中圖分類號(hào)：S233.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.13.052

馬鈴薯是世界范圍內(nèi)廣泛種植的重要非谷類糧食作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃中占據(jù)重要地位。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，其種植地區(qū)多達(dá)150個(gè)國(guó)家，生產(chǎn)面積超過2000萬 hm² ，與水稻、小麥和玉米共同組成世界四大主糧作物1，我國(guó)西南丘陵山區(qū)成為馬鈴薯種植的重點(diǎn)區(qū)域，其種植面積約為228.67萬 hm² ，占全國(guó)馬鈴薯種植面積的 40.3% 。受耕地條件、種植農(nóng)藝、現(xiàn)有機(jī)具適應(yīng)性差等因素制約，西南丘陵地區(qū)馬鈴薯機(jī)械化作業(yè)率相當(dāng)?shù)停瑱C(jī)械化播種作業(yè)率不足 10% ，其主要原因是：1）北方引進(jìn)的機(jī)具不適應(yīng)山地土壤條件及作業(yè)場(chǎng)景2；2）由于機(jī)具的作業(yè)性能不能滿足山地馬鈴薯生產(chǎn)需求，機(jī)具的使用效益低，漏播率和重播率高。因此，研發(fā)改進(jìn)適應(yīng)丘陵山地作業(yè)的馬鈴薯精量播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯播種節(jié)本增效和促進(jìn)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義[3-6]。

針對(duì)現(xiàn)有馬鈴薯播種機(jī)漏播和重播率高的問題，Buitenwerf建立了不同薯形和取種勺的形狀對(duì)取種勺釋放時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，通過試驗(yàn)和模型分析，得出薯形和取種勺對(duì)漏播和重播率有很大的影響；澳大利亞的AEE公司研發(fā)了氣吸式馬鈴薯精量播種機(jī)，在種子下落通道如發(fā)現(xiàn)未有種薯通過，則會(huì)以聲光報(bào)警提示作業(yè)者并實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)，若連續(xù)出現(xiàn)漏播，系統(tǒng)則會(huì)停止工作以提醒作業(yè)者停車檢查，國(guó)內(nèi)的播種機(jī)漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以光電式和磁電式為主；在補(bǔ)薯方面，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)孫偉等設(shè)計(jì)了基于磁電式的擊打補(bǔ)薯裝置，以小整薯為主且存在傷薯的問題；譚本芳對(duì)三角鏈杯勺式精量排種器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)以多因素的耦合仿真分析，確定了“中薯5號(hào)”的最佳作業(yè)參數(shù)，對(duì)其他品種的適應(yīng)還有待驗(yàn)證。

綜上所述，馬鈴薯漏播監(jiān)測(cè)及補(bǔ)薯系統(tǒng)為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，前人的研究在光電、磁電式漏播監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)取得了較好的成果，但在補(bǔ)薯裝置方面存在一些不足，如存在傷薯、延遲、穩(wěn)定性的問題，本文重點(diǎn)研發(fā)基于光電傳感器的漏播監(jiān)測(cè)和電驅(qū)動(dòng)的精準(zhǔn)補(bǔ)薯系統(tǒng)，旨在提升馬鈴薯播種過程中的穩(wěn)定性和株距的精準(zhǔn)度[7-10].

