双轴旋耕播种机播种深度调节结构的优化与方法分析

《AgriEngineering》：The Optimization and Method Analysis of Sowing Depth Adjustment Structure in Twin-Shaft Rotary Planter

　　

常规小麦播种机常存在播种深度均匀性与稳定性差的问题。为解决上述问题，研究人员提出了一种基于土壤覆盖量调控的新型播种深度调节方法，并为双轴旋耕小麦播种机建立了相应的工作参数。按照"浅旋+深旋"双轴整地方案，设计了播种深度调节机构的机械结构，并完成了播种深度动态调节单元与双轴旋耕播种机的设计与验证。试验主要针对播种深度调节单元进行参数优化测试，以确定其最佳结构配置与运行参数范围。采用二次回归正交试验，确定最优作业参数组合为：二次旋耕刀组转速330 r/min、作业速度4 km/h、土壤覆盖量调节机构距离610 mm。此时播种深度最高合格率达99.246%，播种深度变异系数最小为6.521%。田间试验表明，在二次旋耕刀组转速330 r/min、作业速度4 km/h、镇压辊调节距离610 mm条件下，播种深度合格率为98.803%，播种深度变异系数为6.881%。该方法实现了双轴旋耕播种机播种深度的精准调控，显著提升了小麦播种作业质量。

保护性耕作（Conservation Tillage）是一种以机械化作业为主要手段，通过少耕或免耕减少土壤耕作，并将作物秸秆和残茬保留于地表的耕作技术。与传统播种机不同，免耕播种机无需土壤耕作即可一次性完成开沟、播种、覆土、镇压等作业。播种深度的精确控制确保种子在田间合理分布，有效提高作物产量与经济效益。现有免耕播种机中，播种深度主要通过平行四杆机构控制，但在田间播种作业中，控制滞后、播种深度检测与控制方法简单、控制机构复杂等问题仍然存在。在实际播种机田间作业中，播种深度取决于开沟、播种、镇压等多个相互关联的步骤，同时与播种作业中复杂的田间土壤环境密切相关，其偏差会影响实际播种效果进而对产量产生显著影响，因此必须严格控制播种深度。

目前，国内外多数专家学者将沟深等同于播种深度开展研究并据此调控播种深度。国外先进农业机械企业广泛在播种机上配置播种深度测控装置。然而，现有研究多集中于免耕及减耕精密玉米播种机的播种深度检测与控制，其主动或被动式机构结合测控系统通过控制下压力实现玉米播种深度的测控，但这与小麦播种深度调节模式不一致，不适用于小麦播种机。因此，开展小麦双轴旋耕播种机播种深度测控系统研究至关重要。

为应对上述问题，研究人员提出并开发了一种基于播前镇压与播后镇压联合作用的小麦双轴旋播播种机及其动态播种深度调节单元。该研究的具体目标为：（1）在黄淮海地区冬小麦农艺约束下，设计双轴旋耕播种机整体结构并确定主要作业参数；（2）建立二次旋耕刀组抛土运动学模型，以所得轨迹方程作为播种深度调控的理论依据；（3）通过单因素及二次回归正交试验确定最优作业参数组合，并通过田间试验验证优化单元的性能。这些贡献为旋耕式小麦播种机的播种深度调控提供了可迁移的方法论，并补充了现有免耕玉米播种机研究体系。

该双轴旋耕播种机的核心部件包括双轴旋耕装置、土壤覆盖量调节机构、播前播后镇压辊、播种施肥装置及传动系统。基于黄淮海地区冬小麦种植现状与需求，研究人员提出了基于土壤覆盖动态调控的"双旋耕+双镇压"小麦播种方法。双轴旋耕装置完成土壤破碎及土肥混合，通过土壤覆盖量调节机构调整播前镇压辊与二次旋耕刀的距离以控制土壤覆盖量，从而实现播种深度的精确控制。

播种深度调节机械单元主要由双轴旋耕装置、土壤覆盖量调节机构、播前镇压辊、播后镇压辊及挡土板组成。其工作原理为：旋耕整地机构采用双轴正转旋耕刀组与犁尖，更有效清除地表残茬、玉米秸秆及土壤，提供小麦生长所需的苗床温度并提高小麦播种机通过性；土壤覆盖量调节机构通过控制播前镇压辊与二次旋耕刀的距离调节播种作业中的覆土量，完成播种深度的动态调控；播前镇压辊模块在播种前制备苗床，该辊位于机架后部，可上下浮动以适应地表起伏并在播种后镇压土壤。

