幾種常見的排種動力傳動系統分析

高益秀, 苗 芳， 鄭德聰*　(.山西農業大學工學院，山西太谷 03080；.山西省農業機械化技術推廣總站，山西太原 03000)

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幾種常見的排種動力傳動系統分析

高益秀1, 苗 芳2， 鄭德聰1*(1.山西農業大學工學院，山西太谷 030801；2.山西省農業機械化技術推廣總站，山西太原 030002)

摘要隨著現代農業的發展，對精密播種技術提出了更高的要求，這就需要對現有的排種器動力傳動系統進行分析。為此，在簡述排種器類型之后，分析說明播量不穩的原因之一就是排種動力傳動系統的選取，在此基礎上介紹了3種類型的排種動力傳動系統的重要元件、組成、工作原理、特點以及必須注意的技術事項，進而得出播種智能化、自動化、精確化將是未來排種動力傳動系統的發展方向。

關鍵詞精密播種；排種器;動力傳動系統

機械化播種作為現代化農業發展的必然方向，一些新型的技術必將推動它快速發展。播種機是機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代農業播種優良與否的又一個關鍵性指標。要實現精密播種就是要實現株距范圍的連續變化，即實現排種器轉速的無級變化。要實現自動化、智能化就是要實現現代電子產業在農業機械中的應用，即智能控制模塊以及自動檢測模塊在現代農業中的應用。對于任何播種機來說，排種器都是其關鍵部件之一，直接決定播種機的播種質量和播種性能。因此，在設計排種器時，應充分考慮播種量穩定性、排種均勻性、傷種率、通過性、調整方便性、工作可靠性等因素[1]，而排種動力傳動系統的好壞則直接影響排種器的上述因素，是實現優良播種的重要環節，因此，對排種動力傳動系統的研究有重要意義。

1排種器簡述

隨著全球的播種技術跨入精密、精準、智能播種時代，我國的播種技術也得到了快速的發展。排種器是播種機上的關鍵部件，直接影響播種機的播種質量[2]。排種器按工作原理可以分為機械式和氣力式兩大類型，常見的機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排種器播量不準確的原因分析

機械播種技術作為現代農業機械化的重要組成部分，是大面積播種的關鍵。播種質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近能否達到農藝要求則是衡量播種質量的關鍵指標。當播量超過規定播量的3%或低于規定播量的2%，即為播量不準確。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減少，導致作物單位面積產量下降。播種的播量過多，作物株距過小，造成植株營養不足，雖然單位面積的作物苗數不減，但是單株作物產量減少，也將導致作物單位面積產量下降。常見的播量不準確的主要原因有：①播種機的排種器工作狀態差，排種穩定性效果不好。②種子箱種子已經不足，卻沒有被及時發現，即所采用的播種機還沒有實現種箱種量監測功能，導致大面積漏播。③土壤含水量大，增大地輪打滑的概率，造成播量不均勻。④播種機排種器的排種盤轉動速度無法實現理想轉速，即播種機的排種動力傳動系統還未實現無級變速功能，無法實現植株最佳株距，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都可以通過更換排種器動力傳動系統得到解決。

3排種器動力傳動系統分析

3.1傳統地輪排種動力傳動系統

3.1.1鏈傳動。傳統的地輪排種動力傳動系統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傳統地輪排種動力傳動系統的組成及工作原理。傳統地輪排種動力傳動系統是指由地輪、鏈條機構，齒輪機構、換向機構、張緊機構等組成的傳動系統。

播種工作時，拖拉機機械牽引播種機在田間直線行走，地輪由于受到播種機、機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，驅動排種器同步轉動，實現了拖拉機的行進速度與排種軸的轉動速度保持同步。隨著排種器的旋轉，種子從排種盤經導種管落下，達到排種的預期目的。

