王曉燕 鄧 博 譚丁煬 籍云鵬 李洪文 王慶杰

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護(hù)性耕作農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

水稻秸稈還田可有效提高土壤肥力[1]和固碳減排能力[2]，改良土壤結(jié)構(gòu)，提升土壤保水能力[3]，增加糧食產(chǎn)量[4-5]，是東北黑土地保護(hù)的有效方式。但東北稻區(qū)秸稈量大，在水稻收獲后即進(jìn)入寒冷的冬季，地表下秸稈腐爛緩慢，在春季灌水泡田時(shí)秸稈漂浮在水層上，這對(duì)現(xiàn)有水田整地機(jī)具提出了更高的要求。現(xiàn)有水田攪漿整地作業(yè)機(jī)具裝備主要是驅(qū)動(dòng)式攪漿機(jī)和無(wú)驅(qū)動(dòng)式水田平地耙[6]。其中，驅(qū)動(dòng)式攪漿機(jī)存在動(dòng)力消耗大、嚴(yán)重破壞土壤結(jié)構(gòu)、攪動(dòng)秸稈使其漂浮在水田表面等問(wèn)題[7]。而無(wú)驅(qū)動(dòng)式水田平地耙動(dòng)力消耗小、對(duì)土壤結(jié)構(gòu)破壞少、可以有效減少秸稈漂浮現(xiàn)象。但現(xiàn)有無(wú)驅(qū)動(dòng)式水田平地耙難以適應(yīng)東北稻區(qū)秸稈全量還田條件下的水田地塊，存在壓茬埋稈效果不佳、地表不平整等問(wèn)題，作業(yè)質(zhì)量有待提高。

水田整地機(jī)具現(xiàn)有研究主要針對(duì)作業(yè)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析。陳立才等[8]設(shè)計(jì)了一種秸稈還田起漿機(jī)，改進(jìn)了作業(yè)刀輥，旋耕刀和粉碎起漿刀配合使用，作業(yè)質(zhì)量較好，但作業(yè)阻力較大；孫文峰等[9]設(shè)計(jì)了一種帶狀少耕整地復(fù)式作業(yè)機(jī)具，對(duì)旋耕刀和刀軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；久绱舱兀珶o(wú)法用于水田耕作地塊；張義平等[10]設(shè)計(jì)了一種水田埋茬起漿整地機(jī)，采用一種交錯(cuò)焊接半圓弧彎刀齒的碎土耙輥，可有效減少纏草纏繞，但機(jī)具難以適應(yīng)秸稈全量還田條件下的水田地塊；并且上述使用旋耕刀、攪漿刀輥等動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件作業(yè)的水田整地質(zhì)量較好，但皆存在土壤過(guò)于細(xì)碎、功耗偏大和秸稈漂浮等問(wèn)題。

對(duì)于平地裝置自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外目前主要采用激光平地系統(tǒng)、GNSS系統(tǒng)以及傳感器技術(shù)等方式采集傾角信息，再配合微控制器調(diào)節(jié)電磁閥方向與流量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平[11-13]。但大多設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，所以在保證調(diào)平效果的基礎(chǔ)上，可在信息采集設(shè)備、控制方法上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低成本。

基于上述分析，根據(jù)無(wú)驅(qū)動(dòng)式攪漿機(jī)優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合東北稻區(qū)水田秸稈全量還田現(xiàn)狀，本文對(duì)無(wú)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)調(diào)平水田埋稈起漿整地機(jī)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)星形耙片和軋滾，改進(jìn)平地板結(jié)構(gòu)，確定各項(xiàng)結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)；采取中心點(diǎn)不動(dòng)的調(diào)平策略和單油缸往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的調(diào)平方法，基于傾角傳感器和PID算法實(shí)現(xiàn)平地裝置在水平方向上的自動(dòng)調(diào)平。通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)具的作業(yè)性能，可為水稻插秧作業(yè)創(chuàng)造優(yōu)良地塊條件，以期提高我國(guó)東北稻區(qū)秸稈全量還田條件下的水田整地質(zhì)量。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

無(wú)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)調(diào)平水田埋稈起漿整地機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)具主要由懸掛裝置、機(jī)架、星形耙組、軋滾、調(diào)平裝置和平地裝置組成。

圖1 無(wú)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)調(diào)平水田埋稈起漿整地機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of undriven soil puddling machine with improved auto-levelling and straw-burying design for paddy field1.懸掛裝置 2.機(jī)架 3.星形耙組 4.軋滾 5.調(diào)平裝置 6.平地裝置

