免耕播种机自适应拨茬系统设计与试验
发布时间：2020-02-19
摘要:针对免耕播种机在秸秆覆盖地作业时，拨茬机构清秸率较低和工作幅宽稳定性较差，影响播种作业质量的问题，设计了一套可在全量秸秆覆盖地进行高效清秸作业的自适应拨茬系统。该系统在传统拨茬机构的基础上，增加了气压传动系统和压力传感器，利用压力传感器实时监测拨茬机构在地表起伏或秸秆覆盖不均时的对地压力变化，根据此变化调节气压传动系统给拨茬机构提供相应的下压力，从而确保拨茬机构工作幅宽的一致性。田间试验结果表明:在播种速度为6、7、8km/h时，自适应拨茬系统使拨茬机构的幅宽变异系数分别减小了7.0%、8.9%和9.7%，清秸率分别增大了12.0%、13.4%、14.8%，提高了普通拨茬机构的作业性能，满足播种作业农艺技术要求，可为播种单体清理出一条清洁且幅宽稳定的条带播种区域。
关键词:免耕播种;拨茬机构;幅宽自适应;气压传动;压力测试
0引言
免耕覆盖种植是一项先进的耕作技术，具有防止水土流失、抗早防涝、增加土壤有机质、改善土壤结构、延长作物生长时间，以及提高作物产量的作用，近年来在中国东北地区已得到大面积推广[1]。在免耕覆盖种植模式下进行春播作业时，由于地表覆盖着大量被粉碎还田的秸秆残留物，容易缠绕并堵塞开沟和播种机构，严重影响播种作业质量[2]。因此，高质量的苗带清秸作业是保障免耕覆盖种植模式作业质量的前提基础。
目前，苗带清秸装置根据工作原理可分为驱动式和被动式两类[3]:驱动式拨茬装置多为旋转式工作部件，可满足免耕播种机在大量秸秆覆盖地表进行免耕播种要求，但由于其作业方式使得土壤扰动率大、功率消耗多，且结构复杂、成本高[4-5]，未得到广泛应用;被动式拨茬装置由于具有土壤扰动小、保墒效果好及作业阻力低等优点[6]得到了广泛研究和应用。FallahiS和RaoufatM.H.[7]等人，设计了带有尖齿的轮式行清秸装置，由2个啮合的轮盘组成，用于将秸秆横向推移。试验结果表明:行清秸装置有助于保持种植深度和种子分布的一致性，可显著提高植物的出苗率，同时得出增大作业速度有利于提高苗带清秸率的结论。林静等[8]设计了一种具有阿基米德螺旋线刃口的滚动圆盘式清秸装置，能够有效清理播种行内残留物，为播种单体提供较好的工作环境。上述研究主要是针对清秸装置的结构进行了优化设计，对于因地表起伏和秸秆覆盖不均时所造成的秸秆清洁率低和工作幅宽稳定性差的问题，并没有进行相应的研究。
针对目前被动式普通平面圆盘式拨茬机构在秸秆覆盖地作业时存在的问题，在原有拨茬机构的基础上，增加了气压传动系统和压力传感器，设计了一套自适应拨茬系统。该系统利用压力传感器实时监测拨茬机构在不同秸秆覆盖或地表起伏时的压力变化，根据此变化调节气压传动系统给拨茬机构提供相应的下压力，确保拨茬机构工作幅宽的一致性，从而为播种单体清理出一条清洁稳定的条带播种区域。
1系统工作原理及总体结构
免耕播种机的播种带清秸装置安装在其播种单体的正前方，拨茬机构是其主要工作部件。在实际田间作业时，拨茬机构的轮指插入粉碎秸秆及残茬层并与恒定深度的土壤层接触，在机具的拉力与土壤的反作用力形成的力偶下绕定轴被动转动，实现将粉碎秸秆及残茬进行拨动和侧向推移抛掷的作用，为播种单体清理出一条清洁的条带播种区域，如图1所示。
气压传动系统的执行部件是空气弹簧，作用是为拨茬机构提供附加下压力，从而确保工作幅宽的一致性。S型压力传感器用于实时监测拨茬机构在秸秆覆盖不同或地表起伏时压力的变化，是自适应拨茬系统的信号输入部件，它们通过连接件相连接，两端通过铰接的方式安装在如图2所示1的位置，与竖直方向成45°的夹角。
