李名偉,周 婧,白云龍,姜鑫銘,王增輝,黃東巖

(1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) a.信息技術(shù)學(xué)院;b.工程技術(shù)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118;2.東北師范大學(xué)人文學(xué)院 理工學(xué)院,長(zhǎng)春 130117;3.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130022)

0 引言

免耕覆蓋種植是一項(xiàng)先進(jìn)的耕作技術(shù),具有防止水土流失、抗早防澇、增加土壤有機(jī)質(zhì)、改善土壤結(jié)構(gòu)、延長(zhǎng)作物生長(zhǎng)時(shí)間,以及提高作物產(chǎn)量的作用,近年來(lái)在中國(guó)東北地區(qū)已得到大面積推廣[1]。在免耕覆蓋種植模式下進(jìn)行春播作業(yè)時(shí),由于地表覆蓋著大量被粉碎還田的秸稈殘留物,容易纏繞并堵塞開(kāi)溝和播種機(jī)構(gòu),嚴(yán)重影響播種作業(yè)質(zhì)量[2]。因此,高質(zhì)量的苗帶清秸作業(yè)是保障免耕覆蓋種植模式作業(yè)質(zhì)量的前提基礎(chǔ)。

目前,苗帶清秸裝置根據(jù)工作原理可分為驅(qū)動(dòng)式和被動(dòng)式兩類(lèi)[3]:驅(qū)動(dòng)式撥茬裝置多為旋轉(zhuǎn)式工作部件,可滿足免耕播種機(jī)在大量秸稈覆蓋地表進(jìn)行免耕播種要求,但由于其作業(yè)方式使得土壤擾動(dòng)率大、功率消耗多,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高[4-5],未得到廣泛應(yīng)用;被動(dòng)式撥茬裝置由于具有土壤擾動(dòng)小、保墑效果好及作業(yè)阻力低等優(yōu)點(diǎn)[6]得到了廣泛研究和應(yīng)用。Fallahi S和Raoufat M.H.[7]等人,設(shè)計(jì)了帶有尖齒的輪式行清秸裝置,由2個(gè)嚙合的輪盤(pán)組成,用于將秸稈橫向推移。試驗(yàn)結(jié)果表明:行清秸裝置有助于保持種植深度和種子分布的一致性,可顯著提高植物的出苗率,同時(shí)得出增大作業(yè)速度有利于提高苗帶清秸率的結(jié)論。林靜等[8]設(shè)計(jì)了一種具有阿基米德螺旋線刃口的滾動(dòng)圓盤(pán)式清秸裝置,能夠有效清理播種行內(nèi)殘留物,為播種單體提供較好的工作環(huán)境。上述研究主要是針對(duì)清秸裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)于因地表起伏和秸稈覆蓋不均時(shí)所造成的秸稈清潔率低和工作幅寬穩(wěn)定性差的問(wèn)題,并沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的研究。

針對(duì)目前被動(dòng)式普通平面圓盤(pán)式撥茬機(jī)構(gòu)在秸稈覆蓋地作業(yè)時(shí)存在的問(wèn)題,在原有撥茬機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加了氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)和壓力傳感器,設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)撥茬機(jī)構(gòu)在不同秸稈覆蓋或地表起伏時(shí)的壓力變化,根據(jù)此變化調(diào)節(jié)氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)給撥茬機(jī)構(gòu)提供相應(yīng)的下壓力,確保撥茬機(jī)構(gòu)工作幅寬的一致性,從而為播種單體清理出一條清潔穩(wěn)定的條帶播種區(qū)域。

1 系統(tǒng)工作原理及總體結(jié)構(gòu)

