大豆變量施肥播種機(jī)設(shè)計與試驗

趙文罡++李洪剛++趙新天++吳尚華++王海龍

摘要：針對東北壟作區(qū)大豆機(jī)械化種植的農(nóng)藝要求，優(yōu)化組合大豆“壟三”栽培等多項農(nóng)藝措施，設(shè)計了一種大豆變量施肥播種機(jī)，該機(jī)適用于大豆壟上栽培技術(shù)，可實現(xiàn)變量深施肥、高速氣吸精密播種、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)，為大豆規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化和機(jī)械化生產(chǎn)提供技術(shù)裝備支撐。本文重點介紹了該播種機(jī)的構(gòu)成、工作原理和主要機(jī)構(gòu)，并對該機(jī)的播種性能進(jìn)行了田間試驗。結(jié)果表明：該機(jī)各項性能指標(biāo)均滿足大豆精量播種的技術(shù)要求，具有良好的工作性能和適應(yīng)性，旨在為東北地區(qū)大豆精量播種機(jī)技術(shù)的改進(jìn)和研發(fā)方向提供參考。

關(guān)鍵詞：大豆；精量播種；設(shè)計；試驗

中圖分類號： S224.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.21.023

東北是我國大豆的主要產(chǎn)區(qū)之一，也是我國五大主產(chǎn)區(qū)中種植面積最大、產(chǎn)量最高的地區(qū)，其年種植面積和年產(chǎn)量均占全國的40%以上。東北壟作區(qū)的大豆種植模式主要有兩種：“壟三”栽培技術(shù)及其改進(jìn)栽培技術(shù)、大壟密植栽培技術(shù)。部分地區(qū)還采用了小壟密植栽培技術(shù)和大豆機(jī)械化覆膜栽培技術(shù)。近年來，我國大豆產(chǎn)品面臨國際市場競爭的嚴(yán)峻形式，受材料及人工成本不斷上漲的影響，大豆種植面積不斷減少、年產(chǎn)量連續(xù)下降、產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢日益惡化，因此提高大豆單產(chǎn)水平、培育高品質(zhì)品種、降低生產(chǎn)成本是確保大豆安全生產(chǎn)的有效途徑。在國外大豆種植基本實現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械化的情況下，國內(nèi)仍依賴進(jìn)口機(jī)具及小型機(jī)械化為主的方式，導(dǎo)致我國大豆生產(chǎn)成本居高不下。實現(xiàn)高效機(jī)械化生產(chǎn)成為我國大豆行業(yè)提升競爭力，走出低谷的有效途徑之一。

國外的播種機(jī)普遍使用精密壓鑄加工、液壓控制、電子監(jiān)測等先進(jìn)技術(shù)以及新型材料，國內(nèi)則應(yīng)用較少。國內(nèi)研發(fā)的播種機(jī)多以小型機(jī)為主，而大型機(jī)多為改裝機(jī)，通常缺少液壓、光電、通訊等技術(shù)綜合應(yīng)用，高端技術(shù)含量較低。綜合對比，我國大豆播種機(jī)具技術(shù)及產(chǎn)品水平和發(fā)達(dá)國家相比較落后。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

1.1播種機(jī)的總體結(jié)構(gòu)

該機(jī)主要由機(jī)架、地輪、風(fēng)機(jī)總成、平行四桿仿形機(jī)構(gòu)、變量施肥系統(tǒng)、氣吸式精密排種器，施肥鏟、開溝器、覆土鎮(zhèn)壓組合、劃印器等組成。主梁采用三點式懸掛機(jī)構(gòu)，在主梁兩側(cè)對稱安裝兩個傳動地輪，每個傳動地輪帶動各自排種器轉(zhuǎn)動，整機(jī)作業(yè)時可一次完成開溝、分成深施肥（變量施肥）、精密播種（漏播監(jiān)測）、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)。整機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

1.2工作原理

機(jī)組工作時，施肥開溝器進(jìn)行開溝，由步進(jìn)電機(jī)通過鏈條驅(qū)動排肥軸轉(zhuǎn)動，排肥盒排下的肥料經(jīng)排肥管施到土壤中，實現(xiàn)變量深施肥；地輪轉(zhuǎn)動并且通過鏈輪、鏈條驅(qū)動排種器轉(zhuǎn)動，同時播種開溝器開溝，在風(fēng)機(jī)的作用下氣吸式排種器排出的種子經(jīng)導(dǎo)種管進(jìn)入種溝內(nèi)（漏播監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測報警），經(jīng)覆土鎮(zhèn)壓組合部件將種子掩埋并壓實。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計與分析

2.1氣吸式排種器設(shè)計

精密排種器作為精密播種機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其工作性能的優(yōu)劣直接影響到播種質(zhì)量。通過改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計，研制了一種氣吸式排種器，主要由氣室殼體、排種盤、充排種器蓋、吸風(fēng)口和清種裝置等組成。是利用氣室的負(fù)壓產(chǎn)生吸附力將種子吸附到排種盤上工作的。氣室殼體與排種圓盤配合形成真空氣室，氣室邊緣安裝有密封圈，防止漏氣。排種盤是垂直的圓盤，盤上開有氣流通道孔。為了防止種子出現(xiàn)架空現(xiàn)象，設(shè)有攪種輪，來促進(jìn)充種室內(nèi)種子的擾動，以提高種子的囊種率，從而降低漏播率。通過清種裝置可以實現(xiàn)精密播種的單粒播種需求，見圖2。

