引言

智能化農業機械是一個集信息獲取、分析、推理、決策于一體，可實現精確變量控制的作業平臺，是實現精準農業的重要設備。智能變量播種機是智能化農業實施的一個重要機械裝備，而播種機株距無級調節器是智能變量播種機的核心部件。

現有國內播種機的株距調節為檔位調節式，具體形式有獨立變速齒輪箱和帶變速齒輪箱的勺盤式排種器等。這類機構只能若干級別地設定穴播作物的株距，不能實現株距的無級調節。美國凱斯\\( CASE\\)集團設計的變量播種機安裝了電控液壓馬達變量播種施肥執行機構，可以通過改變液壓比例閥的開度實現無級調節; 但是這種無級調節機構設計復雜、成本較高，不符合我國的國情和生產實際。為此，以山東理工大學設計的一種電控株距無級調節器為對象，介紹了其基本結構和工作原理，對株距調節性能進行了理論分析，并對工作性能進行了試驗研究。

1 基本結構與工作原理


1． 1 基本結構

播種機電控株距無級調節器以凸輪擺桿機構為基本模型，主要由箱體、安裝在箱體內部的動力輸入裝置、傳動裝置、調速裝置、動力輸出裝置、限位裝置、擺桿復位裝置、株距指示裝置和位移檢測裝置等構成，結構簡圖如圖 1 所示?！緢D1】


其性能特點如下: 在播種機靜止或工作過程中均可進行調速，性能穩定，傳動比范圍大; 理論上輸出轉速可以為 0，最大輸入轉速為可以達到 1 500r/min; 工作時運行平穩、噪聲小、傳遞扭矩大，適用于農田作業機械。

1． 2 工作原理

凸輪在動力輸入軸的帶動下進行轉動，擺桿在凸輪的推動下圍繞調節架底部的擺軸上下擺動，進而帶動超越離合器往復擺動，使動力輸出軸單向旋轉并輸出動力; 微型直流減速電機在外部控制器的控制下帶動調節計量螺—蝸桿旋轉，通過固定在調節架上的調節螺母套帶動調節架沿導軌移動，進而調節擺桿與調節架底部的擺軸接觸點的位置，改變接觸點兩側擺桿的長度比，從而改變離合器殼轂的擺動角度，完成播種株距的無級調節; 接近開關通過信號線把信號反饋給外部控制器，對調節架移動進行限位控制; 微型滑塊位移傳感器的滑塊隨調節架移動，通過信號線把調節架的位置傳給外部控制器，完成調節架定位控制。

2 株距無級調節器調節性能分析

2． 1 調速分析

對于電控株距無級調節器，調速裝置是實現株距無級調節的核心機構，其運動原理圖如圖 2 所示。調速裝置通過改變 C 點在連桿 BD 上的位置，從而使連桿 BD 的 BC 段與 CD 段形成新的比例關系，使擺桿DE 獲得不同的擺角，再通過與擺桿 DE 連接的單向超越離合器使輸出軸的轉速發生變化，達到無級調速的目的?！緢D2】


由圖 2 可知，在調速裝置調節過程中，凸輪輪廓線保持不變，則 H 值也基本不變。當滑塊鉸接點從點C 移動到點 C 時，擺桿的擺角 ψ 會逐漸變大。在凸輪轉速不變的條件下，擺桿的平均角速度逐漸變大，即C 處的傳動比是 C 點處的 Δψ2/ Δψ1\\( Δψ2＞ Δψ1\\) 倍。顯然，隨鉸接點 C 點的連續移動，Δψ2、Δψ1也隨之呈連續變化，故傳動比也為連續變化，滿足調速連續性的要求，進而實現了株距的無級調節。在理論上，當點 C 移動到 D 點時，擺桿擺角 Δψ 為 0\\( 即輸出角速度為 0\\) ，此時的株距為無窮大; 在點 C 靠近 B 點的過程中，傳動比逐漸較小，則株距越來越小。

2． 2 脈動度 δ 分析

電控株距無級調節器基本模型是凸輪擺桿機構。無級調節器工作時，凸輪機構的連續性旋轉運動轉變為擺桿的往復擺動，作為輸出構件的超越離合器將擺桿的往復擺動轉變為脈動的單向轉動輸出; 調節器配置 3 組相互間具有 120°相位差的凸輪擺桿機構，結合超越離合器的輸出特性，調節器瞬時角速度曲線圖如圖 3 所示。圖 3 中，虛線部分被超越離合器過濾掉了，瞬時角速度從 s1點到 s2點完成1 次脈動變化循環?！緢D3】


由以上可知，凸輪擺桿機構的輸出角速度具有脈動性。為了衡量脈動性的大小及機構運行的穩定性，采用脈動度 δ 作為脈動發生機構的一個基本性能指標，δ 定義為【公式】


對于播種機株距無級調節器，在其工作過程中輸入軸為連續性輸入，而輸出軸為具有脈動度 δ 的輸出，故脈動度 δ 成為影響播種質量的一個重要因素，需要用試驗來驗證具有脈動度 δ 的株距無級調節器是否適用于農業變量播種機械。

