數理統計分析算法下智能插秧機作業優化研究

曾翔宇

(吉林開放大學,長春 130022)

0 引言

水稻插秧機作業規范,水稻成行性好,利于水稻光照和通風,能夠有效提高產量,便于種植過程中的機械化作業[1]。隨著新能源使用的不斷推進,電動水稻插秧機的應用也更加普遍,傳統的燃料插秧機工作性能穩定,但隨著環境與能源問題的突出,新能源農業機械設備成為現代農業發展的趨勢。隨著電機的電池控制技術的發展,新能源農業機械設備也進入到實踐推廣過程中,而電力驅動插秧機能夠有效降低插秧過程中的人力成本[2-3]。傳統插秧機結構復雜、質量大,工作過程中消耗較多的能源,排放廢氣和噪音。電力驅動水稻插秧機采用多個電機直接驅動插秧機執行構件,簡化了插秧機動力傳輸過程,使插秧機的整機質量明顯降低,從而減少工作過程的能源消耗[4]。精準掌握插秧機執行機構實際功率是進行插秧機電機分布的前提,對于插秧機載荷與作業行進速度進行計算分析,是確保插秧機電力分配的基礎[5-7]。

筆者通過對電力驅動水稻插秧機進行系列試驗,確定插秧機執行機構功率參數和驅動電機參數,優化插秧機電池容量與作業參數,旨在為電動插秧機的精準化設計提供參考。

1 插秧機總體設計

插秧機的結構形式主要為四輪乘坐式插秧機、無驅動步進式插秧機和兩輪手扶式插秧機[8]。四輪插秧機以農用柴油機為動力源,工作過程動力大,工作效率高;無驅動步進式插秧機采用人力拖動的方式進行工作,工作效率低,插秧機整體質量輕,便于作業過程搬運;兩輪手扶式插秧機質量和工作效率處于四輪乘坐式插秧機和無驅動步進式插秧機之間[9-10]。

本文研究的水稻插秧機為2輪3浮板式,搭載直流電機改造成電動式水稻插秧機,包含2個行走水輪,行走機構使用1臺電機進行驅動,仿形機構使用1臺電機驅動,插秧機構使用1臺電機驅動[11]。仿形機構驅動電機驅動旋轉絲杠,帶動機構傳動臂轉動;行走機構驅動電機固定在水輪支撐臂上,依靠鏈條傳動驅動行走水輪,插秧機兩個水輪能夠獨立工作;插秧機構驅動電機能根據行進速度進行調節,實現秧苗的分插作業。

2 插秧機牽引力與功率設計

電動插秧機牽引力試驗過程中,當行進速度較低時,浮板漂浮于排水層,浮板與泥土之間形成較大的粘滯阻力,當行進速度小于0.25m/s時,插秧機牽引力較大;當插秧機行進速度大于0.3m/s時,泥土粘滯阻力降低,牽引力與速度之間近似呈正比關系[12-13]。進行牽引力試驗時,選擇試驗速度為0.3、0.4、0.5、0.6m/s,插秧機載荷分別為0、20、40、60、80、100kg,分別進行20次試驗統計。圖1(a)所示為行進速度為0.3m/s時,不同載荷條件下插秧機牽引力試驗數據曲線;圖1(b)所示為行進速度為0.4m/s時,不同載荷條件下插秧機牽引力試驗數據曲線;圖1(c)所示為行進速度為0.5m/s時,不同載荷條件下插秧機牽引力試驗數據曲線;圖1(d)所示為行進速度為0.6m/s時,不同載荷條件下插秧機牽引力試驗數據曲線。

(a)行進速度0.3m/s

(b)行進速度0.4m/s

(c)行進速度0.5m/s

(d)行進速度0.6m/s圖1 插秧機牽引力試驗數據曲線Fig.1 Experimental data curve of traction force of transplanter

表1所示為牽引力數理統計數據結果。由表1可知:插秧機作業過程中,牽引力大小主要受到載荷的影響,牽引力大小受行進速度的影響較小。

當插秧機設計載荷為100kg時,插秧機仿形機構進行提升,提升速度為0.15m/s,此時仿形機構驅動平均功率為315W。分叉機構驅動電機驅動分插變速箱,帶動秧苗針和秧苗板,在滿載狀態下,分插機構驅動功率為250W。根據以上試驗分析數據,確定插秧機牽引驅動功率、仿形機構驅動功率及分插機構驅動功率分配方案如表2所示。

表1 牽引力數理統計數據結果Table 1 Results of mathematical statistics of traction force N

表2 驅動電機功率分配方案Table 2 Drive motor power distribution scheme

3 插秧機動力試驗分析與參數優化

插秧機仿形機構啟動過程中,在水田當中的功率函數為

Q=Fdv+pt(v)

其中,Q為插秧機作業功率;Fd為插秧機牽引力;v為行進速度;pt(v)為插秧機功率速度函數。

插秧機功率速度函數可表示為

pt(v)=157v+148.8

表3所示為插秧機功率特性分布參數。

表3 插秧機功率特性分布參數Table 3 Power characteristic distribution parameters of transplanter W

蓄電池最大連續作業面積可表示為

其中,S為連續作業面積;Gl為蓄電池質量;ρb為蓄電池能量密度;d為插秧機作業寬度。

進行插秧機連續作業面積試驗時,選擇試驗速度為0.3、0.4、0.5、0.6m/s,插秧機載荷分別為0、20、40、60、80、100kg,分別進行20次試驗統計。圖2(a)所示為行進速度為0.3m/s時,不同載荷條件下插秧機連續作業面積試驗數據曲線;圖2(b)所示為行進速度為0.4m/s時,不同載荷條件下插秧機連續作業面積試驗數據曲線;圖2(c)所示為行進速度為0.5m/s時,不同載荷條件下插秧機連續作業面積試驗數據曲線;圖2(d)所示為行進速度為0.6m/s時,不同載荷條件下插秧機連續作業面積試驗數據曲線。

(a)行進速度0.3m/s

(b)行進速度0.4m/s

(c)行進速度0.5m/s

(d)行進速度0.6m/s圖2 插秧機連續作業面積試驗數據曲線Fig.2 Experimental data curve of continuous working area of transplanter

表4所示為連續作業面積數理統計數據結果。

表4 連續作業面積數理統計數據結果

插秧機使用電池質量為100kg,當行進速度為0.5m/s時,最大連續插秧作業面積為8445m2,可連續作業4h,插秧機作業功率為1025W,當采用48V蓄電池時,電源額定容量為83.5Ah。

4 結論

中小功率電動插秧機質量輕、體積小,具有輕量化的特點,應用范圍廣泛,針對小地塊水田和丘陵地區的使用優勢更加突出。因此,以高能量密度蓄電池為電源,可有效提升插秧機動力性能,且隨著電動控制技術的快速發展,電動插秧機的應用前景更加廣闊。