節能環保型小麥精準施肥播種機設計

孫友誼，朱雪峰，劉炳雷

（濰柴雷沃智慧農業科技股份有限公司，山東濰坊 261000）

小麥產業發展直接關系到國家糧食安全和社會穩定，小麥的播種方式、播種質量都對小麥產量有重大影響。播種機械是農業機械的重要組成部分，播種機械的播種質量直接影響農作物的產量和質量，因此研制高質量的播種機械是加快實現現代農業的迫切要求。盡管我國大部分地區早已實現播種機械化，但目前播種機械的播種質量仍存在諸多問題。近幾年雖出現了精密播種機、精少量播種機等，但只在一定范圍內得到推廣應用，主要原因是其結構和制造工藝復雜，整機成本高，制造和使用技術要求較高。生產實際中，小麥播種機僅雖可進行條播，但未根據農民現有的農業裝備和播種存在的問題進行設計和改進。為針對性提高播種均勻性，本文在現有小麥播種機的基礎上進行改進設計，研究節能環保型小麥精準施肥播種機。

1 整機的創新設計

本項目主要從功能方向和技術方向進行設計開發。1）功能方向。施肥播種機圍繞旋耕、施肥、播種等功能，實現車轍旋耕系統的節能、施肥量和播種量的閉環控制、施肥和播種深度的自適應調節、施肥與播種過程的狀態監測與智能監控。2）技術方向。圍繞提高播種質量和規范化種植水平，以精準播種、定向施肥、智能高速為主要目標，研發小麥智能化多功能播種機械，實現種肥分施、同步鎮壓等一體化作業，具備作業信息采集傳輸、播種質量智能監控等功能。整機結構如圖1所示。

圖1 小麥施肥播種機整機結構示意圖

1.1 車轍旋耕系統的節能設計

中小馬力拖拉機牽引的播種機無旋耕部分，拖拉機的兩輪車轍壓實土壤導致車轍區域內播下的種子不能滿足播種深度要求，甚至種子未播到土壤中。由于采用拖拉機帶動施肥播種機工作，拖拉機車轍處的土壤比其他位置土壤低且堅硬，因此若不進行旋耕，將會嚴重影響小麥的發芽和產量。車轍旋耕系統由拖拉機動力驅動，通過傳動軸、減速機減速帶動旋耕軸轉動，旋耕軸上兩側各裝有多把旋耕刀。旋耕軸是旋耕車轍的關鍵部件，采用三維仿真和平衡試驗相結合的方法確定旋耕軸的技術參數，確保旋耕軸徑向跳動最小，使車轍旋耕后達到與之前旋耕機旋耕土壤的高度和松軟程度一致。

1.2 施肥量和播種量的閉環控制設計

傳統施肥播種機上的種子和肥料下落是以鎮壓輥的轉動為動力，通過鏈傳動分別帶動播種軸和施肥軸，播種軸和施肥軸上分別裝有若干個槽輪，在槽輪上分別對應裝有播種盒和施肥盒，播種盒和施肥盒分別成一排裝在種子箱和肥料箱下方，播種軸和施肥軸的轉動帶動槽輪分別撥動種子和肥料沿管道下落到土壤中。由于鎮壓輥的轉速與拖拉機的行走速度有關，所以播種量和施肥量基本上不能調整。

小麥施肥播種機擬采用兩臺伺服電機分別帶動播種軸和施肥軸，播種軸和施肥軸上的槽輪分別撥動播種盒中的種子和施肥盒中的肥料下落入土壤，伺服電機的轉速可與施肥播種機行走速度協調控制，實現播種和施肥的速度控制。擬在播種盒與施肥盒上安裝稱重裝置，計量播種盒與施肥盒內的種子與肥料重量，與施肥和播種伺服系統相結合，構建施肥與播種過程的閉環控制系統。

1.3 施肥和播種深度的自適應調節設計

小麥播種深度和施肥深度根據土壤的條件不同需要調節，本項目設計的小麥施肥播種機的播種橫梁和施肥橫梁采用液壓缸升降調節高低，需對結構進行三維仿真，確定液壓缸的作用力，精確控制播種深度和施肥深度。

1.4 施肥與播種過程的狀態監測與智能監控設計

施肥播種機人機交互系統包括施肥播種狀態監測系統和過程控制系統。1）施肥播種狀態監測系統。通過采集伺服電機運行速度、播種機行走速度、播種盒與施肥盒重量等信息，形成施肥播種機的狀態監測，實現施肥播種的距離、播種面積和每667 m2播種量等參數的實時顯示。2）施肥播種過程控制系統。通過過程控制系統界面，可對施肥播種過程參數（施肥量、播種量和施肥播種深度等）進行設定，提高施肥播種機運行過程控制的自動化、數字化與智能化。

