大豆免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

(長(zhǎng)春市九臺(tái)區(qū)其塔木鎮(zhèn)綜合服務(wù)中心,長(zhǎng)春 130500)

0 引言

大豆是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一,作為重要的蛋白質(zhì)來(lái)源,大豆在保障國(guó)家糧食安全和人民群眾營(yíng)養(yǎng)需求方面發(fā)揮著重要作用[1-3]。同時(shí),大豆還是生產(chǎn)豆腐、豆?jié){、豆油等食品的重要原材料,對(duì)于保障食品安全和人民群眾的日常生活也具有不可替代的重要性。

傳統(tǒng)的大豆種植方式存在很多問(wèn)題,其中最為明顯的問(wèn)題之一就是需要進(jìn)行大面積的翻耕和整地。這種傳統(tǒng)的耕作方式會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu),降低土壤肥力和生產(chǎn)力,同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致土壤侵蝕、水土流失和農(nóng)藥、化肥殘留等環(huán)境問(wèn)題[4-5]。因此,相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及學(xué)者開(kāi)始研究和開(kāi)發(fā)一種高效、環(huán)保、節(jié)能的大豆免耕播種機(jī)。大豆免耕播種機(jī)可以避免傳統(tǒng)的翻耕和整地操作,減少土壤破壞和土地資源浪費(fèi),同時(shí)還能夠提高種植效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和減少農(nóng)藥、化肥的使用,對(duì)于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。

為了解決傳統(tǒng)大豆種植方式存在的問(wèn)題,本文基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了一種具有履帶式移動(dòng)底盤和旋轉(zhuǎn)式播種器的大豆免耕播種機(jī)。該機(jī)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、作業(yè)效率高等特點(diǎn)。具體來(lái)說(shuō),該機(jī)器主要由履帶式移動(dòng)底盤、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)式播種器等部分組成。其中,履帶式移動(dòng)底盤可以在不同地形和環(huán)境下自由行駛,自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)可以保證播種精度和作業(yè)效率,旋轉(zhuǎn)式播種器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)土深直播種和肥料施用等多種功能。為推廣高效、環(huán)保、節(jié)能的大豆種植方式提供了有力的技術(shù)支持,對(duì)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化和推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

大豆免耕播種機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由履帶式移動(dòng)底盤、自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)式播種器組成。履帶式移動(dòng)底盤是整個(gè)播種機(jī)的基礎(chǔ),其底部采用履帶式結(jié)構(gòu),能夠在不同地形和環(huán)境下自由行駛,并保證播種機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性[6]。自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)通過(guò)精準(zhǔn)GPS定位和激光傳感技術(shù),實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航和作業(yè)路徑規(guī)劃。旋轉(zhuǎn)式播種器則是整個(gè)播種機(jī)的核心部件,其通過(guò)旋轉(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)無(wú)土深直播種和肥料施用等多種功能。同時(shí),該播種器還具備自動(dòng)調(diào)節(jié)種子數(shù)量、種子深度和行距等功能,可滿足不同地區(qū)、不同品種的大豆免耕播種需求。

1.2 工作原理

首先,通過(guò)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)播種機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃,并將作業(yè)區(qū)域劃分為若干個(gè)小塊。接著,播種機(jī)進(jìn)入作業(yè)區(qū)域,通過(guò)旋轉(zhuǎn)式播種器將種子和肥料直接深入土壤進(jìn)行播種。同時(shí),播種機(jī)還能根據(jù)作物需求和土壤條件進(jìn)行自動(dòng)施肥和施藥等操作。整個(gè)作業(yè)過(guò)程中,自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)不斷監(jiān)測(cè)播種機(jī)的位置和作業(yè)效果,以保證播種質(zhì)量和作業(yè)效率。最終,播種機(jī)完成了對(duì)作業(yè)區(qū)域的免耕播種操作。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)方案

2.1 履帶式移動(dòng)底盤

履帶式移動(dòng)底盤是大豆免耕播種機(jī)的重要組成部分,其設(shè)計(jì)和選型直接影響著整個(gè)播種機(jī)的性能和作業(yè)效率。為了達(dá)到最佳的性能和效果,需要對(duì)履帶式移動(dòng)底盤進(jìn)行優(yōu)化和選型。

