自平衡雙軸旋耕水田平整機設(shè)計

王理想, 奚小波,2*, 單 翔, 仇維佑, 王明友, 張劍峰,2, 張瑞宏,2

(1. 揚州大學機械工程學院, 江蘇 揚州 225127; 2. 南京沃楊機械科技有限公司, 南京 211200;3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所, 南京 210014)

目前,水田平整機械可分為傳統(tǒng)平整機和激光平地機．傳統(tǒng)平整機大多是通過在土壤上施加一定的壓力,通過機具前進達到田面平整的目的．余水生[1]針對高茬水田耕整作業(yè)次數(shù)多,耕后的平整度難以達到水稻種植要求等問題,設(shè)計了一種秸稈還田耕整機,其中平地裝置采用彈簧支撐桿連接平地板結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)秸稈還田后的田間平整度．但該機在平整操作過程中需要通過人工目測方式進行控制與調(diào)節(jié),平整作業(yè)時間長,且耕整后的平整度難以達到水稻種植要求[2-3]．激光平地機是利用激光控制技術(shù)在田間耕整時能對平地裝置進行實時控制調(diào)節(jié),有效提高耕整后田面平整度,但對水田本身的要求較高,在有秸稈或高低差過大的情況下效率低,且功能單一,機具成本高,不利于大規(guī)模推廣使用[4-6],因此研制操作簡單、價廉、高效的水田平整機成為一種趨勢[7-9]．本文擬采用雙軸旋耕裝置,配合自平衡和施肥裝置, 完成水田深旋耕滅茬、施肥、起漿、平整等作業(yè),提高作業(yè)平整度的同時減少作業(yè)時間, 從而提高水稻種植的質(zhì)量和機具的作業(yè)效率[10-11]．

1 平整機設(shè)計

1.1 整機結(jié)構(gòu)

自平衡雙軸旋耕水田平整機主要由機架、動力傳動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、施肥機構(gòu)、旋耕機構(gòu)、平整機構(gòu)、水平控制系統(tǒng)等組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示. 表1為主要性能參數(shù)．

表1 主要性能參數(shù)

1.2 工作原理

自平衡雙軸旋耕水田平整機由73.5 kW拖拉機驅(qū)動,由拖拉機后動力輸出軸輸出720 r·min-1的轉(zhuǎn)速, 通過傳動軸到達水田平整機的中間箱,再由中間箱通過2根傳動軸分別向兩邊傳動,帶動兩邊齒輪傳動,從而帶動旋耕軸的旋轉(zhuǎn)達到旋耕的目的;整機通過拖拉機的標準三點懸掛裝置進行掛接升降;旋耕裝置后面的擋板由水平自平衡裝置控制,轉(zhuǎn)角油缸控制擋板和平整板進行刮土、平土、運土的作業(yè),自平衡裝置是由傳感器傳遞信號到主機,再由主機發(fā)送信號至電磁閥控制液壓缸的伸縮量以達到自平衡,同時也可以根據(jù)實際情況手動調(diào)節(jié)平衡油缸達到特定的角度;平整板由壓力彈簧和轉(zhuǎn)角伸縮油缸控制,擴大平整幅寬．

2 主要部件設(shè)計

2.1 旋耕裝置

圖2為雙軸旋耕裝置．該機具采用的雙軸旋耕能實現(xiàn)大耕深, 且具有秸稈還田徹底、水田起漿效果好等特點, 更有利于水稻的種植．

2.2 平整板

平整板位于機具后側(cè),工作過程中平整板的位置會隨著地勢的變化發(fā)生橫向或縱向不同角度的切斜,使水田的平整度達到水稻種植的要求．由于傳統(tǒng)水田平整機平整板存在幅寬窄、單液壓缸控制、角度不可調(diào)、浮動較大的缺點,本文提出的機具改用液壓缸伸縮式、寬幅和角度可調(diào)、浮動可控、變形壓簧與液壓缸共同控制的平整板結(jié)構(gòu),平整效率更高．圖3為平整板結(jié)構(gòu)示意圖．

