花生穴播器播深自動調節裝置設計與試驗*

王萍，康建明，康英杰，徐文藝，向陽, 4，張亮

(1. 山東省農業機械技術推廣站，濟南市，250100； 2. 山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100； 3. 招遠市農業技術推廣中心，山東煙臺，265400； 4. 山東理工大學，山東淄博，255000； 5. 青島特殊鋼鐵有限公司，山東青島，266413)

0 引言

我國是花生生產大國，高效合理地種植花生對提高花生產量意義重大[1]。種植過程中花生播種深度過淺或過深都會減少出苗率，導致產量降低，故研制更加精密的播種機械是提高機械化種植產量的關鍵[2-3]。目前，我國花生播種機械種類較多，市面上播種機功能差異明顯，并且普遍存在播深合格率低的問題[4-7]。在播種深度控制領域，播深調節可分為主動和被動兩種方式，大多公司采用限深輪等被動裝置限制播種深度[8]。在自動化、智能化等技術方面，二十世紀末期國外農機企業就有借助超聲波探測器實時監測地表情況和種溝深度，通過實時反饋將信號傳輸至驅動電子深度控制器，并控制液壓系統進行相應調整[9]；Weatherly等[10]研制了一種犁頭深度可控系統，通過檢測土壤含水率進行液壓調控，匹配至合適的入土深度。國內播種機播深控制裝置主要運用液壓桿或電動推桿無級伸縮來保證播深精準度，李玉環等[11]針對播種機仿形效果差等問題，結合PLC編程控制電動推桿，實現智能播深調節；白慧娟等[12]對播深控制系統中引入壓力、鎮壓力，形成閉環控制，提高了機具壓實度。總體上來說我國播深控制相關設備有一定研究，但機具在作業過程中性能不夠穩定。

由于種子播種深度受土壤含水率影響較大[13]，本文設計了花生穴播器播深調節裝置運用土壤含水率采集系統和播深實時控制系統對推桿機構進行自動調節，從而改變播種深度，實現播種深度與土壤含水率相對應。

1 播深控制裝置與工作原理

花生種子播種深度需根據土壤含水量進行調節，為保證種子播種深度與土壤含水率一一對應，避免傳統機具人工調節時，穴播器靈活差、拆裝過程繁瑣等問題，該播深調節機構可根據土壤含水率變化實現無級調節。播深調節裝置如圖1所示，主要包括氣吸式穴播器、種箱、電動推桿、機架、轉臂和角度傳感器等部件。其中，控制系統結構框圖如圖2所示，機具作業前，系統通過土壤含水率傳感器實時測量采樣點的土壤含水率，結合GPS-北斗雙模定位裝置精確測量采樣點的坐標，將坐標與含水率數據進行關聯，確保準確測量土壤含水率的地理分布，生成田塊的含水率矩陣，通過無線數傳模塊將含水率矩陣發送到上位機，供上位機運行下一環節。通常適合花生播種深度為3～5 cm，土壤含水率與播種深度成反比關系，選取深度約為4 cm的土壤層進行測量，在測量完成后土壤含水率實時采集系統及時對數據進行收錄。播種過程中，結合田塊的含水率信息和轉臂角度信息傳輸至人機交換端，控制器驅動電動推桿伸縮，直至穴播器播種深度達到設定要求，實現播深與土壤含水率相匹配。

圖1 播深調節裝置圖

圖2 控制系統結構框圖

2 播深調節裝置設計

2.1 播深調節推桿機構設計

通常種植花生深度一般為3～5 cm左右，具體適宜深度需結合當地土質、土壤含水率進行調整。由于播深裝置深度調節范圍較小，因此需保證推桿機構運動軌跡精確可控，具體結構如圖3所示。電動推桿伸縮范圍Δl為0～20 cm，旋轉臂長度L為35 cm，機構中旋轉臂傾角隨電動推桿伸縮量改變而改變。

圖3 推桿機構簡圖

播深裝置運動簡圖如圖4所示，播種裝置通過U型栓固定于機具機架，穴播器通過旋轉臂MN連于固定件，在繞自身排種軸轉動的同時整體可繞M點在規定范圍內旋轉。電動推桿P作為動力輸出原件起到控制穴播器旋轉角度的作用，即調節穴播器上升和下降高度，其中穴播器原始高度為h1，調節后高度為h2。轉臂MN上裝有角度傳感器，在A點與電動推桿連接，工作時角度傳感器將角度θ實時轉換，通過角度傳感器檢測當前的播種深度，根據事先設定好的深度—含水率規則，計算當前位置的最佳播種深度。若當前深度與計算出的最佳深度不匹配，則推動執行機構動作，改變播種深度。