1.2 工作原理

無(wú)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)調(diào)平水田埋稈起漿整地機(jī)通過(guò)機(jī)架的三點(diǎn)懸掛裝置與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)行進(jìn)并帶動(dòng)機(jī)具前進(jìn)作業(yè)。星形耙組和軋滾通過(guò)與土壤的摩擦力進(jìn)行自回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，星形耙片對(duì)土壤進(jìn)行滑切，軋滾上的齒板和刀齒分別對(duì)土壤進(jìn)行橫向與縱向的滑切，并掩埋水面和泥漿表層秸稈，實(shí)現(xiàn)碎土起漿、壓埋秸稈；平地裝置安裝于軋滾后方，將耙組和軋滾作業(yè)后凹凸不平的地表推平，壓茬彈齒將少量漂浮在表面以及水田泥漿淺層中的秸稈再次壓入泥漿深層，行間刮板消除由于泥漿流動(dòng)性形成的“壟堆”；在機(jī)具作業(yè)過(guò)程中傾角傳感器檢測(cè)平地裝置的傾斜角度變化，將信號(hào)傳至主控制器，主控制器通過(guò)電磁比例換向閥的方向、流量變化調(diào)節(jié)調(diào)平液壓缸伸縮，實(shí)現(xiàn)平地裝置水平方向的快速、穩(wěn)定調(diào)平，以此整理出適宜插秧機(jī)作業(yè)的水田地塊條件。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 星形耙組優(yōu)化設(shè)計(jì)

星形耙組主要由軸承座、間管、星形耙片、固定板、耙組橫梁、U形螺栓、耙片軸等組成，如圖2所示，星形耙片相互錯(cuò)開(kāi)串在耙片軸上，耙片軸通過(guò)軸承座、支架、耙組橫梁、U形螺栓固定在機(jī)架上，機(jī)具作業(yè)時(shí)，整體轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)碎土起漿功能。

圖2 星形耙組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of structure of star rake group1.軸承座 2.間管 3.星形耙片 4.固定板 5.機(jī)架 6.耙組橫梁 7.U形螺栓 8.耙片軸

2.1.1耙片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

星形耙片的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示，耙齒處虛線為展開(kāi)在平面上的刃口曲線，D為星形耙片直徑，e為耙齒曲率中心離耙片回轉(zhuǎn)中心的水平距離，ρ為耙片曲率半徑，D1為齒形中心圓直徑，Q為耙片刃口曲線的偏心距，R為耙片刃口曲線的曲率半徑，r1為齒形連接半徑，t為耙片厚度。

圖3 星形耙片結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic of structure parameters of star rake

參考普通圓盤(pán)耙片直徑經(jīng)驗(yàn)公式確定星形耙片直徑為

D=Ka

(1)

式中K——徑深比，取3～5

a——設(shè)計(jì)耙深，取150 mm

耙深越大，K應(yīng)越小，取K=3，則D=450 mm，因水田土壤相對(duì)黏重，為保證工作時(shí)耙深，取D為460 mm。D一定時(shí)，e越大，耙片碎土能力越強(qiáng)，取e為60 mm。當(dāng)耙片曲率半徑ρ較小時(shí)，耙片的滑切碎土性能較高，但ρ過(guò)小會(huì)導(dǎo)致作業(yè)阻力增大[14]，因此取ρ為230 mm。耙片是機(jī)具質(zhì)量的主要部分，由于機(jī)具沒(méi)有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，所以需一定質(zhì)量以保證入土深度，取耙片厚度t為4 mm。

2.1.2耙片刃口曲線和滑切角參數(shù)計(jì)算

星形耙片刃口曲線是影響耙片滑切土壤效果以及耙片強(qiáng)度的主要因素[15]。并且刃口曲線上滑切角τ是衡量耙片滑切能力和滑切效率的重要指標(biāo)，滑切角τ大于耙片與土壤的摩擦角時(shí)才能保證耙片的正常滑切作業(yè)[16]。

因此，為計(jì)算刃口滑切角τ，建立刃口平面曲線方程和空間曲線方程，以耙片回轉(zhuǎn)中心O為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，耙片的某個(gè)耙齒刃口曲線在第一象限且該刃口曲線的曲率中心在y軸上，如圖4所示。

圖4 刃口曲線方程坐標(biāo)系Fig.4 Edge curve equation coordinate system

該刃口曲線上某一點(diǎn)L的坐標(biāo)為(x,y)，則刃口的平面曲線方程為

x2+(y-Q)2=R2

(2)

當(dāng)以x軸為極坐標(biāo)軸、點(diǎn)O為極點(diǎn)建立極坐標(biāo)系時(shí)，刃口曲線上某點(diǎn)L的坐標(biāo)為(ρp，θ)，則有

(3)

式中ρp——點(diǎn)L與點(diǎn)O的距離，mm

θ——點(diǎn)L與點(diǎn)O連線與x軸的夾角,(°)

將式(3)代入式(2)中整理可得平面刃口曲線極坐標(biāo)方程為

(4)

由圖4幾何關(guān)系可得刃口空間曲線L1L2所對(duì)應(yīng)的曲率圓心角ψ為

(5)

則刃口空間曲線方程為

(6)

式中ρk——L1L2上某點(diǎn)與點(diǎn)O的水平距離，mm

如圖5所示，T為L(zhǎng)2處的切向量，L2的坐標(biāo)為(ρkcosθ，ρksinθ，2ρsin2(ψ/2))，則T=(ρkcosθ-ρksinθ，ρkcosθ+ρksinθ，ρsin(ψdψ/dθ))，而ρk=(ρkcosθ，ρksinθ，0)，則有

(7)

(8)

經(jīng)過(guò)一系列代數(shù)運(yùn)算后式(8)變形為滑切角的計(jì)算公式

(9)

