高益秀，鄭德聰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

精密播種機動力傳動系統(tǒng)現(xiàn)存問題分析

高益秀，鄭德聰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801）

為了適應(yīng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對精密播種機的發(fā)展要求，在闡述了地輪鏈傳動系統(tǒng)和無級變速智能傳動系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，針對精密播種機動力傳動系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，運用機械力學(xué)和運動學(xué)原理，分析了這些動力傳動系統(tǒng)的不足，指出了提高其傳動精度的研發(fā)方向：地輪鏈傳動系統(tǒng)需要配置專用鏈輪組，并在提高地輪附著力的同時設(shè)法減少地輪負(fù)荷；智能傳動系統(tǒng)除了需要提高開溝器前進(jìn)速度的信息采集精度外，步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)的電源問題和連桿脈動無級變速智能傳動系統(tǒng)輸出速度脈動幅度大等問題也需要研究解決。

精密播種機；動力；傳動系統(tǒng)

精密播種機的大量應(yīng)用已成為現(xiàn)代播種技術(shù)的主要體現(xiàn)，同時也是播種技術(shù)發(fā)展的主要方向[1-6]。精密播種機的第一功能是要有較高的精準(zhǔn)性，即要按照精確的播量、間距和播深將種子和肥料分別埋到土壤里；第二功能是要有較寬的適應(yīng)性，即要滿足各類不同品種的作物在不同地區(qū)種植的播種要求[7]。精密播種機動力傳動系統(tǒng)的功能，是在提供排種動力、排肥動力的同時，實現(xiàn)排種速度、排肥速度與開溝器前進(jìn)速度同步。因此，精密播種機動力傳動系統(tǒng)傳動精度的提高，必將是精密播種機滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)要求的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，精密播種機上廣泛應(yīng)用的動力傳動系統(tǒng)仍然是傳統(tǒng)的地輪鏈傳動系統(tǒng)，無級變速智能傳動系統(tǒng)尚處在研發(fā)完善階段，應(yīng)用很少。分析這些動力傳動系統(tǒng)，弄清其發(fā)展趨勢,對于提高其傳動精度，研制經(jīng)濟(jì)、實用、高精度的精密播種機具有極其重要的意義。

1 地輪鏈傳動系統(tǒng)

地輪鏈傳動系統(tǒng)以其工作性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低和使用成本低等特征優(yōu)勢而延用至今，是使用最多的一種傳動系統(tǒng)。

1.1 地輪鏈傳動系統(tǒng)工作原理

以山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院賀俊林等[8]研制的2BQY F-6A氣壓式硬茬精密播種機為例，地輪鏈傳動系統(tǒng)由地輪、地輪軸上的主動鏈輪、排種器上的從動鏈輪、張緊鏈輪和鏈條等組成。

播種作業(yè)時，地輪在拖拉機的牽引下在地表土壤上向前滾動，地輪在繞地輪軸旋轉(zhuǎn)的同時地輪上的主動鏈輪帶動鏈條，鏈條帶動排種器和施肥器中的旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)，種子在排種盤旋轉(zhuǎn)過程中從排種器出來，經(jīng)排種管和播種開溝器進(jìn)入種溝，化肥由肥箱經(jīng)外槽輪、排肥管排至化肥溝。

1.2 地輪鏈傳動系統(tǒng)的問題分析

1.2.1 地輪滑移率高，應(yīng)在提高地輪附著力的同時減小地輪的負(fù)荷 播種機作業(yè)過程中，排種器和排肥器的動力來源于地輪與地表之間的附著力，如果地輪滑移率增大，播種質(zhì)量必然下降。據(jù)“旱地谷物可持續(xù)機械化生產(chǎn)體系的研究”課題組在不同秸稈覆蓋量條件下免耕播種機作業(yè)測試[9]，采用外廓為平面的單地輪傳動結(jié)構(gòu)，地輪的滑移率高達(dá)40%左右[10]。

