2BZ-5型智能小雜糧播種機(jī)的研制與試驗(yàn)

趙 菁

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030002）

山西素有“小雜糧王國(guó)”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(qū)、西部呂梁山區(qū)以及北部高寒冷涼地區(qū)種植更加廣泛。發(fā)展特色有機(jī)旱作雜糧農(nóng)業(yè)是習(xí)近平總書(shū)記視察山西時(shí)交給山西省的重大任務(wù)。為全面落實(shí)習(xí)總書(shū)記視察山西時(shí)的重要講話精神，省政府出臺(tái)了《關(guān)于加快有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》，指出，山西省地處干旱半干旱地區(qū)，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?xiàng)l件，決定了山西必須抓特色農(nóng)業(yè)，必須抓旱作農(nóng)業(yè)，必須堅(jiān)持走精耕細(xì)作、用地養(yǎng)地、農(nóng)牧結(jié)合的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)路子，發(fā)展小而精、特而優(yōu)的區(qū)域特色產(chǎn)業(yè)。同時(shí)強(qiáng)調(diào)，需要發(fā)展農(nóng)機(jī)配套融合工程[1]。針對(duì)山西省丘陵山區(qū)多、地塊不連片、作物類型多的實(shí)際情況，堅(jiān)持自主開(kāi)發(fā)與引進(jìn)相結(jié)合，集中研發(fā)適合于丘陵山區(qū)作業(yè)的經(jīng)濟(jì)耐用、環(huán)保低耗、操作簡(jiǎn)便的小型農(nóng)機(jī)具。

2BZ-5 型智能播種機(jī)就是針對(duì)山西省典型雜糧農(nóng)藝和實(shí)際種植情況，研發(fā)的雜糧有機(jī)旱作播種機(jī)。機(jī)具采用高頻GPS 智能調(diào)節(jié)播種速度，通過(guò)芯片設(shè)定播種參數(shù)，方便快捷，播種量精確，采用伺服電機(jī)減少了龐大的機(jī)械傳動(dòng)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，有極強(qiáng)的播種適用性[2]。解決了山區(qū)丘陵地區(qū)雜糧株距、行距不一，播種深度不一，機(jī)械傳動(dòng)易出現(xiàn)缺苗等問(wèn)題，還適用于中藥材、蔬菜的播種作業(yè)。

1 2BZ-5型智能小雜糧播種機(jī)的主要研究?jī)?nèi)容

2BZ-5 型智能播種機(jī)相較于傳統(tǒng)播種機(jī)在傳動(dòng)系統(tǒng)方面將傳動(dòng)鏈輪和調(diào)節(jié)播量的機(jī)械系統(tǒng)全部簡(jiǎn)化為伺服電機(jī)控制，對(duì)排種器本身的研究已有較成熟的方案和產(chǎn)品，本研究以GPS 模塊、伺服電機(jī)的布置以及與排種器的配套為主。機(jī)具作業(yè)時(shí)通過(guò)牽引機(jī)構(gòu)掛接在拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛臂上，作業(yè)前通過(guò)計(jì)算將GPS 調(diào)速模塊設(shè)定為適合作物播種的作業(yè)速度，作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)牽引機(jī)具前進(jìn)，整地機(jī)構(gòu)將耕地平整，開(kāi)溝器開(kāi)出播種溝，GPS 調(diào)速模塊控制伺服電機(jī)播種系統(tǒng)將種子播入導(dǎo)種管落入種溝內(nèi)，仿形機(jī)構(gòu)可有效保證播種深度一致性，最后由覆土器進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓，保證出苗率（播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1）。

圖1 2BZ-5型智能小雜糧播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The 2BZ-5 intelligent minor grain crops seeder chart

1.1 GPS模塊和交互界面的設(shè)計(jì)

GPS 模塊應(yīng)包含GPS 定位系統(tǒng)和速度反饋系統(tǒng)，并應(yīng)集合伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)應(yīng)有合理的人機(jī)界面，方便調(diào)整播種參數(shù)。

1.2 伺服電機(jī)和排種器的配套設(shè)計(jì)