圖4 播深裝置傳動圖

設電動推桿處于最小伸縮量時長度為l0，電動推桿初始狀態下與水平夾角為λ，工作過程旋轉角度為β，則電動推桿非固定端豎直方向上運動位移計算如式(1)所示。

Δs=(l0+Δl)sin(λ+β)-l0sinλ

(1)

在電動推桿調節穴播器高度過程中，播深調節位移QN2與轉臂旋轉角度θ存在對應關系，如圖5所示。其中N1為穴播器初始位置自轉中心，N2為調節后穴播器自轉中心間豎直距離，α為QN2與N1N2連線夾角。

圖5 播深裝置運動位移簡圖

機構運動位移簡圖中各線段對應長度關系

(2)

式中：lN1N2——穴播器旋轉中心位移，mm；

L——轉臂長度，mm。

穴播器播深位移參數存在以下關系。

h1-h2=lN1N2cosα

(3)

(4)

(5)

式中：lMA——轉臂旋轉中心與電動推桿連接點間距離，mm;

Δh——穴播器高度變化量，mm。

合并式(1)、式(4)、式(5)可得

(6)

2.2 排種裝置

花生排種裝置選用氣吸式精量穴播器，其內部結構如圖6所示，主要由腰帶總成、穴播器殼、中空穴播器軸、吸種盤、分種盤和鑄造擋板等組成，穴播器外直徑410 mm，腰帶直徑為360 mm。

圖6 氣吸式精量穴播器內部結構示意圖

排種器選用負壓吸種方式，工作時，腰帶總成連接鴨嘴成穴器接觸土壤轉動，分種盤固定于鑄造擋盤上，取種盤、分種盤、鑄造擋盤和氣吸室伴隨腰帶總成轉動；種子進入充種區后，在負壓作用下吸附在吸種孔上，通過分種盤轉動將種子輸入隔氣區域，失去負壓后種子從出種口經過種道落入鴨嘴中，穴播器滾動過程中鴨嘴入土并自動開啟，種子落入土中完成播種。其中鴨嘴入土深度即為播種深度，其具體關系如式(7)所示。

(7)

式中：h——播種深度，mm；

z——鴨嘴成穴器個數，個；

d——各鴨嘴成穴器間節距，mm；

R——腰帶半徑，mm。

花生種子為單粒條播時，根據種植農藝要求選擇株距約為70 mm，則穴播器鴨嘴成穴器個數z為9個。固定鴨嘴的設計對鋪膜播種具有重要意義[14]，花生膜上播種穴播器鴨嘴高度基本保持在50～80 mm之間，此時具有較好的成穴性能，高度超過80 mm容易出現掛膜現象，故鴨嘴高度與播種深度應同時滿足式(8)。

l>h

如產品要求制備低品位鎳鐵，則鐵和鎳的還原度高達95%以上，爐渣中主要成分為SiO2和少量的MgO，在熔池熔煉條件下，配料添加石灰石將渣系轉化為CaO-MgO-SiO2三元系，提高渣的熔點>1 450 ℃，以實現鐵的充分還原，得到較高鐵回收率。典型的渣型為：CaO約40%，MgO約10%，SiO2約33%，Al2O3<15%。

(8)

式中：l——鴨嘴高度，mm。

根據式(7)、式(8)可得花生膜上穴播器鴨嘴深度為60 mm。

2.3 播深控制系統設計

播深控制系統硬件主要包括土壤含水率采集裝置和播深控制裝置，土壤含水率采集裝置主要由雙模衛星定位裝置、土壤含水率傳感器、PLC控制器和電源等組成，工作過程中土壤含水率采集模塊與播深調節模塊緊密關聯。

控制程序由土壤含水率實時采集系統模塊和播深在線調節系統模塊組成，程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程圖

在程序初始化后，土壤含水率采集系統模塊讀取已測得的田塊含水率數據，匹配出相應的播深數據。播深在線調節系統模塊運行中，采用GPS和北斗進行雙模定位，不斷接收衛星定位數據，并將定位信息輸入上位機，系統及時反饋出播深所需數據，調節電動推桿伸縮至滿足要求，實現不同區域播種深度隨土壤含水率變化而變化。

播深在線調節系統是播深調節模塊的核心，上位機運行界面如圖8所示，其中包括深度和播深顯示、含水率來源選擇、人工控制、定位信息顯示和通訊設置5個功能，本設計主要通過實時檢測播種時土壤含水率和初始時播種深度來設置最佳調節深度，將目標數據通過CAN總線接口輸入至PLC控制器。

