王金武 楊會(huì)民 蔣永新 陳毅飛 張佳喜

摘要：目前殘膜回收機(jī)已經(jīng)成為新疆棉田回收殘膜的主要方式之一。在殘膜回收機(jī)回收殘膜的過(guò)程中，由于棉田的環(huán)境復(fù)雜多變，而現(xiàn)有的殘膜回收機(jī)無(wú)仿形功能，導(dǎo)致入土部件的入土深度不穩(wěn)定，這就造成殘膜拾凈率達(dá)不到預(yù)期結(jié)果等問(wèn)題。4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)存在同樣問(wèn)題，所以根據(jù)此機(jī)型設(shè)計(jì)一套機(jī)—電—液配合的自動(dòng)仿形系統(tǒng)，對(duì)地面仿形傳感機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，確定機(jī)械部件的關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)仿形系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。結(jié)果表明，該機(jī)工作穩(wěn)定可靠，整體仿形穩(wěn)定，在機(jī)具作業(yè)速度為6.5～7 km/h時(shí)，其入土部件的入土深度平均值為91.6mm，其標(biāo)準(zhǔn)差為3.13 mm，殘膜拾凈率達(dá)89.5%。

關(guān)鍵詞：殘膜回收機(jī)；入土部件；機(jī)—電—液配合；自動(dòng)仿形

中圖分類號(hào)：S223.5? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 03-0044-07

Design and test of automatic copying system for residual film recovery machine

Wang Jinwu1， Yang Huimin2， 3， Jiang Yongxin2， 3， Chen Yifei2， 3， Zhang Jiaxi1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China;2. Research Institute of Agricultural Mechanization， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi， 830091，China; 3. Scientific Observation and Experimental Station for Forest Fruit Cotton Equipment， Ministry ofAgriculture and Rural Affairs， Urumqi， 830091， China）

Abstract：

At present， residue film recovery machine has become one of the main ways of residue film recovery in xinjiang cotton field. In the process of recovering residual film by residual film recovery machine， due to the complex and changeable environment of cotton field， and the existing residual film recovery machine does not have the function of copying， resulting in the instability of the soil depth of the buried parts， which causes the problems that the residue film clean rate can not reach the expected results and? so on. In order to solve this problem， a set of automatic profiling system with mechanical-electro-hydraulic coordination for the 4JSM-2.1A cotton straw returning and residual film recovery combined operation machine was designed to analyze the motion of profiling sensing mechanism on the ground， and determine the key parameters of mechanical components. Finally， the evaluation of the site test and the field test of the copying system showed that the whole machine worked stably and reliably. When the working speed of the machine was 6.5-7 km/h， the average depth of the buried parts was 91.6 mm， and the standard deviation was 3.13 mm. The cleaning rate of residual film reached 89.5%.

Keywords：residual film recovery machine; grave parts; electro-hydraulic fit; automatic copying

0 引言

地膜覆蓋栽培技術(shù)優(yōu)點(diǎn)眾多，對(duì)中國(guó)旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大的、積極的作用［13］。但是推廣該技術(shù)的同時(shí)也引發(fā)了白色污染的問(wèn)題，由于使用后的殘膜長(zhǎng)時(shí)間滯留在田間土壤里得不到及時(shí)處理，嚴(yán)重污染農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境，因此，殘膜回收問(wèn)題迫在眉睫［4， 5］。

目前，回收廢舊殘膜的方式可分為人工收膜和機(jī)械收膜兩種方式［6， 7］。4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的收膜方式為機(jī)械收膜中的聯(lián)合作業(yè)收膜，其能夠一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收工作，收膜效率高、功能性強(qiáng)，同時(shí)既節(jié)約了時(shí)間，又減少了作業(yè)費(fèi)用。但此機(jī)具在整體收膜功能上還達(dá)不到預(yù)期效果，其中一部分原因是機(jī)具的松土齒未能對(duì)凸凹不平的棉田進(jìn)行仿形。

