湯 慶 吳崇友 吳 俊 秦 超 蔣 蘭 王 剛

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2.南京大學(xué)工程管理學(xué)院， 南京 210008)

0 引言

油菜是我國(guó)重要的油料作物，85%集中在長(zhǎng)江流域冬油菜產(chǎn)區(qū)，其中30%～40%因輪作茬口或氣候條件等原因，不具備直接播種的條件，必須采用育苗移栽方式種植?，F(xiàn)有的油菜移栽機(jī)作業(yè)效率低，無(wú)法適應(yīng)水稻茬黏重的土壤條件[1]。吳崇友團(tuán)隊(duì)[2]提出了“毯狀苗切塊切縫插栽”的高效移栽方式，開(kāi)發(fā)了基于插秧機(jī)底盤(pán)的油菜毯狀苗移栽機(jī)。為進(jìn)一步提高移栽機(jī)對(duì)土壤的適應(yīng)性、簡(jiǎn)化作業(yè)環(huán)節(jié)、提高功效，研究以拖拉機(jī)為動(dòng)力、將耕整地與移栽功能集為一體的油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)非常必要。拖拉機(jī)PTO設(shè)計(jì)為定值，栽植速度不能隨前進(jìn)速度而變化，導(dǎo)致栽植穴距不穩(wěn)定，因此亟需研發(fā)穴距控制系統(tǒng)。

靳曉波[3]設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的谷子精量播種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)播種機(jī)的工作速度，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使排種器的轉(zhuǎn)速與播種器工作速度一致。丁友強(qiáng)等[4]設(shè)計(jì)了基于GPS測(cè)速的電驅(qū)式玉米精量播種機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為主控制器，采用Android手機(jī)終端設(shè)置播種株距、排種盤(pán)型孔數(shù)等作業(yè)參數(shù)，采用GPS接收器采集拖拉機(jī)的前進(jìn)速度，根據(jù)速度信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)排種器轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)前進(jìn)速度的實(shí)時(shí)匹配。印祥等[5]設(shè)計(jì)了一種基于光電編碼器測(cè)速的玉米精量播種機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了播種粒距和播種機(jī)作業(yè)速度的動(dòng)態(tài)匹配。張春嶺等[6]采用雷達(dá)測(cè)速儀檢測(cè)播種機(jī)實(shí)時(shí)速度，并通過(guò)編碼器采集排種器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋控制，提高了排種精度。HE等[7]提出以電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器、采用編碼器測(cè)速并加入滑移率參數(shù)進(jìn)行速度修正的驅(qū)動(dòng)方案，提高了播種質(zhì)量。趙金輝等[8]設(shè)計(jì)了一種基于PLC的苔麩施肥播種機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量播種速度，建立播種速度和伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)不同播種速度下單位面積播種量的一致。

液壓技術(shù)具有大功率、易控制等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)液壓比例閥容易控制液壓流量，從而控制執(zhí)行元件。近年來(lái)Yanmar、Kubota和Claas等公司在農(nóng)業(yè)機(jī)械上也應(yīng)用了液壓比例閥，從而提升了產(chǎn)品性能[9]。將電控技術(shù)與液壓比例閥結(jié)合形成電液比例控制技術(shù)應(yīng)用于多種機(jī)具上[10-13]。作為基于模型的控制算法，PID控制算法設(shè)計(jì)相對(duì)容易[14]，故廣泛應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)[15-19]，在拖拉機(jī)、插秧機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械上得到了廣泛應(yīng)用[20-23]。

播種機(jī)排種軸動(dòng)力消耗小，可由小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速控制較易實(shí)現(xiàn)。本文油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)栽植機(jī)構(gòu)動(dòng)力消耗大，且結(jié)構(gòu)緊湊，不適宜大功率電機(jī)的安裝。借鑒電液比例控制技術(shù)在其他機(jī)具上的應(yīng)用方案，針對(duì)油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)栽植速度無(wú)法與作業(yè)速度匹配而造成穴距不穩(wěn)定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)穴距電液比例控制系統(tǒng)，以期達(dá)到栽植穴距穩(wěn)定、提高栽植精度的目的。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

