2BZ-5型智能小杂粮播种机的研制与试验

赵 菁

（山西省农业机械发展中心，山西 太原 030002）

山西素有“小杂粮王国”之称。全省主要小杂粮作物有谷子、糜黍、燕麦、荞麦、高粱、豆类等，其种植面积占全省粮食作物总面积的近三分之一。全省从南到北都有杂粮种植，特别是东部太行山区、西部吕梁山区以及北部高寒冷凉地区种植更加广泛。发展特色有机旱作杂粮农业是习近平总书记视察山西时交给山西省的重大任务。为全面落实习总书记视察山西时的重要讲话精神，省政府出台了《关于加快有机旱作农业发展的实施意见》，指出，山西省地处干旱半干旱地区，山多地少，水资源匮乏，土壤贫瘠，旱地占70%，山地占70%。这样的地理条件，决定了山西必须抓特色农业，必须抓旱作农业，必须坚持走精耕细作、用地养地、农牧结合的雨养农业路子，发展小而精、特而优的区域特色产业。同时强调，需要发展农机配套融合工程[1]。针对山西省丘陵山区多、地块不连片、作物类型多的实际情况，坚持自主开发与引进相结合，集中研发适合于丘陵山区作业的经济耐用、环保低耗、操作简便的小型农机具。

2BZ-5 型智能播种机就是针对山西省典型杂粮农艺和实际种植情况，研发的杂粮有机旱作播种机。机具采用高频GPS 智能调节播种速度，通过芯片设定播种参数，方便快捷，播种量精确，采用伺服电机减少了庞大的机械传动和调节机构，有极强的播种适用性[2]。解决了山区丘陵地区杂粮株距、行距不一，播种深度不一，机械传动易出现缺苗等问题，还适用于中药材、蔬菜的播种作业。

1 2BZ-5型智能小杂粮播种机的主要研究内容

2BZ-5 型智能播种机相较于传统播种机在传动系统方面将传动链轮和调节播量的机械系统全部简化为伺服电机控制，对排种器本身的研究已有较成熟的方案和产品，本研究以GPS 模块、伺服电机的布置以及与排种器的配套为主。机具作业时通过牵引机构挂接在拖拉机三点悬挂臂上，作业前通过计算将GPS 调速模块设定为适合作物播种的作业速度，作业时拖拉机牵引机具前进，整地机构将耕地平整，开沟器开出播种沟，GPS 调速模块控制伺服电机播种系统将种子播入导种管落入种沟内，仿形机构可有效保证播种深度一致性，最后由覆土器进行覆土镇压，保证出苗率（播种机结构图见图1）。

图1 2BZ-5型智能小杂粮播种机结构图Fig.1 The 2BZ-5 intelligent minor grain crops seeder chart

1.1 GPS模块和交互界面的设计

GPS 模块应包含GPS 定位系统和速度反馈系统，并应集合伺服电机驱动模块，同时应有合理的人机界面，方便调整播种参数。

1.2 伺服电机和排种器的配套设计

伺服电机通过一定机械机构和排种器的排种轴相连，同时需要结合排种器大小确定固定的传动比例，最终得到伺服电机转速与排种量的比值，作为GPS模块调整计算的依据。

1.3 仿形机构的设计

仿形机构应随地面起伏而随时调整开沟器高度，与传统播种机采用四连杆的仿形机构不同，智能播种机无需考虑仿形机构运动时对传动系统的影响，因此采用单杆仿形即可。

2 2BZ-5型智能播种机的参数设计

2.1 行走速度

播种机作业速度是以田面平整度以及土壤潮湿度而定[3]。考虑到需保证行走均匀避免GPS 信号漂移，同时减小振动对排种器的影响，作业速度有一个合适的范围，采用22.06 kW拖拉机匀速行驶，该机作业速度为5 km/h≤Vm≤10 km/h。

2.2 播种效率

根据机具的幅宽和作业速度，按下式计算生产率T：

式中：η——播种机田间利用系数，为0.6～0.8，取0.7；B——幅宽1.5 m；Vm——播种机前进速度5～10 km/h。

T=0.525～1 hm2/h。

3 2BZ-5型智能小杂粮播种机主要结构设计

3.1 牵引机构

牵引机构分为上牵引杆1 和下悬挂头2，其结构见图2。上牵引杆通过圆柱销连接在机架上，下悬挂头焊接在机架上。上牵引杆与拖拉机纵拉杆通过圆柱销连接，下悬挂头固定在横拉杆上。工作时机具为牵引式，上牵引杆仅起到限位作用，机具的拖拽依靠下悬挂头；在非作业状态行走时可通过升起后三点悬挂将机具抬升。同时通过调节拖拉机纵拉杆改变上牵引杆角度可对机具进行一定的角度调整。

