孫友誼，朱雪峰，劉炳雷

（濰柴雷沃智慧農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，山東濰坊 261000）

小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到國家糧食安全和社會穩(wěn)定，小麥的播種方式、播種質(zhì)量都對小麥產(chǎn)量有重大影響。播種機(jī)械是農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分，播種機(jī)械的播種質(zhì)量直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此研制高質(zhì)量的播種機(jī)械是加快實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迫切要求。盡管我國大部分地區(qū)早已實現(xiàn)播種機(jī)械化，但目前播種機(jī)械的播種質(zhì)量仍存在諸多問題。近幾年雖出現(xiàn)了精密播種機(jī)、精少量播種機(jī)等，但只在一定范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用，主要原因是其結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，整機(jī)成本高，制造和使用技術(shù)要求較高。生產(chǎn)實際中，小麥播種機(jī)僅雖可進(jìn)行條播，但未根據(jù)農(nóng)民現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)裝備和播種存在的問題進(jìn)行設(shè)計和改進(jìn)。為針對性提高播種均勻性，本文在現(xiàn)有小麥播種機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，研究節(jié)能環(huán)保型小麥精準(zhǔn)施肥播種機(jī)。

1 整機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計

本項目主要從功能方向和技術(shù)方向進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。1）功能方向。施肥播種機(jī)圍繞旋耕、施肥、播種等功能，實現(xiàn)車轍旋耕系統(tǒng)的節(jié)能、施肥量和播種量的閉環(huán)控制、施肥和播種深度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)、施肥與播種過程的狀態(tài)監(jiān)測與智能監(jiān)控。2）技術(shù)方向。圍繞提高播種質(zhì)量和規(guī)范化種植水平，以精準(zhǔn)播種、定向施肥、智能高速為主要目標(biāo)，研發(fā)小麥智能化多功能播種機(jī)械，實現(xiàn)種肥分施、同步鎮(zhèn)壓等一體化作業(yè)，具備作業(yè)信息采集傳輸、播種質(zhì)量智能監(jiān)控等功能。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 小麥?zhǔn)┓什シN機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 車轍旋耕系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計

中小馬力拖拉機(jī)牽引的播種機(jī)無旋耕部分，拖拉機(jī)的兩輪車轍壓實土壤導(dǎo)致車轍區(qū)域內(nèi)播下的種子不能滿足播種深度要求，甚至種子未播到土壤中。由于采用拖拉機(jī)帶動施肥播種機(jī)工作，拖拉機(jī)車轍處的土壤比其他位置土壤低且堅硬，因此若不進(jìn)行旋耕，將會嚴(yán)重影響小麥的發(fā)芽和產(chǎn)量。車轍旋耕系統(tǒng)由拖拉機(jī)動力驅(qū)動，通過傳動軸、減速機(jī)減速帶動旋耕軸轉(zhuǎn)動，旋耕軸上兩側(cè)各裝有多把旋耕刀。旋耕軸是旋耕車轍的關(guān)鍵部件，采用三維仿真和平衡試驗相結(jié)合的方法確定旋耕軸的技術(shù)參數(shù)，確保旋耕軸徑向跳動最小，使車轍旋耕后達(dá)到與之前旋耕機(jī)旋耕土壤的高度和松軟程度一致。

1.2 施肥量和播種量的閉環(huán)控制設(shè)計

傳統(tǒng)施肥播種機(jī)上的種子和肥料下落是以鎮(zhèn)壓輥的轉(zhuǎn)動為動力，通過鏈傳動分別帶動播種軸和施肥軸，播種軸和施肥軸上分別裝有若干個槽輪，在槽輪上分別對應(yīng)裝有播種盒和施肥盒，播種盒和施肥盒分別成一排裝在種子箱和肥料箱下方，播種軸和施肥軸的轉(zhuǎn)動帶動槽輪分別撥動種子和肥料沿管道下落到土壤中。由于鎮(zhèn)壓輥的轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)的行走速度有關(guān)，所以播種量和施肥量基本上不能調(diào)整。

