湯 慶 吳 俊 蔣 蘭 吳崇友 肖體瓊 江 濤

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014)

0 引言

油菜是我國重要的油料作物，85%集中在長江流域冬油菜產(chǎn)區(qū)，其中40%因輪作茬口或氣候條件等原因，不具備直接播種的條件，必須采用育苗移栽方式種植。吳崇友團隊提出了“毯狀苗切塊取苗，切縫插栽”的高效移栽方式[1]，開發(fā)了以拖拉機為動力，將耕整地與移栽功能于一體的油菜耕整移栽聯(lián)合作業(yè)機[2]，其包含兩個栽植單元，每個單元需要具有獨立的地面仿形能力。移栽機栽植深度一致性是衡量移栽機性能的重要指標之一，其與倒伏、埋苗、露苗等多項性能指標有內(nèi)在關(guān)聯(lián)，栽植過深或過淺都會影響植株的生長以及養(yǎng)分的吸收[3-6]，甚至影響作物產(chǎn)量[7]。

仿形技術(shù)因可以有效地保證栽深一致性而得到了廣泛的應(yīng)用。在免耕播種機上應(yīng)用廣泛[8-9]，用于控制播深一致性，并且多采用單體仿形機構(gòu)。在許多播種機上都設(shè)計了具有仿形功能的開溝器[10-11]，實現(xiàn)了自動仿形，提高了播深一致性。為了提高農(nóng)用車底盤的地面仿形、平順性和通過性，學者設(shè)計了仿形農(nóng)用車底盤[12]以及其他仿形裝置[13-14]。但這些多為機械式仿形，通常利用彈簧形變，采用單點單桿鉸鏈式仿形機構(gòu)、平行四桿仿形機構(gòu)、多桿雙自由度仿形機構(gòu)實現(xiàn)仿形功能，但在仿形過程中，隨著地表的起伏，彈簧會產(chǎn)生壓縮與伸長，對土壤的壓力是實時變化的，導致仿形效果差[15]。

為解決機械式仿形存在的問題，國外最早出現(xiàn)了基于機-電-液一體化技術(shù)的電液仿形系統(tǒng)[16]。PASI等[17]采用角度傳感器和遠程超聲測距傳感器檢測地表高度，控制電液比例減壓閥，輸出相應(yīng)的壓力，從而控制開溝深度恒定。NIELSEN等[18-20]開發(fā)了一種犁刀開溝器深度控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)播深穩(wěn)定性顯著高于傳統(tǒng)播種機。國內(nèi)也有多位學者進行了研究[21-23]，雖然電液仿形系統(tǒng)能夠提高仿形效果，但結(jié)構(gòu)成本高，對系統(tǒng)控制模型要求高。

針對機械式仿形對地面有壓實，仿形精度低和電液仿形制造成本高、控制模型復(fù)雜等問題，本文結(jié)合機械式仿形和電液仿形的優(yōu)勢，提出機械式高度(離地)感應(yīng)，液壓控制的方案，設(shè)計油菜耕整移栽聯(lián)合作業(yè)機液壓仿形系統(tǒng)并進行試驗研究，以期提升仿形精度，提高栽深合格率。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

移栽機由兩個栽植單元組成，每個栽植單元設(shè)置一套獨立仿形系統(tǒng)，仿形系統(tǒng)組成與原理如圖1所示，主要包括機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和仿形輪裝置。機械系統(tǒng)由栽植器、秧箱和仿形四桿機構(gòu)組成，仿形輪裝置由仿形輪、高度調(diào)節(jié)機構(gòu)和拉線等組成。仿形輪裝置安裝在栽植機構(gòu)的主梁上，可以隨栽植機構(gòu)上下運動。

移栽機工作前，依據(jù)土壤軟硬程度及栽植深度要求通過高度調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)整仿形輪的初始高度。在開始工作，仿形輪接觸地面向上抬起，仿形輪一端通過拉線與液壓系統(tǒng)的比例閥閥芯相連，可以拉動閥芯移動。正常作業(yè)時拉動閥芯處于中立位置，液壓系統(tǒng)液壓油直接回油箱，提升油缸不動作。當遇到地面凸起時，仿形輪沿著地面向上抬起，此時帶動拉線拉動閥芯操縱桿使換向閥處于左位，液壓系統(tǒng)給提升油缸供油使油缸收縮拉動仿形四桿機構(gòu)向上抬起，仿形輪相對栽植機構(gòu)向下移動到達正常工作位置，完成向上仿形，為減少液壓沖擊，在提升油缸有桿腔設(shè)置有蓄能器。當遇到地面凹陷時，仿形輪裝置的仿形輪沿著地面向下落，拉線收縮使閥芯移動到右位，秧箱在重力的作用下拉動提升油缸伸長，提升油缸中液壓油經(jīng)過換向閥直接流回油箱，仿形輪相對栽植機構(gòu)向上移動到達正常工作位置，完成向下仿形。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

