節(jié)能環(huán)保型小麥精準(zhǔn)施肥播種機(jī)設(shè)計(jì)

孫友誼 朱雪峰 劉炳雷

摘 要 小麥機(jī)械化播種過(guò)程中，拖拉機(jī)車輪對(duì)土壤的碾壓會(huì)導(dǎo)致種子播種深度差異較大，嚴(yán)重影響小麥的發(fā)芽率和成活率，從而降低小麥產(chǎn)量。針對(duì)此問題，設(shè)計(jì)了一種具有局部旋耕、土壤整平、肥料與種子深度和下播量有機(jī)協(xié)同且實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的小麥精準(zhǔn)施肥播種機(jī)。為有效保障小麥種植的精準(zhǔn)性及有效性，該小麥精準(zhǔn)施肥播種機(jī)只對(duì)拖拉機(jī)所壓的車轍區(qū)域進(jìn)行旋耕，降低了施肥播種機(jī)的動(dòng)力需求，實(shí)現(xiàn)了旋耕節(jié)能；通過(guò)智能平地儀實(shí)現(xiàn)旋耕后的耕地平整；通過(guò)施肥播種流量與重量閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)速度與肥料、種子流動(dòng)速度的有機(jī)協(xié)同，精準(zhǔn)控制田地的施肥和播種量。

關(guān)鍵詞 小麥播種機(jī)；局部旋耕；土壤整平；精準(zhǔn)控制

中圖分類號(hào)：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.03.061

小麥產(chǎn)業(yè)發(fā)展直接關(guān)系到國(guó)家糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定，小麥的播種方式、播種質(zhì)量都對(duì)小麥產(chǎn)量有重大影響。播種機(jī)械是農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分，播種機(jī)械的播種質(zhì)量直接影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，因此研制高質(zhì)量的播種機(jī)械是加快實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迫切要求。盡管我國(guó)大部分地區(qū)早已實(shí)現(xiàn)播種機(jī)械化，但目前播種機(jī)械的播種質(zhì)量仍存在諸多問題。近幾年雖出現(xiàn)了精密播種機(jī)、精少量播種機(jī)等，但只在一定范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用，主要原因是其結(jié)構(gòu)和制造工藝復(fù)雜，整機(jī)成本高，制造和使用技術(shù)要求較高。生產(chǎn)實(shí)際中，小麥播種機(jī)僅雖可進(jìn)行條播，但未根據(jù)農(nóng)民現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)裝備和播種存在的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn)。為針對(duì)性提高播種均勻性，本文在現(xiàn)有小麥播種機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究節(jié)能環(huán)保型小麥精準(zhǔn)施肥播種機(jī)。

1 ?整機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要從功能方向和技術(shù)方向進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。1）功能方向。施肥播種機(jī)圍繞旋耕、施肥、播種等功能，實(shí)現(xiàn)車轍旋耕系統(tǒng)的節(jié)能、施肥量和播種量的閉環(huán)控制、施肥和播種深度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)、施肥與播種過(guò)程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能監(jiān)控。2）技術(shù)方向。圍繞提高播種質(zhì)量和規(guī)范化種植水平，以精準(zhǔn)播種、定向施肥、智能高速為主要目標(biāo)，研發(fā)小麥智能化多功能播種機(jī)械，實(shí)現(xiàn)種肥分施、同步鎮(zhèn)壓等一體化作業(yè)，具備作業(yè)信息采集傳輸、播種質(zhì)量智能監(jiān)控等功能。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 ?車轍旋耕系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

中小馬力拖拉機(jī)牽引的播種機(jī)無(wú)旋耕部分，拖拉機(jī)的兩輪車轍壓實(shí)土壤導(dǎo)致車轍區(qū)域內(nèi)播下的種子不能滿足播種深度要求，甚至種子未播到土壤中。由于采用拖拉機(jī)帶動(dòng)施肥播種機(jī)工作，拖拉機(jī)車轍處的土壤比其他位置土壤低且堅(jiān)硬，因此若不進(jìn)行旋耕，將會(huì)嚴(yán)重影響小麥的發(fā)芽和產(chǎn)量。車轍旋耕系統(tǒng)由拖拉機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)軸、減速機(jī)減速帶動(dòng)旋耕軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋耕軸上兩側(cè)各裝有多把旋耕刀。旋耕軸是旋耕車轍的關(guān)鍵部件，采用三維仿真和平衡試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定旋耕軸的技術(shù)參數(shù)，確保旋耕軸徑向跳動(dòng)最小，使車轍旋耕后達(dá)到與之前旋耕機(jī)旋耕土壤的高度和松軟程度一致。