當(dāng)前仿形技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到眾多領(lǐng)域，包括農(nóng)用機(jī)械領(lǐng)域。4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的入土部件是松土齒，其功能是在進(jìn)行挑膜工作之前對(duì)覆有殘膜的土地進(jìn)行疏松，方便挑膜齒可以輕松挑收起殘膜，因此松土齒入土深度的穩(wěn)定程度會(huì)對(duì)殘膜的回收效果產(chǎn)生一定影響。而棉田的凸凹、起伏程度正是影響松土齒入土深度的重要因素，因此對(duì)于較惡劣的地形來(lái)說(shuō)，殘膜回收機(jī)在作業(yè)時(shí)，松土齒的入土深度不能得到保障，這就導(dǎo)致整機(jī)穩(wěn)定性差，收膜能力不穩(wěn)定。本文針對(duì)4JSM-2.1A型棉秸稈還田殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)存在無(wú)仿形功能而導(dǎo)致收膜效果達(dá)不到預(yù)期的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套機(jī)—電—液配合的自動(dòng)仿形的系統(tǒng)。研究成果對(duì)促進(jìn)殘膜污染治理具有重要意義［8］。

1 殘膜回收裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的殘膜回收裝置主要由牽引架、滾筒式挑膜裝置、主傳動(dòng)系統(tǒng)、松土齒、行走舉升系統(tǒng)、送膜裝置等部件構(gòu)成，如圖1所示。此機(jī)型是2020年新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的新型機(jī)具，其主要適用于棉花已被收獲、殘留的棉秸稈高度較低的、滴灌帶和利于棉花生長(zhǎng)的管道已被全部回收的棉田。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，整機(jī)的兩部分同時(shí)工作，分別為殘膜回收裝置對(duì)地表殘膜的回收和棉秸稈還田裝置對(duì)棉田余留的棉秸稈進(jìn)行粉碎處理并后拋還田。其中殘膜回收裝置的工作原理如下：利用傳動(dòng)軸將通過(guò)前端的牽引架與拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸連接起來(lái)，在啟動(dòng)動(dòng)力輸出軸后，前端的動(dòng)力傳遞到滾筒式挑膜裝置和后續(xù)的工作部件，拖拉機(jī)牽引機(jī)具開(kāi)始向前行進(jìn)，松土齒在此過(guò)程中對(duì)棉田地表殘膜下方的土壤進(jìn)行疏松，以減小挑膜齒入土挑膜時(shí)的阻力，通過(guò)挑膜裝置的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，挑起的殘膜被帶動(dòng)并送到送膜輪裝置入口處，此時(shí)送膜輪將殘膜刮下并且拋送到膜箱中，完成整個(gè)殘膜回收工作［9， 10］。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合新疆地區(qū)棉花種植模式［11］，4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 自動(dòng)仿形系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 地面仿形傳感機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)仿形系統(tǒng)通過(guò)傳感器來(lái)采集棉田的地面起伏程度信息，傳感器的載體是仿形機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分，整體稱為地面仿形傳感機(jī)構(gòu)。本文選用的傳感器為角度傳感器，角度傳感器目前應(yīng)用廣泛，如地理、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域，其特點(diǎn)是可以快速測(cè)出物體當(dāng)前的角度、位置和速度。角度傳感器的使用在較大程度上提高測(cè)量進(jìn)度的同時(shí)還降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本。

2.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

作為整個(gè)自動(dòng)仿形系統(tǒng)直接獲取地表信息的機(jī)構(gòu)，地面仿形傳感機(jī)構(gòu)獲取信號(hào)的準(zhǔn)確性決定了整個(gè)仿形過(guò)程的精度。地面仿形傳感機(jī)構(gòu)主要由安裝架、彈簧、角度傳感器、軸承、連接桿、仿形架、仿形地輪等部件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)地面仿形傳感機(jī)構(gòu)用螺栓固定于殘膜回收裝置機(jī)架的側(cè)面橫梁上，為了更準(zhǔn)確地獲取棉田地表真實(shí)狀況，仿形地輪在跟隨整機(jī)向前運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，處于被拖行狀態(tài)，由于整個(gè)機(jī)構(gòu)安裝后，彈簧一直處于拉伸狀態(tài)，受到一定的預(yù)拉力，因此可以保證仿形地輪一直緊貼地面。作業(yè)過(guò)程中經(jīng)過(guò)高低起伏的地表時(shí)，套裝于軸承上的仿形架會(huì)發(fā)生角度上的變化，能夠帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)限位塊通過(guò)連接桿相連，其中一個(gè)限位塊通過(guò)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可帶動(dòng)另一個(gè)套裝有角度傳感器的限位塊一起轉(zhuǎn)動(dòng)，角度傳感器一旦跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)，地表信息就能被實(shí)時(shí)獲取。這樣仿形地輪隨地表做上下起伏的動(dòng)作時(shí)，就能夠?qū)⒌乇碜兓畔⒖焖俎D(zhuǎn)化為角度變化信號(hào)被角度傳感器所接收。該機(jī)構(gòu)采用了角度傳感技術(shù)，在機(jī)器經(jīng)過(guò)凹凸不平的地表時(shí)，角度傳感器對(duì)地面的起伏有較為靈敏的反應(yīng)，從而大大減少了整體仿形或若干前后部件組合仿形時(shí)動(dòng)作提前或滯后所造成的仿形失真等問(wèn)題［12］。

