幾種常見的排種動力傳動系統(tǒng)分析

高益秀, 苗 芳， 鄭德聰*　(.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷 03080；.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，山西太原 03000)

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幾種常見的排種動力傳動系統(tǒng)分析

高益秀1, 苗 芳2， 鄭德聰1*(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷 030801；2.山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，山西太原 030002)

摘要隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對精密播種技術(shù)提出了更高的要求，這就需要對現(xiàn)有的排種器動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行分析。為此，在簡述排種器類型之后，分析說明播量不穩(wěn)的原因之一就是排種動力傳動系統(tǒng)的選取，在此基礎(chǔ)上介紹了3種類型的排種動力傳動系統(tǒng)的重要元件、組成、工作原理、特點以及必須注意的技術(shù)事項，進(jìn)而得出播種智能化、自動化、精確化將是未來排種動力傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞精密播種；排種器;動力傳動系統(tǒng)

機(jī)械化播種作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然方向，一些新型的技術(shù)必將推動它快速發(fā)展。播種機(jī)是機(jī)械化播種的必要裝備，除了播種的精密程度外，它的自動化、智能化程度將成為衡量現(xiàn)代農(nóng)業(yè)播種優(yōu)良與否的又一個關(guān)鍵性指標(biāo)。要實現(xiàn)精密播種就是要實現(xiàn)株距范圍的連續(xù)變化，即實現(xiàn)排種器轉(zhuǎn)速的無級變化。要實現(xiàn)自動化、智能化就是要實現(xiàn)現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用，即智能控制模塊以及自動檢測模塊在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用。對于任何播種機(jī)來說，排種器都是其關(guān)鍵部件之一，直接決定播種機(jī)的播種質(zhì)量和播種性能。因此，在設(shè)計排種器時，應(yīng)充分考慮播種量穩(wěn)定性、排種均勻性、傷種率、通過性、調(diào)整方便性、工作可靠性等因素[1]，而排種動力傳動系統(tǒng)的好壞則直接影響排種器的上述因素，是實現(xiàn)優(yōu)良播種的重要環(huán)節(jié)，因此，對排種動力傳動系統(tǒng)的研究有重要意義。

1排種器簡述

隨著全球的播種技術(shù)跨入精密、精準(zhǔn)、智能播種時代，我國的播種技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。排種器是播種機(jī)上的關(guān)鍵部件，直接影響播種機(jī)的播種質(zhì)量[2]。排種器按工作原理可以分為機(jī)械式和氣力式兩大類型，常見的機(jī)械式排種器有槽輪式、圓盤式、窩眼輪式、指夾式等，常見的氣力式排種器有氣吸式、氣吹式、氣壓式等[3]。

2排種器播量不準(zhǔn)確的原因分析

機(jī)械播種技術(shù)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要組成部分，是大面積播種的關(guān)鍵。播種質(zhì)量的好壞與否直接影響作物的收成。播種量的多少或者說作物株距的遠(yuǎn)近能否達(dá)到農(nóng)藝要求則是衡量播種質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)播量超過規(guī)定播量的3%或低于規(guī)定播量的2%，即為播量不準(zhǔn)確。播種量過少，作物株距過大，雖然單株作物收成不減，但是單位面積的作物苗數(shù)減少，導(dǎo)致作物單位面積產(chǎn)量下降。播種的播量過多，作物株距過小，造成植株營養(yǎng)不足，雖然單位面積的作物苗數(shù)不減，但是單株作物產(chǎn)量減少，也將導(dǎo)致作物單位面積產(chǎn)量下降。常見的播量不準(zhǔn)確的主要原因有：①播種機(jī)的排種器工作狀態(tài)差，排種穩(wěn)定性效果不好。②種子箱種子已經(jīng)不足，卻沒有被及時發(fā)現(xiàn)，即所采用的播種機(jī)還沒有實現(xiàn)種箱種量監(jiān)測功能，導(dǎo)致大面積漏播。③土壤含水量大，增大地輪打滑的概率，造成播量不均勻。④播種機(jī)排種器的排種盤轉(zhuǎn)動速度無法實現(xiàn)理想轉(zhuǎn)速，即播種機(jī)的排種動力傳動系統(tǒng)還未實現(xiàn)無級變速功能，無法實現(xiàn)植株最佳株距，造成播量不均勻。其中地輪打滑和傳動比固定造成的播量不穩(wěn)都可以通過更換排種器動力傳動系統(tǒng)得到解決。

3排種器動力傳動系統(tǒng)分析

3.1傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)

