悬浮式水果玉米精播种植一体机设计研究

马 静，曾建宁

（宁夏工商职业技术学院，宁夏回族自治区 银川 750001）

1 整机结构及工作原理

从集成化角度出发设计整机结构，结构关键部分见图1，机械前方设置旋耕开沟部件，可以在开沟刀盘、轴承等的辅助下，完成开沟、旋耕操作，为后续的渗灌管下埋奠定基础。中部设置固定横梁，播种、排肥等管线均固定于此，排肥管线由地轮传动装置带动、控制，播种器采用单独电机控制，另外设置渗灌管卷盘，可以在沟槽开挖完成后进行下放。机构后侧为覆膜机构，装设有2个镇压辊，通过拉杆、压簧完成定位，表层采用防滑齿设计，可以避免打滑壅土等问题，整个机构在传动系统支撑下稳定前进，操作人员可以根据实际情况控制调速。

图1 悬浮式水果玉米精播种植一体机主体结构Fig.1 Themain structure of suspension type sweet maizefine sowing and planting machine

其运作原理较为简单，主要采用三点悬挂式方案，与前方拖拉机机械挂接，动力经由万向节传递，并与变速箱完成交互，拖拉机动力为22.1～36.8 kW，能够较好地满足两行玉米耕种需求。变速箱外部与多个构件连接，可以控制旋耕轴开沟运作，下方附带清沟刨土组件，可以在开沟作业完成之后，对多余的泥土进行铲除处理，保障截面形状完好性。整个种植机械前进环节，地轮与地面始终贴合运转，提供的动力带动排肥轴运行，传送的物料通过软管落入种沟之中，播种机则采用步进电机方案设计，接收到脉冲信号后对应调整转速，达成精量播种目标，实践运行过程中，操作人员还可以通过变速齿轮、排种器的调整，对播种范围及种粒大小进行控制。播种完成后覆土、镇压。通过悬浮架可调地轮高低，以此保证播种均匀、深浅一致及覆土良好。

2 关键结构及部件设计

2.1 渗灌管结构

装置本身包含开沟器、管盘，分别负责沟槽开挖、管线下放，同时配备支撑轮架和覆土器，可以对放置好的管线进行埋藏防护。材料选型环节，使用聚乙烯再生塑料管，管径控制在16～18 mm，外部包裹多微孔塑胶管，借助专用打孔器优化处理，以30 cm为间距进行分段，孔洞直径1 cm，每段打孔3个，注意相邻孔洞间距不要小于1.75 cm。钻孔完毕后，将塑料管逐个套入质地柔软的多微孔塑胶管，将出水孔完全覆盖即可。没有特殊要求的情况下，管线渗水节长度控制在8 cm为佳，埋藏深度大约30 cm。将安装完成的渗灌管放置在复合种植机械中，后期直接远程控制、定点灌溉，浇水后土体表层仍能维持蓬松状态，保障水分充足性的同时促进养分吸收。

2.2 施肥结构

机械施肥模块配备了施肥箱、施肥器、排肥管等，施肥器作为核心部分直接影响出料均匀性、精确性，本次设计中采用外槽轮式结构，外部与轴承、阻塞套等连接，正式运行时槽轮齿不断旋转，将肥料推进施肥管，两侧安装阻塞套，可以避免肥料异常漏出（见图2）。施肥器主要安装于地轮传动系统上，该系统仅负责肥料轴的动力输入，可以牵动排肥轴运作，保障玉米肥料顺利落入沟槽。考虑到水果玉米种植环节，地面可能存在留茬问题，地表的秸秆覆盖物也会加剧不平整现象，从而影响施肥均匀性，造成肥料过剩、土壤板结等状况，因此保证传动系统稳定性就成为了设计重点、难点问题。为保障稳定性，将地轮安装于机械主梁之上，借助轴承固定安装，支持中心旋转，当施肥环节出现地表颠簸、起伏问题时，地轮伴随机构上下转动，下端受拉簧拉结作用完成紧固，整个轮体始终紧贴地面，同时在轮体周边焊接防滑齿，可以较好地避免打滑问题。