自适应拨茬系统主要由S型压力传感器、控制器、电-气比例阀、空气弹簧、空气压缩机和气罐等部分组成，如图3所示。相应的实物图如图4所示。系统作业前，通过设定限深调节盘给拨茬机构一个初始的工作幅宽，同时设置气压传动系统，使空气弹簧为拨茬机构提供附加下压力，从而使拨茬机构在重力和下压力的作用下达到预设的工作幅宽。作业时，由于土壤坚实度和秸秆残留物覆盖的不同，导致拨茬机构的工作幅宽不一致，S型压力传感器的输出压力因拨茬机构的起伏而改变，可以通过实时监测S型压力传感器的压力值来检测拨茬机构的作业深度。当入土深度小于(或大于)预设值时，控制器根据当前传感器输出信号值和预设深度值之间的差值，计算输出调控信号，使其作用于电-气比例阀，从而增大(或减小)空气弹簧的气压，增加(或减小)拨茬机构的下压力，使其达到预设作业深度，从而保证苗带幅宽的一致性。
2气压传动系统设计及性能测试
2.1气压传动系统设计
空气弹簧、电-气比例阀、过滤器、放气阀、储气罐和空气压缩机共同组成了气压传动系统，如图5所示。空气压缩机可以将空气进行压缩，并将压缩的气体存储在储气罐中，这是整个气动系统的气体来源。储气罐的容积有限，当其中的气体将要达到储气罐容量时，必需使空气压缩机停止工作。因此，采用了气压传感器和继电器模块，实时监测和控制储气罐气压，使其在正常的存储范围内。为了避免田间作业时，含有粉尘和杂质小颗粒的气体对电-气比例阀的影响，在储气罐和电-气比例阀之间增加了空气过滤器。电-气比例阀可以根据控制信号的大小相应地输出气压力，控制空气弹簧产生的推力，从而保证拨茬机构工作幅宽的稳定，进而达到苗带清秸幅宽一致的
2.2气压传动系统测试
为检测气动系统输出压力的范围，设计了压力测试试验，如图6所示。空气弹簧安装在2个带有弹簧的固定支架中，气动系统产生的压力可以直接转换成弹簧的形变，根据胡克定律，可以直接计算出气动系统输出压力的大小;采用数据采集卡和位移传感器记录弹簧的位移和系统的响应时间。
通过按键模块使单片机的DAC端口输出最大的模拟值，再以此控制电-气比例阀，使其瞬间输出最大的气压值，即给电-气比例阀提供一个阶跃信号，记录空气弹簧从空到充满时位移传感器的响应状况。图7为试验过程中记录的位移-时间响应曲线。从图7可以看出:位移传感器的位移变化了40.3mm，响应时间为0.48s，支架弹簧弹性系数k为64kn/m，根据胡克定律F=kx，可以得出气动系统的推力范围为0～2579.2N。空气弹簧产生的力为FN，可以分解为水平和竖直方向两个分力，拨茬机构需要的下压力由垂直分力F提供，其可由式(1)予以计算，
3幅宽自适应系统硬件设计
3.1硬件设计
本设计中，采用了STM32F103ZET6作为系统的核心控制器。该芯片采用ARMV7架构的Cortex-90M3内核，内部集成了3个12位的ADC模块(模拟/数字转换器)和1个12位的DAC模块(数字/模拟转换器)，高达72MHz的运行频率，完全满足设计的需求。系统的主要硬件电路如图8所示。
图8中，U1为核心控制器芯片STM32F103ZET6;标号P7采用的是型号为MIK-LCS1的S型压力传感器，其信号输出端S+和S-通过P6变送放大器后，与单片机的ADC输入引脚PA1相连接;P4为DP-101型气压传感器，用于检测储气罐的气压，如果气压达到预设气压值时，则在其控制引脚产生一个高电平的中断信号，此信号经电阻分压后与单片机的中断接收引脚PA6相连，此时单片机接收到中断指令，控制空气压缩机停止运作;继电器K1、电阻R5、R6、三极管Q1及二极管D2共同组成了空气压缩机的控制电路。当储气罐内气压小于设定气压值时，气压传感器的控制引脚输出一个低电平的信号，此时单片机控制PA7引脚输出高电平，使固态继电器K1闭合，进而使得空气压缩机工作，为储气罐充气。PA4为单片机的DAC输出引脚，经运算放大器LM358的放大后，变成0～5V的模拟电压，再经过电压线性放大器P1的放大，最终变成可以被电-气比例阀P2直接应用的输入信号，用于调节空气弹簧的气压大小。电-气比例阀的具体型号为ITV305-322L。KEY0～KEY3为按键模块，用于输入拨茬机构的幅宽和控制精度，TFT-LCD显示模块则用于作业信息的实时显示。
3.2软件设计
系统的软件流程图，如图9所示。