圖1所示，O是地輪中心點，O′是地輪和地表土壤的接觸面中心點，F(xiàn)1是拖拉機對地輪的牽引力，G是播種機對地輪的鉛垂壓力，F(xiàn)2是地表土壤對地輪的鉛垂支撐力，F(xiàn)3是地表土壤對地輪的切向作用力，M是來自鏈傳動的負(fù)荷。由滾動動力學(xué)原理可知，純滾動情況下，地輪的瞬時轉(zhuǎn)動中心為O′，此時有：

在實際播種操作中，由于受地表土壤堅實度、平整度、土壤含水量、播種機前進(jìn)速度和地表覆蓋物等因素影響，經(jīng)常會出現(xiàn)F3在臨界值上下波動的情況，地輪經(jīng)常處于滾動兼滑動狀態(tài)，甚至出現(xiàn)純滑動的情況，導(dǎo)致地輪的轉(zhuǎn)速波動、排種器的排種速度和排肥器的排肥速度時快時慢，種子在種溝里的分布和肥料在施肥溝里的分布不均。

為了保證地輪獲得足夠大的切向作用力F3，多數(shù)地輪周邊增加了“人”字形抓地板[11]，王次年等[12]在地輪上加裝了六角星輪。在多行播種機上，為了防止某一個地輪滑移后出現(xiàn)漏播，采用了差速器與萬向節(jié)結(jié)構(gòu)[13]，在兩兩播種單體之間由傳動軸連接在一起。據(jù)“旱地谷物可持續(xù)機械化生產(chǎn)體系的研究”課題組在不同地表秸稈覆蓋量條件下免耕播種機作業(yè)測試，采用地輪周邊增加“人”字形抓地板和雙地輪傳動結(jié)構(gòu)，地輪的滑移率仍有20%左右。

由公式（1）可知，減小地輪滑移率的途徑有2個，一是提高地輪與地表之間的附著力，二是減小地輪的負(fù)荷M。一直以來，人們?yōu)榱俗非蟛シN機結(jié)構(gòu)簡單、造價低，總是致力于前者，而忽視后者，諸如減小排種器和施肥器旋轉(zhuǎn)阻力矩，減小傳動軸旋轉(zhuǎn)的摩擦阻力矩，將排種器和施肥器的驅(qū)動分置到2個獨立的地輪鏈傳動系統(tǒng)等等。

1.2.2 鏈輪組針對性差，可按照使用地主要作物配置專用鏈輪組 鏈傳動結(jié)構(gòu)簡單，成本低，傳動效率高達(dá)98%～99%[14]。但它是一種定速比傳動，由于鏈輪組合提供的速度比有限，許多地區(qū)購買到播種機后發(fā)現(xiàn)種植作物要求的播量或株距與鏈輪組提供的不一致，只能按近似值播種。解決這一問題的有效的辦法是，按播種機使用地區(qū)種植作物的精準(zhǔn)播種要求，精確配置專用鏈輪組。

1.2.3 提高地表質(zhì)量和駕駛員技術(shù)水平 在田間播種過程中，播種機地輪滑移率高的原因不僅僅是地輪本身的問題，還與地表質(zhì)量和駕駛員的技術(shù)水平有關(guān)。如地表坑坑洼洼和高低起伏不平、地表土壤含水率、堅實度、覆蓋物等分布不均以及駕駛員駕駛速度波動等因素都會導(dǎo)致地輪的滑移率升高。解決這個問題的有效辦法是提高秸稈處理技術(shù)和駕駛員的技術(shù)水平。

2 無級變速智能傳動系統(tǒng)

播種機動力的無級變速智能傳動系統(tǒng)放棄了地輪動力源驅(qū)動，改用拖拉機電源或動力輸出軸等作為動力源，并采用某些智能控制模塊和無級變速器，實現(xiàn)排種器排種速度的無級變化，進(jìn)而實現(xiàn)開溝器前進(jìn)速度與排種器排種速度之間同步。迄今為止，播種機上應(yīng)用開發(fā)研究的無級變速智能傳動系統(tǒng)主要有：步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)和連桿脈動無級變速器智能傳動系統(tǒng)。

