几种常见的排种动力传动系统分析

高益秀, 苗 芳， 郑德聪*　(.山西农业大学工学院，山西太谷 03080；.山西省农业机械化技术推广总站，山西太原 03000)



几种常见的排种动力传动系统分析

高益秀1, 苗 芳2， 郑德聪1*(1.山西农业大学工学院，山西太谷 030801；2.山西省农业机械化技术推广总站，山西太原 030002)

摘要随着现代农业的发展，对精密播种技术提出了更高的要求，这就需要对现有的排种器动力传动系统进行分析。为此，在简述排种器类型之后，分析说明播量不稳的原因之一就是排种动力传动系统的选取，在此基础上介绍了3种类型的排种动力传动系统的重要元件、组成、工作原理、特点以及必须注意的技术事项，进而得出播种智能化、自动化、精确化将是未来排种动力传动系统的发展方向。

关键词精密播种；排种器;动力传动系统

机械化播种作为现代化农业发展的必然方向，一些新型的技术必将推动它快速发展。播种机是机械化播种的必要装备，除了播种的精密程度外，它的自动化、智能化程度将成为衡量现代农业播种优良与否的又一个关键性指标。要实现精密播种就是要实现株距范围的连续变化，即实现排种器转速的无级变化。要实现自动化、智能化就是要实现现代电子产业在农业机械中的应用，即智能控制模块以及自动检测模块在现代农业中的应用。对于任何播种机来说，排种器都是其关键部件之一，直接决定播种机的播种质量和播种性能。因此，在设计排种器时，应充分考虑播种量稳定性、排种均匀性、伤种率、通过性、调整方便性、工作可靠性等因素[1]，而排种动力传动系统的好坏则直接影响排种器的上述因素，是实现优良播种的重要环节，因此，对排种动力传动系统的研究有重要意义。

1排种器简述

随着全球的播种技术跨入精密、精准、智能播种时代，我国的播种技术也得到了快速的发展。排种器是播种机上的关键部件，直接影响播种机的播种质量[2]。排种器按工作原理可以分为机械式和气力式两大类型，常见的机械式排种器有槽轮式、圆盘式、窝眼轮式、指夹式等，常见的气力式排种器有气吸式、气吹式、气压式等[3]。

2排种器播量不准确的原因分析

机械播种技术作为现代农业机械化的重要组成部分，是大面积播种的关键。播种质量的好坏与否直接影响作物的收成。播种量的多少或者说作物株距的远近能否达到农艺要求则是衡量播种质量的关键指标。当播量超过规定播量的3%或低于规定播量的2%，即为播量不准确。播种量过少，作物株距过大，虽然单株作物收成不减，但是单位面积的作物苗数减少，导致作物单位面积产量下降。播种的播量过多，作物株距过小，造成植株营养不足，虽然单位面积的作物苗数不减，但是单株作物产量减少，也将导致作物单位面积产量下降。常见的播量不准确的主要原因有：①播种机的排种器工作状态差，排种稳定性效果不好。②种子箱种子已经不足，却没有被及时发现，即所采用的播种机还没有实现种箱种量监测功能，导致大面积漏播。③土壤含水量大，增大地轮打滑的概率，造成播量不均匀。④播种机排种器的排种盘转动速度无法实现理想转速，即播种机的排种动力传动系统还未实现无级变速功能，无法实现植株最佳株距，造成播量不均匀。其中地轮打滑和传动比固定造成的播量不稳都可以通过更换排种器动力传动系统得到解决。

3排种器动力传动系统分析

3.1传统地轮排种动力传动系统

3.1.1链传动。传统的地轮排种动力传动系统使用最多的是链条传动动力。链传动是由主动链轮、从动链轮和链条组成，工作时，主动链轮的运动和动力通过链条的啮合传递给同样与链条啮合的从动链轮。

3.1.2传统地轮排种动力传动系统的组成及工作原理。传统地轮排种动力传动系统是指由地轮、链条机构，齿轮机构、换向机构、张紧机构等组成的传动系统。

播种工作时，拖拉机机械牵引播种机在田间直线行走，地轮由于受到播种机、机架等装置的重力作用，得到地面给予它的向前的摩擦力而向前转动。地轮与排种器之间利用多级带传动或链传动将动力传递给排种器，驱动排种器同步转动，实现了拖拉机的行进速度与排种轴的转动速度保持同步。随着排种器的旋转，种子从排种盘经导种管落下，达到排种的预期目的。

3.1.3传统地轮排种动力传动系统的特点。采用地轮排种动力传动系统能够较好地实现拖拉机前进速度与排种轴转速的匹配，从而保证播种的精确性，工作可靠。作物株距的控制能够在人工停机更换链轮的条件下实现，虽然基本能够达到播种要求，但是调整操作繁琐。通过更换链轮的方式实现播种株距的改变，传动比固定，范围变化较小且不连续，无法实现高速作业和播种株距的连续变化，某些经济作物的最佳株距无法实现，造成大范围减产。采用传统地轮排种动力传动系统能够降低播种机制造成本，易于维修和保养，工作可靠，实用性较强。采用地轮排种动力传动系统，由于农田土壤较为松软，容易发生地轮打滑现象，从而造成播种质量的不稳定。

