楊 壯,高琪珉,張銀平,刁培松

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

粒距均勻性是衡量播種質(zhì)量的重要指標，保證粒距均勻不僅可以節(jié)約種子用量，還可以提高作物產(chǎn)量[1]。GRIEPENTROG[2]指出均勻的粒距可以減少作物間對光、水分和養(yǎng)分的競爭，從而提高作物產(chǎn)量。目前，國內(nèi)市場上玉米播種機的主流機型還是機械式，排種器驅(qū)動方式為橡膠地輪驅(qū)動，播種作業(yè)時滑移率高，導(dǎo)致施肥播種粒距均勻性差[3-4]。國外對排種器驅(qū)動及控制方式的研究較多，Precision Planting[5]公司研發(fā)的電驅(qū)式排種系統(tǒng)，采用直流電機驅(qū)動排種盤，采用測速雷達獲取播種機前進速度，根據(jù)測取的速度實時調(diào)控排種盤的轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)已經(jīng)實際應(yīng)用。CASE設(shè)計的變量播種機采用電控液壓馬達變量播種施肥執(zhí)行機構(gòu)，可以通過改變液壓比例閥的開度實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)[6]。近幾年，國內(nèi)研究人員也逐步開展了排種器驅(qū)動及控制方式的研究，蔣春燕等[7]設(shè)計了步進電機驅(qū)動排種的玉米播種機，建立了電機轉(zhuǎn)速與拖拉機行進速度之間的關(guān)系模型，通過單片機控制電機轉(zhuǎn)速。YANG等[8]研發(fā)了排種器的電機直驅(qū)技術(shù)，采用直流電機通過周向傳動的方式驅(qū)動排種，通過傳感器檢測地輪轉(zhuǎn)速計算播種機前進速度，根本播種機前進速度和目標株距控制排種器轉(zhuǎn)速。唐堯華[9]利用霍爾元件對拖拉機前輪測速，根據(jù)拖拉機行走速度控制排種器轉(zhuǎn)速，證明電機驅(qū)動排種器變異系數(shù)小于地輪傳動。這些研究在實驗室內(nèi)效果很好，但通過地輪測速，仍然存在滑移率高的問題，實際應(yīng)用效果不佳[10]。國內(nèi)對采用液壓驅(qū)動方式的玉米播種機也很少。

為實現(xiàn)粒距無級調(diào)節(jié)，本課題采用液壓馬達驅(qū)動排種的方式，設(shè)計了粒距動態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了液壓馬達轉(zhuǎn)速與拖拉機行駛速度的精確匹配。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

基于液壓馬達集中驅(qū)動的玉米免耕播種機整機主要包括限深輪、防堵裝置、施肥裝置、播種單體及傳動系統(tǒng)，如圖1所示。其中，傳動系統(tǒng)采用液壓馬達集中驅(qū)動，主要由液壓馬達、液壓流量閥以及各級傳動軸和鏈輪、鏈條組成。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

玉米免耕播種機工作時，采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)測速，拖拉機速度信號通過可編程控制器(PLC)轉(zhuǎn)換為液壓馬達的流量信號，在拖拉機速度與液壓馬達轉(zhuǎn)速之間建立一定的關(guān)系模型，使液壓馬達轉(zhuǎn)速隨拖拉機速度變化而變化；液壓馬達驅(qū)動總動力軸，總動力軸將動力分配給排肥軸，通過排肥軸分配給單個的排種器。液壓馬達速度的變化引起排種器轉(zhuǎn)速的變化，從而保證播種粒距不隨拖拉機行駛速度的變化而變化，實現(xiàn)粒距的動態(tài)自適應(yīng)，工作原理如圖2所示。

1.限深輪 2.防堵裝置 3.施肥開溝器 4.播種開溝器 5.排種器 6.覆土器 7.鎮(zhèn)壓輪 8.種箱 9.傳統(tǒng)系統(tǒng) 10.兩側(cè)肥箱

11.中間肥箱 12.液壓馬達 13.機架 14.液壓流量閥 圖1 玉米免耕播種機Fig.1 No-tillage planter of corn表1 玉米免耕播種機技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of no-tillage maize planter

圖2 粒距動態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of the seed spacing dynamic adaptive system

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在拖拉機上，一方面為排種器驅(qū)動電機提供速度信號；另一方面在沒有劃行器的情況下保證播種行直線度和鄰接行距一致，方便后續(xù)管理。同時，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)具有輔助駕駛功能，在作業(yè)過程中，機手無需掌控方向盤，拖拉機即可按設(shè)定的路徑行駛，在地頭轉(zhuǎn)彎時進行人工干預(yù)，輔助駕駛模式自動解除，大大減輕了機手的勞動強度，提高作業(yè)的準確性和效率[11-12]。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與計算