免耕播種機(jī)的播種帶清秸裝置安裝在其播種單體的正前方,撥茬機(jī)構(gòu)是其主要工作部件。在實(shí)際田間作業(yè)時(shí),撥茬機(jī)構(gòu)的輪指插入粉碎秸稈及殘茬層并與恒定深度的土壤層接觸,在機(jī)具的拉力與土壤的反作用力形成的力偶下繞定軸被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)將粉碎秸稈及殘茬進(jìn)行撥動(dòng)和側(cè)向推移拋擲的作用,為播種單體清理出一條清潔的條帶播種區(qū)域,如圖1所示。

1.播種單體總成 2.自適應(yīng)撥茬系統(tǒng) 3.撥茬機(jī)構(gòu)

氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行部件是空氣彈簧,作用是為撥茬機(jī)構(gòu)提供附加下壓力,從而確保工作幅寬的一致性。S型壓力傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)撥茬機(jī)構(gòu)在秸稈覆蓋不同或地表起伏時(shí)壓力的變化,是自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)的信號(hào)輸入部件,它們通過(guò)連接件相連接,兩端通過(guò)鉸接的方式安裝在如圖2所示1的位置,與豎直方向成45°的夾角。

1.深度調(diào)節(jié)裝置 2.撥茬機(jī)構(gòu)

自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)主要由S型壓力傳感器、控制器、電-氣比例閥、空氣彈簧、空氣壓縮機(jī)和氣罐等部分組成,如圖3所示。相應(yīng)的實(shí)物圖如圖4所示。系統(tǒng)作業(yè)前,通過(guò)設(shè)定限深調(diào)節(jié)盤(pán)給撥茬機(jī)構(gòu)一個(gè)初始的工作幅寬,同時(shí)設(shè)置氣壓傳動(dòng)系統(tǒng),使空氣彈簧為撥茬機(jī)構(gòu)提供附加下壓力,從而使撥茬機(jī)構(gòu)在重力和下壓力的作用下達(dá)到預(yù)設(shè)的工作幅寬。作業(yè)時(shí),由于土壤堅(jiān)實(shí)度和秸稈殘留物覆蓋的不同,導(dǎo)致?lián)懿鐧C(jī)構(gòu)的工作幅寬不一致,S型壓力傳感器的輸出壓力因撥茬機(jī)構(gòu)的起伏而改變,可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)S型壓力傳感器的壓力值來(lái)檢測(cè)撥茬機(jī)構(gòu)的作業(yè)深度。當(dāng)入土深度小于(或大于)預(yù)設(shè)值時(shí),控制器根據(jù)當(dāng)前傳感器輸出信號(hào)值和預(yù)設(shè)深度值之間的差值,計(jì)算輸出調(diào)控信號(hào),使其作用于電-氣比例閥,從而增大(或減小)空氣彈簧的氣壓,增加(或減小)撥茬機(jī)構(gòu)的下壓力,使其達(dá)到預(yù)設(shè)作業(yè)深度,從而保證苗帶幅寬的一致性。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.儲(chǔ)氣罐 2.繼電器 3.控制器 4.空氣壓縮機(jī) 5.S型壓力傳感器

2 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

2.1 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空氣彈簧、電-氣比例閥、過(guò)濾器、放氣閥、儲(chǔ)氣罐和空氣壓縮機(jī)共同組成了氣壓傳動(dòng)系統(tǒng),如圖5所示?？諝鈮嚎s機(jī)可以將空氣進(jìn)行壓縮,并將壓縮的氣體存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐中,這是整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的氣體來(lái)源。儲(chǔ)氣罐的容積有限,當(dāng)其中的氣體將要達(dá)到儲(chǔ)氣罐容量時(shí),必需使空氣壓縮機(jī)停止工作。因此,采用了氣壓傳感器和繼電器模塊,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制儲(chǔ)氣罐氣壓,使其在正常的存儲(chǔ)范圍內(nèi)。為了避免田間作業(yè)時(shí),含有粉塵和雜質(zhì)小顆粒的氣體對(duì)電-氣比例閥的影響,在儲(chǔ)氣罐和電-氣比例閥之間增加了空氣過(guò)濾器。電-氣比例閥可以根據(jù)控制信號(hào)的大小相應(yīng)地輸出氣壓力,控制空氣彈簧產(chǎn)生的推力,從而保證撥茬機(jī)構(gòu)工作幅寬的穩(wěn)定,進(jìn)而達(dá)到苗帶清秸幅寬一致的目的。

