大豆免耕播种机设计与试验

时间：2024-05-23

(长春市九台区其塔木镇综合服务中心,长春 130500)

0 引言

大豆是我国主要的经济作物之一,作为重要的蛋白质来源,大豆在保障国家粮食安全和人民群众营养需求方面发挥着重要作用[1-3]。同时,大豆还是生产豆腐、豆浆、豆油等食品的重要原材料,对于保障食品安全和人民群众的日常生活也具有不可替代的重要性。

传统的大豆种植方式存在很多问题,其中最为明显的问题之一就是需要进行大面积的翻耕和整地。这种传统的耕作方式会破坏土壤结构,降低土壤肥力和生产力,同时还会导致土壤侵蚀、水土流失和农药、化肥残留等环境问题[4-5]。因此,相关科研机构及学者开始研究和开发一种高效、环保、节能的大豆免耕播种机。大豆免耕播种机可以避免传统的翻耕和整地操作,减少土壤破坏和土地资源浪费,同时还能够提高种植效率、降低劳动强度和减少农药、化肥的使用,对于实现农业可持续发展和推进农业现代化具有重要意义。

为了解决传统大豆种植方式存在的问题,本文基于农业生产实际需求,设计了一种具有履带式移动底盘和旋转式播种器的大豆免耕播种机。该机器具有结构简单、使用方便、作业效率高等特点。具体来说,该机器主要由履带式移动底盘、自动导向系统、旋转式播种器等部分组成。其中,履带式移动底盘可以在不同地形和环境下自由行驶,自动导向系统可以保证播种精度和作业效率,旋转式播种器可以实现无土深直播种和肥料施用等多种功能。为推广高效、环保、节能的大豆种植方式提供了有力的技术支持,对于促进农业生产现代化和推进农业可持续发展具有重要的现实意义。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

大豆免耕播种机的整机结构主要由履带式移动底盘、自动导向系统和旋转式播种器组成。履带式移动底盘是整个播种机的基础,其底部采用履带式结构,能够在不同地形和环境下自由行驶,并保证播种机的稳定性和可靠性[6]。自动导向系统通过精准GPS定位和激光传感技术,实现播种机的自动导航和作业路径规划。旋转式播种器则是整个播种机的核心部件,其通过旋转式的结构,实现无土深直播种和肥料施用等多种功能。同时,该播种器还具备自动调节种子数量、种子深度和行距等功能,可满足不同地区、不同品种的大豆免耕播种需求。

1.2 工作原理

首先,通过自动导航系统对播种机进行路径规划,并将作业区域划分为若干个小块。接着,播种机进入作业区域,通过旋转式播种器将种子和肥料直接深入土壤进行播种。同时,播种机还能根据作物需求和土壤条件进行自动施肥和施药等操作。整个作业过程中,自动导航系统会不断监测播种机的位置和作业效果,以保证播种质量和作业效率。最终,播种机完成了对作业区域的免耕播种操作。

2 关键部件的设计方案

2.1 履带式移动底盘

履带式移动底盘是大豆免耕播种机的重要组成部分,其设计和选型直接影响着整个播种机的性能和作业效率。为了达到最佳的性能和效果,需要对履带式移动底盘进行优化和选型。

首先,履带式移动底盘需要具备良好的稳定性和可靠性,能够在不同地形和环境下自由行驶,并保证播种机的稳定性和平稳性。因此,在选型时需要考虑底盘的轮胎规格、悬挂系统、动力系统和制动系统等方面的因素。一般情况下,越宽的履带和越强的悬挂系统能够提供更好稳定性和平稳性,而越强的动力系统和制动系统则能够提供更好的行驶性能和安全性。

其次,履带式移动底盘还需要具备良好的适应性和可拓展性,能够适应不同播种环境和需求,并提供足够的扩展空间以便于未来的升级和改进。在此方面,一些可调节的设计元素(例如悬挂高度、轮距和车体高度等)及模块化设计能够提高其适应性和可拓展性。

最后,履带式移动底盘还需要具备较高的经济性和可维护性,能够满足农业生产的实际需求和预算限制。在这方面,需要考虑底盘的维护和保养成本、易损件的可更换性和维修性,以及底盘的耐用性和寿命等方面的因素。

2.2 自动导向系统

自动导向系统是大豆免耕播种机的关键技术之一,能够根据预先设定的轨迹和参数自动控制播种机的行驶和作业,提高作业效率和精度,并降低劳动强度和误差率。为了实现这一目标,需要对自动导向系统进行设计和优化。

