玉米免耕播种机精确播种关键技术研究

我国东北黑土区是世界三大黑土区之一,黑土的自然肥力高,适合农业生产,是我国最重要的粮食生产基地。传统农业生产以精耕细作模式为主,农机具多次进地作业,对土壤扰动频繁;耕地每年有近7个月的时间处于裸露休闲状态,风蚀水蚀现象严重;过量施用农药和化肥导致土壤板结。因此,预防东北黑土区水土流失,提高土壤肥力对保障国家粮食安全,改善生态环境,以及实现农业可持续发展具有重要意义。保护性耕作技术具有蓄水保墒、节本增效、提高土壤有机质含量、减少土壤风蚀水蚀等优点,经过多年的研究和发展已在全世界范围内大面积推广应用。保护性耕作技术的核心环节是作物残茬覆盖和免耕播种作业,精密排种器作为免耕播种机的关键部件,其在免耕播种作业时性能的优劣决定着保护性耕作的效果。与普通播种机相比,免耕播种机的作业环境更恶劣,地表不平度和作物秸秆、残茬都会引起播种机振动,尤其在高速精密播种时,振动对精密排种器的影响更加显著。因此,本文重点研究秸秆覆盖条件下播种机振动对排种器工作性能的影响规律,进而设计相应的减振工作部件减小免耕播种机振动,提高播种质量。(1)通过对比试验,测试指夹式排种器在链传动和电机驱动两种情况下,所受到的振动情况,并比较两者的播种合格指数、重播指数和漏播指数。通过土槽测试的方法得出播种单体作业时的振动特性,包括振动加速度和频率。根据试验数据,设计了一种振动测试试验台,可模拟免耕播种机田间作业工况,并对振动条件下指夹式排种器的作业性能和影响因素进行了台架试验。试验结果表明,排种器振动频率与振动幅值均对播种合格指数与漏播指数有显著影响,排种器振动频率对播种合格指数的影响较排种器振动幅值对播种合格指数影响显著;排种器振动频率对播种漏播指数的影响较排种器振动幅值对播种漏播指数的影响显著。台架试验可为后续减振装置设计提供参考。(2)提出一种免耕播种机播种单体减振自动控制方法,并设计播种单体减振自动控制系统。应用PVDF压电薄膜制作免耕播种机限深轮胎面形变传感器,实时监测播种单体的对地压力,间接计算出开沟器的实际开沟深度,当与目标深度不一致时,系统通过控制空气弹簧增加或减小播种单体对地压力,达到减小振动、控制播深、提高播种质量的目标。田间试验结果表明,播种单体减振自动控制系统在播种机作业速度为5～8 km/h时,播深合格率达到91%以上,其中在作业速度为7 km/h时播深合格率最高;振动加速度平均减小30%以上,其中在作业速度为7 km/h时减小幅度最大;振动频率平均减小24%以上,其中在作业速度为6 km/h时减小幅度最大;振幅平均减小30%以上,其中在作业速度为7 km/h时减小幅度最大。可以看出,在高速作业时播种单体减振自动控制系统的性能明显优于被动式仿形机构。(3)设计一种免耕播种机秸秆切割防堵装置,采取主被动结合的切割方式和组合刀片式结构,每个防堵装置在3个平面内安装切割刀具。其中两侧的刀具采取被动旋转作业,位于中间的刀具采取主动旋转作业,作业时可对秸秆(根茬)进行有支撑切割作业,提高切断率、降低功耗。田间试验结果表明:各影响因子对秸秆(根茬)切断率的显著性顺序从大到小依次为主动刀盘转速、刀片回转半径、机具前进速度;对单把刀片功率消耗的显著性顺序从大到小依次为主动刀盘转速、机具前进速度、刀片回转半径。在保证秸秆(根茬)切断率为95%以上的前提下,由Design-Expert软件预测出秸秆(根茬)切断率与单把刀片功率消耗的最佳因素组合为前进速度2.1 m/s、主动刀盘转速120 r/min、刀片回转半径200mm。根据最佳参数进行验证试验,结果表明由最佳工作参数组合得到的秸秆(根茬)切断率平均值为95.3%,单把刀片功率消耗平均值为145.2 W。(4)研制一种免耕播种机远程播种性能监测系统,包括播种监视子系统、排种检测子系统、GPS定位子系统和远程服务器等四部分。以GPS接收器作为漏播、重播位置采集器,GPRS DTU模块作为远程传输工具,STM32单片机为核心处理器、PVDF压电传感器为监测元件。该系统能够实时准确地监测播种机的各项性能指标,并将播种质量信息数据的远程传输,远程服务器程序实现数据接收、存储、查询、统计、分析、处理和报警等功能。田间试验结果表明,远程播种性能监测系统性能稳定、可靠,能够有效地监测播种机的播种质量,对播种量检测精度为97.4%,漏播检测精度为96.1%,重播检测精度为95.9%,并且实现了播种质量信息位置的精确定位。(5)对2BMZ-4型宽窄行免耕播种机进行改进设计,并进行整机田间试验,考察免耕播种机播种单体减振自动控制系统、秸秆切割防堵装置和远程播种监测系统的实际工作效果。试验结果表明,2BMZ-4型宽窄行免耕播种机具有较好的作业性能。上述工作为玉米免耕播种机精确播种关键技术的研究提供了技术参考,具有实际应用价值。