張俊杰，彭發(fā)智，焦海濤，李霄鶴，張西群，陳敬者

（河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司，河北 石家莊 050051）

播種是小麥生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，也是小麥生產(chǎn)過(guò)程中最為耗時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)，并且要在較短的時(shí)間內(nèi)完成，其中播種機(jī)是影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前我國(guó)市面上小麥播種機(jī)排種器多采用外槽輪式，通過(guò)人工手動(dòng)改變外槽輪的工作長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)播量的調(diào)節(jié)[3，4]，播種作業(yè)時(shí)需要先計(jì)算出單位面積播量，操作方法一般是通過(guò)拖拉機(jī)借助懸掛架將后部工作機(jī)構(gòu)抬起，然后人工旋轉(zhuǎn)限深輪（或者鎮(zhèn)壓輪）通過(guò)鏈傳動(dòng)間接驅(qū)動(dòng)播種機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，人工計(jì)圈，轉(zhuǎn)動(dòng)到一定圈數(shù)后開(kāi)始計(jì)算漏下的種子或者是肥料的質(zhì)量，然后將該計(jì)算結(jié)果推廣至整個(gè)工作長(zhǎng)度上，最終得到所需的種子量或肥料量。人工計(jì)數(shù)、人工轉(zhuǎn)動(dòng)限深輪（或者鎮(zhèn)壓輪）都是比較費(fèi)力的，而且在計(jì)數(shù)過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)，影響最終的準(zhǔn)確率。在施肥播種機(jī)作業(yè)時(shí)，機(jī)具駕駛?cè)藛T無(wú)法實(shí)時(shí)觀測(cè)播種作業(yè)情況，往往在機(jī)具后需跟隨一名觀察人員，如遇播種、排肥不暢，觀察人員需及時(shí)敲打排種器/排肥器或種肥管，易對(duì)種子造成傷害，同時(shí)影響排種器精度和壽命。因此需研制一種小麥智能電動(dòng)施肥播種機(jī)，利用電機(jī)調(diào)節(jié)施肥量與播種量，并且在施肥與播種作業(yè)時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)作業(yè)情況，發(fā)現(xiàn)堵塞與漏播現(xiàn)象及時(shí)查看解決，減少作業(yè)人員人數(shù)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)的設(shè)計(jì)

2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)由播種機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置、施肥機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置、電動(dòng)控制系統(tǒng)和施肥播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)由機(jī)架、肥料箱、種箱、槽輪式排種器（施肥和播種均采用外槽輪式）、雙圓盤開(kāi)溝器（施肥、播種均采用雙圓盤開(kāi)溝器）、施肥傳感器、播種傳感器、監(jiān)測(cè)報(bào)警器、施肥直流電機(jī)、排種直流電機(jī)、電控控制系統(tǒng)、播種鎮(zhèn)壓輪、編碼器等組成。

肥料箱和種箱平行排列于機(jī)架上，槽輪排種器經(jīng)六棱鋼穿插后安裝于種肥箱下端對(duì)應(yīng)的種肥口。施肥傳感器和播種傳感器分別與槽輪排種器的種肥口對(duì)應(yīng)安裝，傳感器下端連接種肥管。種肥管下端與圓盤開(kāi)溝器對(duì)應(yīng)連接，種肥管上端直接插入排種器外露的種肥口上。

監(jiān)測(cè)報(bào)警器安裝于拖拉機(jī)方向盤前下方，便于駕駛員觀測(cè)。施肥傳感器安裝于施肥口下方、肥料管上方，施肥傳感器與肥料盒通過(guò)緊固銷緊固、與肥料管安裝通過(guò)管箍緊固，施肥箱下方設(shè)有14 個(gè)施肥口，由于監(jiān)測(cè)每個(gè)肥料管的肥料堵塞情況，因此施肥傳感器設(shè)有14 個(gè)。播種傳感器安裝位置和方式與肥料傳感器相同，種箱下方設(shè)有14 個(gè)排種口，由于監(jiān)測(cè)每行種子漏播情況，所以與傳感器安裝數(shù)量與排種口數(shù)量相同。施肥與播種直流電機(jī)置于種肥箱右側(cè)面，橫穿外槽輪排種器的六棱軸穿插直流電機(jī)六棱孔，將直流電機(jī)與肥料箱側(cè)板通過(guò)螺栓緊固于種肥箱右側(cè)。

電控控制系統(tǒng)設(shè)置于種肥箱左側(cè)。編碼器通過(guò)聯(lián)軸器安裝于地輪軸一端，與地輪軸同軸。

圖1 2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of 2BMS-14 wheat intelligent fertilizer and seeder