2.1 步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)分析

步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)在拖拉機前輪上安裝測速傳感器并將測得的拖拉機前進(jìn)速度傳輸給單片機，再采用電瓶電源驅(qū)動步進(jìn)電機，按照實際播量要求調(diào)整步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)排種器排種速度和施肥器施肥速度。

2.1.1 步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)工作原理 從圖2可以看出，步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)由傳感器檢測單元、單片機智能控制單元、人機對話單元和步進(jìn)電機等組成[15]。

作業(yè)前，人機對話裝置將播種量或間距參數(shù)、排種盤的結(jié)構(gòu)信息等直接進(jìn)行設(shè)置后傳輸給單片機。作業(yè)時，通過安裝在拖拉機前輪的轉(zhuǎn)速傳感器得到拖拉機的前進(jìn)速度后傳輸給單片機，單片機按照預(yù)先設(shè)置的控制算法將拖拉機的前進(jìn)速度、作物播種量等參數(shù)進(jìn)行處理計算，得到排種軸的旋轉(zhuǎn)速度，通過外圍電路將控制信號傳給步進(jìn)電機驅(qū)動器，步進(jìn)電機驅(qū)動器通過改變接收到的脈沖信號頻率來控制步進(jìn)電機的輸出轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)拖拉機前進(jìn)速度與排種盤旋轉(zhuǎn)速度的同步。

2.1.2 步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)的問題分析

2.1.2.1 開溝器前進(jìn)速度失真，需要研發(fā)更加精確的開溝器前進(jìn)速度采集技術(shù) 在播種作業(yè)過程中，當(dāng)拖拉機的前進(jìn)速度發(fā)生改變時，單片機就會將來自拖拉機前輪的速度信息處理后向步進(jìn)電機發(fā)送變頻脈沖，此變頻脈沖經(jīng)步進(jìn)電機驅(qū)動器的脈沖分配和功率驅(qū)動，控制步進(jìn)電機的輸出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實現(xiàn)排種器排種速度同步響應(yīng)開溝器的前進(jìn)速度。由于開溝器的前進(jìn)速度間接地取自拖拉機前輪，與地輪鏈傳動系統(tǒng)相比較，開溝器的前進(jìn)速度和排種器排種速度同步程度雖然有所提高，但并不理想。這是因為：一方面，拖拉機的驅(qū)動方式一般為后輪驅(qū)動，前輪只是作為導(dǎo)向輪，其輪胎上一般只有防止側(cè)滑的環(huán)形溝槽，并沒有設(shè)置防止平滑的附著措施；另一方面，在實際的拖拉機播種作業(yè)時，前輪與地表的附著力受地表坑坑洼洼和高低起伏、地表覆蓋物和土壤堅實度分布不均、拖拉機前進(jìn)速度時快時慢等因素影響而波動。

由上述分析可知，拖拉機前輪在前進(jìn)方向上出現(xiàn)滑移是必然的，在有秸稈覆蓋的免耕播種情況下，這種滑移會更加嚴(yán)重。由于后輪與地表的接觸面積和接觸壓力大，后輪輪胎表面又有防滑的“人”字形抓地花紋，后輪與地表的附著效果比前輪要好得多。如果將傳感器從拖拉機的前輪改裝在后輪上，盡管后輪可能出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，但是后輪打滑的概率比前輪滑移的概率要小得多。當(dāng)然，最好是研發(fā)一種能夠直接獲取開溝器前進(jìn)速度的信息采集技術(shù)。

2.1.2.2 拖拉機原有電源不能滿足系統(tǒng)需求，需要研發(fā)相應(yīng)的配套電源 步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)的動力來自外接電瓶電源，拖拉機原有發(fā)電機和蓄電池不能滿足步進(jìn)電機的需求。這是因為排種作業(yè)功耗大，播種作業(yè)過程中需要經(jīng)常停止播種作業(yè)給蓄電池充電[16]；步進(jìn)電機的額定電壓與拖拉機原有發(fā)電機和電瓶電壓不一致。

2.2 連桿脈動無級變速器智能傳動系統(tǒng)

