懸浮式水果玉米精播種植一體機設計研究

馬 靜，曾建寧

（寧夏工商職業技術學院，寧夏回族自治區 銀川 750001）

1 整機結構及工作原理

從集成化角度出發設計整機結構，結構關鍵部分見圖1，機械前方設置旋耕開溝部件，可以在開溝刀盤、軸承等的輔助下，完成開溝、旋耕操作，為后續的滲灌管下埋奠定基礎。中部設置固定橫梁，播種、排肥等管線均固定于此，排肥管線由地輪傳動裝置帶動、控制，播種器采用單獨電機控制，另外設置滲灌管卷盤，可以在溝槽開挖完成后進行下放。機構后側為覆膜機構，裝設有2個鎮壓輥，通過拉桿、壓簧完成定位，表層采用防滑齒設計，可以避免打滑壅土等問題，整個機構在傳動系統支撐下穩定前進，操作人員可以根據實際情況控制調速。

圖1 懸浮式水果玉米精播種植一體機主體結構Fig.1 Themain structure of suspension type sweet maizefine sowing and planting machine

其運作原理較為簡單，主要采用三點懸掛式方案，與前方拖拉機機械掛接，動力經由萬向節傳遞，并與變速箱完成交互，拖拉機動力為22.1～36.8 kW，能夠較好地滿足兩行玉米耕種需求。變速箱外部與多個構件連接，可以控制旋耕軸開溝運作，下方附帶清溝刨土組件，可以在開溝作業完成之后，對多余的泥土進行鏟除處理，保障截面形狀完好性。整個種植機械前進環節，地輪與地面始終貼合運轉，提供的動力帶動排肥軸運行，傳送的物料通過軟管落入種溝之中，播種機則采用步進電機方案設計，接收到脈沖信號后對應調整轉速，達成精量播種目標，實踐運行過程中，操作人員還可以通過變速齒輪、排種器的調整，對播種范圍及種粒大小進行控制。播種完成后覆土、鎮壓。通過懸浮架可調地輪高低，以此保證播種均勻、深淺一致及覆土良好。

2 關鍵結構及部件設計

2.1 滲灌管結構

裝置本身包含開溝器、管盤，分別負責溝槽開挖、管線下放，同時配備支撐輪架和覆土器，可以對放置好的管線進行埋藏防護。材料選型環節，使用聚乙烯再生塑料管，管徑控制在16～18 mm，外部包裹多微孔塑膠管，借助專用打孔器優化處理，以30 cm為間距進行分段，孔洞直徑1 cm，每段打孔3個，注意相鄰孔洞間距不要小于1.75 cm。鉆孔完畢后，將塑料管逐個套入質地柔軟的多微孔塑膠管，將出水孔完全覆蓋即可。沒有特殊要求的情況下，管線滲水節長度控制在8 cm為佳，埋藏深度大約30 cm。將安裝完成的滲灌管放置在復合種植機械中，后期直接遠程控制、定點灌溉，澆水后土體表層仍能維持蓬松狀態，保障水分充足性的同時促進養分吸收。

2.2 施肥結構

機械施肥模塊配備了施肥箱、施肥器、排肥管等，施肥器作為核心部分直接影響出料均勻性、精確性，本次設計中采用外槽輪式結構，外部與軸承、阻塞套等連接，正式運行時槽輪齒不斷旋轉，將肥料推進施肥管，兩側安裝阻塞套，可以避免肥料異常漏出（見圖2）。施肥器主要安裝于地輪傳動系統上，該系統僅負責肥料軸的動力輸入，可以牽動排肥軸運作，保障玉米肥料順利落入溝槽。考慮到水果玉米種植環節，地面可能存在留茬問題，地表的秸稈覆蓋物也會加劇不平整現象，從而影響施肥均勻性，造成肥料過剩、土壤板結等狀況，因此保證傳動系統穩定性就成為了設計重點、難點問題。為保障穩定性，將地輪安裝于機械主梁之上，借助軸承固定安裝，支持中心旋轉，當施肥環節出現地表顛簸、起伏問題時，地輪伴隨機構上下轉動，下端受拉簧拉結作用完成緊固，整個輪體始終緊貼地面，同時在輪體周邊焊接防滑齒，可以較好地避免打滑問題。