1.空氣彈簧 2.電-氣比例閥 3.過(guò)濾器 4.放氣閥

2.2 氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試

為檢測(cè)氣動(dòng)系統(tǒng)輸出壓力的范圍,設(shè)計(jì)了壓力測(cè)試試驗(yàn),如圖6所示?？諝鈴椈砂惭b在2個(gè)帶有彈簧的固定支架中,氣動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力可以直接轉(zhuǎn)換成彈簧的形變,根據(jù)胡克定律,可以直接計(jì)算出氣動(dòng)系統(tǒng)輸出壓力的大小;采用數(shù)據(jù)采集卡和位移傳感器記錄彈簧的位移和系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

1.空氣彈簧 2.支架 3.數(shù)據(jù)采集卡 4.位移傳感器

通過(guò)按鍵模塊使單片機(jī)的DAC端口輸出最大的模擬值,再以此控制電-氣比例閥,使其瞬間輸出最大的氣壓值,即給電-氣比例閥提供一個(gè)階躍信號(hào),記錄空氣彈簧從空到充滿時(shí)位移傳感器的響應(yīng)狀況。圖7為試驗(yàn)過(guò)程中記錄的位移-時(shí)間響應(yīng)曲線。從圖7可以看出:位移傳感器的位移變化了40.3mm,響應(yīng)時(shí)間為0.48s,支架彈簧彈性系數(shù)k為64kn/m,根據(jù)胡克定律F=kx,可以得出氣動(dòng)系統(tǒng)的推力范圍為0～2 579.2N?？諝鈴椈僧a(chǎn)生的力為FN,可以分解為水平和豎直方向兩個(gè)分力,撥茬機(jī)構(gòu)需要的下壓力由垂直分力F提供,其可由式(1)予以計(jì)算,即

F=FN·cosθ

(1)

進(jìn)而可以算出輸出到撥茬機(jī)構(gòu)的下壓力可調(diào)范圍為0～1 824N,滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

圖7 空氣彈簧響應(yīng)曲線

3 幅寬自適應(yīng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中,采用了STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的核心控制器。該芯片采用ARM V7架構(gòu)的Cortex-90M3內(nèi)核,內(nèi)部集成了3個(gè)12位的ADC模塊(模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器)和1個(gè)12位的DAC模塊(數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器),高達(dá)72MHz的運(yùn)行頻率,完全滿足設(shè)計(jì)的需求。系統(tǒng)的主要硬件電路如圖8所示。

圖8中,U1為核心控制器芯片STM32F103ZET6;標(biāo)號(hào)P7采用的是型號(hào)為MIK-LCS1的S型壓力傳感器,其信號(hào)輸出端S+和S-通過(guò)P6變送放大器后,與單片機(jī)的ADC輸入引腳PA1相連接;P4為DP-101型氣壓傳感器,用于檢測(cè)儲(chǔ)氣罐的氣壓,如果氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)氣壓值時(shí),則在其控制引腳產(chǎn)生一個(gè)高電平的中斷信號(hào),此信號(hào)經(jīng)電阻分壓后與單片機(jī)的中斷接收引腳PA6相連,此時(shí)單片機(jī)接收到中斷指令,控制空氣壓縮機(jī)停止運(yùn)作;繼電器K1、電阻R5、R6、三極管Q1及二極管D2共同組成了空氣壓縮機(jī)的控制電路。當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)氣壓小于設(shè)定氣壓值時(shí),氣壓傳感器的控制引腳輸出一個(gè)低電平的信號(hào),此時(shí)單片機(jī)控制PA7引腳輸出高電平,使固態(tài)繼電器K1閉合,進(jìn)而使得空氣壓縮機(jī)工作,為儲(chǔ)氣罐充氣。PA4為單片機(jī)的DAC輸出引腳,經(jīng)運(yùn)算放大器LM358的放大后,變成0～5V的模擬電壓,再經(jīng)過(guò)電壓線性放大器P1的放大,最終變成可以被電-氣比例閥P2直接應(yīng)用的輸入信號(hào),用于調(diào)節(jié)空氣彈簧的氣壓大小。電-氣比例閥的具體型號(hào)為ITV305-322L。KEY0～KEY3為按鍵模塊,用于輸入撥茬機(jī)構(gòu)的幅寬和控制精度,TFT-LCD顯示模塊則用于作業(yè)信息的實(shí)時(shí)顯示。

