水田旋耕机平地系统的设计范文

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《华中农业大学学报》2016年第四期

摘要

针对现有水田旋耕机在耕作时机械的倾斜和振动会导致耕整后的地表平整精度低、可控性差等问题，基于倾角传感控制技术设计一套与水田旋耕机相匹配的平地系统，通过液压控制和控制器控制相结合的方式实现平地系统的水平调节功能。田间试验结果表明：基于倾角传感技术，具有自动调节水平功能的水田旋耕机平地系统耕整平地性能稳定可靠。耕整后的平整度为2．20cm，高差分布为81．82％，相比水田旋耕机，平整度改善34．3％，高差分布提高19．4％，且能满足水稻种植的农艺要求。

关键词

水田旋耕机械；倾角传感器；液压控制；控制器；水平调节

在水稻的机械化生产中，耕整平地是一个重要环节［1］。耕整平地质量的好坏直接影响到水稻播种的效果、灌溉用水量以及水稻生产的其他后续环节的作业［2－6］。目前，国内的平地机械有传统平地和激光平地2种。传统的平地机具采用仿形平地原理，平整精度主要靠平地工作人员目测确定，难以达到农艺要求［7－9］。李明金［10］设计的水田打浆平地机采用上、下刮板组合成平地托板形式，能有效提高水田的平地作业。余水生［11］设计的水田高茬秸秆还田耕整机的平地装置采用弹簧支撑杆连接平地板，通过弹簧压力的作用完成平地作业，提高了秸秆还田后的田间平整度。陈鑫［12］研究的与11．0kW拖拉机配套的小型水田耕耙平地机，利用耕耙原理设计的组合式平地机具，能有效完成小田块平地作业。这些传统平地机具，在耕作时无法根据田间复杂的地形状况，对机具进行实时调整，平整精度有限。激光平地技术是利用激光设备构建的一套精确的调平系统，在国外已经得到了广泛应用［13］。我国也研制出了不少激光平地设备，主要有1PJ型、1PJY型、JPG型、PAC3型等几种型号。胡炼等［14］设计了三点悬挂式1PJ－4．0型水田激光平地机，对水田激光平地机的高程运动和水平运动性能进行了测试研究，通过调节平地铲对偏差信号的响应速度，能显著改善田面平整精度。苏焱等［15］设计的JGP－2500型激光平地机，采用液控伺服阀接收偏差电信号，提高液压系统对平地铲控制的稳定性，试验表明能有效提高田面平整精度。严乙桉等［16］设计的基于36．8kW轮式拖拉机的水田激光平地机，实现了水田激光平地机与大马力拖拉机的配套使用，通过液压系统与高程调节控制系统对平地铲的状态进行控制调节，试验结果能达到水田平整要求。韩豹［17］设计的1PJY－3．0型综合激光平地机可用于水田平整，采用圆盘耙组与平地铲相结合的方式，在激光调节系统的控制下完成平地作业，试验表明平地精度能达到农艺要求，且灌溉节水30％～45％。这些激光平地机以激光确定的基准平面对平地装置进行实时调节，耕整平地性能稳定，平地精度高［18－21］。以上研究表明，传统平地机械和激光平地机械都能提高田地耕整后的平整精度，传统平地机械造价便宜，生产方便，但平整精度有限；而激光平整精度虽然高，但是激光平地机械配套设备多且造价昂贵，不宜推广使用。在传统旋耕机上采用传感技术的平地系统的应用鲜有报道。本试验以1GMD－200型水田旋耕机为母机，设计一种基于ADXL345倾角传感技术控制、调节的平地系统，该平地系统可实现机电液一体化控制，并开展田间试验，为提高水田耕整作业的效率、改善耕整后的田面平整精度以及降低平地机具的生产成本提供参考。

一、总体结构和工作过程

水田旋耕机平地系统主要由旋耕机、平地装置、液压系统、控制器控制系统等组成（图1）。平地装置通过平行四连杆机构与水田旋耕机相连，其轴测图见图2。其中，平地板在2个液压缸的驱动下，分别能绕着x轴、y轴旋转。在控制器控制系统和液压系统的联合控制下，减小平地板的倾斜程度，实现平地装置在水平面内的水平调节。该平地系统由拖拉机动力输出轴通过万向联轴器将动力传送至旋耕机。在田间作业时，由于田间硬底层不平、机械振动过大等因素，使得平地板相对于水平面发生倾斜。平地板的倾斜状态由控制系统中的倾角传感器采集，并以数字信号的形式传输给控制器，由控制器对数字信号运算处理后，将输出的电信号传递给液压系统中的电磁阀，通过电磁阀的启闭来调节与平地板相连的液压缸，使得平地板在液压缸控制下，实现在水平面内的调节，从而保证机具在田间作业时，平地板始终保持在水平位置，整个平地过程实现了机电液一体化控制。

二、液压控制系统

2．1　液压系统设计和工作过程

该液压控制系统主要由液压缸、单向节流阀、三位四通电磁换向阀、液压泵、溢流阀、滤油器、油箱等组成。因此，为了保证液压泵的正常工作，采用12的链传动将旋耕机动力输入轴上的一部分动力传送给液压泵。该液压系统工作时，当三位四通电磁阀左端通电，齿轮泵出口的液压油流入液压缸左腔，液压缸右腔的液压油流回油箱，液压缸推杆伸出，平地板受到液压缸的推力作用；当三位四通电磁阀右端通电，齿轮泵出口的液压油流入液压缸右腔，左腔液压油流回油箱，液压缸推杆缩回，平地板受到液压缸的拉力；当三位四通电磁阀两端都断电时，系统保压，液压缸停止对平地板的调节；当系统压力超过规定压力时，溢流阀打开，系统压力下降，保护液压系统的压力不超过额定压力。表1描述了图3中液压系统的电磁铁通断对液压缸的控制，实现平地板在9种状态下的相应调节。

