玉米免耕播种机播种深度控制系统研究分析

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摘要：在总结国内外玉米播种机播种深度控制相关研究现状的基础上，针对播种深度控制系统存在的主要问题，从提高开沟器振动性能、改进播深机电液自动控制装置、建立玉米播种机信息模型、增强仿形装置性能等方面展望播种深度控制系统研发趋势。

关键词：免耕播种机;播深稳定性;仿形机构;动力学模型

中图分类号：S223.2    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2018）05-0071-03

播深稳定性对玉米的出苗、生长、产量有很大影响，是评价玉米播种机播种性能的一项重要指标。在保护性耕作条件下，免耕播种机在覆盖残茬的地表播种时，对播种深度的控制受较大影响。播种深度由开沟、排种、覆土、镇压等一系列环节确定，且与播种机开沟器开出种沟的土壤条件密切相关，任何环节都有可能影响种子在土壤中的最终分布状态，进而影响播种质量。在播种过程中，开沟器结构、限深机构、悬拉杆仿形机构、覆土镇压装置是决定播深稳定性的重要因素，也是近年来国内外的研究热点。

1 玉米免耕播种机播种深度控制系统研究进展

1.1 国外情况

20世纪40年代，国外研究人员开始研究播种机关键部件，研制开发出多种工作性能良好的播种机型，并在农业生产中得到广泛推广。土耳其学者研究播种深度对出苗时间和产量的影响，发现2种气力式玉米播种机的播种速度为1.6 m/s时，适宜播种深度为60 mm。此后，A.Ozmerzi等通过研究影响播深稳定性的因素（如沟底粗糙度、土壤紧实度等），确定了开沟器的最佳性能参数。

开沟深度对播种深度的影响尤为重要。国外玉米播种机控制开沟深度的方式主要有2种：主动控制和被动控制。德国Amazone公司研制一种电子深度控制装置，其将超声波探测器安装在开沟器上，实时监测开沟深度并通过液压系统及时调节，从而达到开沟深度一致。美国JohnDeere公司生产的多种型号播种机的圆盘开沟器侧面装有橡胶限深轮，用来控制圆盘开沟器开沟深度。E.T.Weatherly与C.G. Bowers Jr基于干燥面传感器（drying front sensor，DFS）研制一种主动式播种深度自控系统，通过检测土壤电阻得到土壤含水率，再通过控制器、液压系统、调节机构等将圆盘开沟器调整至合适位置，确保将种子播在土壤含水率合适的深度。前苏联的亚列敏科设计的开沟器仿形自动调深机构（如图1所示），通过自动调节悬拉杆系统中的弹簧压力提高开沟器的稳定性。麦赛—福克森公司生产的MF-30型播种机通过液压油缸控制单圆盘开沟器悬拉杆的高低来控制播深（如图2所示）;此外，他们利用空气—干土和湿土之间的导电性能差异作为调整播深信号，研制一种电传感播深控制系统，其灵敏度可以保证播种机开沟器的深度调节要求。

国外知名农机公司如约翰迪尔（John Deere）、凯斯纽荷兰（CNH）、大平原（Great Plain）、满胜（Monosem）、格兰（Kvemeland）等不断将新技术、新工艺、新材料应用于玉米播种机，研制出许多成熟的机型，在播种质量控制尤其是播深稳定性方面取得了很大进展。多数播种机采用平行四杆仿形机构，利用双侧橡胶轮或后镇压轮限深确保开沟深度一致和仿形限深准确、可靠。播种单体上安装机械式播深控制系统，可以准确地调节播种深度，保证播种深度一致。但国外玉米播种机大多工作幅宽大、转弯半径大、价格昂贵，虽然技术上先进成熟，但与我国农村作业地块小、拖拉机动力小的国情不相适应，不能完全满足我国的播种技术要求。

1.2 国内情况

长期以来，国内不少学者对仿形机构和播种深度进行研究，希望通过仿形控制播种深度稳定性。

包文育通过分析播种机组理论，建立玉米播种机横向稳定性动力学数学模型，对于播深稳定性的研究具有借鉴意义。王熙等人设计一种电液自控式平行四杆仿形机构，通过分析仿形能力、仿形精度、灵敏度调整作业深度，实现播深的精确控制。

蔡国华等人开发设计一种基于ATmega128单片机的开沟深度自控系统试验台（如图3所示），实现开沟深度跟踪控制。但免耕播种的地表情况复杂，土壤坚实度差异较大，仅靠超声波传感器检测到的地面起伏变化调整播种单体的上下浮动，很难使播种深度的一致性达到预期效果。