試驗(yàn)用油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由旋耕整地單元、栽植單元和覆土鎮(zhèn)壓?jiǎn)卧M成，在旋耕整地單元一側(cè)設(shè)計(jì)有地輪測(cè)速系統(tǒng)。該機(jī)配套73.5 kW拖拉機(jī)，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min。旋耕單元為正轉(zhuǎn)旋耕刀帶中間開(kāi)廂溝結(jié)構(gòu)，栽植株距120～200 mm，由穴距電液比例控制系統(tǒng)控制和調(diào)整。

圖1 油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of rape seedling rotary tillage combine transplanter1.覆土鎮(zhèn)壓?jiǎn)卧?2.栽植單元 3.旋耕整地單元 4.地輪測(cè)速系統(tǒng)

機(jī)具作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力，經(jīng)中間齒輪箱減速后，一端輸出軸驅(qū)動(dòng)旋耕刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端輸出軸驅(qū)動(dòng)邊齒輪箱，邊齒輪箱通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)旋耕整地單元工作，同時(shí)邊齒輪箱為液壓泵提供動(dòng)力，液壓泵經(jīng)液壓回路支撐栽植單元和覆土鎮(zhèn)壓?jiǎn)卧倒ぷ?。栽植單元由穴距電液比例控制系統(tǒng)控制栽植臂取苗移栽，將油菜苗塊栽插入精整地裝置形成的苗溝內(nèi)，依靠毯狀苗基質(zhì)塊和苗溝壁使秧苗保持直立，通過(guò)向內(nèi)側(cè)傾斜的V 形覆土鎮(zhèn)壓?jiǎn)卧獙⒚鐪蟽蛇叺耐寥罃D向秧苗周圍，再壓實(shí)固苗。

1.2 穴距電液比例控制系統(tǒng)組成與控制原理

油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)穴距電液比例控制系統(tǒng)由地輪測(cè)速系統(tǒng)、電液比例控制系統(tǒng)和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)栽植系統(tǒng)等組成(圖2)。其工作流程如下：在油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)開(kāi)始作業(yè)時(shí)，地輪跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)地輪測(cè)速編碼器檢測(cè)地輪轉(zhuǎn)速并換算為作業(yè)速度，通過(guò)電控系統(tǒng)控制比例流量閥調(diào)整液壓系統(tǒng)流量，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)栽植系統(tǒng)工作。在作業(yè)過(guò)程中，地輪測(cè)速系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)前進(jìn)速度，當(dāng)前進(jìn)速度增加，通過(guò)電控系統(tǒng)控制比例流量閥增加流經(jīng)液壓馬達(dá)的流量，提升液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，加快栽植頻率，保證栽植穴距的穩(wěn)定性。

圖2 穴距電液比例控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 System principle diagram of electro-hydraulic proportional control system for hole distance1.液壓泵 2.溢流閥 3.液壓油箱 4.壓力表 5.過(guò)濾器 6.二位四通電磁換向閥 7.比例流量閥 8.液壓馬達(dá)Ⅰ 9.液壓馬達(dá)Ⅱ 10.測(cè)速編碼器Ⅰ 11.測(cè)速編碼器Ⅱ 12.地輪測(cè)速編碼器 13.控制板

1.3 地輪測(cè)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖3，地輪是跟隨聯(lián)合作業(yè)機(jī)前進(jìn)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)安裝在地輪轉(zhuǎn)軸上的測(cè)速編碼器測(cè)量理論轉(zhuǎn)速?gòu)亩贸銮斑M(jìn)速度。測(cè)速編碼器(歐姆龍E6B2-CWZ6C 500P/R)1轉(zhuǎn)500個(gè)脈沖。地輪圓周上均布釘齒，基本不會(huì)產(chǎn)生滑移。所以不考慮滑移情況下，前進(jìn)速度與地輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系式為