小麥?zhǔn)┓什シN機(jī)擬采用兩臺伺服電機(jī)分別帶動播種軸和施肥軸，播種軸和施肥軸上的槽輪分別撥動播種盒中的種子和施肥盒中的肥料下落入土壤，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速可與施肥播種機(jī)行走速度協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)播種和施肥的速度控制。擬在播種盒與施肥盒上安裝稱重裝置，計量播種盒與施肥盒內(nèi)的種子與肥料重量，與施肥和播種伺服系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建施肥與播種過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.3 施肥和播種深度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)計

小麥播種深度和施肥深度根據(jù)土壤的條件不同需要調(diào)節(jié)，本項目設(shè)計的小麥?zhǔn)┓什シN機(jī)的播種橫梁和施肥橫梁采用液壓缸升降調(diào)節(jié)高低，需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維仿真，確定液壓缸的作用力，精確控制播種深度和施肥深度。

1.4 施肥與播種過程的狀態(tài)監(jiān)測與智能監(jiān)控設(shè)計

施肥播種機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)包括施肥播種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)。1）施肥播種狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。通過采集伺服電機(jī)運行速度、播種機(jī)行走速度、播種盒與施肥盒重量等信息，形成施肥播種機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)施肥播種的距離、播種面積和每667 m2播種量等參數(shù)的實時顯示。2）施肥播種過程控制系統(tǒng)。通過過程控制系統(tǒng)界面，可對施肥播種過程參數(shù)（施肥量、播種量和施肥播種深度等）進(jìn)行設(shè)定，提高施肥播種機(jī)運行過程控制的自動化、數(shù)字化與智能化。

2 整機(jī)主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)

2.1 節(jié)能車轍旋耕系統(tǒng)

1）拖拉機(jī)動力連接裝置及減速系統(tǒng)的設(shè)計。動力連接裝置按輸入扭矩設(shè)計計算四方軸和十字滾軸軸徑尺寸。2）旋耕軸的設(shè)計開發(fā)。根據(jù)旋耕刀旋耕阻力設(shè)計計算旋耕刀軸參數(shù)。3）旋耕系統(tǒng)的動平衡研究。對旋耕刀和旋耕刀軸外形和結(jié)構(gòu)動平衡動態(tài)進(jìn)行模擬實驗。4）旋耕刀的選用。動態(tài)仿真模擬不同形狀和規(guī)格的旋耕刀對土壤的破碎率。

2.2 施肥量和播種量閉環(huán)控制系統(tǒng)

1）施肥和播種流量的閉環(huán)控制研究。設(shè)計施肥口和播種口流量檢測裝置，檢測數(shù)據(jù)低于或高于設(shè)定值自動報警并顯示流量值。2）每667 m2施肥量、播種量的控制研究。設(shè)計播種機(jī)行走速度和施肥、播種電機(jī)自匹配控制。

2.3 施肥和播種深度自適應(yīng)調(diào)節(jié)

1）小麥播種平地儀的設(shè)計開發(fā)。設(shè)計土壤平整機(jī)構(gòu)和檢測系統(tǒng)，局部平整率在95%以上。2）基于地況信息的施肥和播種深度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)研究。在各個施肥和播種器安裝高度檢測儀，液壓系統(tǒng)根據(jù)檢測數(shù)據(jù)自動調(diào)整施肥和播種。3）基于施肥與播種深度精準(zhǔn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的電-液系統(tǒng)研究。將高度檢測儀反饋的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電控數(shù)據(jù)，控制液壓系統(tǒng)調(diào)整高度。

2.4 施肥播種機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)