2.1 液壓驅(qū)動方式設(shè)計

針對液壓馬達驅(qū)動使用液壓馬達驅(qū)動，設(shè)計了兩種液壓馬達驅(qū)動方案。方案1如圖3(a)所示：排種器采用獨立的液壓馬達，由一個液壓站統(tǒng)一供油。方案2如圖3(b)所示：采用一個液壓馬達集中驅(qū)動主軸，主軸再將動力分配到各排種器。

通過實驗室實驗可知：采用方案1時，即使是同一型號、同一批次的液壓馬達，由總的液壓站分配到各個液壓馬達的流量也會有差異，很難標定，造成各行播種粒距不一致，無法達到要求的播種精度。而方案2由一個液壓馬達驅(qū)動主軸后再將動力進行分配，可以保證每個排種器轉(zhuǎn)速一致，從而保證各行播種粒距的一致性。因此，本研究采用方案2的驅(qū)動方式。

(a) 方案1 排種器獨立驅(qū)動

(b) 方案2 排種器集中驅(qū)動 圖3 排種器液壓驅(qū)動方案Fig.3 Methods of seed metering device hydraulic driven

2.2 液壓元器件選擇

2.2.1 液壓馬達

根據(jù)玉米免耕播種機的工作環(huán)境及工作性能要求，選用液壓馬達首先應(yīng)保證馬達的功率及流量能夠達到使用要求，本課題選用BM1系列擺線液壓馬達。該系列液壓馬達體積小、質(zhì)量輕；轉(zhuǎn)動慣量小，在負載下容易啟動；低速大扭矩，安裝方便；響應(yīng)速率快[13]。由于所需液壓馬達僅需帶動排種器和排肥器的工作，不需要太大的輸出功率，因此可選用BM1-160擺線液壓馬達，如圖4所示。

圖4 BM1-160擺線液壓馬達Fig.4 BM1-160Cycloid hydraulic motor

2.2.2 PLC(可編程控制器)

該玉米免耕播種機的施肥器、排種器由轉(zhuǎn)速液壓馬達驅(qū)動，液壓流量閥流量由PLC控制，PLC根據(jù)測得的速度動態(tài)調(diào)節(jié)液壓馬達轉(zhuǎn)速，使排種器轉(zhuǎn)速與播種機作業(yè)速度一致。選用西門子S7-200 SMART系列PLC，如圖5所示。

該款PLC有極高的可靠性，豐富的指令集， 易于掌握，操作便捷，內(nèi)置豐富集成功能，實時性好，通訊能力強勁，擴展模塊豐富[14]。

圖5 S7-200 SMAR控制器Fig.5 SMAR S7-200 controller

2.2.3 比例調(diào)速閥

該玉米免耕播種機的排種器由液壓馬達驅(qū)動，液壓馬達轉(zhuǎn)速通過流量控制，為保證液壓馬達轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定，所選用的流量閥必須能在低速時防止跳動，因此選用2FRE6A-20B/10Q-R型比例調(diào)速閥，如圖6所示。該比例調(diào)速閥采用給定電氣信號控制系統(tǒng)的流量保存恒定，與壓力和穩(wěn)定變化無關(guān)，其流量特性和動態(tài)特性好，壓力損失小，能有效避免起動跳動[15]。

圖6 比例調(diào)速閥2FRE6A-20B/10Q-RFig.6 2FRE6A-20B/10Q-R proportional flow regulator

播種機作業(yè)啟停階段速度較低，通過北斗導(dǎo)航所測速度信號不穩(wěn)定，為了修正低速時測得的不穩(wěn)定信號，在動力主軸上安裝齒盤測速傳感器，測速結(jié)果反饋給PLC，修正液壓馬達轉(zhuǎn)速，保證排肥、排種的均勻性。液壓控制系統(tǒng)的工作原理如圖7所示。

2.3 排種器轉(zhuǎn)速與機具作業(yè)速度關(guān)系

播種作業(yè)時，首先將畝播量輸入到PLC控制器中，建立播量、排種器轉(zhuǎn)速與機具行駛速度之間的函數(shù)關(guān)系，即

L=v·t

(1)

其中，L為t時間內(nèi)拖拉機行駛的距離(m)；t為拖拉機行駛距離為L所用時間。

(2)

