水田旋耕機平地系統(tǒng)的設(shè)計

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1、水田旋耕機平地系統(tǒng)的設(shè)計 水田旋耕機平地系統(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)有水田旋耕機在耕作時機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)合的方式實現(xiàn)平地系統(tǒng)的水平調(diào)節(jié)功能。田間試驗結(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，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 水田旋耕機械；傾角傳感器；液壓控制；控制器；水平調(diào)節(jié) 在水稻的機械化生產(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)的平地機械有傳統(tǒng)平地和激光平地２種。傳統(tǒng)的平地機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，難以達到農(nóng)藝要求［７－９］。李明金［１０］設(shè)計的水田打漿平地機采用上、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拖拉機配套的小型水田耕耙平地機，利用耕耙原理設(shè)計的組合式平地機具，能有效完成小田塊平地作業(yè)。這些傳統(tǒng)平地機具，在耕作時無法根據(jù)田間復(fù)雜的地形狀況，對機具進行實時調(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)計了三點懸掛式１ＰＪ－４

4、．０型水田激光平地機，對水田激光平地機的高程運動和水平運動性能進行了測試研究，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，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輪式拖拉機的水田激光平地機，實現(xiàn)了水田激光平地機與大馬力拖拉機的配套使用，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)進行控制調(diào)節(jié)，試驗結(jié)果能達到水田平整要求。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)，試驗表明平地精度能達到農(nóng)藝要求，且灌溉節(jié)水３０％～４５％。這些激光平地機以激光確定的基準(zhǔn)平面對平地裝置進行實時調(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)平地機械和激光平地機械都能提高田地耕整后的平整精度，傳統(tǒng)平地機械造價便宜，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。本試驗以１ＧＭＤ－２００型水田旋耕機為母機，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)可實現(xiàn)機電液一體化控制，并開展田間試驗，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 水田旋耕機平地系統(tǒng)主要由旋耕機、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構(gòu)與水田旋耕機相連，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)由拖拉機動力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器將動力傳送至旋耕機。在田間作業(yè)時，由于田間硬底層不平、機械振動過大等因素，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，實現(xiàn)在水平面內(nèi)的調(diào)節(jié)，從而保證機具在田間作業(yè)時，平地板始終保持在水平位置，整個平地過程實現(xiàn)了機電液一體化控制。 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　液壓缸運動速度分析及調(diào)節(jié) 針對在液壓缸對平地板進行調(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)中液壓缸運動的速度進行了分析。在液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定時，忽略液壓缸進出油口的壓力變化，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、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時顯示、運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、由單片機對數(shù)據(jù)驗算、處理后將傾角的數(shù)值在ＬＣＤ上顯示。在單片機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 ４．１　試驗條件 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 本試驗根據(jù)水田硬底層不平、旋耕機

12、刀輥旋轉(zhuǎn)時機器振動過大等因素造成旋耕機耕整作業(yè)后田面平整精度低的特點，基于傳感技術(shù)設(shè)計了一種與水田旋耕機配套的機電液一體化自動控制的平地系統(tǒng)，實現(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。田間試驗結(jié)果表明，水田旋耕機在試驗后的平整度為３．３５ｃｍ，高差分布為６２．４％；基于傳感技術(shù)的水田旋耕機平地系統(tǒng)在水田耕整試驗后的平整度為２．２０ｃｍ，高差分布為８１．８２％。水田旋耕機耕后田地不平整的主要原因是拖拉機在田間行進時的傾斜、振動，會帶動旋耕機一起運動，而旋耕機的托板在田間作業(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。而采用本試驗研制

13、的基于傳感技術(shù)的水田旋耕機平地系統(tǒng)，在田間試驗時，通過控制系統(tǒng)對平地裝置的傾斜狀態(tài)進行檢測、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、機器振動等因素的影響。根據(jù)試驗結(jié)果分析可得，基于傳感技術(shù)的水田旋耕機平地系統(tǒng)的平地效果明顯優(yōu)于水田旋耕機，且平地精度能滿足水稻生產(chǎn)過程中的平地要求，能提高水稻機械化生產(chǎn)效率。與水田激光平地機相比，雖然平整精度沒有水田激光平地機高，但平整精度也能達到水稻種植的要求，并且基于傳感技術(shù)的水田旋耕機平地系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能與旋耕機配套使用，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上，還可為其他水田耕整機械的設(shè)計提供參考，以此來提高水田耕整機械在耕整田地之后的平整精度。另外，本試驗在平地系統(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)合田間試驗結(jié)果進行進一步分析改進。 參考文獻 ［1］周建來，李源知，焦巧鳳．國內(nèi)外旋耕機的技術(shù)狀況［Ｊ］．農(nóng)機化 ［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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