1整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

馬鈴薯播種機(jī)由取種勺及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電式漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成，播種及覆土機(jī)構(gòu)主要由地輪、傳動(dòng)鏈條、株距調(diào)整機(jī)構(gòu)、取種鏈、取種勺、覆土輪組成，漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由紅外線光電傳感器、永磁體磁鋼、霍爾傳感器組成，補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、補(bǔ)薯漏播監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)、補(bǔ)薯開關(guān)組成。其工作原理是：在初始化階段，補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)獨(dú)立工作，將種薯運(yùn)送到補(bǔ)種箱下種艙門處，完成后進(jìn)人等待補(bǔ)薯狀態(tài)；當(dāng)漏播監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)識(shí)別并判斷出缺種勺號(hào)時(shí)，在其運(yùn)轉(zhuǎn)至主動(dòng)鏈輪頂端，補(bǔ)種艙門打開，種薯落入前后取種勺之間完成補(bǔ)薯，接著補(bǔ)薯電機(jī)運(yùn)行將下一顆種薯運(yùn)送至下種艙門處進(jìn)入等待狀態(tài)。補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)也有漏播監(jiān)測(cè)裝置，當(dāng)監(jiān)測(cè)到補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)漏播時(shí)，則將下一個(gè)取種勺種薯運(yùn)送至下種艙門處，若播種勺和補(bǔ)薯勺連續(xù)3次出現(xiàn)漏種現(xiàn)象，系統(tǒng)則發(fā)出聲光報(bào)警以提醒用戶檢查故障，從而保證了播種機(jī)構(gòu)的高效運(yùn)行。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

漏播監(jiān)測(cè)模塊以紅外光電模塊實(shí)現(xiàn)，在馬鈴薯播種機(jī)的取種鏈兩端分別安裝紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊，為了提升系統(tǒng)的節(jié)能性，在紅外發(fā)射器的前端安裝有霍爾傳感器，取種鏈上安裝有磁鋼，當(dāng)磁鋼通過霍爾傳感器有感應(yīng)電流時(shí)，漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)，其余處于待機(jī)狀態(tài)。本文選用西門子SFH486為紅外發(fā)射器，夏普GP1U52X作為接收器，因其對(duì)灰塵具有良好的穿透性，可以提升漏播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，其有效測(cè)距范圍為 10～80cm 。

2.2 補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬鈴薯播種機(jī)以青島洪株的2CM-2C的大壟雙行馬鈴薯精量播種機(jī)為主機(jī)，其播種動(dòng)力采用地輪傳動(dòng)以降低制造和使用成本，通過更換被動(dòng)鏈輪可以實(shí)現(xiàn)株距調(diào)整，其調(diào)整范圍為 19.5～33cm ，具有較為寬泛的株距調(diào)節(jié)能力。按照重慶市馬鈴薯種植農(nóng)藝規(guī)范要求，馬鈴薯種植密度每 667m² 約為4000株[11-15]，起壟作業(yè)壟面寬度為 80cm ，機(jī)具的速度大致為 0.6～ 0.9m?s^-1 。

補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，考慮到牽引拖拉機(jī)的工作電壓為 12V ，故電機(jī)的工作電壓采用 9～20V 。設(shè)馬鈴薯種薯的平均質(zhì)量為 50g ，在機(jī)具工作過程中，左右兩邊的取種勺數(shù)量相等，在對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率計(jì)算時(shí)主要考慮種箱內(nèi)的馬鈴薯對(duì)取種勺的阻力?；谘a(bǔ)薯箱種薯最大累積高度為 80cm ，通過模擬取種勺在種箱內(nèi)種薯厚度為 80cm 時(shí)的真實(shí)作業(yè)工況，多次測(cè)量求平均值得到驅(qū)動(dòng)取種鏈工作的牽引力為 73.6N ，已知驅(qū)動(dòng)鏈輪的節(jié)圓直徑為 127.82mm 將牽引力和鏈輪節(jié)圓半徑的乘積作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要的最小扭矩，為了保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)有足夠的扭矩，在計(jì)算出電機(jī)的理論扭矩后取 μ=2 的放大系數(shù)[16]，即

F 為取種勺運(yùn)動(dòng)的牽引力， N ； d 為鏈輪的節(jié)圓直徑， m ; μ 為放大系數(shù)。

帶入計(jì)算公式可得，取種勺的驅(qū)動(dòng)扭矩為 9.4N?m 帶入功率計(jì)算公式，得出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率為：

T 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩， N?μ_m ； Ω_n 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r?min^-1 ，取電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為 100r?min^-1 ，代人公式計(jì)算出電機(jī)的功率為 ，考慮到電機(jī)在極限工況下，其堵轉(zhuǎn)扭矩會(huì)成3～5倍增加，為防止電機(jī)燒毀，最終選擇的電機(jī)功率為 150W ，工作電壓為 12V^{[12，17-18]} 。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。

