于志成，王 熙

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

?

水田復(fù)式整地機(jī)自動(dòng)調(diào)平裝置的設(shè)計(jì)與研究

于志成，王 熙

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

為解決傳統(tǒng)水田復(fù)式整地機(jī)需手動(dòng)控制、駕駛員工作強(qiáng)度大、工作效率低等問題，研制了水田復(fù)式整地機(jī)的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，適用于水田粗整地、整平地。采用水平傳感器獲取復(fù)式整地機(jī)機(jī)架的傾角姿態(tài)，控制器為STC12C5A60S2型芯片，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度控制三位四通電磁閥，實(shí)現(xiàn)液壓油流向的變換，用安裝在整地機(jī)側(cè)面的調(diào)平液壓油缸實(shí)現(xiàn)整地機(jī)機(jī)架的自動(dòng)調(diào)平。對自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)進(jìn)行了田間試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)滿足水稻插秧的農(nóng)藝要求。

水田復(fù)式整地機(jī)；自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)；水平傳感器

0 引言

在水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化中，整地機(jī)械化是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，整地質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到插秧機(jī)性能的發(fā)揮和插秧的質(zhì)量。目前，我國北方水稻產(chǎn)區(qū)主要實(shí)行翻地-旋地-灌水泡田3～5天-水耙地-沉降5～7天-插秧的作業(yè)程序[1]。

農(nóng)諺中有“寸水不漏田”之說。水稻的栽植及生長要求極其特殊，對水田的平整要求很高。水田精細(xì)耕整后可以使土層水分分布均勻，減少灌溉用水，化肥、農(nóng)藥噴施效果好，提高利用率，減少農(nóng)藥化肥使用量，進(jìn)而減少水稻生產(chǎn)成本和對環(huán)境的污染，可以增加水稻產(chǎn)量，促進(jìn)水稻生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展[2]。

傳統(tǒng)的水田整地機(jī)具(如耙、攪漿機(jī)、撈板等)具有應(yīng)用范圍廣、成本低等特點(diǎn)，是目前我國水田平整的主要方式；但它們均由人工操作，工作效率低、水田平整精度低、對駕駛員技術(shù)要求高，工作強(qiáng)度大，對水田平整作業(yè)質(zhì)量有影響。

由于水田硬底層高低不平，拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)會(huì)隨著地形而不斷顛簸，水田復(fù)式整地機(jī)與拖拉機(jī)剛性懸掛連接，會(huì)隨地形而擺動(dòng)，嚴(yán)重影響水田平整質(zhì)量，所以需要多次行進(jìn)作業(yè)才能達(dá)到水稻插秧的農(nóng)藝要求，工作效率嚴(yán)重降低。拖拉機(jī)在水田中多次行進(jìn)將會(huì)加大水田犁底層硬度，影響土壤的通透性，不利于水稻深扎根，影響水稻產(chǎn)量。所以，加裝自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，保證復(fù)式整地機(jī)姿態(tài)水平，對提高工作效率、降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度及提高作業(yè)質(zhì)量意義重大。

2007年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)李慶等為了提高水田平整度，研究水田平整激光控制系統(tǒng)，采用傾角傳感器測量平地鏟橫向水平角度，水田平整度由平整前的10.41cm下降到3.17cm，水田平整效果達(dá)到農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)[3]。2008年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)趙祚喜等研究了MEMS慣性傳感器控制水田激光平地機(jī)姿態(tài)調(diào)平技術(shù)，利用慣性傳感器監(jiān)測平地鏟姿態(tài)，試驗(yàn)表明，MEMS慣性傳感器姿態(tài)測量誤差不超過1°[4]。2011年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡煉、羅錫文等設(shè)計(jì)了基于姿態(tài)傳感器ADIS16300和LPR530的水田激光平地機(jī)水平控制系統(tǒng)。姿態(tài)傳感器ADIS16300輸出的加速度值和角速率值融合實(shí)現(xiàn)測量平地鏟實(shí)時(shí)傾角，測量誤差不超過1°[5]。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)為提高復(fù)式整地機(jī)水田平整效果，降低生產(chǎn)投入，自行研制了水田復(fù)式整地機(jī)(見圖1)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)保證整地機(jī)在水平狀態(tài)下作業(yè)，機(jī)架可在±6°范圍內(nèi)左右擺動(dòng)。當(dāng)整地耙片兩端相對變化超過2.5cm時(shí)(平地機(jī)幅寬5m)，水平傳感器輸出信號，控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。

1 水田復(fù)式整地機(jī)總體結(jié)構(gòu)

平地機(jī)選用黑龍江省八五六農(nóng)場青山機(jī)械廠生產(chǎn)的ZD-5.0型水田復(fù)式整地機(jī)，水田復(fù)式整地機(jī)由懸掛架、機(jī)架、缺口耙、尾翼拖板、尾翼拖板深度控制油缸、尾翼拖板角度控制油缸等組成，如圖2所示。缺口耙將土壤細(xì)碎，土壤的通透性強(qiáng)，有利于水稻的根系生長，深扎根。尾翼拖板將稻田秸稈軋入土壤，并耢平田地。