首先,履帶式移動(dòng)底盤需要具備良好的穩(wěn)定性和可靠性,能夠在不同地形和環(huán)境下自由行駛,并保證播種機(jī)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。因此,在選型時(shí)需要考慮底盤的輪胎規(guī)格、懸掛系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)等方面的因素。一般情況下,越寬的履帶和越強(qiáng)的懸掛系統(tǒng)能夠提供更好穩(wěn)定性和平穩(wěn)性,而越強(qiáng)的動(dòng)力系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)則能夠提供更好的行駛性能和安全性。

其次,履帶式移動(dòng)底盤還需要具備良好的適應(yīng)性和可拓展性,能夠適應(yīng)不同播種環(huán)境和需求,并提供足夠的擴(kuò)展空間以便于未來(lái)的升級(jí)和改進(jìn)。在此方面,一些可調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)元素(例如懸掛高度、輪距和車體高度等)及模塊化設(shè)計(jì)能夠提高其適應(yīng)性和可拓展性。

最后,履帶式移動(dòng)底盤還需要具備較高的經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性,能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求和預(yù)算限制。在這方面,需要考慮底盤的維護(hù)和保養(yǎng)成本、易損件的可更換性和維修性,以及底盤的耐用性和壽命等方面的因素。

2.2 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)

自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)是大豆免耕播種機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一,能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的軌跡和參數(shù)自動(dòng)控制播種機(jī)的行駛和作業(yè),提高作業(yè)效率和精度,并降低勞動(dòng)強(qiáng)度和誤差率。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要對(duì)自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

首先,自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)需要具備良好的定位和測(cè)量精度,能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和跟蹤播種機(jī)的位置和方向,并實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)。為此,可以采用多種定位和測(cè)量技術(shù),例如全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)、激光測(cè)距儀、視覺(jué)傳感器等,以提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

其次,自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)需要具備高效的控制算法和適應(yīng)性,能夠根據(jù)不同作業(yè)環(huán)境和要求自動(dòng)調(diào)整軌跡和作業(yè)參數(shù),并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制和自適應(yīng)控制。為此,需要采用先進(jìn)的控制算法和模型預(yù)測(cè)控制技術(shù),例如基于模型的預(yù)測(cè)控制(MPC)、自適應(yīng)控制、模糊控制等。

最后,自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)還需要具備良好的人機(jī)交互性和可視化性,能夠直觀地展示播種機(jī)的位置、狀態(tài)和參數(shù),并支持用戶的交互和操作。為此,可以采用人機(jī)界面技術(shù),例如觸摸屏、語(yǔ)音識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)等,以提高用戶體驗(yàn)和操作效率。

2.3 旋轉(zhuǎn)式播種器

旋轉(zhuǎn)式播種器是大豆免耕播種機(jī)的核心部件,它能夠?qū)⒋蠖狗N子精確地輸送到土壤中,實(shí)現(xiàn)高效、均勻的播種作業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),需要對(duì)旋轉(zhuǎn)式播種器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

首先,旋轉(zhuǎn)式播種器需要具備良好的輸送精度和穩(wěn)定性,能夠精確地控制種子的輸送速度、數(shù)量和位置,并避免種子的堆積、漏灑和擠壓。為此,可以采用多種傳動(dòng)和輸送技術(shù),例如電動(dòng)馬達(dá)、傳動(dòng)帶、齒輪傳動(dòng)、滾子輸送等,以提高輸送精度和穩(wěn)定性。

其次,旋轉(zhuǎn)式播種器需要具備良好的適應(yīng)性和可調(diào)性,能夠根據(jù)不同的土壤類型、作物品種和播種深度自動(dòng)調(diào)整播種器的工作參數(shù),并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制和自適應(yīng)控制。為此,需要采用先進(jìn)的傳感器和控制算法,例如土壤濕度傳感器、深度傳感器、模型預(yù)測(cè)控制算法等,以提高適應(yīng)性和可調(diào)性。

最后,旋轉(zhuǎn)式播種器還需要具備良好的清潔和維護(hù)性,能夠方便地清理和更換種子箱、輸送管道和輸送部件,并保證播種器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。為此,可以采用可拆卸、可清洗和可維修的設(shè)計(jì)方案,以便于清洗、維修和更換。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為了對(duì)大豆免耕播種機(jī)的性能進(jìn)行評(píng)價(jià),參考了農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《免耕播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行試驗(yàn)。具體試驗(yàn)內(nèi)容如下:

1)機(jī)具通過(guò)性試驗(yàn)。在不同的土壤類型和植被覆蓋情況下,測(cè)試大豆免耕播種機(jī)的通過(guò)性。主要評(píng)價(jià)機(jī)具的越野能力和通過(guò)不同障礙物的能力。

2)秸稈清潔率試驗(yàn)。測(cè)試大豆免耕播種機(jī)的秸稈清潔率。模擬免耕播種機(jī)田間工作狀態(tài)將一定量的秸稈投入播種機(jī),測(cè)試出投入的秸稈和清除的秸稈的質(zhì)量差異,以此評(píng)價(jià)機(jī)具的清潔能力。

3.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

3.2.1 田間通過(guò)性

選取不同類型的土壤,包括干硬土、潮濕土、松軟土等,均勻覆蓋在機(jī)具行駛路線上;按照試驗(yàn)要求,通過(guò)對(duì)機(jī)具進(jìn)行拉拽或自行驅(qū)動(dòng)等方式,使其通過(guò)覆蓋土壤的路段,并記錄通過(guò)過(guò)程中出現(xiàn)的異常情況。

3.2.2 秸稈清潔率

通過(guò)對(duì)作業(yè)前后每平方米播種區(qū)秸稈質(zhì)量比計(jì)算清潔率η

(1)

式中A1—作業(yè)前秸稈質(zhì)量,kg/m2;

A2—作業(yè)后秸稈質(zhì)量,kg/m2。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 田間通過(guò)性

結(jié)果如表1所示,機(jī)具在干硬土上具有較好的通過(guò)性能,能夠順暢通過(guò)。在潮濕土上,機(jī)具出現(xiàn)打滑現(xiàn)象,通過(guò)性能一般。在松軟土上,機(jī)具無(wú)法通過(guò),通過(guò)性能不良。因此,在實(shí)際使用過(guò)程中,應(yīng)注意選擇適合機(jī)具通過(guò)性能的土壤類型,避免在過(guò)于松軟或潮濕的土壤上使用,以保證機(jī)具的正常工作。同時(shí),可考慮通過(guò)調(diào)整機(jī)具結(jié)構(gòu)或使用較大的履帶來(lái)改善通過(guò)性能。

表1 田間通過(guò)性

3.3.2 秸稈清潔率

秸稈清潔率試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,根據(jù)秸稈清潔率試驗(yàn)結(jié)果,免耕方式下機(jī)具的秸稈清潔率較高,達(dá)到了95.2%,清潔情況較好,評(píng)價(jià)指標(biāo)為優(yōu)良。而常規(guī)耕作方式下,機(jī)具的秸稈清潔率只有70.8%,相對(duì)較低,清潔情況較臟,評(píng)價(jià)指標(biāo)為一般。因此,在保證作物產(chǎn)量的前提下,免耕方式可有效減少土地表面秸稈,減輕秸稈對(duì)后續(xù)作業(yè)的影響。

表2 秸稈清潔率試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種具有履帶式移動(dòng)底盤和旋轉(zhuǎn)式播種器的大豆免耕播種機(jī),并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其有效性和可行性。通過(guò)對(duì)大豆免耕播種機(jī)的試驗(yàn),得到了以下結(jié)果:

1)田間通過(guò)性試驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)具的通過(guò)性能良好,能夠適應(yīng)不同類型的土壤和地形條件。

2)秸稈清潔率試驗(yàn)結(jié)果顯示,機(jī)具能夠有效清除秸稈,減少其對(duì)播種效果的影響。

綜上所述,本文設(shè)計(jì)的大豆免耕播種機(jī)具有良好的性能和可行性,能夠提高大豆種植的效率和質(zhì)量,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方向。

4.2 展望

今后需要深入研究和探索,進(jìn)一步提高免耕播種機(jī)的性能和效率,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更加可靠的技術(shù)支持。同時(shí),還需要在推廣應(yīng)用過(guò)程中加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)和維修服務(wù),提高農(nóng)民使用免耕播種機(jī)的積極性和自覺(jué)性,促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。