玉米免耕播種漏播補(bǔ)償裝置研究

摘要：根據(jù)國(guó)內(nèi)外的玉米免耕播種補(bǔ)種技術(shù)及裝置的研究成果，總結(jié)自動(dòng)補(bǔ)償和輔助補(bǔ)償兩種方式的原理及特點(diǎn)，介紹國(guó)內(nèi)具有代表性的漏播補(bǔ)償裝置，并分析其特點(diǎn)和作業(yè)性能，從而為進(jìn)一步提高玉米免耕播種質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)種裝置； 玉米； 免耕； 漏播

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2024）03-0049-02

目前，東北地區(qū)大力推廣以秸稈還田和免耕少耕為主要內(nèi)容的保護(hù)性耕作技術(shù)。免耕播種機(jī)需要在覆蓋玉米秸稈殘茬、起伏不平的地表上開(kāi)展播種作業(yè)。玉米根茬的茬間距較大，且地表平整度低，播種機(jī)的振動(dòng)頻率和振幅大于小麥茬地，因此漏播的情況較為嚴(yán)重。發(fā)生漏播后需要在出苗后進(jìn)行人工補(bǔ)種或人工移栽，不僅浪費(fèi)人力物力，而且與原苗存在生長(zhǎng)差異，會(huì)對(duì)玉米產(chǎn)量造成一定影響。為提高玉米免耕播種作業(yè)質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼研究設(shè)計(jì)多種漏播補(bǔ)償機(jī)具和裝置。根據(jù)玉米免耕作業(yè)的實(shí)際需求，總結(jié)漏播補(bǔ)償方案的原理及特點(diǎn)，介紹具有代表性的漏播補(bǔ)償裝置的實(shí)現(xiàn)方式和功能，以此來(lái)促進(jìn)玉米免耕播種質(zhì)量的提高。

1 玉米漏播補(bǔ)償?shù)姆绞脚c效果

1.1 漏播損失

漏播指數(shù)隨播種速度的增加而增加，粒距越小，漏播指數(shù)越高。當(dāng)播種速度較低時(shí)，重播指數(shù)較高；當(dāng)播種速度在5 km/h以上時(shí)，重播指數(shù)較穩(wěn)定[1]。大籽粒作物精量播種機(jī)的平均漏播率為11.74%。如果按照玉米的種植密度5 000株/667 m2、漏播空穴周?chē)呺H效應(yīng)2%、每株玉米產(chǎn)量250 g計(jì)算，則漏播損失高達(dá)117.4 kg/hm2。

1.2 漏播補(bǔ)償方式

目前玉米的漏播補(bǔ)償方式主要有兩種：漏播自動(dòng)補(bǔ)償和漏播輔助補(bǔ)償。兩種漏播補(bǔ)償方式的特點(diǎn)見(jiàn)表1。

漏播自動(dòng)補(bǔ)償采用排種器加速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，當(dāng)檢測(cè)到漏播信號(hào)時(shí)，漏播補(bǔ)償控制器啟動(dòng)排種器加速控制指令，使排種器加速運(yùn)行，快速超越漏播空穴位置以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。漏播輔助補(bǔ)償是在原排種器外加裝一套備用排種裝置，排種器與漏播補(bǔ)種裝置相互獨(dú)立，以便在漏播時(shí)進(jìn)行補(bǔ)播。輔助補(bǔ)償法易于實(shí)現(xiàn)，但排種與補(bǔ)種時(shí)的種子下落路徑不同，容易出現(xiàn)補(bǔ)種位置滯后的問(wèn)題。吳南[2]的自補(bǔ)償和輔助補(bǔ)償對(duì)比試驗(yàn)也得到相似結(jié)論。選用水平圓盤(pán)排種器進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明漏播自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，若能在高轉(zhuǎn)速下進(jìn)行精確播種，漏播自補(bǔ)償法可顯著提升播種質(zhì)量；漏播輔助補(bǔ)償方式的補(bǔ)播效果受播種速度、粒距、排種盤(pán)線速度和投種角的影響。

2 玉米播種補(bǔ)償裝置的研究設(shè)計(jì)

2.1 國(guó)外相關(guān)研究

1986年，HAASE W C使用排種傳感器和速度傳感器開(kāi)發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)播種面積、速度、播種量和粒距進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2000年，NAGATA等選用數(shù)字壓力傳感器開(kāi)發(fā)一種檢測(cè)系統(tǒng)，用來(lái)檢測(cè)播種大白菜、芥菜、菠菜過(guò)程中的漏播情況[2]。2005年，AI-YAMANI等[3]設(shè)計(jì)一種混合模式邏輯內(nèi)置的自檢模式，通過(guò)對(duì)種子排序和重新編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種功能，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和控制器監(jiān)測(cè)到漏播信號(hào)后，會(huì)有一粒新的編碼種子進(jìn)行補(bǔ)種。SINGH等[4]開(kāi)發(fā)一種高精度控制器，通過(guò)速度傳感器監(jiān)測(cè)播種機(jī)的前進(jìn)速度，再由控制器計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使播種機(jī)按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行精確播種。2016年，UMARKAR基于Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)一種智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人，在播種過(guò)程中通過(guò)超聲波傳感器和數(shù)字指南針傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和操作。

