電液混合調(diào)控式大蒜播種機設(shè)計與試驗

張春嶺 吳曉慶 謝東波 王晴晴 張 杰 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

目前，國內(nèi)大蒜種植方式主要為人工插播，其勞動強度大，作業(yè)效率低，人均單日播種量為0.013～0.017 hm2[1]。因此，大蒜機械化種植成為提升大蒜生產(chǎn)效率的關(guān)鍵性因素。

由于歐美國家多采用寬行距隨機播種，對農(nóng)藝要求相對較簡單[2]，所以對大蒜種植機械的研究主要集中于取種和整機結(jié)構(gòu)方面。如JIRAPORN等[3]、MANJUNATHA等[4]、DEVESH等[5]、BAKHTIARI等[6]、TARUN等[7]和GARG等[8]對不同大蒜播種機結(jié)構(gòu)及其作業(yè)性能進行了設(shè)計研究與分析，MOHAMMAD等[9]測量了大蒜物料特性并研發(fā)了相應(yīng)的氣力取種裝置。國內(nèi)大蒜播種對農(nóng)藝要求較高，目前主要采用小行距高密度直立播種方式。為了提高大蒜播種直立度，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對大蒜調(diào)頭機理進行了解析，并研制了對應(yīng)的調(diào)頭裝置[10-12]。也有專家學(xué)者對大蒜播種機的取種裝置和大蒜播種農(nóng)藝進行了研究[13-14]，但主要集中于機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。綜上分析可見，當(dāng)前國內(nèi)外對大蒜播種機具的研究集中于關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，即取種和鱗芽定向播種，而對整機作業(yè)參數(shù)的智能化監(jiān)測與自動調(diào)節(jié)控制研究較少；此外，傳統(tǒng)大蒜播種機多采用汽油機作為動力源，機具振動大，取種勺內(nèi)種子易脫落，從而影響播種合格率，且依靠駕駛員手動按壓或提升操作來調(diào)節(jié)播深，控制難度大、精度低，作業(yè)效率不高。

針對上述問題，本文以某勺鏈?zhǔn)讲シN機為原型，設(shè)計一種電液混合調(diào)控式大蒜播種機。該機采用直流電機作為播種動力源，單片機為核心控制器，通過電液混合調(diào)控方式調(diào)節(jié)播深，實現(xiàn)作業(yè)速度和播量等參數(shù)的實時檢測與調(diào)節(jié)功能，為大蒜播種智能化作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

電液混合調(diào)控式大蒜播種機包括電控排種裝置、播深調(diào)節(jié)裝置、參數(shù)檢測裝置和人機交互界面等，如圖1所示。

電控排種裝置由行走驅(qū)動電機、排種器驅(qū)動電機、電機驅(qū)動器、排種執(zhí)行裝置、旋轉(zhuǎn)編碼器和電源等組成，用于實現(xiàn)和行駛速度匹配的排種作業(yè)；播深調(diào)節(jié)裝置由液壓升降機構(gòu)、液壓泵和開溝器等組成，可根據(jù)播種農(nóng)藝要求調(diào)節(jié)播種深度；參數(shù)檢測裝置由光電傳感器、單片機和LED燈組成，可對播量與作業(yè)速度進行實時監(jiān)測，并發(fā)出連續(xù)漏播報警信號；人機交互界面由LCD屏和控制面板等組成，用于播種參數(shù)的設(shè)定和作業(yè)數(shù)據(jù)的顯示。整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 整機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of whole machine

1.2 工作原理

播種作業(yè)前，根據(jù)大蒜種植農(nóng)藝要求，通過人機交互界面設(shè)置播深和株距控制系數(shù)。作業(yè)時，駕駛員依據(jù)自身舒適感控制油門把手；速度編碼器實時檢測行駛速度，并將檢測信號傳送給控制器；經(jīng)過判斷、計算后，將指令下達至排種器轉(zhuǎn)動電機，進而開始排種作業(yè)；轉(zhuǎn)速傳感器將排種器實時轉(zhuǎn)速反饋至控制器，從而形成閉環(huán)控制。參數(shù)檢測系統(tǒng)對播量進行實時監(jiān)測，其中，光電傳感器檢測到種子信號后傳送至控制器，控制器通過程序算法計算播量并對堵種現(xiàn)象進行報警；人機交互界面可實時顯示播量、作業(yè)速度、排種器轉(zhuǎn)速和播深。系統(tǒng)工作原理框圖如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 電控排種裝置設(shè)計

電控排種裝置主要由控制器、速度傳感器、行走驅(qū)動電機、旋轉(zhuǎn)編碼器、排種驅(qū)動電機和USTARTHMI四線制觸控串口屏等組成，用于實現(xiàn)行駛速度與播種株距相匹配的排種作業(yè)。其排種控制流程如圖3所示[15]。

