適應山地作業的馬鈴薯精量播種機設計

中圖分類號：S233.1 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2025.13.052

馬鈴薯是世界范圍內廣泛種植的重要非谷類糧食作物，在農業生產規劃中占據重要地位。根據聯合國糧食及農業組織（FAO）統計，其種植地區多達150個國家，生產面積超過2000萬 hm² ，與水稻、小麥和玉米共同組成世界四大主糧作物1，我國西南丘陵山區成為馬鈴薯種植的重點區域，其種植面積約為228.67萬 hm² ，占全國馬鈴薯種植面積的 40.3% 。受耕地條件、種植農藝、現有機具適應性差等因素制約，西南丘陵地區馬鈴薯機械化作業率相當低，機械化播種作業率不足 10% ，其主要原因是：1）北方引進的機具不適應山地土壤條件及作業場景2；2）由于機具的作業性能不能滿足山地馬鈴薯生產需求，機具的使用效益低，漏播率和重播率高。因此，研發改進適應丘陵山地作業的馬鈴薯精量播種機，實現馬鈴薯播種節本增效和促進馬鈴薯產業的快速發展具有重要意義[3-6]。

針對現有馬鈴薯播種機漏播和重播率高的問題，Buitenwerf建立了不同薯形和取種勺的形狀對取種勺釋放時間的數學模型，通過試驗和模型分析，得出薯形和取種勺對漏播和重播率有很大的影響；澳大利亞的AEE公司研發了氣吸式馬鈴薯精量播種機，在種子下落通道如發現未有種薯通過，則會以聲光報警提示作業者并實時計數，若連續出現漏播，系統則會停止工作以提醒作業者停車檢查，國內的播種機漏播監測系統以光電式和磁電式為主；在補薯方面，甘肅農業大學孫偉等設計了基于磁電式的擊打補薯裝置，以小整薯為主且存在傷薯的問題；譚本芳對三角鏈杯勺式精量排種器進行了優化設計，同時以多因素的耦合仿真分析，確定了“中薯5號”的最佳作業參數，對其他品種的適應還有待驗證。

綜上所述，馬鈴薯漏播監測及補薯系統為當前研究熱點，前人的研究在光電、磁電式漏播監測方面已經取得了較好的成果，但在補薯裝置方面存在一些不足，如存在傷薯、延遲、穩定性的問題，本文重點研發基于光電傳感器的漏播監測和電驅動的精準補薯系統，旨在提升馬鈴薯播種過程中的穩定性和株距的精準度[7-10].

1整機結構與工作原理

馬鈴薯播種機由取種勺及傳動機構、光電式漏播監測系統、補薯機構、控制系統組成，播種及覆土機構主要由地輪、傳動鏈條、株距調整機構、取種鏈、取種勺、覆土輪組成，漏播監測系統主要由紅外線光電傳感器、永磁體磁鋼、霍爾傳感器組成，補薯機構主要由驅動電機、補薯漏播監測機構、補薯開關組成。其工作原理是：在初始化階段，補薯機構獨立工作，將種薯運送到補種箱下種艙門處，完成后進人等待補薯狀態；當漏播監測機構識別并判斷出缺種勺號時，在其運轉至主動鏈輪頂端，補種艙門打開，種薯落入前后取種勺之間完成補薯，接著補薯電機運行將下一顆種薯運送至下種艙門處進入等待狀態。補薯機構也有漏播監測裝置，當監測到補薯機構漏播時，則將下一個取種勺種薯運送至下種艙門處，若播種勺和補薯勺連續3次出現漏種現象，系統則發出聲光報警以提醒用戶檢查故障，從而保證了播種機構的高效運行。

