免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置的研究設(shè)計(jì)

鄒繼軍

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院 綏化分院，黑龍江 綏化 152054)

0 引言

免耕精密播種機(jī)與拖拉機(jī)采用牽引式的連接方式，播種機(jī)自身配置的地輪為其提供播種和施肥的動(dòng)力需求，同時(shí)地輪還起著支撐播種機(jī)和播種機(jī)運(yùn)輸行走的功能。為防止免耕精密播種機(jī)在偏坡地橫向作業(yè)時(shí)，因地勢(shì)的坡度變化而導(dǎo)致播種機(jī)重心偏移，從而造成播種機(jī)沿坡度方向產(chǎn)生滑移或偏移，以及重心與地面垂直方向發(fā)生改變，研究設(shè)計(jì)免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置，實(shí)現(xiàn)免耕精密播種機(jī)在小于15°坡地橫向的正常作業(yè)，保持種、肥播在壟的中心位置，播種、施肥深度一致，滿足2～6行免耕精密播種機(jī)能夠在坡地作業(yè)，達(dá)到播種深度3～6 cm、施肥深度5～12 cm、種子單粒精密點(diǎn)播和施肥均勻一致的農(nóng)藝要求，保證作業(yè)質(zhì)量，提高種、肥利用率，降低播種過(guò)程中帶來(lái)的次生成本，提高農(nóng)作物的生產(chǎn)整體經(jīng)濟(jì)效益，避免無(wú)效播種、施肥而造成的種、肥損失和補(bǔ)苗等不利生產(chǎn)因素。通過(guò)免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置的研究，能夠進(jìn)一步促進(jìn)實(shí)現(xiàn)播種精細(xì)化、產(chǎn)業(yè)化、集約化的發(fā)展步伐，解決偏坡地精密播種生產(chǎn)的技術(shù)問(wèn)題，為相關(guān)坡地作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械提供技術(shù)支撐和保障。

1 研究現(xiàn)狀

免耕精密播種機(jī)與拖拉機(jī)連接多采用牽引式的掛接方式，利用播種機(jī)自身配置的地輪為播種機(jī)提供播種、施肥的動(dòng)力，同時(shí)支撐播種機(jī)工作與行走運(yùn)輸，大多以2～6行平地作業(yè)為主，播種時(shí)一般為壟作、直播的方式。目前，國(guó)內(nèi)免耕精密播種機(jī)，多采用平行四桿或單鉸鏈的普通仿形方式，基本可以滿足平地播種作業(yè)的農(nóng)藝要求，但是在偏坡地橫向作業(yè)時(shí)，機(jī)器重心發(fā)生偏移，致使播種與施肥的位置發(fā)生改變，使種、肥偏離壟的中心位置，不利于植株后期的中耕、追肥和收獲等機(jī)械化作業(yè)[1]。免耕精密播種機(jī)重心發(fā)生偏移還會(huì)使仿形機(jī)構(gòu)一側(cè)部分或全部失效，致使種、肥的深淺不一，當(dāng)?shù)貕K坡度達(dá)到仿形極限值時(shí)，仿形失效，免耕精密播種機(jī)一側(cè)著地，種、肥甚至播于地表，形成無(wú)效播種、施肥段，造成大量種子和肥料的浪費(fèi)，使出苗不齊、不勻、不壯[2]。

針對(duì)免耕精密播種機(jī)在偏坡地播種效果不好的問(wèn)題，很多播種機(jī)生產(chǎn)廠家都進(jìn)行過(guò)研究與技術(shù)改造。勃利某農(nóng)機(jī)制造有限公司在其2行、4行免耕精密播種機(jī)的牽引梁上設(shè)置有多個(gè)調(diào)節(jié)孔，根據(jù)坡地的坡度大小人工調(diào)節(jié)位置，并在機(jī)架上設(shè)置有調(diào)偏配重裝置用以時(shí)刻調(diào)節(jié)播種機(jī)的重心，對(duì)播種機(jī)的重心位置進(jìn)行隨機(jī)調(diào)節(jié)；綏化某農(nóng)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的2行、4行免耕精密播種機(jī)在牽引位置設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)絲杠，用戶可以根據(jù)坡度大小的實(shí)際情況對(duì)牽引點(diǎn)與機(jī)架的相對(duì)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)；還有的廠家用液壓油缸代替絲杠，利用配套拖拉機(jī)的液壓機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而解決偏坡地的免耕機(jī)械化播種問(wèn)題。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研及用戶反饋，現(xiàn)有市場(chǎng)上具有調(diào)偏功能的免耕精密播種機(jī)基本可以滿足偏頗地的精密播種問(wèn)題，但是成本高，操作上比較復(fù)雜，技術(shù)要求較高，免耕播種機(jī)工作效果的好與壞和駕駛員的操作能力與熟練度關(guān)系較大，而且還降低了免耕精密播種機(jī)的工作效率。

