基于液压马达集中驱动的玉米免耕播种机设计与试验

杨 壮,高琪珉,张银平,刁培松

(山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255049)

0 引言

粒距均匀性是衡量播种质量的重要指标，保证粒距均匀不仅可以节约种子用量，还可以提高作物产量[1]。GRIEPENTROG[2]指出均匀的粒距可以减少作物间对光、水分和养分的竞争，从而提高作物产量。目前，国内市场上玉米播种机的主流机型还是机械式，排种器驱动方式为橡胶地轮驱动，播种作业时滑移率高，导致施肥播种粒距均匀性差[3-4]。国外对排种器驱动及控制方式的研究较多，Precision Planting[5]公司研发的电驱式排种系统，采用直流电机驱动排种盘，采用测速雷达获取播种机前进速度，根据测取的速度实时调控排种盘的转速，该系统已经实际应用。CASE设计的变量播种机采用电控液压马达变量播种施肥执行机构，可以通过改变液压比例阀的开度实现无级调节[6]。近几年，国内研究人员也逐步开展了排种器驱动及控制方式的研究，蒋春燕等[7]设计了步进电机驱动排种的玉米播种机，建立了电机转速与拖拉机行进速度之间的关系模型，通过单片机控制电机转速。YANG等[8]研发了排种器的电机直驱技术，采用直流电机通过周向传动的方式驱动排种，通过传感器检测地轮转速计算播种机前进速度，根本播种机前进速度和目标株距控制排种器转速。唐尧华[9]利用霍尔元件对拖拉机前轮测速，根据拖拉机行走速度控制排种器转速，证明电机驱动排种器变异系数小于地轮传动。这些研究在实验室内效果很好，但通过地轮测速，仍然存在滑移率高的问题，实际应用效果不佳[10]。国内对采用液压驱动方式的玉米播种机也很少。

为实现粒距无级调节，本课题采用液压马达驱动排种的方式，设计了粒距动态自适应系统，实现了液压马达转速与拖拉机行驶速度的精确匹配。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

基于液压马达集中驱动的玉米免耕播种机整机主要包括限深轮、防堵装置、施肥装置、播种单体及传动系统，如图1所示。其中，传动系统采用液压马达集中驱动，主要由液压马达、液压流量阀以及各级传动轴和链轮、链条组成。其主要技术参数如表1所示。

1.2 工作原理

玉米免耕播种机工作时，采用北斗导航系统测速，拖拉机速度信号通过可编程控制器(PLC)转换为液压马达的流量信号，在拖拉机速度与液压马达转速之间建立一定的关系模型，使液压马达转速随拖拉机速度变化而变化；液压马达驱动总动力轴，总动力轴将动力分配给排肥轴，通过排肥轴分配给单个的排种器。液压马达速度的变化引起排种器转速的变化，从而保证播种粒距不随拖拉机行驶速度的变化而变化，实现粒距的动态自适应，工作原理如图2所示。

1.限深轮 2.防堵装置 3.施肥开沟器 4.播种开沟器 5.排种器 6.覆土器 7.镇压轮 8.种箱 9.传统系统 10.两侧肥箱

11.中间肥箱 12.液压马达 13.机架 14.液压流量阀 图1 玉米免耕播种机Fig.1 No-tillage planter of corn表1 玉米免耕播种机技术参数Table 1 Technical parameters of no-tillage maize planter

图2 粒距动态自适应系统工作原理Fig.2 Working principle of the seed spacing dynamic adaptive system

北斗导航系统安装在拖拉机上，一方面为排种器驱动电机提供速度信号；另一方面在没有划行器的情况下保证播种行直线度和邻接行距一致，方便后续管理。同时，北斗导航系统具有辅助驾驶功能，在作业过程中，机手无需掌控方向盘，拖拉机即可按设定的路径行驶，在地头转弯时进行人工干预，辅助驾驶模式自动解除，大大减轻了机手的劳动强度，提高作业的准确性和效率[11-12]。

2 关键部件设计与计算

2.1 液压驱动方式设计

针对液压马达驱动使用液压马达驱动，设计了两种液压马达驱动方案。方案1如图3(a)所示：排种器采用独立的液压马达，由一个液压站统一供油。方案2如图3(b)所示：采用一个液压马达集中驱动主轴，主轴再将动力分配到各排种器。

通过实验室实验可知：采用方案1时，即使是同一型号、同一批次的液压马达，由总的液压站分配到各个液压马达的流量也会有差异，很难标定，造成各行播种粒距不一致，无法达到要求的播种精度。而方案2由一个液压马达驱动主轴后再将动力进行分配，可以保证每个排种器转速一致，从而保证各行播种粒距的一致性。因此，本研究采用方案2的驱动方式。

(a) 方案1 排种器独立驱动

(b) 方案2 排种器集中驱动 图3 排种器液压驱动方案Fig.3 Methods of seed metering device hydraulic driven

2.2 液压元器件选择

2.2.1 液压马达

根据玉米免耕播种机的工作环境及工作性能要求，选用液压马达首先应保证马达的功率及流量能够达到使用要求，本课题选用BM1系列摆线液压马达。该系列液压马达体积小、质量轻；转动惯量小，在负载下容易启动；低速大扭矩，安装方便；响应速率快[13]。由于所需液压马达仅需带动排种器和排肥器的工作，不需要太大的输出功率，因此可选用BM1-160摆线液压马达，如图4所示。

图4 BM1-160摆线液压马达Fig.4 BM1-160Cycloid hydraulic motor

2.2.2 PLC(可编程控制器)

该玉米免耕播种机的施肥器、排种器由转速液压马达驱动，液压流量阀流量由PLC控制，PLC根据测得的速度动态调节液压马达转速，使排种器转速与播种机作业速度一致。选用西门子S7-200 SMART系列PLC，如图5所示。