3.1.1鏈傳動。傳統(tǒng)的地輪排種動力傳動系統(tǒng)使用最多的是鏈條傳動動力。鏈傳動是由主動鏈輪、從動鏈輪和鏈條組成，工作時，主動鏈輪的運(yùn)動和動力通過鏈條的嚙合傳遞給同樣與鏈條嚙合的從動鏈輪。

3.1.2傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)的組成及工作原理。傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)是指由地輪、鏈條機(jī)構(gòu)，齒輪機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、張緊機(jī)構(gòu)等組成的傳動系統(tǒng)。

播種工作時，拖拉機(jī)機(jī)械牽引播種機(jī)在田間直線行走，地輪由于受到播種機(jī)、機(jī)架等裝置的重力作用，得到地面給予它的向前的摩擦力而向前轉(zhuǎn)動。地輪與排種器之間利用多級帶傳動或鏈傳動將動力傳遞給排種器，驅(qū)動排種器同步轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了拖拉機(jī)的行進(jìn)速度與排種軸的轉(zhuǎn)動速度保持同步。隨著排種器的旋轉(zhuǎn)，種子從排種盤經(jīng)導(dǎo)種管落下，達(dá)到排種的預(yù)期目的。

3.1.3傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)的特點。采用地輪排種動力傳動系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)拖拉機(jī)前進(jìn)速度與排種軸轉(zhuǎn)速的匹配，從而保證播種的精確性，工作可靠。作物株距的控制能夠在人工停機(jī)更換鏈輪的條件下實現(xiàn)，雖然基本能夠達(dá)到播種要求，但是調(diào)整操作繁瑣。通過更換鏈輪的方式實現(xiàn)播種株距的改變，傳動比固定，范圍變化較小且不連續(xù)，無法實現(xiàn)高速作業(yè)和播種株距的連續(xù)變化，某些經(jīng)濟(jì)作物的最佳株距無法實現(xiàn)，造成大范圍減產(chǎn)。采用傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)能夠降低播種機(jī)制造成本，易于維修和保養(yǎng)，工作可靠，實用性較強(qiáng)。采用地輪排種動力傳動系統(tǒng)，由于農(nóng)田土壤較為松軟，容易發(fā)生地輪打滑現(xiàn)象，從而造成播種質(zhì)量的不穩(wěn)定。

3.1.4采用傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)的注意事項。傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)一般使用鉤式傳動鏈排種，由于中心距不能調(diào)整，所以張緊方式一般需要利用彈簧的自動調(diào)節(jié)或者利用螺釘進(jìn)行定期調(diào)整。如果未能及時張緊，將造成傳動效率降低，甚至造成傳動失效，無法帶動排種軸轉(zhuǎn)動。

由于傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)采用了大量的鏈傳動和齒輪傳動，為了增加傳動的平穩(wěn)性、可靠性，以及它們的使用壽命，需要適時給鏈傳動、齒輪傳動進(jìn)行潤滑。如果沒有正確且及時地進(jìn)行潤滑，將導(dǎo)致鏈條與齒輪的快速磨損與膠合失效，造成傳動效率降低，穩(wěn)定性變差，這對播量穩(wěn)定極其不利。

3.2步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)

3.2.1步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是由定子和轉(zhuǎn)子組成，是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢砦灰菩盘柕奶胤N電機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)通過控制脈沖頻率和脈沖數(shù)量來達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與停機(jī)的位置，且負(fù)載的變化不影響電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停機(jī)。對于一個脈沖信號，步進(jìn)驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個步距角；對于多個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)就準(zhǔn)確地運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)角度。與此同時，可以控制微機(jī)發(fā)送脈沖信號的頻率來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速。此外，要實現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，可以改變通電順序。

3.2.2步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)的組成及工作原理。步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)是指由傳感器檢測單元、單片機(jī)智能控制單元、人機(jī)對話單元和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器等組成的動力傳動系統(tǒng)。

在作業(yè)時，步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)驅(qū)動排種器轉(zhuǎn)動，它采用轉(zhuǎn)速傳感器檢測得到拖拉機(jī)作業(yè)速度并傳輸給單片機(jī)，采用人機(jī)對話裝置直接進(jìn)行播種量等參數(shù)和排種盤的結(jié)構(gòu)信息等設(shè)置并傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)再將拖拉機(jī)的作業(yè)速度、作物播種量等參數(shù)通過預(yù)先設(shè)置的控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計算，得到排種軸的旋轉(zhuǎn)速度，并通過外圍電路將控制信號傳給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)拖拉機(jī)作業(yè)速度與排種軸旋轉(zhuǎn)速度的同步。

