旋耕播種開溝復式作業機播種裝置設計研究

鄭廣隸，於海明，何瑞銀，張大成

（南京農業大學，江蘇 南京 210095）

播種機是最重要農機具之一，近年來，各種型號的播種機層出不窮，人們在追求播種工作的穩定性的同時，越來越重視播種的精確性，因此有必要對播種裝置及其配套裝置進行研究，以提高播種的質量，實現降低損失、穩產、增產。本文設計的播種功能部分由播種裝置、仿形限深裝置、種肥箱、排種電控系統、漏播監測報警系統組成，并利用臺架試驗對關鍵部件的作業性能進行了優化與驗證；在此基礎上研制了一臺適配于旋耕播種開溝復式作業機的播種裝置。

1 復式作業機的總體設計方案

結合國內外現有旋播復式作業機結構與功能現狀，確定所設計的播種裝置所屬整機的整體結構如圖1 所示。

設計作業機采用三點式掛接方式，一次性下地完成旋耕、開溝、施肥、播種、覆土、鎮壓作業。旋耕開溝動力采用側邊傳動，旋耕部分緊跟施肥管之后，肥料落地之后直接將其旋耕帶入土壤，旋耕刀軸中間加裝開溝刀盤開出排水溝。排種軸與電機相連，驅動排種軸（也可單獨驅動排肥軸），播種采用圓盤開溝器開出種溝，開溝器后連接鎮壓輪。

2 播種裝置設計

設計了一種螺旋槽式小麥排種器，主要包括外殼、金屬墊片、調節手輪、彈簧、排種輪、主軸、毛刷、毛刷支座、擋種塊等，具體結構如圖2所示。

排種輪上間隔均布排種槽，在播量調節裝置與排種輪間安裝彈簧。播種時，播量調整手輪將排種輪工作長度調至對應區間，實現播量調節。排種時，種子在重力和種子間摩擦力作用下進入排種輪槽完成充種，電機根據檔位速度驅動排種軸帶動排種輪轉動，使槽內種子隨排種輪轉動至清種區，毛刷清理多余種子，輪槽內種子轉至正下方時落入投種裝置（排種槽或排種管）完成播種作業。

3 仿形限深裝置設計

為消除仿形所產生的入土角變化，本設計采用圓盤式開溝器，并設計較長的拉桿長度。根據整機尺寸，在盡量節省安裝空間、保證行距的前提下，設計拉桿長度分別為40和60cm。

拉桿上的彈簧是將仿形裝置壓緊，當地面土壤升高時，彈簧被壓縮，開溝器相對于機架上升，當地面凹陷時，播種單體受重力作用下降，彈簧拉長，減小開溝器下陷量，以此保證所開種溝深度一致。調節彈簧下端開口銷位置可調節彈簧長度，進而調節彈簧對地壓力。查閱彈簧設計手冊，選用材料碳素I類C級別彈簧，直徑8mm，外徑35mm，總圈數20，自由長度480mm，工作長度250mm。

4 開溝器的選型設計

圓盤式開溝器目前使用較多的有雙圓盤和單圓盤兩種形式。單圓盤開溝器重量較輕，入土能力強，但播幅較窄，開溝時土壤沿凹面易拋起形成上下干濕土層攪混，天氣干燥時播種對種子吸收水分不利。單圓盤開溝器較適用于墑情較好的地區。本文選用雙圓盤開溝器作為開溝裝置。

雙圓盤開溝器主要工作參數有：圓盤直徑，圓盤夾角、聚點位置m、開溝寬度，根據對播種環節的農藝要求，對上述工作參數進行確定。

圓盤直徑：圓盤直徑通常范圍是300～380mm。圓盤的直徑過小，容易反生轉動卡盤和壅土，增加工作阻力，工作質量變差。圓盤直徑過大，會加重整機重量，且增加開溝器的牽引阻力，無法保證種溝質量。在開溝器作業前，土地經過犁翻或旋耕，土壤阻力較小，綜合考慮后采用雙圓盤直徑為300mm。