2 關鍵零部件設計

2.1漏播監測系統設計

漏播監測模塊以紅外光電模塊實現，在馬鈴薯播種機的取種鏈兩端分別安裝紅外發射模塊和紅外接收模塊，為了提升系統的節能性，在紅外發射器的前端安裝有霍爾傳感器，取種鏈上安裝有磁鋼，當磁鋼通過霍爾傳感器有感應電流時，漏播監測系統啟動，其余處于待機狀態。本文選用西門子SFH486為紅外發射器，夏普GP1U52X作為接收器，因其對灰塵具有良好的穿透性，可以提升漏播監測系統的準確率，其有效測距范圍為 10～80cm 。

2.2 補薯機構設計

馬鈴薯播種機以青島洪株的2CM-2C的大壟雙行馬鈴薯精量播種機為主機，其播種動力采用地輪傳動以降低制造和使用成本，通過更換被動鏈輪可以實現株距調整，其調整范圍為 19.5～33cm ，具有較為寬泛的株距調節能力。按照重慶市馬鈴薯種植農藝規范要求，馬鈴薯種植密度每 667m² 約為4000株[11-15]，起壟作業壟面寬度為 80cm ，機具的速度大致為 0.6～ 0.9m?s^-1 。

補薯機構的驅動裝置采用步進電機驅動，考慮到牽引拖拉機的工作電壓為 12V ，故電機的工作電壓采用 9～20V 。設馬鈴薯種薯的平均質量為 50g ，在機具工作過程中，左右兩邊的取種勺數量相等，在對驅動電機的功率計算時主要考慮種箱內的馬鈴薯對取種勺的阻力。基于補薯箱種薯最大累積高度為 80cm ，通過模擬取種勺在種箱內種薯厚度為 80cm 時的真實作業工況，多次測量求平均值得到驅動取種鏈工作的牽引力為 73.6N ，已知驅動鏈輪的節圓直徑為 127.82mm 將牽引力和鏈輪節圓半徑的乘積作為驅動電機需要的最小扭矩，為了保證驅動電機有足夠的扭矩，在計算出電機的理論扭矩后取 μ=2 的放大系數[16]，即

F 為取種勺運動的牽引力， N ； d 為鏈輪的節圓直徑， m ; μ 為放大系數。

帶入計算公式可得，取種勺的驅動扭矩為 9.4N?m 帶入功率計算公式，得出驅動電機的功率為：

T 為驅動電機的扭矩， N?μ_m ； Ω_n 為電機的轉速，r?min^-1 ，取電機的額定轉速為 100r?min^-1 ，代人公式計算出電機的功率為 ，考慮到電機在極限工況下，其堵轉扭矩會成3～5倍增加，為防止電機燒毀，最終選擇的電機功率為 150W ，工作電壓為 12V^{[12，17-18]} 。其結構簡圖見圖1。

注：1.補薯種箱；2.馬鈴薯種薯；3.取種勺；4.補薯艙門開關；5.從動鏈輪；6.驅動鏈；7.主動鏈輪

圖1馬鈴薯補薯機構簡圖

2.3 工作流程軟件設計

在馬鈴薯精量播種機中，軟件控制模塊采用單片機設計，主要包括主控模塊、自檢模塊、漏播識別模塊、補薯驅動模塊、報警模塊。本系統在傳統的檢測模塊上增加了一個自檢模塊和預工作模塊，在系統開機時，首先對系統的軟件和硬件進行自檢，若遇故障，則以報警的形式點亮報警燈以提醒用戶排除故障；在自檢完成后，系統驅動補薯電機工作，實現取種，并實時檢測取種勺的漏播情況，直至將種薯運送至補薯艙門處，系統進入待機狀態[19-21]；在執行補薯過程中若有漏播，則將下一個取種勺的種薯進行替換，若系統檢測到補薯系統和播種系統連續3次都處于缺種狀態，則系統觸發報警以提醒用戶進行故障排查；當播種機被牽引行駛進行作業時，由取種鏈上的磁鋼觸發系統進行工作，當取種鏈上存在漏播的情況時，系統記下當前取種勺號碼，待其運行到鏈輪頂端時，補薯機構的補種艙門立即打開，將種薯準確掉入前后取種勺的空隙內，隨后補種艙門立即關閉，補薯系統隨即工作，將種薯運送至補種艙門處，系統進入待機狀態。軟件系統的工作流程見圖2。