2.2 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究

朱瑞祥等[5]針對(duì)排種與補(bǔ)種相互獨(dú)立產(chǎn)生的補(bǔ)種位置不準(zhǔn)確等問(wèn)題，基于某大型勺輪式精量排種器（18勺），采用超越離合器開(kāi)發(fā)大籽粒作物漏播自補(bǔ)種裝置，采用激光光電傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)槽格內(nèi)是否漏種，并通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制排種器加速旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，其工作原理如圖1所示。漏播自補(bǔ)種試驗(yàn)結(jié)果表明，在2～5 km/h 的排種速度下，時(shí)間間隔誤差ΔT≤1.37%，補(bǔ)種粒距合格指數(shù)A=100%，報(bào)警準(zhǔn)確率100%，可使播種率提高到99.20%。排種綜合性能試驗(yàn)表明，平均補(bǔ)種率為92.98%，漏播率M≤0.80%。

趙艷華等[6]為彌補(bǔ)漏播檢測(cè)裝置并行性差、響應(yīng)速度慢的不足，采用復(fù)雜的可編程邏輯器件（CPLD）作為檢測(cè)控制核心，以紅外發(fā)光管和光敏二極管作為傳感器件，設(shè)計(jì)一種適用于檢測(cè)直徑3 mm以上種子（麥粒、黃豆、玉米粒等）的漏播檢測(cè)裝置。檢測(cè)裝置能夠精確定位漏播位置，可為漏播后的補(bǔ)種修正提供位置和數(shù)據(jù)信息。模塊對(duì)落種的響應(yīng)情況良好，誤差≤8%，漏播檢測(cè)精度≥95%，單粒漏播的報(bào)警精度在80%以上。手動(dòng)和自適應(yīng)兩種工作模式使漏播檢測(cè)器能夠適應(yīng)不同類(lèi)型的播種機(jī)械。

陳剛等[7]在主排種裝置外增加一套獨(dú)立的補(bǔ)種裝置，其采用等待補(bǔ)種、實(shí)時(shí)充種的方式，可適時(shí)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)種機(jī)構(gòu)將待補(bǔ)的種子排出，實(shí)現(xiàn)漏播的適時(shí)自動(dòng)補(bǔ)種。漏播補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝靈活，補(bǔ)種成功率可達(dá)90.10%，漏播率平均降低82.00%。為直觀發(fā)現(xiàn)和識(shí)別種子破碎和漏播情況，王社[8]選擇玉米和小麥進(jìn)行播種試驗(yàn)，采用三角測(cè)量法重建攝像機(jī)圖像，再結(jié)合光電傳感器裝置來(lái)檢測(cè)播種過(guò)程中種子破碎和漏播情況。結(jié)果表明，播種機(jī)能夠適應(yīng)不同類(lèi)別的種子，并能快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)破碎和漏播區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)種。另外，王宗源等[9]采用冗余設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)一種機(jī)械式漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置，通過(guò)跨越式探種桿對(duì)主排種窩眼輪的充種情況進(jìn)行檢測(cè)，并可帶動(dòng)鎖桿完成對(duì)補(bǔ)種裝置的鎖定與解鎖，從而實(shí)現(xiàn)漏播補(bǔ)種。以漏播指數(shù)與合格指數(shù)為性能指標(biāo)，通過(guò)正交試驗(yàn)確定在作業(yè)速度0.9 m/s、探種角度45°、復(fù)位彈簧最大作用力12 N的情況下，漏播指數(shù)為3.40%，合格指數(shù)為94.50%，能夠滿(mǎn)足精量播種作業(yè)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

玉米免耕播種機(jī)排種器的排種性能與播種機(jī)行進(jìn)速度、播種粒距、排種輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，漏播補(bǔ)償技術(shù)可以在一定程度上提升播種質(zhì)量。漏播補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展使漏播問(wèn)題得到極大改善，但仍存在一些問(wèn)題，如出現(xiàn)連續(xù)多位漏播時(shí)，補(bǔ)種效果不佳，可能有漏種空穴。在提高播種效率的基礎(chǔ)上提高播種設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性仍是今后的研發(fā)方向。采用多傳感器融合技術(shù)可以提高漏播反饋信號(hào)的精確度，可作為重點(diǎn)進(jìn)行研究。

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