仿形輪裝置與液壓系統(tǒng)是栽植單元液壓仿形系統(tǒng)的主要工作部件。在作業(yè)過程中，仿形輪裝置用于檢測地面起伏情況，通過拉線控制液壓系統(tǒng)的液壓油流向，控制提升油缸動作完成仿形，適應(yīng)于地面起伏情況下的正常栽植作業(yè)。

2.1 仿形輪裝置設(shè)計

如圖2，仿形輪裝置依靠固定機架螺栓固定于栽植單元的主梁上，在擋位板上調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)手柄在不同位置，通過鉸接在高度調(diào)節(jié)手柄上的調(diào)節(jié)連桿拉動高度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動體繞高度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，仿形輪通過仿形輪支架鉸接在高度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動體上，跟隨著高度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動體轉(zhuǎn)動，從而使仿形輪實現(xiàn)初始高度的調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)不同的栽植深度。在移栽作業(yè)時仿形輪相對高度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動體的鉸接軸轉(zhuǎn)動從而拉動拉線調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)，拉線可以通過復(fù)位彈簧作用回位，在高度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動體上有弧形槽，控制仿形輪支架在轉(zhuǎn)動過程中限制位置，控制仿形量。

如圖3，移栽作業(yè)前，仿形輪處于自由狀態(tài)，仿形輪上連桿AOD繞點O轉(zhuǎn)動，點O固定于栽植單元機架上，OA長為L，DO長為l，點D聯(lián)動拉線拉動比例閥閥芯控制液壓系統(tǒng)，比例閥閥芯從下降位移動到上升位距離為S。當開始作業(yè)，仿形輪向上移動處于正常工作位置，拉線拉動閥芯處于中位保壓位置，提升油缸無動作。當?shù)孛嬗型蛊疬_到最大上仿形量時，仿形輪由正常工作的點A上升到點E處于地面凸起工作位置，此時拉線端由點D移動到點F，此時lDF=S/2，lAE=LS/(2l)，閥芯處于上升位，提升油缸開始動作提升栽植單元；當?shù)孛嬗邪枷葸_到最大下仿形量時，仿形輪由正常工作點A下降到點G，此時拉線端由點D移動到點H，此時lDH=S/2，lAG=LS/(2l)，閥芯處于下降位，提升油缸中液壓油直接回油箱，栽植單元下降；根據(jù)地形和栽前整地條件，參照播種機的仿形參數(shù)，上、下仿形量通常為80～120 mm[24]?？梢詫AE和lAG近似為最大上、下仿形量，所以lAE=lAG=LS/(2l)=120 mm，本文設(shè)計液壓比例閥的閥芯移動行程S=12 mm，即L/l=20。

仿形輪在地面上被動滾動為純滾動，滾動阻力為滾動軸之間的摩擦力，摩擦力的大小與壓力、摩擦因數(shù)有關(guān)，由于仿形輪與滾動軸材料為確定值且在正常滾動情況下壓力也為定值，所以滾動阻力為定值，那么滾動阻力矩為定值。仿形輪滾動動力為仿形輪與地面的摩擦力，由于壓力和摩擦因數(shù)為定值，同樣摩擦力也為定值，但是仿形輪的直徑為變化值，所以直徑越大，動力矩越大，仿形輪越容易滾動。但仿形輪安裝于栽植裝置與整地裝置之間，且受仿形量限制，仿形輪活動空間有限，綜合考慮仿形輪直徑為120 mm，材料選用硬聚氯乙烯增大摩擦力，減少粘土。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)由液壓缸、換向閥、節(jié)流閥、溢流閥、卸荷閥、截止閥、提升油缸、蓄能器、油箱和閥芯移動機構(gòu)等組成(圖4)，閥芯移動機構(gòu)包括拉線、閥芯操縱桿等，仿形輪可以拉動拉線移動閥芯操縱桿，根據(jù)地面情況使閥芯分別處于上升位、中立位、下降位，提升油缸也相應(yīng)處于提升、靜止、下降位置，栽植單元在提升油缸的作用下隨著仿形輪的上升而上升、下降而下降，實現(xiàn)仿形。系統(tǒng)中溢流閥和卸荷閥起到安全作用，防止系統(tǒng)壓力過高。當仿形輪感應(yīng)到地面凸起，仿形輪抬起通過連桿拉動拉線通過閥芯移動機構(gòu)使閥芯處于上升位(左端)，液壓馬達給提升油缸供油，提升栽植單元，完成向上仿形，在提升油缸有桿腔內(nèi)設(shè)置蓄能器，起到蓄能緩沖作用；當仿形輪感應(yīng)到地面凹陷，仿形輪下移拉線縮回通過閥芯移動機構(gòu)使閥芯處于下降位(右端)，液壓馬達不給提升油缸供油，提升油缸原有的液壓油通過換向閥流回油箱，栽植單元下降，完成向下仿形，在回油路上還設(shè)置了節(jié)流閥來調(diào)整栽植單元下降速度；當正常作業(yè)時，閥芯處于中立位，提升油缸處于保壓狀態(tài)，栽植單元不動作。