1.2 ?施肥量和播種量的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)施肥播種機(jī)上的種子和肥料下落是以鎮(zhèn)壓輥的轉(zhuǎn)動(dòng)為動(dòng)力，通過(guò)鏈傳動(dòng)分別帶動(dòng)播種軸和施肥軸，播種軸和施肥軸上分別裝有若干個(gè)槽輪，在槽輪上分別對(duì)應(yīng)裝有播種盒和施肥盒，播種盒和施肥盒分別成一排裝在種子箱和肥料箱下方，播種軸和施肥軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)槽輪分別撥動(dòng)種子和肥料沿管道下落到土壤中。由于鎮(zhèn)壓輥的轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)的行走速度有關(guān)，所以播種量和施肥量基本上不能調(diào)整。

小麥?zhǔn)┓什シN機(jī)擬采用兩臺(tái)伺服電機(jī)分別帶動(dòng)播種軸和施肥軸，播種軸和施肥軸上的槽輪分別撥動(dòng)播種盒中的種子和施肥盒中的肥料下落入土壤，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速可與施肥播種機(jī)行走速度協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)播種和施肥的速度控制。擬在播種盒與施肥盒上安裝稱重裝置，計(jì)量播種盒與施肥盒內(nèi)的種子與肥料重量，與施肥和播種伺服系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建施肥與播種過(guò)程的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1.3 ?施肥和播種深度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

小麥播種深度和施肥深度根據(jù)土壤的條件不同需要調(diào)節(jié)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的小麥?zhǔn)┓什シN機(jī)的播種橫梁和施肥橫梁采用液壓缸升降調(diào)節(jié)高低，需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維仿真，確定液壓缸的作用力，精確控制播種深度和施肥深度。

1.4 ?施肥與播種過(guò)程的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智能監(jiān)控設(shè)計(jì)

施肥播種機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)包括施肥播種狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)。1）施肥播種狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)采集伺服電機(jī)運(yùn)行速度、播種機(jī)行走速度、播種盒與施肥盒重量等信息，形成施肥播種機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)施肥播種的距離、播種面積和每

667 m2播種量等參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。2）施肥播種過(guò)程控制系統(tǒng)。通過(guò)過(guò)程控制系統(tǒng)界面，可對(duì)施肥播種過(guò)程參數(shù)（施肥量、播種量和施肥播種深度等）進(jìn)行設(shè)定，提高施肥播種機(jī)運(yùn)行過(guò)程控制的自動(dòng)化、數(shù)字化與智能化。

2 ?整機(jī)主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 ?節(jié)能車轍旋耕系統(tǒng)

1）拖拉機(jī)動(dòng)力連接裝置及減速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。動(dòng)力連接裝置按輸入扭矩設(shè)計(jì)計(jì)算四方軸和十字滾軸軸徑尺寸。2）旋耕軸的設(shè)計(jì)開發(fā)。根據(jù)旋耕刀旋耕阻力設(shè)計(jì)計(jì)算旋耕刀軸參數(shù)。3）旋耕系統(tǒng)的動(dòng)平衡研究。對(duì)旋耕刀和旋耕刀軸外形和結(jié)構(gòu)動(dòng)平衡動(dòng)態(tài)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。4）旋耕刀的選用。動(dòng)態(tài)仿真模擬不同形狀和規(guī)格的旋耕刀對(duì)土壤的破碎率。

2.2 ?施肥量和播種量閉環(huán)控制系統(tǒng)

1）施肥和播種流量的閉環(huán)控制研究。設(shè)計(jì)施肥口和播種口流量檢測(cè)裝置，檢測(cè)數(shù)據(jù)低于或高于設(shè)定值自動(dòng)報(bào)警并顯示流量值。2）每667 m2施肥量、播種量的控制研究。設(shè)計(jì)播種機(jī)行走速度和施肥、播種電機(jī)自匹配控制。

2.3 ?施肥和播種深度自適應(yīng)調(diào)節(jié)

1）小麥播種平地儀的設(shè)計(jì)開發(fā)。設(shè)計(jì)土壤平整機(jī)構(gòu)和檢測(cè)系統(tǒng)，局部平整率在95%以上。2）基于地況信息的施肥和播種深度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)研究。在各個(gè)施肥和播種器安裝高度檢測(cè)儀，液壓系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)整施肥和播種。3）基于施肥與播種深度精準(zhǔn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的電-液系統(tǒng)研究。將高度檢測(cè)儀反饋的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電控?cái)?shù)據(jù)，控制液壓系統(tǒng)調(diào)整高度。