對(duì)此，研究設(shè)計(jì)一種保證免耕播種機(jī)在15°以內(nèi)坡地正常免耕精密播種施肥、深度一致的自動(dòng)糾偏裝置，解決坡地作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的無(wú)效播種、施肥，提高工作效率和作業(yè)質(zhì)量，是當(dāng)前免耕精密播種機(jī)作業(yè)要著重解決的實(shí)際問(wèn)題。

2 糾偏裝置的組成

免耕精密播種機(jī)的牽引組件多安裝在機(jī)器的主梁上，在主梁上端中心位置設(shè)置一個(gè)上懸掛點(diǎn)，前端主梁中心兩側(cè)鉸接設(shè)置左右兩個(gè)下懸掛點(diǎn)為牽引懸掛點(diǎn)。上懸掛點(diǎn)與拖拉機(jī)中央拉桿連接，用于機(jī)器的前后水平調(diào)整，下懸掛點(diǎn)與拖拉機(jī)的兩個(gè)下拉桿連接，用于機(jī)器的左右水平調(diào)整和上下浮動(dòng)。重心處于機(jī)器中心線位置，平地作業(yè)時(shí)重心方向與地面垂直，重心位置在機(jī)組中心線上，機(jī)器正常進(jìn)行作業(yè)；機(jī)器在坡地順坡作業(yè)時(shí)重心方向與地面垂直方向產(chǎn)生一定夾角，但重心方向在機(jī)器中心線垂直面內(nèi)，且中心線垂直面與地面垂直，拖拉機(jī)阻力增大或減小，前或后下滑趨勢(shì)明顯，放慢作業(yè)速度，對(duì)作業(yè)質(zhì)量影響較小；當(dāng)機(jī)器在坡地橫向作業(yè)時(shí)，重心方向與地面垂直方向也產(chǎn)生一定夾角，且重心方向不在中心線垂直面內(nèi)，機(jī)器向側(cè)面傾斜，當(dāng)坡度達(dá)到一定值時(shí)，機(jī)器傾斜角度過(guò)大，無(wú)法正常作業(yè)。對(duì)于牽引式免耕精密播種機(jī)而言，單體仿形，可以作業(yè)，但種、肥位置和深度將發(fā)生不同程度改變。目前，有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)手或農(nóng)戶只能采取配重和慢速勉強(qiáng)維持生產(chǎn)，機(jī)器一側(cè)種、肥播深較淺，另一側(cè)種、肥播深較深，導(dǎo)致同日播種地塊間歇出苗，大小不一，嚴(yán)重影響后續(xù)作業(yè)進(jìn)程。對(duì)此，研究設(shè)計(jì)一種坡地橫向作業(yè)的自動(dòng)糾偏裝置，為相關(guān)播種機(jī)、耕整地機(jī)械等進(jìn)行配套，使其適應(yīng)性更強(qiáng)，應(yīng)用技術(shù)更加完善，可具體解決生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題。

免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置的組成分為機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分由播種機(jī)主梁、縱牽引梁、小橫梁、油缸和牽引板組成(圖1)，兩根縱牽引梁、主梁和小橫梁鉸接組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，油缸固定在縱牽引梁和主梁之間，油缸的伸縮改變主梁和小橫梁的相對(duì)位置，平行四桿機(jī)構(gòu)保證主梁和小橫梁始終保持平行，使用時(shí)保證牽引板與配套拖拉機(jī)可靠掛接固定。控制部分包括馬達(dá)、電磁閥、光信號(hào)處理器反射板和信號(hào)源，反射板由紅、白、綠三種顏色組成，信號(hào)源固定在拖拉機(jī)上，中心與拖拉機(jī)的縱向中心線重合；控制部分的信號(hào)源與拖拉機(jī)電瓶連接，產(chǎn)生持續(xù)不斷的紅外信號(hào)，為整個(gè)裝置提供基準(zhǔn)信息；反射板的紅、白、綠三種顏色區(qū)為信號(hào)接收裝置和轉(zhuǎn)換裝置，將接收到的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅、白、綠三種不同顏色的光，同時(shí)將三種顏色的光傳輸?shù)焦庑盘?hào)處理器；光信號(hào)處理器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制電磁閥的左開(kāi)、右開(kāi)或者關(guān)閉；采用三位四通電磁閥，有三個(gè)工作位置分別控制機(jī)械部分油缸伸長(zhǎng)、縮短和停止固定；馬達(dá)為油缸的運(yùn)動(dòng)提供液壓油，與拖拉機(jī)的液壓油箱連接。

