水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的設(shè)計

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1、水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的設(shè)計 水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的設(shè)計 2016/07/07 《華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報》2016年第四期 摘要 針對現(xiàn)有水田旋耕機(jī)在耕作時機(jī)械的傾斜和振動會導(dǎo)致耕整后的地表平整精度低、可控性差等問題,基于傾角傳感控制技術(shù)設(shè)計一套與水田旋耕機(jī)相匹配的平地系統(tǒng),通過液壓控制和控制器控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)平地系統(tǒng)的水平調(diào)節(jié)功能。田間試驗(yàn)結(jié)果表明:基于傾角傳感技術(shù),具有自動調(diào)節(jié)水平功能的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)耕整平地性能穩(wěn)定可靠。耕整后的平整

2、度為2.20cm,高差分布為81.82%,相比水田旋耕機(jī),平整度改善34.3%,高差分布提高19.4%,且能滿足水稻種植的農(nóng)藝要求。 關(guān)鍵詞 水田旋耕機(jī)械;傾角傳感器;液壓控制;控制器;水平調(diào)節(jié) 在水稻的機(jī)械化生產(chǎn)中,耕整平地是一個重要環(huán)節(jié)[1]。耕整平地質(zhì)量的好壞直接影響到水稻播種的效果、灌溉用水量以及水稻生產(chǎn)的其他后續(xù)環(huán)節(jié)的作業(yè)[2-6]。目前,國內(nèi)的平地機(jī)械有傳統(tǒng)平地和激光平地2種。傳統(tǒng)的平地機(jī)具采用仿形平地原理,平整精度主要靠平地工作人員目測確定,難以達(dá)到農(nóng)藝要求[7-9]。李明金[10]設(shè)計的水田打漿平地機(jī)采用上、下刮板組合成平地托板形

3、式,能有效提高水田的平地作業(yè)。余水生[11]設(shè)計的水田高茬秸稈還田耕整機(jī)的平地裝置采用彈簧支撐桿連接平地板,通過彈簧壓力的作用完成平地作業(yè),提高了秸稈還田后的田間平整度。陳鑫[12]研究的與11.0kW拖拉機(jī)配套的小型水田耕耙平地機(jī),利用耕耙原理設(shè)計的組合式平地機(jī)具,能有效完成小田塊平地作業(yè)。這些傳統(tǒng)平地機(jī)具,在耕作時無法根據(jù)田間復(fù)雜的地形狀況,對機(jī)具進(jìn)行實(shí)時調(diào)整,平整精度有限。激光平地技術(shù)是利用激光設(shè)備構(gòu)建的一套精確的調(diào)平系統(tǒng),在國外已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[13]。我國也研制出了不少激光平地設(shè)備,主要有1PJ型、1PJY型、JPG型、PAC3型等幾種型號。胡煉等[14]設(shè)計了三點(diǎn)懸掛式1PJ-4

4、.0型水田激光平地機(jī),對水田激光平地機(jī)的高程運(yùn)動和水平運(yùn)動性能進(jìn)行了測試研究,通過調(diào)節(jié)平地鏟對偏差信號的響應(yīng)速度,能顯著改善田面平整精度。蘇焱等[15]設(shè)計的JGP-2500型激光平地機(jī),采用液控伺服閥接收偏差電信號,提高液壓系統(tǒng)對平地鏟控制的穩(wěn)定性,試驗(yàn)表明能有效提高田面平整精度。嚴(yán)乙桉等[16]設(shè)計的基于36.8kW輪式拖拉機(jī)的水田激光平地機(jī),實(shí)現(xiàn)了水田激光平地機(jī)與大馬力拖拉機(jī)的配套使用,通過液壓系統(tǒng)與高程調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對平地鏟的狀態(tài)進(jìn)行控制調(diào)節(jié),試驗(yàn)結(jié)果能達(dá)到水田平整要求。韓豹[17]設(shè)計的1PJY-3.0型綜合激光平地機(jī)可用于水田平整,采用圓盤耙組與平地鏟相結(jié)合的方式,在激光調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控

5、制下完成平地作業(yè),試驗(yàn)表明平地精度能達(dá)到農(nóng)藝要求,且灌溉節(jié)水30%~45%。這些激光平地機(jī)以激光確定的基準(zhǔn)平面對平地裝置進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié),耕整平地性能穩(wěn)定,平地精度高[18-21]。以上研究表明,傳統(tǒng)平地機(jī)械和激光平地機(jī)械都能提高田地耕整后的平整精度,傳統(tǒng)平地機(jī)械造價便宜,生產(chǎn)方便,但平整精度有限;而激光平整精度雖然高,但是激光平地機(jī)械配套設(shè)備多且造價昂貴,不宜推廣使用。在傳統(tǒng)旋耕機(jī)上采用傳感技術(shù)的平地系統(tǒng)的應(yīng)用鮮有報道。本試驗(yàn)以1GMD-200型水田旋耕機(jī)為母機(jī),設(shè)計一種基于ADXL345傾角傳感技術(shù)控制、調(diào)節(jié)的平地系統(tǒng),該平地系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)電液一體化控制,并開展田間試驗(yàn),為提高水田耕整作業(yè)的效率

