付曉明，王澤東，趙越，張博

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學電氣與信息學院）

水稻是我國主要糧食作為之一，為提高水稻種植工作效率，其機械化種植技術(shù)已經(jīng)逐漸取代人工插秧，基本實現(xiàn)了水稻全程機械化的作業(yè)水平[1-2]。但將秧苗從田間地頭向插秧機作業(yè)位置運輸仍主要依靠人工搬運方式為主[3]，不僅浪費大量時間、降低插秧作業(yè)效率，也增加了勞動強度和作業(yè)成本[4-5]。目前水稻秧苗田間運輸技術(shù)相關(guān)研究逐漸被國內(nèi)外學者和相關(guān)研究人員廣泛關(guān)注[6-8]。國外秧苗的運輸主要包括兩個方面，對于歐美大部分國家以水稻直播栽培技術(shù)為主，主要采用輪式車輛將稻種從倉儲位置向田間運輸?shù)姆绞揭詽M足直播需求，其運輸便捷、人力成本較低[9-10]；對于水稻移栽技術(shù)發(fā)展較成熟的日、韓等國家，其為解決秧苗運輸問題，一方面通過長氈技術(shù)育插秧，使秧苗卷后體積減小到傳統(tǒng)土壤苗床培育的20%，以便于運輸[11]；另一方面通過合理規(guī)劃與農(nóng)田連接的田間運輸?shù)缆罚瑢崿F(xiàn)育秧棚到插秧機作業(yè)位置的最優(yōu)銜接，以提高作業(yè)效率、降低人工搬運秧苗的運輸成本[12-13]。而我國水稻種植規(guī)模較大，田間環(huán)境復雜，采用田間規(guī)劃的方法難以滿足實際秧苗運輸需求。2014 年，傅克斌等[14]對秧苗從大棚到本田的運輸問題進行研究并建立了優(yōu)化模型，利用遺傳算法求得秧苗從大棚到本田的最優(yōu)運輸方案。2016 年，申屠留芳、鞏尊國等[15-17]為解決田間向插秧機運輸秧苗的問題，設(shè)計了柴油機驅(qū)動的水田輪式秧苗運輸機，實現(xiàn)了水稻秧苗的田間機械化運輸。但行走輪會對水田泥漿和田埂造成一定程度的損害，影響插秧作業(yè)。

綜上所述，目前無論利用輪式、履帶式運苗車或是規(guī)劃運輸路徑方法都難以滿足秧苗田間運輸要求。因此，研究提出一種基于遠程控制的軌道式田間秧苗運輸車，通過在水稻田埂上布置運輸軌道，采用基于遠程無線通訊模塊的PLC 控制方法，利用蓄電池和直流伺服電機為運輸車提供動力，實現(xiàn)秧苗從田間地頭向插秧機作業(yè)位置的運輸，滿足秧苗向插秧機及時補給的需求，提高作業(yè)效率。同時也避免傳統(tǒng)機械運輸方式對水田的破壞與燃油動力對環(huán)境污染等問題。

1 總體設(shè)計與工作原理

為了滿足水田田間運輸秧苗的要求，單次運輸可滿足插秧機工作時最大裝載量的需求，結(jié)合水田工作環(huán)境、各水田區(qū)塊間作業(yè)的實際情況，因此采用軌道運輸?shù)姆绞?。通過在田埂上鋪設(shè)運輸軌道，由牽引車提供動力，牽引秧苗裝載車組運輸秧苗，從而實現(xiàn)從田間起始點到水田各區(qū)塊間的秧苗運輸作業(yè)。秧苗運輸車總體主要由運苗牽引車、秧苗裝載車和運輸軌道三部分組成（如圖1 所示）。

圖1 秧苗運輸車總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of seedling transporter

其中運苗牽引車的具體機械結(jié)構(gòu)如圖2 所示。主要包括車體機架、行走輪、輪軸、PLC 控制器、AB433 無線通訊模塊、車載控制臺、伺服器驅(qū)動器、直流伺服電機、蓄電池組、減速器、前橋總成、前后牽引裝置等部分組成。

工作原理：考慮到操作安全性和實際運苗需求，運苗牽引車具有車載手動操作和遠程無線操作兩種控制方式，牽引車工作時具有前進、后退和停止三種工作狀態(tài)。當需要田間運輸秧苗時，提前在田間裝苗起始點到田埂上鋪設(shè)運輸導軌，牽引車置于運輸導軌上，牽引車與運苗車由牽引裝置連接，可牽引多組運苗裝載車，將需要運輸?shù)难砻缰糜谶\苗裝載車上。啟動車載主控開關(guān)，操作人員控制遙控器前進按鈕發(fā)出控制信號，牽引車無線接收模塊接收控制信號，PLC 控制器接收信號并發(fā)出控制指令到伺服驅(qū)動器，伺服電機正向旋轉(zhuǎn)并通過減速器和差速器控制驅(qū)動輪前進。當牽引車到達指定位置后，遙控器發(fā)出停止信號，牽引車停止，可進行秧苗卸載作業(yè)。當一次秧苗卸載結(jié)束后，控制遙控器發(fā)出返回控制指令，伺服電機反向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動牽引車倒退行進返回至田間裝苗起始點，完成一次運苗作業(yè)。