研究人员建立了二次旋耕刀组抛土过程的运动学模型。以二次旋耕刀组旋转中心为原点建立坐标系，分析土壤颗粒抛射运动。点A为二次旋耕刀片最外端刃尖，距旋转中心O₁的回转半径R=195 mm。该点具有刀片上最大的切向速度R·ω，且土壤颗粒沿刃边滑动后实际从该位置释放，因此选取该点进行运动学列式。基于方程式推导，忽略空气阻力条件下获得抛土轨迹方程。在作业速度v_m=4 km/h、角速度ω=34.56 rad/s、R=195 mm条件下，结合离散元仿真数据校准，得到二次旋耕刀组抛土轨迹方程为y=-0.0126x²+0.2875x+127.48（定义域：-138≤x≤403，单位mm）。该曲线向下凹，符合重力作用下的抛射运动规律，为播种深度调控系统设计提供了理论基础。

为控制播前镇压辊与二次旋耕刀组的前后距离，研究人员设计了滑槽式土壤覆盖量调节机构。该机构由滑槽、滚动轴承及支撑播前镇压辊的悬臂组成，通过闭环伺服电机驱动滚珠丝杠实现调节。在全行程范围内，播前镇压辊与二次旋耕刀组的纵向距离d在550 mm至860 mm之间变化。室内台架试验表明，在330 r/min和4 km/h条件下，平均覆土厚度随距离增加从约55 mm单调递减至15 mm，完全覆盖黄淮海地区冬小麦30-50 mm的农艺播种深度需求。

研究人员于2023年5月在山东省菏泽市某农业机械制造有限公司试验田开展播种深度调节单元性能单因素试验。以二次旋耕刀组转速n、土壤覆盖量调节机构位置d和小麦播种机作业速度v为试验因素，播种深度合格率和变异系数为试验指标。单因素试验表明：二次旋耕刀组转速在290-350 r/min为合理作业区间，可同时满足两项评价指标要求；作业速度在3-5 km/h较为适宜；土壤覆盖量调节机构位置距离应在550-660 mm范围内。

为确定最优参数组合，研究人员采用Box-Behnken中心复合设计理论，设计三因素三水平二次回归正交试验。利用Design-Expert 13软件对试验数据进行多元回归方差分析，建立播种深度合格率Y₁和变异系数Y₂的二次回归方程模型。方差分析结果显示，Y₁和Y₂模型的p值均小于0.0001，回归模型极显著；失拟项p值分别为0.1395和0.0803，均大于0.05，表明模型与试验数据之间不存在显著失拟。根据分析结果，作业速度X₂、调节机构距离X₃及X₂²对合格率高度显著；X₂、X₃、X₁X₂、X₁²、X₂²对变异系数高度显著。

利用Design-Expert软件优化功能对模型进行优化求解，得到理论最优作业参数组合：二次旋耕刀组转速328 r/min、作业速度4 km/h、土壤覆盖量调节机构距离610 mm，此时播种深度合格率99.246%、变异系数6.521%。为验证优化结果准确性，进行三次重复验证试验。考虑实际田间作业可行性，将二次旋耕刀组转速取整为330 r/min，作业速度4 km/h，调节距离610 mm。验证试验结果表明，平均播种深度合格率98.803%，平均变异系数6.881%，与理论优化结果相对误差分别为0.44%和5.19%，验证了试验模型及优化参数的可靠性。

结论部分指出：（1）分析了黄淮海地区冬小麦播种农艺要求，设计了基于土壤覆盖量调控的小麦双轴旋耕播种机，合理设计了播种深度调节单元结构参数，提出了"双旋耕+双镇压"作业方案，确定主、副旋耕刀组均采用双轴分层双正转配置，建立了回转半径、转速及旋耕深度范围等参数，建模分析了抛土运动过程并验证了双轴旋耕装置分层抛土的交互作用。（2）完成了基于播前播后联合镇压的双轴旋耕播种机播种深度动态调节单元的结构及参数设计，分析了整体结构与工作原理，确定了工作参数；分析了小麦播种深度动态调控过程与原理，确定了田间作业中播种深度动态调控机制；确定双轴旋耕装置两旋耕刀组转速分别为260 r/min和330 r/min， surfaces分析了二次旋耕装置抛土性能，获得其抛土轨迹曲线。（3）开展了播种深度调节单元性能试验，确定影响播种深度的主要因素，进行了单因素与正交试验；由单因素试验确定最优播种深度动态调节单元参数范围，通过二次回归正交试验获得最优作业参数：二次旋耕刀组转速330 r/min、作业速度4 km/h、土壤覆盖量调节机构距离610 mm，最大播种深度合格率99.246%，最小播种深度变异系数6.521%。（4）该研究在规定作业条件下优化了播种深度调节单元的结构与参数，但其与可变田间环境的闭环交互仍有待解决。未来研究将集中于三个方面：利用播种深度和覆土厚度的田间实时测量反馈调节滑槽式调节机构；整合深度、力和视觉信息以改善高残茬覆盖和不平整地形下的状态估计；针对不同质地和含水量的土壤进行回归模型和最优参数组合的自适应标定，从而提高适用性并为黄淮海地区及其他农业生态区的旋耕式小麦播种机提供设计指导。