电控株距无级调节器的基本结构、工作原理及性能

　　引言
　　
　　智能化农业机械是一个集信息获取、分析、推理、决策于一体，可实现精确变量控制的作业平台，是实现精准农业的重要设备。智能变量播种机是智能化农业实施的一个重要机械装备，而播种机株距无级调节器是智能变量播种机的核心部件。

　　现有国内播种机的株距调节为档位调节式，具体形式有独立变速齿轮箱和带变速齿轮箱的勺盘式排种器等。这类机构只能若干级别地设定穴播作物的株距，不能实现株距的无级调节。美国凯斯( CASE)集团设计的变量播种机安装了电控液压马达变量播种施肥执行机构，可以通过改变液压比例阀的开度实现无级调节; 但是这种无级调节机构设计复杂、成本较高，不符合我国的国情和生产实际。为此，以山东理工大学设计的一种电控株距无级调节器为对象，介绍了其基本结构和工作原理，对株距调节性能进行了理论分析，并对工作性能进行了试验研究。

　　1 基本结构与工作原理
　　
　　
　　1． 1 基本结构

　　播种机电控株距无级调节器以凸轮摆杆机构为基本模型，主要由箱体、安装在箱体内部的动力输入装置、传动装置、调速装置、动力输出装置、限位装置、摆杆复位装置、株距指示装置和位移检测装置等构成，结构简图如图 1 所示。【图1】

　　
　　其性能特点如下: 在播种机静止或工作过程中均可进行调速，性能稳定，传动比范围大; 理论上输出转速可以为 0，最大输入转速为可以达到 1 500r/min; 工作时运行平稳、噪声小、传递扭矩大，适用于农田作业机械。

　　1． 2 工作原理

　　凸轮在动力输入轴的带动下进行转动，摆杆在凸轮的推动下围绕调节架底部的摆轴上下摆动，进而带动超越离合器往复摆动，使动力输出轴单向旋转并输出动力; 微型直流减速电机在外部控制器的控制下带动调节计量螺—蜗杆旋转，通过固定在调节架上的调节螺母套带动调节架沿导轨移动，进而调节摆杆与调节架底部的摆轴接触点的位置，改变接触点两侧摆杆的长度比，从而改变离合器壳毂的摆动角度，完成播种株距的无级调节; 接近开关通过信号线把信号反馈给外部控制器，对调节架移动进行限位控制; 微型滑块位移传感器的滑块随调节架移动，通过信号线把调节架的位置传给外部控制器，完成调节架定位控制。

　　2 株距无级调节器调节性能分析

　　2． 1 调速分析

　　对于电控株距无级调节器，调速装置是实现株距无级调节的核心机构，其运动原理图如图 2 所示。调速装置通过改变 C 点在连杆 BD 上的位置，从而使连杆 BD 的 BC 段与 CD 段形成新的比例关系，使摆杆DE 获得不同的摆角，再通过与摆杆 DE 连接的单向超越离合器使输出轴的转速发生变化，达到无级调速的目的。【图2】

　　
　　由图 2 可知，在调速装置调节过程中，凸轮轮廓线保持不变，则 H 值也基本不变。当滑块铰接点从点C 移动到点 C 时，摆杆的摆角 ψ 会逐渐变大。在凸轮转速不变的条件下，摆杆的平均角速度逐渐变大，即C 处的传动比是 C 点处的 Δψ2/ Δψ1( Δψ2＞ Δψ1) 倍。显然，随铰接点 C 点的连续移动，Δψ2、Δψ1也随之呈连续变化，故传动比也为连续变化，满足调速连续性的要求，进而实现了株距的无级调节。在理论上，当点 C 移动到 D 点时，摆杆摆角 Δψ 为 0( 即输出角速度为 0) ，此时的株距为无穷大; 在点 C 靠近 B 点的过程中，传动比逐渐较小，则株距越来越小。

　　2． 2 脉动度 δ 分析

　　电控株距无级调节器基本模型是凸轮摆杆机构。无级调节器工作时，凸轮机构的连续性旋转运动转变为摆杆的往复摆动，作为输出构件的超越离合器将摆杆的往复摆动转变为脉动的单向转动输出; 调节器配置 3 组相互间具有 120°相位差的凸轮摆杆机构，结合超越离合器的输出特性，调节器瞬时角速度曲线图如图 3 所示。图 3 中，虚线部分被超越离合器过滤掉了，瞬时角速度从 s1点到 s2点完成1 次脉动变化循环。【图3】

　　
　　由以上可知，凸轮摆杆机构的输出角速度具有脉动性。为了衡量脉动性的大小及机构运行的稳定性，采用脉动度 δ 作为脉动发生机构的一个基本性能指标，δ 定义为【公式】

　　
　　对于播种机株距无级调节器，在其工作过程中输入轴为连续性输入，而输出轴为具有脉动度 δ 的输出，故脉动度 δ 成为影响播种质量的一个重要因素，需要用试验来验证具有脉动度 δ 的株距无级调节器是否适用于农业变量播种机械。

　　2． 3 株距计算分析

　　由图 3 可知，电控株距无级调节器的输出转速具有脉动性，则播种时的理论株距时刻变化。以勺盘式排种器为例，株距的计算公式可以表示为【1】

　　
　　其中，L 为播种株距，m; v 为播种机的前进速度，km / h; t 为排种器排下两粒种子的时间间隔，s。实际计算中，由于式( 1) 中时间 t 计算困难，且无级调节器的输出转速为有规律变化且变化幅度很小，故采用平均输出转速 nm来计算株距，计算公式为【2-3】

