精準(zhǔn)播種機(jī)部件調(diào)整改良設(shè)計(jì)應(yīng)用

白玉翠

（晉中市太谷區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西晉中 030800）

1 精準(zhǔn)播種技術(shù)背景

早在20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)就開始精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用研究，但因國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)的特殊性及農(nóng)業(yè)技術(shù)較低的因素，難以大面積應(yīng)用推廣。2013年，隨德國(guó)工業(yè)4.0概念的提出，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)4.0也隨著提出。在技術(shù)的成熟與成本下降，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)面臨人力不足、農(nóng)田灌溉浪費(fèi)與缺水并存、農(nóng)業(yè)科技投入不足且農(nóng)業(yè)耕作粗放的背景下，“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”也成為國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的風(fēng)向。

以精準(zhǔn)播種機(jī)為主導(dǎo)的精準(zhǔn)播種技術(shù)，是一項(xiàng)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的技術(shù)，農(nóng)藝是根據(jù)品種特性、土壤肥力、墑情以及播期等情況確定適宜的播種密度、適宜的株距、行距、播深等技術(shù)指標(biāo)，農(nóng)機(jī)是按照上述技術(shù)指標(biāo)將種子播種到土壤中預(yù)定的位置，精密播種技術(shù)的目標(biāo)是追求壯個(gè)體、大群體與環(huán)境條件（水、肥、溫、光、氣）的和諧統(tǒng)一，充分發(fā)揮品種本身的增產(chǎn)優(yōu)勢(shì)和充分高效利用環(huán)境條件，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效的目標(biāo)。

2 精準(zhǔn)播種多見問(wèn)題

為達(dá)到精準(zhǔn)播種要求，當(dāng)前國(guó)內(nèi)主推的精準(zhǔn)播種器，主要有機(jī)械式和氣力式。

機(jī)械式排種器，有水平圓盤式、錐盤式、復(fù)合圓盤式等幾種。作業(yè)原理，通過(guò)孔盤將種子帶入孔種，同時(shí)借助刮種板將多余種子去除，達(dá)到排種數(shù)量精確，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)排種。

氣力式排種器，有氣吸式、氣壓式、氣吹式等幾種。作業(yè)原理，以負(fù)壓為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種。

兩種作業(yè)機(jī)械比較，機(jī)械式由于使用機(jī)械排種器，不可避免會(huì)損傷種子，影響播種效益。氣力式以負(fù)壓吸力獲取種子，減少種子損傷。同時(shí)，播種速率要高。但是，機(jī)械式排種器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、維護(hù)成本不高，而氣力式在使用成本上更高，由此在國(guó)內(nèi)農(nóng)村地區(qū)機(jī)械式排種器用于精準(zhǔn)播種較氣力式應(yīng)用面更廣。而暴露出來(lái)的開種溝不深、蓋土不嚴(yán)、傷種降低出苗率、出種不均等問(wèn)題，更是被民眾所詬病。如何對(duì)精準(zhǔn)播種機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行調(diào)整改良，以確保好的播種效益成為民眾普遍關(guān)心的熱點(diǎn)話題。

3 精準(zhǔn)播種機(jī)部件調(diào)整改良設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 改良設(shè)計(jì)原理

考慮到精準(zhǔn)播種人工輸出大，作業(yè)效率低，為此對(duì)精準(zhǔn)播種機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行改良調(diào)整。改良后的播種機(jī)，一次性完成鎮(zhèn)壓出寬苗帶、精量化播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥的單粒精準(zhǔn)播種（圖1）。

展現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)為：體型小，操作簡(jiǎn)便，適合山地作業(yè)，滿足不同耕種地農(nóng)藝要求。裝配專用排種裝置，落種點(diǎn)較低，避免種子反彈的情況。裝配電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，以控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)速度的控制，并最終以速度實(shí)現(xiàn)對(duì)播種粒距的調(diào)整，確保播種的等粒距。適用旋耕平整地，鎮(zhèn)壓平土，利于營(yíng)造好的種床環(huán)境。配合旋耕機(jī)，可用于大田作業(yè)，對(duì)不同地形農(nóng)機(jī)化發(fā)展意義顯著。