首先,自动导向系统需要具备良好的定位和测量精度,能够准确地识别和跟踪播种机的位置和方向,并实时反馈给控制系统。为此,可以采用多种定位和测量技术,例如全球定位系统(GPS)、惯性导航系统(INS)、激光测距仪、视觉传感器等,以提高测量精度和稳定性。

其次,自动导向系统需要具备高效的控制算法和适应性,能够根据不同作业环境和要求自动调整轨迹和作业参数,并实现动态控制和自适应控制。为此,需要采用先进的控制算法和模型预测控制技术,例如基于模型的预测控制(MPC)、自适应控制、模糊控制等。

最后,自动导向系统还需要具备良好的人机交互性和可视化性,能够直观地展示播种机的位置、状态和参数,并支持用户的交互和操作。为此,可以采用人机界面技术,例如触摸屏、语音识别、虚拟现实等,以提高用户体验和操作效率。

2.3 旋转式播种器

旋转式播种器是大豆免耕播种机的核心部件,它能够将大豆种子精确地输送到土壤中,实现高效、均匀的播种作业。为了实现这一目标,需要对旋转式播种器进行设计和优化。

首先,旋转式播种器需要具备良好的输送精度和稳定性,能够精确地控制种子的输送速度、数量和位置,并避免种子的堆积、漏洒和挤压。为此,可以采用多种传动和输送技术,例如电动马达、传动带、齿轮传动、滚子输送等,以提高输送精度和稳定性。

其次,旋转式播种器需要具备良好的适应性和可调性,能够根据不同的土壤类型、作物品种和播种深度自动调整播种器的工作参数,并实现动态控制和自适应控制。为此,需要采用先进的传感器和控制算法,例如土壤湿度传感器、深度传感器、模型预测控制算法等,以提高适应性和可调性。

最后,旋转式播种器还需要具备良好的清洁和维护性,能够方便地清理和更换种子箱、输送管道和输送部件,并保证播种器长期稳定运行。为此,可以采用可拆卸、可清洗和可维修的设计方案,以便于清洗、维修和更换。

3 田间试验

3.1 试验方法

为了对大豆免耕播种机的性能进行评价,参考了农业行业标准《免耕播种机质量评价技术规范》进行试验。具体试验内容如下:

1)机具通过性试验。在不同的土壤类型和植被覆盖情况下,测试大豆免耕播种机的通过性。主要评价机具的越野能力和通过不同障碍物的能力。

2)秸秆清洁率试验。测试大豆免耕播种机的秸秆清洁率。模拟免耕播种机田间工作状态将一定量的秸秆投入播种机,测试出投入的秸秆和清除的秸秆的质量差异,以此评价机具的清洁能力。

3.2 测定指标与方法

3.2.1 田间通过性

选取不同类型的土壤,包括干硬土、潮湿土、松软土等,均匀覆盖在机具行驶路线上;按照试验要求,通过对机具进行拉拽或自行驱动等方式,使其通过覆盖土壤的路段,并记录通过过程中出现的异常情况。

3.2.2 秸秆清洁率

通过对作业前后每平方米播种区秸秆质量比计算清洁率η

(1)

式中A1—作业前秸秆质量,kg/m2;

A2—作业后秸秆质量,kg/m2。

3.3 结果与分析

3.3.1 田间通过性

结果如表1所示,机具在干硬土上具有较好的通过性能,能够顺畅通过。在潮湿土上,机具出现打滑现象,通过性能一般。在松软土上,机具无法通过,通过性能不良。因此,在实际使用过程中,应注意选择适合机具通过性能的土壤类型,避免在过于松软或潮湿的土壤上使用,以保证机具的正常工作。同时,可考虑通过调整机具结构或使用较大的履带来改善通过性能。

表1 田间通过性

3.3.2 秸秆清洁率

秸秆清洁率试验结果如表2所示,根据秸秆清洁率试验结果,免耕方式下机具的秸秆清洁率较高,达到了95.2%,清洁情况较好,评价指标为优良。而常规耕作方式下,机具的秸秆清洁率只有70.8%,相对较低,清洁情况较脏,评价指标为一般。因此,在保证作物产量的前提下,免耕方式可有效减少土地表面秸秆,减轻秸秆对后续作业的影响。

表2 秸秆清洁率试验结果