圖3 地輪測(cè)速原理圖Fig.3 Schematic of ground wheel speed measurement1.地輪 2.機(jī)架固定點(diǎn) 3.旋轉(zhuǎn)鉸接點(diǎn) 4.地輪測(cè)速編碼器

(1)

(2)

式中v——前進(jìn)速度，m/sD——地輪直徑，mm

nd——地輪轉(zhuǎn)速，r/min

X——電控系統(tǒng)1 min內(nèi)接收脈沖數(shù)，個(gè)/min

1.4 電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電液比例控制用輸入的電信號(hào)調(diào)制液壓參數(shù),使之成比例的連續(xù)變化,具有控制原理簡(jiǎn)單、控制精度高的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域。

1.4.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓馬達(dá)、油箱、比例流量閥、換向閥等組成。液壓系統(tǒng)主要依據(jù)栽植單元的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速為200 r/min和扭矩為40 N·m來(lái)選取元件型號(hào)。液壓泵(CBTL-F412-A-PL型定量齒輪泵)安裝在旋耕單元上方變速箱的端部與變速箱直連，變速箱輸出轉(zhuǎn)速2 000 r/min。油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)包含兩個(gè)栽植單元，每個(gè)單元采用一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在栽植過(guò)程中要保證2個(gè)栽植單元的栽植速度同步，液壓系統(tǒng)采用2個(gè)液壓馬達(dá)串聯(lián)方式使速度同步。液壓馬達(dá)(BMM-50-FAE型定量擺線液壓馬達(dá))安裝于每個(gè)栽植單元的驅(qū)動(dòng)軸端部，由聯(lián)軸器連接。比例流量閥(QVHZO-AES-06/18/U0型)與換向閥、溢流閥等閥組安裝于油箱旁。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到比例流量閥不同輸入電流信號(hào)與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)二項(xiàng)式擬合得到理論流量調(diào)節(jié)曲線函數(shù)為：y=0.055x2-0.170 2x-1.539 5，R2=0.999 8，其中4 mA≤x≤20 mA(圖4)。由流量調(diào)節(jié)曲線可知，比例流量閥的理論開(kāi)啟電流為7.2 mA。由于液壓系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中流量受到負(fù)載、油溫、泄漏以及液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等影響，實(shí)際作業(yè)中往往理論開(kāi)啟電流不能驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)。由得到的理論開(kāi)啟電流進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，得到不同負(fù)載情況下的輸出電流信號(hào)與流量的函數(shù)關(guān)系。

圖4 比例流量閥理論流量調(diào)節(jié)曲線Fig.4 Theoretical flow regulation curve of proportional flow valve

通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)不同負(fù)載(5、10、15、20 N·m)情況下比例流量閥的實(shí)際流量調(diào)節(jié)曲線(圖5)可知：液壓馬達(dá)在不同負(fù)載情況下，比例流量閥的啟動(dòng)電流不同，負(fù)載越大比例流量閥初始開(kāi)啟電流增加，而當(dāng)電磁閥輸入電流信號(hào)到達(dá)最大值(20 mA)時(shí)，負(fù)載越大流量越小，但差異較小。

圖5 比例流量閥實(shí)際流量調(diào)節(jié)曲線Fig.5 Actual flow regulation curves of proportional flow valve

控制程序設(shè)定地輪轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為0.2 s，由于液壓系統(tǒng)的滯后性以及液壓馬達(dá)有扭矩負(fù)載，通過(guò)比例流量閥的實(shí)際流量調(diào)節(jié)曲線可知，開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)需要一定的初始流量，所以在機(jī)具開(kāi)始作業(yè)短時(shí)間內(nèi)液壓系統(tǒng)還不能驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，造成開(kāi)始作業(yè)時(shí)出現(xiàn)漏栽現(xiàn)象，因此需要設(shè)置比例流量閥控制信號(hào)的初始值。