3.2 機(jī)具重要部件構(gòu)成

改良后的精準(zhǔn)播種機(jī)，主要有這幾部分：機(jī)架、排種器、壓土輪、電池、手柄、鎮(zhèn)壓器、覆土器、毛刷、控制器、坐墊、編碼器、掛土板等等。

整機(jī)機(jī)架是支撐，前端是壓土輪，地表壓種床播種。中間是排種器，連接步進(jìn)電機(jī)，同步排種。后方，為蓄電池、電機(jī)、控制器等等。毛刷與排種輪連接，同步清掃排種輪，確保表面清潔。覆土裝置、鎮(zhèn)壓輪在后端，負(fù)責(zé)覆土和鎮(zhèn)壓。編碼器連接壓土輪，控制器控制機(jī)械作業(yè)速度。手柄在覆土裝置與蓄電池之間，通過(guò)螺絲與機(jī)架相相連，可根據(jù)作業(yè)人需求調(diào)整高度。

3.3 關(guān)鍵部件的調(diào)整改良

3.3.1 排種裝置。排鐘裝置是精準(zhǔn)播種機(jī)核心部件，其改良設(shè)計(jì)好壞，直接關(guān)系著床、出苗、分蘗等等，關(guān)乎后期產(chǎn)量和品質(zhì)。根據(jù)精準(zhǔn)播種的要求，種子種溝分布均勻、深淺一致、等距排列、覆土良好，適用大小面積作業(yè)。滿足這樣的要求，改良后的排種器，由種箱、排種輪、輪軸等幾部分組成。

種子精準(zhǔn)落種，包括：充種、攜種、投放等幾個(gè)過(guò)程。排種總箱內(nèi)的種子，依靠滾動(dòng)自由落體進(jìn)入窩眼，每窩眼內(nèi)保證要有一粒種子，完成充種。攜種區(qū)，要保證不提前落種。待種子到達(dá)投種位置，靠自重落進(jìn)種床，完成投種。

1）種箱。改良種箱結(jié)構(gòu)，由：側(cè)板、刮種板、護(hù)種板、毛刷、固定板、螺栓等幾部分組成。整個(gè)種箱，由不銹鋼側(cè)板焊接彎曲包裹而成。種箱下端，焊接呈月牙彎狀護(hù)種板，兩側(cè)焊接有底側(cè)板。種箱與護(hù)種板之間焊接處，開有弧形孔，與排種輪密切配合，完成充種工作。種箱中間，黏有帶彈性的刮種板。刮種板與排種輪留有間隙，復(fù)雜完成對(duì)下落種子的第一次清理。底側(cè)板中間焊有固定板，種箱前端用螺栓固定清種毛刷，負(fù)責(zé)第二次清種。

2）排種輪。排鐘輪設(shè)計(jì)尺寸大小、形狀，對(duì)種子排種填充性能影響較大。實(shí)際作業(yè)期間，排種輪接納種子的尺寸大小，在一定范圍內(nèi)變化。排種過(guò)程中，種子呈現(xiàn)的狀態(tài)也不固定，有“平臥”、“側(cè)臥”、“豎立”等幾種狀態(tài)。為提升排種速率，排種輪上的種槽都應(yīng)有一定的余量。同時(shí)，這樣也便于保護(hù)種子，避免清種期間有傷種。

考慮到大排種的需要，降低排種下落對(duì)毛刷的沖擊力，改良用彈性的擋板進(jìn)行第一次刮種，而后裝置有毛刷進(jìn)行二次清種，這樣能確保每孔有單粒種。此外，考慮到轉(zhuǎn)速、曲率對(duì)充種的影響，排種輪用密集型、單排大直徑的孔型。

3.3.2 壓土輪、鎮(zhèn)壓輪。在旋耕平整地播種，土質(zhì)疏松、平整起伏小，種子著床有彈跳的可能。改良的措施，前端壓土輪，替代用較重的鐵輪，以壓出寬深的苗帶，利于平穩(wěn)著床。同時(shí)，在輪表面焊有鋼筋，以防表面行走打滑。