图2 外槽轮式施肥器Fig.2 Outer groove wheel fertilizer

2.3 精量播种方案设计

2.3.1 排种器选择

精量播种机的性能主要由排种器决定，在整个机构设计过程中有着极为关键的地位。目前，市面上普遍采用两种播种器：第一种是气力式排种器。气力式排种器结构复杂、价格高，特点是对种子大小、形状的适应性较强、充种效果好、工作速度能达到10 km/h，适宜高速作业，但当气压不够时会出现密播现象。此外，气力式排种器适宜于豆类等圆形种子，对于玉米非类圆形种子漏播率较高、动力消耗大，特别是在地头密播、重播严重，与项目设计不符。另一种是机械式精量排种器，结构简单，价格低廉，操作方便，易于维护，机器运行功耗小，基本不产生噪声，加之当前广泛采用优良种子，能够较好地保证播种质量。此外，机械式播种器非常适合中西部地区，因为在中西部地区水果玉米多为小规模生产，机械式精量排种器较气力式更为适用，因此，本结构采用勺轮式精量排种器。

2.3.2 精量播种控制系统设计

本结构选用的电机驱动器、旋转编码器输入电压均为直流24 V，拖拉机电源输出为直流12 V，因此选用一个升压模块满足电源需求。精量播种控制系统：光电编码器和驱动轮同轴安装，用来检测轮速变化，并将该信号传送到Arduino，Arduino将信号处理后转换为步进电机的转速，以控制排种器，播种速度决定排种量的大小。光电编码器通过驱动轮检测播种机的运行速度，并以脉冲形式将检测信号发送Arduino AFMotor电机扩展板，通过高速计数器端口接收并在内部进行处理，将其作为高速脉冲输出到步进电机驱动器，驱动安装在排种器轴上的电机，实现步进电机驱动排种器排种。当播种机的播种速度需要调整时，驱动轮转速就会发生相应的变化，编码器会产生不同的脉冲数，电机转速相应发生变化，从而控制排种器的排种量按需变化，实现精量播种，见图3。

图3 控制系统结构图Fig.3 Control system structure drawing

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，与PLC单片机相比，Arduino具有编程简单，操作方便，价格便宜，性能可靠，更适合苛刻工作条件等诸多优点。

用Arduino的扩展板接DM542驱动器来控制57步进电机采用共阴极接法，即ENA不接，PUL-与DIR-串接单片机GND,PUL+接单片机9口给脉冲，DIR+接8口给高低电平（高电平正转，低电平反转），驱动器输出端A+接红，A-接绿，B+接黄，B-接蓝，供电直流24 V。定义引脚8作为方向控制，定义了9号引脚作为PWM引脚，需要将这引脚接入PUL端。程序定义方向，stepper_direction=true，步进电机正转；stepper_direction=false反转，部分源代码见图4。

图4 部分源代码Fig.4 Partial source code

2.4 覆膜结构

（1）拉膜机构设计。覆膜栽培技术综合性能优良，可以起到保温保湿的作用，抑制水果玉米田间杂草生长的同时，起到增产防寒等作用，在干旱、半干旱地区应用尤为广泛。覆膜结构工作环节，顺膜装置会在电动机控制下运作，从薄膜卷支机构中拉出薄膜，膜体随地轮前进方向不断舒展，压辊机构负责压紧边缘，后部覆土装置原地取土并覆盖压实，完成整个覆膜作业。覆膜过程采用全自动控制，薄膜展开、压实过程更加连续，可以防止膜体被大风揭起，减少病虫、鸟兽损坏风险，内部构件起微型温棚，地温条件得到改善，水果玉米的生长、发育也更有保障。覆膜参数选择是该结构设计重点环节，科学的参数设定可以防止应力不均、应力过大问题，规避薄膜破损、拉裂等情况。考虑到膜体本身属于柔性材料，因此借助曲率变化法进行分析，取任两点作参照，假设其受到的应力为δ1和δ2，那么主应力计算方法可以表达为（式中δ1、δ2以及ξxy均代表分应力）：

当δ1的值大于0时，薄膜处于纯拉状态，当δ1大于0而δ2小于等于0时，则薄膜进入单向褶皱状态，当δ1小于等于0时，薄膜处于双向褶皱状态。机械运转环节可以结合计算公式、预设参数等，对拉膜速度、压膜操作等进行控制，防止薄膜破裂、拉断等问题。

