67

(3)

根據(jù)建立的關(guān)系模型編制程序，設(shè)計(jì)排種器轉(zhuǎn)速及流量控制電路，如圖8所示。

圖7 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Hydraulic system principle sketch

圖8 排種器轉(zhuǎn)速及流量控制電路圖Fig.8 Control circuit diagram of the speed and flow rate of the seeder unit

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在山東淄博臨淄富群農(nóng)機(jī)合作社試驗(yàn)田進(jìn)行，秸稈覆蓋量不小于40%，秸稈切碎長(zhǎng)度合格率不小于85%、殘茬覆蓋量0.3～0.6kg/m2(秸稈含水率不大于25%)，配套動(dòng)力不小于89kW。

3.2 試驗(yàn)方法

排肥、排種性能在生產(chǎn)廠(chǎng)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，整機(jī)性能和播種參數(shù)在田間生產(chǎn)示范試驗(yàn)基地進(jìn)行。

試驗(yàn)地測(cè)定區(qū)長(zhǎng)100m、寬50m，在小麥?zhǔn)斋@后的第2 天進(jìn)行檢測(cè)，地塊平整，同時(shí)測(cè)定了土壤含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度、麥茬高度、秸稈覆蓋量等。主要檢驗(yàn)依據(jù)為JB /T 6274.1 - 2001《谷物條播機(jī)技術(shù)條件》、GB /T 20865- 2007《免耕施肥播種機(jī)》和GB /T 6973 -2005《單粒( 精密) 播種機(jī)試驗(yàn)方法》。檢測(cè)設(shè)備包括照相機(jī)、攝像機(jī)、土壤堅(jiān)實(shí)度儀、土壤水分溫度測(cè)量?jī)x、土壤盒以及容重器、谷物快速水分測(cè)定儀、電子自動(dòng)數(shù)粒儀、手持氣象站、光電式轉(zhuǎn)速表、標(biāo)桿、烘干箱、臺(tái)秤、電子天平和皮尺等[16-17]。

1)播種機(jī)防擁堵性能測(cè)試：往返一個(gè)行程不發(fā)生堵塞或者有一次輕度堵塞，即視為合格。

2)粒距均勻性測(cè)量：設(shè)置拖拉機(jī)行駛速度為2、3、4km/h，畝(667m2)播量分別為4 000、4 500、5 000株和拖拉機(jī)行駛速度為4km/h，分別播種一個(gè)來(lái)回，播種后隨機(jī)取8行，每行在100m內(nèi)隨機(jī)取20個(gè)點(diǎn)，人工扒開(kāi)土層進(jìn)行粒距測(cè)量，記錄數(shù)據(jù)。

3)播種、施肥深度測(cè)量：播種后，隨機(jī)取8行，每行在50m內(nèi)隨機(jī)取20個(gè)點(diǎn)，人工扒開(kāi)土層進(jìn)行播種深度、施肥深度測(cè)量，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

4)鄰接行距測(cè)量：播種后，在幾趟往返的鄰接行上隨機(jī)取100m，測(cè)量100m內(nèi)鄰接行上任意2行的行距，重復(fù)10次記錄數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

1)機(jī)具通過(guò)性在機(jī)具的3次通過(guò)性測(cè)試中，測(cè)試行程100m，3次均無(wú)堵塞，機(jī)具的通過(guò)性良好。

2)粒距測(cè)量所得結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同的作業(yè)速度下，播種粒距合格率均不小于95%，符合設(shè)計(jì)要求；但隨著作業(yè)速度的增加，粒距合格率下降，這可能與勺盤(pán)式式排種器的排種精度有關(guān)， 因此對(duì)于勺盤(pán)式播種機(jī)來(lái)說(shuō)，要保證粒距均勻性，其作業(yè)速度最好不超過(guò)4km/h。

3)播種深度、施肥深度測(cè)量所得結(jié)果如表3所示。播種深度、施肥深度及種肥間距合格率分別為88.82%、90.32%、90.17%，符合設(shè)計(jì)要求。

4)鄰接行距測(cè)量所得結(jié)果如表4所示，可知北斗導(dǎo)航的定位鄰接行間距誤差為2.8(cm/100m)。

表2 粒距測(cè)量結(jié)果Table 2 Results of seed space

表3 播種試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of planting

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種液壓馬達(dá)集中驅(qū)動(dòng)排種的玉米免耕播種機(jī)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，解決了粒距無(wú)極調(diào)節(jié)問(wèn)題。設(shè)計(jì)的株距動(dòng)態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)，能保證株距不隨拖拉機(jī)行駛速度的變化而改變。田間試驗(yàn)表明：在秸稈覆蓋量大于40%條件下，基于液壓馬達(dá)集中驅(qū)動(dòng)排種的玉米免耕播種機(jī)通過(guò)性良好，在作業(yè)速度≤4km/h的條件下，播種粒距合格率均不小于95%，播種深度、施肥深度及種肥間距合格率分別為88.82%、90.32%、90.17%，鄰接行距誤差為2.8cm，符合設(shè)計(jì)要求。

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