2.4 ?施肥播種機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)

1）施肥與播種的數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，每667 m2施肥量、播種量、施肥深度、播種深度存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。2）播種機(jī)人機(jī)交互界面的開發(fā)。開發(fā)液晶觸摸顯示屏，各數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)調(diào)整。3）施肥與播種參數(shù)的調(diào)控及運(yùn)用。通過(guò)顯示屏調(diào)整施肥與播種參數(shù)。

2.5 ?整機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

小麥播種機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

3 ?旋耕結(jié)構(gòu)離散元仿真分析

3.1 ?旋耕結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)實(shí)土壤物理性質(zhì)和研究數(shù)據(jù)成果，建立顆粒模型參數(shù)值并使其接近土壤的現(xiàn)實(shí)狀況是保證仿真分析準(zhǔn)確性的必要條件。本項(xiàng)目所用土壤的各物理指標(biāo)包括：魯中地區(qū)的壤土，土壤的泊松比0.3、土壤密度2 650 kg·m-3、土壤剪切模量1 MPa、土壤顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)0.6、土壤顆粒間的靜摩擦系數(shù)0.33、土壤顆粒的動(dòng)摩擦系數(shù)0.14。

旋耕刀材料采用45號(hào)鍛鋼調(diào)制處理，其耐磨性、剛度、強(qiáng)度等均能滿足要求。旋耕刀密度7 850 kg·m-3、剪切模量7.85×1010 Pa、泊松比0.28。旋耕刀與土壤靜摩擦系數(shù)0.3、旋耕刀與土壤動(dòng)摩擦系數(shù)0.13、土壤顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)0.54。

整機(jī)作業(yè)速度5～6 km·h-1時(shí)作業(yè)效果最佳，超過(guò)6 km·h-1屬于高速播種機(jī)，播種效果受慣性和振動(dòng)影響較大。按照作業(yè)速度1.67 m·s-1，旋耕刀軸轉(zhuǎn)速為1 600 r·min-1，旋耕刀采用旋耕刀21（旋耕刀安裝中心刀前尖距離210 mm），相鄰兩排旋耕刀間距為100 mm設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)際的旋耕刀軸和旋耕刀結(jié)構(gòu)見圖2。

3.2 ?仿真分析

旋耕機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真如圖3所示。旋耕結(jié)構(gòu)總體寬度1 800 mm，分為左右旋耕結(jié)構(gòu)，各旋耕寬幅500 mm，旋耕深度190 mm，仿真在2 000 mm×1 200 mm×300 mm的虛擬土壤中進(jìn)行，生成520 021個(gè)顆粒和128 293個(gè)bonds鍵，時(shí)間為2.2 s。旋耕后bonds鍵破壞數(shù)量為110 021個(gè)。碎土率=fB1/B2=0.96×110 021/128 293=82.33%，其中，f為bonds鍵破壞相對(duì)土壤破壞的比例系數(shù)；B1為bonds的破壞數(shù)量；B2為bonds總數(shù)量；bonds鍵為顆粒相互黏結(jié)生成的黏結(jié)鍵。根據(jù)旋耕機(jī)整機(jī)驗(yàn)收，參數(shù)滿足其要求。

4 ?結(jié)論

1）針對(duì)拖拉機(jī)車輪壓實(shí)土壤問題，設(shè)計(jì)研究車轍土壤旋耕裝置，解決施肥、播種深度不均勻問題，提高小麥出苗率與單位面積產(chǎn)量，同時(shí)降低拖動(dòng)系統(tǒng)的功率，達(dá)到小麥播種農(nóng)藝要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

2）施肥、播種流量與施肥播種機(jī)行走速度相結(jié)合，構(gòu)建施肥、播種過(guò)程的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)播種量和施肥量的精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)小麥播種和施肥精細(xì)化。

3）基于土壤平整條件，研發(fā)小麥?zhǔn)┓什シN機(jī)的播種橫梁和施肥橫梁的自適應(yīng)電-液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確控制施肥和播種深度。

4）通過(guò)對(duì)施肥與播種過(guò)程參數(shù)控制與數(shù)據(jù)采集，構(gòu)建施肥播種機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施肥和播種過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化及智能化。

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（責(zé)任編輯：張春雨 ?丁志祥）