图2 牵引机构结构图Fig.2 The structure drawing of traction mechanism

3.2 机架

为了减轻整机质量，保证结构强度，机架选用80 规格的方钢焊接，方钢之间采用预先切割接口、整体利用工装的方法进行焊接。机架整体长度根据各机构安装位置，各部件尺寸综合确定（机架结构图见图2），再根据经验整合，减小土壤作用力对拖拉机的翻转力矩。

图3 机架结构图Fig.3 The frame structure drawing

3.3 GPS调速模块

3.3.1 GPS介绍

GPS 即全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。该系统包括太空中的24 颗GPS 卫星；地面上1 个主控站、3 个数据注入站和5 个监测站及作为用户端的GPS 接收机。最少只需其中3 颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确[4]。GPS 系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。用户设备主要为GPS 接收机，主要作用是从GPS 卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。GPS的功能很多，既能用于天文台、通讯基站的精确定时，又能用于桥梁、隧道等施工中的工程测量，还能用于野外勘探及城区规划中的勘探测绘；既能为车辆、船舶、飞机等交通工具导航，还可以为手机、PDA、PPC 等通信移动设备提供定位。在农业上主要用于农机具导航、自动驾驶、土地高精度平整等精准农业作业。

3.3.2 模块组成

模块作为机具的核心，一方面需要及时获取GPS 坐标得到瞬时速度，一方面需要集成人机交互系统并且正确驱动伺服电机进行转动。因此模块应包括以下几部分：①GPS 系统；②数据处理芯片；③人机交互屏幕和按钮；④伺服电机驱动。由于模块由外协完成，项目组主要对模块的性能进行了制定，同时设计了交互界面。

（1）模块设计

GPS模块工作逻辑见图4。

图4 GPS模块工作逻辑图Fig.4 The GPS module working logic diagram

（2）交互界面设计

交互界面主要包括确认按钮、模式切换按钮以及“+”“-”两个调节株距按钮（见图5）。模块侧面有开关按键，工作时将模块接到拖拉机电瓶端子，输出端接伺服电机。打开开关后可以按模式按钮切换手动模式和自动模式，手动模式可设置固定转速，自动模式为GPS 模块根据拖拉机速度自动调节伺服电机转速。

图5 交互界面平面图Fig.5 The interactive interface plan

3.4 伺服电机播种系统

3.4.1 伺服电机介绍

伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，可使控制速度，位置精度非常准确[5]。综合伺服电机、步进电机性能和机具需求，考虑到播种机构中排种器对速度均匀性、一致性和稳定性的要求，选择伺服电机作为机具动力，通过考察市场，选取汉举电子的90ZYT60HM 型伺服电机和控制系统，该电机为直流电机，且集成了轴端谐波减速器和安装法兰，大大减少了播种系统后续传动机构。

3.4.2 传动机构

伺服播种机构传动系统如图6 所示，包括：电机、传动链轮、排种器长轴和传动链轮。伺服电机接受到GPS 模块控制信号后以一定速度转动，经链轮减速后将动力传输至排种器长轴带动排种器工作。

图6 播种机构传动系统结构图Fig.6 The transmission system structure drawing of seeding mechanism

3.4.3 仿形机构

仿形机构包括机架、固定卡、仿形摇臂、复位弹簧、落种管、以及开沟器6个部分。机构工作原理等效于一杆可变（弹簧）的四杆机构。

图7 播种机仿形机构结构图Fig.7 The copying mechanism diagram of seeder

4 试验情况

项目试制完成2BZ-5 型智能播种机一台，于项目执行期内进行了空地试验和实际作业试验。2019年初在企业厂区进行2BZ-5 型智能播种机下种测试，通过变换拖拉机速度检验GPS模块是否满足播种均匀性要求；2019年5月17日于长治县信义进行样机试验，进行谷子和玉米播种。具体试验情况见表1。

表1 试验情况表Tab.1 The test fact sheet

5 结语

2BZ-5型智能播种机采用GPS捕捉机具行走速度可彻底避免地轮动力系统由于地轮打滑带来的播种均匀性差等问题，同时由于无需对拖拉机进行任何改装，也不需要绑定拖拉机参数，通用性极强。并且通过优化控制模块大大减少了GPS 漂移带来的影响，与国内同类机具相比，稳定可靠，通用性强，填补了杂粮有机旱作播种机具的市场空白，可进一步节省人工费用，促进全省特色杂粮种植产业的规模化发展。