1.2 工作原理

監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)的電源線與拖拉機(jī)電瓶連接，電路接通后，拖拉機(jī)向前行駛工作，帶動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在地輪軸末端的編碼器采集地輪轉(zhuǎn)速，將數(shù)據(jù)輸送至轉(zhuǎn)速表，轉(zhuǎn)速表通過(guò)直流電機(jī)調(diào)速器對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)排肥、排種以及車速與排種同步。種肥監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)接通后，種肥傳感器監(jiān)測(cè)種肥管內(nèi)的堵塞或者漏播情況，如有異常，傳感器將異常信號(hào)由微處理器處理并有顯示器燈光閃爍和警報(bào)器警鳴提示操作人員停車檢查機(jī)具。

圖2 2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of 2BMS-14 wheat intelligent fertilizer seeder

1.3 智能控制系統(tǒng)

通過(guò)分析小麥播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立各運(yùn)動(dòng)部件之間的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)并優(yōu)化智能控制系統(tǒng)框架，確定調(diào)整的參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)上，選用嵌入式單片機(jī)控制技術(shù)、伺服控制技術(shù)及數(shù)據(jù)采集技術(shù)等自動(dòng)控制理論，設(shè)計(jì)制作播種機(jī)的控制系統(tǒng)。電控技術(shù)為模塊化設(shè)計(jì)提供了便利條件，把播種單元模塊化，并重點(diǎn)設(shè)計(jì)模塊之間的連接方案，實(shí)現(xiàn)搭積木式的整機(jī)組成方案。建立播種模塊的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)合實(shí)地試驗(yàn)以修正模型參數(shù)，建立大型播種機(jī)與動(dòng)力平臺(tái)（或拖拉機(jī)）之間的匹配關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，使播種機(jī)與動(dòng)力平臺(tái)（或拖拉機(jī)）達(dá)到最優(yōu)配置。

圖3 2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)智能控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame structure of intelligent control system for 2BMS-14 wheat intelligent fertilizer seeder

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選擇與設(shè)計(jì)

該機(jī)具所用傳感器類型較多，其中施肥傳感器和播種傳感器均為漏播監(jiān)測(cè)傳感器。基于紅外光電線傳感器原理，將種肥降落通過(guò)傳感器時(shí)作為一個(gè)信號(hào)傳遞給微處理器處理，如遇種肥堵塞，紅外信號(hào)一直受種子遮擋的影響，接受紅外信號(hào)端的輸出端電壓一直處于增大狀態(tài)，信號(hào)異常，監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警。

圖4 測(cè)速編碼器安裝結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Installation diagram of speed measuring encoder

安裝于地輪末端的編碼器屬于測(cè)速傳感器。編碼器與地輪軸同軸，通過(guò)計(jì)算每秒編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)測(cè)得地輪轉(zhuǎn)速，測(cè)速編碼器結(jié)構(gòu)如圖4 所示。安裝方法：編碼器安放于保護(hù)套內(nèi)，數(shù)據(jù)線在引出口引出與控制系統(tǒng)連接，編碼器轉(zhuǎn)軸通過(guò)連接器、測(cè)速軸套與測(cè)速軸連接，測(cè)速軸套與測(cè)速軸用6 mm（寬度）×6 mm（高度）×22 mm（長(zhǎng)度） 的平鍵聯(lián)接，測(cè)速軸套與內(nèi)孔為六棱孔的六棱形連接器聯(lián)接。此結(jié)構(gòu)安裝方便，與測(cè)速軸同軸度高，采集速度準(zhǔn)確，保護(hù)編碼器不受碰撞的同時(shí)還防止塵土對(duì)信號(hào)的干擾。

2.2 播種施肥電機(jī)的選擇[2]

依據(jù)外接電源的情況，電機(jī)電壓選擇12 V，電機(jī)功率與扭矩則通過(guò)計(jì)算得到：

式中，T—電機(jī)扭矩（Nm）；P—電機(jī)功率（kW）；n—電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

由于電機(jī)安裝采用六棱軸與排種器/排肥器直接連接，因此其轉(zhuǎn)速相同，排種器/排肥器轉(zhuǎn)速一般在0～60 r/min 可調(diào)。

P=Fν

式中，F(xiàn)—力（N）；ν—機(jī)具前進(jìn)速度（m/S）。

機(jī)具在作業(yè)時(shí)作業(yè)速度一般為4～6 km/h，測(cè)得單行作業(yè)的力為25 N，機(jī)具作業(yè)行數(shù)為14 行，通過(guò)計(jì)算可得功率為584.5 W，扭矩為93 Nm。因此，所選電機(jī)功率600 W，直流電壓12 V，扭矩100 Nm。

