鄭廣隸，於海明，何瑞銀，張大成

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210095）

播種機(jī)是最重要農(nóng)機(jī)具之一，近年來(lái)，各種型號(hào)的播種機(jī)層出不窮，人們?cè)谧非蟛シN工作的穩(wěn)定性的同時(shí)，越來(lái)越重視播種的精確性，因此有必要對(duì)播種裝置及其配套裝置進(jìn)行研究，以提高播種的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)降低損失、穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)。本文設(shè)計(jì)的播種功能部分由播種裝置、仿形限深裝置、種肥箱、排種電控系統(tǒng)、漏播監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)組成，并利用臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)關(guān)鍵部件的作業(yè)性能進(jìn)行了優(yōu)化與驗(yàn)證；在此基礎(chǔ)上研制了一臺(tái)適配于旋耕播種開(kāi)溝復(fù)式作業(yè)機(jī)的播種裝置。

1 復(fù)式作業(yè)機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有旋播復(fù)式作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)與功能現(xiàn)狀，確定所設(shè)計(jì)的播種裝置所屬整機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

設(shè)計(jì)作業(yè)機(jī)采用三點(diǎn)式掛接方式，一次性下地完成旋耕、開(kāi)溝、施肥、播種、覆土、鎮(zhèn)壓作業(yè)。旋耕開(kāi)溝動(dòng)力采用側(cè)邊傳動(dòng)，旋耕部分緊跟施肥管之后，肥料落地之后直接將其旋耕帶入土壤，旋耕刀軸中間加裝開(kāi)溝刀盤(pán)開(kāi)出排水溝。排種軸與電機(jī)相連，驅(qū)動(dòng)排種軸（也可單獨(dú)驅(qū)動(dòng)排肥軸），播種采用圓盤(pán)開(kāi)溝器開(kāi)出種溝，開(kāi)溝器后連接鎮(zhèn)壓輪。

2 播種裝置設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種螺旋槽式小麥排種器，主要包括外殼、金屬墊片、調(diào)節(jié)手輪、彈簧、排種輪、主軸、毛刷、毛刷支座、擋種塊等，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

排種輪上間隔均布排種槽，在播量調(diào)節(jié)裝置與排種輪間安裝彈簧。播種時(shí)，播量調(diào)整手輪將排種輪工作長(zhǎng)度調(diào)至對(duì)應(yīng)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)播量調(diào)節(jié)。排種時(shí)，種子在重力和種子間摩擦力作用下進(jìn)入排種輪槽完成充種，電機(jī)根據(jù)檔位速度驅(qū)動(dòng)排種軸帶動(dòng)排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使槽內(nèi)種子隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)至清種區(qū)，毛刷清理多余種子，輪槽內(nèi)種子轉(zhuǎn)至正下方時(shí)落入投種裝置（排種槽或排種管）完成播種作業(yè)。

3 仿形限深裝置設(shè)計(jì)

為消除仿形所產(chǎn)生的入土角變化，本設(shè)計(jì)采用圓盤(pán)式開(kāi)溝器，并設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的拉桿長(zhǎng)度。根據(jù)整機(jī)尺寸，在盡量節(jié)省安裝空間、保證行距的前提下，設(shè)計(jì)拉桿長(zhǎng)度分別為40和60cm。

拉桿上的彈簧是將仿形裝置壓緊，當(dāng)?shù)孛嫱寥郎邥r(shí)，彈簧被壓縮，開(kāi)溝器相對(duì)于機(jī)架上升，當(dāng)?shù)孛姘枷輹r(shí)，播種單體受重力作用下降，彈簧拉長(zhǎng)，減小開(kāi)溝器下陷量，以此保證所開(kāi)種溝深度一致。調(diào)節(jié)彈簧下端開(kāi)口銷(xiāo)位置可調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度，進(jìn)而調(diào)節(jié)彈簧對(duì)地壓力。查閱彈簧設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用材料碳素I類(lèi)C級(jí)別彈簧，直徑8mm，外徑35mm，總?cè)?shù)20，自由長(zhǎng)度480mm，工作長(zhǎng)度250mm。

4 開(kāi)溝器的選型設(shè)計(jì)

圓盤(pán)式開(kāi)溝器目前使用較多的有雙圓盤(pán)和單圓盤(pán)兩種形式。單圓盤(pán)開(kāi)溝器重量較輕，入土能力強(qiáng)，但播幅較窄，開(kāi)溝時(shí)土壤沿凹面易拋起形成上下干濕土層攪混，天氣干燥時(shí)播種對(duì)種子吸收水分不利。單圓盤(pán)開(kāi)溝器較適用于墑情較好的地區(qū)。本文選用雙圓盤(pán)開(kāi)溝器作為開(kāi)溝裝置。

雙圓盤(pán)開(kāi)溝器主要工作參數(shù)有：圓盤(pán)直徑，圓盤(pán)夾角、聚點(diǎn)位置m、開(kāi)溝寬度，根據(jù)對(duì)播種環(huán)節(jié)的農(nóng)藝要求，對(duì)上述工作參數(shù)進(jìn)行確定。

圓盤(pán)直徑：圓盤(pán)直徑通常范圍是300～380mm。圓盤(pán)的直徑過(guò)小，容易反生轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤(pán)和壅土，增加工作阻力，工作質(zhì)量變差。圓盤(pán)直徑過(guò)大，會(huì)加重整機(jī)重量，且增加開(kāi)溝器的牽引阻力，無(wú)法保證種溝質(zhì)量。在開(kāi)溝器作業(yè)前，土地經(jīng)過(guò)犁翻或旋耕，土壤阻力較小，綜合考慮后采用雙圓盤(pán)直徑為300mm。