滑切角τ較大時(shí)，滑切效率較高，切削阻力較小[17-18]。由式(9)可知，耙片刃口曲線偏心距Q增大時(shí)，滑切角τ減小，滑切效率降低，Q過(guò)大還會(huì)降低耙片強(qiáng)度和剛度[19]，其一般取值為95～130 mm，為增強(qiáng)耙片切削性能，取Q為110 mm；滑切角τ隨著曲率半徑R的增大而增大，為增大耙齒刃口根部的截面面積，加強(qiáng)耙片強(qiáng)度，取R為140 mm。

圖5 刃口空間曲線滑切角Fig.5 Edge curve space sliding cutting angle

齒形中心圓直徑D1與齒形連接半徑r1也決定著刃口曲線形狀和耙片的缺口面積及深度。為改善地表平整度，D1取較大值，一般取值為280～320 mm，取D1為320 mm；為保證刃口曲線滑切性能，齒形連接半徑r1應(yīng)取較小值，取r1為13 mm。

優(yōu)化后星形耙片刃口從根部到頂部θ為17.3°～48.8°，將耙片各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(9)，得出滑切角τ為43.7°～64.2°，金屬與土壤的摩擦角為23°～45°[19]。則優(yōu)化后星形耙片能較好地滿(mǎn)足實(shí)際設(shè)計(jì)要求，并且如圖6所示，優(yōu)化后星形耙片增大了刃口頂部截面、減小了根部刃口深度，提高了耙片的強(qiáng)度和剛度，減緩了耙齒間歇滑切土壤的沖擊載荷，能夠改善作業(yè)后的地表平整度。

圖6 星形耙片優(yōu)化前后對(duì)比Fig.6 Comparison of star rake before and after optimization

2.1.3耙片間距、數(shù)量及排列方式確定

耙片間距b、耙片直徑D、耙片工作偏角γ和作業(yè)后溝底不平度c存在關(guān)系[20]

(10)

由式(10)可知，當(dāng)耙片間距b增大時(shí)，地表不平度顯著增加，并且耙片間距越大，漏耙面積將增大；耙片間距較小，耙片被土塊、雜草和秸稈堵塞的幾率將增大，綜合考慮，取耙片間距b為170 mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定對(duì)置式耙組耙片數(shù)量Z[20]為

(11)

式中B——機(jī)具工作幅寬，取3 m

b1——耙組內(nèi)端兩個(gè)耙片間距離，取340 mm

機(jī)具設(shè)置耙組工作偏角γ可以在0°～10°之間調(diào)節(jié)，計(jì)算時(shí)取5°。將各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值代入式(11)并取整得耙片數(shù)量Z=9，因耙片為單列對(duì)置式配置，共2個(gè)耙組，加上軋滾兩端耙片，機(jī)具共20個(gè)耙片。

為使耙片相繼入土切削，保證作業(yè)平穩(wěn)，降低漏耙?guī)茁?，耙組的耙片按照螺旋線排列安裝，耙片6個(gè)耙齒錯(cuò)開(kāi)，相鄰耙片之間安裝角度差為15°；耙片耙齒以耙片中心對(duì)稱(chēng)均勻分布，兩耙組及耙片相對(duì)機(jī)具中心線左右對(duì)稱(chēng)安裝，使耙組在水平面內(nèi)受力平衡，提高機(jī)具行進(jìn)穩(wěn)定性。

2.2 軋滾設(shè)計(jì)

2.2.1軋滾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀齒式軋滾在水田作業(yè)時(shí)既能有良好的碎土起漿效果，還能起到很好的壓覆水面漂浮秸稈殘茬作用，緩解了插秧機(jī)作業(yè)時(shí)秸稈堵塞問(wèn)題。

如圖7所示，軋滾主要由星形耙片、隔板、齒板、刀齒、軋滾軸、橫梁、軸承座等組成。隔板等距離焊接在軋滾軸上，齒板錯(cuò)開(kāi)固定在隔板之間，軋滾兩端裝有星形耙片，軋滾軸兩側(cè)設(shè)置軸承座，軋滾軸承座上端與軋滾橫梁端固接，軋滾橫梁上端通過(guò)兩組U形螺栓和固定板對(duì)稱(chēng)固定在機(jī)架上，拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)具前行時(shí)，軋滾軸及零部件轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)工作部件作業(yè)。

圖7 軋滾結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of rolling structure1.星形耙片 2.隔板 3.齒板 4.刀齒 5.軋滾軸 6.橫梁 7.軸承座

2.2.2隔板和齒板設(shè)計(jì)

在拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)具前進(jìn)的過(guò)程中，隔板能在機(jī)具前進(jìn)方向?qū)Ψ鶎挿秶鷥?nèi)的土壤和土表秸稈進(jìn)行切割，減少之后齒板和刀齒切削土壤的阻力，起到輔助碎土作用[21]，將隔板設(shè)計(jì)為正六邊形，使其更易入土。

軋滾直徑一般由經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定[20]，即

Dz=Kza

(12)

式中Dz——軋滾直徑，mm

Kz——軋滾直徑系數(shù)，取2.5～3.3

將數(shù)據(jù)代入式(12)求得Dz=375～495 mm，綜合衡量作業(yè)深度和結(jié)構(gòu)尺寸，取Dz為400 mm。則隔板邊長(zhǎng)Lgb=0.5Dz=200 mm，隔板厚度tgb設(shè)為5 mm。