圖8 系統(tǒng)硬件原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程圖,如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件工作流程

系統(tǒng)工作前,采用數(shù)組形式存儲(chǔ)清秸裝置工作幅寬與S型壓力傳感器輸出檢測(cè)值之間的轉(zhuǎn)換參數(shù),通過(guò)按鍵模塊設(shè)置系統(tǒng)的工作幅寬和作業(yè)精度;然后,STM32單片機(jī)讀取S型壓力傳感器輸出信號(hào)值,并根據(jù)存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)換參數(shù)將其換算成對(duì)應(yīng)的幅寬值Br,此時(shí)的幅寬值Br即為實(shí)時(shí)檢測(cè)幅寬。如果實(shí)時(shí)檢測(cè)幅寬Br大于設(shè)定的工作幅寬閾值B0(設(shè)定的工作幅寬±作業(yè)精度),則STM32單片機(jī)將計(jì)算出對(duì)應(yīng)的差值△B(△B=Br-B0),據(jù)此控制電氣比例閥減少氣壓輸出,使空氣彈簧對(duì)地面的下壓力減少,從而使清秸裝置回到設(shè)定的工作幅寬;反之,如果Br小于B0,則STM32單片機(jī)根據(jù)二者差值△B(△B=B0-Br),相應(yīng)的增加空氣彈簧的氣壓值,以保持清秸裝置按設(shè)定幅寬進(jìn)行作業(yè)。同時(shí),相關(guān)信息(如設(shè)定幅寬B0、檢測(cè)幅寬Br等)將在液晶顯示屏上予以顯示。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

2018年10月,在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行了秋季試驗(yàn),試驗(yàn)期間日平均氣溫為14℃,無(wú)降雨。試驗(yàn)地為全量秸稈粉碎還田的玉米秸稈,粉碎秸稈長(zhǎng)度為8～12cm。自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)安裝在免耕播種機(jī)的撥茬機(jī)構(gòu)上,由John Deere 504型拖拉機(jī)提供牽引力。試驗(yàn)時(shí),將安裝了自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)的撥茬機(jī)構(gòu)與普通撥茬機(jī)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),將撥茬機(jī)構(gòu)的入土深度均調(diào)整為20mm,機(jī)具的作業(yè)速度分別為6、7、8km/h;每組試驗(yàn)的作業(yè)長(zhǎng)度為50m,包括兩端預(yù)留的10m調(diào)整區(qū)和中間穩(wěn)定工作的30m數(shù)據(jù)采集區(qū)。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)的確定

4.2.1 工作幅寬

每次試驗(yàn)結(jié)束后,使用鋼板尺對(duì)測(cè)點(diǎn)的工作幅寬進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量穩(wěn)定工作區(qū)內(nèi)間隔2m連續(xù)選取10個(gè)測(cè)點(diǎn),記錄工作幅寬的數(shù)據(jù)并將計(jì)算的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)重復(fù)3次。

4.2.2 幅寬變異系數(shù)

