玉米免耕播種機(jī)播種深度控制系統(tǒng)研究分析

錢巍 馬世榜

摘要：在總結(jié)國(guó)內(nèi)外玉米播種機(jī)播種深度控制相關(guān)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)播種深度控制系統(tǒng)存在的主要問題，從提高開溝器振動(dòng)性能、改進(jìn)播深機(jī)電液自動(dòng)控制裝置、建立玉米播種機(jī)信息模型、增強(qiáng)仿形裝置性能等方面展望播種深度控制系統(tǒng)研發(fā)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：免耕播種機(jī);播深穩(wěn)定性;仿形機(jī)構(gòu);動(dòng)力學(xué)模型

中圖分類號(hào)：S223.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2018）05-0071-03

播深穩(wěn)定性對(duì)玉米的出苗、生長(zhǎng)、產(chǎn)量有很大影響，是評(píng)價(jià)玉米播種機(jī)播種性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在保護(hù)性耕作條件下，免耕播種機(jī)在覆蓋殘茬的地表播種時(shí)，對(duì)播種深度的控制受較大影響。播種深度由開溝、排種、覆土、鎮(zhèn)壓等一系列環(huán)節(jié)確定，且與播種機(jī)開溝器開出種溝的土壤條件密切相關(guān)，任何環(huán)節(jié)都有可能影響種子在土壤中的最終分布狀態(tài)，進(jìn)而影響播種質(zhì)量。在播種過(guò)程中，開溝器結(jié)構(gòu)、限深機(jī)構(gòu)、懸拉桿仿形機(jī)構(gòu)、覆土鎮(zhèn)壓裝置是決定播深穩(wěn)定性的重要因素，也是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。

1 玉米免耕播種機(jī)播種深度控制系統(tǒng)研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外情況

20世紀(jì)40年代，國(guó)外研究人員開始研究播種機(jī)關(guān)鍵部件，研制開發(fā)出多種工作性能良好的播種機(jī)型，并在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛推廣。土耳其學(xué)者研究播種深度對(duì)出苗時(shí)間和產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)2種氣力式玉米播種機(jī)的播種速度為1.6 m/s時(shí)，適宜播種深度為60 mm。此后，A.Ozmerzi等通過(guò)研究影響播深穩(wěn)定性的因素（如溝底粗糙度、土壤緊實(shí)度等），確定了開溝器的最佳性能參數(shù)。

開溝深度對(duì)播種深度的影響尤為重要。國(guó)外玉米播種機(jī)控制開溝深度的方式主要有2種：主動(dòng)控制和被動(dòng)控制。德國(guó)Amazone公司研制一種電子深度控制裝置，其將超聲波探測(cè)器安裝在開溝器上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開溝深度并通過(guò)液壓系統(tǒng)及時(shí)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到開溝深度一致。美國(guó)JohnDeere公司生產(chǎn)的多種型號(hào)播種機(jī)的圓盤開溝器側(cè)面裝有橡膠限深輪，用來(lái)控制圓盤開溝器開溝深度。E.T.Weatherly與C.G. Bowers Jr基于干燥面?zhèn)鞲衅鳎╠rying front sensor，DFS）研制一種主動(dòng)式播種深度自控系統(tǒng)，通過(guò)檢測(cè)土壤電阻得到土壤含水率，再通過(guò)控制器、液壓系統(tǒng)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等將圓盤開溝器調(diào)整至合適位置，確保將種子播在土壤含水率合適的深度。前蘇聯(lián)的亞列敏科設(shè)計(jì)的開溝器仿形自動(dòng)調(diào)深機(jī)構(gòu)（如圖1所示），通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)懸拉桿系統(tǒng)中的彈簧壓力提高開溝器的穩(wěn)定性。麥賽—福克森公司生產(chǎn)的MF-30型播種機(jī)通過(guò)液壓油缸控制單圓盤開溝器懸拉桿的高低來(lái)控制播深（如圖2所示）;此外，他們利用空氣—干土和濕土之間的導(dǎo)電性能差異作為調(diào)整播深信號(hào)，研制一種電傳感播深控制系統(tǒng)，其靈敏度可以保證播種機(jī)開溝器的深度調(diào)節(jié)要求。

