懸浮式水果玉米精播種植一體機(jī)設(shè)計研究

馬 靜，曾建寧

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750001）

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

從集成化角度出發(fā)設(shè)計整機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分見圖1，機(jī)械前方設(shè)置旋耕開溝部件，可以在開溝刀盤、軸承等的輔助下，完成開溝、旋耕操作，為后續(xù)的滲灌管下埋奠定基礎(chǔ)。中部設(shè)置固定橫梁，播種、排肥等管線均固定于此，排肥管線由地輪傳動裝置帶動、控制，播種器采用單獨(dú)電機(jī)控制，另外設(shè)置滲灌管卷盤，可以在溝槽開挖完成后進(jìn)行下放。機(jī)構(gòu)后側(cè)為覆膜機(jī)構(gòu)，裝設(shè)有2個鎮(zhèn)壓輥，通過拉桿、壓簧完成定位，表層采用防滑齒設(shè)計，可以避免打滑壅土等問題，整個機(jī)構(gòu)在傳動系統(tǒng)支撐下穩(wěn)定前進(jìn)，操作人員可以根據(jù)實(shí)際情況控制調(diào)速。

圖1 懸浮式水果玉米精播種植一體機(jī)主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Themain structure of suspension type sweet maizefine sowing and planting machine

其運(yùn)作原理較為簡單，主要采用三點(diǎn)懸掛式方案，與前方拖拉機(jī)機(jī)械掛接，動力經(jīng)由萬向節(jié)傳遞，并與變速箱完成交互，拖拉機(jī)動力為22.1～36.8 kW，能夠較好地滿足兩行玉米耕種需求。變速箱外部與多個構(gòu)件連接，可以控制旋耕軸開溝運(yùn)作，下方附帶清溝刨土組件，可以在開溝作業(yè)完成之后，對多余的泥土進(jìn)行鏟除處理，保障截面形狀完好性。整個種植機(jī)械前進(jìn)環(huán)節(jié)，地輪與地面始終貼合運(yùn)轉(zhuǎn)，提供的動力帶動排肥軸運(yùn)行，傳送的物料通過軟管落入種溝之中，播種機(jī)則采用步進(jìn)電機(jī)方案設(shè)計，接收到脈沖信號后對應(yīng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，達(dá)成精量播種目標(biāo)，實(shí)踐運(yùn)行過程中，操作人員還可以通過變速齒輪、排種器的調(diào)整，對播種范圍及種粒大小進(jìn)行控制。播種完成后覆土、鎮(zhèn)壓。通過懸浮架可調(diào)地輪高低，以此保證播種均勻、深淺一致及覆土良好。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及部件設(shè)計

2.1 滲灌管結(jié)構(gòu)

裝置本身包含開溝器、管盤，分別負(fù)責(zé)溝槽開挖、管線下放，同時配備支撐輪架和覆土器，可以對放置好的管線進(jìn)行埋藏防護(hù)。材料選型環(huán)節(jié)，使用聚乙烯再生塑料管，管徑控制在16～18 mm，外部包裹多微孔塑膠管，借助專用打孔器優(yōu)化處理，以30 cm為間距進(jìn)行分段，孔洞直徑1 cm，每段打孔3個，注意相鄰孔洞間距不要小于1.75 cm。鉆孔完畢后，將塑料管逐個套入質(zhì)地柔軟的多微孔塑膠管，將出水孔完全覆蓋即可。沒有特殊要求的情況下，管線滲水節(jié)長度控制在8 cm為佳，埋藏深度大約30 cm。將安裝完成的滲灌管放置在復(fù)合種植機(jī)械中，后期直接遠(yuǎn)程控制、定點(diǎn)灌溉，澆水后土體表層仍能維持蓬松狀態(tài)，保障水分充足性的同時促進(jìn)養(yǎng)分吸收。

2.2 施肥結(jié)構(gòu)