　　
　　其中，L 为播种株距，m; v 为播种机的行进速度，km / h; n 为排种器链轮的转速，r / min; nm调节器输出轴的平均转速，【公式2】

　　
　　分别为无级调节器的最大输出转速和最小输出转速;Z1为调节器输出轴链轮的齿数; Z2为排种器中心轴上链轮的齿数。

　　2． 4 传动比分析

　　考虑到播种机的工作环境和运动特性，传动比计算中采用平均输出角速度 nm。调节器内调节架的位移行程设计为 40mm，在调节架位移为 0mm 和 40mm时，为方便求得传动比，试验时设定调节器的输入转速为 110． 52r/min，播种机的行进速度为 6km/h。用机械接触式转速表测量无级调节器输出转速的最大输出转速 nmax和最小输出转速 nmin。通过测量可知，当调节架位移为 0mm 和 40mm 时的平均输出转速分别为 4． 79r/min 和 21． 87r/min，则调节器传动比为23． 07 和 5． 05; 设计的播种机地轮到调节器输入轴的传动比为 0． 6，调节器输出轴到排种器输入轴的传动比为 0． 42，则总动比分别为 5． 81 和 1． 27，对应的玉米株距分别为 48． 95cm 和 10． 72cm，666． 7hm2株数分别为 2 271 株和 10 367 株，符合玉米单位株数的种植要求。

　　3 无级调节器试验研究
　　
　　3． 1 试验指标

　　依据《GB/T6973—2005 单粒( 精密) 播种机试验方法》，评价播种质量的重要指标有粒距合格指数、重播指数、漏播指数和合格粒距变异系数，且合格指数、重播指数和漏播指数之和为 100% 。其各自计算方法如下:

　　1) 选取播种性能试验台上 250 个连续且播种稳定的粒距为测试对象，把粒距以 0． 1Xr划分为连续的区段﹙ Xr为试验设定的理论株距﹚，在 Xr的周围可得到如下区段: ［0． 9Xr，Xr］、［Xr，1． 1Xr］等。

　　2) 各个区段内的变量为【公式3】



　　
　　3． 2 试验材料与方法

　　试验对象为山东理工大学设计的电控株距无级调节器; 试验材料为玉米，品种选用郑单 958 玉米杂交种，含水率不高于 13% ，千粒质量为 334． 2g; 排种器选用勺盘式排种器; 试验台为 JPS－12 型计算机视觉排种器试验台。试验时，排种器固定不动，播种机田间作业的前进速度用种床带的前进速度来模拟。

　　其排种轴转速为 30 ～ 150r/min，种床带速度为 3． 6 ～12km / h。试验台的视觉采集处理系统可以实时检测排种器所排落种子的粒距和粒数，经数据处理系统处理后，输出合格指数、重播指数和漏播指数等播种性能数据，以及平均值、标准差和变异系数等播种精度数据。

　　电控株距无级调节器的工作性能通过排种器的排种质量来表现，故本试验的试验目的旨在测试勺盘式排种器在电控株距无级调节器调节下的排种质量。试验选定播种机的前进速度为 4、7km /h，株数为4 000、5 000 株 /666． 7m2。
　　
　　3． 3 试验结果分析
　　
　　机械行业标准 JB/T10293—2001《单粒( 精密) 播种机技术条件》规定，在种子、整地质量符合精密播种农业技术要求时，精密播种机作业性能指标应符合表 1 的数据。【表1】

　　
　　电控株距无级调节器工作性能的试验结果如表 2所示。【表2】

　　
　　对比表1、表2 可知: 表2 中的试验数据均优于表1国家标准中的数据，表明电控株距无级调节器在调节玉米播种株距方面具有良好的工作性能，适合进行普及推广。

　　4 结论

　　1) 本株距无级调节器机构属于机械结构，能有效地传动力矩，结构简单，工作效率高，可靠性好，成本低，适用于农业机械作业。

　　2) 由压簧、底盘、推杆、伸缩套和导套组成的摆杆复位装置采用压簧机构。经测试，其既能保证调节器工作时凸轮与滚轮的无撞击接触，又能够有效地延长压簧的伸缩量，节约调节器的设计空间。

　　3) 试验表明，该电控株距无级调节器工作稳定、株距调节性能良好，能够实现株距的无级调节。

　　4) 试验表明，电控株距无级调节器虽然具有一定的脉动度 δ ，但其在正常播种速度下能够保持较高的作业质量，故其可应用于变量播种机械。

　　参考文献:

　　［1］ 刘阳春，高希文，颜华，等． 插秧机株距无级调节系统设计与实现［J］． 农机化研究，2012，34( 3) : 130－133．
　　［2］ 王熙，王新忠． 三种不同变量施肥执行机构的比较研究［J］． 农机化研究，2006( 1) : 122－124．
　　［3］ 周有强． 机械无级变速器［M］． 北京: 机械工业出版社，2001: 248－263．
　　［4］ 中国农业机械化科学研究，山东华日总公司． GB/T6973—2005 单粒( 精密) 播种机试验方法［S］． 北京: 中国标准出版社，2006．
　　［5］ 吴泽全，徐东，程睿，等． 排种器试验台检测系统的设计与试验［J］． 农机化研究，2011，33( 2) : 65－69．
　　［6］ 中国农业机械化科学研究院，黑龙江省勃农机械有限公司，通辽市富华农机制造有限责任公司． JB/T10293—2001单粒( 精密) 播种机技术条件［S］． 北京: 机械科学研究院，2002．