圖8 播深在線調節系統運行界面

程序執行過程中播深在線調節系統結合土壤實時采集系統根據當前地理坐標，插補出該位置的土壤含水率。同時對穴播器進行高度調節，懸掛穴播器轉臂上的角度傳感器將轉臂角度信息傳遞至系統，同時把角度信息轉化為當下播種深度信息，若不滿足播種深度設定要求情況，則通過播深調節算法計算出合理播種深度，最終控制器調節電動推桿伸縮量，使穴播器處于合適高度下工作，并且左右兩電動推桿獨立控制，互不干涉。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

在山東省農業機械技術推廣站試驗基地進行了樣機田間試驗，試驗田土地平整，符合花生種植農藝要求。隨機選取土地面積為20 m×5 m試驗田，測出試驗田土壤含水率，將土壤含水率劃分為11%～14%、14%～17%、17%～20%三個區間，統計各部分土壤含水率所處對應區間，種子選用花育33。

3.2 試驗方法

試驗參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，分別對播深合格指數進行測量和計算。試驗中土壤含水率在11%～14%、14%～17%和17%～20%不同范圍內，對應播種合格深度范圍分別為4～6 mm、3.5～5.5 mm和3～5 mm。對于播種深度超出對應范圍時，視為播種深度不合格，其中播種深度合格率計算公式如式(9)所示。

(9)

式中：n1——播種深度不合格孔穴數，個；

n——總播種孔穴數，個。

為進一步研究播種深度合格率與土壤含水率、理論播種深度和前進速度三者之間關系，以土壤含水率范圍、理論播種深度和前進速度為試驗指標，進行三因素三水平試驗，各因素編碼表如表1所示。

表1 因素編碼表

3.3 試驗結果分析

針對響應曲面試驗，以播種深度合格率為試驗指標共設計17組試驗，每組試驗重復3次，運用Design-Expert軟件對組合試驗結果進行方差分析，其中試驗結果如表2所示。

表2 試驗數據與結果

由表2可知在土壤含水率范圍為14%～17%、播種深度為3.5 mm、機具前進速度為4 km/h情況下，播種深度合格率為98.18%，此時播種深度控制效果最佳。將試驗數據代入Design-Expert軟件處理，方差分析結果如表3所示。

表3 回歸方程方差分析

由方差分析結果可知，各試驗因素對播深合格指數均有極其顯著影響，影響大小順序依次為土壤含水率范圍、理論播種深度、機具前進速度。當土壤含水率為15.83%、設置播種深度為3.18 mm、機具前進速度為3.91 km/h時，播深合格率達到最大值為98.19%?；貧w參數P表示顯著性影響大小，P<0.01時表示差異極顯著，P<0.05表示差異顯著，通過去除試驗模型中不顯著部分，可得優化回歸方程。

y1=97.65+1.30X1-1.07X2-0.57X3-

2.39X12-0.77X22-1.79X32

(10)

經試驗可得，在設定理論播種深度為3.5 mm，機具前進速度為4 km/h的情況下，播種深度合格率最高。當設定播種深度一定時，隨機具前進速度增加，播種深度合格率呈現先增大后減少的趨勢。當機具前進速度一定時，隨設定播種深度增加，播種深度合格率呈現先增大后減少趨勢。當設定播種深度為3.18 mm，機具前進速度為3.91 km/h，播種深度合格率為最大值98.19%。

4 結論

1) 本文針對花生播種機作業過程中播種深度調節過程繁瑣的問題，設計了一種可自動調節播種深度的播種裝置。裝置工作過程中及時讀取不同區域土壤含水率數據，并對穴播器高度進行實時調控，實現不同區域土壤含水率與種子播種深度一一對應。

2) 通過簡化了播深調節裝置，對調節過程中推桿機構的運動軌跡進行分析，得出了轉臂角度與穴播器深度間對應關系。設計了播深在線調節軟件控制系統，結合播深數據對播深調節裝置進行調節，滿足花生種植農藝要求。

3) 以土壤含水率范圍、理論播種深度和機具前進速度為試驗因素，播種深度合格率為試驗指標進行田間試驗。結果表明：播種深度控制過程中調節效果良好，土壤含水率范圍為14%～17%、設定播種深度為3.5 mm、機具前進速度為4 km/h情況下，播種深度具有很好的一致性。當土壤含水率為15.83%，設定播種深度為3.18 mm，機具前進速度為3.91 km/h時，播種深度合格率為最大值98.19%。