國(guó)外知名農(nóng)機(jī)公司如約翰迪爾（John Deere）、凱斯紐荷蘭（CNH）、大平原（Great Plain）、滿勝（Monosem）、格蘭（Kvemeland）等不斷將新技術(shù)、新工藝、新材料應(yīng)用于玉米播種機(jī)，研制出許多成熟的機(jī)型，在播種質(zhì)量控制尤其是播深穩(wěn)定性方面取得了很大進(jìn)展。多數(shù)播種機(jī)采用平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，利用雙側(cè)橡膠輪或后鎮(zhèn)壓輪限深確保開溝深度一致和仿形限深準(zhǔn)確、可靠。播種單體上安裝機(jī)械式播深控制系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)播種深度，保證播種深度一致。但國(guó)外玉米播種機(jī)大多工作幅寬大、轉(zhuǎn)彎半徑大、價(jià)格昂貴，雖然技術(shù)上先進(jìn)成熟，但與我國(guó)農(nóng)村作業(yè)地塊小、拖拉機(jī)動(dòng)力小的國(guó)情不相適應(yīng)，不能完全滿足我國(guó)的播種技術(shù)要求。

1.2 國(guó)內(nèi)情況

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者對(duì)仿形機(jī)構(gòu)和播種深度進(jìn)行研究，希望通過(guò)仿形控制播種深度穩(wěn)定性。

包文育通過(guò)分析播種機(jī)組理論，建立玉米播種機(jī)橫向穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，對(duì)于播深穩(wěn)定性的研究具有借鑒意義。王熙等人設(shè)計(jì)一種電液自控式平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，通過(guò)分析仿形能力、仿形精度、靈敏度調(diào)整作業(yè)深度，實(shí)現(xiàn)播深的精確控制。

蔡國(guó)華等人開發(fā)設(shè)計(jì)一種基于ATmega128單片機(jī)的開溝深度自控系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)（如圖3所示），實(shí)現(xiàn)開溝深度跟蹤控制。但免耕播種的地表情況復(fù)雜，土壤堅(jiān)實(shí)度差異較大，僅靠超聲波傳感器檢測(cè)到的地面起伏變化調(diào)整播種單體的上下浮動(dòng)，很難使播種深度的一致性達(dá)到預(yù)期效果。

趙金輝等人設(shè)計(jì)一種包括地表高度檢測(cè)機(jī)構(gòu)、四連桿仿形機(jī)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的開溝深度控制統(tǒng)（如圖4所示），既實(shí)現(xiàn)了開溝深度的實(shí)時(shí)精確控制，又實(shí)現(xiàn)了開溝深度的同步仿形，滿足開溝深度穩(wěn)定性要求。

黃東巖等人設(shè)計(jì)一種主動(dòng)作用式播種深度自動(dòng)控制系統(tǒng)（如圖5所示），通過(guò)PVDF壓電薄膜傳感器測(cè)量免耕播種機(jī)限深輪的胎面形變量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種單體對(duì)地表壓力。當(dāng)播種單體對(duì)地壓力不足時(shí)，控制安裝在播種機(jī)機(jī)架與播種單體四連桿間安裝空氣彈簧產(chǎn)生推力，從而保證播種深度的一致性。試驗(yàn)結(jié)果表明，其作業(yè)速度為5～8 km/h時(shí)，播深合格率達(dá)到90%。

李玉環(huán)等人從種子上層土壤厚度測(cè)控角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種覆土—鎮(zhèn)壓聯(lián)動(dòng)智能監(jiān)控系統(tǒng)。田間測(cè)試結(jié)果表明，此系統(tǒng)在高速播種作業(yè)時(shí)播種深度的一致性較高。

