王萍，康建明，康英杰，徐文藝，向陽(yáng), 4，張亮

(1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，濟(jì)南市，250100； 2. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100； 3. 招遠(yuǎn)市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，山東煙臺(tái)，265400； 4. 山東理工大學(xué)，山東淄博，255000； 5. 青島特殊鋼鐵有限公司，山東青島，266413)

0 引言

我國(guó)是花生生產(chǎn)大國(guó)，高效合理地種植花生對(duì)提高花生產(chǎn)量意義重大[1]。種植過(guò)程中花生播種深度過(guò)淺或過(guò)深都會(huì)減少出苗率，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，故研制更加精密的播種機(jī)械是提高機(jī)械化種植產(chǎn)量的關(guān)鍵[2-3]。目前，我國(guó)花生播種機(jī)械種類(lèi)較多，市面上播種機(jī)功能差異明顯，并且普遍存在播深合格率低的問(wèn)題[4-7]。在播種深度控制領(lǐng)域，播深調(diào)節(jié)可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式，大多公司采用限深輪等被動(dòng)裝置限制播種深度[8]。在自動(dòng)化、智能化等技術(shù)方面，二十世紀(jì)末期國(guó)外農(nóng)機(jī)企業(yè)就有借助超聲波探測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表情況和種溝深度，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋將信號(hào)傳輸至驅(qū)動(dòng)電子深度控制器，并控制液壓系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整[9]；Weatherly等[10]研制了一種犁頭深度可控系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)土壤含水率進(jìn)行液壓調(diào)控，匹配至合適的入土深度。國(guó)內(nèi)播種機(jī)播深控制裝置主要運(yùn)用液壓桿或電動(dòng)推桿無(wú)級(jí)伸縮來(lái)保證播深精準(zhǔn)度，李玉環(huán)等[11]針對(duì)播種機(jī)仿形效果差等問(wèn)題，結(jié)合PLC編程控制電動(dòng)推桿，實(shí)現(xiàn)智能播深調(diào)節(jié)；白慧娟等[12]對(duì)播深控制系統(tǒng)中引入壓力、鎮(zhèn)壓力，形成閉環(huán)控制，提高了機(jī)具壓實(shí)度。總體上來(lái)說(shuō)我國(guó)播深控制相關(guān)設(shè)備有一定研究，但機(jī)具在作業(yè)過(guò)程中性能不夠穩(wěn)定。

由于種子播種深度受土壤含水率影響較大[13]，本文設(shè)計(jì)了花生穴播器播深調(diào)節(jié)裝置運(yùn)用土壤含水率采集系統(tǒng)和播深實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)對(duì)推桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而改變播種深度，實(shí)現(xiàn)播種深度與土壤含水率相對(duì)應(yīng)。

1 播深控制裝置與工作原理

花生種子播種深度需根據(jù)土壤含水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，為保證種子播種深度與土壤含水率一一對(duì)應(yīng)，避免傳統(tǒng)機(jī)具人工調(diào)節(jié)時(shí)，穴播器靈活差、拆裝過(guò)程繁瑣等問(wèn)題，該播深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可根據(jù)土壤含水率變化實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。播深調(diào)節(jié)裝置如圖1所示，主要包括氣吸式穴播器、種箱、電動(dòng)推桿、機(jī)架、轉(zhuǎn)臂和角度傳感器等部件。其中，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，機(jī)具作業(yè)前，系統(tǒng)通過(guò)土壤含水率傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量采樣點(diǎn)的土壤含水率，結(jié)合GPS-北斗雙模定位裝置精確測(cè)量采樣點(diǎn)的坐標(biāo)，將坐標(biāo)與含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確保準(zhǔn)確測(cè)量土壤含水率的地理分布，生成田塊的含水率矩陣，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊將含水率矩陣發(fā)送到上位機(jī)，供上位機(jī)運(yùn)行下一環(huán)節(jié)。通常適合花生播種深度為3～5 cm，土壤含水率與播種深度成反比關(guān)系，選取深度約為4 cm的土壤層進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)量完成后土壤含水率實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收錄。播種過(guò)程中，結(jié)合田塊的含水率信息和轉(zhuǎn)臂角度信息傳輸至人機(jī)交換端，控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿伸縮，直至穴播器播種深度達(dá)到設(shè)定要求，實(shí)現(xiàn)播深與土壤含水率相匹配。