鎮(zhèn)壓輪的作用，用于覆土、壓實(shí)，確保種子充分接觸土壤，保證高出苗率。由此鎮(zhèn)壓輪使用與壓土輪同樣的鐵輪，不僅碎土力強(qiáng)、不粘土，而且有整地作用，鎮(zhèn)壓后土壤上松下緊。

3.3.3 覆土裝置。開溝播種，及時(shí)覆土，避免出現(xiàn)涼種，防止有水分散失，而影響出苗率。覆土板為覆土裝置關(guān)鍵部件，能較好的控制覆土量。覆土板以鈑金制作，兩側(cè)各一呈對(duì)稱狀，后端最窄處為苗帶寬，左右開口呈梯形裝置。中間間距大小，可通過(guò)調(diào)整螺栓來(lái)控制。

3.3.4 編碼器和電機(jī)。編碼器以數(shù)字量輸出形成電脈沖，控制轉(zhuǎn)動(dòng)軸的角位移、角速度等等。編碼器與壓土輪軸連接，用于測(cè)得實(shí)際速度，進(jìn)而控制精準(zhǔn)播種行距。步進(jìn)電機(jī)，是一種高精度的執(zhí)行元件，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為步距角，其旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。因此，可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

3.3.5 控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)，由控制器、編碼器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、蓄電池等構(gòu)成?？刂破?，選用反應(yīng)敏捷，數(shù)據(jù)處理強(qiáng)的XC3S500主控芯片。芯片有16路數(shù)字量通用輸入輸出端口，8路模擬量輸入，4路模擬量輸出，4路繼電器輸出，8路PWM輸出，基本滿足各地形電機(jī)控制需求。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的控制，以PWM脈寬調(diào)制，通過(guò)電機(jī)輸入占空比控制電機(jī)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。由此，在精量播種作業(yè)期間，根據(jù)事先定好的播種粒距，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整機(jī)具前進(jìn)速度以控制輪軸轉(zhuǎn)速，起到精準(zhǔn)播種的目的。

4 室內(nèi)試驗(yàn)效果

實(shí)踐是檢驗(yàn)改良成果的最佳方式，田間精準(zhǔn)播種時(shí)間，受育種周期、時(shí)令季節(jié)限制，隨時(shí)隨地對(duì)農(nóng)機(jī)性能測(cè)試不方便。由此，播種機(jī)性能檢測(cè)方面，選在可控外界環(huán)境的設(shè)施大棚內(nèi)。試驗(yàn)前，用旋耕機(jī)對(duì)試驗(yàn)田旋耕，選種簡(jiǎn)單去雜后，安排播種試驗(yàn)。通過(guò)結(jié)果來(lái)看，該機(jī)型能一次性完成平土、單粒播種及覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)，同時(shí)，還能通過(guò)行走控制排種輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)等距播種的目的。

5 改進(jìn)設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)論與建議

1）改進(jìn)后的精準(zhǔn)播種機(jī)，可直接用于旋耕土地上播種，一次性完成整地、少量播種、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)流程。同時(shí)，該改良機(jī)具，體型小，操作簡(jiǎn)便，適合山地作業(yè)，滿足不同耕種地農(nóng)藝要求，尤其適合未來(lái)大田單粒播種的推廣應(yīng)用。

2）機(jī)具配用電動(dòng)控制裝置，通過(guò)前進(jìn)速度的控制調(diào)整轉(zhuǎn)軸速度，最終以速度實(shí)現(xiàn)對(duì)播種粒距的調(diào)整，確保播種的等粒距，大大提升精密播種的智能化機(jī)械化水平。

3）后期的推廣試驗(yàn)中，有加配懸掛裝置，將其配用在旋耕機(jī)上，這樣組合的多行距單粒播種機(jī)，大大提升大田播種作業(yè)效率。

4）目前該單粒精密播種機(jī)械僅適用于小規(guī)模農(nóng)田試驗(yàn)，影響作業(yè)效果的因素還需多方面取證，以不斷完善農(nóng)機(jī)具作業(yè)效率，確保能早日得到推廣應(yīng)用。