尤曉東 魏傳省 白偉 張旭

摘要：為提高免耕播種機(jī)的苗帶秸稈清理效果、減少清秸裝置的動(dòng)力浪費(fèi)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析探究了清秸裝置轉(zhuǎn)速與免耕播種機(jī)作業(yè)速度之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)彈齒式清秸裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)清秸裝置轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度的匹配。

關(guān)鍵詞：苗帶清理;彈齒清秸裝置;液壓驅(qū)動(dòng);轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：S223.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2022）01-0034-03

秸稈還田后地表存在大量秸稈，會(huì)導(dǎo)致播種質(zhì)量下降，因此提高苗帶秸稈的清理效果對(duì)保護(hù)性耕作有重要的意義。液壓驅(qū)動(dòng)彈齒式清秸裝置可以使彈齒清秸部件高速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)苗帶秸稈的清理，但清秸裝置的轉(zhuǎn)速過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力浪費(fèi)和土壤擾動(dòng)量過大;轉(zhuǎn)速過低時(shí)，秸稈清理效果不佳。探究清秸裝置轉(zhuǎn)速與免耕播種機(jī)作業(yè)速度之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，對(duì)提高免耕播種作業(yè)苗帶秸稈清理效果十分必要。

1 工作原理與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 從動(dòng)式清秸裝置工作原理

從動(dòng)式清秸裝置包括主機(jī)架、清秸機(jī)架、彈齒清秸裝置、破茬刀等，如圖1所示。

該清秸裝置通過軸承座安裝在免耕播種單體的正前方，沿拖拉機(jī)前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)。作業(yè)時(shí)清秸裝置通過秸稈摩擦力作用發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，通過彈齒的撥、彈作用，將秸稈清理至苗帶兩側(cè)。

從動(dòng)式清秸裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可以實(shí)現(xiàn)苗帶秸稈的清理。但當(dāng)清秸部件產(chǎn)生滑移時(shí)，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)速較低，從而影響苗帶秸稈的清理效果。

1.2 液壓驅(qū)動(dòng)式清秸裝置工作原理

液壓驅(qū)動(dòng)彈齒清秸裝置在從動(dòng)式清秸裝置的基礎(chǔ)上增加液壓驅(qū)動(dòng)及控制部分，由拖拉機(jī)后液壓輸出、液壓控制閥和液壓馬達(dá)為清秸裝置提供動(dòng)力。液壓馬達(dá)帶動(dòng)彈齒清秸部件高速轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)苗帶秸稈的清理，工作原理如圖2所示。

液壓驅(qū)動(dòng)彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角速度最小值應(yīng)與從動(dòng)式清秸裝置在秸稈摩擦力作用下的理論角速度相等，即：

ω≥ω0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中： ω—彈齒清秸裝置角速度，rad/s;ω0 —從動(dòng)式清秸裝置轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s。

1.3 清秸裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)從動(dòng)式彈齒清秸裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖3所示，清秸裝置的運(yùn)動(dòng)由x軸方向的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)和沿y軸負(fù)方向的滑移運(yùn)動(dòng)組合而成，滾動(dòng)速度和滑移速度是前進(jìn)速度v在x軸和y軸負(fù)方向的速度分量，即v為機(jī)具前進(jìn)速度，v1為彈齒清秸裝置的純滾動(dòng)速度，v2是彈齒清秸裝置的純滑移速度。

從動(dòng)式清秸裝置在秸稈摩擦力作用下的理論角速度為：

ω0 ==? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：v—免耕播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s;v1—從動(dòng)式清秸裝置理論滾動(dòng)速度，m/s;r—彈齒清秸裝置投影半徑，m;α—彈齒清秸裝置與機(jī)具前進(jìn)方向夾角，°。

根據(jù)轉(zhuǎn)速與角速度的關(guān)系可得彈齒清秸裝置的理論轉(zhuǎn)速為：

n==? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中： n—彈齒清秸裝置的理論轉(zhuǎn)速，r/min。

為保證良好的播種質(zhì)量，免耕播種作業(yè)時(shí)前進(jìn)速度應(yīng)控制在8 km/h左右，最大不超過10 km/h，最小不低于3 km/h。則可得免耕播種機(jī)前進(jìn)速度為8 km/h時(shí)的彈齒清秸裝置理論角速度為13.9 rad/s，理論轉(zhuǎn)速為132.8 r/min。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制器根據(jù)輪速傳感器采集到的機(jī)具前進(jìn)速度計(jì)算清秸裝置目標(biāo)轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器采集到的清秸裝置實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的差值調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖4所示。

轉(zhuǎn)速傳感器選用光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器將轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，控制器解析脈沖信號(hào)，根據(jù)公式4計(jì)算得到機(jī)具前進(jìn)速度：

v=πdf? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中： df—地輪直徑，m;pt—編碼器單位時(shí)間脈沖數(shù)，個(gè);np—編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，個(gè)。

2.2 控制器程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后，控制器采集輪速傳感器的脈沖數(shù)據(jù)用以計(jì)算機(jī)具前進(jìn)速度，根據(jù)公式（3）計(jì)算清秸裝置目標(biāo)轉(zhuǎn)速，采集編碼器脈沖數(shù)據(jù)用以計(jì)算清秸裝置實(shí)際轉(zhuǎn)速，并判斷實(shí)際轉(zhuǎn)速和目標(biāo)轉(zhuǎn)速是否相等。若不相等，則通過PID控制計(jì)算比例閥控制信號(hào)的輸出量，從而調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)清秸裝置轉(zhuǎn)速的控制。清秸裝置轉(zhuǎn)速控制的程序流程圖如圖5所示：

3 結(jié)論

介紹了從動(dòng)式和液壓驅(qū)動(dòng)式彈齒清秸裝置的工作原理，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到了清秸裝置理論轉(zhuǎn)速與車速之間的關(guān)系;設(shè)計(jì)了清秸裝置轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)彈齒清秸裝置轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度的匹配。

參考文獻(xiàn)

[1] 王慶杰，曹鑫鵬，王超，等.東北黑土地玉米免少耕播種技術(shù)與機(jī)具研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52（10）：1-15.

[2] 袁盼盼，李洪文，蔣貴菊，等.滴灌區(qū)寬窄行玉米免耕播種帶秸稈清理裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52（6）：43-52.BB7850AE-A12D-4AB7-9C32-3D4BB8697829

[3] 余海波. 免耕播種機(jī)凹面爪式清茬機(jī)構(gòu)仿真與試驗(yàn)[D].吉林：吉林大學(xué)，2017.

[4] 張素霞，楊向東.玉米機(jī)械化免耕播種基本原理與作業(yè)方法[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2019（10）：93.

Design of Rotating Speed Control System of Straw Cleaning Device?of Spring Finger Driven by Hydraulic

YOU Xiaodong1， WEI Chuansheng1， BAI Wei2， ZHANG Xu1*

（1. Liaoning Institute of Agricultural Mechanization， Shenyang 110161， China; 2. Institute of Crop Cultivation and Farming System， Liaoning Academy of Agricultural Sciences， Shenyang 110161， China）

Abstract： In order to improve the cleaning effect of the seedling belt of the no-tillage planter and reduce the power waste of the straw cleaning device， this paper uses kinematic analysis to explore the relationship between the speed of the straw cleaning device and the operating speed of the no-tillage planter， and design a hydraulically driven spring-tooth type the control system of the straw cleaning device.

Key words： straw cleaning device of spring finger; hydraulic drive; speed control system; seedling belt cleaningBB7850AE-A12D-4AB7-9C32-3D4BB8697829