2BZ-5型智能小雜糧播種機的研制與試驗

趙 菁

（山西省農業機械發展中心，山西 太原 030002）

山西素有“小雜糧王國”之稱。全省主要小雜糧作物有谷子、糜黍、燕麥、蕎麥、高粱、豆類等，其種植面積占全省糧食作物總面積的近三分之一。全省從南到北都有雜糧種植，特別是東部太行山區、西部呂梁山區以及北部高寒冷涼地區種植更加廣泛。發展特色有機旱作雜糧農業是習近平總書記視察山西時交給山西省的重大任務。為全面落實習總書記視察山西時的重要講話精神，省政府出臺了《關于加快有機旱作農業發展的實施意見》，指出，山西省地處干旱半干旱地區，山多地少，水資源匱乏，土壤貧瘠，旱地占70%，山地占70%。這樣的地理條件，決定了山西必須抓特色農業，必須抓旱作農業，必須堅持走精耕細作、用地養地、農牧結合的雨養農業路子，發展小而精、特而優的區域特色產業。同時強調，需要發展農機配套融合工程[1]。針對山西省丘陵山區多、地塊不連片、作物類型多的實際情況，堅持自主開發與引進相結合，集中研發適合于丘陵山區作業的經濟耐用、環保低耗、操作簡便的小型農機具。

2BZ-5 型智能播種機就是針對山西省典型雜糧農藝和實際種植情況，研發的雜糧有機旱作播種機。機具采用高頻GPS 智能調節播種速度，通過芯片設定播種參數，方便快捷，播種量精確，采用伺服電機減少了龐大的機械傳動和調節機構，有極強的播種適用性[2]。解決了山區丘陵地區雜糧株距、行距不一，播種深度不一，機械傳動易出現缺苗等問題，還適用于中藥材、蔬菜的播種作業。

1 2BZ-5型智能小雜糧播種機的主要研究內容

2BZ-5 型智能播種機相較于傳統播種機在傳動系統方面將傳動鏈輪和調節播量的機械系統全部簡化為伺服電機控制，對排種器本身的研究已有較成熟的方案和產品，本研究以GPS 模塊、伺服電機的布置以及與排種器的配套為主。機具作業時通過牽引機構掛接在拖拉機三點懸掛臂上，作業前通過計算將GPS 調速模塊設定為適合作物播種的作業速度，作業時拖拉機牽引機具前進，整地機構將耕地平整，開溝器開出播種溝，GPS 調速模塊控制伺服電機播種系統將種子播入導種管落入種溝內，仿形機構可有效保證播種深度一致性，最后由覆土器進行覆土鎮壓，保證出苗率（播種機結構圖見圖1）。

圖1 2BZ-5型智能小雜糧播種機結構圖Fig.1 The 2BZ-5 intelligent minor grain crops seeder chart

1.1 GPS模塊和交互界面的設計

GPS 模塊應包含GPS 定位系統和速度反饋系統，并應集合伺服電機驅動模塊，同時應有合理的人機界面，方便調整播種參數。

1.2 伺服電機和排種器的配套設計

伺服電機通過一定機械機構和排種器的排種軸相連，同時需要結合排種器大小確定固定的傳動比例，最終得到伺服電機轉速與排種量的比值，作為GPS模塊調整計算的依據。

1.3 仿形機構的設計

仿形機構應隨地面起伏而隨時調整開溝器高度，與傳統播種機采用四連桿的仿形機構不同，智能播種機無需考慮仿形機構運動時對傳動系統的影響，因此采用單桿仿形即可。

2 2BZ-5型智能播種機的參數設計

2.1 行走速度

播種機作業速度是以田面平整度以及土壤潮濕度而定[3]。考慮到需保證行走均勻避免GPS 信號漂移，同時減小振動對排種器的影響，作業速度有一個合適的范圍，采用22.06 kW拖拉機勻速行駛，該機作業速度為5 km/h≤Vm≤10 km/h。

2.2 播種效率

根據機具的幅寬和作業速度，按下式計算生產率T：

式中：η——播種機田間利用系數，為0.6～0.8，取0.7；B——幅寬1.5 m；Vm——播種機前進速度5～10 km/h。

T=0.525～1 hm2/h。

3 2BZ-5型智能小雜糧播種機主要結構設計

3.1 牽引機構

牽引機構分為上牽引桿1 和下懸掛頭2，其結構見圖2。上牽引桿通過圓柱銷連接在機架上，下懸掛頭焊接在機架上。上牽引桿與拖拉機縱拉桿通過圓柱銷連接，下懸掛頭固定在橫拉桿上。工作時機具為牽引式，上牽引桿僅起到限位作用，機具的拖拽依靠下懸掛頭；在非作業狀態行走時可通過升起后三點懸掛將機具抬升。同時通過調節拖拉機縱拉桿改變上牽引桿角度可對機具進行一定的角度調整。