拖拉機(jī)與整地機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式連接，平地機(jī)幅寬5m。機(jī)架與懸掛架采用銷軸連接，在調(diào)平過程中機(jī)架可繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)由液壓泵、分流閥、電磁換向閥、溢流閥及液壓油缸等組成，如3圖所示。采用約翰迪爾904拖拉機(jī)作為動(dòng)力，液壓油由拖拉機(jī)液壓油泵提供，為保證不影響拖拉機(jī)原液壓系統(tǒng)工作，在液壓油泵出口安裝分流閥，保證液壓油以等流量分別供給拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)和整地機(jī)液壓系統(tǒng)。分流閥的作用是使一個(gè)高壓油源同時(shí)向液壓系統(tǒng)中兩個(gè)(或兩個(gè)以上)執(zhí)行元件提供等流量或比例流量高壓油，即等量分流或比例分流，速度保持同步或定比關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)執(zhí)行元件同時(shí)工作。

圖1 自動(dòng)調(diào)平水田復(fù)式整地機(jī)

1.整地耙片 2.整地機(jī)機(jī)架 3.懸掛架 4.液壓閥體 5.調(diào)平油缸 6.尾翼拖板深度控制油缸 7.尾翼拖板角度控制油缸 8.尾翼拖板

1.油箱 2.液壓泵 3.分流閥 4.電磁換向閥 5.液壓缸 6.安全閥

液壓泵持續(xù)為自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)供油，控制器沒有輸出信號時(shí)，電磁閥處于中立位置，液壓油流回油箱；控制器接收水平傳感器傳來的信號做出分析判斷，發(fā)出電信號指令，控制電磁閥通斷，三位四通電磁換向閥閥芯位置變化，改變液壓油流向，控制液壓油缸的伸出與收縮，復(fù)式整地機(jī)機(jī)架繞懸掛架中位轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整地機(jī)水平姿態(tài)的保持。

安全閥在系統(tǒng)中起卸荷過載保護(hù)作用。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力超過設(shè)定安全值時(shí)，安全閥打開，將系統(tǒng)中的高壓油卸荷，流回油箱，使系統(tǒng)壓力不超過允許值，從而保證系統(tǒng)不因壓力過高而發(fā)生事故[6]。

2.2 自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)

本研究采用控制器與水平傳感器相結(jié)合的方案。自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的信號來源于安裝在平地機(jī)上的水平傳感器，將模擬信號傳輸給控制器，控制器分析計(jì)算后，通過放大驅(qū)動(dòng)電路將信號加強(qiáng)，發(fā)出指令控制電磁閥閥芯位置變換，實(shí)現(xiàn)液壓油缸的伸出與收縮，實(shí)現(xiàn)平地機(jī)的自動(dòng)調(diào)平。調(diào)平系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.2.1 水平傳感器

水平傳感器為BWK210-90型號，BWK210系列傾角傳感器是北微傳感公司推出的一款小體積、低成本電壓輸出單軸傾角傳感器，單軸傾角測量，量程±30°，精度0.2°，直流10～35V電壓電源輸入，0～5V輸出接口(0～10V可選)，高抗振性能>2000g，寬溫工作-40～+85℃。整個(gè)電路系統(tǒng)由拖拉機(jī)提供12V直流電源[7]。

圖4 調(diào)平控制系統(tǒng)工作框圖

2.2.2 控制器

控制器接收水平傳感器輸出的信號，對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，經(jīng)單片計(jì)算機(jī)處理后輸出，控制液壓系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)平地機(jī)的自動(dòng)調(diào)平?？刂破骱诵牟捎肧TC12C5A60S2型單片計(jì)算機(jī)芯片，通過指示燈實(shí)時(shí)顯示控制狀態(tài)；同時(shí)，通過放大驅(qū)動(dòng)電路，發(fā)送電信號給液壓控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平[8]。調(diào)平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖5 調(diào)平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)過程

為檢驗(yàn)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的水田整地作業(yè)效果，2016年4月在黑龍江省八五六農(nóng)場六作業(yè)站進(jìn)行了水田整地作業(yè)。動(dòng)力為約翰迪爾904輪式拖拉機(jī)，田地狀況為秋季翻耕后的水稻田，泡水3天，面積為40m×80m。平地機(jī)采用三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接，以8km/h的速度進(jìn)行作業(yè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過人工采集，按照蛇形采樣法布點(diǎn)，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MatLab生成三維地形圖，觀察平整情況，計(jì)算出平整后水田表面與水平面相對值的平均數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)差值，來評估平地效果[9-11]。