2.2變量施肥系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計了變量施肥系統(tǒng)（如圖3）所示，系統(tǒng)由DGPS、處方數(shù)據(jù)庫、CAN通信電路、微控制器、速度傳感器、電機(jī)驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)等組成。工作時，控制器基于航位推算的方法獲得地塊位置識別信息，讀取預(yù)存儲地塊的處方信息，控制器同時接收測速傳感器的信息，根據(jù)施肥量控制公式，輸出脈沖給電機(jī)驅(qū)動器，電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)通過鏈條驅(qū)動排肥軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)變量施肥。同時，微控制器將機(jī)具作業(yè)速度、地塊編號和施肥量等信息通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控終端。

變量施肥監(jiān)測軟件界面（如圖4）所示，界面左側(cè)顯示當(dāng)前機(jī)具所在網(wǎng)格的編號、作業(yè)的面積、工作時間和當(dāng)前時間等信息，中間顯示當(dāng)前機(jī)具的作業(yè)速度、排肥軸的轉(zhuǎn)速、施肥量和施肥量歷史曲線信息。當(dāng)監(jiān)控終端收到信息時，指示燈閃爍，指示監(jiān)控終端的通信狀態(tài)。暫停按鈕用于暫停變量施肥作業(yè)，用于機(jī)具在地頭轉(zhuǎn)向等特殊情況。

2.3漏播監(jiān)測系統(tǒng)

設(shè)計了精密播種機(jī)工作狀況實時監(jiān)測系統(tǒng)，種箱中的大豆種子由排種器排出，落入輸種管，經(jīng)由開溝器落入種床完成播種。種箱料位監(jiān)測傳感器安裝在種箱底部，輸種管種子流監(jiān)測傳感器安裝在輸種管中上部，開溝器堵塞監(jiān)測傳感器安裝在開溝器上部，見圖5。

3 田間試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗地條件

2016年5月10日，在黑龍江省勃利縣試驗示范基地，進(jìn)行該機(jī)的田間試驗（如圖6）。選取具有代表性的地塊，土壤類型為黑壤土，土壤含水率為25%，墑情適宜，前茬作物為玉米，地面根茬經(jīng)過粉碎處理并起壟，達(dá)到無殘茬、無漏耕，平整細(xì)碎，達(dá)到待播狀態(tài)。試驗樣機(jī)由黑龍江省勃農(nóng)興達(dá)機(jī)械有限公司生產(chǎn)，各項性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，通過出廠檢驗。

3.2 試驗方法

依據(jù)GB /T 6973-2005《單粒（精密） 播種機(jī)試驗方法》進(jìn)行試驗，播種前先對播種機(jī)的排種量、株距、行距、播種深度、施肥深度等進(jìn)行調(diào)整，調(diào)試之后，拖拉機(jī)以前進(jìn)速度為2.0m.s-1（7.2km/.h）工況下進(jìn)行播種試驗，對變量施肥播種機(jī)的相關(guān)性能進(jìn)行了檢測，檢測內(nèi)容主要包括播種性能，施肥一致性及變量施肥控制精度，漏播報警檢測精度等。

3.3試驗結(jié)果分析

將試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算播種性能（粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、播種深度合格率）、排肥性能、電子檢測性能，見表1。

由表1可見，大豆變量施肥播種機(jī)的粒距合格指數(shù)86.82%，漏播指數(shù)8.86%，播種深度合格率92.44%，各行排肥量一致性變異系數(shù)4.80%，變量施肥控制精度97.32%，可精準(zhǔn)控制施肥量，滿足排肥性能要求，漏播報警監(jiān)測精度98.52%，說明該播種機(jī)具有良好的播種均勻性，具有良好的工作性能和適應(yīng)性，各項性能指標(biāo)均達(dá)到了國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4結(jié)論

針對東北壟作區(qū)大豆機(jī)械化種植的農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種大豆變量施肥播種機(jī)，該機(jī)適用于大豆壟上栽培技術(shù)，可一次進(jìn)地實現(xiàn)變量施肥、壟上精密播種（電子漏播檢測）、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)，為大豆規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化和機(jī)械化生產(chǎn)提供技術(shù)裝備支撐。

設(shè)計的單腔雙盤氣吸式排種器，可實現(xiàn)單壟雙條播的方式；設(shè)計的變量施肥系統(tǒng)，可根據(jù)處方圖按需變量施肥，達(dá)到節(jié)能減排的目的；設(shè)計的漏播監(jiān)測系統(tǒng)，可在播種時對播種狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測及報警，保證了機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量。

通過樣機(jī)的田間性能試驗，測試結(jié)果表明，所設(shè)計的大豆變量施肥播種機(jī)，作業(yè)質(zhì)量符合中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《單粒（精密）播種機(jī)試驗方法》的規(guī)定，能夠滿足東北壟作區(qū)大豆機(jī)械化種植的農(nóng)藝要求，確保了粒距均勻性和播深一致性，且變量施肥控制精度準(zhǔn)確，漏播報警檢測精度高。旨在為東北地區(qū)大豆精量播種機(jī)技術(shù)的改進(jìn)和研發(fā)方向提供參考。

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作者簡介：趙文罡，助理研究員，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化及自動化。endprint