1.播種機(jī)主梁；2.縱牽引梁；3.電磁閥；4.光信號(hào)處理器；5.馬達(dá)；6.油缸；7.小橫梁；8.反射板紅區(qū)；9.反射板白區(qū)；10.反射板綠區(qū)；11.牽引板

3 工作原理

傳感器控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，包括機(jī)械式、光電式、電容式、霍爾式、電磁式等多種方式。該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)的免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置，采用的傳感器技術(shù)屬于機(jī)械式、光電式和電磁式的機(jī)電液一體化技術(shù)，彼此分工協(xié)作，共同完成工作要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目的，其工作原理如下[3]。

免耕精密播種機(jī)平地作業(yè)時(shí)，機(jī)器重心穩(wěn)定無(wú)偏移趨勢(shì)，平行四桿機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，信號(hào)源發(fā)射的紅外線信號(hào)始終在反射板白色區(qū)域跳動(dòng)。白光被光信號(hào)處理器接收后，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)使電磁閥兩端的電磁鐵斷電，電磁閥處于中立狀態(tài)，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)工作產(chǎn)生的液壓油經(jīng)電磁閥回到油箱，油缸長(zhǎng)度保持不變，免耕精密播種機(jī)與拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致。

免耕精密播種機(jī)坡地順坡作業(yè)時(shí)，機(jī)器重心發(fā)生偏移，機(jī)器產(chǎn)生向前或向后移動(dòng)的趨勢(shì)，但信號(hào)源發(fā)射的紅外線信號(hào)只是上下跳動(dòng)，沒(méi)有偏移出白色區(qū)域，白光被光信號(hào)處理器接收后，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)使電磁閥兩端的電磁鐵斷電，電磁閥處于中立狀態(tài)，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)工作產(chǎn)生的液壓油經(jīng)電磁閥回到油箱，油缸長(zhǎng)度保持不變，免耕精密播種機(jī)與拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致，對(duì)機(jī)器作業(yè)影響較小。

免耕精密播種機(jī)在坡地進(jìn)行橫坡作業(yè)時(shí)，機(jī)器重心方向發(fā)生了左右偏移，機(jī)器產(chǎn)生向左或向右的移動(dòng)趨勢(shì)，信號(hào)源發(fā)射的紅外線信號(hào)也產(chǎn)生偏移，當(dāng)紅外線信號(hào)經(jīng)過(guò)反射板紅色區(qū)域時(shí)，紅光被光信號(hào)處理器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，使與反射板紅端區(qū)連接電磁閥的電磁鐵接通開(kāi)始工作，電磁閥油路接通，馬達(dá)驅(qū)使油缸工作，使油缸伸長(zhǎng)，推動(dòng)縱牽引梁和小橫梁移動(dòng)，使信號(hào)源發(fā)射的紅外信號(hào)重新回到反射板的白色區(qū)域，光信號(hào)處理器接收到白光后，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使電磁閥重新回到中立狀態(tài)保持油缸長(zhǎng)度不變；信號(hào)源發(fā)射的紅外線信號(hào)經(jīng)過(guò)反射板綠色區(qū)域時(shí)，綠光被光信號(hào)處理器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)使與反射板綠端區(qū)連接的電磁閥的電磁鐵工作，電磁閥油路接通，馬達(dá)驅(qū)使油缸縮短，帶動(dòng)縱牽引梁和小橫梁回移，使信號(hào)源發(fā)射的紅外線信號(hào)重新回到反射板的白色區(qū)域，電磁閥兩端的電磁鐵斷電，電磁閥重新回到中立狀態(tài)保持油缸長(zhǎng)度不變。