連桿脈動無級變速器智能傳動系統(tǒng)將連桿脈動無級變速器引入排種動力驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了作物株距變化的連續(xù)性；且連桿脈動無級變速器安裝在排種器與拖拉機的動力輸出軸之間，排種器的動力來源來自拖拉機，無需再接外接電瓶電源，使結(jié)構(gòu)得到簡化，增強了實用性，節(jié)省了成本；利用速度傳感器信息系統(tǒng)和智能控制模塊，實現(xiàn)了播種作業(yè)的自動化。

2.2.1 連桿脈動無級變速器智能傳動系統(tǒng)工作原理 由圖3可知，連桿脈動無級變速器智能傳動系統(tǒng)由人機對話模塊、速度傳感器等數(shù)據(jù)采集模塊、智能控制模塊、連桿脈動無級變速驅(qū)動模塊和連桿脈動無級變速器等組成。

作業(yè)時，拖拉機的后動力輸出軸提供無級調(diào)速模塊的動力，無級調(diào)速模塊驅(qū)動播種部件的運行。作業(yè)時，利用拖拉機前輪處的旋轉(zhuǎn)編碼器采集拖拉機作業(yè)速度并傳遞給智能控制模塊，利用排種軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器采集排種軸的旋轉(zhuǎn)速度并傳遞給智能控制模塊，利用鍵盤顯示模塊將作物所需要的株距等參數(shù)以及排種盤的結(jié)構(gòu)信息等傳輸給智能控制模塊。智能控制模塊通過預(yù)先設(shè)定的算法經(jīng)過一系列比較計算后，將結(jié)果傳遞給無級變速驅(qū)動模塊，控制無級變速器輸出速度，達(dá)到無論拖拉機的作業(yè)速度怎么變化，播種量（或間距）都可以保持預(yù)先設(shè)定恒定值的效果，實現(xiàn)精量播種，提高作物的產(chǎn)量。

2.2.2 連桿脈動無級變速器智能傳動系統(tǒng)的問題分析

2.2.2.1 開溝器前進(jìn)速度失真，需要研發(fā)更加精確的開溝器前進(jìn)速度采集技術(shù) 其與2.12相同，不再贅述。

2.2.2.2 曲柄搖桿式三項脈動無級變速器脈動幅度大，可采用曲柄雙搖桿機構(gòu) 連桿脈動無級變速器結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，傳動可靠，調(diào)速方便，變速范圍寬，轉(zhuǎn)速可以為零，在汽車和工程機械等行業(yè)應(yīng)用廣泛[17-18]。以山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院王玉順等開發(fā)的曲柄搖桿式三項脈動無級變速器[19]為例，曲柄搖桿脈動式無級變速器的輸入軸為曲柄，曲柄做勻速旋轉(zhuǎn)運動，輸出軸為搖桿，搖桿做往復(fù)擺動，搖桿上安裝超越離合器，過濾掉輸出軸順時針或者逆時針的輸出轉(zhuǎn)速，使得輸出軸只輸出一個方向的旋轉(zhuǎn)速度，平行安裝3組曲柄搖桿，安裝在搖桿上的超越離合器使得輸出軸只輸出一個方向速度大于某一數(shù)值的旋轉(zhuǎn)速度。改變曲柄搖桿架構(gòu)曲柄的尺寸，搖桿的擺角及輸出的平均轉(zhuǎn)速改變，曲柄尺寸可以實現(xiàn)連續(xù)改變，輸出軸的平均速度實現(xiàn)連續(xù)改變，從而實現(xiàn)無級變速。

