原创《大豆变量施肥播种机设计和试验》
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摘 要：针对东北垄作区大豆机械化种植的农艺要求,优化组合大豆“垄三”栽培等多项农艺措施,设计了一种大豆变量施肥播种机,该机适用于大豆垄上栽培技术,可实现变量深施肥、高速气吸精密播种、覆土、镇压等作业,为大豆规模化、标准化和机械化生产提供技术装备支撑.本文重点介绍了该播种机的构成、工作原理和主要机构,并对该机的播种性能进行了田间试验.结果表明：该机各项性能指标均满足大豆精量播种的技术要求,具有良好的工作性能和适应性,旨在为东北地区大豆精量播种机技术的改进和研发方向提供参考.
关键词：大豆；精量播种；设计；试验
中图分类号：S224.22 文献标识码：A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.21.023
东北是我国大豆的主要产区之一,也是我国五大主产区中种植面积最大、产量最高的地区,其年种植面积和年产量均占全国的40%以上.东北垄作区的大豆种植模式主要有两种：“垄三”栽培技术及其改进栽培技术、大垄密植栽培技术.部分地区还采用了小垄密植栽培技术和大豆机械化覆膜栽培技术.近年来,我国大豆产品面临国际市场竞争的严峻形式,受材料及人工成本不断上涨的影响,大豆种植面积不断减少、年产量连续下降、产业发展态势日益恶化,因此提高大豆单产水平、培育高品质品种、降低生产成本是确保大豆安全生产的有效途径.在国外大豆种植基本实现生产机械化的情况下,国内仍依赖进口机具及小型机械化为主的方式,导致我国大豆生产成本居高不下.实现高效机械化生产成为我国大豆行业提升竞争力,走出低谷的有效途径之一.
国外的播种机普遍使用精密压铸加工、液压控制、电子监测等先进技术以及新型材料,国内则应用较少.国内研发的播种机多以小型机为主,而大型机多为改装机,通常缺少液压、光电、通讯等技术综合应用,高端技术含量较低.综合对比,我国大豆播种机具技术及产品水平和发达国家相比较落后.
1 结构设计及工作原理
1.1 播种机的总体结构
该机主要由机架、地轮、风机总成、平行四杆仿形机构、变量施肥系统、气吸式精密排种器,施肥铲、开沟器、覆土镇压组合、划印器等组成.主梁采用三点式悬挂机构,在主梁两侧对称安装两个传动地轮,每个传动地轮带动各自排种器转动,整机作业时可一次完成开沟、分成深施肥（变量施肥）、精密播种（漏播监测）、覆土、镇压等作业.整机结构,如图1 所示.
1.2 工作原理
机组工作时,施肥开沟器进行开沟,由步进电机通过链条驱动排肥轴转动,排肥盒排下的肥料经排肥管施到土壤中,实现变量深施肥；地轮转动并且通过链轮、链条驱动排种器转动,同时播种开沟器开沟,在风机的作用下气吸式排种器排出的种子经导种管进入种沟内（漏播监测系统进行监测报警）,经覆土镇压组合部件将种子掩埋并压实.
2 关键部件的设计与分析
2.1 气吸式排种器设计
精密排种器作为精密播种机的关键核心部件,其工作性能的优劣直接影响到播种质量.通过改进及优化设计,研制了一种气吸式排种器,主要由气室壳体、排种盘、充排种器盖、吸风口和清种装置等组成.是利用气室的负压产生吸附力将种子吸附到排种盘上工作的.气室壳体与排种圆盘配合形成真空气室,气室边缘安装有密封圈,防止漏气.排种盘是垂直的圆盘,盘上开有气流通道孔.为了防止种子出现架空现象,设有搅种轮,来促进充种室内种子的扰动,以提高种子的囊种率,从而降低漏播率.通过清种装置可以实现精密播种的单粒播种需求,见图2.