圓盤(pán)夾角：圓盤(pán)夾角小，種溝寬度較小，相應(yīng)降低工作阻力，投種越精確。但是如果夾角過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致雙圓盤(pán)之間的空間不足，排種管易被擠壓變形，導(dǎo)致種子在種管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏移，使投種不精準(zhǔn)。若夾角過(guò)大，則工作阻力變大，土壤擾動(dòng)量大，開(kāi)溝后土壤不容易回落，不利于護(hù)種保墑。常用的夾角為10°～15°。根據(jù)牽引阻力等因素后確定選用15°。

聚點(diǎn)位置m：聚點(diǎn)m是雙圓盤(pán)開(kāi)溝器兩圓盤(pán)的交點(diǎn)。聚點(diǎn)位置用β表示，m點(diǎn)越高β越大，溝寬越大，溝底中部凸起越高。m點(diǎn)越低β角度越小，土壤可能從聚點(diǎn)上面進(jìn)入雙圓盤(pán)之間，導(dǎo)致圓盤(pán)夾土和堵塞，軸承磨損加速。m點(diǎn)位置一般取在地面稍上方，離地高度等于最大開(kāi)溝深度為宜，一般β=55°—75°，依據(jù)小麥播深為2～4cm，因此確定m點(diǎn)位置為離地4cm處，此時(shí)β約為75°。

開(kāi)溝深度根據(jù)以上公式并帶入公式計(jì)算，可得開(kāi)溝深度22.02mm，取整后取22mm。

5 種肥箱的設(shè)計(jì)

為提高工作效率，節(jié)省加種加肥時(shí)間，裝滿一箱種子或肥料所能播種或施肥的距離最少應(yīng)等于一個(gè)往返行程，即地塊長(zhǎng)度的兩倍，就普通農(nóng)戶(hù)地塊而言，地塊長(zhǎng)度約為50m，機(jī)具工作幅寬為2.3m，種子或肥料的單位容積取分別為0.8、1，播種量為30kg/畝，播肥量為65kg/畝。可得種箱容量和肥箱容量分別是15.52m3和26.90m3。因小麥基肥尿素與磷酸二銨比例為1：1，因此，兩肥箱容量相同，為節(jié)省空間，將兩肥箱設(shè)計(jì)為一體，中間使用隔板隔開(kāi)，使二者體積相同。

6 排種排肥電控系統(tǒng)的研究

為了解決播種機(jī)排種排肥同步性的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PID控制算法的播量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在線無(wú)極調(diào)節(jié)排種量，實(shí)現(xiàn)排種轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，達(dá)到同步播種目的，提高播量控制精度。

播種作業(yè)時(shí)，通過(guò)電位器設(shè)定目標(biāo)播量，在測(cè)速輪上安裝編碼器，采集實(shí)時(shí)機(jī)具車(chē)速及排種軸轉(zhuǎn)速，計(jì)算出排種軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速；同時(shí)安裝在排種軸上的編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)排種轉(zhuǎn)速；決策系統(tǒng)輸入量為將目標(biāo)播量、機(jī)具車(chē)速、排種轉(zhuǎn)速，得到當(dāng)前排種器的轉(zhuǎn)速控制量，然后通過(guò)PID調(diào)速算法使控制器輸出相應(yīng)PWM波，再經(jīng)過(guò)放大調(diào)理后，驅(qū)動(dòng)排種電機(jī)在線調(diào)節(jié)排種轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)同步排種作業(yè)。

7 漏播監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究

當(dāng)實(shí)際播種量與理論播種量不相符將會(huì)直接影響播種質(zhì)量，進(jìn)而影響土地產(chǎn)出率，采用光電法獲取種子下落的電脈沖信號(hào)，濾波整形后由單片機(jī)處理，對(duì)漏播情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)裝置的安裝位置將會(huì)影響其工作性能，如果位置安裝靠近排種器，則下方排種管堵塞時(shí)很難及時(shí)檢測(cè)到，為提高系統(tǒng)工作性能，在實(shí)際生產(chǎn)中，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置被安裝在緊靠開(kāi)溝器上方處。

正常工作時(shí)，紅外光穿過(guò)凸透鏡后平行照射至接收端。當(dāng)種子經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)裝置完全遮擋1個(gè)或多個(gè)紅外接收二極管時(shí)，接收端會(huì)產(chǎn)生電平變化，并將該電平信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)該電平信號(hào)統(tǒng)計(jì)種子下落時(shí)間間隔，結(jié)合增量式編碼器所測(cè)機(jī)具前進(jìn)速度得出實(shí)際株距，并與設(shè)定的理論株距相比較，分析得出漏播率、重播率、播種量信息。

控制面板上的按鍵模塊可以對(duì)理論株距、測(cè)速輪直徑、滑移率、傳動(dòng)比、測(cè)速周期和報(bào)警系數(shù)的范圍進(jìn)行設(shè)置。液晶模塊可以顯示單行播量、總播種量、播種機(jī)行進(jìn)速度，LED報(bào)警模塊與播種通道對(duì)應(yīng)，若某一行或多行出現(xiàn)漏播或重播現(xiàn)象，則對(duì)應(yīng)的LED會(huì)閃爍報(bào)警，并發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警。

8 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)按照GB/T 9478-2005《谷物條播機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行設(shè)計(jì)和指標(biāo)測(cè)定，試驗(yàn)表明，各行排種量一致性系數(shù)為3.4%，總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.86%，分別小于國(guó)標(biāo)要求的3.9%和1.3%，符合復(fù)合作業(yè)機(jī)作業(yè)要求。