軋滾上的齒板對(duì)隔板和刀齒縱向切開(kāi)的土垡進(jìn)行橫向切削，因滑切阻力遠(yuǎn)小于正切阻力，為使齒板工作狀態(tài)為滑切狀態(tài)，將齒板設(shè)計(jì)成平行四邊形薄板，傾斜布置在隔板之間，如圖8所示。齒板寬度bcb與軋滾直徑有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為

bcb=KcbDz

(13)

式中Kcb——齒板寬度系數(shù)，取0.17～0.23

圖8 齒板的布置及其結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.8 Arrangement of tooth plate and its structural parameters

將數(shù)據(jù)代入式(13)計(jì)算得bcb為86～92 mm。為便于齒板在隔板間傾斜布置，使齒板在隔板上的投影剛好與隔板各邊平行且長(zhǎng)度相等，取bcb=0.5Lgb=100 mm。齒板的固接位置與隔板邊緣有一定距離hcb，綜合考慮刀齒尺寸，取hcb為45 mm。

齒板軸向長(zhǎng)度Lxcb計(jì)算式為

(14)

式中LB——軋滾兩端安裝耙片寬度，取200 mm

nz——軋滾段數(shù)，取6

當(dāng)齒板寬度bcb、長(zhǎng)度Lcb、與隔板邊緣距離hcb確定時(shí)，由圖8幾何關(guān)系可得齒板與其側(cè)面外端徑向線的夾角齒板傾角αcb為

(15)

式中tcb——齒板厚度，取6 mm

計(jì)算得出αcb=50.7°，齒板傾角接近土壤和零件材料的摩擦角(23°～45°)，符合設(shè)計(jì)要求。

為保證碎土起漿效果，并配合隔板設(shè)計(jì)，在2個(gè)隔板間設(shè)置3個(gè)齒板(整個(gè)軋滾共18個(gè)齒板)，且間隔布置，既能防止泥漿堵塞，又能實(shí)現(xiàn)平緩滑切土壤。同時(shí)為使軋滾在旋轉(zhuǎn)時(shí)所受載荷較為均勻，避免出現(xiàn)偏牽引現(xiàn)象，齒板在軋滾上采用左右對(duì)稱(chēng)布置排列，隔板之間的3個(gè)齒板傾斜方向相同，相鄰兩隔板之間的齒板傾斜方向相反，以保證水平分力平衡以及起漿埋茬作業(yè)的連續(xù)性。

2.2.3刀齒設(shè)計(jì)

每個(gè)齒板上都設(shè)有3個(gè)刀齒，刀齒直立與齒板的長(zhǎng)斜邊垂直并錯(cuò)開(kāi)固定，并且直立刀齒對(duì)隔板切開(kāi)的土垡進(jìn)行縱向切削[22-23]，避免漏切漏耙，減小齒板的橫向切削阻力，將水田表面的秸稈逐步壓入泥漿深層，并提高碎土起漿效果。

刀齒的刃口形狀應(yīng)具有較好的滑切性能，考慮到實(shí)際加工難易程度，采用刃口曲線為偏心圓弧，作業(yè)時(shí)，刀齒皆以滑切角偏大的寬端先入土作業(yè)，逐漸過(guò)渡到滑切角偏小的窄端，最后刀齒離開(kāi)表土完成作業(yè)。本文設(shè)計(jì)的刀齒形狀及曲線如圖9所示。

圖9 刀齒形狀及刃口曲線Fig.9 Tooth shape and edge curve

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得

(16)

式中τdc——刀齒刃口上某點(diǎn)的滑切角,(°)

θdc——刀齒刃口上某點(diǎn)的極角,(°)

edc——刀齒刃口曲線的偏心距,mm

Rdc——刀齒刃口曲線的曲率半徑,mm

設(shè)Edc=Rdc/edc為偏心系數(shù)，則有

(17)

將實(shí)測(cè)值Edc=1.29，θdc=31.1°～67.8°代入式(17)得τdc=42.9°～64.3°。一般設(shè)計(jì)時(shí)取30°≤τdc≤60°，則齒板滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3 平地裝置設(shè)計(jì)

如圖10所示，平地裝置由平地板前端弧面、平地板后半平面、壓茬彈齒和行間刮板組成。由于機(jī)具沒(méi)有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)，耙組和軋滾需要一定阻力使得自身進(jìn)行自回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而平地板則要求前端弧面具有較好的弧度，以盡量減小前進(jìn)阻力、降低功耗。

圖10 平地板整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Schematic of overall structure of flat floor1.平地板前端弧面 2.壓茬彈齒 3.平地板后半平面 4.行間刮板

2.3.1平地板曲面設(shè)計(jì)

根據(jù)平地板設(shè)計(jì)要求，擬采用拋物線[24]作為平地板前端弧面設(shè)計(jì)曲線，設(shè)計(jì)示意圖如圖11所示。

圖11 平地板前端弧面曲線設(shè)計(jì)示意圖Fig.11 Flat floor front curve design schematic

如圖11所示，設(shè)平地板前端弧面曲線AB方程為

f(x)=apx2

(18)

則，點(diǎn)A、B的斜率f′(x)A和f′(x)B為

(19)