注：1.補(bǔ)薯種箱；2.馬鈴薯種薯；3.取種勺；4.補(bǔ)薯艙門開關(guān)；5.從動(dòng)鏈輪；6.驅(qū)動(dòng)鏈；7.主動(dòng)鏈輪

圖1馬鈴薯補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 工作流程軟件設(shè)計(jì)

在馬鈴薯精量播種機(jī)中，軟件控制模塊采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，主要包括主控模塊、自檢模塊、漏播識(shí)別模塊、補(bǔ)薯驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的檢測(cè)模塊上增加了一個(gè)自檢模塊和預(yù)工作模塊，在系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行自檢，若遇故障，則以報(bào)警的形式點(diǎn)亮報(bào)警燈以提醒用戶排除故障；在自檢完成后，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)補(bǔ)薯電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)取種，并實(shí)時(shí)檢測(cè)取種勺的漏播情況，直至將種薯運(yùn)送至補(bǔ)薯艙門處，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)[19-21]；在執(zhí)行補(bǔ)薯過程中若有漏播，則將下一個(gè)取種勺的種薯進(jìn)行替換，若系統(tǒng)檢測(cè)到補(bǔ)薯系統(tǒng)和播種系統(tǒng)連續(xù)3次都處于缺種狀態(tài)，則系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警以提醒用戶進(jìn)行故障排查；當(dāng)播種機(jī)被牽引行駛進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由取種鏈上的磁鋼觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行工作，當(dāng)取種鏈上存在漏播的情況時(shí)，系統(tǒng)記下當(dāng)前取種勺號(hào)碼，待其運(yùn)行到鏈輪頂端時(shí)，補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)的補(bǔ)種艙門立即打開，將種薯準(zhǔn)確掉入前后取種勺的空隙內(nèi)，隨后補(bǔ)種艙門立即關(guān)閉，補(bǔ)薯系統(tǒng)隨即工作，將種薯運(yùn)送至補(bǔ)種艙門處，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。軟件系統(tǒng)的工作流程見圖2。

圖2軟件系統(tǒng)工作流程

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)地選取重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高科技園區(qū)的“西南馬鈴薯全程機(jī)械化科研基地”，在進(jìn)行試驗(yàn)前，土地已經(jīng)過耕整地作業(yè)達(dá)到播種條件，試驗(yàn)有效長(zhǎng)度為 100m ，在播種機(jī)具作業(yè)前后留有 5m 的作業(yè)緩沖區(qū)，以保證作業(yè)性能的穩(wěn)定。為了區(qū)分馬鈴薯種薯是正常播種還是補(bǔ)種的工況，在補(bǔ)種的種薯上涂上紅色標(biāo)記，作業(yè)速度選取4個(gè)，即0.8、1.0、1.2、1.4m?s^-1 ，分別采集正常播種數(shù) （α） 、漏播數(shù)（β）、補(bǔ)播種數(shù) （γ） ，以此計(jì)算馬鈴薯播種機(jī)的正常播種率（V_a） 、補(bǔ)種成功率 （V_b） 、總播種成功率 （V_c）