2 整機主要結構的設計開發

2.1 節能車轍旋耕系統

1）拖拉機動力連接裝置及減速系統的設計。動力連接裝置按輸入扭矩設計計算四方軸和十字滾軸軸徑尺寸。2）旋耕軸的設計開發。根據旋耕刀旋耕阻力設計計算旋耕刀軸參數。3）旋耕系統的動平衡研究。對旋耕刀和旋耕刀軸外形和結構動平衡動態進行模擬實驗。4）旋耕刀的選用。動態仿真模擬不同形狀和規格的旋耕刀對土壤的破碎率。

2.2 施肥量和播種量閉環控制系統

1）施肥和播種流量的閉環控制研究。設計施肥口和播種口流量檢測裝置，檢測數據低于或高于設定值自動報警并顯示流量值。2）每667 m2施肥量、播種量的控制研究。設計播種機行走速度和施肥、播種電機自匹配控制。

2.3 施肥和播種深度自適應調節

1）小麥播種平地儀的設計開發。設計土壤平整機構和檢測系統，局部平整率在95%以上。2）基于地況信息的施肥和播種深度的自適應調節研究。在各個施肥和播種器安裝高度檢測儀，液壓系統根據檢測數據自動調整施肥和播種。3）基于施肥與播種深度精準自適應調節的電-液系統研究。將高度檢測儀反饋的數據轉換為電控數據，控制液壓系統調整高度。

2.4 施肥播種機人機交互系統

1）施肥與播種的數據采集及狀態監測。設計數據存儲模塊，每667 m2施肥量、播種量、施肥深度、播種深度存儲和數據導出。2）播種機人機交互界面的開發。開發液晶觸摸顯示屏，各數據實時顯示和數據調整。3）施肥與播種參數的調控及運用。通過顯示屏調整施肥與播種參數。

2.5 整機主要技術指標

小麥播種機的主要技術指標如表1所示。

表1 小麥播種機的主要技術參數

3 旋耕結構離散元仿真分析

3.1 旋耕結構的仿真參數

根據現實土壤物理性質和研究數據成果，建立顆粒模型參數值并使其接近土壤的現實狀況是保證仿真分析準確性的必要條件。本項目所用土壤的各物理指標包括：魯中地區的壤土，土壤的泊松比0.3、土壤密度2 650 kg·m-3、土壤剪切模量1 MPa、土壤顆粒碰撞恢復系數0.6、土壤顆粒間的靜摩擦系數0.33、土壤顆粒的動摩擦系數0.14。

旋耕刀材料采用45 號鍛鋼調制處理，其耐磨性、剛度、強度等均能滿足要求。旋耕刀密度7 850 kg·m-3、剪切模量7.85×1010Pa、泊松比0.28。旋耕刀與土壤靜摩擦系數0.3、旋耕刀與土壤動摩擦系數0.13、土壤顆粒碰撞恢復系數0.54。

整機作業速度5～6 km·h-1時作業效果最佳，超過6 km·h-1屬于高速播種機，播種效果受慣性和振動影響較大。按照作業速度1.67 m·s-1，旋耕刀軸轉速為1 600 r·min-1，旋耕刀采用旋耕刀21（旋耕刀安裝中心刀前尖距離210 mm），相鄰兩排旋耕刀間距為100 mm設計和動態仿真，實際的旋耕刀軸和旋耕刀結構見圖2。

圖2 旋耕刀軸和旋耕刀結構

3.2 仿真分析

旋耕機構的動態仿真如圖3 所示。旋耕結構總體寬度1 800 mm，分為左右旋耕結構，各旋耕寬幅500 mm，旋耕深度190 mm，仿真在2 000 mm×1 200 mm×300 mm 的虛擬土壤中進行，生成520 021 個顆粒和128 293 個bonds 鍵，時間為2.2 s。旋耕后bonds 鍵破壞數量為110 021 個。碎土率=fB1/B2=0.96×110 021/128 293=82.33%，其中，f為bonds 鍵破壞相對土壤破壞的比例系數；B1為bonds 的破壞數量；B2為bonds 總數量；bonds 鍵為顆粒相互黏結生成的黏結鍵。根據旋耕機整機驗收，參數滿足其要求。

圖3 旋耕機構的動態仿真

4 結論

1）針對拖拉機車輪壓實土壤問題，設計研究車轍土壤旋耕裝置，解決施肥、播種深度不均勻問題，提高小麥出苗率與單位面積產量，同時降低拖動系統的功率，達到小麥播種農藝要求，實現節能環保。

2）施肥、播種流量與施肥播種機行走速度相結合，構建施肥、播種過程的閉環控制系統，實現播種量和施肥量的精準控制，實現小麥播種和施肥精細化。

3）基于土壤平整條件，研發小麥施肥播種機的播種橫梁和施肥橫梁的自適應電-液調節系統，實現精確控制施肥和播種深度。

4）通過對施肥與播種過程參數控制與數據采集，構建施肥播種機人機交互系統，實現施肥和播種過程的自動化、數字化及智能化。