2.1.2 運(yùn)動(dòng)分析

如圖3所示，機(jī)器在正常工作時(shí)，仿形地輪在機(jī)器的拖行下沿著地面向前滾動(dòng)，當(dāng)仿形地輪從平整地面滾動(dòng)突然遇到凹陷時(shí)，其模型為從C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)，在此過(guò)程中仿形地輪所處地面的高度發(fā)生了變化，地面高度從C點(diǎn)的高度h1變化到了D點(diǎn)的高度h2，同時(shí)仿形架與豎直方向的夾角也從α1變化到了α2。

根據(jù)式（1）、式（2）可求得Δα，即

α1=arccosh1－rL（1）

α2=arccosh2－rL（2）

Δα=α2－α1（3）

式中：h1、h2——仿形架上安裝點(diǎn)距離仿形地輪所處地面的高度，mm；α1、α2——仿形架與豎直方向的夾角，（°）；L——仿形架的長(zhǎng)度，mm；r——仿形地輪的直徑，mm。

式（3）兩邊對(duì)L進(jìn)行求導(dǎo)得

（Δα）′=h2－rL21－h(huán)2－rL2－h(huán)1－rL21－h(huán)1－rL2（4）

由式（4）可知，求出的（Δα）′小于0，相當(dāng)于角度Δα的變化率小于0，因此在地表凹陷的高度一致和地面?zhèn)鞲袡C(jī)構(gòu)安裝高度一定的情況下，仿形架的長(zhǎng)度L越長(zhǎng)，其與豎直方向夾角的變化率就越小；同理，當(dāng)仿形地輪經(jīng)過(guò)凸出地表時(shí)，其他條件不變，仿形架L越長(zhǎng)，其與豎直方向夾角的變化率也越小，因此仿形地輪在緊貼地面滾動(dòng)經(jīng)過(guò)不平地表時(shí)，仿形架的擺動(dòng)幅度就越小，這樣仿形工作就會(huì)更加穩(wěn)定，從而間接提高了機(jī)身的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)機(jī)具作業(yè)時(shí)理想離地高度的分析，可以確定地面仿形傳感機(jī)構(gòu)安裝于離地400 mm處，仿形架的長(zhǎng)度為450 mm。

顯然，在仿形地輪向前行進(jìn)的過(guò)程中，如果地面高低起伏發(fā)生變化，仿形架會(huì)帶動(dòng)軸承發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，限位塊會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，通過(guò)角度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，從而能夠?qū)崟r(shí)采集到地面的高低起伏信息。隨后將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬電壓信號(hào)，通過(guò)其自身的AD轉(zhuǎn)換通道將該模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字模擬量并進(jìn)行傳輸，最后經(jīng)過(guò)算法來(lái)判斷地面的起伏值，并把處理好的數(shù)值信息傳送至上位機(jī)，上位機(jī)則會(huì)依據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)做出指令，最后通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)仿形動(dòng)作的實(shí)施。

2.2 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)分別連接地面仿形傳感機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)，其作用是將角度傳感器所接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后傳遞給液壓控制系統(tǒng)。電控系統(tǒng)主線路所連接的電器部件主要有：控制器、控制面板、電源開(kāi)關(guān)等其他電器元件，其組成框圖如圖4所示，而且在電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，還加入了部分監(jiān)測(cè)部件，如攝像頭、GPRS天線、GNSS天線等。仿形ECU（電子控制單元）選用的是NUC130單片機(jī)。NUC130為較為常見(jiàn)的32位Cortex-M0微控制器，自帶AD轉(zhuǎn)換功能和CAN功能，支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議。Cortex-M0處理器內(nèi)置的高效處理器核為3段流水線的諾依曼結(jié)構(gòu)，適用于高要求的嵌入式應(yīng)用［13］。其主要作用是對(duì)來(lái)自仿形傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷仿形地輪所行走地面的起伏程度，并把判斷結(jié)果和最終指令發(fā)送到控制面板和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