式中α1——拋物線點(diǎn)A處切線與x軸夾角,(°)

α2——拋物線點(diǎn)B處切線與x軸夾角,(°)

(20)

式中h——A、B兩點(diǎn)泥漿堆積高度差,mm

又根據(jù)幾何關(guān)系有

(21)

式中θ1——拋物線上點(diǎn)A處對(duì)應(yīng)推壓角，(°)

θ2——拋物線上點(diǎn)B處對(duì)應(yīng)推壓角,(°)

最后，可得曲線AB的曲線方程為

(22)

因此，由式(22)可知，推壓角θ1、θ2和高度差h共同決定曲線AB的形狀。根據(jù)推壓原理，推壓角大于摩擦角時(shí)，泥漿-秸稈混合物能夠沿著前端弧面向下運(yùn)動(dòng)，完成平整作業(yè),在點(diǎn)B的推壓角為90°-θ2，則該角需大于摩擦角。查閱文獻(xiàn)[20]得零件材料摩擦角為23°，則有23°<θ2<67°?？紤]部件加工難易程度，推壓角θ2取35°～55°。

平地板前端弧面的設(shè)計(jì)還需考慮作業(yè)過(guò)程中的前進(jìn)阻力，由力學(xué)知識(shí)可知，平地板所受阻力是應(yīng)力在平地板與泥漿接觸面積S上的積分。分析可得

(23)

式中PN——前端弧面對(duì)泥漿的正壓力，N

Pf——前端弧面與泥漿的滑動(dòng)阻力，N

σp——前端弧面與泥漿之間的正應(yīng)力，Pa

τp——前端弧面與泥漿之間的切應(yīng)力，Pa

假設(shè)平地裝置在作業(yè)時(shí)，泥漿在平地板前端弧面前的堆積高度h是一致的，且裝置以勻速直線運(yùn)動(dòng)作業(yè)，故在機(jī)具前進(jìn)方向上(沿x軸方向)合力為0。

∑Fx=Fn-1.4hB(σpcosθ+τpsinθ)=0

(24)

作業(yè)時(shí)，平地板所受正應(yīng)力σp和剪切應(yīng)力τp變化不大，可視為常數(shù)；則由式(24)可知，泥漿堆積高度差h越小，則牽引阻力Fn越小。根據(jù)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)平地板前泥漿堆積高度多為50～100 mm，但設(shè)計(jì)平地板前端弧線AB在豎直高度差h大于泥漿堆積高度，取弧線豎直高度為150 mm。

對(duì)于平地板后半平面，依據(jù)流體力學(xué)知識(shí)可知，機(jī)具前進(jìn)速度越大，板寬越大，則前進(jìn)阻力越大。因此，在保證平地質(zhì)量和平地效率的前提下，機(jī)具前進(jìn)速度、板寬應(yīng)盡量減小，以降低動(dòng)力損耗。調(diào)研發(fā)現(xiàn)攪漿機(jī)作業(yè)速度大多集中在2～4 km/h之間，平地板寬度多集中在250～350 mm之間。

2.3.2壓茬彈齒和行間刮板設(shè)計(jì)

整地作業(yè)時(shí)，壓茬彈齒可將漂浮在泥漿表面和淺層的秸稈壓入泥漿深層，起到壓茬埋稈作用。秋季收獲時(shí)，旋耕后秸稈長(zhǎng)度集中在6～8 cm，為減少插秧時(shí)秧苗“虛根”、“漂秧”現(xiàn)象，則整地后秸稈、根茬距離地表深度應(yīng)大于5 cm。所以設(shè)計(jì)彈齒的圓柱直徑為6 mm，圓弧半徑R為160 mm，彈齒底端到上表面的距離為160 mm，彈齒兩爪間的距離為60 mm，相鄰兩彈齒安裝位置相距60 mm，如圖12所示。

圖12 壓茬彈齒設(shè)計(jì)示意圖Fig.12 Stubble spring tooth design diagram

攪漿機(jī)在田間作業(yè)過(guò)程中，相鄰的兩個(gè)作業(yè)幅寬由于泥漿的流動(dòng)性，會(huì)在前進(jìn)方向上形成“壟堆”。為提高作業(yè)平整度，消除“壟堆”，在平地板兩側(cè)安裝行間刮板，用來(lái)平整相鄰幅寬之間的泥漿表層，減少拖拉機(jī)的作業(yè)行程。行間刮板的前半部分是45°傾斜面，中間為平面，尾部向上翹起，呈圓弧狀。

2.3.3平地裝置參數(shù)模擬優(yōu)化

根據(jù)上述分析，平地裝置共有3個(gè)參數(shù)需要確定，其中推壓角為35°～55°，平地板后半平面寬度為250～350 mm，前進(jìn)速度為2～4 km/h。通過(guò)EDEM仿真進(jìn)行參數(shù)確定和優(yōu)化。

選用半徑為0.5 mm的球形顆粒作為泥漿顆粒，秸稈顆粒模型采用由直徑4 mm，球心間隔 2 mm，長(zhǎng)度分別為32、60、80 mm的3種長(zhǎng)線性模型，查閱文獻(xiàn)[25-27]選擇顆粒間力學(xué)模型，并設(shè)置離散元仿真材料物性參數(shù)和基本接觸參數(shù)。