圖2軟件系統工作流程

3試驗結果與分析

試驗地選取重慶市農業科學院現代農業高科技園區的“西南馬鈴薯全程機械化科研基地”，在進行試驗前，土地已經過耕整地作業達到播種條件，試驗有效長度為 100m ，在播種機具作業前后留有 5m 的作業緩沖區，以保證作業性能的穩定。為了區分馬鈴薯種薯是正常播種還是補種的工況，在補種的種薯上涂上紅色標記，作業速度選取4個，即0.8、1.0、1.2、1.4m?s^-1 ，分別采集正常播種數 （α） 、漏播數（β）、補播種數 （γ） ，以此計算馬鈴薯播種機的正常播種率（V_a） 、補種成功率 （V_b） 、總播種成功率 （V_c）

在試驗過程中，以標準化的切薯方法保證馬鈴薯種薯的外形尺寸誤差不大于 10% ，以減小因種薯尺寸誤差帶來的影響，試驗過程中每個作業行走速度測試3次，隨機取3次求平均值作為一次的測量值，每個速度的測試值即為9次的平均值以減小測量誤差，其試驗測試數據見表1。

表1不同播種速度下測定的試驗數據

由表1可知，搭載了漏播監測與補薯系統的馬鈴薯播種機在 0.8～1.4m?s^-1 作業區間，其總播種成功率為 92%～99% ；在行走速度為 0.8m?s^-1 的作業速度時，其正常播種率和補種成功率均最高，這是因為勺鏈式取種器在低速作業時，因其充種時間長，其漏播率低，補薯系統的工作壓力較小；隨著行走速度的增加，正常播種數在逐漸下降，漏播率也在逐漸上升，播種數也在隨之上升；在作業速度超過 1.4m?s^-1 時，其正常播種數和補薯成功率急速下降，主要原因是其作業線速度上升后，播種鏈取種時間急速下降，取種成功率便急速下降。在補薯環節，由于補薯的次數增多，其補薯取種勺的取種時間也急速下降，空勺率也逐漸上升，造成補薯驅動電機連續高速工作。由表1可以看出，補薯系統在不同作業速度工作時，其滿負載的補薯取種量約為100粒，因此，當馬鈴薯播種機設計最佳工作速度時，其漏播數量應低于100粒，故馬鈴薯精量播種機的最佳作業速度應為1.2m?s^-1 以下。

4結論

基于光電傳感器的單鏈勺式馬鈴薯精量播種機采用傳統的光電傳感器技術實現了馬鈴薯漏播監測，創新研發了一種適宜山地單鏈取種勺的補薯裝置，該裝置的補薯執行機構為補薯倉及執行電機，當系統檢測到播種鏈有漏播的情況，系統記下其勺號，在對應的取種勺走到主動鏈輪頂端，補薯執行機構打開補薯倉門，種薯精確落入對應的勺號前端，執行精確補薯。

1）補薯倉很好地解決了傳統勺鏈式補薯機構在機具高速作業補薯成功率低的問題，補薯倉及機構相當于一個補薯緩沖器，不管在播種漏播率高還是低的工況，都保證了補薯取種勺的充種時間以降低補薯機構的漏播，同時，補薯倉開閉執行機構執行速度快，可以精準實現補薯。試驗表明，在播種機作業速度低于 1.2m?s^-1 時，其總播種成功率均達到了98% 以上。

2）補薯機構可以實現馬鈴薯高速播種作業，提高作業效率。在試驗過程中，當其作業速度達到 1.4m?s^-1 時，其總的播種成功率還是保持在 92% ，具有較好的寬域速度適應范圍。相比傳統不帶補薯機構的馬鈴薯播種機，其主要優勢體現在作業漏播率降低了 10% 以上，同時省去了人工補薯的費用，降低了馬鈴薯播種環節的生產成本。