采用自制測量尺對水田復(fù)式整地機(jī)作業(yè)后的地塊進(jìn)行測量，以水平面為基準(zhǔn)，在1號地塊采集方陣數(shù)據(jù)10×20=200個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)間距4m。采集數(shù)據(jù)見表1所示。其中，hij為在田地內(nèi)橫向縱向采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖6和圖7分別為試驗(yàn)前田地狀況和自動(dòng)調(diào)平水田復(fù)式整地機(jī)在田間作業(yè)。

圖6 試驗(yàn)前田間實(shí)況圖

圖7 自動(dòng)調(diào)平水田復(fù)試整地機(jī)在田間工作圖

續(xù)表1

hij為采樣點(diǎn)(i,j)處稻田土壤表面與泡田水面相對高度差(cm)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

農(nóng)田平整度(P)可以用來衡量田面地形起伏程度，反映農(nóng)田地面平整度的總體狀況。通常利用農(nóng)田內(nèi)各處地面相對高程到擬合面垂直距離的標(biāo)準(zhǔn)偏差值(Sd)來表示。標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd越小，表明農(nóng)田地面起伏越不明顯、地面越平整；標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd越大，說明農(nóng)田地面起伏越明顯、地面越不平整[12]。

(1)

標(biāo)準(zhǔn)偏差值Sd為

(2)

圖8 試驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

圖9 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等高線圖

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種水田復(fù)式整地機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，采用水平傳感器測量整地機(jī)實(shí)時(shí)水平姿態(tài)，控制器采用PID控制算法計(jì)算電磁閥PWM驅(qū)動(dòng)信號占空比控制調(diào)平液壓油缸伸長量，實(shí)現(xiàn)了水田復(fù)式整地機(jī)水平控制。

2)該系統(tǒng)可更據(jù)地勢變化在0.3°內(nèi)發(fā)出調(diào)節(jié)信號，控制系統(tǒng)發(fā)出電信號控制電磁閥實(shí)現(xiàn)整地機(jī)水平姿態(tài)的保持。

3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：水田復(fù)式整地機(jī)采用黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)后，水田整地精度能滿足水稻生產(chǎn)過程中農(nóng)藝要求，達(dá)到精細(xì)整地標(biāo)準(zhǔn)，最大高程差為11cm，標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd=2.13cm。

[1] 姜海明,孫仕明,韓宏宇,等.1GBPS型水田耕耙平地機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2005(2):136-138.

[2] 胡煉,楊偉偉,許奕,等.基于GPS技術(shù)的水田平地機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(5):130-134.

[3] 李慶,羅錫文,汪懋華,等.采用傾角傳感器的水田激光平地機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(4): 88-93.

[4] 趙祚喜,羅錫文,李慶,等.基于MEMS慣性傳感器融合的水田激光平地機(jī)水平控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008, 24(6):119-124.

[5] 胡煉,林朝興,羅錫文,等.農(nóng)機(jī)具自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(8):15-20.

[6] 侯明亮.拖掛式激光平地機(jī)液壓控制系統(tǒng)的研究[D]. 北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[7] 黎永鍵,趙祚喜.水田激光平地機(jī)平地鏟姿態(tài)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2012,34(2): 69-75.

[8] 劉寅,李宏鵬,劉剛,等.基于GPS控制技術(shù)的土地平整系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2014，36(9):142-146.

[9] 王少農(nóng),莊衛(wèi)東,王熙. 基于GNSS的農(nóng)田平地系統(tǒng)試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究, 2016,38(5):199-203.

[10] 莊衛(wèi)東,汪春,王熙.基于MATLAB的農(nóng)田信息可視化實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(6):137-140.

[11] 陳君梅,黃培奎,趙祚喜.基于激光測距儀和Matlab的水田平整度檢測方法[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014(1):173-177.

[12] 劉剛,林建涵,司永勝,等.激光控制平地系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(1):71-74.

The Research and Design of Automatic Ieveling Device of Tillage Equipment in Paddy Field

Yu Zhicheng, Wang Xi

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

In order to solve the traditional paddy soil tillage Equipmente in low level of automation, operating manual work intensity, problems of Low efficiency，which the reexamination of paddy field tillage machine was developed with automatic leveling control system and was applied to the rough rice land preparation and land leveling. The reexamination of tillage Equipmente on working attitude was gained by using the level sensors, and controller for STC12C5A60S2 chips. The hydraulic oil flow to transform was achieved by adjusting the pulse width control three four-way solenoid valve. Site preparation frame of automatic leveling was achieved by using the hydraulic cylinder of soil tillage Equipmente on the side. It was proving that field texting with the automatic tuning level control system, and the test results show that the system not only meets the demand of agronomy, but also suitable for agricultural production.

paddy field compound soil tillage equipmente; the automatic leveling control system; level sensor

2016-07-08

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD04B01-06)

于志成(1991-),男，吉林長嶺人，碩士研究生，(E-mail) 872864412@qq.com。

王 熙(1962-)，男，山西新絳人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)ndwangxi@163.com。

S222.2

A

1003-188X(2017)08-0175-05