設施農業激光測控電動旋平機設計

河北農業大學機電工程學院 吳紅雷 弋景剛 袁永偉 崔保健 楊淑華

引言

國土資源部在“十一五”科技計劃中，把低成本土地平整設備系統的開發作為工作的重點之一。同時，“全國農業和農村經濟發展第十二個五年規劃”提出大力發展設施農業，建設連棟溫室、日光溫室、鋼架大棚等農業設施，提高農產品均衡供應能力。目前，中國設施農業發展已具規模，但生產水平總體上還處于初級發展階段。設施農業機械主要借鑒于以內燃機為動力的大田機械，這些機械外形尺寸及結構重量大、操作不靈活、污染環境。相比之下，國外如日本、韓國和美國等對溫室中作業機具進行了開發、研究、推廣和應用，許多作業項目如耕整地、播種、間苗、中耕和除草等都已實現了機械化[1-2]，而進口產品價格高、維護不便、適應性差。設施農業機械技術水平己經制約了該產業的進一步發展。

針對以上問題和設施農業地表的農藝要求，本文研究設計了一種設施農業激光測控電動旋平機[3-5]，該設備不僅能旋松耕作土層，而且能精確平整設施地表，節能環保，旋平深度與旋平精度實時可控，可提升我國精準農田作業自動化設備水平，改善設施機械化程度，促進設施農業的發展，提高資源利用率。

1 整機結構與主要技術參數

1.1 整機結構

設施農業激光測控電動旋平機主要由電驅動橋升降系統、旋耕組件、激光精平系統、動力電池組和機架等組成，激光測控電動旋平機結構模型如圖1 所示。

圖1 設施農業激光測控電動旋平機結構模型

1.2 主要技術參數

根據實際調研北方現有溫室大棚結構尺寸和設施農業對旋耕作業的具體農藝要求，綜合考慮其它部件參數確定了激光測控電動旋平機的主要技術性能參數，見表1。

2 工作原理

按照北方溫室的土壤特性及旋耕作業的具體農藝要求，本設計以鉛酸蓄電池為動力源，經過行走與旋耕速度、旋耕深度的理論推導與試驗驗證，最終確定了合理的行走與旋耕參數。采用行走與旋耕雙動力驅動，選用電驅動一體橋經升降搖臂與電推桿連接組成電驅動橋升降系統結構，實現旋耕深度的實時控制；并配備激光測控掃平系統，激光接收器與平刀板固定連接，激光接收器接收激光發射器掃描的基準平面信號在其高度上的變化控制精平刀升降電推桿的伸縮，以實現精平刀的實時精確控制，從而達到旋耕精平一次完成的目的。

表1 主要技術性能參數

3 關鍵部件的設計與選擇

3.1 扭桿調平機構

精平刀雙扭桿調平機構如圖2 所示，主要包括雙彈性扭桿組件、轉軸組件、精平刀和兩個電推桿。精平刀處于工作位置時，在兩個電推桿同時伸縮的情況下，實現精平刀同升同降；在兩個電推桿獨立伸縮的情況下，利用雙彈性扭桿扭轉變形的特性，實現精平刀傾斜升降調節，從而保證精平刀實時與激光發射器掃描的基準平面平行，進而實現精平刀刃在作業過程中嚴格按照設定的作業面對地表進行平整的目的。

3.2 激光測控掃平系統

激光測控掃平系統包括LS523 型激光掃平儀、激光接收器、SCA116T-10-232 數字輸出型傾角傳感器、FX2N-48MT-D 型PLC 控制器及相關組件。將激光掃平儀產生的高精度激光平面作為精平機的作業基準平面，通過激光接收器全方位接收激光掃平儀發射出的激光信號，經光伏效應后，判斷精平刀兩端安裝的激光接收器中位偏離基準平面的距離，并將位置數據快速反饋到控制器進行運算處理。與此同時，控制器控制中間繼電器的通斷電，使相應的左右精平刀升降電推桿按要求動作，使精平刀的刀刃與設定的作業平面相一致。

4 結論

4.1 按照北方溫室的土壤特性，針對目前設施農業機械多以內燃機為動力，污染嚴重、一次旋耕、人工摟平、效率低等問題，設計搭建了一種集旋耕和精平于一身的設施農業激光測控電動旋平機。

4.2 在保證旋耕作業具體農藝要求的前提下，為滿足旋耕深度可調要求，采用電驅動一體橋技術，設計了以電推桿為動力的電驅動橋升降系統結構，以達到不同種植條件、不同耕深的實時控制。

4.3 設計了精平刀雙彈性扭桿獨立調平系統，在激光測控掃平系統的控制下，可實現精平刀同升、同降、傾斜升降調節，保證精平刀實時與激光發射器掃描的基準平面平行，進而實現刮刀切削刃在作業過程中嚴格按照設定的作業面對地表進行平整的目的。

[1] 農業部. 全國農業和農村經濟發展第十二個五年規劃[EB/OL] .[2012 一08 一31 ].www. moa. gov. cn / ztzl /shi-erwu/.

[2]喬學明,謝韻清,孫曉靜.設施農業機械化發展現狀、存在問題與對策[J].農業裝備技術,2010,02：4-5.

[3]吳紅雷,弋景剛,崔保健等.一種設施農業激光測控電動旋平機：中國，ZL201520244331.x[P].2014-07-06.

[4]孔德剛.大型農田激光測控精平機的研制[D].河北農業大學,2014.

[5]高輝松,朱思洪,史俊龍,楊井華,徐筱祿,常亞磊,陳勇.溫室大棚用電動微耕機研制[J].機械設計,2012,11：83-87.