其中線路上連接兩個(gè)攝像頭，分別對(duì)應(yīng)安裝于集膜箱的箱內(nèi)后壁上和箱外壁上，監(jiān)測(cè)畫面會(huì)同步出現(xiàn)于控制面板上，在整機(jī)工作的時(shí)候，便于了解機(jī)器后方棉秸稈粉碎后拋情況，同時(shí)也可以對(duì)集膜箱內(nèi)的殘膜回收情況進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)時(shí)了解集膜箱內(nèi)部狀態(tài)。GPRS天線和GNSS天線可通過(guò)底部的磁鐵吸盤吸立于拖拉機(jī)頂部或其他位于高點(diǎn)的地方，在與控制面板連接后，可通過(guò)GPRS技術(shù)對(duì)機(jī)具的工作位置和是否在作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行追蹤記錄，便于實(shí)時(shí)掌握機(jī)具的工作狀態(tài)?？刂泼姘蹇梢酝瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)自動(dòng)仿形系統(tǒng)的控制。

監(jiān)測(cè)方面，其不僅可以對(duì)機(jī)器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如機(jī)器是否處于工作狀態(tài)、機(jī)器作業(yè)速度、機(jī)器已完成的作業(yè)面積等，也能夠?qū)ψ詣?dòng)仿形系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如當(dāng)前角度值等。

控制方面，控制面板可以對(duì)自動(dòng)仿形系統(tǒng)的仿形模式（手動(dòng)模式和自動(dòng)模式）進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)仿形模式調(diào)為手動(dòng)模式時(shí)，面板上的上升位、停止位和下降位可以隨意點(diǎn)動(dòng)，并且仿形系統(tǒng)會(huì)根據(jù)點(diǎn)動(dòng)的指令做出相應(yīng)的反應(yīng)，即伸縮油缸的伸出、停止和收縮，便于開(kāi)啟自動(dòng)仿形模式之前對(duì)仿形系統(tǒng)的測(cè)試；當(dāng)仿形模式調(diào)為自動(dòng)模式時(shí)，仿形系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)地面仿形傳感機(jī)構(gòu)獲取的信號(hào)來(lái)自行調(diào)節(jié)。同時(shí)控制面板還可以對(duì)仿形系統(tǒng)的仿形參數(shù)進(jìn)行更改修正，如對(duì)初始角度進(jìn)行設(shè)置，并輸入合適的角度最大允許波動(dòng)范圍值，角度傳感器的角度變化量一旦超過(guò)這個(gè)值，就會(huì)傳出信號(hào)，最終驅(qū)使油缸實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的仿形動(dòng)作。控制面板畫面如圖5所示。

2.3 液壓控制系統(tǒng)選擇與安裝

液壓系統(tǒng)為整個(gè)自動(dòng)仿形系統(tǒng)的終端系統(tǒng)，為仿形動(dòng)作實(shí)施的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要是由電磁比例閥塊、油管、液壓缸等液壓元件組成。電控系統(tǒng)通過(guò)4個(gè)電磁閥頭與電磁比例閥塊相連接，4個(gè)電磁閥頭分別為2個(gè)開(kāi)關(guān)閥頭和2個(gè)比例閥頭，其中2個(gè)開(kāi)關(guān)閥頭分別傳輸液壓油缸伸或縮的指令，2個(gè)比例閥頭分別傳輸油缸的伸出量和收縮量指令。另外電磁比例閥塊的P、T兩油口分別與拖拉機(jī)上的進(jìn)油口和回油口相連，保證可以通過(guò)拖拉機(jī)對(duì)閥體供油。A、B兩油口分別連接殘膜回收機(jī)兩側(cè)的兩個(gè)液壓缸，這樣就形成了閉環(huán)油路。電控系統(tǒng)接收地面仿形傳感機(jī)構(gòu)傳出的地面起伏程度信號(hào)，由于電磁比例閥的出口油壓與控制電壓呈正相關(guān)，故地面仿形傳感機(jī)構(gòu)對(duì)地面信息的獲取對(duì)最終油缸伸縮做出的仿形動(dòng)作影響較大，通過(guò)算法的運(yùn)算形成準(zhǔn)確的電壓信號(hào)，將需要的仿形方向和仿形量指令通過(guò)電磁閥頭傳輸給電磁比例閥，隨后電磁比例閥塊按照指令控制兩個(gè)液壓缸，令液壓缸按照仿形要求做伸縮動(dòng)作，最終完成整個(gè)仿形工作。本文選取定制的電磁比例閥塊，用螺紋連接于機(jī)具右前方的焊板上。經(jīng)驗(yàn)證，其使用可靠、易于安裝、結(jié)構(gòu)緊湊，密封性良好，連接于上方的液壓缸伸縮動(dòng)作靈敏。