圓盤夾角：圓盤夾角小，種溝寬度較小，相應降低工作阻力，投種越精確。但是如果夾角過小，會導致雙圓盤之間的空間不足，排種管易被擠壓變形，導致種子在種管內的運動軌跡發生偏移，使投種不精準。若夾角過大，則工作阻力變大，土壤擾動量大，開溝后土壤不容易回落，不利于護種保墑。常用的夾角為10°～15°。根據牽引阻力等因素后確定選用15°。

聚點位置m：聚點m是雙圓盤開溝器兩圓盤的交點。聚點位置用β表示，m點越高β越大，溝寬越大，溝底中部凸起越高。m點越低β角度越小，土壤可能從聚點上面進入雙圓盤之間，導致圓盤夾土和堵塞，軸承磨損加速。m點位置一般取在地面稍上方，離地高度等于最大開溝深度為宜，一般β=55°—75°，依據小麥播深為2～4cm，因此確定m點位置為離地4cm處，此時β約為75°。

開溝深度根據以上公式并帶入公式計算，可得開溝深度22.02mm，取整后取22mm。

5 種肥箱的設計

為提高工作效率，節省加種加肥時間，裝滿一箱種子或肥料所能播種或施肥的距離最少應等于一個往返行程，即地塊長度的兩倍，就普通農戶地塊而言，地塊長度約為50m，機具工作幅寬為2.3m，種子或肥料的單位容積取分別為0.8、1，播種量為30kg/畝，播肥量為65kg/畝。可得種箱容量和肥箱容量分別是15.52m3和26.90m3。因小麥基肥尿素與磷酸二銨比例為1：1，因此，兩肥箱容量相同，為節省空間，將兩肥箱設計為一體，中間使用隔板隔開，使二者體積相同。

6 排種排肥電控系統的研究

為了解決播種機排種排肥同步性的問題，設計了基于PID控制算法的播量控制系統。該系統可以在線無極調節排種量，實現排種轉速的閉環控制，達到同步播種目的，提高播量控制精度。

播種作業時，通過電位器設定目標播量，在測速輪上安裝編碼器，采集實時機具車速及排種軸轉速，計算出排種軸目標轉速；同時安裝在排種軸上的編碼器實時檢測排種轉速；決策系統輸入量為將目標播量、機具車速、排種轉速，得到當前排種器的轉速控制量，然后通過PID調速算法使控制器輸出相應PWM波，再經過放大調理后，驅動排種電機在線調節排種轉速，實現同步排種作業。

7 漏播監測報警系統的研究

當實際播種量與理論播種量不相符將會直接影響播種質量，進而影響土地產出率，采用光電法獲取種子下落的電脈沖信號，濾波整形后由單片機處理，對漏播情況進行監測。監測裝置的安裝位置將會影響其工作性能，如果位置安裝靠近排種器，則下方排種管堵塞時很難及時檢測到，為提高系統工作性能，在實際生產中，本系統監測裝置被安裝在緊靠開溝器上方處。

正常工作時，紅外光穿過凸透鏡后平行照射至接收端。當種子經過監測裝置完全遮擋1個或多個紅外接收二極管時，接收端會產生電平變化，并將該電平信號傳輸給單片機，單片機根據該電平信號統計種子下落時間間隔，結合增量式編碼器所測機具前進速度得出實際株距，并與設定的理論株距相比較，分析得出漏播率、重播率、播種量信息。

控制面板上的按鍵模塊可以對理論株距、測速輪直徑、滑移率、傳動比、測速周期和報警系數的范圍進行設置。液晶模塊可以顯示單行播量、總播種量、播種機行進速度，LED報警模塊與播種通道對應，若某一行或多行出現漏播或重播現象，則對應的LED會閃爍報警，并發出語音報警。

8 結語

試驗按照GB/T 9478-2005《谷物條播機 試驗方法》進行設計和指標測定，試驗表明，各行排種量一致性系數為3.4%，總排種量穩定性變異系數為0.86%，分別小于國標要求的3.9%和1.3%，符合復合作業機作業要求。