圖2 牽引機構結構圖Fig.2 The structure drawing of traction mechanism

3.2 機架

為了減輕整機質量，保證結構強度，機架選用80 規格的方鋼焊接，方鋼之間采用預先切割接口、整體利用工裝的方法進行焊接。機架整體長度根據各機構安裝位置，各部件尺寸綜合確定（機架結構圖見圖2），再根據經驗整合，減小土壤作用力對拖拉機的翻轉力矩。

圖3 機架結構圖Fig.3 The frame structure drawing

3.3 GPS調速模塊

3.3.1 GPS介紹

GPS 即全球衛星定位系統，是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。該系統包括太空中的24 顆GPS 衛星；地面上1 個主控站、3 個數據注入站和5 個監測站及作為用戶端的GPS 接收機。最少只需其中3 顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確[4]。GPS 系統主要由空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分組成。用戶設備主要為GPS 接收機，主要作用是從GPS 衛星收到信號并利用傳來的信息計算用戶的三維位置及時間。GPS的功能很多，既能用于天文臺、通訊基站的精確定時，又能用于橋梁、隧道等施工中的工程測量，還能用于野外勘探及城區規劃中的勘探測繪；既能為車輛、船舶、飛機等交通工具導航，還可以為手機、PDA、PPC 等通信移動設備提供定位。在農業上主要用于農機具導航、自動駕駛、土地高精度平整等精準農業作業。

3.3.2 模塊組成

模塊作為機具的核心，一方面需要及時獲取GPS 坐標得到瞬時速度，一方面需要集成人機交互系統并且正確驅動伺服電機進行轉動。因此模塊應包括以下幾部分：①GPS 系統；②數據處理芯片；③人機交互屏幕和按鈕；④伺服電機驅動。由于模塊由外協完成，項目組主要對模塊的性能進行了制定，同時設計了交互界面。

（1）模塊設計

GPS模塊工作邏輯見圖4。

圖4 GPS模塊工作邏輯圖Fig.4 The GPS module working logic diagram

（2）交互界面設計

交互界面主要包括確認按鈕、模式切換按鈕以及“+”“-”兩個調節株距按鈕（見圖5）。模塊側面有開關按鍵，工作時將模塊接到拖拉機電瓶端子，輸出端接伺服電機。打開開關后可以按模式按鈕切換手動模式和自動模式，手動模式可設置固定轉速，自動模式為GPS 模塊根據拖拉機速度自動調節伺服電機轉速。

圖5 交互界面平面圖Fig.5 The interactive interface plan

3.4 伺服電機播種系統

3.4.1 伺服電機介紹

伺服電機（servo motor）是指在伺服系統中控制機械元件運轉的發動機，可使控制速度，位置精度非常準確[5]。綜合伺服電機、步進電機性能和機具需求，考慮到播種機構中排種器對速度均勻性、一致性和穩定性的要求，選擇伺服電機作為機具動力，通過考察市場，選取漢舉電子的90ZYT60HM 型伺服電機和控制系統，該電機為直流電機，且集成了軸端諧波減速器和安裝法蘭，大大減少了播種系統后續傳動機構。

3.4.2 傳動機構

伺服播種機構傳動系統如圖6 所示，包括：電機、傳動鏈輪、排種器長軸和傳動鏈輪。伺服電機接受到GPS 模塊控制信號后以一定速度轉動，經鏈輪減速后將動力傳輸至排種器長軸帶動排種器工作。

圖6 播種機構傳動系統結構圖Fig.6 The transmission system structure drawing of seeding mechanism

3.4.3 仿形機構

仿形機構包括機架、固定卡、仿形搖臂、復位彈簧、落種管、以及開溝器6個部分。機構工作原理等效于一桿可變（彈簧）的四桿機構。

圖7 播種機仿形機構結構圖Fig.7 The copying mechanism diagram of seeder

4 試驗情況

項目試制完成2BZ-5 型智能播種機一臺，于項目執行期內進行了空地試驗和實際作業試驗。2019年初在企業廠區進行2BZ-5 型智能播種機下種測試，通過變換拖拉機速度檢驗GPS模塊是否滿足播種均勻性要求；2019年5月17日于長治縣信義進行樣機試驗，進行谷子和玉米播種。具體試驗情況見表1。

表1 試驗情況表Tab.1 The test fact sheet

5 結語

2BZ-5型智能播種機采用GPS捕捉機具行走速度可徹底避免地輪動力系統由于地輪打滑帶來的播種均勻性差等問題，同時由于無需對拖拉機進行任何改裝，也不需要綁定拖拉機參數，通用性極強。并且通過優化控制模塊大大減少了GPS 漂移帶來的影響，與國內同類機具相比，穩定可靠，通用性強，填補了雜糧有機旱作播種機具的市場空白，可進一步節省人工費用，促進全省特色雜糧種植產業的規模化發展。