2.2 变量施肥系统设计设计了变量施肥系统（如图3）所示,系统由DGPS、处方数据库、CAN通信电路、微控制器、速度传感器、电机驱动器和步进电机等组成.工作时,控制器基于航位推算的方法获得地块位置识别信息,读取预存储地块的处方信息,控制器同时接收测速传感器的信息,根据施肥量控制公式,输出脉冲给电机驱动器,电机驱动器驱动步进电机运转.步进电机通过链条驱动排肥轴转动,实现变量施肥.同时,微控制器将机具作业速度、地块编号和施肥量等信息通过CAN 通信网络发送给监控终端.
变量施肥监测软件界面（如图4）所示,界面左侧显示当前机具所在网格的编号、作业的面积、工作时间和当前时间等信息,中间显示当前机具的作业速度、排肥轴的转速、施肥量和施肥量历史曲线信息.当监控终端收到信息时,指示灯闪烁,指示监控终端的通信状态.暂停按钮用于暂停变量施肥作业,用于机具在地头转向等特殊情况.
2.3 漏播监测系统
设计了精密播种机工作状况实时监测系统,种箱中的大豆种子由排种器排出,落入输种管,经由开沟器落入种床完成播种.种箱料位监测传感器安装在种箱底部,输种管种子流监测传感器安装在输种管中上部,开沟器堵塞监测传感器安装在开沟器上部,见图5.
3 田间试验与结果分析
3.1 试验地条件
2016 年5 月10 日,在黑龙江省勃利县试验示范基地,进行该机的田间试验（如图6）.选取具有代表性的地块,土壤类型为黑壤土,土壤含水率为25%,墒情适宜,前茬作物为玉米,地面根茬经过粉碎处理并起垄,达到无残茬、无漏耕,平整细碎,达到待播状态.试验样机由黑龙江省勃农兴达机械有限公司生产,各项性能指标均达到设计要求,通过出厂检验.
3.2 试验方法
依据GB /T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》进行试验,播种前先对播种机的排种量、株距、行距、播种深度、施肥深度等进行调整,调试之后,拖拉机以前进速度为2.0m. s-1（7.2km/.h）工况下进行播种试验,对变量施肥播种机的相关性能进行了检测,检测内容主要包括播种性能,施肥一致性及变量施肥控制精度,漏播报警检测精度等.
3.3 试验结果分析
将试验数据统计,计算播种性能（粒距合格指数、重播指数、漏播指数、播种深度合格率）、排肥性能、电子检测性能,见表1.
由表1 可见,大豆变量施肥播种机的粒距合格指数86.82%,漏播指数8.86%,播种深度合格率92.44%,各行排肥量一致性变异系数4.80%,变量施肥控制精度97.32%,可精准控制施肥量,满足排肥性能要求,漏播报警监测精度98.52%,说明该播种机具有良好的播种均匀性,具有良好的工作性能和适应性,各项性能指标均达到了国家相关标准要求.
4 结论
针对东北垄作区大豆机械化种植的农艺要求,设计了一种大豆变量施肥播种机,该机适用于大豆垄上栽培技术,可一次进地实现变量施肥、垄上精密播种（电子漏播检测）、覆土、镇压等作业,为大豆规模化、标准化和机械化生产提供技术装备支撑.
设计的单腔双盘气吸式排种器,可实现单垄双条播的方式；设计的变量施肥系统,可根据处方图按需变量施肥,达到节能减排的目的；设计的漏播监测系统,可在播种时对播种状态进行实时监测及报警,保证了机具的作业质量.
通过样机的田间性能试验,测试结果表明,所设计的大豆变量施肥播种机,作业质量符合中华人民共和国机械行业标准《单粒（精密）播种机试验方法》的规定,能够满足东北垄作区大豆机械化种植的农艺要求,确保了粒距均匀性和播深一致性,且变量施肥控制精度准确,漏播报警检测精度高.旨在为东北地区大豆精量播种机技术的改进和研发方向提供参考.
参考文献
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作者简介：赵文罡,助理研究员,研究方向：农业机械化及自动化.
大豆论文参考资料：
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