免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置研究設(shè)計(jì)的核心是發(fā)射板的紅、白、綠三個(gè)區(qū)域，其中白色區(qū)域的寬度設(shè)置決定該裝置的工作精度，其寬度值的設(shè)置也不是越小越好，既要根據(jù)播種機(jī)的農(nóng)藝工作要求，也要考慮系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間等多個(gè)因素。紅、綠兩個(gè)區(qū)域也是一樣要考慮系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間問(wèn)題。整個(gè)系統(tǒng)是由信號(hào)采集與處理、液壓系統(tǒng)及控制、機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)與反饋三部分組成，集合了光電一體化技術(shù)、液壓控制技術(shù)等，其電源和液壓輔件利用配套拖拉機(jī)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，適應(yīng)性較廣，具有很好的實(shí)用性和可操作性。

通過(guò)控制部分的工作，能夠保證免耕精密播種機(jī)工作時(shí)與拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡保持一致，從而保證播種、施肥位置的準(zhǔn)確，機(jī)器作業(yè)質(zhì)量左右一致，為后續(xù)生產(chǎn)在時(shí)間、質(zhì)量、技術(shù)等方面提供有效保障。其主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)采用多套傳動(dòng)、傳感方案實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化選擇，確定主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

4 目的意義

以黑龍江省為例，丘陵地帶占全省耕地面積的60%左右，為了保證土壤與水分不流失，大多數(shù)耕地都是采用橫向于坡度方向進(jìn)行播種作業(yè)，部分地區(qū)在坡度較大的區(qū)域修成梯田以減少坡度對(duì)耕地的影響，在坡地進(jìn)行播種、中耕、整地及機(jī)械化收獲作業(yè)，作業(yè)效果都受到非常大的影響，對(duì)農(nóng)機(jī)具的適應(yīng)性都具有非常大的考驗(yàn)。

免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置研究設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)以2～6行免耕精密播種機(jī)在15°以內(nèi)坡地正常作業(yè)，達(dá)到播幅內(nèi)種、肥播深一致的農(nóng)藝要求，保證播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量，提高種、肥利用率，降低機(jī)械化成本，提高作物生產(chǎn)整體經(jīng)濟(jì)效益，避免無(wú)效播種、施肥造成的浪費(fèi)等不利生產(chǎn)因素，利于黑龍江省生態(tài)農(nóng)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)、黑土地保護(hù)等各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展。同時(shí)也為在坡地作業(yè)的農(nóng)業(yè)機(jī)械提供技術(shù)探索與技術(shù)儲(chǔ)備。

免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置研究設(shè)計(jì)的意義在于，加裝該裝置的播種機(jī)或其他機(jī)器能夠適應(yīng)不同地域、不同地形、在一定坡度范圍內(nèi)高效機(jī)械化作業(yè)，規(guī)避無(wú)效播種施肥段或無(wú)效作業(yè)段的形成，避免種、肥浪費(fèi)，減少機(jī)器進(jìn)地次數(shù)，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的用工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益；再次該裝置可為其他農(nóng)業(yè)機(jī)械配套，解決坡地作業(yè)技術(shù)難題，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)用性、適應(yīng)性和操作性，有利于提高相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

免耕精密播種機(jī)適用于平川地、順坡地及橫坡地坡度較小地塊作業(yè)，橫坡地坡度較大地塊作業(yè)弊端、浪費(fèi)生產(chǎn)資料、不符合農(nóng)藝要求等現(xiàn)象顯而易見(jiàn)，機(jī)具的適應(yīng)性及實(shí)用性受到很大制約，大量農(nóng)機(jī)工作者為解決這個(gè)問(wèn)題做了很多探索，但由于自動(dòng)化程度不高，同時(shí)對(duì)操作者的技術(shù)要求較高而影響了機(jī)械的作業(yè)效率。免耕精密播種機(jī)自動(dòng)糾偏裝置研究設(shè)計(jì)是集光電一體化技術(shù)、液壓控制技術(shù)與機(jī)械控制技術(shù)為一體的技術(shù)集成，為橫坡地大坡度機(jī)械化作業(yè)提供全新的技術(shù)解決方案，該方案與相關(guān)機(jī)器配套，可以適應(yīng)不同地況條件下的不同作業(yè)要求，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)用性、適應(yīng)性和操作性，解決了橫坡地坡度較大地塊作業(yè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。

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