3.2.3步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)的特點。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可保證排種器與機(jī)具前進(jìn)速度同步，實現(xiàn)高速播種。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動排種，因使用單片機(jī)控制單元，能夠時刻準(zhǔn)確地對排種軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，不會出現(xiàn)排種軸轉(zhuǎn)速的波動，大大提高了排種器工作的排種質(zhì)量和排種穩(wěn)定性。步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)的人機(jī)對話功能可以實現(xiàn)對株距等參數(shù)的設(shè)置，以適應(yīng)不同作物的生長特性需要，使用方便。 步進(jìn)電機(jī)提供的扭矩是有限的，要同時帶動幾組排種器的工作，存在很大的困難。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器正常工作需要為其提供的額定電壓與現(xiàn)在拖拉機(jī)上自帶電瓶的電壓不一樣。

3.2.4采用步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)的注意事項。步進(jìn)電機(jī)在起步的瞬間，如果輸入的播種量過大，步進(jìn)電機(jī)輸出的扭矩需要另外滿足各種額外負(fù)載的要求，比如排種器的轉(zhuǎn)動慣量、種子慣量、聯(lián)軸器慣量、聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)之間的摩擦等，所以要求當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動時，在單片機(jī)的程序中加入斜坡信號，從而使步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速分步增加，克服各種對轉(zhuǎn)動不利的轉(zhuǎn)動慣量，不至于因負(fù)載過大而不能正常工作，出現(xiàn)“失步”狀況。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動之后，負(fù)載減少并保持在相對恒定的數(shù)值，且實際需要的播種量不會發(fā)生突然變化，即控制信號的頻率不會突變，所以在啟動之后，就無需加入斜坡信號。

由于控制裝置中步進(jìn)電機(jī)的輸入為脈沖信號，當(dāng)有一個脈沖輸入時，電機(jī)輸出軸就轉(zhuǎn)動一個步距角，因此，只要改變輸入脈沖的頻率就可以改變步進(jìn)電機(jī)的速度[4]。要改變步進(jìn)電機(jī)速度可以通過單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送變頻脈沖，驅(qū)動器內(nèi)部將此脈沖信號進(jìn)行脈沖分配和功率驅(qū)動，即可實現(xiàn)精確控制步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到適時控制排種播量與開溝器前進(jìn)速度保持同步的目的。

3.3機(jī)械式無級變速器排種動力傳動系統(tǒng)

3.3.1機(jī)械式無級變速器。機(jī)械無級變速器是由變速傳動機(jī)構(gòu)、調(diào)速機(jī)構(gòu)以及輸出機(jī)構(gòu)3個部分組成的一種變速器[5]。機(jī)械無級變速器按機(jī)械傳動分有摩擦傳動、齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動等，按機(jī)構(gòu)分有剛性定軸式、變節(jié)距式、脈動式、行星式、牽引式等，而脈動式無級變速器則是由連桿或凸輪、單向離合器等機(jī)構(gòu)組合而成[6]。

3.3.2機(jī)械式無級變速器排種動力傳動系統(tǒng)的組成和工作原理。機(jī)械式無級變速器排種動力傳動系統(tǒng)是指由鍵盤顯示模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、智能控制模塊、無級變速驅(qū)動模塊等組成的驅(qū)動系統(tǒng)。

機(jī)械式無級變速器排種動力傳動系統(tǒng)中，拖拉機(jī)的后動力輸出軸提供無極調(diào)速模塊的動力，無級調(diào)速模塊驅(qū)動播種部件的運(yùn)行，替代傳統(tǒng)地輪驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動排種軸的轉(zhuǎn)動，在作業(yè)時，它利用拖拉機(jī)前輪處的旋轉(zhuǎn)編碼器采集拖拉機(jī)作業(yè)速度并傳遞給智能控制模塊，利用排種軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器采集排種軸的旋轉(zhuǎn)速度并傳遞給智能控制模塊，利用鍵盤顯示模塊將作物所需要的株距等參數(shù)以及排種盤的結(jié)構(gòu)信息等傳輸給智能控制模塊。智能控制模塊通過預(yù)先設(shè)定的算法經(jīng)過一系列比較計算將結(jié)果傳遞給無級變速驅(qū)動模塊，控制無級變速器進(jìn)行速度變化，達(dá)到無論拖拉機(jī)的作業(yè)速度如何變化，播種株距都可以保持預(yù)先設(shè)定恒定值的效果，實現(xiàn)精量播種，保證作物產(chǎn)量。

