河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 吳紅雷 弋景剛 袁永偉 崔保健 楊淑華

引言

國土資源部在“十一五”科技計劃中，把低成本土地平整設(shè)備系統(tǒng)的開發(fā)作為工作的重點之一。同時，“全國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展第十二個五年規(guī)劃”提出大力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，建設(shè)連棟溫室、日光溫室、鋼架大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施，提高農(nóng)產(chǎn)品均衡供應(yīng)能力。目前，中國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展已具規(guī)模，但生產(chǎn)水平總體上還處于初級發(fā)展階段。設(shè)施農(nóng)業(yè)機械主要借鑒于以內(nèi)燃機為動力的大田機械，這些機械外形尺寸及結(jié)構(gòu)重量大、操作不靈活、污染環(huán)境。相比之下，國外如日本、韓國和美國等對溫室中作業(yè)機具進(jìn)行了開發(fā)、研究、推廣和應(yīng)用，許多作業(yè)項目如耕整地、播種、間苗、中耕和除草等都已實現(xiàn)了機械化[1-2]，而進(jìn)口產(chǎn)品價格高、維護不便、適應(yīng)性差。設(shè)施農(nóng)業(yè)機械技術(shù)水平己經(jīng)制約了該產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

針對以上問題和設(shè)施農(nóng)業(yè)地表的農(nóng)藝要求，本文研究設(shè)計了一種設(shè)施農(nóng)業(yè)激光測控電動旋平機[3-5]，該設(shè)備不僅能旋松耕作土層，而且能精確平整設(shè)施地表，節(jié)能環(huán)保，旋平深度與旋平精度實時可控，可提升我國精準(zhǔn)農(nóng)田作業(yè)自動化設(shè)備水平，改善設(shè)施機械化程度，促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，提高資源利用率。

1 整機結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

1.1 整機結(jié)構(gòu)

設(shè)施農(nóng)業(yè)激光測控電動旋平機主要由電驅(qū)動橋升降系統(tǒng)、旋耕組件、激光精平系統(tǒng)、動力電池組和機架等組成，激光測控電動旋平機結(jié)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 設(shè)施農(nóng)業(yè)激光測控電動旋平機結(jié)構(gòu)模型

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)實際調(diào)研北方現(xiàn)有溫室大棚結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)施農(nóng)業(yè)對旋耕作業(yè)的具體農(nóng)藝要求，綜合考慮其它部件參數(shù)確定了激光測控電動旋平機的主要技術(shù)性能參數(shù)，見表1。

2 工作原理

按照北方溫室的土壤特性及旋耕作業(yè)的具體農(nóng)藝要求，本設(shè)計以鉛酸蓄電池為動力源，經(jīng)過行走與旋耕速度、旋耕深度的理論推導(dǎo)與試驗驗證，最終確定了合理的行走與旋耕參數(shù)。采用行走與旋耕雙動力驅(qū)動，選用電驅(qū)動一體橋經(jīng)升降搖臂與電推桿連接組成電驅(qū)動橋升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)旋耕深度的實時控制；并配備激光測控掃平系統(tǒng)，激光接收器與平刀板固定連接，激光接收器接收激光發(fā)射器掃描的基準(zhǔn)平面信號在其高度上的變化控制精平刀升降電推桿的伸縮，以實現(xiàn)精平刀的實時精確控制，從而達(dá)到旋耕精平一次完成的目的。

表1 主要技術(shù)性能參數(shù)

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計與選擇

3.1 扭桿調(diào)平機構(gòu)

精平刀雙扭桿調(diào)平機構(gòu)如圖2 所示，主要包括雙彈性扭桿組件、轉(zhuǎn)軸組件、精平刀和兩個電推桿。精平刀處于工作位置時，在兩個電推桿同時伸縮的情況下，實現(xiàn)精平刀同升同降；在兩個電推桿獨立伸縮的情況下，利用雙彈性扭桿扭轉(zhuǎn)變形的特性，實現(xiàn)精平刀傾斜升降調(diào)節(jié)，從而保證精平刀實時與激光發(fā)射器掃描的基準(zhǔn)平面平行，進(jìn)而實現(xiàn)精平刀刃在作業(yè)過程中嚴(yán)格按照設(shè)定的作業(yè)面對地表進(jìn)行平整的目的。

3.2 激光測控掃平系統(tǒng)

激光測控掃平系統(tǒng)包括LS523 型激光掃平儀、激光接收器、SCA116T-10-232 數(shù)字輸出型傾角傳感器、FX2N-48MT-D 型PLC 控制器及相關(guān)組件。將激光掃平儀產(chǎn)生的高精度激光平面作為精平機的作業(yè)基準(zhǔn)平面，通過激光接收器全方位接收激光掃平儀發(fā)射出的激光信號，經(jīng)光伏效應(yīng)后，判斷精平刀兩端安裝的激光接收器中位偏離基準(zhǔn)平面的距離，并將位置數(shù)據(jù)快速反饋到控制器進(jìn)行運算處理。與此同時，控制器控制中間繼電器的通斷電，使相應(yīng)的左右精平刀升降電推桿按要求動作，使精平刀的刀刃與設(shè)定的作業(yè)平面相一致。

4 結(jié)論

4.1 按照北方溫室的土壤特性，針對目前設(shè)施農(nóng)業(yè)機械多以內(nèi)燃機為動力，污染嚴(yán)重、一次旋耕、人工摟平、效率低等問題，設(shè)計搭建了一種集旋耕和精平于一身的設(shè)施農(nóng)業(yè)激光測控電動旋平機。

4.2 在保證旋耕作業(yè)具體農(nóng)藝要求的前提下，為滿足旋耕深度可調(diào)要求，采用電驅(qū)動一體橋技術(shù)，設(shè)計了以電推桿為動力的電驅(qū)動橋升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到不同種植條件、不同耕深的實時控制。

4.3 設(shè)計了精平刀雙彈性扭桿獨立調(diào)平系統(tǒng)，在激光測控掃平系統(tǒng)的控制下，可實現(xiàn)精平刀同升、同降、傾斜升降調(diào)節(jié)，保證精平刀實時與激光發(fā)射器掃描的基準(zhǔn)平面平行，進(jìn)而實現(xiàn)刮刀切削刃在作業(yè)過程中嚴(yán)格按照設(shè)定的作業(yè)面對地表進(jìn)行平整的目的。

[1] 農(nóng)業(yè)部. 全國農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展第十二個五年規(guī)劃[EB/OL] .[2012 一08 一31 ].www. moa. gov. cn / ztzl /shi-erwu/.

[2]喬學(xué)明,謝韻清,孫曉靜.設(shè)施農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題與對策[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2010,02：4-5.

[3]吳紅雷,弋景剛,崔保健等.一種設(shè)施農(nóng)業(yè)激光測控電動旋平機：中國，ZL201520244331.x[P].2014-07-06.

[4]孔德剛.大型農(nóng)田激光測控精平機的研制[D].河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

[5]高輝松,朱思洪,史俊龍,楊井華,徐筱祿,常亞磊,陳勇.溫室大棚用電動微耕機研制[J].機械設(shè)計,2012,11：83-87.