建立土槽模型尺寸為1 500 mm×600 mm×150 mm，則對(duì)應(yīng)秸稈總質(zhì)量為778 g，并設(shè)置具有凹凸不平的地表水田模型，如圖13所示。土槽建立完成后，將比例為1∶1的平地裝置SolidWorks三維模型以.STEP格式導(dǎo)入EDEM軟件中。設(shè)定仿真步長(zhǎng)為4.9%，固定時(shí)間步長(zhǎng)為5.1×10-6s，仿真時(shí)間為2.5 s。

圖13 離散元泥漿-秸稈水田模型Fig.13 Discrete element mud-straw paddy field model

設(shè)計(jì)三因素三水平正交旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)的因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與編碼Tab.1 Test factors and coding

試驗(yàn)指標(biāo)為地表平整度和前進(jìn)阻力。地表平整度是通過(guò)對(duì)仿真后土壤進(jìn)行分層切片，測(cè)量測(cè)點(diǎn)地表到基準(zhǔn)面的垂直距離平均值[28]；前進(jìn)阻力則是通過(guò)EDEM軟件的力學(xué)傳感器直接獲得。

對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析得：前進(jìn)速度為2.4 km/h、板寬為290 mm、推壓角為44°時(shí)綜合作業(yè)效果最優(yōu)，地表平整度為0.5 cm，前進(jìn)阻力為203.4 N。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experimental design and results

3 自動(dòng)調(diào)平電液控制系統(tǒng)

水平位置控制的調(diào)平方法有3種，分別是最高點(diǎn)不動(dòng)、中心點(diǎn)不動(dòng)、最低點(diǎn)不動(dòng)[29]。機(jī)具在田間作業(yè)過(guò)程中傾斜角變化快、最高點(diǎn)與最低點(diǎn)難以確定，所以選擇中心點(diǎn)不動(dòng)的控制調(diào)平方法，并采用單個(gè)油缸往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的調(diào)平策略實(shí)現(xiàn)對(duì)平地裝置在水平方向的調(diào)節(jié)。自動(dòng)調(diào)平裝置如圖14所示。

圖14 自動(dòng)調(diào)平裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Structure diagram of automatic leveling device1.機(jī)架 2.調(diào)平液壓缸 3.調(diào)平框 4.銷(xiāo)軸

3.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1液壓系統(tǒng)組成與選型

平地裝置在水平方向上的自動(dòng)調(diào)節(jié)由控制系統(tǒng)進(jìn)行信息采集、信號(hào)處理、控制器運(yùn)算、液壓元件執(zhí)行完成。自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)原理如圖15所示，主要包括油箱、液壓泵、電磁閥塊、液壓缸等液壓元器件。將液壓系統(tǒng)的主進(jìn)油管和出油管與拖拉機(jī)快速接頭相連，動(dòng)力源由拖拉機(jī)齒輪泵提供。油路選擇并聯(lián)回路。液壓控制元件選擇電磁比例換向閥，可以按比例對(duì)液壓油的壓力、流量進(jìn)行高精度控制，且響應(yīng)時(shí)間更短。

圖15 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.15 Schematic of hydraulic system1.油箱 2.排污閥 3.吸油過(guò)濾器 4.空氣濾清器 5.液壓泵 6.單向閥 7.電磁溢流閥 8.管式過(guò)濾器 9.液壓表開(kāi)關(guān) 10.液壓表 11.電磁比例換向閥 12、14.電磁換向閥 13.同步閥 15.水平調(diào)節(jié)液壓缸 16.升降調(diào)節(jié)液壓缸 17.俯仰角調(diào)節(jié)液壓缸

根據(jù)水田攪漿機(jī)平地裝置在田間作業(yè)時(shí)的狀態(tài)，可得自調(diào)平液壓系統(tǒng)中的液壓缸、閥塊、油管等液壓元件選型如表3所示。

表3 液壓元件選型Tab.3 Hydraulic component selection

3.1.2液壓系統(tǒng)性能

機(jī)具工作時(shí)采用46號(hào)液壓油，密度為850 kg/m3，管道流體雷諾數(shù)為5 427，沿程阻力系數(shù)λ為0.036 9[30]。

液壓系統(tǒng)總壓力損失∑Δp[30]為

(25)

其中

∑Δp1=∑Δp1λ+∑Δp1ξ+∑Δp1ν

(26)

式中 ∑Δp1λ——進(jìn)油路沿程損失，MPa

∑Δp1ξ——進(jìn)油路局部損失，MPa

∑Δp1ν——進(jìn)油路上閥總損失，MPa

∑Δpn——閥的額定壓力損失，取0.2 MPa

ξ——彎頭局部阻力系數(shù)，取0.05

qn——閥的額定流量，取42 L/min

q——通過(guò)閥的實(shí)際流量，取1.5 L/min

∑Δp1——系統(tǒng)進(jìn)油路總壓力損失，MPa

∑Δp2——系統(tǒng)回油路壓力損失，MPa

A1——液壓缸進(jìn)油腔有效面積，cm2

A2——液壓缸回油腔有效面積，cm2

調(diào)平液壓缸內(nèi)徑為40 mm，活塞桿直徑d為25 mm，計(jì)算得液壓缸回油腔與進(jìn)油腔有效面積比A2/A1為0.61。

選取Ф18的膠管作為油路管道，拖拉機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，液壓泵流量qt為40 L/min。計(jì)算實(shí)際液壓油流速v為