液壓系統(tǒng)要求在仿形過程中提升油缸能夠快速動作，系統(tǒng)液壓流量要求在10 L/min以上，由

Q=q0nηV×10-3

(1)

式中ηV——容積效率，取0.85

n——泵轉(zhuǎn)速，取1 800 r/min

q0——泵排量，mL/r

Q——系統(tǒng)流量，取10 L/min

可得泵的計算排量為6.5 mL/r，從泵的標準序列中需選取大于計算排量，所以選取泵的公稱排量為8 mL/r，采用定量齒輪泵，型號為CBTSL-F308-AFφL。由此計算得出實際工作中系統(tǒng)流量Q=12.24 L/min。

仿形輪與栽植器的距離為450 mm，按照作業(yè)速度2 m/s計算，當感應(yīng)輪感應(yīng)到地面凸起或凹陷，移栽機行進使栽植器到達凸起或凹陷的時間為0.22 s，提升油缸必須滿足0.22 s使栽植器到達理論的高度。提升油缸必須滿足高靈敏度，提升速度公式為

(2)

式中VL——提升油缸的提升速度，m/min

Z——油缸數(shù)量，取1

D——活塞直徑，取60 mm

d——活塞桿直徑，取15 mm

計算可得VL=5.77 m/min。以仿形的極端情況由最低的凹坑到最高的凸起，其仿形量按200 mm來計算，仿形油缸的仿形行程為20.26 mm，提升時間為0.21 s，提升油缸的提升速度滿足要求。

在仿形過程中，高壓油會迅速進入提升油缸或液壓油快速回油箱，由于油缸和負載(栽植單元)具有慣性，油缸的速度不可能立即改變，這時油缸的速度與進入的流量不平衡，多余(或欠缺)的流量就會引起油缸的驅(qū)動腔內(nèi)壓力的上升(或下降)，導致油缸壓力和速度持續(xù)振蕩，引起沖擊[25]。這種振蕩一般經(jīng)過一段時間后，壓力與負載力達到平衡而使運動進入穩(wěn)定狀態(tài)，但在實際作業(yè)仿形過程中，油缸的提升和下降時間很短，很難在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)而使提升油缸一直處于這種振蕩狀態(tài)，降低了仿形的穩(wěn)定性。為了降低沖擊，提高仿形穩(wěn)定性，本文采用在提升油缸的有桿腔增加蓄能器的方法，依據(jù)油缸的工作壓力等條件選用慣性小的氣囊式SB330-0.5A1/112A-330A型蓄能器。

3 試驗

3.1 模擬路面試驗

3.1.1試驗條件與方法

為檢驗液壓仿形系統(tǒng)的準確性與靈敏性，進行室內(nèi)的模擬路面試驗。制作正弦曲線路面，曲線方程為

y=25sin(4πvt)

(3)

式中v——移動小車的前進速度，m/s

t——時間，s

y——豎直方向上的位移，mm

如圖5所示，移動小車推動曲面導軌移動模擬機具前進，移動小車速度可調(diào)，油菜移栽聯(lián)合作業(yè)機由電機驅(qū)動臺架驅(qū)動，通過導軌移動模擬移栽機仿形輪在地面上行進。通過高速攝像機拍攝仿形輪在曲面導軌上浮動的視頻，利用ProAnalyst高速攝影視頻處理軟件進行后處理。如圖6所示，選取曲面導軌上一點來測定移動小車的行駛速度，以仿形輪的中心點和栽植機構(gòu)主梁的角點為標定點，分別測定仿形輪和栽植機構(gòu)豎直方向上的位移。

