免耕播種機自適應撥茬系統設計與試驗

李名偉,周 婧,白云龍,姜鑫銘,王增輝,黃東巖

(1.吉林農業大學 a.信息技術學院;b.工程技術學院,長春 130118;2.東北師范大學人文學院 理工學院,長春 130117;3.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室,長春 130022)

0 引言

免耕覆蓋種植是一項先進的耕作技術,具有防止水土流失、抗早防澇、增加土壤有機質、改善土壤結構、延長作物生長時間,以及提高作物產量的作用,近年來在中國東北地區已得到大面積推廣[1]。在免耕覆蓋種植模式下進行春播作業時,由于地表覆蓋著大量被粉碎還田的秸稈殘留物,容易纏繞并堵塞開溝和播種機構,嚴重影響播種作業質量[2]。因此,高質量的苗帶清秸作業是保障免耕覆蓋種植模式作業質量的前提基礎。

目前,苗帶清秸裝置根據工作原理可分為驅動式和被動式兩類[3]:驅動式撥茬裝置多為旋轉式工作部件,可滿足免耕播種機在大量秸稈覆蓋地表進行免耕播種要求,但由于其作業方式使得土壤擾動率大、功率消耗多,且結構復雜、成本高[4-5],未得到廣泛應用;被動式撥茬裝置由于具有土壤擾動小、保墑效果好及作業阻力低等優點[6]得到了廣泛研究和應用。Fallahi S和Raoufat M.H.[7]等人,設計了帶有尖齒的輪式行清秸裝置,由2個嚙合的輪盤組成,用于將秸稈橫向推移。試驗結果表明:行清秸裝置有助于保持種植深度和種子分布的一致性,可顯著提高植物的出苗率,同時得出增大作業速度有利于提高苗帶清秸率的結論。林靜等[8]設計了一種具有阿基米德螺旋線刃口的滾動圓盤式清秸裝置,能夠有效清理播種行內殘留物,為播種單體提供較好的工作環境。上述研究主要是針對清秸裝置的結構進行了優化設計,對于因地表起伏和秸稈覆蓋不均時所造成的秸稈清潔率低和工作幅寬穩定性差的問題,并沒有進行相應的研究。

針對目前被動式普通平面圓盤式撥茬機構在秸稈覆蓋地作業時存在的問題,在原有撥茬機構的基礎上,增加了氣壓傳動系統和壓力傳感器,設計了一套自適應撥茬系統。該系統利用壓力傳感器實時監測撥茬機構在不同秸稈覆蓋或地表起伏時的壓力變化,根據此變化調節氣壓傳動系統給撥茬機構提供相應的下壓力,確保撥茬機構工作幅寬的一致性,從而為播種單體清理出一條清潔穩定的條帶播種區域。

1 系統工作原理及總體結構

免耕播種機的播種帶清秸裝置安裝在其播種單體的正前方,撥茬機構是其主要工作部件。在實際田間作業時,撥茬機構的輪指插入粉碎秸稈及殘茬層并與恒定深度的土壤層接觸,在機具的拉力與土壤的反作用力形成的力偶下繞定軸被動轉動,實現將粉碎秸稈及殘茬進行撥動和側向推移拋擲的作用,為播種單體清理出一條清潔的條帶播種區域,如圖1所示。

1.播種單體總成 2.自適應撥茬系統 3.撥茬機構

氣壓傳動系統的執行部件是空氣彈簧,作用是為撥茬機構提供附加下壓力,從而確保工作幅寬的一致性。S型壓力傳感器用于實時監測撥茬機構在秸稈覆蓋不同或地表起伏時壓力的變化,是自適應撥茬系統的信號輸入部件,它們通過連接件相連接,兩端通過鉸接的方式安裝在如圖2所示1的位置,與豎直方向成45°的夾角。

1.深度調節裝置 2.撥茬機構

自適應撥茬系統主要由S型壓力傳感器、控制器、電-氣比例閥、空氣彈簧、空氣壓縮機和氣罐等部分組成,如圖3所示。相應的實物圖如圖4所示。系統作業前,通過設定限深調節盤給撥茬機構一個初始的工作幅寬,同時設置氣壓傳動系統,使空氣彈簧為撥茬機構提供附加下壓力,從而使撥茬機構在重力和下壓力的作用下達到預設的工作幅寬。作業時,由于土壤堅實度和秸稈殘留物覆蓋的不同,導致撥茬機構的工作幅寬不一致,S型壓力傳感器的輸出壓力因撥茬機構的起伏而改變,可以通過實時監測S型壓力傳感器的壓力值來檢測撥茬機構的作業深度。當入土深度小于(或大于)預設值時,控制器根據當前傳感器輸出信號值和預設深度值之間的差值,計算輸出調控信號,使其作用于電-氣比例閥,從而增大(或減小)空氣彈簧的氣壓,增加(或減小)撥茬機構的下壓力,使其達到預設作業深度,從而保證苗帶幅寬的一致性。