3.1.4采用传统地轮排种动力传动系统的注意事项。传统地轮排种动力传动系统一般使用钩式传动链排种，由于中心距不能调整，所以张紧方式一般需要利用弹簧的自动调节或者利用螺钉进行定期调整。如果未能及时张紧，将造成传动效率降低，甚至造成传动失效，无法带动排种轴转动。

由于传统地轮排种动力传动系统采用了大量的链传动和齿轮传动，为了增加传动的平稳性、可靠性，以及它们的使用寿命，需要适时给链传动、齿轮传动进行润滑。如果没有正确且及时地进行润滑，将导致链条与齿轮的快速磨损与胶合失效，造成传动效率降低，稳定性变差，这对播量稳定极其不利。

3.2步进电机排种动力传动系统

3.2.1步进电机。步进电机是由定子和转子组成，是一种将电脉冲信号转变为物理位移信号的特种电机。

步进电机通过控制脉冲频率和脉冲数量来达到控制电机的转速与停机的位置，且负载的变化不影响电机的转速和停机。对于一个脉冲信号，步进驱动器驱动步进电机转动一个步距角；对于多个脉冲信号，步进电机就准确地运转相应角度。与此同时，可以控制微机发送脉冲信号的频率来控制步进电机转速。此外，要实现步进电机反转，可以改变通电顺序。

3.2.2步进电机排种动力传动系统的组成及工作原理。步进电机排种动力传动系统是指由传感器检测单元、单片机智能控制单元、人机对话单元和步进电机驱动器等组成的动力传动系统。

在作业时，步进电机排种动力传动系统代替传统地轮排种动力传动系统驱动排种器转动，它采用转速传感器检测得到拖拉机作业速度并传输给单片机，采用人机对话装置直接进行播种量等参数和排种盘的结构信息等设置并传输给单片机，单片机再将拖拉机的作业速度、作物播种量等参数通过预先设置的控制算法对数据进行处理计算，得到排种轴的旋转速度，并通过外围电路将控制信号传给步进电机驱动器，步进电机输出相应的转速，从而实现拖拉机作业速度与排种轴旋转速度的同步。

3.2.3步进电机排种动力传动系统的特点。系统运行稳定，可保证排种器与机具前进速度同步，实现高速播种。步进电机驱动排种，因使用单片机控制单元，能够时刻准确地对排种轴的转速进行控制，不会出现排种轴转速的波动，大大提高了排种器工作的排种质量和排种稳定性。步进电机排种动力传动系统的人机对话功能可以实现对株距等参数的设置，以适应不同作物的生长特性需要，使用方便。 步进电机提供的扭矩是有限的，要同时带动几组排种器的工作，存在很大的困难。步进电机的驱动器正常工作需要为其提供的额定电压与现在拖拉机上自带电瓶的电压不一样。

3.2.4采用步进电机排种动力传动系统的注意事项。步进电机在起步的瞬间，如果输入的播种量过大，步进电机输出的扭矩需要另外满足各种额外负载的要求，比如排种器的转动惯量、种子惯量、联轴器惯量、联轴器与步进电机之间的摩擦等，所以要求当步进电机启动时，在单片机的程序中加入斜坡信号，从而使步进电机的转速分步增加，克服各种对转动不利的转动惯量，不至于因负载过大而不能正常工作，出现“失步”状况。当步进电机启动之后，负载减少并保持在相对恒定的数值，且实际需要的播种量不会发生突然变化，即控制信号的频率不会突变，所以在启动之后，就无需加入斜坡信号。

由于控制装置中步进电机的输入为脉冲信号，当有一个脉冲输入时，电机输出轴就转动一个步距角，因此，只要改变输入脉冲的频率就可以改变步进电机的速度[4]。要改变步进电机速度可以通过单片机向步进电机发送变频脉冲，驱动器内部将此脉冲信号进行脉冲分配和功率驱动，即可实现精确控制步进电机的输出转速，进而达到适时控制排种播量与开沟器前进速度保持同步的目的。

3.3机械式无级变速器排种动力传动系统

3.3.1机械式无级变速器。机械无级变速器是由变速传动机构、调速机构以及输出机构3个部分组成的一种变速器[5]。机械无级变速器按机械传动分有摩擦传动、齿轮传动、带传动、链传动等，按机构分有刚性定轴式、变节距式、脉动式、行星式、牵引式等，而脉动式无级变速器则是由连杆或凸轮、单向离合器等机构组合而成[6]。

3.3.2机械式无级变速器排种动力传动系统的组成和工作原理。机械式无级变速器排种动力传动系统是指由键盘显示模块、数据采集模块、数据处理模块、智能控制模块、无级变速驱动模块等组成的驱动系统。