2.3 自平衡裝置

2.3.1 液壓系統(tǒng)

圖4為液壓系統(tǒng)示意圖．采用獨立供油,由拖拉機后輸出軸與安裝在中間箱上的齒輪泵通過鏈條連接傳遞動力; 液壓泵采用CBN-G316型齒輪泵, 公稱排量為16 mL·r-1, 額定壓力為25 MPa, 可以滿足整個液壓系統(tǒng)的需求; 整個液壓閥組采用插裝式組成, 并采用可調(diào)式溢流閥．整個油路采用串聯(lián)布置,第一路與平整板的伸縮油缸相連,由1組三位四通電磁閥控制; 第二路控制自平衡裝置, 由1組三位四通電磁閥和1組液壓鎖止閥控制,電磁閥信號接入水平控制裝置,并及時反饋有效的信號控制平整裝置的穩(wěn)定性; 第三路由1組三位四通和1組兩位兩通電磁閥共同組成,能有效控制平整板完成刮土、運土和平土的工作．

2.3.2 控制系統(tǒng)

以拖拉機12 V供電為基礎(chǔ), 電氣控制調(diào)節(jié)盒作為控制器, 水平儀和陀螺儀為檢測裝置, 液壓缸為執(zhí)行裝置．電氣控制調(diào)節(jié)盒對傳感器在機具工作過程中的不同工況反饋的數(shù)據(jù)進行及時處理[10-11], 當水田平整度大于5 cm時,電氣控制調(diào)節(jié)盒通過電磁控制閥控制液壓系統(tǒng),使各個工作液壓缸運動,達到及時調(diào)節(jié)平整板角度和浮動高度的效果,在特殊情況下可以轉(zhuǎn)換到手動控制,以滿足不同的平整要求,實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自平衡控制,其工作流程如圖5所示．圖6為控制器總成, 由12 V電瓶供電通過控制盒上面的開關(guān)通向電源輸入,再通過穩(wěn)壓器給整個電路供電,由傳感器接入端傳入的傳感器數(shù)字信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,再將模擬信號傳遞到處理器進行處理,處理完畢,發(fā)出模擬信號,再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后傳入電磁繼電器,通過給電磁液壓閥供電控制液壓油缸;信號比例調(diào)節(jié)端口和校準端口分別接入比例調(diào)節(jié)和校準開關(guān),對反饋信號和初試信號進行調(diào)節(jié)．

3 田間試驗

為了獲得更精確的平整數(shù)據(jù), 在揚州市江都區(qū)丁伙鎮(zhèn)進行了田間作業(yè)試驗, 具體的試驗條件見表2．先將水田進行泡水處理, 然后用平整機進行初耕將麥茬和雜草等作物進行粉碎深埋, 初耕之后進行平整作業(yè),此時機具的前進速度為5 km·h-1．圖7為機具田間作業(yè)效果圖．從圖7可以看出, 作業(yè)后土壤表面秸稈和雜草的數(shù)量很少, 這是因為雙軸旋耕裝置使得土壤和秸稈混勻效果好, 有效降低了土壤秸稈比, 秸稈還田效果顯著．

表2 試驗條件

表3 地表平整度測量記錄表

4 結(jié)論

1) 本文設(shè)計了一種自平衡雙軸旋耕水田平整機,包括雙軸旋耕裝置、水田自平衡裝置、平整板等裝置,機具一次作業(yè)可完成水田深旋耕滅茬、施肥、起漿、平整4道工序．采用雙軸旋耕裝置實現(xiàn)了水耕條件下的大耕深作業(yè), 使得土壤與秸稈混勻效果較好,作業(yè)后的土表秸稈較少, 秸稈還田效果顯著．

2) 使用水田平整自平衡裝置,實現(xiàn)了水田平整的高效率作業(yè), 達到平整度在3 cm以內(nèi)的作業(yè)要求, 平整后土壤相對高度的標準偏差僅為2.04 cm．