圖2 外槽輪式施肥器Fig.2 Outer groove wheel fertilizer

2.3 精量播種方案設計

2.3.1 排種器選擇

精量播種機的性能主要由排種器決定，在整個機構設計過程中有著極為關鍵的地位。目前，市面上普遍采用兩種播種器：第一種是氣力式排種器。氣力式排種器結構復雜、價格高，特點是對種子大小、形狀的適應性較強、充種效果好、工作速度能達到10 km/h，適宜高速作業，但當氣壓不夠時會出現密播現象。此外，氣力式排種器適宜于豆類等圓形種子，對于玉米非類圓形種子漏播率較高、動力消耗大，特別是在地頭密播、重播嚴重，與項目設計不符。另一種是機械式精量排種器，結構簡單，價格低廉，操作方便，易于維護，機器運行功耗小，基本不產生噪聲，加之當前廣泛采用優良種子，能夠較好地保證播種質量。此外，機械式播種器非常適合中西部地區，因為在中西部地區水果玉米多為小規模生產，機械式精量排種器較氣力式更為適用，因此，本結構采用勺輪式精量排種器。

2.3.2 精量播種控制系統設計

本結構選用的電機驅動器、旋轉編碼器輸入電壓均為直流24 V，拖拉機電源輸出為直流12 V，因此選用一個升壓模塊滿足電源需求。精量播種控制系統：光電編碼器和驅動輪同軸安裝，用來檢測輪速變化，并將該信號傳送到Arduino，Arduino將信號處理后轉換為步進電機的轉速，以控制排種器，播種速度決定排種量的大小。光電編碼器通過驅動輪檢測播種機的運行速度，并以脈沖形式將檢測信號發送Arduino AFMotor電機擴展板，通過高速計數器端口接收并在內部進行處理，將其作為高速脈沖輸出到步進電機驅動器，驅動安裝在排種器軸上的電機，實現步進電機驅動排種器排種。當播種機的播種速度需要調整時，驅動輪轉速就會發生相應的變化，編碼器會產生不同的脈沖數，電機轉速相應發生變化，從而控制排種器的排種量按需變化，實現精量播種，見圖3。

圖3 控制系統結構圖Fig.3 Control system structure drawing

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，與PLC單片機相比，Arduino具有編程簡單，操作方便，價格便宜，性能可靠，更適合苛刻工作條件等諸多優點。

用Arduino的擴展板接DM542驅動器來控制57步進電機采用共陰極接法，即ENA不接，PUL-與DIR-串接單片機GND,PUL+接單片機9口給脈沖，DIR+接8口給高低電平（高電平正轉，低電平反轉），驅動器輸出端A+接紅，A-接綠，B+接黃，B-接藍，供電直流24 V。定義引腳8作為方向控制，定義了9號引腳作為PWM引腳，需要將這引腳接入PUL端。程序定義方向，stepper_direction=true，步進電機正轉；stepper_direction=false反轉，部分源代碼見圖4。

圖4 部分源代碼Fig.4 Partial source code

2.4 覆膜結構

（1）拉膜機構設計。覆膜栽培技術綜合性能優良，可以起到保溫保濕的作用，抑制水果玉米田間雜草生長的同時，起到增產防寒等作用，在干旱、半干旱地區應用尤為廣泛。覆膜結構工作環節，順膜裝置會在電動機控制下運作，從薄膜卷支機構中拉出薄膜，膜體隨地輪前進方向不斷舒展，壓輥機構負責壓緊邊緣，后部覆土裝置原地取土并覆蓋壓實，完成整個覆膜作業。覆膜過程采用全自動控制，薄膜展開、壓實過程更加連續，可以防止膜體被大風揭起，減少病蟲、鳥獸損壞風險，內部構件起微型溫棚，地溫條件得到改善，水果玉米的生長、發育也更有保障。覆膜參數選擇是該結構設計重點環節，科學的參數設定可以防止應力不均、應力過大問題，規避薄膜破損、拉裂等情況。考慮到膜體本身屬于柔性材料，因此借助曲率變化法進行分析，取任兩點作參照，假設其受到的應力為δ1和δ2，那么主應力計算方法可以表達為（式中δ1、δ2以及ξxy均代表分應力）：

當δ1的值大于0時，薄膜處于純拉狀態，當δ1大于0而δ2小于等于0時，則薄膜進入單向褶皺狀態，當δ1小于等于0時，薄膜處于雙向褶皺狀態。機械運轉環節可以結合計算公式、預設參數等，對拉膜速度、壓膜操作等進行控制，防止薄膜破裂、拉斷等問題。