機(jī)械施肥模塊配備了施肥箱、施肥器、排肥管等，施肥器作為核心部分直接影響出料均勻性、精確性，本次設(shè)計中采用外槽輪式結(jié)構(gòu)，外部與軸承、阻塞套等連接，正式運(yùn)行時槽輪齒不斷旋轉(zhuǎn)，將肥料推進(jìn)施肥管，兩側(cè)安裝阻塞套，可以避免肥料異常漏出（見圖2）。施肥器主要安裝于地輪傳動系統(tǒng)上，該系統(tǒng)僅負(fù)責(zé)肥料軸的動力輸入，可以牽動排肥軸運(yùn)作，保障玉米肥料順利落入溝槽?？紤]到水果玉米種植環(huán)節(jié)，地面可能存在留茬問題，地表的秸稈覆蓋物也會加劇不平整現(xiàn)象，從而影響施肥均勻性，造成肥料過剩、土壤板結(jié)等狀況，因此保證傳動系統(tǒng)穩(wěn)定性就成為了設(shè)計重點(diǎn)、難點(diǎn)問題。為保障穩(wěn)定性，將地輪安裝于機(jī)械主梁之上，借助軸承固定安裝，支持中心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)施肥環(huán)節(jié)出現(xiàn)地表顛簸、起伏問題時，地輪伴隨機(jī)構(gòu)上下轉(zhuǎn)動，下端受拉簧拉結(jié)作用完成緊固，整個輪體始終緊貼地面，同時在輪體周邊焊接防滑齒，可以較好地避免打滑問題。

圖2 外槽輪式施肥器Fig.2 Outer groove wheel fertilizer

2.3 精量播種方案設(shè)計

2.3.1 排種器選擇

精量播種機(jī)的性能主要由排種器決定，在整個機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中有著極為關(guān)鍵的地位。目前，市面上普遍采用兩種播種器：第一種是氣力式排種器。氣力式排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高，特點(diǎn)是對種子大小、形狀的適應(yīng)性較強(qiáng)、充種效果好、工作速度能達(dá)到10 km/h，適宜高速作業(yè)，但當(dāng)氣壓不夠時會出現(xiàn)密播現(xiàn)象。此外，氣力式排種器適宜于豆類等圓形種子，對于玉米非類圓形種子漏播率較高、動力消耗大，特別是在地頭密播、重播嚴(yán)重，與項(xiàng)目設(shè)計不符。另一種是機(jī)械式精量排種器，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，操作方便，易于維護(hù)，機(jī)器運(yùn)行功耗小，基本不產(chǎn)生噪聲，加之當(dāng)前廣泛采用優(yōu)良種子，能夠較好地保證播種質(zhì)量。此外，機(jī)械式播種器非常適合中西部地區(qū)，因?yàn)樵谥形鞑康貐^(qū)水果玉米多為小規(guī)模生產(chǎn)，機(jī)械式精量排種器較氣力式更為適用，因此，本結(jié)構(gòu)采用勺輪式精量排種器。

2.3.2 精量播種控制系統(tǒng)設(shè)計

本結(jié)構(gòu)選用的電機(jī)驅(qū)動器、旋轉(zhuǎn)編碼器輸入電壓均為直流24 V，拖拉機(jī)電源輸出為直流12 V，因此選用一個升壓模塊滿足電源需求。精量播種控制系統(tǒng)：光電編碼器和驅(qū)動輪同軸安裝，用來檢測輪速變化，并將該信號傳送到Arduino，Arduino將信號處理后轉(zhuǎn)換為步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制排種器，播種速度決定排種量的大小。光電編碼器通過驅(qū)動輪檢測播種機(jī)的運(yùn)行速度，并以脈沖形式將檢測信號發(fā)送Arduino AFMotor電機(jī)擴(kuò)展板，通過高速計數(shù)器端口接收并在內(nèi)部進(jìn)行處理，將其作為高速脈沖輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動安裝在排種器軸上的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動排種器排種。當(dāng)播種機(jī)的播種速度需要調(diào)整時，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速就會發(fā)生相應(yīng)的變化，編碼器會產(chǎn)生不同的脈沖數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)速相應(yīng)發(fā)生變化，從而控制排種器的排種量按需變化，實(shí)現(xiàn)精量播種，見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Control system structure drawing

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，與PLC單片機(jī)相比，Arduino具有編程簡單，操作方便，價格便宜，性能可靠，更適合苛刻工作條件等諸多優(yōu)點(diǎn)。