圖1 播深調(diào)節(jié)裝置圖

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 播深調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

2.1 播深調(diào)節(jié)推桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常種植花生深度一般為3～5 cm左右，具體適宜深度需結(jié)合當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、土壤含水率進(jìn)行調(diào)整。由于播深裝置深度調(diào)節(jié)范圍較小，因此需保證推桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡精確可控，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。電動(dòng)推桿伸縮范圍Δl為0～20 cm，旋轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度L為35 cm，機(jī)構(gòu)中旋轉(zhuǎn)臂傾角隨電動(dòng)推桿伸縮量改變而改變。

圖3 推桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

播深裝置運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示，播種裝置通過(guò)U型栓固定于機(jī)具機(jī)架，穴播器通過(guò)旋轉(zhuǎn)臂MN連于固定件，在繞自身排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)整體可繞M點(diǎn)在規(guī)定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)推桿P作為動(dòng)力輸出原件起到控制穴播器旋轉(zhuǎn)角度的作用，即調(diào)節(jié)穴播器上升和下降高度，其中穴播器原始高度為h1，調(diào)節(jié)后高度為h2。轉(zhuǎn)臂MN上裝有角度傳感器，在A點(diǎn)與電動(dòng)推桿連接，工作時(shí)角度傳感器將角度θ實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，通過(guò)角度傳感器檢測(cè)當(dāng)前的播種深度，根據(jù)事先設(shè)定好的深度—含水率規(guī)則，計(jì)算當(dāng)前位置的最佳播種深度。若當(dāng)前深度與計(jì)算出的最佳深度不匹配，則推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，改變播種深度。

圖4 播深裝置傳動(dòng)圖

設(shè)電動(dòng)推桿處于最小伸縮量時(shí)長(zhǎng)度為l0，電動(dòng)推桿初始狀態(tài)下與水平夾角為λ，工作過(guò)程旋轉(zhuǎn)角度為β，則電動(dòng)推桿非固定端豎直方向上運(yùn)動(dòng)位移計(jì)算如式(1)所示。

Δs=(l0+Δl)sin(λ+β)-l0sinλ

(1)

在電動(dòng)推桿調(diào)節(jié)穴播器高度過(guò)程中，播深調(diào)節(jié)位移QN2與轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)角度θ存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖5所示。其中N1為穴播器初始位置自轉(zhuǎn)中心，N2為調(diào)節(jié)后穴播器自轉(zhuǎn)中心間豎直距離，α為QN2與N1N2連線夾角。

圖5 播深裝置運(yùn)動(dòng)位移簡(jiǎn)圖

機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移簡(jiǎn)圖中各線段對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度關(guān)系

(2)

式中：lN1N2——穴播器旋轉(zhuǎn)中心位移，mm；

L——轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度，mm。

穴播器播深位移參數(shù)存在以下關(guān)系。

h1-h2=lN1N2cosα

(3)

(4)

(5)

式中：lMA——轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)中心與電動(dòng)推桿連接點(diǎn)間距離，mm;

Δh——穴播器高度變化量，mm。

合并式(1)、式(4)、式(5)可得

(6)

2.2 排種裝置

花生排種裝置選用氣吸式精量穴播器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，主要由腰帶總成、穴播器殼、中空穴播器軸、吸種盤(pán)、分種盤(pán)和鑄造擋板等組成，穴播器外直徑410 mm，腰帶直徑為360 mm。

圖6 氣吸式精量穴播器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

排種器選用負(fù)壓吸種方式，工作時(shí)，腰帶總成連接鴨嘴成穴器接觸土壤轉(zhuǎn)動(dòng)，分種盤(pán)固定于鑄造擋盤(pán)上，取種盤(pán)、分種盤(pán)、鑄造擋盤(pán)和氣吸室伴隨腰帶總成轉(zhuǎn)動(dòng)；種子進(jìn)入充種區(qū)后，在負(fù)壓作用下吸附在吸種孔上，通過(guò)分種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)將種子輸入隔氣區(qū)域，失去負(fù)壓后種子從出種口經(jīng)過(guò)種道落入鴨嘴中，穴播器滾動(dòng)過(guò)程中鴨嘴入土并自動(dòng)開(kāi)啟，種子落入土中完成播種。其中鴨嘴入土深度即為播種深度，其具體關(guān)系如式(7)所示。