3.1.3傳統地輪排種動力傳動系統的特點。采用地輪排種動力傳動系統能夠較好地實現拖拉機前進速度與排種軸轉速的匹配，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更換鏈輪的條件下實現，雖然基本能夠達到播種要求，但是調整操作繁瑣。通過更換鏈輪的方式實現播種株距的改變，傳動比固定，范圍變化較小且不連續，無法實現高速作業和播種株距的連續變化，某些經濟作物的最佳株距無法實現，造成大范圍減產。采用傳統地輪排種動力傳動系統能夠降低播種機制造成本，易于維修和保養，工作可靠，實用性較強。采用地輪排種動力傳動系統，由于農田土壤較為松軟，容易發生地輪打滑現象，從而造成播種質量的不穩定。

3.1.4采用傳統地輪排種動力傳動系統的注意事項。傳統地輪排種動力傳動系統一般使用鉤式傳動鏈排種，由于中心距不能調整，所以張緊方式一般需要利用彈簧的自動調節或者利用螺釘進行定期調整。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，無法帶動排種軸轉動。

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

3.2步進電機排種動力傳動系統

3.2.1步進電機。步進電機是由定子和轉子組成，是一種將電脈沖信號轉變為物理位移信號的特種電機。

步進電機通過控制脈沖頻率和脈沖數量來達到控制電機的轉速與停機的位置，且負載的變化不影響電機的轉速和停機。對于一個脈沖信號，步進驅動器驅動步進電機轉動一個步距角；對于多個脈沖信號，步進電機就準確地運轉相應角度。與此同時，可以控制微機發送脈沖信號的頻率來控制步進電機轉速。此外，要實現步進電機反轉，可以改變通電順序。

3.2.2步進電機排種動力傳動系統的組成及工作原理。步進電機排種動力傳動系統是指由傳感器檢測單元、單片機智能控制單元、人機對話單元和步進電機驅動器等組成的動力傳動系統。

在作業時，步進電機排種動力傳動系統代替傳統地輪排種動力傳動系統驅動排種器轉動，它采用轉速傳感器檢測得到拖拉機作業速度并傳輸給單片機，采用人機對話裝置直接進行播種量等參數和排種盤的結構信息等設置并傳輸給單片機，單片機再將拖拉機的作業速度、作物播種量等參數通過預先設置的控制算法對數據進行處理計算，得到排種軸的旋轉速度，并通過外圍電路將控制信號傳給步進電機驅動器，步進電機輸出相應的轉速，從而實現拖拉機作業速度與排種軸旋轉速度的同步。

3.2.3步進電機排種動力傳動系統的特點。系統運行穩定，可保證排種器與機具前進速度同步，實現高速播種。步進電機驅動排種，因使用單片機控制單元，能夠時刻準確地對排種軸的轉速進行控制，不會出現排種軸轉速的波動，大大提高了排種器工作的排種質量和排種穩定性。步進電機排種動力傳動系統的人機對話功能可以實現對株距等參數的設置，以適應不同作物的生長特性需要，使用方便。 步進電機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。步進電機的驅動器正常工作需要為其提供的額定電壓與現在拖拉機上自帶電瓶的電壓不一樣。

3.2.4采用步進電機排種動力傳動系統的注意事項。步進電機在起步的瞬間，如果輸入的播種量過大，步進電機輸出的扭矩需要另外滿足各種額外負載的要求，比如排種器的轉動慣量、種子慣量、聯軸器慣量、聯軸器與步進電機之間的摩擦等，所以要求當步進電機啟動時，在單片機的程序中加入斜坡信號，從而使步進電機的轉速分步增加，克服各種對轉動不利的轉動慣量，不至于因負載過大而不能正常工作，出現“失步”狀況。當步進電機啟動之后，負載減少并保持在相對恒定的數值，且實際需要的播種量不會發生突然變化，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電機的輸入為脈沖信號，當有一個脈沖輸入時，電機輸出軸就轉動一個步距角，因此，只要改變輸入脈沖的頻率就可以改變步進電機的速度[4]。要改變步進電機速度可以通過單片機向步進電機發送變頻脈沖，驅動器內部將此脈沖信號進行脈沖分配和功率驅動，即可實現精確控制步進電機的輸出轉速，進而達到適時控制排種播量與開溝器前進速度保持同步的目的。

