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)過程中的重要環(huán)節(jié)，也是小麥生產(chǎn)過程中最為耗時費(fèi)力的環(huán)節(jié)，并且要在較短的時間內(nèi)完成，其中播種機(jī)是影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵因素。目前我國市面上小麥播種機(jī)排種器多采用外槽輪式，通過人工手動改變外槽輪的工作長度實現(xiàn)播量的調(diào)節(jié)[3，4]，播種作業(yè)時需要先計算出單位面積播量，操作方法一般是通過拖拉機(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）通過鏈傳動間接驅(qū)動播種機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，人工計圈，轉(zhuǎn)動到一定圈數(shù)后開始計算漏下的種子或者是肥料的質(zhì)量，然后將該計算結(jié)果推廣至整個工作長度上，最終得到所需的種子量或肥料量。人工計數(shù)、人工轉(zhuǎn)動限深輪（或者鎮(zhèn)壓輪）都是比較費(fèi)力的，而且在計數(shù)過程中難免會出現(xiàn)差錯，影響最終的準(zhǔn)確率。在施肥播種機(jī)作業(yè)時，機(jī)具駕駛?cè)藛T無法實時觀測播種作業(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，觀察人員需及時敲打排種器/排肥器或種肥管，易對種子造成傷害，同時影響排種器精度和壽命。因此需研制一種小麥智能電動施肥播種機(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)時實時監(jiān)測作業(yè)情況，發(fā)現(xiàn)堵塞與漏播現(xiàn)象及時查看解決，減少作業(yè)人員人數(shù)、降低勞動強(qiáng)度。

1 2BMS-14 小麥智能施肥播種機(jī)的設(shè)計

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、電動控制系統(tǒng)和施肥播種監(jiān)測系統(tǒng)組成。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

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）、雙圓盤開溝器（施肥、播種均采用雙圓盤開溝器）、施肥傳感器、播種傳感器、監(jiān)測報警器、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應(yīng)安裝，傳感器下端連接種肥管。種肥管下端與圓盤開溝器對應(yīng)連接，種肥管上端直接插入排種器外露的種肥口上。

監(jiān)測報警器安裝于拖拉機(jī)方向盤前下方，便于駕駛員觀測。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緊固銷緊固、與肥料管安裝通過管箍緊固，施肥箱下方設(shè)有14 個施肥口，由于監(jiān)測每個肥料管的肥料堵塞情況，因此施肥傳感器設(shè)有14 個。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 個排種口，由于監(jiān)測每行種子漏播情況，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)測報警系統(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，帶動地輪轉(zhuǎn)動，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)速表通過直流電機(jī)調(diào)速器對電機(jī)速度進(jìn)行動態(tài)調(diào)控，以實現(xiàn)電動排肥、排種以及車速與排種同步。種肥監(jiān)測報警系統(tǒng)接通后，種肥傳感器監(jiān)測種肥管內(nèi)的堵塞或者漏播情況，如有異常，傳感器將異常信號由微處理器處理并有顯示器燈光閃爍和警報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)

通過分析小麥播種機(jī)的運(yùn)動關(guān)系，建立各運(yùn)動部件之間的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計并優(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)等自動控制理論，設(shè)計制作播種機(jī)的控制系統(tǒng)。電控技術(shù)為模塊化設(shè)計提供了便利條件，把播種單元模塊化，并重點設(shè)計模塊之間的連接方案，實現(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)行動力學(xué)分析，結(jié)合實地試驗以修正模型參數(shù)，建立大型播種機(jī)與動力平臺（或拖拉機(jī)）之間的匹配關(guān)系數(shù)據(jù)庫，使播種機(jī)與動力平臺（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

2.1 傳感器的選擇與設(shè)計

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)測傳感器。基于紅外光電線傳感器原理，將種肥降落通過傳感器時作為一個信號傳遞給微處理器處理，如遇種肥堵塞，紅外信號一直受種子遮擋的影響，接受紅外信號端的輸出端電壓一直處于增大狀態(tài)，信號異常，監(jiān)測裝置報警。

圖4 測速編碼器安裝結(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速傳感器。編碼器與地輪軸同軸，通過計算每秒編碼器輸出脈沖的個數(shù)測得地輪轉(zhuǎn)速，測速編碼器結(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)軸通過連接器、測速軸套與測速軸連接，測速軸套與測速軸用6 mm（寬度）×6 mm（高度）×22 mm（長度） 的平鍵聯(lián)接，測速軸套與內(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還防止塵土對信號的干擾。

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)功率與扭矩則通過計算得到：

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)時作業(yè)速度一般為4～6 km/h，測得單行作業(yè)的力為25 N，機(jī)具作業(yè)行數(shù)為14 行，通過計算可得功率為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)用效果試驗分漏播/堵塞監(jiān)測試驗和智能控制播種/施肥精確度試驗2 項內(nèi)容進(jìn)行。機(jī)具試驗區(qū)位于石家莊市藁城區(qū)馬莊村，試驗面積0.51 hm2，矩形，地塊規(guī)整，土壤肥力中等，種植作物為小麥。試驗區(qū)內(nèi)有機(jī)井1 眼，緊鄰試驗地南側(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。2017 年10 月11 日播種小麥，南北向種植。

3.1 漏播/堵塞監(jiān)測試驗[1，6～15]

試驗方法。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。為驗證不同作業(yè)速度下機(jī)具的監(jiān)測情況，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)測報警次數(shù)的相對誤差為0～16.6%，準(zhǔn)確率≥83.4%。機(jī)具漏播/堵塞監(jiān)測準(zhǔn)確率高，作業(yè)速度對監(jiān)測結(jié)果影響不大。進(jìn)一步對機(jī)具漏報警的原因進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，試驗中的漏播/堵塞監(jiān)測漏報警情況屬于漏播/堵塞時間短，未擁堵至漏播/堵塞監(jiān)測裝置的感應(yīng)位置。這種漏報警情況可以通過調(diào)整漏播/堵塞監(jiān)測裝置的位置來解決。

3.2 智能控制播種/施肥精確度試驗[16-20]

試驗方法。利用千粒重不同的5 個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（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；播種試驗測試距離為317 m，作業(yè)幅寬為2.1 m。在播種試驗前先通過智能控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)種肥的單位面積播量，試驗后通過稱取排出的種肥總質(zhì)量推算出實際的單位面積播量，通過實際值與預(yù)設(shè)值的誤差確定精確度。

表1 漏播/堵塞監(jiān)測試驗結(jié)果Table 1 Results of missing sowing/blocking monitoring tests

表2 試驗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)時震動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)動地輪圈數(shù)推算單位面積播量，通過機(jī)械傳動排肥播種相比，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，減少種植人員對種肥量的測算，降低勞動強(qiáng)度低，可對小麥播種作業(yè)進(jìn)行全過程監(jiān)測，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)簡單，減少鏈傳動，可節(jié)約動力消耗。

表3 智能控制播種/施肥精確度試驗結(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)測報警裝置安裝位置造成漏播/堵塞監(jiān)測誤差較大，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)。