1.4.2電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件兩部分。如圖6所示，系統(tǒng)硬件主要由地輪測(cè)速編碼器、馬達(dá)測(cè)速編碼器、基于STM32單片機(jī)的控制系統(tǒng)等組成，通過(guò)SWD接口、串行接口進(jìn)行電控系統(tǒng)程序調(diào)試，通過(guò)I/O口接收液壓馬達(dá)與地輪測(cè)速編碼器的矩形波信號(hào)，經(jīng)過(guò)STM32單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，由I/O端口輸出的電平信號(hào)控制方向閥的通斷，同時(shí)由外圍電路將I/O端口輸出的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，進(jìn)而控制比例流量閥實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)。另外報(bào)警信號(hào)由另外一個(gè)I/O端口輸出，可在地輪反轉(zhuǎn)等不正常作業(yè)情況下進(jìn)行報(bào)警。

圖6 電控系統(tǒng)組成圖Fig.6 Composition diagram of electronic control system

1.4.3控制系統(tǒng)工作過(guò)程

移栽作業(yè)時(shí)，通過(guò)按鍵調(diào)整PID 控制參數(shù)來(lái)控制穴距，比例流量閥初始值通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定后在程序中初始化。地輪測(cè)速編碼器檢測(cè)地輪轉(zhuǎn)速，通過(guò)電控系統(tǒng)處理檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序計(jì)算液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速所需的液壓流量，輸出信號(hào)至比例流量閥來(lái)調(diào)整系統(tǒng)液壓流量，驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)以期望的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)栽植臂旋轉(zhuǎn)栽植秧苗；同時(shí)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸端的馬達(dá)測(cè)速編碼器測(cè)得液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速作為反饋值，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，即通過(guò)將設(shè)定值與反饋信號(hào)的偏差信號(hào)e(t)作為PID控制器的輸入，調(diào)整比例流量閥的控制信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，保證拖拉機(jī)行駛速度變化時(shí)移栽穴距穩(wěn)定。

如圖7所示，地輪測(cè)速后，經(jīng)過(guò)慣性濾波及基于加速度預(yù)測(cè)若干秒后的車速，作為控制器的輸入值。將輸入值乘以設(shè)定的比例系數(shù)Kc(根據(jù)移栽機(jī)的參數(shù)與需要的穴距來(lái)確定)后，確定液壓馬達(dá)的設(shè)定轉(zhuǎn)速。在不出現(xiàn)設(shè)備故障的前提下，反饋值即為左右液壓馬達(dá)編碼器測(cè)得的實(shí)際平均值。

圖7 控制邏輯圖Fig.7 Control logic diagram

本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是PID控制器的設(shè)計(jì)及其參數(shù)的整定。由于本系統(tǒng)的控制對(duì)象是液壓比例閥的開(kāi)度，當(dāng)控制板的輸出電流為I時(shí)，比例閥的開(kāi)度為KaI(Ka為電磁閥開(kāi)度與電流之間的關(guān)系系數(shù))，液壓流量即為KaKbI(Kb為流量與開(kāi)度之間的關(guān)系系數(shù))，即當(dāng)輸出電流為0時(shí)，液壓馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，所以控制對(duì)象的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不含積分部件，故本系統(tǒng)中的PID控制器采用的是位置式PID，即

u(k)=Kpe(k)+Ki∑e(i)+Kd(e(k)-e(k-1))

(3)

式中Kp——PID整定的比例系數(shù)

Ki——PID整定的積分系數(shù)

Kd——PID整定的微分系數(shù)

通過(guò)專家的經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試，得出參數(shù)：Kc=15，Kp=0.5，Ki=0.15，Kd=0。

為了避免出現(xiàn)控制輸出振蕩以及作業(yè)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的誤測(cè)量，對(duì)PID控制器各個(gè)環(huán)節(jié)采取了必要的限幅處理，最終將電流輸出設(shè)定在11.9～19.8 mA，電流上限值由比例閥的最大開(kāi)度決定，電流下限值由液壓馬達(dá)需要的最小液壓確定。

1.5 栽植系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)栽植單元由一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。液壓馬達(dá)安裝在驅(qū)動(dòng)橫向移箱的往復(fù)絲杠一端，通過(guò)鏈輪和齒輪的傳動(dòng)最終驅(qū)動(dòng)3個(gè)栽植臂轉(zhuǎn)動(dòng)完成取苗移栽，同時(shí)實(shí)現(xiàn)減速，如圖8所示。