圖4是曲柄搖桿式三項脈動無級變速器的輸出轉(zhuǎn)速曲線圖，它是由3個相位差為120°的3個曲柄搖桿、單向離合器、調(diào)速器組合而成，圖中線條

1，2，3分別為每一相曲柄搖桿機構(gòu)的的搖桿轉(zhuǎn)速曲線。就單相而言，橫坐標(biāo)之下部分是超越離合器濾去部分。就三相而言，橫坐標(biāo)之上兩兩搖桿轉(zhuǎn)速曲線之間形成的交叉點是其中速度上升相驅(qū)動輸出軸旋轉(zhuǎn)的起始速度，橫坐標(biāo)上方交點連線之上的連續(xù)曲線是輸出軸的輸出速度曲線，交點連線之下的連續(xù)曲線是通過超越離合器濾去的部分。從圖4可以看出，當(dāng)拖拉機動力輸出軸的轉(zhuǎn)速和排種盤的轉(zhuǎn)速都比較小時，曲柄搖桿式三項脈動無級變速器的輸出速度脈動幅度相對較大，直接影響種子在種溝的均勻度，這就需要設(shè)法減小曲柄搖桿式三項脈動無級變速器輸出轉(zhuǎn)速的脈動幅度。如采用雙搖桿在正反2個行程分別實現(xiàn)運動輸出[20]，就能有效減小輸出軸輸出速度的脈動幅度。

3 結(jié)論

地輪鏈傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制造成本和使用成本都比較低。為了提高該系統(tǒng)的工作質(zhì)量，一方面，需要通過增加地輪本身的附著力和減小地輪負(fù)載來降低地輪的滑移率；另一方面，需要針對性地配置精確的專用鏈輪組以提高排種盤轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)度。此外，還需要提高地表質(zhì)量和駕駛員的技術(shù)水平。

不論采取何種措施，地輪滑移問題只能是做到相對改善，鏈輪組合定比傳動本身就決定了播種機播種質(zhì)量不穩(wěn)定。無級變速智能傳動系統(tǒng)徹底放棄了地輪鏈傳動，改用電源或動力輸出軸作為排種和施肥的動力，無級變速器實現(xiàn)了排種速度和施肥速度的無級調(diào)整，傳感器和智能控制模塊實現(xiàn)了拖拉機前進(jìn)速度和排種速度、施肥速度精確同步的自動化。目前，這種技術(shù)還存在許多局限性，諸如步進(jìn)電機的電源問題、脈動連桿無級變速器輸出軸的輸出速度脈動幅度大等問題。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)水平的提高和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，無級變速智能傳動系統(tǒng)技術(shù)將會日趨完善，并得到廣泛應(yīng)用。

播種機的精準(zhǔn)性要求是排種速度和施肥速度與開溝器的前進(jìn)速度任何時候都必須保持同步，可現(xiàn)在的步進(jìn)電機智能傳動系統(tǒng)和脈動連桿無級變速智能傳動系統(tǒng)，都是用拖拉機的前輪轉(zhuǎn)速間接地取代開溝器的前進(jìn)速度，而拖拉機前輪的滑移又在所難免。考慮到拖拉機的后輪滑移率小于前輪，建議將傳感器安裝在后輪，最好是開發(fā)一種能夠直接采集開溝器前進(jìn)速度的信息技術(shù)。

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Analysis on the Existing Problems of Precision Seeding Power Transmission System

GAOYixiu，ZHENGDecong
（College ofEngineering，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

To adapt to the development requirements ofprecision agriculture on precision seeding machine,this paper based on elaborating the wheel chain transmission system and the intelligence stepless variable speed drive system on the working principle,accordingtothe present situation oftechnologyofprecision seedingpower transmission system,used the principle ofmechanical mechanics and kinematics,analysed the shortcomings of the power transmission system,and pointed out the research development direction of improveingthese systemtransmission precision.Wheel chain transmission systemneed toconfigure the specialized sprocket group,and improve the adhesion of wheel while trying to reduce the wheel load.In addition to the need to improve information acquisition precision of colter boot forward velocity,many problems of intelligent drive system need to be solved,including power supply problems of intelligent stepper motor drive systemand bigoutput speed pulstion amplitude ofintelligent connectingrod pulsingstepless drive system,etc.

precision seedingmachine;power;transmission system

S223.2＋3

A

1002-2481（2016）06-0843-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.06.31

2016-01-19

山西省科技攻關(guān)重大專項（20090311043）

高益秀（1989-），女，山西臨縣人，在讀碩士，研究方向：農(nóng)業(yè)機械設(shè)計。鄭德聰為通信作者。