6、、改善耕整后的田面平整精度以及降低平地機(jī)具的生產(chǎn)成本提供參考。 一、總體結(jié)構(gòu)和工作過程 水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)主要由旋耕機(jī)、平地裝置、液壓系統(tǒng)、控制器控制系統(tǒng)等組成(圖1)。平地裝置通過平行四連桿機(jī)構(gòu)與水田旋耕機(jī)相連,其軸測圖見圖2。其中,平地板在2個液壓缸的驅(qū)動下,分別能繞著x軸、y軸旋轉(zhuǎn)。在控制器控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的聯(lián)合控制下,減小平地板的傾斜程度,實(shí)現(xiàn)平地裝置在水平面內(nèi)的水平調(diào)節(jié)。該平地系統(tǒng)由拖拉機(jī)動力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器將動力傳送至旋耕機(jī)。在田間作業(yè)時,由于田間硬底層不平、機(jī)械振動過大等因素,使得平地板相對于水平面發(fā)生傾斜。平地板的傾斜狀態(tài)由控制系統(tǒng)中的傾角

7、傳感器采集,并以數(shù)字信號的形式傳輸給控制器,由控制器對數(shù)字信號運(yùn)算處理后,將輸出的電信號傳遞給液壓系統(tǒng)中的電磁閥,通過電磁閥的啟閉來調(diào)節(jié)與平地板相連的液壓缸,使得平地板在液壓缸控制下,實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)的調(diào)節(jié),從而保證機(jī)具在田間作業(yè)時,平地板始終保持在水平位置,整個平地過程實(shí)現(xiàn)了機(jī)電液一體化控制。 二、液壓控制系統(tǒng) 2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計和工作過程 該液壓控制系統(tǒng)主要由液壓缸、單向節(jié)流閥、三位四通電磁換向閥、液壓泵、溢流閥、濾油器、油箱等組成。因此,為了保證液壓泵的正常工作,采用12的鏈傳動將旋耕機(jī)動力輸入軸上的一部分動力傳送給液壓泵。該液壓系統(tǒng)工作

8、時,當(dāng)三位四通電磁閥左端通電,齒輪泵出口的液壓油流入液壓缸左腔,液壓缸右腔的液壓油流回油箱,液壓缸推桿伸出,平地板受到液壓缸的推力作用;當(dāng)三位四通電磁閥右端通電,齒輪泵出口的液壓油流入液壓缸右腔,左腔液壓油流回油箱,液壓缸推桿縮回,平地板受到液壓缸的拉力;當(dāng)三位四通電磁閥兩端都斷電時,系統(tǒng)保壓,液壓缸停止對平地板的調(diào)節(jié);當(dāng)系統(tǒng)壓力超過規(guī)定壓力時,溢流閥打開,系統(tǒng)壓力下降,保護(hù)液壓系統(tǒng)的壓力不超過額定壓力。表1描述了圖3中液壓系統(tǒng)的電磁鐵通斷對液壓缸的控制,實(shí)現(xiàn)平地板在9種狀態(tài)下的相應(yīng)調(diào)節(jié)。 2.2 液壓缸運(yùn)動速度分析及調(diào)節(jié) 針對在液壓缸對平地板進(jìn)行調(diào)節(jié)時,會使平

9、地系統(tǒng)在對平地板的控制出現(xiàn)波動大、不穩(wěn)定、超調(diào)等現(xiàn)象。對該系統(tǒng)中液壓缸運(yùn)動的速度進(jìn)行了分析。在液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定時,忽略液壓缸進(jìn)出油口的壓力變化,根據(jù)式(1)和(2)分析可得,流入(流出)換向閥的流量Q與液壓缸的伸縮位移量s近似成正比,單位時間液壓缸的位移量即液壓缸的運(yùn)動速度v與流入液壓缸的流量q成正比,而液壓缸伸縮的快慢又影響對傾角調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。因此,在液壓系統(tǒng)中,將節(jié)流閥安裝在換向閥的進(jìn)油端,能降低液壓系統(tǒng)流入液壓缸的流量,降低了調(diào)節(jié)過程中液壓缸的伸縮速度,提高液壓控制系統(tǒng)對平地板傾角調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性。通過對液壓系統(tǒng)的調(diào)試,液壓缸的伸縮速度能達(dá)到平地板準(zhǔn)確控制的要求,未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。