该款PLC有极高的可靠性，丰富的指令集， 易于掌握，操作便捷，内置丰富集成功能，实时性好，通讯能力强劲，扩展模块丰富[14]。

图5 S7-200 SMAR控制器Fig.5 SMAR S7-200 controller

2.2.3 比例调速阀

该玉米免耕播种机的排种器由液压马达驱动，液压马达转速通过流量控制，为保证液压马达转速的稳定，所选用的流量阀必须能在低速时防止跳动，因此选用2FRE6A-20B/10Q-R型比例调速阀，如图6所示。该比例调速阀采用给定电气信号控制系统的流量保存恒定，与压力和稳定变化无关，其流量特性和动态特性好，压力损失小，能有效避免起动跳动[15]。

图6 比例调速阀2FRE6A-20B/10Q-RFig.6 2FRE6A-20B/10Q-R proportional flow regulator

播种机作业启停阶段速度较低，通过北斗导航所测速度信号不稳定，为了修正低速时测得的不稳定信号，在动力主轴上安装齿盘测速传感器，测速结果反馈给PLC，修正液压马达转速，保证排肥、排种的均匀性。液压控制系统的工作原理如图7所示。

2.3 排种器转速与机具作业速度关系

播种作业时，首先将亩播量输入到PLC控制器中，建立播量、排种器转速与机具行驶速度之间的函数关系，即

L=v·t

(1)

其中，L为t时间内拖拉机行驶的距离(m)；t为拖拉机行驶距离为L所用时间。

(2)

式中N—亩播量(株/667m2)；

n—排种器转速(rad/s)；

m—单个排种器上的勺孔数量；

v—拖拉机行驶速度；

d—行距(m)。

从而得排种器转速与机具行驶速度、亩播量之间的函数关系为

n=N·v·d/666.67

(3)

根据建立的关系模型编制程序，设计排种器转速及流量控制电路，如图8所示。

图7 液压控制系统原理图Fig.7 Hydraulic system principle sketch

图8 排种器转速及流量控制电路图Fig.8 Control circuit diagram of the speed and flow rate of the seeder unit

3 试验

3.1 试验条件

试验在山东淄博临淄富群农机合作社试验田进行，秸秆覆盖量不小于40%，秸秆切碎长度合格率不小于85%、残茬覆盖量0.3～0.6kg/m2(秸秆含水率不大于25%)，配套动力不小于89kW。

3.2 试验方法

排肥、排种性能在生产厂内进行试验检测，整机性能和播种参数在田间生产示范试验基地进行。

试验地测定区长100m、宽50m，在小麦收获后的第2 天进行检测，地块平整，同时测定了土壤含水率、土壤坚实度、麦茬高度、秸秆覆盖量等。主要检验依据为JB /T 6274.1 - 2001《谷物条播机技术条件》、GB /T 20865- 2007《免耕施肥播种机》和GB /T 6973 -2005《单粒( 精密) 播种机试验方法》。检测设备包括照相机、摄像机、土壤坚实度仪、土壤水分温度测量仪、土壤盒以及容重器、谷物快速水分测定仪、电子自动数粒仪、手持气象站、光电式转速表、标杆、烘干箱、台秤、电子天平和皮尺等[16-17]。

1)播种机防拥堵性能测试：往返一个行程不发生堵塞或者有一次轻度堵塞，即视为合格。

2)粒距均匀性测量：设置拖拉机行驶速度为2、3、4km/h，亩(667m2)播量分别为4 000、4 500、5 000株和拖拉机行驶速度为4km/h，分别播种一个来回，播种后随机取8行，每行在100m内随机取20个点，人工扒开土层进行粒距测量，记录数据。

3)播种、施肥深度测量：播种后，随机取8行，每行在50m内随机取20个点，人工扒开土层进行播种深度、施肥深度测量，并记录测试数据。

4)邻接行距测量：播种后，在几趟往返的邻接行上随机取100m，测量100m内邻接行上任意2行的行距，重复10次记录数据。

3.3 试验结果

1)机具通过性在机具的3次通过性测试中，测试行程100m，3次均无堵塞，机具的通过性良好。

2)粒距测量所得结果如表2所示。试验结果表明：在不同的作业速度下，播种粒距合格率均不小于95%，符合设计要求；但随着作业速度的增加，粒距合格率下降，这可能与勺盘式式排种器的排种精度有关， 因此对于勺盘式播种机来说，要保证粒距均匀性，其作业速度最好不超过4km/h。

3)播种深度、施肥深度测量所得结果如表3所示。播种深度、施肥深度及种肥间距合格率分别为88.82%、90.32%、90.17%，符合设计要求。

4)邻接行距测量所得结果如表4所示，可知北斗导航的定位邻接行间距误差为2.8(cm/100m)。

表2 粒距测量结果Table 2 Results of seed space

表3 播种试验结果Table 3 Results of planting

4 结论

设计了一种液压马达集中驱动排种的玉米免耕播种机，重点设计了液压驱动系统和传动系统，解决了粒距无极调节问题。设计的株距动态自适应系统，能保证株距不随拖拉机行驶速度的变化而改变。田间试验表明：在秸秆覆盖量大于40%条件下，基于液压马达集中驱动排种的玉米免耕播种机通过性良好，在作业速度≤4km/h的条件下，播种粒距合格率均不小于95%，播种深度、施肥深度及种肥间距合格率分别为88.82%、90.32%、90.17%，邻接行距误差为2.8cm，符合设计要求。

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