用Arduino的擴(kuò)展板接DM542驅(qū)動器來控制57步進(jìn)電機(jī)采用共陰極接法，即ENA不接，PUL-與DIR-串接單片機(jī)GND,PUL+接單片機(jī)9口給脈沖，DIR+接8口給高低電平（高電平正轉(zhuǎn)，低電平反轉(zhuǎn)），驅(qū)動器輸出端A+接紅，A-接綠，B+接黃，B-接藍(lán)，供電直流24 V。定義引腳8作為方向控制，定義了9號引腳作為PWM引腳，需要將這引腳接入PUL端。程序定義方向，stepper_direction=true，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；stepper_direction=false反轉(zhuǎn)，部分源代碼見圖4。

圖4 部分源代碼Fig.4 Partial source code

2.4 覆膜結(jié)構(gòu)

（1）拉膜機(jī)構(gòu)設(shè)計。覆膜栽培技術(shù)綜合性能優(yōu)良，可以起到保溫保濕的作用，抑制水果玉米田間雜草生長的同時，起到增產(chǎn)防寒等作用，在干旱、半干旱地區(qū)應(yīng)用尤為廣泛。覆膜結(jié)構(gòu)工作環(huán)節(jié)，順膜裝置會在電動機(jī)控制下運(yùn)作，從薄膜卷支機(jī)構(gòu)中拉出薄膜，膜體隨地輪前進(jìn)方向不斷舒展，壓輥機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)壓緊邊緣，后部覆土裝置原地取土并覆蓋壓實(shí)，完成整個覆膜作業(yè)。覆膜過程采用全自動控制，薄膜展開、壓實(shí)過程更加連續(xù)，可以防止膜體被大風(fēng)揭起，減少病蟲、鳥獸損壞風(fēng)險，內(nèi)部構(gòu)件起微型溫棚，地溫條件得到改善，水果玉米的生長、發(fā)育也更有保障。覆膜參數(shù)選擇是該結(jié)構(gòu)設(shè)計重點(diǎn)環(huán)節(jié)，科學(xué)的參數(shù)設(shè)定可以防止應(yīng)力不均、應(yīng)力過大問題，規(guī)避薄膜破損、拉裂等情況。考慮到膜體本身屬于柔性材料，因此借助曲率變化法進(jìn)行分析，取任兩點(diǎn)作參照，假設(shè)其受到的應(yīng)力為δ1和δ2，那么主應(yīng)力計算方法可以表達(dá)為（式中δ1、δ2以及ξxy均代表分應(yīng)力）：

當(dāng)δ1的值大于0時，薄膜處于純拉狀態(tài)，當(dāng)δ1大于0而δ2小于等于0時，則薄膜進(jìn)入單向褶皺狀態(tài)，當(dāng)δ1小于等于0時，薄膜處于雙向褶皺狀態(tài)。機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)可以結(jié)合計算公式、預(yù)設(shè)參數(shù)等，對拉膜速度、壓膜操作等進(jìn)行控制，防止薄膜破裂、拉斷等問題。

（2）壓膜覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計。覆土裝置是本次種植機(jī)械設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，內(nèi)部主要配備覆土輪、壓膜輪等，壓膜控制精準(zhǔn)度至關(guān)重要，設(shè)計不當(dāng)容易造成褶皺、破裂等問題，影響覆膜技術(shù)保溫保墑能力，造成水果玉米總產(chǎn)量的下降。其中壓膜輪作用較為簡單，可以將地膜兩側(cè)壓入膜溝，防止跑動，輪體材料較為多樣，金屬、尼龍、橡膠等均是常見選項(xiàng)，本次設(shè)計中綜合實(shí)際需求分析，最終選用了實(shí)心橡膠輪體材料，可以最大限度保證壓實(shí)效果。此外壓膜輪輪緣寬度、直徑、總量等同樣會影響壓膜質(zhì)量，選定的參數(shù)組合應(yīng)當(dāng)具有精準(zhǔn)性高、適配性好的特征，滿足輪體自由轉(zhuǎn)動需要。半徑可采用如下公式計算：

式中：R——壓膜輪半徑，cm；h——下壓深度，cm；β——壓膜輪翻轉(zhuǎn)角度，°。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計算后，將壓膜輪半徑設(shè)置為300 mm，寬度設(shè)置為45 mm，保障膜體壓入溝底的同時，減少破裂風(fēng)險。

2.5 控制及通訊結(jié)構(gòu)