10、 三、基于傾角傳感器的控制系統(tǒng)設(shè)計 3.1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 設(shè)計的控制系統(tǒng)主要包括硬件部分和軟件部分。硬件部分由單片機(jī)、傾角模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊、LCD顯示模塊、降壓模塊等組成。軟件部分主要的功能是建立了控制器與傾角模數(shù)轉(zhuǎn)換采集模塊之間的I2C通信、傾角信號的采集和實(shí)時顯示、運(yùn)用控制算法對傾角信號的處理并完成電信號的輸出等??刂葡到y(tǒng)能完成對信號的采集、處理和傳輸?shù)冗^程,同時與液壓控制系統(tǒng)中的電磁換向閥相匹配,實(shí)現(xiàn)平地板的控制、調(diào)平動作。水平控制系統(tǒng)的電路原理框圖如圖5所示,整個控制電路系統(tǒng)由拖拉機(jī)的蓄電池提供12V直流電,傳感器能檢測到平地板在水平位置的傾斜角度,

11、由單片機(jī)對數(shù)據(jù)驗(yàn)算、處理后將傾角的數(shù)值在LCD上顯示。在單片機(jī)控制器和繼電器之間采用光耦隔離,防止在光耦前端的單片機(jī)受后端電磁閥開啟和關(guān)閉時的信號干擾。在平地板傾角超過閥值M(M=5)時,單片機(jī)便會輸出電信號控制電磁繼電器動作,在電磁繼電器接通后,相對應(yīng)的電磁換向閥便會在12V的電壓驅(qū)動下工作。 3.2傾角信號的處理算法 四、平地系統(tǒng)的試驗(yàn) 4.1 試驗(yàn)條件 4.2 數(shù)據(jù)測試方法 4.3 數(shù)據(jù)評價方法 4.4 數(shù)據(jù)處理和分析 五、討論 本試驗(yàn)根據(jù)水田硬底層不平、旋耕機(jī)

12、刀輥旋轉(zhuǎn)時機(jī)器振動過大等因素造成旋耕機(jī)耕整作業(yè)后田面平整精度低的特點(diǎn),基于傳感技術(shù)設(shè)計了一種與水田旋耕機(jī)配套的機(jī)電液一體化自動控制的平地系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了在耕整過程中對平地板的自動調(diào)節(jié),使之始終處于水平位置。田間試驗(yàn)結(jié)果表明,水田旋耕機(jī)在試驗(yàn)后的平整度為3.35cm,高差分布為62.4%;基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)在水田耕整試驗(yàn)后的平整度為2.20cm,高差分布為81.82%。水田旋耕機(jī)耕后田地不平整的主要原因是拖拉機(jī)在田間行進(jìn)時的傾斜、振動,會帶動旋耕機(jī)一起運(yùn)動,而旋耕機(jī)的托板在田間作業(yè)時無法自動調(diào)節(jié),使得耕整完后的田面起伏大,又由于硬底層不平,耕后部分區(qū)域出現(xiàn)落差大的現(xiàn)象。而采用本試驗(yàn)研制

13、的基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng),在田間試驗(yàn)時,通過控制系統(tǒng)對平地裝置的傾斜狀態(tài)進(jìn)行檢測、控制及調(diào)節(jié),保證了平地裝置的平穩(wěn)性,降低了水田硬底不平、機(jī)器振動等因素的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可得,基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的平地效果明顯優(yōu)于水田旋耕機(jī),且平地精度能滿足水稻生產(chǎn)過程中的平地要求,能提高水稻機(jī)械化生產(chǎn)效率。與水田激光平地機(jī)相比,雖然平整精度沒有水田激光平地機(jī)高,但平整精度也能達(dá)到水稻種植的要求,并且基于傳感技術(shù)的水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能與旋耕機(jī)配套使用,減少對田地的耕整作業(yè)次數(shù),造價便宜,配套設(shè)備少,操作方便簡單,可以降低水稻機(jī)械化生產(chǎn)過程中的成本。這種基于傾角傳感器的控制

14、原理,調(diào)控平地裝置的方法,不僅可以用于水田旋耕機(jī)上,還可為其他水田耕整機(jī)械的設(shè)計提供參考,以此來提高水田耕整機(jī)械在耕整田地之后的平整精度。另外,本試驗(yàn)在平地系統(tǒng)傾角調(diào)節(jié)過程中設(shè)置了一個閥值M,閥值的大小對系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果有一定影響,后續(xù)還會改變閥值M的大小,結(jié)合田間試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步分析改進(jìn)。 參考文獻(xiàn) [1]周建來,李源知,焦巧鳳.國內(nèi)外旋耕機(jī)的技術(shù)狀況[J].農(nóng)機(jī)化 [2]李福祥,許迪,李益農(nóng).農(nóng)田土地平整方法的組合應(yīng)用及效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2000,16(2):50-53. [3]李益農(nóng),許迪,李福祥.田面平整精度對畦灌性

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