2.4 自動(dòng)仿形系統(tǒng)控制流程

本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)仿形系統(tǒng)采用機(jī)-電-液結(jié)合的主動(dòng)仿形技術(shù)，包括地面仿形傳感機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)3大部分組成，地面仿形傳感機(jī)構(gòu)的主要作用是通過(guò)角度傳感器獲取地面信息，將地面的起伏程度轉(zhuǎn)化為角度傳感器角度的變化量，將變化量信號(hào)傳輸給電控系統(tǒng)；電控系統(tǒng)的主要作用是將地面仿形傳感機(jī)構(gòu)傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過(guò)所持有的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，隨后通過(guò)電磁閥插頭將指令信息傳遞給液壓控制系統(tǒng)，同時(shí)電控系統(tǒng)中還裝有GPRS、GNSS和攝像頭等監(jiān)測(cè)儀器及元件，通過(guò)車載終端控制面板可以對(duì)殘膜回收機(jī)的工作狀態(tài)以及收膜情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；液壓控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)施電控系統(tǒng)傳來(lái)的指令，通過(guò)控制液壓油缸的收縮來(lái)完成仿形動(dòng)作。自動(dòng)仿形系統(tǒng)控制流程如圖6所示。

3 場(chǎng)地試驗(yàn)

為驗(yàn)證理論并分析這套自動(dòng)仿形系統(tǒng)的性能，對(duì)此套仿形系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。因田間試驗(yàn)研究周期較長(zhǎng)，且此試驗(yàn)符合場(chǎng)地試驗(yàn)的條件，所以對(duì)設(shè)計(jì)的自動(dòng)仿形系統(tǒng)先進(jìn)行場(chǎng)地試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)地點(diǎn)選在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所的液壓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，此實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地空間充足無(wú)雜物，基礎(chǔ)設(shè)施齊全，且實(shí)驗(yàn)室擁有RCYCS-DⅢ電液伺服比例綜合試驗(yàn)臺(tái)1臺(tái)，如圖7所示，其完備各種類型的傳感器，包括壓力傳感器、流量傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、光柵位移傳感器等，以滿足各項(xiàng)試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試的需要，且系統(tǒng)配置中的25YCY14-1B變量柱塞被的額定排量為18 mL/rev，最高工作壓力為25 MPa，通過(guò)對(duì)油壓的調(diào)節(jié)，可以模擬正常作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)的輸出油壓，且操作平臺(tái)面積大，可集成多個(gè)子系統(tǒng)，測(cè)試方法實(shí)用、可靠。擁有金屬線管件，耐壓膠管等配套液壓元件，耐壓膠管的壓力可達(dá)31.5 MPa，單、雙口液壓油缸若干，總體功能已達(dá)到此自動(dòng)仿形系統(tǒng)的場(chǎng)地試驗(yàn)要求。

3.2 試驗(yàn)方法

將設(shè)計(jì)好的整套系統(tǒng)連接完整，電磁比例閥塊放置于試驗(yàn)臺(tái)上，其P、T兩口分別與試驗(yàn)臺(tái)的進(jìn)油口、回油口相接，閥塊的A、B兩口分別與雙口液壓油缸的兩口相接，液壓油缸平放于地面上。用控制面板觀察攝像頭是否有畫面，畫面是否清晰可辨；啟動(dòng)變量柱塞泵，先用控制面板將仿形模式調(diào)整為手動(dòng)模式，分別點(diǎn)擊控制面板中的上升位、停止位和下降位，分別觀察在這三種狀態(tài)下，液壓油缸的伸縮狀況，觀察完畢后將液壓油缸復(fù)位；將仿形輪放置于離地高度為30 mm的地面，保證彈簧處于拉伸狀態(tài)，隨即用控制面板將系統(tǒng)模式調(diào)整為自動(dòng)模式，反復(fù)用手快速托起、放下仿形地輪，觀察液壓油缸伸縮狀況。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)整套系統(tǒng)的場(chǎng)地試驗(yàn)知：