2 玉米免耕播種機(jī)播種深度控制系統(tǒng)研究存在的問題

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)國(guó)外玉米播種機(jī)消化、吸收、創(chuàng)新后，研制出多種機(jī)型，但田間作業(yè)的播種性能均不理想，主要存在以下問題。

1） 受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和測(cè)試技術(shù)手段的限制，對(duì)播深穩(wěn)定性的研究仍沿用田間試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模擬法，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家存在著一定的差距。

2） 雖然針對(duì)播種單體建立了動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，但仍停留在靜態(tài)學(xué)理論分析上，未能從動(dòng)態(tài)學(xué)研究播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性。

3） 目前研究人員偏重于排種器、仿形機(jī)構(gòu)、開溝器等的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)研究，或是研制不同仿形機(jī)構(gòu)在播種機(jī)上進(jìn)行對(duì)比分析應(yīng)用，而對(duì)種子觸土后實(shí)際播深控制等方面的研究較少。國(guó)內(nèi)采用較多的機(jī)械式仿形裝置，雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和投入成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其在跟蹤地表起伏的精確度和快速性方面并不理想。另外，對(duì)影響播深精確的控制系統(tǒng)及其相關(guān)的傳感器檢測(cè)技術(shù)、控制策略及控制算法的研究還不夠深入，使得實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中播深和株距控制精度的提高受到很大限制。

3 玉米免耕播種機(jī)播種深度控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

影響開溝深度穩(wěn)定性的主要因素是開溝器的振動(dòng)性能，從動(dòng)力學(xué)振動(dòng)角度來(lái)研究開溝器的振動(dòng)性能，改變開溝器懸掛結(jié)構(gòu)或在開溝器上裝上液壓阻尼器，可以提高其與土壤作用時(shí)的減震性能。

建立田間玉米播種機(jī)工作的信息模型，求取以地表不平度和播種機(jī)的工作阻力為輸入、以播種深度為輸出的系統(tǒng)傳遞函數(shù)并對(duì)其進(jìn)行研究，然后設(shè)計(jì)出新型仿形機(jī)構(gòu)，可以提高仿形裝置的性能，減少玉米播種機(jī)縱向波動(dòng)，從而提高播種深度穩(wěn)定性。

開發(fā)開溝深度電液自控裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)調(diào)節(jié)開溝深度來(lái)提高開溝深度穩(wěn)定性，從而改善播種深度穩(wěn)定性。受開溝器與仿形輪、覆土器及鎮(zhèn)壓輪等部件結(jié)構(gòu)尺寸的限制，目前大多數(shù)精密播種機(jī)單體仍采用前仿形或后仿形方式控制播深，存在仿形提前或滯后現(xiàn)象，影響播種深度一致性。為滿足目前大型精密播種對(duì)精確控制播深和提高仿形裝置靈敏度的要求，利用機(jī)、電、液相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)由平行四桿機(jī)構(gòu)與電液自動(dòng)仿形系統(tǒng)結(jié)合的免耕播種機(jī)播深控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)播種深度精確控制。

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Research Status of Seeding Depth Control System of Maize No-Tillage Seeder

QIAN Wei1， MA Shibang2

（1. College of Mechanic and Electronic Engineering， Hebi Polytechnic， Hebi Henan 458030， China; 2. College of Mechanic and Electronic Engineering， Nanyang Normal University， Nanyang Henan 473061， China）

Abstract： On the basis of summarizing the research status of seeding depth control of maize seeder at home and abroad， for the main problems of sowing depth control system， the research and development trend of seeding depth control system is forecasted from the aspects such as improving the vibration performance of trenching opener， improving the electromechanical and hydraulic automatic control device for deep seeding， establishing the information model of corn planter and enhancing the performance of profiling device.

Key words： no-till planter; sowing depth stability; profiling mechanism;dynamical model