1SZL-420型智能深松整地聯合作業機的設計與試驗

沈景新,焦 偉,孫永佳,2,王欽祥,孫宜田,2,李青龍,2,陳 剛

(1.山東省農業機械科學研究院,濟南 250100;2.山東大學 機械工程學院,濟南 250100)

0 引言

深松聯合整地作業是指通過農業機械對土壤進行深松、細碎、平整和鎮壓等處理[1],能夠達到改善土壤結構、調節土壤三相比、減輕土壤侵蝕和提高土壤蓄水抗旱能力的目的,為播種作業提供一個合適的土壤種床環境,有利于實現作物產量提高的目標[2-3]。傳統的整地作業需要拖拉機掛接犁、深松機、旋耕機等不同作業機具多次下地作業才能完成松耕、細碎和鎮壓等作業環節[4-5]。機具的多次進地造成土壤團粒結構的嚴重破壞,導致土壤肥沃性衰退,嚴重制約農業生產的可持續發展[6-8]。

深松聯合整作業機具一次進地作業即可完成深松、滅茬、旋耕等作業,形成中上層細碎、底層松軟透氣的耕層環境[9],達到種子播前的整地要求。目前,國內外學者已對聯合整地作業機械進行了大量研究[10-12],整機加工和制造技術先進,作業速度快,生產質量高。如美國CAISE730B型聯合整地機,一次作業即可完成松耙、合墑和碎土等作業,整機可液壓折疊。

美國DEER2210聯合作業機作業幅寬可達22m,一次作業完成深松、平地及土壤細碎,作業完成后地表平整。我國對深松聯合整地機具進行了一定的研究。楊華等對高速滅茬機構和深松碎土鏟等關鍵部件進行了研究,研制了1GZM-35型滅茬深松整地聯合作業機,但并未設計深松檢測裝置[13]。田艷博等對深松鏟進行改進,采用分層耕作方式,研制分層深松整地機[14]。左勝甲等研制基于氣壓劈裂原理的氣壓深松機,該機通過對耕地內部注入高壓氣體,使土壤內部形成裂隙,并闡釋了氣壓深松機工作原理[15]。邱立春等對深松鏟柄、鏟頭、立式旋刀等主要工作部件進行了結構設計和參數優化,研制了立旋式深松聯合耕整地機[16]。李青龍等研制基于DSP的深松整地監控系統,采用機械接觸式測量方式,存在結構復雜等問題[17]。丁瑞華采用S3C2440作為處理器研制了深松深度測量監控系統,進行了試驗測試[18]。

為此,以提高深松整地效果和深松深度測量準確性為目標,設計了一款智能深松整地聯合作業機械。該機將旋耕與深松相結合,完成深層土壤松耕和淺層土壤細碎,為播種提供合適的種床環境;耕松檢測裝置對深松深度進行實時檢測,提高深松質量;對整機結構及關鍵部件進行優化設計,并進行了試驗分析。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

1SZL-420型智能深松整地聯合作業機結構如圖1所示。通過合理匹配主要工作部件的參數和對整機機構的優化設計,旋耕掛接機構和鎮壓輥掛接機構采用掛接鏈孔設計,可根據土壤墑情和作業需要,通過掛接旋耕掛接機構、鎮壓輥掛接機構不同位置的掛接鏈孔,實現調節深松深度、旋耕深度、鎮壓強度等參數的獨立調整,提高了整機工作質量的穩定性及可靠性。同時,在作業過程中可通過控制旋耕深度調節油缸微調的旋耕裝置的作業深度,實現旋耕深度免停機調整,提高整機作業效率和作業質量。

1.2 工作原理

整機由拖拉機提供作業動力,通過上下掛節點與拖拉機后懸掛進行連接,通過萬向節與動力傳動機構連接,為旋耕機提供旋耕動力。進地作業前,首先調節旋耕深度、鎮壓強度等參數,并調節與機具上掛節點鏈接的上拉桿的長度,使整機在作業時保持水平狀態。作業過程中,通過深松鏟切開土壤,并對土壤進行擠壓,使工作深度上的土壤開裂和初步破碎,打破犁底層的土壤結構,并形成貫通作業的“鼠道”;通過深松鏟柄對土壤進行平行運移,不打亂土層,不翻土,實現全方位深松;利用旋耕機構的旋耕作用,對中上層土壤進行細碎,形成適合播種作業的土壤種床條件;鎮壓輥對松整后的土壤進行鎮壓,具有蓄水保墑的作用。

2 關鍵部件研究和設計

2.1 整機機架

整機機架是連接各個主要工作部件的骨架,為各個零部件提供安裝固定位置,并與配套動力相掛接。機架由主機架、旋耕機機架及鎮壓輥機架3部分組成,如圖2所示。

2.2 深松鏟

深松鏟是深松聯合整地機的主要工作部件[19-22],其結構對作業阻力和深松質量具有決定性的影響。為實現高效低阻的設計目標,采用元線設計法對深松鏟柄的曲面進行優化,如圖3所示。重點對元線、曲導線及元線在水平面內的投影與xoz面所形成的銳角夾角θ的變化規律進行設計。

1.鎮壓輥機架 2.旋耕機機架 3.主機架

圖3 深松鏟柄曲面模型

圖3中,元線角θ的變化規律為

θ=f(z)

(1)