圖8 栽植系統(tǒng)傳動(dòng)圖Fig.8 Transmission diagram of motor-driven planting system1.液壓馬達(dá) 2.往復(fù)絲杠 3.轉(zhuǎn)速傳感器 4.主動(dòng)鏈輪 5.從動(dòng)鏈輪 6.縱向送秧軸 7.傳動(dòng)齒輪 8.中間齒輪 9.從動(dòng)齒輪 10、20.錐齒輪Ⅰ 11、19.錐齒輪Ⅱ 12、18.錐齒輪Ⅲ 13、17.錐齒輪Ⅳ 14.栽植臂1 15.栽植臂2 16.栽植臂3

栽植臂旋轉(zhuǎn)一周栽植穴距為2個(gè)穴距距離，因此穴距、前進(jìn)速度和栽植臂轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為

(4)

(5)

式中n13——栽植臂轉(zhuǎn)速，r/min

s——穴距，mm

2 電液比例控制系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的穴距電液比例控制系統(tǒng)在臺(tái)架上進(jìn)行響應(yīng)測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)架(圖9)模擬栽植電液比例控制系統(tǒng)，液壓泵由動(dòng)力電機(jī)提供動(dòng)力，2個(gè)驅(qū)動(dòng)栽植臂的液壓馬達(dá)串聯(lián)，由加載碟剎模擬栽植單元的負(fù)載，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)地輪測(cè)速編碼器來(lái)模擬不同的地輪速度。由2個(gè)馬達(dá)測(cè)速編碼器檢測(cè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。

圖9 電液比例控制系統(tǒng)臺(tái)架結(jié)構(gòu)原理圖Fig.9 Diagram of test-bed of electro-hydraulic proportional control system1.地輪測(cè)速編碼器 2.變頻電機(jī) 3.動(dòng)力電機(jī) 4.液壓泵 5.液壓油箱 6.加載碟剎Ⅰ 7.馬達(dá)測(cè)速編碼器Ⅰ 8.液壓馬達(dá)Ⅰ 9.加載碟剎Ⅱ 10.馬達(dá)測(cè)速編碼器Ⅱ 11.液壓馬達(dá)Ⅱ 12.比例流量閥組 13.試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架 14.調(diào)試計(jì)算機(jī) 15.控制電路板 16.移動(dòng)調(diào)試平臺(tái)

調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速由地輪測(cè)速編碼器檢測(cè)速度，測(cè)試兩個(gè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)，從圖10液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化曲線可知，2個(gè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速響應(yīng)靈敏，轉(zhuǎn)速大小變化基本一致，數(shù)據(jù)分析可知2個(gè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的平均誤差為0.7%，說(shuō)明液壓馬達(dá)串聯(lián)同步方法使油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)效果很好，能夠滿足正常移栽需要。

圖10 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.10 Response curves of hydraulic motor speed

圖11 液壓馬達(dá)Ⅰ轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.11 Response curves of hydraulic motor Ⅰ

由于2個(gè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本一致，選取液壓馬達(dá)Ⅰ測(cè)試不同負(fù)載(5、10、15、20 N·m)情況下與地輪轉(zhuǎn)速之間的響應(yīng)關(guān)系，從圖11響應(yīng)關(guān)系可以看出在不同的負(fù)載情況下，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速變化小，說(shuō)明負(fù)載對(duì)液壓系統(tǒng)的影響相對(duì)較小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速與地輪轉(zhuǎn)速趨勢(shì)一致，而馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對(duì)于地輪轉(zhuǎn)速有一定的滯后性，滯后時(shí)間在600 ms內(nèi)，液壓系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)于2018年11月在江蘇省大豐市裕華鎮(zhèn)進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤為黃壤土。試驗(yàn)前，0～10 cm處土壤容積密度為1.26 g/cm3，10～20 cm 處土壤容積密度為1.51 g/cm3，0～5 cm 處土壤含水率為21.3%，5～10 cm處土壤含水率為26.7%，10～15 cm 處土壤含水率為27.2%，15～20 cm 處土壤含水率為29.8%，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。檢測(cè)設(shè)備包括游標(biāo)卡尺、秒表、鋼尺及卷尺等。