赵金辉等人设计一种包括地表高度檢测机构、四连杆仿形机构、PLC控制系统和液压系统的开沟深度控制统（如图4所示），既实现了开沟深度的实时精确控制，又实现了开沟深度的同步仿形，满足开沟深度稳定性要求。

黄东岩等人设计一种主动作用式播种深度自动控制系统（如图5所示），通过PVDF压电薄膜传感器测量免耕播种机限深轮的胎面形变量，实时监测播种单体对地表压力。当播种单体对地压力不足时，控制安装在播种机机架与播种单体四连杆间安装空气弹簧产生推力，从而保证播种深度的一致性。试验结果表明，其作业速度为5～8 km/h时，播深合格率达到90%。

李玉环等人从种子上层土壤厚度测控角度出发，设计一种覆土—镇压联动智能监控系统。田间测试结果表明，此系统在高速播种作业时播种深度的一致性较高。

2 玉米免耕播种机播种深度控制系统研究存在的问题

国内学者对国外玉米播种机消化、吸收、创新后，研制出多种机型，但田间作业的播种性能均不理想，主要存在以下问题。

1） 受传统设计方法和测试技术手段的限制，对播深稳定性的研究仍沿用田间试验统计模拟法，与欧美等发达国家存在着一定的差距。

2） 虽然针对播种单体建立了动力学数学模型，但仍停留在静态学理论分析上，未能从动态学研究播种机的运动特性。

3） 目前研究人员偏重于排种器、仿形机构、开沟器等的结构参数和运动参数研究，或是研制不同仿形机构在播种机上进行对比分析应用，而对种子触土后实际播深控制等方面的研究较少。国内采用较多的机械式仿形装置，虽然具有结构简单、维护方便和投入成本低等优点，但其在跟踪地表起伏的精确度和快速性方面并不理想。另外，对影响播深精确的控制系统及其相关的传感器检测技术、控制策略及控制算法的研究还不够深入，使得实际生产应用中播深和株距控制精度的提高受到很大限制。

3 玉米免耕播種机播种深度控制系统发展趋势

影响开沟深度稳定性的主要因素是开沟器的振动性能，从动力学振动角度来研究开沟器的振动性能，改变开沟器悬挂结构或在开沟器上装上液压阻尼器，可以提高其与土壤作用时的减震性能。

建立田间玉米播种机工作的信息模型，求取以地表不平度和播种机的工作阻力为输入、以播种深度为输出的系统传递函数并对其进行研究，然后设计出新型仿形机构，可以提高仿形装置的性能，减少玉米播种机纵向波动，从而提高播种深度稳定性。

开发开沟深度电液自控装置，实时监控并自动调节开沟深度来提高开沟深度稳定性，从而改善播种深度稳定性。受开沟器与仿形轮、覆土器及镇压轮等部件结构尺寸的限制，目前大多数精密播种机单体仍采用前仿形或后仿形方式控制播深，存在仿形提前或滞后现象，影响播种深度一致性。为满足目前大型精密播种对精确控制播深和提高仿形装置灵敏度的要求，利用机、电、液相结合的方法，设计由平行四杆机构与电液自动仿形系统结合的免耕播种机播深控制系统，实现播种深度精确控制。

参考文献

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[3] 王熙，张海玉，赵军，等.大豆播种机电液仿形机构研究[J].农机化研究，2010，32（1）：227-229.

[4] 蔡国华，李慧，李洪文，等.基于ATmega128单片机的开沟深度自控系统试验台的设计[J].农业工程学报，2011，27（10）：11-16.

[5] 黄东岩，朱龙图，贾洪雷，等.基于压电薄膜的免耕播种机播种深度控制系统[J].农业机械学报，2015，27（4）：1-8.

[6] 李玉环，孟鹏祥，耿端阳，等.玉米播种深度智能调控系统研究[J].农业机械学报，2016，47（S1）：62-68.

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Research Status of Seeding Depth Control System of Maize No-Tillage Seeder

QIAN Wei1， MA Shibang2

（1. College of Mechanic and Electronic Engineering， Hebi Polytechnic， Hebi Henan 458030， China; 2. College of Mechanic and Electronic Engineering， Nanyang Normal University， Nanyang Henan 473061， China）

Abstract： On the basis of summarizing the research status of seeding depth control of maize seeder at home and abroad， for the main problems of sowing depth control system， the research and development trend of seeding depth control system is forecasted from the aspects such as improving the vibration performance of trenching opener， improving the electromechanical and hydraulic automatic control device for deep seeding， establishing the information model of corn planter and enhancing the performance of profiling device.

Key words： no-till planter; sowing depth stability; profiling mechanism;dynamical model