其中,θ為元線角,即元線在水平面內的投影與xoz面的夾角。

結合深松過程土壤的運移規律,為獲得較大土壤擾動的同時避免深松鏟翻土,設定元線角θ為小銳角;元線的起始位置與水平面的夾角為β,降低深松鏟的入土阻力。元線沿導曲線上升運動的過程中,元線角θ不斷減小,在深松最小深松深度以內變為0,使得元線與深松鏟前進方向平行,防止深松鏟柄的翻土。鏟柄前端面采用切土刃口設計,減小深松鏟與土壤的接觸面積,降低深松作業的阻力和動力消耗。為降低深松阻力,深松鏟鏟柄與土壤接觸斷面設計有刃口,有效降低切土阻力。深松鏟的易磨損部件采用模塊化設計,在磨損部件后可快速更換,降低深松鏟的維修成本。深松鏟的結構如圖4所示。

1.鏟尖 2.松土翼 3.鏟柄 4.底座

2.3 旋耕機構

旋耕機構的主要作用是對表層土壤進行破碎,并將地表土壤與中上層土壤混合,為播種作業提供良好的土地條件[23],結構示意圖如圖5所示。旋耕刀設計為帶圓角過渡的L型,采用均布方式安裝于旋耕刀輥上,作業過程中形成封閉的切削空間,防止雜草纏繞在刀輥上。

1.旋耕刀輥 2.護罩 3.壓緊機構 4.機架 5.變速箱 6.掛接機構

2.4 鎮壓裝置

鎮壓機構的作用是將旋耕后的表層土壤進行壓實,有利于保水保墑,結構示意圖如圖6所示。在鎮壓機構表面設計有交錯排列的波紋齒,通過波紋齒與土壤的交互作用降低土壤對鎮壓輥的粘附,提高鎮壓機構的鎮壓作業效果,避免土壤失墑。

1. 鎮壓輥 2.機架 3.拉板 4.調節機構

2.5 深松監控系統

深松監控系統主要由機具識別模塊、深松檢測傳感器、控制器、觸控顯示屏、速度傳感器等組成,具有深松深度自動檢測及分析、作業面積測算等功能,結構示意圖如圖7所示。機具識別模塊安裝于機具的機架主橫梁上,記錄機具的基本參數,如作業幅寬、機具型號、深松鏟高度和三點懸掛離地高度等。深松深度檢測傳感器采用六軸陀螺儀實時檢測機具的耕深傾角,通過公式換算為實際的耕深值。該模塊還可以通過六軸加速度的檢測來識別機具是否靜止,加速度為零時耕深值也為零。觸控顯示屏顯示實時的作業速度、平均耕深、當前耕深、作業面積等參數,并可通過歷史數據查看作業記錄,界面如圖8所示。

圖7 監控系統結構示意圖

圖8 觸控液晶屏界面圖

3 監控系統軟件設計

傳感器安裝后,首先將鏟尖接觸地面,由深松檢傳感器獲取拖拉機下懸掛臂與水平線的夾角,并將此角度作為固定值記錄。作業開始后,深松鏟鏟尖下降至土壤表面以下合適位置,拖拉機下懸掛臂繞轉動中心不斷旋轉,深松檢測傳感器采集角度變化。結合下懸臂梁的長度,得出深松深度的計算公式為

h=R·sinθ1+R·sinθ2

式中h—實際耕深(cm);

R—深松鏟底座到懸掛臂轉動中心的距離(cm);

θ1—角度初始值(°);

θ2—角度變化值(°)。

深松深度結構示意圖如圖9所示。

圖9 深松深度計算示意圖

4 田間試驗及分析

機具在山東大華機械有限公司試驗場進行了大量田間試驗。通過田間試驗,分析機具的工作性能和深松深度檢測系統的準確性,為提升機具工作性能提供基礎。試驗時,通過觸控顯示屏獲取不同作業速度下、不同位置深松深度檢測傳感器測量的檢測值,并與人工測量值進行對比,所測數值與檢測值計算的相對誤差如表1所示。

由表1可知:設計的深松檢測系統的深松顯示值與實測值的誤差在5%以內。通過不同作業速度下多次試驗驗證了深松檢測系統的準確性與可靠性,滿足田間作業要求,具有良好的適應性。

機具田間試驗如圖10所示。田間試驗表明:1SZL-420型智能深松整地聯合作業機結構設計合理,一次進地能夠完成深松、旋耕、整地等作業,為播種提供合適的種床土壤。

圖10 機具田間試驗圖

5 結論

1)在三維建模和需求分析的基礎上,完成整機和關鍵部件結構和參數的設計。根據深松過程中土壤的運移規律,采用基于元線設計的深松鏟柄曲面的設計方法,明確了影響深松效果的關鍵參數,建立了鏟柄曲面的設計模型,并對深松鏟柄的曲面進行優化設計,獲得深松鏟鏟柄的外形曲面,設計出高效低阻的側曲深松鏟。

2)以TMS320F28335為核心芯片,設計了深松監控系統。該系統采用六軸陀螺儀實時檢測機具的耕深傾角,根據拖拉機懸掛臂與深松鏟的位置關系,建立了深松深度測量的數學模型,優化深松深度濾波算法,實現了深松深度實時精準測量。

3)田間試驗表明:設計的側曲深松鏟能全方位地深松土壤,深松深度25～50cm可調,作業時不打亂土層、不翻土;設計的旋耕裝置能夠細碎、疏松中上層土壤,形成有利于免耕播種的土壤結構;設計的鎮壓機構對表層土壤進行壓實,最大程度地減少土壤失墑;整機作業速度為4.5km/h時,深松深度測量誤差最大為4.4%,深松深度監控裝置工作穩定可靠,為提高作業質量和科學監管提供依據。