3 2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)的田間應(yīng)用效果

2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)的田間應(yīng)用效果試驗(yàn)分漏播/堵塞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和智能控制播種/施肥精確度試驗(yàn)2 項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行。機(jī)具試驗(yàn)區(qū)位于石家莊市藁城區(qū)馬莊村，試驗(yàn)面積0.51 hm2，矩形，地塊規(guī)整，土壤肥力中等，種植作物為小麥。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)有機(jī)井1 眼，緊鄰試驗(yàn)地南側(cè)。另在機(jī)井內(nèi)安裝有1.8 kW、揚(yáng)程12 m、流量40 m3/h、3 寸口徑的潛水泵1 臺(tái)。2017 年10 月11 日播種小麥，南北向種植。

3.1 漏播/堵塞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)[1，6～15]

試驗(yàn)方法。機(jī)具往返作業(yè)1 次，采取人為方式制造漏播/堵塞故障，人工檢查漏播斷帶與漏播次數(shù)的重疊性。為驗(yàn)證不同作業(yè)速度下機(jī)具的監(jiān)測(cè)情況，分別在3.5 km/h 和5.0 km/h 作業(yè)速度下，均進(jìn)行不同故障次數(shù)的監(jiān)測(cè)作業(yè)5 次。

作業(yè)效果（表1） 顯示，2 種不同作業(yè)速度下，機(jī)具漏播/堵塞監(jiān)測(cè)報(bào)警次數(shù)的相對(duì)誤差為0～16.6%，準(zhǔn)確率≥83.4%。機(jī)具漏播/堵塞監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率高，作業(yè)速度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果影響不大。進(jìn)一步對(duì)機(jī)具漏報(bào)警的原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中的漏播/堵塞監(jiān)測(cè)漏報(bào)警情況屬于漏播/堵塞時(shí)間短，未擁堵至漏播/堵塞監(jiān)測(cè)裝置的感應(yīng)位置。這種漏報(bào)警情況可以通過(guò)調(diào)整漏播/堵塞監(jiān)測(cè)裝置的位置來(lái)解決。

3.2 智能控制播種/施肥精確度試驗(yàn)[16-20]

試驗(yàn)方法。利用千粒重不同的5 個(gè)小麥品種和顆粒大小不同的5 種化肥，進(jìn)行5 組種肥精確度田間試驗(yàn)（表2）。機(jī)具作業(yè)速度為4 km/h；相同結(jié)構(gòu)的外槽輪排種器與外槽輪排肥器，其均由智能控制系統(tǒng)控制工作，排種器與排肥器工作長(zhǎng)度均調(diào)至最大狀態(tài)，外槽輪排種器與外槽輪排肥器下端分別用袋子包裹種肥口；播種試驗(yàn)測(cè)試距離為317 m，作業(yè)幅寬為2.1 m。在播種試驗(yàn)前先通過(guò)智能控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)種肥的單位面積播量，試驗(yàn)后通過(guò)稱取排出的種肥總質(zhì)量推算出實(shí)際的單位面積播量，通過(guò)實(shí)際值與預(yù)設(shè)值的誤差確定精確度。

表1 漏播/堵塞監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of missing sowing/blocking monitoring tests

表2 試驗(yàn)小麥品種及其所施化肥種類與養(yǎng)分含量Table 2 Wheat varieties tested and types of chemical fertilizers and nutrient contents

作業(yè)效果（表3）顯示，機(jī)具播種量精確度誤差為1.5%～2.2%、施肥量精確度誤差為2.2%～3.1%，且播種量和施肥量均大于其理論預(yù)設(shè)值。分析原因發(fā)現(xiàn)，田間機(jī)具作業(yè)時(shí)震動(dòng)是造成播種量和施肥量增大的主要原因，其次就是外槽輪排種器與外槽輪排肥器自身精度導(dǎo)致。

與普通小麥播種機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)地輪圈數(shù)推算單位面積播量，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)排肥播種相比，2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)采用智能控制系統(tǒng)控制播種量和施肥量的精度均高于普通機(jī)械傳動(dòng)小麥播種機(jī)，平均節(jié)約麥種15.0 kg/hm2、化肥31.5 kg/hm2，約降低種植成本 375 元/hm2。

4 結(jié)論與討論

研制的2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)采用智能控制系統(tǒng)控制播種量和施肥量，精確度高，減少種植人員對(duì)種肥量的測(cè)算，降低勞動(dòng)強(qiáng)度低，可對(duì)小麥播種作業(yè)進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)測(cè)，減少因漏播/堵塞造成小麥缺苗斷壟現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高作業(yè)質(zhì)量；而且，該機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少鏈傳動(dòng)，可節(jié)約動(dòng)力消耗。

表3 智能控制播種/施肥精確度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of precision of saving or fertilizing with intelligent control

本研究條件下，2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)播種均不影響小麥出苗。但該機(jī)具由于監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置安裝位置造成漏播/堵塞監(jiān)測(cè)誤差較大，外槽輪排種器與外槽輪排肥器精度差是導(dǎo)致施肥量和播種量精確度有誤差的原因之一，結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改進(jìn)。