（1）攝像頭可正常捕捉畫面且畫面高清、清晰。

（2）當(dāng)模式為手動(dòng)模式，點(diǎn)擊面板上的上升位，液壓缸快速伸出；當(dāng)點(diǎn)擊面板上的停止位時(shí)，液壓缸立即停止工作并保持靜止；當(dāng)點(diǎn)擊面板上的下降位時(shí)，液壓缸快速收縮。

（3）當(dāng)模式為自動(dòng)模式，當(dāng)用手快速托起仿形地輪時(shí)，液壓油缸快速伸出；當(dāng)將仿形地輪快速放下時(shí)，液壓油缸快速收縮。

通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)結(jié)果顯示，此套自動(dòng)仿形系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)合理，各部分所需功能都可以很好的實(shí)現(xiàn)，理論上可以實(shí)現(xiàn)殘膜回收機(jī)對(duì)地面的仿形。

4 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

1）? 試驗(yàn)儀器：直尺（0～30 cm）、卷尺（0～100 m）、電子秤。

2）? 配套動(dòng)力：選用約翰迪爾6B-1204輪式拖拉機(jī)、其標(biāo)定功率為88 kW，要求拖拉機(jī)整體功能良好，駕駛員駕駛技術(shù)熟練，對(duì)殘膜回收機(jī)的使用有經(jīng)驗(yàn)，熟悉殘膜回收機(jī)的工作原理。

本試驗(yàn)于2021年10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州庫(kù)爾勒市尉犁縣的棉田進(jìn)行。此區(qū)域棉花已經(jīng)全部收獲，部分地表起伏不平，土壤硬度適中，田間滴灌帶已被收回，地膜在田間滯留時(shí)間較長(zhǎng)，且大部分位于地表表面，鋪設(shè)的地膜寬幅為2 050 mm，厚度為0.008 mm，地膜中部有少量覆土，且有不同程度的損傷。自動(dòng)仿形系統(tǒng)正確安裝于殘膜回收機(jī)上，殘膜回收機(jī)為牽引式，由約翰迪爾6B-1204輪式拖拉機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。根據(jù)實(shí)際的市場(chǎng)效益和作業(yè)效率的問(wèn)題，機(jī)組將試驗(yàn)作業(yè)速度設(shè)置為6.5～7 km/h。

4.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將殘膜回收率和松土齒的入土深度作為主要參數(shù)，可分為A、B兩組進(jìn)行田間對(duì)比試驗(yàn)。A組以現(xiàn)有的棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)為基礎(chǔ)，在田間隨機(jī)選取5個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的長(zhǎng)度為100 m，寬度為1.8m，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)長(zhǎng)度為10 m，寬度為1.8m，回收到的殘膜進(jìn)行包裝標(biāo)記，隨后對(duì)所回收的殘膜進(jìn)行清洗晾曬，待殘膜干燥后采用微型精密電子秤（1 000 g/0.01 g）對(duì)其進(jìn)行稱量，可得出該試驗(yàn)區(qū)域回收的殘膜平均質(zhì)量W1；B組以安裝自動(dòng)仿形系統(tǒng)后的棉結(jié)桿還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)為基礎(chǔ)，在田間隨機(jī)選取與A組不重合的試驗(yàn)區(qū)域，其余的試驗(yàn)方法與A組相同，可得出該試驗(yàn)區(qū)域回收的殘膜平均質(zhì)量W2，各測(cè)試點(diǎn)當(dāng)年所鋪設(shè)的地膜質(zhì)量W約為77.26 g。對(duì)A、B兩組機(jī)具松土齒劃過(guò)的地方進(jìn)行入土深度測(cè)量，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)隨機(jī)測(cè)量5次，最終求其平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。