2． 3 株距計算分析

由圖 3 可知，電控株距無級調節器的輸出轉速具有脈動性，則播種時的理論株距時刻變化。以勺盤式排種器為例，株距的計算公式可以表示為【1】


其中，L 為播種株距，m; v 為播種機的前進速度，km / h; t 為排種器排下兩粒種子的時間間隔，s。實際計算中，由于式\\( 1\\) 中時間 t 計算困難，且無級調節器的輸出轉速為有規律變化且變化幅度很小，故采用平均輸出轉速 nm來計算株距，計算公式為【2-3】


其中，L 為播種株距，m; v 為播種機的行進速度，km / h; n 為排種器鏈輪的轉速，r / min; nm調節器輸出軸的平均轉速，【公式2】


分別為無級調節器的最大輸出轉速和最小輸出轉速;Z1為調節器輸出軸鏈輪的齒數; Z2為排種器中心軸上鏈輪的齒數。

2． 4 傳動比分析

考慮到播種機的工作環境和運動特性，傳動比計算中采用平均輸出角速度 nm。調節器內調節架的位移行程設計為 40mm，在調節架位移為 0mm 和 40mm時，為方便求得傳動比，試驗時設定調節器的輸入轉速為 110． 52r/min，播種機的行進速度為 6km/h。用機械接觸式轉速表測量無級調節器輸出轉速的最大輸出轉速 nmax和最小輸出轉速 nmin。通過測量可知，當調節架位移為 0mm 和 40mm 時的平均輸出轉速分別為 4． 79r/min 和 21． 87r/min，則調節器傳動比為23． 07 和 5． 05; 設計的播種機地輪到調節器輸入軸的傳動比為 0． 6，調節器輸出軸到排種器輸入軸的傳動比為 0． 42，則總動比分別為 5． 81 和 1． 27，對應的玉米株距分別為 48． 95cm 和 10． 72cm，666． 7hm2株數分別為 2 271 株和 10 367 株，符合玉米單位株數的種植要求。

3 無級調節器試驗研究

3． 1 試驗指標

依據《GB/T6973—2005 單粒\\( 精密\\) 播種機試驗方法》，評價播種質量的重要指標有粒距合格指數、重播指數、漏播指數和合格粒距變異系數，且合格指數、重播指數和漏播指數之和為 100% 。其各自計算方法如下:

1\\) 選取播種性能試驗臺上 250 個連續且播種穩定的粒距為測試對象，把粒距以 0． 1Xr劃分為連續的區段﹙ Xr為試驗設定的理論株距﹚，在 Xr的周圍可得到如下區段: ［0． 9Xr，Xr］、［Xr，1． 1Xr］等。

2\\) 各個區段內的變量為【公式3】




3． 2 試驗材料與方法

試驗對象為山東理工大學設計的電控株距無級調節器; 試驗材料為玉米，品種選用鄭單 958 玉米雜交種，含水率不高于 13% ，千粒質量為 334． 2g; 排種器選用勺盤式排種器; 試驗臺為 JPS－12 型計算機視覺排種器試驗臺。試驗時，排種器固定不動，播種機田間作業的前進速度用種床帶的前進速度來模擬。

其排種軸轉速為 30 ～ 150r/min，種床帶速度為 3． 6 ～12km / h。試驗臺的視覺采集處理系統可以實時檢測排種器所排落種子的粒距和粒數，經數據處理系統處理后，輸出合格指數、重播指數和漏播指數等播種性能數據，以及平均值、標準差和變異系數等播種精度數據。

電控株距無級調節器的工作性能通過排種器的排種質量來表現，故本試驗的試驗目的旨在測試勺盤式排種器在電控株距無級調節器調節下的排種質量。試驗選定播種機的前進速度為 4、7km /h，株數為4 000、5 000 株 /666． 7m2。

3． 3 試驗結果分析

機械行業標準 JB/T10293—2001《單粒\\( 精密\\) 播種機技術條件》規定，在種子、整地質量符合精密播種農業技術要求時，精密播種機作業性能指標應符合表 1 的數據?！颈?】


電控株距無級調節器工作性能的試驗結果如表 2所示?！颈?】


對比表1、表2 可知: 表2 中的試驗數據均優于表1國家標準中的數據，表明電控株距無級調節器在調節玉米播種株距方面具有良好的工作性能，適合進行普及推廣。

4 結論

1\\) 本株距無級調節器機構屬于機械結構，能有效地傳動力矩，結構簡單，工作效率高，可靠性好，成本低，適用于農業機械作業。

2\\) 由壓簧、底盤、推桿、伸縮套和導套組成的擺桿復位裝置采用壓簧機構。經測試，其既能保證調節器工作時凸輪與滾輪的無撞擊接觸，又能夠有效地延長壓簧的伸縮量，節約調節器的設計空間。

3\\) 試驗表明，該電控株距無級調節器工作穩定、株距調節性能良好，能夠實現株距的無級調節。

4\\) 試驗表明，電控株距無級調節器雖然具有一定的脈動度 δ ，但其在正常播種速度下能夠保持較高的作業質量，故其可應用于變量播種機械。

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