系统工作前，采用数组形式存储清秸装置工作幅宽与S型压力传感器输出检测值之间的转换参数，通过按键模块设置系统的工作幅宽和作业精度;然后，STM32单片机读取S型压力传感器输出信号值，并根据存储的转换参数将其换算成对应的幅宽值Br，此时的幅宽值Br即为实时检测幅宽。如果实时检测幅宽Br大于设定的工作幅宽阈值B0(设定的工作幅宽±作业精度)，则STM32单片机将计算出对应的差值△B(△B=Br-B0)，据此控制电气比例阀减少气压输出，使空气弹簧对地面的下压力减少，从而使清秸装置回到设定的工作幅宽;反之，如果Br小于B0，则STM32单片机根据二者差值△B(△B=B0-Br)，相应的增加空气弹簧的气压值，以保持清秸装置按设定幅宽进行作业。同时，相关信息(如设定幅宽B0、检测幅宽Br等)将在液晶显示屏上予以显示。
4田间试验
4.1试验条件
2018年10月，在吉林农业大学试验基地进行了秋季试验，试验期间日平均气温为14℃，无降雨。试验地为全量秸秆粉碎还田的玉米秸秆，粉碎秸秆长度为8～12cm。自适应拨茬系统安装在免耕播种机的拨茬机构上，由JohnDeere504型拖拉机提供牵引力。试验时，将安装了自适应拨茬系统的拨茬机构与普通拨茬机构进行了对比试验，将拨茬机构的入土深度均调整为20mm，机具的作业速度分别为6、7、8km/h;每组试验的作业长度为50m，包括两端预留的10m调整区和中间稳定工作的30m数据采集区。
4.2试验指标的确定
4.2.1工作幅宽
每次试验结束后，使用钢板尺对测点的工作幅宽进行测量，测量稳定工作区内间隔2m连续选取10个测点，记录工作幅宽的数据并将计算的平均值作为试验结果。试验重复3次。
4.3田间试验结果与分析
拨茬机构和自适应拨茬系统作业后地表情况如图10所示。其中，A1为在拨茬机构上安装了自适应拨茬系统的苗带清理情况，B1为普通拨茬机构在田间的作业情况。试验结果如表1所示。
田间试验表明:自适应拨茬系统可以适应不同的作业速度要求，在6、7、8km/h3种不同的作业速度下，安装了自适应拨茬系统的拨茬机构幅宽变异系数分别为9.5%，8.7%和8.6%，比普通拨茬机构的变异系数降低了7.0%、8.9%和9.7%，其工作幅宽稳定性上明显高于普通的拨茬机构。从苗带清秸率可以看出:在6、7、8km/h3种不同的作业速度下，自适应拨茬系统使拨茬机构的苗带清秸率分别提高了12.0%、13.4%、14.8%，且当前进速度增大时，苗带清秸率随之提高。当前进速度由6km/h增加到7km/h时，苗带清秸率提高了2.2%;当前进速度由7km/h增加到8km/h时，苗带清秸率提高了2.5%。因此，自适应拨茬系统使拨茬机构的作业过程更加高效和稳定，可以为播种单体清理出一条清洁且稳定的条带播种区域。
5结论
1)设计了一套自适应拨茬系统。该系统采用S型压力传感器作为拨茬机构的对地压力检测元件，并根据传感器的输出信号变化，控制气压传动系统实时调节空气弹簧对拨茬机构的下压力，提高了拨茬机构工作幅宽的稳定性。
2)田间对比试验结果显示:在播种速度为6、7、8km/h时，自适应拨茬系统使拨茬机构的工作幅宽变异系数分别减小了7.0%、8.9%和9.7%，清秸率分别提高了12.0%、13.4%、14.8%。由此可知:安装了自适应拨茬系统的拨茬机构在工作幅宽稳定性和清秸率上均优于普通拨茬机构，能够满足农艺设计要求，可为播种单体清理出一条清洁且幅宽稳定的条带播种区域。
免耕播种机自适应拨茬系统设计与试验相关期刊推荐：《现代农机》(双月刊)创刊于1983年，由浙江省农业机械管理局、浙江万里学院主办。目前，共设有：农机论坛、管理推广、监理培训、试验应用、使用维修、平安农机、政策法规、信息要览等栏目。办刊宗旨是普及农村机械及电气科技知识，提高农机人员技术素质，促进农机化事业发展。她为农业机械操作、管理、修理人员提供了大量农机科技信息和实用技术，使众多从事农村机电工作人员受益。