在試驗(yàn)過程中，以標(biāo)準(zhǔn)化的切薯方法保證馬鈴薯種薯的外形尺寸誤差不大于 10% ，以減小因種薯尺寸誤差帶來的影響，試驗(yàn)過程中每個(gè)作業(yè)行走速度測(cè)試3次，隨機(jī)取3次求平均值作為一次的測(cè)量值，每個(gè)速度的測(cè)試值即為9次的平均值以減小測(cè)量誤差，其試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1不同播種速度下測(cè)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，搭載了漏播監(jiān)測(cè)與補(bǔ)薯系統(tǒng)的馬鈴薯播種機(jī)在 0.8～1.4m?s^-1 作業(yè)區(qū)間，其總播種成功率為 92%～99% ；在行走速度為 0.8m?s^-1 的作業(yè)速度時(shí)，其正常播種率和補(bǔ)種成功率均最高，這是因?yàn)樯祖準(zhǔn)饺》N器在低速作業(yè)時(shí)，因其充種時(shí)間長(zhǎng)，其漏播率低，補(bǔ)薯系統(tǒng)的工作壓力較小；隨著行走速度的增加，正常播種數(shù)在逐漸下降，漏播率也在逐漸上升，播種數(shù)也在隨之上升；在作業(yè)速度超過 1.4m?s^-1 時(shí)，其正常播種數(shù)和補(bǔ)薯成功率急速下降，主要原因是其作業(yè)線速度上升后，播種鏈取種時(shí)間急速下降，取種成功率便急速下降。在補(bǔ)薯環(huán)節(jié)，由于補(bǔ)薯的次數(shù)增多，其補(bǔ)薯取種勺的取種時(shí)間也急速下降，空勺率也逐漸上升，造成補(bǔ)薯驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)高速工作。由表1可以看出，補(bǔ)薯系統(tǒng)在不同作業(yè)速度工作時(shí)，其滿負(fù)載的補(bǔ)薯取種量約為100粒，因此，當(dāng)馬鈴薯播種機(jī)設(shè)計(jì)最佳工作速度時(shí)，其漏播數(shù)量應(yīng)低于100粒，故馬鈴薯精量播種機(jī)的最佳作業(yè)速度應(yīng)為1.2m?s^-1 以下。

4結(jié)論

基于光電傳感器的單鏈勺式馬鈴薯精量播種機(jī)采用傳統(tǒng)的光電傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯漏播監(jiān)測(cè)，創(chuàng)新研發(fā)了一種適宜山地單鏈取種勺的補(bǔ)薯裝置，該裝置的補(bǔ)薯執(zhí)行機(jī)構(gòu)為補(bǔ)薯倉(cāng)及執(zhí)行電機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到播種鏈有漏播的情況，系統(tǒng)記下其勺號(hào)，在對(duì)應(yīng)的取種勺走到主動(dòng)鏈輪頂端，補(bǔ)薯執(zhí)行機(jī)構(gòu)打開補(bǔ)薯倉(cāng)門，種薯精確落入對(duì)應(yīng)的勺號(hào)前端，執(zhí)行精確補(bǔ)薯。

1）補(bǔ)薯倉(cāng)很好地解決了傳統(tǒng)勺鏈?zhǔn)窖a(bǔ)薯機(jī)構(gòu)在機(jī)具高速作業(yè)補(bǔ)薯成功率低的問題，補(bǔ)薯倉(cāng)及機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)補(bǔ)薯緩沖器，不管在播種漏播率高還是低的工況，都保證了補(bǔ)薯取種勺的充種時(shí)間以降低補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)的漏播，同時(shí)，補(bǔ)薯倉(cāng)開閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行速度快，可以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)薯。試驗(yàn)表明，在播種機(jī)作業(yè)速度低于 1.2m?s^-1 時(shí)，其總播種成功率均達(dá)到了98% 以上。

2）補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高速播種作業(yè)，提高作業(yè)效率。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)其作業(yè)速度達(dá)到 1.4m?s^-1 時(shí)，其總的播種成功率還是保持在 92% ，具有較好的寬域速度適應(yīng)范圍。相比傳統(tǒng)不帶補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)的馬鈴薯播種機(jī)，其主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在作業(yè)漏播率降低了 10% 以上，同時(shí)省去了人工補(bǔ)薯的費(fèi)用，降低了馬鈴薯播種環(huán)節(jié)的生產(chǎn)成本。

3）漏播監(jiān)測(cè)補(bǔ)薯機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有很好的適應(yīng)性。丘陵山區(qū)的馬鈴薯播種機(jī)以小型化為主，因此對(duì)相關(guān)智能化的改裝也要求體積小、適應(yīng)性好。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以對(duì)現(xiàn)有的馬鈴薯播種機(jī)進(jìn)行智能化改裝以提升機(jī)具的作業(yè)性能，在后續(xù)的試驗(yàn)過程中將通過不斷優(yōu)化提高其穩(wěn)定性，使本系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：易婧）