（2）压膜覆土机构设计。覆土装置是本次种植机械设计的关键环节，内部主要配备覆土轮、压膜轮等，压膜控制精准度至关重要，设计不当容易造成褶皱、破裂等问题，影响覆膜技术保温保墒能力，造成水果玉米总产量的下降。其中压膜轮作用较为简单，可以将地膜两侧压入膜沟，防止跑动，轮体材料较为多样，金属、尼龙、橡胶等均是常见选项，本次设计中综合实际需求分析，最终选用了实心橡胶轮体材料，可以最大限度保证压实效果。此外压膜轮轮缘宽度、直径、总量等同样会影响压膜质量，选定的参数组合应当具有精准性高、适配性好的特征，满足轮体自由转动需要。半径可采用如下公式计算：

式中：R——压膜轮半径，cm；h——下压深度，cm；β——压膜轮翻转角度，°。根据实际情况进行计算后，将压膜轮半径设置为300 mm，宽度设置为45 mm，保障膜体压入沟底的同时，减少破裂风险。

2.5 控制及通讯结构

除覆膜结构、播种施肥结构、农药喷洒结构外，设计环节还重点关注了控制、通讯系统装配问题，同样引入单片机实现总控，单片机装置分别布设于拖拉机、复合种植机之上，内嵌nRF905射频模块，可以在射频功能帮助下实现远程无线通讯，从而起到节省成本、简化线路的作用，单片机内部集成度较高，布线简洁且指令程序以固化形式存在于ROM中，可以较好地规避无线电、电磁波信号干扰，额定工作电压仅有1.8～3.6 V，能够较好地适应农业机械生产环境。拖拉机内部额外安装高敏度传感器，可以实时接收速度信息，转化为可识别电信号后送入单片机，单片机根据信号内容、设定参数作出分析，并将对应数量的脉冲信号传送给步进电机，完成均匀排种、自动控制目标。

3 田间试验过程及结果

机械设计完毕后，在某水果玉米种植基地进行试验，试验地海拔291 m，土质为砂壤，pH值为5.79～6.34，灌溉条件、地形条件较好，选用当地糯玉米品种作为试验材料。2021年7月初开展，采用宽窄行直播方式，宽行1.2 m，窄行0.4 m，植株间距控制在0.25 m左右，密度48 700株/hm2。采用的拖拉机动力为47.52～55.18 kW，播种深度在30～50 mm，喷药量550～780 kg/hm2，见表1。结果显示：机具运行状况较为平稳，各项指标良好，可以在单次作业中同时完成渗灌管下放、破茬旋耕、施肥播种等多项工作。

表1 机械在水果玉米种植基地试验运行测试结果Tab.1 Test results of mechanical operation in sweet maize planting base

检测后发现机具运行状况较为平稳，各项指标良好，可以在单次作业中同时完成渗灌管下放、破茬旋耕、施肥播种等多项工作，覆膜表现较高，膜体两侧均被压入沟底，且不存在破裂问题。节水功能是该设计的一大亮点，内部配备的渗灌管卷盘可以自动完成管线下方，与传统沟灌相比节水量可达75%～80%，与现有的滴灌、渗灌技术相比也可以节省用水35%～50%，操作时注意做好管线安装，尤其关注连接部分的渗漏情况，采用必要措施进行密封加固。此外对机械排种稳定性进行了专项检测，测试量为12行，稳定性计算公式如下：

式中：S——各行种量标准偏差；Xi——每行排量；-X——平均排量；n——测定行数；V——各行排种量的一致性变异系数。

经过计算发现各排量标准差为0.174 g，总排量标准差为1.532 g，计算得到的稳定性变异系数约为3.326%，能够满足水果玉米种植需求。

4 结语

综上所述，本文设计的多功能、复合式水果玉米种植机械，装配渗灌管卷盘、薄膜卷支及压辊机构、破茬开沟装置等，可以一次性完成旋耕、播种、施肥等工序，农药喷洒机构及总控机构中融合使用了单片机技术，可以实时采集拖拉机的速度参数，并通过步进电机实现远程控制，现场检验后发现机械运行良好，与传统灌溉方式相比节省水源35%～50%，播种环节稳定性变异系数控制在3.326%，性能十分优良。