机械式无级变速器排种动力传动系统中，拖拉机的后动力输出轴提供无极调速模块的动力，无级调速模块驱动播种部件的运行，替代传统地轮驱动系统驱动排种轴的转动，在作业时，它利用拖拉机前轮处的旋转编码器采集拖拉机作业速度并传递给智能控制模块，利用排种轴上的旋转编码器采集排种轴的旋转速度并传递给智能控制模块，利用键盘显示模块将作物所需要的株距等参数以及排种盘的结构信息等传输给智能控制模块。智能控制模块通过预先设定的算法经过一系列比较计算将结果传递给无级变速驱动模块，控制无级变速器进行速度变化，达到无论拖拉机的作业速度如何变化，播种株距都可以保持预先设定恒定值的效果，实现精量播种，保证作物产量。

3.3.3机械式无极变速器排种动力传动系统的特点。将拖拉机的后动力输出轴作为动力源驱动排种器工作，无需额外配备动力源，使得结构得到了简化，增强了实用性，节省了成本。利用播种机的智能控制模块，可以提高播种的均匀性和稳定性。将机械式无级调速器成功引入排种动力驱动系统，实现了作物株距变化的连续性。机械式无级变速器自身体积小，结构紧凑。

3.3.4采用机械式无级变速器驱动控制系统的注意事项。为了实现驱动模块能够实时调整播量的目的，可以通过控制无级变速器的输出转速来实现。这需要拖拉机的作业速度与无级变速器的输出转速之间确定一个函数关系，函数关系确定的精确与否，直接影响播种的精确性。

机械式无级变速器的品种较多，特点各异，选择不同品种的无级变速器，实现无级调速的方式就大相径庭。为此，针对不同原理的机械式无级调速器，驱动调速的模块设计就各不相同。

4结论与讨论

现代农业的发展对精密播种技术提出了更高的要求，必将促使排种动力传动系统向着智能化、自动化、精确化发展。

4.1播种智能化采用地轮排种动力传动系统，常常因为地轮打滑造成播种的不均匀，从根本上解决地轮打滑带来的缺点，就应采用全新的排种动力传动方式，只有智能化的新型方式即利用步进电机或利用无极变速器的动力传动系统才能及时准确地补偿地轮打滑造成的播量不均匀，而实现这一目的的关键在于单片机、PLC等智能元件的使用。

4.2播种自动化采用传统地轮排种动力传动系统，要实现作物株距的变化，必须手动操作更换链轮，通过使用不同链轮达到传动比的变化，操作繁琐，费时费力。要改变这种手动操作的方式，必须通过基于自动化的控制技术，步进电机排种动力传动系统和无级变速器动力传动系统中利用驱动模块实现自动化的方法就很好地解决了手动操作的缺点。

4.3播种精确化考虑到拖拉机前进速度对播量的影响，排种器转速与拖拉机转速同步是排种动力传动系统必须解决的关键问题。无级变速在排种动力传动系统已经有所发展，理论上通过智能控制技术与传感器等技术的应用可以解决，但是，针对拖拉机前进速度与步进电机输出轴转速或者拖拉机前进速度与无级变速器输出轴转速之间，确定一套更加精确的函数算法将更有利于实现播种的精确化。

参考文献

[1] 赵丽平，那晓雁.精密排种器的研发现状[J].农业科技与装备，2014(6):30-31.

[2] 陈立东，何堤.论精密排种器的现状及发展方向[J].农机化研究，2006(4):16-18.

[3] 李洪昌，高芳，赵湛，等.国内外精密排种器研究现状与发展趋势[J].中国农机化学报，2014(2):12-16，56.

[4] 王传鹏.基于单片机的播量控制装置的研究[D].南京：南京农业大学，2012.

[5] 周有强，崔学良，董志峰.机械无级变速器发展概述[J].机械传动，2005(1):65-68.

[6] 柳晋伟，任家骏，吴凤林.无级变速器的简介与发展[J].机械管理开发，2005(3):68-69，72.

Analysis of Several Common Rows of Power Transmission System

GAO Yi-xiu1, MIAO Fang2, ZHENG De-cong1*

(1.College of Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu, Shanxi 030801; 2.Agricultural Mechanization Technology Extension Station of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030002)

Key wordsPrecision seeding；Metering device; Power transmission system

AbstractWith the development of modern agriculture, we put forward higher request to the precision seeding technology, which requires an introduction of the existing metering device of power transmission system.Therefore, after elaborated the type of metering device, the analysis showed that the selection of power transmission system was one of the reasons for the instability of the sowing instability.Based on these, we introduced the major composition, working principle and characteristics of three types of power transmission systems, as well as the technical matters that must be paid attention to.Finally, enlightenments were put forward: sowing intelligent, automation and precision would be the future development direction of metering device power transmission system.

基金项目山西省科技攻关重大专项资助项目(20090311043)。

作者简介高益秀(1989- )，女，山西临县人，硕士研究生，研究方向：农业机械设计与研究。*通讯作者，教授，硕士生导师，从事农业机械设计与研究。

收稿日期2016-02-19

中图分类号S 223.2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)07-287-03