3.3.3機(jī)械式無極變速器排種動力傳動系統(tǒng)的特點。將拖拉機(jī)的后動力輸出軸作為動力源驅(qū)動排種器工作，無需額外配備動力源，使得結(jié)構(gòu)得到了簡化，增強(qiáng)了實用性，節(jié)省了成本。利用播種機(jī)的智能控制模塊，可以提高播種的均勻性和穩(wěn)定性。將機(jī)械式無級調(diào)速器成功引入排種動力驅(qū)動系統(tǒng)，實現(xiàn)了作物株距變化的連續(xù)性。機(jī)械式無級變速器自身體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

3.3.4采用機(jī)械式無級變速器驅(qū)動控制系統(tǒng)的注意事項。為了實現(xiàn)驅(qū)動模塊能夠?qū)崟r調(diào)整播量的目的，可以通過控制無級變速器的輸出轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。這需要拖拉機(jī)的作業(yè)速度與無級變速器的輸出轉(zhuǎn)速之間確定一個函數(shù)關(guān)系，函數(shù)關(guān)系確定的精確與否，直接影響播種的精確性。

機(jī)械式無級變速器的品種較多，特點各異，選擇不同品種的無級變速器，實現(xiàn)無級調(diào)速的方式就大相徑庭。為此，針對不同原理的機(jī)械式無級調(diào)速器，驅(qū)動調(diào)速的模塊設(shè)計就各不相同。

4結(jié)論與討論

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展對精密播種技術(shù)提出了更高的要求，必將促使排種動力傳動系統(tǒng)向著智能化、自動化、精確化發(fā)展。

4.1播種智能化采用地輪排種動力傳動系統(tǒng)，常常因為地輪打滑造成播種的不均勻，從根本上解決地輪打滑帶來的缺點，就應(yīng)采用全新的排種動力傳動方式，只有智能化的新型方式即利用步進(jìn)電機(jī)或利用無極變速器的動力傳動系統(tǒng)才能及時準(zhǔn)確地補(bǔ)償?shù)剌喆蚧斐傻牟チ坎痪鶆?，而實現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵在于單片機(jī)、PLC等智能元件的使用。

4.2播種自動化采用傳統(tǒng)地輪排種動力傳動系統(tǒng)，要實現(xiàn)作物株距的變化，必須手動操作更換鏈輪，通過使用不同鏈輪達(dá)到傳動比的變化，操作繁瑣，費時費力。要改變這種手動操作的方式，必須通過基于自動化的控制技術(shù)，步進(jìn)電機(jī)排種動力傳動系統(tǒng)和無級變速器動力傳動系統(tǒng)中利用驅(qū)動模塊實現(xiàn)自動化的方法就很好地解決了手動操作的缺點。

4.3播種精確化考慮到拖拉機(jī)前進(jìn)速度對播量的影響，排種器轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速同步是排種動力傳動系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題。無級變速在排種動力傳動系統(tǒng)已經(jīng)有所發(fā)展，理論上通過智能控制技術(shù)與傳感器等技術(shù)的應(yīng)用可以解決，但是，針對拖拉機(jī)前進(jìn)速度與步進(jìn)電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速或者拖拉機(jī)前進(jìn)速度與無級變速器輸出軸轉(zhuǎn)速之間，確定一套更加精確的函數(shù)算法將更有利于實現(xiàn)播種的精確化。

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Analysis of Several Common Rows of Power Transmission System

GAO Yi-xiu1, MIAO Fang2, ZHENG De-cong1*

(1.College of Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi 030801; 2.Agricultural Mechanization Technology Extension Station of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030002)

Key wordsPrecision seeding；Metering device; Power transmission system

AbstractWith the development of modern agriculture, we put forward higher request to the precision seeding technology, which requires an introduction of the existing metering device of power transmission system.Therefore, after elaborated the type of metering device, the analysis showed that the selection of power transmission system was one of the reasons for the instability of the sowing instability.Based on these, we introduced the major composition, working principle and characteristics of three types of power transmission systems, as well as the technical matters that must be paid attention to.Finally, enlightenments were put forward: sowing intelligent, automation and precision would be the future development direction of metering device power transmission system.

基金項目山西省科技攻關(guān)重大專項資助項目(20090311043)。

作者簡介高益秀(1989- )，女，山西臨縣人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與研究。*通訊作者，教授，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計與研究。

收稿日期2016-02-19

中圖分類號S 223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-287-03