式(26)以水平調(diào)節(jié)油路為例，油路壓力損失∑Δp1=0.07 MPa，回油路壓力損失∑Δp2很小，忽略不計(jì)。其他兩油路與調(diào)平油路計(jì)算方法相同(式(25))得液壓系統(tǒng)總壓力損失∑Δp為0.2 MPa。液壓系統(tǒng)損失較小，拖拉機(jī)液壓泵能夠使自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)正常工作。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1硬件選型及電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，根據(jù)平地裝置傾斜角，調(diào)節(jié)平地板對(duì)泥漿-秸稈混合物工作壓力?？刂葡到y(tǒng)主要工作部件為主控制器和傳感器，要求主控制器能夠完成對(duì)傾角信息的獲取與處理，以及輸出相應(yīng)的指令，完成對(duì)平地裝置高效、精準(zhǔn)的控制。根據(jù)其功能要求，選擇STC15W4K32S4單片機(jī)；要求所選傳感器在機(jī)具隨拖拉機(jī)前進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，在田間作業(yè)的惡劣環(huán)境下，在振蕩場(chǎng)合也能完成角度測(cè)量，實(shí)時(shí)采集傾角信息，并將傾角信息準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高頻的傳輸給主控制器。根據(jù)作業(yè)工況，選擇維特智能SINDT傾角傳感器[31-32]。自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)整體方案如圖16所示。

圖16 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)整體方案Fig.16 Automatic leveling system of overall solution

3.2.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖17 主程序流程圖Fig.17 Main program flow chart

基于PID控制原理的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的主程序流程圖如圖17所示。工作時(shí)，首先對(duì)定時(shí)器、串口、PWM和中斷等單片機(jī)外設(shè)進(jìn)行初始化，并設(shè)定目標(biāo)角為0°。串口實(shí)時(shí)等待傳感器發(fā)送的接收數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器向主控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，主控制器串口接收中斷打開(kāi)，接收完成后，根據(jù)接收的傾角傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算此刻傾角為((RollH?8)|RollL)/32 768×180°；定時(shí)器同時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)達(dá)到定時(shí)時(shí)間時(shí)，定時(shí)器中斷開(kāi)啟，在定時(shí)器中斷中根據(jù)當(dāng)前傾角Roll值，采用PID控制算法得到PWM波的占空比，并通過(guò)PWM轉(zhuǎn)電流模塊將PWM(0～100%)信號(hào)轉(zhuǎn)為電流(4～20 mA)輸出，電磁比例換向閥接收到電流信號(hào)后開(kāi)始工作，使調(diào)平液壓缸伸縮，并判斷當(dāng)前傾角是否等于0。不為0時(shí)將繼續(xù)下一輪循環(huán)，重新采集傾角并控制電磁閥開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平地裝置的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

于2022年4月8日在黑龍江省哈爾濱市農(nóng)科院水田示范區(qū)進(jìn)行田間性能試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)田是典型的東北一年一熟稻區(qū)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24685—2009中對(duì)水田平地?cái)嚌{機(jī)的機(jī)具試驗(yàn)方法，選取長(zhǎng)45 m、寬45 m的方田作為試驗(yàn)地，試驗(yàn)田的水稻品種為龍粳31號(hào)，秸稈直徑為4 mm[28]。試驗(yàn)指標(biāo)為攪漿后地表平整度、壓茬深度、植被覆蓋率和泥漿度。試驗(yàn)設(shè)備主要包括80 kW拖拉機(jī)、直尺、輕繩、裝泥箱、電子秤、干燥箱等。機(jī)具前進(jìn)速度為2.4 km/h，無(wú)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)調(diào)平水田埋稈起漿整地機(jī)田間試驗(yàn)過(guò)程如圖18所示。

圖18 機(jī)具田間試驗(yàn)過(guò)程Fig.18 Field experiment process of machinery

4.2 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)地表平整度測(cè)定

沉漿完成后，測(cè)量區(qū)域內(nèi)測(cè)2個(gè)行程，每一個(gè)行程測(cè)量11個(gè)點(diǎn)，相鄰兩點(diǎn)間距為20 cm，沿作業(yè)前進(jìn)方向測(cè)22點(diǎn)。測(cè)量攪漿后的地表與水平基準(zhǔn)面的垂直距離，攪漿后的泥漿表面與水平基準(zhǔn)面的垂直距離平均值S1計(jì)算式為[28]

(27)

Y——測(cè)點(diǎn)地表與基準(zhǔn)面垂直距離，cm

n——測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)

S1越小，則平整度越高。

(2)壓茬深度測(cè)定

(28)

式中H——測(cè)點(diǎn)壓茬深度，cm

(3)植被覆蓋率測(cè)定

植被覆蓋率是指壓入泥漿的秸稈、留茬質(zhì)量與攪漿作業(yè)前地表秸稈、留茬總質(zhì)量比值。植被覆蓋率的測(cè)量方法是在測(cè)量區(qū)內(nèi)按對(duì)角線法取樣5處，每處面積為1 m2，分別測(cè)出壓入泥漿內(nèi)的植被質(zhì)量和漂浮在泥漿或水面上的秸稈質(zhì)量，植被覆蓋率F計(jì)算式為[28]