伺服電機(jī)通過(guò)一定機(jī)械機(jī)構(gòu)和排種器的排種軸相連，同時(shí)需要結(jié)合排種器大小確定固定的傳動(dòng)比例，最終得到伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與排種量的比值，作為GPS模塊調(diào)整計(jì)算的依據(jù)。

1.3 仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

仿形機(jī)構(gòu)應(yīng)隨地面起伏而隨時(shí)調(diào)整開(kāi)溝器高度，與傳統(tǒng)播種機(jī)采用四連桿的仿形機(jī)構(gòu)不同，智能播種機(jī)無(wú)需考慮仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，因此采用單桿仿形即可。

2 2BZ-5型智能播種機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 行走速度

播種機(jī)作業(yè)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(hào)漂移，同時(shí)減小振動(dòng)對(duì)排種器的影響，作業(yè)速度有一個(gè)合適的范圍，采用22.06 kW拖拉機(jī)勻速行駛，該機(jī)作業(yè)速度為5 km/h≤Vm≤10 km/h。

2.2 播種效率

根據(jù)機(jī)具的幅寬和作業(yè)速度，按下式計(jì)算生產(chǎn)率T：

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

T=0.525～1 hm2/h。

3 2BZ-5型智能小雜糧播種機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 牽引機(jī)構(gòu)

牽引機(jī)構(gòu)分為上牽引桿1 和下懸掛頭2，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。上牽引桿通過(guò)圓柱銷連接在機(jī)架上，下懸掛頭焊接在機(jī)架上。上牽引桿與拖拉機(jī)縱拉桿通過(guò)圓柱銷連接，下懸掛頭固定在橫拉桿上。工作時(shí)機(jī)具為牽引式，上牽引桿僅起到限位作用，機(jī)具的拖拽依靠下懸掛頭；在非作業(yè)狀態(tài)行走時(shí)可通過(guò)升起后三點(diǎn)懸掛將機(jī)具抬升。同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)縱拉桿改變上牽引桿角度可對(duì)機(jī)具進(jìn)行一定的角度調(diào)整。

圖2 牽引機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure drawing of traction mechanism

3.2 機(jī)架

為了減輕整機(jī)質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，機(jī)架選用80 規(guī)格的方鋼焊接，方鋼之間采用預(yù)先切割接口、整體利用工裝的方法進(jìn)行焊接。機(jī)架整體長(zhǎng)度根據(jù)各機(jī)構(gòu)安裝位置，各部件尺寸綜合確定（機(jī)架結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2），再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)整合，減小土壤作用力對(duì)拖拉機(jī)的翻轉(zhuǎn)力矩。

圖3 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The frame structure drawing

3.3 GPS調(diào)速模塊

3.3.1 GPS介紹

GPS 即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)包括太空中的24 顆GPS 衛(wèi)星；地面上1 個(gè)主控站、3 個(gè)數(shù)據(jù)注入站和5 個(gè)監(jiān)測(cè)站及作為用戶端的GPS 接收機(jī)。最少只需其中3 顆衛(wèi)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(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確[4]。GPS 系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成。用戶設(shè)備主要為GPS 接收機(jī)，主要作用是從GPS 衛(wèi)星收到信號(hào)并利用傳來(lái)的信息計(jì)算用戶的三維位置及時(shí)間。GPS的功能很多，既能用于天文臺(tái)、通訊基站的精確定時(shí)，又能用于橋梁、隧道等施工中的工程測(cè)量，還能用于野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中的勘探測(cè)繪；既能為車輛、船舶、飛機(jī)等交通工具導(dǎo)航，還可以為手機(jī)、PDA、PPC 等通信移動(dòng)設(shè)備提供定位。在農(nóng)業(yè)上主要用于農(nóng)機(jī)具導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛、土地高精度平整等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)。