圖12 試驗(yàn)機(jī)具和現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Experimental equipment and site

本試驗(yàn)進(jìn)行了移栽穴距一致性測(cè)定。

穴距一致性: 選定一個(gè)栽植單元3行進(jìn)行測(cè)定，作業(yè)長(zhǎng)度10 m，計(jì)算穴距一致性變異系數(shù)。

進(jìn)行穴距一致性試驗(yàn)時(shí)，選定理論穴距X和作業(yè)速度v為試驗(yàn)因素，由于油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)包含旋耕整地，動(dòng)力消耗大并受拖拉機(jī)性能限制，作業(yè)速度較低，選定理論穴距分別為150、160、170、180 mm，作業(yè)速度分別為2、3、4、5 km/h，理論穴距通過(guò)穴距電液比例控制系統(tǒng)程序設(shè)定調(diào)整，作業(yè)速度通過(guò)拖拉機(jī)油門(mén)來(lái)控制，試驗(yàn)采用全面試驗(yàn)法，選用二因素四水平全面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Orthogonal factors and levels

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在不同因素和水平條件下進(jìn)行全面試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)16組，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。分別測(cè)定一個(gè)栽植單元的每一行穴距，計(jì)算每行的穴距一致性變異系數(shù)，得到一個(gè)栽植單元的穴距一致性變異系數(shù)平均值。

由F值和P值可以得到理論穴距X和作業(yè)速度v都對(duì)穴距一致性系數(shù)影響顯著，其中理論穴距最為顯著。由極差R可以判斷理論穴距影響最大，由k值可知最佳的理論穴距為160 mm，最佳的作業(yè)速度為2 km/h。

穴距一致性變異系數(shù)隨理論穴距和作業(yè)速度變化的趨勢(shì)如圖13所示，可以看出：在理論穴距160 mm的情況下，不同的作業(yè)速度下變異系數(shù)都很小，最小變異系數(shù)時(shí)的作業(yè)速度為3 km/h；在相同的理論穴距下，隨著作業(yè)速度的提高，變異系數(shù)總體呈上升趨勢(shì)；在相同的作業(yè)速度下，理論穴距過(guò)大(180 mm)或者過(guò)小(150 mm)都會(huì)使變異系數(shù)偏高，穴距穩(wěn)定性差。所以最佳理論穴距為160 mm，最佳作業(yè)速度為3 km/h。

圖13 不同理論穴距和作業(yè)速度下的變異系數(shù)曲線Fig.13 Curves of variation coefficient at different theoretical distances and operating speeds

4 結(jié)論

(1)油菜旋耕移栽聯(lián)合作業(yè)機(jī)穴距電液控制系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)表明，2個(gè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速基本一致，平均誤差為0.7%。選取液壓馬達(dá)Ⅰ測(cè)試不同負(fù)載(5、10、15、20 N·m)下與地輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，結(jié)果顯示，負(fù)載對(duì)液壓系統(tǒng)的影響相對(duì)較小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，馬達(dá)轉(zhuǎn)速與地輪轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)一致，而馬達(dá)轉(zhuǎn)速相對(duì)于地輪轉(zhuǎn)速有一定的滯后性，滯后時(shí)間在600 ms內(nèi)，液壓系統(tǒng)穩(wěn)定。

(2)選定理論穴距分別為150、160、170、180 mm，作業(yè)速度分別為2、3、4、5 km/h，進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，理論穴距、作業(yè)速度均對(duì)穴距一致性變異系數(shù)影響顯著，其中理論穴距對(duì)穴距一致性影響最顯著，在穴距160 mm和4種作業(yè)速度下，穴距一致性變異系數(shù)均能保持較小值，說(shuō)明160 mm為最佳穴距，在此穴距下前進(jìn)速度3 km/h為最佳前進(jìn)速度。