圖3 系統結構框圖

1.儲氣罐 2.繼電器 3.控制器 4.空氣壓縮機 5.S型壓力傳感器

2 氣壓傳動系統設計及性能測試

2.1 氣壓傳動系統設計

空氣彈簧、電-氣比例閥、過濾器、放氣閥、儲氣罐和空氣壓縮機共同組成了氣壓傳動系統,如圖5所示。空氣壓縮機可以將空氣進行壓縮,并將壓縮的氣體存儲在儲氣罐中,這是整個氣動系統的氣體來源。儲氣罐的容積有限,當其中的氣體將要達到儲氣罐容量時,必需使空氣壓縮機停止工作。因此,采用了氣壓傳感器和繼電器模塊,實時監測和控制儲氣罐氣壓,使其在正常的存儲范圍內。為了避免田間作業時,含有粉塵和雜質小顆粒的氣體對電-氣比例閥的影響,在儲氣罐和電-氣比例閥之間增加了空氣過濾器。電-氣比例閥可以根據控制信號的大小相應地輸出氣壓力,控制空氣彈簧產生的推力,從而保證撥茬機構工作幅寬的穩定,進而達到苗帶清秸幅寬一致的目的。

1.空氣彈簧 2.電-氣比例閥 3.過濾器 4.放氣閥

2.2 氣壓傳動系統測試

為檢測氣動系統輸出壓力的范圍,設計了壓力測試試驗,如圖6所示。空氣彈簧安裝在2個帶有彈簧的固定支架中,氣動系統產生的壓力可以直接轉換成彈簧的形變,根據胡克定律,可以直接計算出氣動系統輸出壓力的大小;采用數據采集卡和位移傳感器記錄彈簧的位移和系統的響應時間。

1.空氣彈簧 2.支架 3.數據采集卡 4.位移傳感器

通過按鍵模塊使單片機的DAC端口輸出最大的模擬值,再以此控制電-氣比例閥,使其瞬間輸出最大的氣壓值,即給電-氣比例閥提供一個階躍信號,記錄空氣彈簧從空到充滿時位移傳感器的響應狀況。圖7為試驗過程中記錄的位移-時間響應曲線。從圖7可以看出:位移傳感器的位移變化了40.3mm,響應時間為0.48s,支架彈簧彈性系數k為64kn/m,根據胡克定律F=kx,可以得出氣動系統的推力范圍為0～2 579.2N。空氣彈簧產生的力為FN,可以分解為水平和豎直方向兩個分力,撥茬機構需要的下壓力由垂直分力F提供,其可由式(1)予以計算,即

F=FN·cosθ

(1)

進而可以算出輸出到撥茬機構的下壓力可調范圍為0～1 824N,滿足系統設計的需求。

圖7 空氣彈簧響應曲線

3 幅寬自適應系統硬件設計

3.1 硬件設計

本設計中,采用了STM32F103ZET6作為系統的核心控制器。該芯片采用ARM V7架構的Cortex-90M3內核,內部集成了3個12位的ADC模塊(模擬/數字轉換器)和1個12位的DAC模塊(數字/模擬轉換器),高達72MHz的運行頻率,完全滿足設計的需求。系統的主要硬件電路如圖8所示。

圖8中,U1為核心控制器芯片STM32F103ZET6;標號P7采用的是型號為MIK-LCS1的S型壓力傳感器,其信號輸出端S+和S-通過P6變送放大器后,與單片機的ADC輸入引腳PA1相連接;P4為DP-101型氣壓傳感器,用于檢測儲氣罐的氣壓,如果氣壓達到預設氣壓值時,則在其控制引腳產生一個高電平的中斷信號,此信號經電阻分壓后與單片機的中斷接收引腳PA6相連,此時單片機接收到中斷指令,控制空氣壓縮機停止運作;繼電器K1、電阻R5、R6、三極管Q1及二極管D2共同組成了空氣壓縮機的控制電路。當儲氣罐內氣壓小于設定氣壓值時,氣壓傳感器的控制引腳輸出一個低電平的信號,此時單片機控制PA7引腳輸出高電平,使固態繼電器K1閉合,進而使得空氣壓縮機工作,為儲氣罐充氣。PA4為單片機的DAC輸出引腳,經運算放大器LM358的放大后,變成0～5V的模擬電壓,再經過電壓線性放大器P1的放大,最終變成可以被電-氣比例閥P2直接應用的輸入信號,用于調節空氣彈簧的氣壓大小。電-氣比例閥的具體型號為ITV305-322L。KEY0～KEY3為按鍵模塊,用于輸入撥茬機構的幅寬和控制精度,TFT-LCD顯示模塊則用于作業信息的實時顯示。