(7)

式中：h——播種深度，mm；

z——鴨嘴成穴器個(gè)數(shù)，個(gè)；

d——各鴨嘴成穴器間節(jié)距，mm；

R——腰帶半徑，mm。

花生種子為單粒條播時(shí)，根據(jù)種植農(nóng)藝要求選擇株距約為70 mm，則穴播器鴨嘴成穴器個(gè)數(shù)z為9個(gè)。固定鴨嘴的設(shè)計(jì)對(duì)鋪膜播種具有重要意義[14]，花生膜上播種穴播器鴨嘴高度基本保持在50～80 mm之間，此時(shí)具有較好的成穴性能，高度超過(guò)80 mm容易出現(xiàn)掛膜現(xiàn)象，故鴨嘴高度與播種深度應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足式(8)。

l>h

如產(chǎn)品要求制備低品位鎳鐵，則鐵和鎳的還原度高達(dá)95%以上，爐渣中主要成分為SiO2和少量的MgO，在熔池熔煉條件下，配料添加石灰石將渣系轉(zhuǎn)化為CaO-MgO-SiO2三元系，提高渣的熔點(diǎn)>1 450 ℃，以實(shí)現(xiàn)鐵的充分還原，得到較高鐵回收率。典型的渣型為：CaO約40%，MgO約10%，SiO2約33%，Al2O3<15%。

(8)

式中：l——鴨嘴高度，mm。

根據(jù)式(7)、式(8)可得花生膜上穴播器鴨嘴深度為60 mm。

2.3 播深控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

播深控制系統(tǒng)硬件主要包括土壤含水率采集裝置和播深控制裝置，土壤含水率采集裝置主要由雙模衛(wèi)星定位裝置、土壤含水率傳感器、PLC控制器和電源等組成，工作過(guò)程中土壤含水率采集模塊與播深調(diào)節(jié)模塊緊密關(guān)聯(lián)。

控制程序由土壤含水率實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)模塊和播深在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)模塊組成，程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

在程序初始化后，土壤含水率采集系統(tǒng)模塊讀取已測(cè)得的田塊含水率數(shù)據(jù)，匹配出相應(yīng)的播深數(shù)據(jù)。播深在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)模塊運(yùn)行中，采用GPS和北斗進(jìn)行雙模定位，不斷接收衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，并將定位信息輸入上位機(jī)，系統(tǒng)及時(shí)反饋出播深所需數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿伸縮至滿(mǎn)足要求，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域播種深度隨土壤含水率變化而變化。

播深在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)是播深調(diào)節(jié)模塊的核心，上位機(jī)運(yùn)行界面如圖8所示，其中包括深度和播深顯示、含水率來(lái)源選擇、人工控制、定位信息顯示和通訊設(shè)置5個(gè)功能，本設(shè)計(jì)主要通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)播種時(shí)土壤含水率和初始時(shí)播種深度來(lái)設(shè)置最佳調(diào)節(jié)深度，將目標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線接口輸入至PLC控制器。

圖8 播深在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行界面

程序執(zhí)行過(guò)程中播深在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)合土壤實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前地理坐標(biāo)，插補(bǔ)出該位置的土壤含水率。同時(shí)對(duì)穴播器進(jìn)行高度調(diào)節(jié)，懸掛穴播器轉(zhuǎn)臂上的角度傳感器將轉(zhuǎn)臂角度信息傳遞至系統(tǒng)，同時(shí)把角度信息轉(zhuǎn)化為當(dāng)下播種深度信息，若不滿(mǎn)足播種深度設(shè)定要求情況，則通過(guò)播深調(diào)節(jié)算法計(jì)算出合理播種深度，最終控制器調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿伸縮量，使穴播器處于合適高度下工作，并且左右兩電動(dòng)推桿獨(dú)立控制，互不干涉。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站試驗(yàn)基地進(jìn)行了樣機(jī)田間試驗(yàn)，試驗(yàn)田土地平整，符合花生種植農(nóng)藝要求。隨機(jī)選取土地面積為20 m×5 m試驗(yàn)田，測(cè)出試驗(yàn)田土壤含水率，將土壤含水率劃分為11%～14%、14%～17%、17%～20%三個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)各部分土壤含水率所處對(duì)應(yīng)區(qū)間，種子選用花育33。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，分別對(duì)播深合格指數(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。試驗(yàn)中土壤含水率在11%～14%、14%～17%和17%～20%不同范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)播種合格深度范圍分別為4～6 mm、3.5～5.5 mm和3～5 mm。對(duì)于播種深度超出對(duì)應(yīng)范圍時(shí)，視為播種深度不合格，其中播種深度合格率計(jì)算公式如式(9)所示。