1）施肥與播種的數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測。設(shè)計數(shù)據(jù)存儲模塊，每667 m2施肥量、播種量、施肥深度、播種深度存儲和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。2）播種機(jī)人機(jī)交互界面的開發(fā)。開發(fā)液晶觸摸顯示屏，各數(shù)據(jù)實時顯示和數(shù)據(jù)調(diào)整。3）施肥與播種參數(shù)的調(diào)控及運用。通過顯示屏調(diào)整施肥與播種參數(shù)。

2.5 整機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

小麥播種機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 小麥播種機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

3 旋耕結(jié)構(gòu)離散元仿真分析

3.1 旋耕結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)實土壤物理性質(zhì)和研究數(shù)據(jù)成果，建立顆粒模型參數(shù)值并使其接近土壤的現(xiàn)實狀況是保證仿真分析準(zhǔn)確性的必要條件。本項目所用土壤的各物理指標(biāo)包括：魯中地區(qū)的壤土，土壤的泊松比0.3、土壤密度2 650 kg·m-3、土壤剪切模量1 MPa、土壤顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)0.6、土壤顆粒間的靜摩擦系數(shù)0.33、土壤顆粒的動摩擦系數(shù)0.14。

旋耕刀材料采用45 號鍛鋼調(diào)制處理，其耐磨性、剛度、強度等均能滿足要求。旋耕刀密度7 850 kg·m-3、剪切模量7.85×1010Pa、泊松比0.28。旋耕刀與土壤靜摩擦系數(shù)0.3、旋耕刀與土壤動摩擦系數(shù)0.13、土壤顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)0.54。

整機(jī)作業(yè)速度5～6 km·h-1時作業(yè)效果最佳，超過6 km·h-1屬于高速播種機(jī)，播種效果受慣性和振動影響較大。按照作業(yè)速度1.67 m·s-1，旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，旋耕刀采用旋耕刀21（旋耕刀安裝中心刀前尖距離210 mm），相鄰兩排旋耕刀間距為100 mm設(shè)計和動態(tài)仿真，實際的旋耕刀軸和旋耕刀結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 旋耕刀軸和旋耕刀結(jié)構(gòu)

3.2 仿真分析

旋耕機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真如圖3 所示。旋耕結(jié)構(gòu)總體寬度1 800 mm，分為左右旋耕結(jié)構(gòu)，各旋耕寬幅500 mm，旋耕深度190 mm，仿真在2 000 mm×1 200 mm×300 mm 的虛擬土壤中進(jìn)行，生成520 021 個顆粒和128 293 個bonds 鍵，時間為2.2 s。旋耕后bonds 鍵破壞數(shù)量為110 021 個。碎土率=fB1/B2=0.96×110 021/128 293=82.33%，其中，f為bonds 鍵破壞相對土壤破壞的比例系數(shù)；B1為bonds 的破壞數(shù)量；B2為bonds 總數(shù)量；bonds 鍵為顆粒相互黏結(jié)生成的黏結(jié)鍵。根據(jù)旋耕機(jī)整機(jī)驗收，參數(shù)滿足其要求。

圖3 旋耕機(jī)構(gòu)的動態(tài)仿真

4 結(jié)論

1）針對拖拉機(jī)車輪壓實土壤問題，設(shè)計研究車轍土壤旋耕裝置，解決施肥、播種深度不均勻問題，提高小麥出苗率與單位面積產(chǎn)量，同時降低拖動系統(tǒng)的功率，達(dá)到小麥播種農(nóng)藝要求，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

2）施肥、播種流量與施肥播種機(jī)行走速度相結(jié)合，構(gòu)建施肥、播種過程的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)播種量和施肥量的精準(zhǔn)控制，實現(xiàn)小麥播種和施肥精細(xì)化。

3）基于土壤平整條件，研發(fā)小麥?zhǔn)┓什シN機(jī)的播種橫梁和施肥橫梁的自適應(yīng)電-液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實現(xiàn)精確控制施肥和播種深度。

4）通過對施肥與播種過程參數(shù)控制與數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建施肥播種機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，實現(xiàn)施肥和播種過程的自動化、數(shù)字化及智能化。