圖2 運苗牽引車主體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The main structure of the seedling tractor

主要技術(shù)參數(shù)：牽引車采用前輪驅(qū)動的雙輪驅(qū)動方式，為保證運輸?shù)陌踩誀恳囋O(shè)計最大行走速度為1 m·s-1；牽引車最大載重量為400 kg、輪距240 mm、軸距360 mm；最小離地間隙110 mm。

2 動力系統(tǒng)選擇

由于采用燃油發(fā)動機作為動力系統(tǒng)，存在質(zhì)量和體積較大，牽引車搭載燃油發(fā)動機易破壞田埂，不利于在田埂軌道運輸，同時會對環(huán)境造成污染。為了達到控制牽引車的要求，解決田間難以架設(shè)輸電線路的困難，因此選用48 V 蓄電池組提供電力，選用直流伺服電機作為動力來源。

根據(jù)總體設(shè)計參數(shù)，由《機械設(shè)計手冊》查得[18]，表面淬火圓柱車輪與鋼軌摩擦系數(shù)k=0.05。

其中：k為摩擦系數(shù)，N為車輪對軌道正壓力，R為車輪半徑

根據(jù)滾動摩擦力計算公式（1）確定牽引車滿載所需最大牽引力。

其中：M為車輪扭矩，n為車輪轉(zhuǎn)速

根據(jù)功率計算公式（2）確定牽引車所需的有效功率為1.95 kW。

從電機到車輪之間傳動包括：彈性聯(lián)軸器、閉式蝸輪蝸桿傳動、閉式圓錐齒輪傳動、滾動軸承。計算傳動裝置得總效率η=0.75

將式（2）帶入式（3）得，求得伺服電機所需功率為2.6 kW。因此，選用130M-14520C5E 型直流伺服電機，主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 伺服電機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of servo motor

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)田間作業(yè)要求，牽引車控制系統(tǒng)應具備遠程無線控制和車載手動控制功能。為此選用艾寶測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的AB433E 無線終端作為控制信號輸入。該控制器遙控信號發(fā)射器和接收器組成。接收機放置在牽引車控制箱中。接收器輸出的遙控信號為繼電器開關(guān)信號，接入24 V 電源，作為PLC控制器的輸入控制信號。

圖3 PLC 控制電路Fig.3 PLC control circuit

PLC 控制電路如圖3 所示，由于利用PLC 實現(xiàn)系統(tǒng)控制方便、體積小、抗干擾性和可靠性較高，研究選用西門子S7-200（CPU 221）可編程控制器。開關(guān)SB1 為遙控和手動切換控制開關(guān)，SB2、SB3、SB4分別為無線接收器輸出的牽引車前進（伺服電機正轉(zhuǎn)）、后退（伺服電機反轉(zhuǎn)）和停止（伺服電機停轉(zhuǎn)）開關(guān)量輸入信號。SB5、SB6、SB7、SB8 分別為車載手動控制牽引車前進、后退、停止和急停開關(guān)量輸入信號。PLC 接收控制信號后通過輸出接口向伺服驅(qū)動器發(fā)出控制信號，驅(qū)動伺服電機執(zhí)行不同工作狀態(tài)。

4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

牽引車需要伺服電機為自身行走和秧苗裝載車牽引提供動力，并且要考慮秧苗運輸?shù)男旭偹俣?、牽引力以及牽引車的體積和結(jié)構(gòu)緊湊性的要求，因此需要傳動系統(tǒng)改變電機輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向和速度。伺服電機輸出軸與蝸輪蝸桿減速器輸入軸連接，蝸輪蝸桿減速器輸出軸通過彈性聯(lián)軸器與錐齒輪減速器連接，驅(qū)動前橋差速器（如圖4 所示）工作，從而實現(xiàn)雙驅(qū)動輪運轉(zhuǎn)，整機的轉(zhuǎn)動方案如圖5 所示。

圖4 前橋總成Fig.4 Front axle assembly

圖5 牽引車傳動系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the tractor drive system

根據(jù)電機轉(zhuǎn)速、車輪直徑和牽引車設(shè)計行駛速度確定總傳動比為：i=21。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》推薦傳動比，初選渦輪蝸桿傳動比為i1=9.5。

根據(jù)傳動比計算公式（4）確定錐齒輪傳動比i=2.2

4.1 渦輪蝸桿傳動

根據(jù)轉(zhuǎn)速和傳動功率，蝸桿采用45 鋼表面淬火，硬度為>45HRC，渦輪采用ZCuSn10P1 鑄造。根據(jù)齒面接觸疲勞強度計算公式（5）進行設(shè)計，再校核齒根彎曲疲勞強度。

根據(jù)設(shè)計要求和分配傳動比，按z1=4，取效率η=0.9，計算渦輪扭矩T2，并確定載荷系數(shù)K、彈性影響系數(shù)ZE，接觸系數(shù)Zρ、許用接觸應力[σH]。