(29)

式中m——秸稈留茬總質(zhì)量，g

mw——泥漿和水面上的植被質(zhì)量，g

(4)泥漿度測(cè)定

泥漿度即攪漿作業(yè)后泥漿的容重。在測(cè)量區(qū)內(nèi)按對(duì)角線法取樣5處，每處用容器將約0.25 m2面積內(nèi)深度約為150 mm的泥漿(不含植被和表層水)全部取出，測(cè)量取樣物容積和取樣物質(zhì)量，泥漿度E計(jì)算式為[28]

(30)

式中V——取樣物容積，L

W——取樣物質(zhì)量，g

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1平整度

圖19 地表平整度測(cè)定結(jié)果Fig.19 Surface flatness measurement results

沉漿后，選取5個(gè)取樣地點(diǎn)，每個(gè)取樣地點(diǎn)沿作業(yè)前進(jìn)方向上測(cè)量22個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算，可得攪漿后平均高度為13.8 cm，地表平整度平均值為0.73 cm。攪漿后地表平整度測(cè)定結(jié)果如圖19所示，遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中攪漿后地表平整度(小于等于5 cm)。

4.3.2壓茬深度

壓茬深度測(cè)定結(jié)果如圖20所示。壓茬深度平均值為5.98 cm，大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中壓茬深度指標(biāo)(大于等于5 cm)，滿(mǎn)足水稻插秧機(jī)作業(yè)要求。但是有較少秸稈的壓茬深度小于3 cm，最小壓茬深度為0.3 cm。觀察發(fā)現(xiàn)，此類(lèi)秸稈長(zhǎng)度均較小，其在泥漿表面或者淺層的秸稈數(shù)量較少，對(duì)后續(xù)插秧機(jī)作業(yè)影響較小。

圖20 壓茬深度測(cè)定結(jié)果Fig.20 Measurement results of stubble depth

4.3.3植被覆蓋率

植被覆蓋率測(cè)定結(jié)果如圖21所示，5個(gè)取樣點(diǎn)秸稈總質(zhì)量平均值為206.2 g，掩埋秸稈質(zhì)量平均值為188.6 g，漂浮秸稈質(zhì)量平均值為17.6 g。植被覆蓋率平均值為91.4%，5個(gè)取樣點(diǎn)最小植被覆蓋率為89%，遠(yuǎn)大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中植被覆蓋率(大于等于80%)。

圖21 植被覆蓋率測(cè)定結(jié)果Fig.21 Results of vegetation coverage measurement

4.3.4泥漿度

裝有壓茬彈齒的平地裝置除了按壓秸稈、根茬外，還能夠起到細(xì)碎土壤的作用。泥漿度測(cè)定結(jié)果如表4所示，泥漿度平均值為1.18 g/cm3，小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中泥漿度指標(biāo)(小于等于1.6 g/cm3)。

機(jī)具作業(yè)測(cè)定結(jié)果如表5所示，各項(xiàng)指標(biāo)均高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24685—2009中對(duì)水田平地?cái)嚌{機(jī)的指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了無(wú)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)調(diào)平水田埋稈起漿整地機(jī)，對(duì)星形耙片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算確定星形耙片的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了刃口曲線參數(shù)方程，并驗(yàn)證其滑切角滿(mǎn)足滑切條件；設(shè)計(jì)了由隔板、齒板和刀齒組成的軋滾，對(duì)其結(jié)構(gòu)形狀與尺寸進(jìn)行分析；設(shè)計(jì)了平地板結(jié)構(gòu)曲面，確定其板高為150 mm，并通過(guò)EDEM離散元仿真確定其最優(yōu)參數(shù)為前進(jìn)速度2.4 km/h、板寬290 mm、推壓角44°。

表4 泥漿度測(cè)定結(jié)果Tab.4 Results of mud degree determination

表5 機(jī)具作業(yè)測(cè)定結(jié)果Tab.5 Results of machine and tool operation

(2)根據(jù)機(jī)具調(diào)平需求，設(shè)計(jì)了基于中心點(diǎn)不動(dòng)調(diào)平策略和PID控制算法的自動(dòng)調(diào)節(jié)電液控制系統(tǒng)的整體方案。完成了液壓系統(tǒng)關(guān)鍵元件的選型，驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)性能的可靠性；完成了控制系統(tǒng)的軟硬件選型與設(shè)計(jì)，確定了主控制器、傾角傳感器等主要器件的型號(hào)，引入PID負(fù)反饋控制算法，實(shí)現(xiàn)迅速、精準(zhǔn)控制調(diào)平系統(tǒng)。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)驅(qū)動(dòng)式自動(dòng)調(diào)平水田埋稈起漿整地機(jī)作業(yè)后地表平整度為0.73 cm，壓茬深度為5.98 cm，秸稈覆蓋率為91.4%，泥漿度為1.18 g/cm3，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，適用于東北稻區(qū)秸稈全量還田條件下的水整地作業(yè)，能夠提高壓茬埋稈、起漿整地作業(yè)效果，減少了秸稈漂浮現(xiàn)象。