基于遙控操作的自動(dòng)化旋耕機(jī)設(shè)計(jì)

葉青青 ，楊璐菲

（天門(mén)職業(yè)學(xué)院，湖北 天門(mén) 431700）

土壤自動(dòng)化耕作既是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要管理措施，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。科學(xué)的土壤自動(dòng)化耕作能夠有效調(diào)節(jié)土壤狀態(tài)，具有恢復(fù)耕層結(jié)構(gòu)、提升土壤保墑能力等效果[1]?，F(xiàn)階段，天門(mén)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化耕作采用拖拉機(jī)改進(jìn)與后懸掛式兩種旋耕機(jī)形式，在作業(yè)時(shí)存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低及漏耕等問(wèn)題，甚至還需二次補(bǔ)耕，既影響到作物生長(zhǎng)，又對(duì)作物根莖部分產(chǎn)生了一定程度的傷害。針對(duì)這些問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)外旋耕機(jī)設(shè)計(jì)理念，結(jié)合天門(mén)實(shí)際耕作情況，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)，該機(jī)具不僅具有開(kāi)溝、中耕、除草、碎土、起壟、回填等部件功能，還可有效避讓作物與障礙物，避免了漏耕、少耕等問(wèn)題的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈的機(jī)械化管理，對(duì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋耕機(jī)具有極強(qiáng)的碎土能力，作業(yè)后地表平坦，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)基于機(jī)械操控，將電控系統(tǒng)與機(jī)械技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，其由底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)裝置、遙控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部件構(gòu)成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 底盤(pán)設(shè)計(jì)

如圖2 所示，底盤(pán)由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪、支撐輪、履帶等部件組成。機(jī)架為整體機(jī)架，安裝遙控試驗(yàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、傳輸裝置等；驅(qū)動(dòng)輪固定于機(jī)架右上方，與變速箱相連，與轉(zhuǎn)向輪橫向；機(jī)架底部有一對(duì)支撐輪用于支撐車輛，履帶環(huán)繞于驅(qū)動(dòng)輪與轉(zhuǎn)向輪，由轉(zhuǎn)向輪后的履帶張緊器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)松緊[3]。遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)行駛原理是由變速箱傳輸動(dòng)力到驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪再驅(qū)動(dòng)履帶進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向輪負(fù)責(zé)調(diào)整方向，履帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)支撐輪，并將機(jī)體重量平均分布于履帶上。

圖2 底盤(pán)結(jié)構(gòu)

1.2 驅(qū)動(dòng)裝置

遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)的動(dòng)力源是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)三角帶將動(dòng)力傳輸至變速箱，由離合器控制變速箱與皮帶輪的合離。在設(shè)計(jì)時(shí)，傳輸動(dòng)力經(jīng)變速箱后分多路傳出，其中一路是驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)變速器將動(dòng)力傳輸至驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)履帶后帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪與支撐輪，由此驅(qū)動(dòng)機(jī)具行駛[4]。變速箱手柄控制各擋，實(shí)現(xiàn)速度與進(jìn)退的轉(zhuǎn)換，駐車時(shí)則通過(guò)控制離合將變速箱與皮帶輪分離。另外一路是掛接單元，由于旋耕裝置是試驗(yàn)機(jī)的配套部件，所以應(yīng)將動(dòng)力傳輸口與旋耕機(jī)的變速箱相連，從而實(shí)現(xiàn)刀軸轉(zhuǎn)停與駐停的控制。

1.3 遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)發(fā)射器型號(hào)為T(mén)B-901，接收器型號(hào)為SPC-SFMC-X2214A，具體接線情況如圖3 所示。發(fā)射器采用點(diǎn)動(dòng)按鍵，負(fù)責(zé)油門(mén)、轉(zhuǎn)向、升降、轉(zhuǎn)停等控制操作。發(fā)射器設(shè)有急停按鍵，以便遇到突發(fā)情況時(shí)緊急停止。如果長(zhǎng)時(shí)間無(wú)需進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)可進(jìn)行鍵位鎖定，通電后應(yīng)先點(diǎn)按解鎖鍵[5]。擋位切換時(shí)應(yīng)點(diǎn)按“分離”按鍵，接收器接到指令后發(fā)送給液壓系統(tǒng)，推動(dòng)液壓桿分離離合器，并手動(dòng)切換到當(dāng)前所需擋位。

圖3 SPC-SFMC-X2214A接線形式

1.4 液壓系統(tǒng)

遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)液壓系統(tǒng)由油箱、濾網(wǎng)、液壓泵、泵閥油管等構(gòu)成，依靠液壓系統(tǒng)工作，進(jìn)行配套件升降，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4 所示。在行駛過(guò)程中，按下轉(zhuǎn)向（左或右）按鈕，接收燈亮[6]。同時(shí)，左轉(zhuǎn)向閥的指示燈隨之亮起，接通左轉(zhuǎn)向油缸油路，活塞桿推動(dòng)搖臂，帶動(dòng)左分離撥叉，切斷左側(cè)動(dòng)力后進(jìn)行轉(zhuǎn)向。松開(kāi)后所有指示燈熄滅，油缸回到初始，機(jī)具沿直線行駛[7]。駐車后接收器、左轉(zhuǎn)向閥及右轉(zhuǎn)向閥的指示燈亮起，左右轉(zhuǎn)向油缸伸出后推動(dòng)搖臂分離，從而實(shí)現(xiàn)停車。