由于大蒜和玉米都是單粒精量播種[16-17]，且兩者排種器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式相同，均為直流電機直接驅(qū)動，因此，選用與課題組前期設(shè)計的玉米電控排種系統(tǒng)相同的閉環(huán)控制策略[18]。排種系統(tǒng)控制框圖如圖4所示，被控對象由電機驅(qū)動器、直流無刷電機和排種器組成。由速度編碼器測得作業(yè)速度，與輸入目標(biāo)株距計算得到排種器理論轉(zhuǎn)速，以此作為PID調(diào)節(jié)器輸入信號，U(t)為經(jīng)PID調(diào)節(jié)器輸出的轉(zhuǎn)速控制量。在控制器執(zhí)行過程中，通過速度編碼器實時監(jiān)測排種器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，并將其輸入到控制系統(tǒng)中，與控制系統(tǒng)計算得到的理論排種轉(zhuǎn)速形成偏差e和偏差變化率Δe，經(jīng)遺傳算法整定得到合適的PID控制參數(shù)。輸出適當(dāng)控制量來調(diào)節(jié)排種轉(zhuǎn)速，可以有效抑制排種轉(zhuǎn)速不均勻問題，提高大蒜播種機抗干擾能力。

建立控制系統(tǒng)的Simulink模型，如圖5所示。經(jīng)迭代優(yōu)化后得各參數(shù)：Kp=0.001 9、Ki=1.368 2和Kd=0.914 3。將優(yōu)化后各參數(shù)輸入Simulink模型中進行仿真，得排種器輸出轉(zhuǎn)速仿真曲線如圖6所示。

2.2.1結(jié)構(gòu)組成與工作原理

2.2 播深調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

播種深度直接影響種子出苗率、后期長勢和產(chǎn)量，是播種作業(yè)質(zhì)量的重要考核指標(biāo)之一[19-20]。參考GB/Z 26578—2011《大蒜生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》可知，穴播大蒜播深為30～40 mm，播深較小，手動調(diào)整難度大。為此，本文設(shè)計了一種電液混合控制方式的播深調(diào)節(jié)裝置。其基于開溝器入土阻力與入土深度相關(guān)關(guān)系，通過實時檢測開溝器入土深度并與液壓執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合，使播深維持在所需范圍內(nèi)。該裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，主要由控制器、液壓元件和開溝器等組成。

作業(yè)前，通過控制面板設(shè)定播深，按下開關(guān)鍵，開溝器開始下降并深入土壤。壓力傳感器和位移傳感器實時檢測開溝器入土阻力與下降高度，并將測得數(shù)值轉(zhuǎn)化成對應(yīng)信號傳送給控制器。隨著入土深度的增加，開溝器入土阻力也隨之升高，當(dāng)阻力達到設(shè)定播深對應(yīng)的入土阻力時(具體對應(yīng)關(guān)系見2.2.2節(jié))，控制器下達指令停止液壓泵作業(yè)。與此同時，控制系統(tǒng)對比設(shè)定播深和位移傳感器檢測位移，當(dāng)開溝器實際入土深度與設(shè)定播深誤差超過10%時，系統(tǒng)顯示警告，駕駛員需前進或倒退適當(dāng)距離重新調(diào)整播深，以避免顯示警告處地表凸起或凹坑造成的較大誤差。

本文設(shè)計的播深調(diào)節(jié)裝置是由兩個液壓泵同時對5個開溝器進行提升和下降操作，為了保證兩液壓缸受力均衡，采用了蓄能器保壓回路思想，如圖7所示。當(dāng)主換向閥處于左位時，液壓缸向下運動并壓緊開溝器；當(dāng)液壓缸運動至設(shè)定位置，進油路壓力升高至調(diào)定值時，電磁比例減壓閥發(fā)出信號使電磁閥通電，液壓泵即卸荷，單向閥自動關(guān)閉，液壓缸則由蓄能器保壓。當(dāng)液壓缸壓力不足時，電磁比例減壓閥發(fā)出信號使泵重新工作。因此，該回路能自動補充液壓缸內(nèi)壓力油，使其壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

2.2.2液壓元件選型

為了闡明開溝器入土阻力與入土深度相關(guān)關(guān)系，利用自行研制的開溝器入土阻力測試裝置進行試驗，其最大負荷為100 kg，分辨率為0.01 kg，精度為±1%，量程為0～450 mm，允許過載150%。試驗土壤與后期大蒜播種試驗土壤相同，試驗結(jié)果如圖8所示。

由圖8可得，當(dāng)開溝器入土深度達到設(shè)計最大播深(50 mm)時(圖中圓圈標(biāo)示點)，入土阻力為115.6 N?？紤]到土壤環(huán)境復(fù)雜和分布不均等問題，本次設(shè)計取170 N為開溝器最大入土阻力。