2．2　液压缸运动速度分析及调节

针对在液压缸对平地板进行调节时，会使平地系统在对平地板的控制出现波动大、不稳定、超调等现象。对该系统中液压缸运动的速度进行了分析。在液压系统工作稳定时，忽略液压缸进出油口的压力变化，根据式（1）和（2）分析可得，流入（流出）换向阀的流量Q与液压缸的伸缩位移量s近似成正比，单位时间液压缸的位移量即液压缸的运动速度v与流入液压缸的流量q成正比，而液压缸伸缩的快慢又影响对倾角调节的稳定性。因此，在液压系统中，将节流阀安装在换向阀的进油端，能降低液压系统流入液压缸的流量，降低了调节过程中液压缸的伸缩速度，提高液压控制系统对平地板倾角调节的准确性。通过对液压系统的调试，液压缸的伸缩速度能达到平地板准确控制的要求，未出现超调现象。

三、基于倾角传感器的控制系统设计

3．1控制系统的结构

设计的控制系统主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分由单片机、倾角模数转换采集模块、LCD显示模块、降压模块等组成。软件部分主要的功能是建立了控制器与倾角模数转换采集模块之间的I2C通信、倾角信号的采集和实时显示、运用控制算法对倾角信号的处理并完成电信号的输出等。控制系统能完成对信号的采集、处理和传输等过程，同时与液压控制系统中的电磁换向阀相匹配，实现平地板的控制、调平动作。水平控制系统的电路原理框图如图5所示，整个控制电路系统由拖拉机的蓄电池提供12V直流电，传感器能检测到平地板在水平位置的倾斜角度，由单片机对数据验算、处理后将倾角的数值在LCD上显示。在单片机控制器和继电器之间采用光耦隔离，防止在光耦前端的单片机受后端电磁阀开启和关闭时的信号干扰。在平地板倾角超过阀值M（M＝5°）时，单片机便会输出电信号控制电磁继电器动作，在电磁继电器接通后，相对应的电磁换向阀便会在12V的电压驱动下工作。

3．2倾角信号的处理算法

四、平地系统的试验

4．1　试验条件

4．2　数据测试方法

4．3　数据评价方法

4．4　数据处理和分析

五、讨论

本试验根据水田硬底层不平、旋耕机刀辊旋转时机器振动过大等因素造成旋耕机耕整作业后田面平整精度低的特点，基于传感技术设计了一种与水田旋耕机配套的机电液一体化自动控制的平地系统，实现了在耕整过程中对平地板的自动调节，使之始终处于水平位置。田间试验结果表明，水田旋耕机在试验后的平整度为3．35cm，高差分布为62．4％；基于传感技术的水田旋耕机平地系统在水田耕整试验后的平整度为2．20cm，高差分布为81．82％。水田旋耕机耕后田地不平整的主要原因是拖拉机在田间行进时的倾斜、振动，会带动旋耕机一起运动，而旋耕机的托板在田间作业时无法自动调节，使得耕整完后的田面起伏大，又由于硬底层不平，耕后部分区域出现落差大的现象。而采用本试验研制的基于传感技术的水田旋耕机平地系统，在田间试验时，通过控制系统对平地装置的倾斜状态进行检测、控制及调节，保证了平地装置的平稳性，降低了水田硬底不平、机器振动等因素的影响。根据试验结果分析可得，基于传感技术的水田旋耕机平地系统的平地效果明显优于水田旋耕机，且平地精度能满足水稻生产过程中的平地要求，能提高水稻机械化生产效率。与水田激光平地机相比，虽然平整精度没有水田激光平地机高，但平整精度也能达到水稻种植的要求，并且基于传感技术的水田旋耕机平地系统的优势在于能与旋耕机配套使用，减少对田地的耕整作业次数，造价便宜，配套设备少，操作方便简单，可以降低水稻机械化生产过程中的成本。这种基于倾角传感器的控制原理，调控平地装置的方法，不仅可以用于水田旋耕机上，还可为其他水田耕整机械的设计提供参考，以此来提高水田耕整机械在耕整田地之后的平整精度。另外，本试验在平地系统倾角调节过程中设置了一个阀值M，阀值的大小对系统调节效果有一定影响，后续还会改变阀值M的大小，结合田间试验结果进行进一步分析改进。

参考文献

［1］周建来，李源知，焦巧凤．国内外旋耕机的技术状况［J］．农机化

［2］李福祥，许迪，李益农．农田土地平整方法的组合应用及效果［J］．农业工程学报，2000，16（2）：50－53．

［3］李益农，许迪，李福祥．田面平整精度对畦灌性能和作物产量影响的试验研究［J］．水利学报，2000，31（12）：82－87．

［4］申庆双，孙涛，黄振德，郭巍．1GDP－180型水田打浆平地机的研究［J］．现代化农业，2010（11）：36－37．

［5］吴家安，张成亮，许春林，等．水田平地机的研制设计［J］．农业科技与装备，2014（6）：44－45．

［6］刘伟光，张印生，郭春雨．多功能碎土镇压器的设计［J］．现代化农业，2011（2）：38．

［7］李明金．水田搅浆机平地装置的设计与试验研究［D］．大庆：黑龙江八一农垦大学，2014．

［8］余水生．水田高茬秸秆还田耕整机的研制［D］．武汉：华中农业大学，2012．

作者：万松 陈子林 展鹏程 劳山峰 鲁梦琴 夏俊芳 张居敏单位:华中农业大学工学院