3.1.2試驗結(jié)果與分析

調(diào)整移動小車行駛速度，分別試驗不同速度(0.3、0.6、0.9、1.2 m/s)下仿形輪和栽植機構(gòu)的豎直方向上位移，利用Matlab軟件對仿形輪和機具試驗數(shù)據(jù)點進行一階正弦曲線擬合(Sum of sine)，得到豎直方向上位移與時間的變化函數(shù)，試驗結(jié)果如圖7和表1所示。從仿形曲線觀察，仿形輪和栽植機構(gòu)的豎直方向上位移軌跡和正弦曲線路面趨勢一致，液壓仿形系統(tǒng)作用明顯。4種速度下仿形輪移動幅值分別為47.08、42.38、41.16、33.10 mm，而設(shè)計路面軌跡幅值為50 mm，幅值分別降低5.8%、15.2%、17.7%、33.8%，且基本上隨著行進速度的增大幅值呈下降趨勢。栽植機構(gòu)的移動幅值分別為42.54、39.26、29.26、22.72 mm，相比仿形輪分別降低9.64%、7.36%、28.91%、31.36%，相比路面軌跡幅值分別降低14.9%、21.5%、41.5%、54.6%，隨著行進速度的增大幅值呈下降趨勢，而且下降幅度逐漸增大。從圖中變化曲線的峰值可以發(fā)現(xiàn)仿形輪和栽植機構(gòu)相對理論行走軌跡的時間均存在一定程度滯后，分別將仿形輪和機具的峰值對應(yīng)時間與理論行走軌跡的峰值應(yīng)用時間作比較，得到仿形輪和機具的時間差即相位差，如表1所示，不同前進速度下機具滯后時間均比仿形輪更長，相位差隨著前進速度的增大而呈上升趨勢。

表1 不同前進速度下的仿形擬合曲線方程Tab.1 Profiling curve fitting equation of different forward speeds

3.2 田間試驗

3.2.1試驗條件與方法

試驗于2019年11月在江蘇省南京市白馬鎮(zhèn)進行。試驗地土壤為黃壤土，前茬作物為水稻。試驗前，0～10 cm處土壤容積密度為1.26 g/cm3，10～20 cm處土壤容積密度為1.51 g/cm3，0～5 cm處土壤含水率為21.3%，5～10 cm處土壤含水率為26.7%，10～15 cm處土壤含水率為27.2%，15～20 cm處土壤含水率為29.8%，試驗現(xiàn)場如圖8所示。檢測設(shè)備包括游標卡尺、秒表、鋼尺及卷尺等。

影響液壓仿形質(zhì)量的因素有機組前進速度、栽植單元質(zhì)量、地面起伏高度差等，液壓仿形質(zhì)量通過栽植深度合格率來衡量，仿形效果直接影響移栽機栽植深度的合格率，故以前進速度、栽植單元質(zhì)量、地面起伏高度差為影響因素，以栽植深度合格率為試驗指標，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計方法安排試驗。

目前，受油菜移栽聯(lián)合作業(yè)機作業(yè)的限制，前進速度限制為0.4～1.2 m/s，栽植單元質(zhì)量定為30～50 kg，地面起伏高度差受田間情況影響在20～100 mm之間。試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of factors

3.2.2試驗指標測定

栽植深度影響秧苗的緩苗和根系的再生，秧苗基質(zhì)(土)層上表面等高于覆土表面，其栽植深度按零計。在一個栽植行測定區(qū)間內(nèi)，以當?shù)剞r(nóng)藝要求的栽植深度D(應(yīng)不小于1 cm)為標準，所栽秧苗深度在D±1 cm之內(nèi)為合格，栽植深度合格穴數(shù)所占設(shè)計穴數(shù)的百分比為栽植深度合格率，試驗重復(fù)進行4 次，結(jié)果取平均值，標準規(guī)定該項指標應(yīng)大于等于75%。

3.2.3試驗結(jié)果與方差分析

運用Design-Expert 8.0軟件對表3試驗結(jié)果進行方差分析，剔除不顯著項，得到栽植深度合格率回歸方程：H=89.63-0.065A-0.378B+22.787C+0.0037AB-0.07AC-10.355C2。A、B、C為因素編碼值。