由于排種傳動軸在作業(yè)過程中固定于機架上作勻速轉(zhuǎn)動，因此，選取傳動軸左端機架為坐標(biāo)原點O，并建立圖9所示坐標(biāo)系。對液壓缸及開溝器進行受力分析，如圖9所示。

由受力平衡和力矩平衡關(guān)系可得

(1)

∑MO(F)=0?
LF1+3LF2+Lmg+2Lmg+3Lmg+4Lmg-
LFN2-2LFN3-3LFN4-4LFN5=0

(2)

式中F1、F2——液壓缸對開溝器裝置作用力，N

m——開溝器質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

L——播種行距，m

FNi——各開溝器入土阻力，N

本系統(tǒng)中，為了簡化設(shè)計，將5個可調(diào)節(jié)深度開溝器固定于同一角鐵，并在角鐵對稱中心線兩端安裝液壓缸(圖9)。因此，在理想狀態(tài)下，各開溝器作業(yè)時入土阻力相等。本文設(shè)計播種機的開溝器質(zhì)量為2.5 kg，平均行距為160 mm。將各數(shù)值代入式(1)、(2)解得F1=F2=362.5 N。

由液壓缸受力平衡可得[21]

(3)

式中p0——三位四通電磁換向閥出口壓力，MPa

d0——活塞直徑，為40 mm

Fx——開溝器裝置對液壓缸作用力，N

d1——活塞桿直徑，為25 mm

p1——液壓缸出油口背壓，為0.4 MPa

代入各數(shù)值可得p0=0.53 MPa，因此，選取型號為HSG-40*25*100的液壓缸，其最大壓力可達20 MPa，最大行程為100 mm，滿足設(shè)計要求。

2.2.3控制模塊設(shè)計

液壓調(diào)節(jié)播深控制模塊主要由控制器、DAC轉(zhuǎn)換器、檢測元件和人機交互模塊等組成，其作業(yè)原理框圖如圖10所示。作業(yè)時，通過控制面板設(shè)定播深，控制器計算相應(yīng)的入土阻力，并將該入土阻力對應(yīng)的電壓傳輸給電磁比例減壓閥。當(dāng)開溝器下降至設(shè)定深度時，液壓桿停止運動，蓄能器保壓回路開始工作，開溝深度保持穩(wěn)定；當(dāng)受到外部干擾導(dǎo)致開溝深度發(fā)生變化時，對比檢測元件輸出電壓與DAC轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電磁比例減壓閥，使入土阻力保持穩(wěn)定，進而維持開溝深度。

2.2.4作業(yè)參數(shù)顯示系統(tǒng)設(shè)計

作業(yè)參數(shù)顯示系統(tǒng)主要由信號采集模塊、控制器、顯示屏和報警模塊等組成，可實現(xiàn)播量實時檢測、顯示與連續(xù)漏播報警功能，如圖11所示。由于大蒜為大粒徑單粒播種，因此，選用光電傳感器作為檢測元件，其價格低廉，使用方便，具體安裝方式如圖12a所示。作業(yè)時，常態(tài)輸出電平為高電平，當(dāng)發(fā)出的紅外光束被大蒜種子遮擋并返回被接收時，輸出低電平。

報警顯示功能由5個LED燈組成，分別對應(yīng)5個播種行。當(dāng)在定時時間內(nèi)連續(xù)監(jiān)測到高電平，則對應(yīng)播種行的LED燈閃爍報警，如圖12b所示，駕駛員停機排除故障。作業(yè)速度檢測由旋轉(zhuǎn)編碼器實現(xiàn)，控制器核心元件為STM32F407單片機。

通過上述對各模塊的設(shè)計和關(guān)鍵元件的選型，設(shè)計電液混合控制系統(tǒng)總電路如圖13所示。

3 試驗

田間試驗在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園進行，如圖14所示。試驗前，利用課題組前期研制的秸稈耕整機[22]旋耕土壤，以達到一定平整度，方便后續(xù)試驗的進行并提高試驗準(zhǔn)確度。試驗品種為來安大蒜，試驗因素與水平如表2所示，每組試驗重復(fù)3次，取平均值為試驗結(jié)果。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factors and levels

3.1 播深一致性試驗

對上述試驗因素進行全因素試驗，每次試驗結(jié)束后，以中間行和兩側(cè)行為測量行，每行選取20個取樣點，分別測量其播深。每種工況重復(fù)3次，取平均值為測量播深，結(jié)果如圖15所示。由圖可見，不同工況下，實際播深均在設(shè)定播深值較小范圍內(nèi)波動。由圖15可得出，當(dāng)設(shè)定播深分別為30、40、50 mm時，電液混合控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)播深平均誤差分別為4.7%、4.8%和4.5%，滿足設(shè)計要求[23]。