經(jīng)計算，取中心距80 mm，m=3.15，蝸桿分度圓直徑d1=35.5 mm，d1/a=0.44，根據(jù)圓柱蝸桿傳動接觸系數(shù)Z（ρ如圖6）Zρ′=2.7

圖6 圓柱蝸桿傳動接觸系數(shù)Fig.6 Contact coefficient cylindrical worm drive

根據(jù)彎曲疲勞強度公式（6），校核齒根彎曲疲勞強度。根據(jù)ZCuSn1P1 材料渦輪應力[σF]′=56MPa和壽命系數(shù)KFN，計算[σF]=KFN[σF]′=32.055。根據(jù)公式（6）可得，σF=15.69< [σF]

因此彎曲強度滿足設(shè)計要求。

4.2 錐齒輪傳動設(shè)計

根據(jù)通用減速器設(shè)計要求，因此主傳動齒輪精度取8，材料選擇小齒輪選擇40 cr 齒面硬度280 HBS，大齒輪45 號鋼調(diào)制齒面硬度280 HBS。

根據(jù)齒面接觸疲勞強度公式（7）計算錐齒輪的相關(guān)參數(shù)。

錐齒輪主要參數(shù)：分度圓直徑d1=45 mm，d2=99 mm，模數(shù)m=3，分錐角δ1=24.44°，δ1=65.56 °錐距R=54.37 mm。

由彎曲強度設(shè)計公式（8）校核齒根彎曲疲勞強度

取安全系數(shù)SF=1.25

經(jīng)計算，σF=80.23MPa≤ [σF]1，σF2=76.86MPa≤[σF]2

滿足齒根彎曲疲勞強度，所選參數(shù)合適。

5 田間試驗

5.1 試驗條件與方法

為了測試樣機性能，整機試驗方法參考農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗和軌道車技術(shù)條件相關(guān)國家標準[19-21]，綜合選取影響整機性能的主要參數(shù)：最大負載、行走速度、最大負載時能通過的最大坡度、作業(yè)效率，樣機性能試驗采用單因素田間試驗方法。

試驗條件：田間試驗地點在黑龍江七星農(nóng)場；時間為2020 年5 月10 日，天氣晴朗，試驗樣機工作狀態(tài)良好；試驗田面積為6.3 hm2，田埂臺面寬度平均310 mm，埂高300～350 mm，最大坡度8.4%。在田埂臺面鋪設(shè)運輸軌道（如圖7），軌距與輪距一致。

試驗檢查儀器主要包括：激光測距儀（型號FLUKE-419D，精度+/-1 mm），坡度測量儀（型號XL-360，精度0.1 °）功率分析儀（型號AN8721PV3，精度0.1%），電阻應變儀器（型號ASMC1-9，精度0.1 με）。

圖7 鋪設(shè)運輸導軌Fig.7 Laying rails on the ridge

圖8 軌道秧苗運輸車試驗Fig.8 Testing for rail-type seedling transporter

5.2 試驗結(jié)果與分析

軌道式水稻秧苗運輸車試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 軌道式秧苗運輸車試驗結(jié)果Tabel 2 Test results of rail-type seedling transporter

由表2 試驗結(jié)果可知，軌道式秧苗運輸車最大負載446 kg，單次運輸秧苗數(shù)量約50 盤，最大行走速度3.52 km·h-1，作業(yè)效率可達0.59 hm2·h-1，是人工搬運秧苗效率的26 倍左右。整機作業(yè)性能指標達到預期要求，滿足設(shè)計要求和相應國家標準。

由于水田作業(yè)環(huán)境較復雜，不同作業(yè)區(qū)的地形、田埂結(jié)構(gòu)、坡度變化等會影響軌道式秧苗運輸車的實際作業(yè)效果。因此在試驗測試過程中，軌道轉(zhuǎn)彎角度和坡度的變化會對行走速度、最大負載和作業(yè)效率產(chǎn)生一定影響。因此不同的作業(yè)環(huán)境，行走速度和作業(yè)效率等運輸車性能指標會有一定變化范圍。

6 結(jié)論

通過理論分析與試驗研究，設(shè)計了一種基于遠程控制的軌道式田間秧苗運輸車，通過遠程無線控制方法實現(xiàn)了田間秧苗向插秧機作業(yè)位置的運輸作業(yè)。

（1）軌道式田間秧苗運輸車通過在田埂臺面上鋪設(shè)的運輸軌道引導行進，不破壞原有水田結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)運輸車進入水田中產(chǎn)生壓痕和對田埂破壞的問題。

（2）運輸車采用牽引式軌道運輸結(jié)構(gòu)，由伺服電機提供動力，最大負載446 kg，能夠滿足田間秧苗運輸?shù)囊螅蒔LC 控制通過無線模塊實現(xiàn)遠程和車載兩種方式控制，操作便捷、安全性和穩(wěn)定性好。

（3）通過田間試驗，秧苗運輸車最大行走速度3.52 km·h-1，最大坡度9.67%，最大負載446 kg，可單次運輸秧苗數(shù)量約50 盤，作業(yè)效率可達0.59 hm2·h-1，是人工搬運秧苗效率的26 倍左右，整機工作性能較好滿足田間運輸秧苗的作業(yè)要求。