將每組試驗(yàn)后記錄的工作幅寬值帶入式(2)中,計(jì)算出系統(tǒng)的工作幅寬變異系數(shù)ε,即

(2)

式中ε—工作幅寬變異系數(shù)(%);

li—第i個(gè)測(cè)量的工作幅寬(mm);

n—測(cè)量工作幅寬的數(shù)量。

4.2.3 苗帶清潔率

試驗(yàn)前,在將要試驗(yàn)的20m數(shù)據(jù)采集區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)3m×0.65m的測(cè)試小區(qū),收集小區(qū)內(nèi)的秸稈并稱(chēng)取質(zhì)量,得到試驗(yàn)前秸稈殘留物的單位質(zhì)量為W。

每組試驗(yàn)后,分別收集3個(gè)測(cè)試小區(qū)內(nèi)秸稈殘留物,小區(qū)長(zhǎng)度為3m,寬度為實(shí)際苗帶清潔的寬度,被清理的苗帶內(nèi)秸稈殘留物單位質(zhì)量為W1。

因此,苗帶清秸率C為

(3)

式中C—苗帶清秸效率(%);

W—試驗(yàn)前田間秸稈殘留物單位質(zhì)量(kg);

W1—被清理的苗帶內(nèi)秸稈殘留物單位質(zhì)量(kg)。

4.3 田間試驗(yàn)結(jié)果與分析

撥茬機(jī)構(gòu)和自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)作業(yè)后地表情況如圖10所示。其中,A1為在撥茬機(jī)構(gòu)上安裝了自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)的苗帶清理情況,B1為普通撥茬機(jī)構(gòu)在田間的作業(yè)情況。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖10 田間作業(yè)后地表情況

田間試驗(yàn)表明:自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的作業(yè)速度要求,在6、7、8km/h3種不同的作業(yè)速度下,安裝了自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)的撥茬機(jī)構(gòu)幅寬變異系數(shù)分別為9.5%,8.7%和8.6%,比普通撥茬機(jī)構(gòu)的變異系數(shù)降低了7.0%、8.9%和9.7%,其工作幅寬穩(wěn)定性上明顯高于普通的撥茬機(jī)構(gòu)。從苗帶清秸率可以看出:在6、7、8km/h3種不同的作業(yè)速度下,自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)使撥茬機(jī)構(gòu)的苗帶清秸率分別提高了12.0%、13.4%、14.8%,且當(dāng)前進(jìn)速度增大時(shí),苗帶清秸率隨之提高。當(dāng)前進(jìn)速度由6km/h增加到7km/h時(shí),苗帶清秸率提高了2.2%;當(dāng)前進(jìn)速度由7km/h增加到8km/h時(shí),苗帶清秸率提高了2.5%。因此,自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)使撥茬機(jī)構(gòu)的作業(yè)過(guò)程更加高效和穩(wěn)定,可以為播種單體清理出一條清潔且穩(wěn)定的條帶播種區(qū)域。

表1 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一套自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用S型壓力傳感器作為撥茬機(jī)構(gòu)的對(duì)地壓力檢測(cè)元件,并根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)變化,控制氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)空氣彈簧對(duì)撥茬機(jī)構(gòu)的下壓力,提高了撥茬機(jī)構(gòu)工作幅寬的穩(wěn)定性。

2)田間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示:在播種速度為6、7、8km/h時(shí),自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)使撥茬機(jī)構(gòu)的工作幅寬變異系數(shù)分別減小了7.0%、8.9%和9.7%,清秸率分別提高了12.0%、13.4%、14.8%。由此可知:安裝了自適應(yīng)撥茬系統(tǒng)的撥茬機(jī)構(gòu)在工作幅寬穩(wěn)定性和清秸率上均優(yōu)于普通撥茬機(jī)構(gòu),能夠滿足農(nóng)藝設(shè)計(jì)要求,可為播種單體清理出一條清潔且幅寬穩(wěn)定的條帶播種區(qū)域。