3.3.2 模塊組成

模塊作為機(jī)具的核心，一方面需要及時(shí)獲取GPS 坐標(biāo)得到瞬時(shí)速度，一方面需要集成人機(jī)交互系統(tǒng)并且正確驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。因此模塊應(yīng)包括以下幾部分：①GPS 系統(tǒng)；②數(shù)據(jù)處理芯片；③人機(jī)交互屏幕和按鈕；④伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于模塊由外協(xié)完成，項(xiàng)目組主要對(duì)模塊的性能進(jìn)行了制定，同時(shí)設(shè)計(jì)了交互界面。

（1）模塊設(shè)計(jì)

GPS模塊工作邏輯見(jiàn)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(shè)計(jì)

交互界面主要包括確認(rèn)按鈕、模式切換按鈕以及“+”“-”兩個(gè)調(diào)節(jié)株距按鈕（見(jiàn)圖5）。模塊側(cè)面有開(kāi)關(guān)按鍵，工作時(shí)將模塊接到拖拉機(jī)電瓶端子，輸出端接伺服電機(jī)。打開(kāi)開(kāi)關(guān)后可以按模式按鈕切換手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式可設(shè)置固定轉(zhuǎn)速，自動(dòng)模式為GPS 模塊根據(jù)拖拉機(jī)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

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

3.4 伺服電機(jī)播種系統(tǒng)

3.4.1 伺服電機(jī)介紹

伺服電機(jī)（servo motor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確[5]。綜合伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)性能和機(jī)具需求，考慮到播種機(jī)構(gòu)中排種器對(duì)速度均勻性、一致性和穩(wěn)定性的要求，選擇伺服電機(jī)作為機(jī)具動(dòng)力，通過(guò)考察市場(chǎng)，選取漢舉電子的90ZYT60HM 型伺服電機(jī)和控制系統(tǒng)，該電機(jī)為直流電機(jī)，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(tǒng)后續(xù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

3.4.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

伺服播種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖6 所示，包括：電機(jī)、傳動(dòng)鏈輪、排種器長(zhǎng)軸和傳動(dòng)鏈輪。伺服電機(jī)接受到GPS 模塊控制信號(hào)后以一定速度轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)鏈輪減速后將動(dòng)力傳輸至排種器長(zhǎng)軸帶動(dòng)排種器工作。

圖6 播種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The transmission system structure drawing of seeding mechanism

3.4.3 仿形機(jī)構(gòu)

仿形機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、固定卡、仿形搖臂、復(fù)位彈簧、落種管、以及開(kāi)溝器6個(gè)部分。機(jī)構(gòu)工作原理等效于一桿可變（彈簧）的四桿機(jī)構(gòu)。

圖7 播種機(jī)仿形機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The copying mechanism diagram of seeder

4 試驗(yàn)情況

項(xiàng)目試制完成2BZ-5 型智能播種機(jī)一臺(tái)，于項(xiàng)目執(zhí)行期內(nèi)進(jìn)行了空地試驗(yàn)和實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)。2019年初在企業(yè)廠區(qū)進(jìn)行2BZ-5 型智能播種機(jī)下種測(cè)試，通過(guò)變換拖拉機(jī)速度檢驗(yàn)GPS模塊是否滿足播種均勻性要求；2019年5月17日于長(zhǎng)治縣信義進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，進(jìn)行谷子和玉米播種。具體試驗(yàn)情況見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)情況表Tab.1 The test fact sheet

5 結(jié)語(yǔ)

2BZ-5型智能播種機(jī)采用GPS捕捉機(jī)具行走速度可徹底避免地輪動(dòng)力系統(tǒng)由于地輪打滑帶來(lái)的播種均勻性差等問(wèn)題，同時(shí)由于無(wú)需對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行任何改裝，也不需要綁定拖拉機(jī)參數(shù)，通用性極強(qiáng)。并且通過(guò)優(yōu)化控制模塊大大減少了GPS 漂移帶來(lái)的影響，與國(guó)內(nèi)同類機(jī)具相比，穩(wěn)定可靠，通用性強(qiáng)，填補(bǔ)了雜糧有機(jī)旱作播種機(jī)具的市場(chǎng)空白，可進(jìn)一步節(jié)省人工費(fèi)用，促進(jìn)全省特色雜糧種植產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。