(9)

式中：n1——播種深度不合格孔穴數(shù)，個(gè)；

n——總播種孔穴數(shù)，個(gè)。

為進(jìn)一步研究播種深度合格率與土壤含水率、理論播種深度和前進(jìn)速度三者之間關(guān)系，以土壤含水率范圍、理論播種深度和前進(jìn)速度為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，各因素編碼表如表1所示。

表1 因素編碼表

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

針對(duì)響應(yīng)曲面試驗(yàn)，以播種深度合格率為試驗(yàn)指標(biāo)共設(shè)計(jì)17組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，運(yùn)用Design-Expert軟件對(duì)組合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，其中試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

由表2可知在土壤含水率范圍為14%～17%、播種深度為3.5 mm、機(jī)具前進(jìn)速度為4 km/h情況下，播種深度合格率為98.18%，此時(shí)播種深度控制效果最佳。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入Design-Expert軟件處理，方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 回歸方程方差分析

由方差分析結(jié)果可知，各試驗(yàn)因素對(duì)播深合格指數(shù)均有極其顯著影響，影響大小順序依次為土壤含水率范圍、理論播種深度、機(jī)具前進(jìn)速度。當(dāng)土壤含水率為15.83%、設(shè)置播種深度為3.18 mm、機(jī)具前進(jìn)速度為3.91 km/h時(shí)，播深合格率達(dá)到最大值為98.19%?；貧w參數(shù)P表示顯著性影響大小，P<0.01時(shí)表示差異極顯著，P<0.05表示差異顯著，通過(guò)去除試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭胁伙@著部分，可得優(yōu)化回歸方程。

y1=97.65+1.30X1-1.07X2-0.57X3-

2.39X12-0.77X22-1.79X32

(10)

經(jīng)試驗(yàn)可得，在設(shè)定理論播種深度為3.5 mm，機(jī)具前進(jìn)速度為4 km/h的情況下，播種深度合格率最高。當(dāng)設(shè)定播種深度一定時(shí)，隨機(jī)具前進(jìn)速度增加，播種深度合格率呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度一定時(shí)，隨設(shè)定播種深度增加，播種深度合格率呈現(xiàn)先增大后減少趨勢(shì)。當(dāng)設(shè)定播種深度為3.18 mm，機(jī)具前進(jìn)速度為3.91 km/h，播種深度合格率為最大值98.19%。

4 結(jié)論

1) 本文針對(duì)花生播種機(jī)作業(yè)過(guò)程中播種深度調(diào)節(jié)過(guò)程繁瑣的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)播種深度的播種裝置。裝置工作過(guò)程中及時(shí)讀取不同區(qū)域土壤含水率數(shù)據(jù)，并對(duì)穴播器高度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域土壤含水率與種子播種深度一一對(duì)應(yīng)。

2) 通過(guò)簡(jiǎn)化了播深調(diào)節(jié)裝置，對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程中推桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，得出了轉(zhuǎn)臂角度與穴播器深度間對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)計(jì)了播深在線調(diào)節(jié)軟件控制系統(tǒng)，結(jié)合播深數(shù)據(jù)對(duì)播深調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足花生種植農(nóng)藝要求。

3) 以土壤含水率范圍、理論播種深度和機(jī)具前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，播種深度合格率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。結(jié)果表明：播種深度控制過(guò)程中調(diào)節(jié)效果良好，土壤含水率范圍為14%～17%、設(shè)定播種深度為3.5 mm、機(jī)具前進(jìn)速度為4 km/h情況下，播種深度具有很好的一致性。當(dāng)土壤含水率為15.83%，設(shè)定播種深度為3.18 mm，機(jī)具前進(jìn)速度為3.91 km/h時(shí)，播種深度合格率為最大值98.19%。