（2）壓膜覆土機構設計。覆土裝置是本次種植機械設計的關鍵環節，內部主要配備覆土輪、壓膜輪等，壓膜控制精準度至關重要，設計不當容易造成褶皺、破裂等問題，影響覆膜技術保溫保墑能力，造成水果玉米總產量的下降。其中壓膜輪作用較為簡單，可以將地膜兩側壓入膜溝，防止跑動，輪體材料較為多樣，金屬、尼龍、橡膠等均是常見選項，本次設計中綜合實際需求分析，最終選用了實心橡膠輪體材料，可以最大限度保證壓實效果。此外壓膜輪輪緣寬度、直徑、總量等同樣會影響壓膜質量，選定的參數組合應當具有精準性高、適配性好的特征，滿足輪體自由轉動需要。半徑可采用如下公式計算：

式中：R——壓膜輪半徑，cm；h——下壓深度，cm；β——壓膜輪翻轉角度，°。根據實際情況進行計算后，將壓膜輪半徑設置為300 mm，寬度設置為45 mm，保障膜體壓入溝底的同時，減少破裂風險。

2.5 控制及通訊結構

除覆膜結構、播種施肥結構、農藥噴灑結構外，設計環節還重點關注了控制、通訊系統裝配問題，同樣引入單片機實現總控，單片機裝置分別布設于拖拉機、復合種植機之上，內嵌nRF905射頻模塊，可以在射頻功能幫助下實現遠程無線通訊，從而起到節省成本、簡化線路的作用，單片機內部集成度較高，布線簡潔且指令程序以固化形式存在于ROM中，可以較好地規避無線電、電磁波信號干擾，額定工作電壓僅有1.8～3.6 V，能夠較好地適應農業機械生產環境。拖拉機內部額外安裝高敏度傳感器，可以實時接收速度信息，轉化為可識別電信號后送入單片機，單片機根據信號內容、設定參數作出分析，并將對應數量的脈沖信號傳送給步進電機，完成均勻排種、自動控制目標。

3 田間試驗過程及結果

機械設計完畢后，在某水果玉米種植基地進行試驗，試驗地海拔291 m，土質為砂壤，pH值為5.79～6.34，灌溉條件、地形條件較好，選用當地糯玉米品種作為試驗材料。2021年7月初開展，采用寬窄行直播方式，寬行1.2 m，窄行0.4 m，植株間距控制在0.25 m左右，密度48 700株/hm2。采用的拖拉機動力為47.52～55.18 kW，播種深度在30～50 mm，噴藥量550～780 kg/hm2，見表1。結果顯示：機具運行狀況較為平穩，各項指標良好，可以在單次作業中同時完成滲灌管下放、破茬旋耕、施肥播種等多項工作。

表1 機械在水果玉米種植基地試驗運行測試結果Tab.1 Test results of mechanical operation in sweet maize planting base

檢測后發現機具運行狀況較為平穩，各項指標良好，可以在單次作業中同時完成滲灌管下放、破茬旋耕、施肥播種等多項工作，覆膜表現較高，膜體兩側均被壓入溝底，且不存在破裂問題。節水功能是該設計的一大亮點，內部配備的滲灌管卷盤可以自動完成管線下方，與傳統溝灌相比節水量可達75%～80%，與現有的滴灌、滲灌技術相比也可以節省用水35%～50%，操作時注意做好管線安裝，尤其關注連接部分的滲漏情況，采用必要措施進行密封加固。此外對機械排種穩定性進行了專項檢測，測試量為12行，穩定性計算公式如下：

式中：S——各行種量標準偏差；Xi——每行排量；-X——平均排量；n——測定行數；V——各行排種量的一致性變異系數。

經過計算發現各排量標準差為0.174 g，總排量標準差為1.532 g，計算得到的穩定性變異系數約為3.326%，能夠滿足水果玉米種植需求。

4 結語

綜上所述，本文設計的多功能、復合式水果玉米種植機械，裝配滲灌管卷盤、薄膜卷支及壓輥機構、破茬開溝裝置等，可以一次性完成旋耕、播種、施肥等工序，農藥噴灑機構及總控機構中融合使用了單片機技術，可以實時采集拖拉機的速度參數，并通過步進電機實現遠程控制，現場檢驗后發現機械運行良好，與傳統灌溉方式相比節省水源35%～50%，播種環節穩定性變異系數控制在3.326%，性能十分優良。