式中N—畝播量(株/667m2)；

n—排種器轉(zhuǎn)速(rad/s)；

m—單個排種器上的勺孔數(shù)量；

v—拖拉機行駛速度；

d—行距(m)。

從而得排種器轉(zhuǎn)速與機具行駛速度、畝播量之間的函數(shù)關(guān)系為

n=N·v·d/666.67

(3)

根據(jù)建立的關(guān)系模型編制程序，設(shè)計排種器轉(zhuǎn)速及流量控制電路，如圖8所示。

圖7 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Hydraulic system principle sketch

圖8 排種器轉(zhuǎn)速及流量控制電路圖Fig.8 Control circuit diagram of the speed and flow rate of the seeder unit

3 試驗

3.1 試驗條件

試驗在山東淄博臨淄富群農(nóng)機合作社試驗田進行，秸稈覆蓋量不小于40%，秸稈切碎長度合格率不小于85%、殘茬覆蓋量0.3～0.6kg/m2(秸稈含水率不大于25%)，配套動力不小于89kW。

3.2 試驗方法

排肥、排種性能在生產(chǎn)廠內(nèi)進行試驗檢測，整機性能和播種參數(shù)在田間生產(chǎn)示范試驗基地進行。

試驗地測定區(qū)長100m、寬50m，在小麥收獲后的第2 天進行檢測，地塊平整，同時測定了土壤含水率、土壤堅實度、麥茬高度、秸稈覆蓋量等。主要檢驗依據(jù)為JB /T 6274.1 - 2001《谷物條播機技術(shù)條件》、GB /T 20865- 2007《免耕施肥播種機》和GB /T 6973 -2005《單粒( 精密) 播種機試驗方法》。檢測設(shè)備包括照相機、攝像機、土壤堅實度儀、土壤水分溫度測量儀、土壤盒以及容重器、谷物快速水分測定儀、電子自動數(shù)粒儀、手持氣象站、光電式轉(zhuǎn)速表、標桿、烘干箱、臺秤、電子天平和皮尺等[16-17]。

1)播種機防擁堵性能測試：往返一個行程不發(fā)生堵塞或者有一次輕度堵塞，即視為合格。

2)粒距均勻性測量：設(shè)置拖拉機行駛速度為2、3、4km/h，畝(667m2)播量分別為4 000、4 500、5 000株和拖拉機行駛速度為4km/h，分別播種一個來回，播種后隨機取8行，每行在100m內(nèi)隨機取20個點，人工扒開土層進行粒距測量，記錄數(shù)據(jù)。

3)播種、施肥深度測量：播種后，隨機取8行，每行在50m內(nèi)隨機取20個點，人工扒開土層進行播種深度、施肥深度測量，并記錄測試數(shù)據(jù)。

4)鄰接行距測量：播種后，在幾趟往返的鄰接行上隨機取100m，測量100m內(nèi)鄰接行上任意2行的行距，重復(fù)10次記錄數(shù)據(jù)。

3.3 試驗結(jié)果

1)機具通過性在機具的3次通過性測試中，測試行程100m，3次均無堵塞，機具的通過性良好。

2)粒距測量所得結(jié)果如表2所示。試驗結(jié)果表明：在不同的作業(yè)速度下，播種粒距合格率均不小于95%，符合設(shè)計要求；但隨著作業(yè)速度的增加，粒距合格率下降，這可能與勺盤式式排種器的排種精度有關(guān)， 因此對于勺盤式播種機來說，要保證粒距均勻性，其作業(yè)速度最好不超過4km/h。

3)播種深度、施肥深度測量所得結(jié)果如表3所示。播種深度、施肥深度及種肥間距合格率分別為88.82%、90.32%、90.17%，符合設(shè)計要求。

4)鄰接行距測量所得結(jié)果如表4所示，可知北斗導(dǎo)航的定位鄰接行間距誤差為2.8(cm/100m)。

表2 粒距測量結(jié)果Table 2 Results of seed space

表3 播種試驗結(jié)果Table 3 Results of planting

4 結(jié)論

設(shè)計了一種液壓馬達集中驅(qū)動排種的玉米免耕播種機，重點設(shè)計了液壓驅(qū)動系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，解決了粒距無極調(diào)節(jié)問題。設(shè)計的株距動態(tài)自適應(yīng)系統(tǒng)，能保證株距不隨拖拉機行駛速度的變化而改變。田間試驗表明：在秸稈覆蓋量大于40%條件下，基于液壓馬達集中驅(qū)動排種的玉米免耕播種機通過性良好，在作業(yè)速度≤4km/h的條件下，播種粒距合格率均不小于95%，播種深度、施肥深度及種肥間距合格率分別為88.82%、90.32%、90.17%，鄰接行距誤差為2.8cm，符合設(shè)計要求。

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