除覆膜結(jié)構(gòu)、播種施肥結(jié)構(gòu)、農(nóng)藥噴灑結(jié)構(gòu)外，設(shè)計環(huán)節(jié)還重點(diǎn)關(guān)注了控制、通訊系統(tǒng)裝配問題，同樣引入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)總控，單片機(jī)裝置分別布設(shè)于拖拉機(jī)、復(fù)合種植機(jī)之上，內(nèi)嵌nRF905射頻模塊，可以在射頻功能幫助下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線通訊，從而起到節(jié)省成本、簡化線路的作用，單片機(jī)內(nèi)部集成度較高，布線簡潔且指令程序以固化形式存在于ROM中，可以較好地規(guī)避無線電、電磁波信號干擾，額定工作電壓僅有1.8～3.6 V，能夠較好地適應(yīng)農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)環(huán)境。拖拉機(jī)內(nèi)部額外安裝高敏度傳感器，可以實(shí)時接收速度信息，轉(zhuǎn)化為可識別電信號后送入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)信號內(nèi)容、設(shè)定參數(shù)作出分析，并將對應(yīng)數(shù)量的脈沖信號傳送給步進(jìn)電機(jī)，完成均勻排種、自動控制目標(biāo)。

3 田間試驗(yàn)過程及結(jié)果

機(jī)械設(shè)計完畢后，在某水果玉米種植基地進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)地海拔291 m，土質(zhì)為砂壤，pH值為5.79～6.34，灌溉條件、地形條件較好，選用當(dāng)?shù)嘏从衩灼贩N作為試驗(yàn)材料。2021年7月初開展，采用寬窄行直播方式，寬行1.2 m，窄行0.4 m，植株間距控制在0.25 m左右，密度48 700株/hm2。采用的拖拉機(jī)動力為47.52～55.18 kW，播種深度在30～50 mm，噴藥量550～780 kg/hm2，見表1。結(jié)果顯示：機(jī)具運(yùn)行狀況較為平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)良好，可以在單次作業(yè)中同時完成滲灌管下放、破茬旋耕、施肥播種等多項(xiàng)工作。

表1 機(jī)械在水果玉米種植基地試驗(yàn)運(yùn)行測試結(jié)果Tab.1 Test results of mechanical operation in sweet maize planting base

檢測后發(fā)現(xiàn)機(jī)具運(yùn)行狀況較為平穩(wěn)，各項(xiàng)指標(biāo)良好，可以在單次作業(yè)中同時完成滲灌管下放、破茬旋耕、施肥播種等多項(xiàng)工作，覆膜表現(xiàn)較高，膜體兩側(cè)均被壓入溝底，且不存在破裂問題。節(jié)水功能是該設(shè)計的一大亮點(diǎn)，內(nèi)部配備的滲灌管卷盤可以自動完成管線下方，與傳統(tǒng)溝灌相比節(jié)水量可達(dá)75%～80%，與現(xiàn)有的滴灌、滲灌技術(shù)相比也可以節(jié)省用水35%～50%，操作時注意做好管線安裝，尤其關(guān)注連接部分的滲漏情況，采用必要措施進(jìn)行密封加固。此外對機(jī)械排種穩(wěn)定性進(jìn)行了專項(xiàng)檢測，測試量為12行，穩(wěn)定性計算公式如下：

式中：S——各行種量標(biāo)準(zhǔn)偏差；Xi——每行排量；-X——平均排量；n——測定行數(shù)；V——各行排種量的一致性變異系數(shù)。

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)各排量標(biāo)準(zhǔn)差為0.174 g，總排量標(biāo)準(zhǔn)差為1.532 g，計算得到的穩(wěn)定性變異系數(shù)約為3.326%，能夠滿足水果玉米種植需求。

4 結(jié)語

綜上所述，本文設(shè)計的多功能、復(fù)合式水果玉米種植機(jī)械，裝配滲灌管卷盤、薄膜卷支及壓輥機(jī)構(gòu)、破茬開溝裝置等，可以一次性完成旋耕、播種、施肥等工序，農(nóng)藥噴灑機(jī)構(gòu)及總控機(jī)構(gòu)中融合使用了單片機(jī)技術(shù)，可以實(shí)時采集拖拉機(jī)的速度參數(shù)，并通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，現(xiàn)場檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)行良好，與傳統(tǒng)灌溉方式相比節(jié)省水源35%～50%，播種環(huán)節(jié)穩(wěn)定性變異系數(shù)控制在3.326%，性能十分優(yōu)良。