圖4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.5 電控系統(tǒng)

采用GJ1103電控油控器，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并控制油門(mén)大小，實(shí)現(xiàn)行駛過(guò)程中的速度控制。電控系統(tǒng)由單片機(jī)、電機(jī)、電位器等部件構(gòu)成，電控油門(mén)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)鋼絲運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)油控，電控連接方式如圖5所示。接線完成后調(diào)試電控油門(mén)，確保升降速信號(hào)無(wú)效[8]。電源接通后鋼絲會(huì)降至下限，將油門(mén)調(diào)控手柄置于怠速位置，并將鋼絲固定于手柄之上。外接電位器調(diào)至最高處，內(nèi)置電位器調(diào)至最低處，為了讓升速有效，應(yīng)將手柄拉至設(shè)定處，調(diào)節(jié)內(nèi)置電位器，直至手柄調(diào)到高速[9]。此時(shí)，對(duì)外接電位器進(jìn)行調(diào)整，手柄在下限與設(shè)定處之間移動(dòng)，讓降速信號(hào)保持有效。

圖5 電控連接方式

2 性能測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境

遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)功能效果測(cè)試流程包括轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)試、接地壓力測(cè)試、旋耕深度測(cè)試三項(xiàng)內(nèi)容。測(cè)試地點(diǎn)為湖北天門(mén)某農(nóng)業(yè)站。測(cè)試土壤肥力中等，周邊植被覆蓋率較高，土壤含水率18.13%，土壤穿透阻力300 kPa，地塊較為規(guī)整，整體面積約150 m×80 m。

2.2 轉(zhuǎn)彎半徑

遙控自動(dòng)化試驗(yàn)機(jī)未接掛旋耕機(jī)，將試驗(yàn)機(jī)置于空曠地面，掛接1 擋，控制最小油門(mén)，在平齊試驗(yàn)機(jī)前端與右端處劃線，長(zhǎng)按遙控左轉(zhuǎn)向按鍵，試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)一圈后計(jì)算轉(zhuǎn)彎半徑，測(cè)試重復(fù)6 次計(jì)算均值。由測(cè)試可知，遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑為1.69 m，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)試

2.3 接地壓力

測(cè)試接地壓力是為了了解機(jī)具整體對(duì)土壤的接地壓力，具體方法是計(jì)算旋耕機(jī)重量與驅(qū)動(dòng)裝置接地面積的比值[10]。將試驗(yàn)機(jī)解掛旋耕機(jī)，測(cè)定重量時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)處于滿油狀態(tài)。在空曠場(chǎng)地測(cè)算履帶接地長(zhǎng)度與履帶寬度，可用公式表示為：

式中，g表示接地壓力，w為遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)整體重量，a為機(jī)具兩側(cè)履帶寬度之和，b為履帶接地長(zhǎng)度。遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)整體重量為680 kg，各履帶寬度為0.24 m，兩側(cè)履帶寬度之和為0.48 m，履帶接地長(zhǎng)度為1.02 m，計(jì)算后可知接地壓力為13.32 kPa。

2.4 旋耕深度

在測(cè)試區(qū)內(nèi)沿機(jī)具行駛方向每隔3 m 兩側(cè)各設(shè)1點(diǎn)，保持記錄7次，計(jì)算旋耕深度，可用公式表示為：

式中，d表示旋耕深度，dn表示第n點(diǎn)的旋耕深度，s表示測(cè)定次數(shù)。表2 為遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)旋耕深度測(cè)試數(shù)據(jù)，導(dǎo)入公式后可得出旋耕深度均值為11.93 cm。

表2 旋耕深度測(cè)試

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量與工作效率，設(shè)計(jì)了一種遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)，將電控技術(shù)、液壓技術(shù)與機(jī)械技術(shù)集于一體[11-12]。遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)由遙控發(fā)射器發(fā)送信號(hào)，接收器接收信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)與液壓等系統(tǒng)的相關(guān)控制，完成旋耕機(jī)行駛、轉(zhuǎn)向、升降等遠(yuǎn)程操作，減少揚(yáng)塵與農(nóng)藥對(duì)操作者的危害，降低工作強(qiáng)度[13-14]。實(shí)地測(cè)試表明，該遙控自動(dòng)化旋耕機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑小，機(jī)體結(jié)構(gòu)均衡，具有較大的接地壓力，旋耕深度適宜。但由于轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)試結(jié)果與測(cè)試土壤的穿透阻力、含水率以及肥力具有直接關(guān)系，因此在不同土壤會(huì)表現(xiàn)出差異化的轉(zhuǎn)彎半徑，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該方面內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)測(cè)試環(huán)境的多樣化。