圖8 系統硬件原理圖

3.2 軟件設計

系統的軟件流程圖,如圖9所示。

圖9 系統軟件工作流程

系統工作前,采用數組形式存儲清秸裝置工作幅寬與S型壓力傳感器輸出檢測值之間的轉換參數,通過按鍵模塊設置系統的工作幅寬和作業精度;然后,STM32單片機讀取S型壓力傳感器輸出信號值,并根據存儲的轉換參數將其換算成對應的幅寬值Br,此時的幅寬值Br即為實時檢測幅寬。如果實時檢測幅寬Br大于設定的工作幅寬閾值B0(設定的工作幅寬±作業精度),則STM32單片機將計算出對應的差值△B(△B=Br-B0),據此控制電氣比例閥減少氣壓輸出,使空氣彈簧對地面的下壓力減少,從而使清秸裝置回到設定的工作幅寬;反之,如果Br小于B0,則STM32單片機根據二者差值△B(△B=B0-Br),相應的增加空氣彈簧的氣壓值,以保持清秸裝置按設定幅寬進行作業。同時,相關信息(如設定幅寬B0、檢測幅寬Br等)將在液晶顯示屏上予以顯示。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

2018年10月,在吉林農業大學試驗基地進行了秋季試驗,試驗期間日平均氣溫為14℃,無降雨。試驗地為全量秸稈粉碎還田的玉米秸稈,粉碎秸稈長度為8～12cm。自適應撥茬系統安裝在免耕播種機的撥茬機構上,由John Deere 504型拖拉機提供牽引力。試驗時,將安裝了自適應撥茬系統的撥茬機構與普通撥茬機構進行了對比試驗,將撥茬機構的入土深度均調整為20mm,機具的作業速度分別為6、7、8km/h;每組試驗的作業長度為50m,包括兩端預留的10m調整區和中間穩定工作的30m數據采集區。

4.2 試驗指標的確定

4.2.1 工作幅寬

每次試驗結束后,使用鋼板尺對測點的工作幅寬進行測量,測量穩定工作區內間隔2m連續選取10個測點,記錄工作幅寬的數據并將計算的平均值作為試驗結果。試驗重復3次。

4.2.2 幅寬變異系數

將每組試驗后記錄的工作幅寬值帶入式(2)中,計算出系統的工作幅寬變異系數ε,即

(2)

式中ε—工作幅寬變異系數(%);

li—第i個測量的工作幅寬(mm);

n—測量工作幅寬的數量。

4.2.3 苗帶清潔率

試驗前,在將要試驗的20m數據采集區內隨機選擇3個3m×0.65m的測試小區,收集小區內的秸稈并稱取質量,得到試驗前秸稈殘留物的單位質量為W。

每組試驗后,分別收集3個測試小區內秸稈殘留物,小區長度為3m,寬度為實際苗帶清潔的寬度,被清理的苗帶內秸稈殘留物單位質量為W1。

因此,苗帶清秸率C為

(3)

式中C—苗帶清秸效率(%);

W—試驗前田間秸稈殘留物單位質量(kg);

W1—被清理的苗帶內秸稈殘留物單位質量(kg)。

4.3 田間試驗結果與分析

撥茬機構和自適應撥茬系統作業后地表情況如圖10所示。其中,A1為在撥茬機構上安裝了自適應撥茬系統的苗帶清理情況,B1為普通撥茬機構在田間的作業情況。試驗結果如表1所示。

圖10 田間作業后地表情況

田間試驗表明:自適應撥茬系統可以適應不同的作業速度要求,在6、7、8km/h3種不同的作業速度下,安裝了自適應撥茬系統的撥茬機構幅寬變異系數分別為9.5%,8.7%和8.6%,比普通撥茬機構的變異系數降低了7.0%、8.9%和9.7%,其工作幅寬穩定性上明顯高于普通的撥茬機構。從苗帶清秸率可以看出:在6、7、8km/h3種不同的作業速度下,自適應撥茬系統使撥茬機構的苗帶清秸率分別提高了12.0%、13.4%、14.8%,且當前進速度增大時,苗帶清秸率隨之提高。當前進速度由6km/h增加到7km/h時,苗帶清秸率提高了2.2%;當前進速度由7km/h增加到8km/h時,苗帶清秸率提高了2.5%。因此,自適應撥茬系統使撥茬機構的作業過程更加高效和穩定,可以為播種單體清理出一條清潔且穩定的條帶播種區域。

表1 對比試驗結果

5 結論

1)設計了一套自適應撥茬系統。該系統采用S型壓力傳感器作為撥茬機構的對地壓力檢測元件,并根據傳感器的輸出信號變化,控制氣壓傳動系統實時調節空氣彈簧對撥茬機構的下壓力,提高了撥茬機構工作幅寬的穩定性。

2)田間對比試驗結果顯示:在播種速度為6、7、8km/h時,自適應撥茬系統使撥茬機構的工作幅寬變異系數分別減小了7.0%、8.9%和9.7%,清秸率分別提高了12.0%、13.4%、14.8%。由此可知:安裝了自適應撥茬系統的撥茬機構在工作幅寬穩定性和清秸率上均優于普通撥茬機構,能夠滿足農藝設計要求,可為播種單體清理出一條清潔且幅寬穩定的條帶播種區域。