3.3機械式無級變速器排種動力傳動系統

3.3.1機械式無級變速器。機械無級變速器是由變速傳動機構、調速機構以及輸出機構3個部分組成的一種變速器[5]。機械無級變速器按機械傳動分有摩擦傳動、齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動等，按機構分有剛性定軸式、變節距式、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、單向離合器等機構組合而成[6]。

3.3.2機械式無級變速器排種動力傳動系統的組成和工作原理。機械式無級變速器排種動力傳動系統是指由鍵盤顯示模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、智能控制模塊、無級變速驅動模塊等組成的驅動系統。

機械式無級變速器排種動力傳動系統中，拖拉機的后動力輸出軸提供無極調速模塊的動力，無級調速模塊驅動播種部件的運行，替代傳統地輪驅動系統驅動排種軸的轉動，在作業時，它利用拖拉機前輪處的旋轉編碼器采集拖拉機作業速度并傳遞給智能控制模塊，利用排種軸上的旋轉編碼器采集排種軸的旋轉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以及排種盤的結構信息等傳輸給智能控制模塊。智能控制模塊通過預先設定的算法經過一系列比較計算將結果傳遞給無級變速驅動模塊，控制無級變速器進行速度變化，達到無論拖拉機的作業速度如何變化，播種株距都可以保持預先設定恒定值的效果，實現精量播種，保證作物產量。

3.3.3機械式無極變速器排種動力傳動系統的特點。將拖拉機的后動力輸出軸作為動力源驅動排種器工作，無需額外配備動力源，使得結構得到了簡化，增強了實用性，節省了成本。利用播種機的智能控制模塊，可以提高播種的均勻性和穩定性。將機械式無級調速器成功引入排種動力驅動系統，實現了作物株距變化的連續性。機械式無級變速器自身體積小，結構緊湊。

3.3.4采用機械式無級變速器驅動控制系統的注意事項。為了實現驅動模塊能夠實時調整播量的目的，可以通過控制無級變速器的輸出轉速來實現。這需要拖拉機的作業速度與無級變速器的輸出轉速之間確定一個函數關系，函數關系確定的精確與否，直接影響播種的精確性。

機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，實現無級調速的方式就大相徑庭。為此，針對不同原理的機械式無級調速器，驅動調速的模塊設計就各不相同。

4結論與討論

現代農業的發展對精密播種技術提出了更高的要求，必將促使排種動力傳動系統向著智能化、自動化、精確化發展。

4.1播種智能化采用地輪排種動力傳動系統，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電機或利用無極變速器的動力傳動系統才能及時準確地補償地輪打滑造成的播量不均勻，而實現這一目的的關鍵在于單片機、PLC等智能元件的使用。

4.2播種自動化采用傳統地輪排種動力傳動系統，要實現作物株距的變化，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，步進電機排種動力傳動系統和無級變速器動力傳動系統中利用驅動模塊實現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前進速度對播量的影響，排種器轉速與拖拉機轉速同步是排種動力傳動系統必須解決的關鍵問題。無級變速在排種動力傳動系統已經有所發展，理論上通過智能控制技術與傳感器等技術的應用可以解決，但是，針對拖拉機前進速度與步進電機輸出軸轉速或者拖拉機前進速度與無級變速器輸出軸轉速之間，確定一套更加精確的函數算法將更有利于實現播種的精確化。

參考文獻

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[3] 李洪昌，高芳，趙湛，等.國內外精密排種器研究現狀與發展趨勢[J].中國農機化學報，2014(2):12-16，56.

[4] 王傳鵬.基于單片機的播量控制裝置的研究[D].南京：南京農業大學，2012.

[5] 周有強，崔學良，董志峰.機械無級變速器發展概述[J].機械傳動，2005(1):65-68.

[6] 柳晉偉，任家駿，吳鳳林.無級變速器的簡介與發展[J].機械管理開發，2005(3):68-69，72.

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：農業機械設計與研究。*通訊作者，教授，碩士生導師，從事農業機械設計與研究。

收稿日期2016-02-19

中圖分類號S 223.2

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)07-287-03