參考農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1768—2009《免耕播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，計算不同作業(yè)速度下的播深合格率、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，可得0.15、0.25、0.35 m/s下的播深合格率分別為85.4%、83.4%、82.2%，各標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.0、2.3、2.0 mm，播深變異系數(shù)分別為4.9%、5.8%、5.1%。因此，采用電液混合控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)大蒜播種機播種深度，在0.15～0.35 m/s范圍內(nèi)無較大偏差。

3.2 播量檢測試驗

播深一致性試驗時，在測量播深前，先將播入土壤內(nèi)的大蒜種子取出、收集，然后測量播深。每組試驗結(jié)束后，統(tǒng)計測量行內(nèi)大蒜種子數(shù)量，并與人機交互系統(tǒng)中顯示屏上顯示的播量進行對比，結(jié)果如表3所示。

表3 播量檢測試驗結(jié)果Tab.3 Results of sowing rate test

由表3可得出，本文設(shè)計的播量檢測系統(tǒng)對大蒜播種播量檢測平均誤差為4.0%，滿足設(shè)計要求[24]。分析原因主要為，大蒜播種為單粒精量播種，采用光電傳感器對大蒜種子進行檢測結(jié)構(gòu)簡單，干擾小，故誤差較小，并且設(shè)計成本也較低。此外，由表3可知，當(dāng)作業(yè)速度為0.15～0.35 m/s時，檢測誤差相差很小，最大誤差與最小誤差的差值小于1個百分點；且當(dāng)作業(yè)速度為0.25 m/s時，檢測誤差最大，分析其原因為與重播率相關(guān)。由表4計算可知，當(dāng)作業(yè)速度為0.25 m/s時，平均重播率最高，即檢測時間段內(nèi)通過種子數(shù)量多于單粒的次數(shù)最多，而光電傳感器僅檢測出其中一粒，從而導(dǎo)致檢測誤差增大。

3.3 播種質(zhì)量試驗

由于目前我國尚沒有關(guān)于大蒜播種設(shè)備技術(shù)檢測的國家標(biāo)準(zhǔn)，故本文參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》對大蒜播種機播種質(zhì)量進行試驗。以表2所列試驗因素及水平進行全因素試驗，每種工況結(jié)束后，隨機選取3行，分別測量其播種合格率和漏播率，每種工況重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，如表4所示。

表4 播種質(zhì)量試驗結(jié)果Tab.4 Results of sowing quality test

由表4可得，本文設(shè)計的電液混合控制大蒜播種機播種合格率平均值為83.7%，漏播率為6.2%，滿足設(shè)計要求。由于本文設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用對象為勺鏈?zhǔn)饺》N器，對大蒜種子品種與尺寸要求較高，從而導(dǎo)致重播率較高。與改進前由汽油機作為動力源的大蒜播種機作業(yè)質(zhì)量相比，漏播率降低了3.1個百分點。分析其原因，可能為采用電機作為動力源較汽油機減小了整機振動，提高了填充率，進而降低了漏播率。

此外，由表4可得，0.15、0.25、0.35 m/s下的播深合格率分別為85.4%、83.4%、82.2%，即隨著作業(yè)速度的增加，平均播種合格率呈下降趨勢，但平均漏播率呈先降低再增加的變化規(guī)律。雖然作業(yè)速度為0.15 m/s時的重播率較作業(yè)速度為0.25 m/s時低，但漏播率較高，結(jié)合播種農(nóng)藝要求[25]，選取0.25 m/s為試驗范圍內(nèi)較優(yōu)作業(yè)速度。

4 結(jié)論

(1)采用電機作為動力源，以單片機為控制核心，旋轉(zhuǎn)編碼器為轉(zhuǎn)速傳感器，光電傳感器為種子檢測元件，結(jié)合液壓調(diào)節(jié)播深系統(tǒng)，設(shè)計了一種電液混合調(diào)控式大蒜播種機，可實現(xiàn)電控排種、液壓調(diào)節(jié)播種深度、播量檢測和連續(xù)漏播報警功能。

(2)液壓播深調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電子元件和液壓元件相結(jié)合方式，實現(xiàn)播深的實時調(diào)節(jié)，其播深一致性試驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)調(diào)節(jié)播深誤差平均值為4.7%，且不同播深下，播深變異系數(shù)平均值為5.3%，調(diào)節(jié)精度較高，滿足播種農(nóng)藝要求。

(3)樣機田間試驗結(jié)果表明，應(yīng)用該機進行雜交蒜播種作業(yè)時，播量檢測平均誤差為4.0%，播種合格率為83.7%，漏播率為6.2%，較同種條件下以汽油機為動力源的大蒜播種機漏播率降低3.1個百分點，且在0.15～0.35 m/s范圍內(nèi)選取0.25 m/s左右為較優(yōu)作業(yè)速度，滿足設(shè)計要求。