表3 試驗結(jié)果Tab.3 Test results

對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果如表4所示。從各個因素P值可以看出，栽植單元質(zhì)量、地面起伏高度差、前進速度對栽植深度合格率都有顯著性影響，強弱次序為：B、A、C。交互項AB和AC以及二次項C2的P值均表現(xiàn)影響顯著，故所選因素與響應(yīng)值之間同時存在因素間的交互作用以及二次非線性關(guān)系。模型顯著性檢驗F=14.13，P<0.000 1，二次回歸方程的檢測達到顯著水平；失擬性檢驗F=4.21，為不顯著，表明試驗范圍內(nèi)模型的擬合性很好；Design-Expert 8.0軟件分析結(jié)果可知：模型決

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

定系數(shù)R2=0.867 1，表明可以解釋響應(yīng)值86.71%的變化；該模型誤差較小，因此可以使用該模型對栽植深度合格率進行分析和預(yù)測。

3.2.4交互作用影響

圖9為試驗因素水平范圍內(nèi)栽植單元質(zhì)量、地面起伏高度差以及前進速度對栽植深度合格率影響的響應(yīng)曲面。由圖9a可知，當前進速度一定時，栽植單元質(zhì)量增加，同時地面起伏高度差減小時，可以提高仿形效果，即栽植深度合格率相應(yīng)增大。由圖9b可知，在地面起伏高度差較小時，隨著前進速度增大，栽植深度合格率基本增大。但在地面起伏高度差較大時，隨著前進速度增大，栽植合格率先逐漸增大到峰值后降低，且隨著地面起伏高度差越大，峰值對應(yīng)的前進速度相對較小。綜合上述變化規(guī)律可知：栽植單元質(zhì)量、地面起伏高度差以及前進速度共同決定栽植深度合格率，為了改善仿形效果，提高栽植質(zhì)量，應(yīng)當增加栽植單元質(zhì)量，減小地面起伏高度差，并且選擇合適的前進速度。

3.2.5參數(shù)優(yōu)化

通過試驗探究地面起伏高度差A(yù)、栽植單元質(zhì)量B以及前進速度C對栽植深度合格率影響規(guī)律，依據(jù)試驗得到的回歸方程，以栽植深度合格率H取最大值為優(yōu)化目標，建立數(shù)學模型

(4)

經(jīng)尋優(yōu)可得優(yōu)化后最優(yōu)值為：栽植單元質(zhì)量30 kg、地面起伏高度差20 mm、前進速度1 m/s，此時栽植深度合格率H為90.27%。

4 結(jié)論

(1)為了解決油菜耕整移栽聯(lián)合作業(yè)機栽植深度不一致問題，設(shè)計了以仿形輪為地面高度感應(yīng)部件和帶蓄能器的液壓仿形驅(qū)動系統(tǒng)。通過試驗驗證液壓仿形系統(tǒng)對提高聯(lián)合作業(yè)機栽植深度合格率有明顯效果。

(2)液壓仿形系統(tǒng)經(jīng)過實驗室模擬路面試驗，結(jié)果顯示在不同的移動速度下仿形輪軌跡與栽植器的動作軌跡一致，在0.3、0.6、0.9、1.2 m/s 4種速度下仿形輪的移動幅值相比設(shè)計路面軌跡幅值分別降低5.8%、15.2%、17.7%、33.8%，且基本上隨著行進速度的增大呈下降趨勢。栽植機構(gòu)的移動幅值相比仿形輪的移動幅值分別降低9.64%、7.36%、28.91%、31.36%，隨著行進速度的增大呈下降趨勢，而且下降幅度變大。仿形輪和栽植機構(gòu)相對理論軌跡相位差分別為0.026 7、0.011 9、0.022 5、0.036 6 s和0.182、0.126 4、0.127 8、0.148 9 s。

(3)以機組前進速度、栽植單元質(zhì)量、地面起伏高度差為影響因素，以栽植深度合格率為試驗指標，進行了三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗。因素影響的強弱次序為：栽植單元質(zhì)量、地面起伏高度差、機組前進速度。經(jīng)尋優(yōu)得到三因素最優(yōu)值為：栽植單元質(zhì)量30 kg、地面起伏高度差20 mm、前進速度1 m/s，此時栽植深度合格率90.27%，優(yōu)于標準值，表面液壓仿形系統(tǒng)可以有效控制栽深，提高栽植深度穩(wěn)定性。