A、B兩組殘膜拾凈率分別可由式（5）、式（6）得出。

δ1=W1W×100%（5）

δ2=W2W×100%（6）

式中：δ1——A組現(xiàn)有的沒(méi)安裝仿形系統(tǒng)的棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的殘膜拾凈率；δ2——B組安裝了仿形系統(tǒng)后的棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的殘膜拾凈率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)田間驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)的驗(yàn)證和測(cè)試，結(jié)果如表2所示，目前機(jī)具的平均殘膜拾凈率為85.8%，安裝自動(dòng)仿形系統(tǒng)后機(jī)具的平均殘膜拾凈率為89.5%，由此可知，安裝有自動(dòng)仿形裝置的聯(lián)合作業(yè)機(jī)在性能上有明顯提高。殘膜拾凈率的提高有一部分原因是自動(dòng)仿形系統(tǒng)較為靈活的對(duì)地仿形能力增強(qiáng)，在之前的基礎(chǔ)上又將凸起和凹陷的地表上的殘膜進(jìn)行了有效回收。

通過(guò)試驗(yàn)可知，由于地表的凹凸不平，目前的機(jī)具在正常作業(yè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的顛簸現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)有的聯(lián)合作業(yè)機(jī)機(jī)身無(wú)法隨時(shí)保持穩(wěn)定，且松土齒的入土深度不能保持一致；機(jī)具在加入自動(dòng)仿形系統(tǒng)后，其仿形地輪隨著地形的變化有較為明顯的上下起伏運(yùn)動(dòng)，且左右油缸有明顯的收縮動(dòng)作，入土深度的一致性大大改善，仿形地輪在途經(jīng)地表的凸起或凹陷時(shí)沒(méi)有發(fā)生明顯的彈跳，主要原因是地面土壤的強(qiáng)度可能較低，仿形輪在向前滾動(dòng)時(shí)受地面沖擊力較小，且彈簧的拉緊力始終使仿形地輪緊壓地面。

經(jīng)試驗(yàn)后測(cè)量，安裝自動(dòng)仿形系統(tǒng)后的棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)在工作時(shí)，其松土齒的入土深度一致性有明顯改善，穩(wěn)定于85～100 mm，符合入土深度要求。加入自動(dòng)仿形系統(tǒng)后的機(jī)具性能上明顯優(yōu)于無(wú)仿形能力的機(jī)具，整機(jī)機(jī)身穩(wěn)定性明顯提高，殘膜拾凈率有明顯的提高且比較穩(wěn)定，松土齒入土深度測(cè)量結(jié)果如表3所示。

5 結(jié)論

1）? 安裝仿形系統(tǒng)后，聯(lián)合作業(yè)機(jī)的機(jī)身整體可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面進(jìn)行自動(dòng)仿形，聯(lián)合作業(yè)機(jī)在工作時(shí)，仿形地輪會(huì)隨著地面狀態(tài)高低起伏，帶動(dòng)角度傳感器采集到地面起伏信息，隨之通過(guò)電—液配合的仿形方式，使松土齒的入土仿形受地面不平和機(jī)具的顛簸影響減弱，入土深度明顯平穩(wěn)且穩(wěn)定于85～100 mm，滿足入土深度要求，入土深度標(biāo)準(zhǔn)差為3.13 mm，一致性得到較大幅度改善，同時(shí)也大大提高了整機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性。

2）? 仿形地輪在經(jīng)過(guò)地表的凸起或凹陷時(shí)偶爾會(huì)發(fā)生彈跳現(xiàn)象，但當(dāng)仿形地輪在棉田土壤上滾動(dòng)時(shí)，在土壤的作用下，仿形地輪的高低起伏運(yùn)動(dòng)慣性會(huì)大大減弱，在車速一定的條件下，通過(guò)對(duì)彈簧預(yù)拉力的調(diào)整，仿形地輪可隨著地面的起伏持續(xù)緊壓棉田地表滾動(dòng)，可避免在機(jī)具工作時(shí)，仿形地輪有明顯彈跳。

3）? 安裝自動(dòng)仿形系統(tǒng)后，通過(guò)田間驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)，在機(jī)具正常工作，作業(yè)速度為6.5～7 km/h時(shí)，殘膜拾凈率可達(dá)到89.5%，且仿形效果顯著，可以滿足殘膜回收的田間作業(yè)要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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第一作者：王金武，男，1996年生，河南南陽(yáng)人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化與裝備工程。E-mail： 571386067@qq.com

通訊作者：蔣永新，男，1975年生，江蘇豐縣人，研究員，碩導(dǎo)；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化。E-mail： 10661713@qq.com