3）漏播監測補薯機構采用模塊化設計，具有很好的適應性。丘陵山區的馬鈴薯播種機以小型化為主，因此對相關智能化的改裝也要求體積小、適應性好。本系統采用模塊化設計，可以對現有的馬鈴薯播種機進行智能化改裝以提升機具的作業性能，在后續的試驗過程中將通過不斷優化提高其穩定性，使本系統具有更好的經濟實用價值。

參考文獻：

[1] WIJESINHA-BETTONI R， MOUILLEB. The contribution of potatoes to global food security， nutrition and healthy diets[J].American Journal of

PotatoResearch，2019，96（2）：139-149.

[2] 孫偉，王關平，吳建民.勺鏈式馬鈴薯排種器漏播檢測與補種系統的設計與試驗[J]農業工程學報，2016，32（11）： 8-15.

[3] 薛景，蔡宗壽，張昊晗，等.勺鏈式馬鈴薯播種機排種器設計與試驗[J].農業工程，2024，14（11）：74-82.

[4] 張秀平，徐志杰，高清海.小型復式馬鈴薯播種機設計與試驗[J].農業開發與裝備，2024，（9）：65-67.

[5] 梁玉成，謝宇峰，許劍平，等.4行氣吸式馬鈴薯原原種精量播種機設計[J].農機使用與維修，2024（5）：1-4.

[6] 鄔備，李卓，向青苗，等.馬鈴薯切塊薯種取種勺設計與仿真優化[J].沈陽農業大學學報，2024，55（2）： 207-215.

[7] 莊梅山.基于馬鈴薯播種機PLC控制系統的設計與實現[J].農業機械，2024（4）：91-94.

[8] 李佩文，田斌，孫偉，等.馬鈴薯精量排種技術發展現狀與展望[J].農業裝備與車輛工程，2024，62（1）：29-33.

[9] 張還，郭鑫雨，張健，等.馬鈴薯播種機兩段式組合起壟裝置設計與試驗[J].農業機械學報，2023，54（S1）：76-83，92.

[10]常學良，藤美茹，田羽，等.馬鈴薯全程機械化發展現狀及展望[J].中國農機裝備，2023（11）：6-11.

[11]馬天，王會強，魏達，等.我國馬鈴薯全程機械化的發展現狀及分析[J].河北農機，2023（15）：7-9.

[12]王成江，王關平，楊森，等.基于電容傳感漏播檢測及記憶追趕式補償的馬鈴薯精密排種系統設計與試驗[J].林業機械與木工設備，2023，51（6）：69-75.

[13] 劉旭，王躍華，王磊，等.馬鈴薯正芽種植機械化技術[J].山東農機化，2023（3）：35-36.

[14] 王婕，楊然兵，田光博，等．育種試驗馬鈴薯播種機的設計與試驗[J].農機化研究，2024，46（2）：128-131，138.

[15]朱明芳.氣吸式馬鈴薯播種機風機及供輸系統的優化設計與試驗[D].哈爾濱：東北農業大學，2023.

[16]喬停.馬鈴薯整薯播種機的設計與試驗[D].楊凌：西北農林科技大學，2023

[17]譚本芳.三角鏈杯勺式馬鈴薯精量排種器的優化與試驗[D].武漢：華中農業大學，2023.

[18] 粟超.切塊馬鈴薯精量排種技術與裝置研究[D].成都：西華大學，2023.

[19] 馬騰飛.錐面導流式馬鈴薯微型薯精量排種器設計與試驗[D].洛陽：河南科技大學，2023

[20] 蔡皓軒.丘陵地區馬鈴薯播種機播種性能提升研究[D].楊凌：西北農林科技大學，2023.

[21]汪春華.基于PLC技術的播種機電氣控制系統研究[J].農機化研究，2023，45（11）：140-143，155.

（責任編輯：易婧）