數(shù)理統(tǒng)計分析算法下智能插秧機作業(yè)優(yōu)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(yè)規(guī)范,水稻成行性好,利于水稻光照和通風,能夠有效提高產(chǎn)量,便于種植過程中的機械化作業(yè)[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(tǒng)的燃料插秧機工作性能穩(wěn)定,但隨著環(huán)境與能源問題的突出,新能源農(nóng)業(yè)機械設備成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。隨著電機的電池控制技術的發(fā)展,新能源農(nóng)業(yè)機械設備也進入到實踐推廣過程中,而電力驅(qū)動插秧機能夠有效降低插秧過程中的人力成本[2-3]。傳統(tǒng)插秧機結構復雜、質(zhì)量大,工作過程中消耗較多的能源,排放廢氣和噪音。電力驅(qū)動水稻插秧機采用多個電機直接驅(qū)動插秧機執(zhí)行構件,簡化了插秧機動力傳輸過程,使插秧機的整機質(zhì)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(zhí)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(yè)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(qū)動水稻插秧機進行系列試驗,確定插秧機執(zhí)行機構功率參數(shù)和驅(qū)動電機參數(shù),優(yōu)化插秧機電池容量與作業(yè)參數(shù),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(qū)動步進式插秧機和兩輪手扶式插秧機[8]。四輪插秧機以農(nóng)用柴油機為動力源,工作過程動力大,工作效率高;無驅(qū)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(zhì)量輕,便于作業(yè)過程搬運;兩輪手扶式插秧機質(zhì)量和工作效率處于四輪乘坐式插秧機和無驅(qū)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(qū)動,仿形機構使用1臺電機驅(qū)動,插秧機構使用1臺電機驅(qū)動[11]。仿形機構驅(qū)動電機驅(qū)動旋轉絲杠,帶動機構傳動臂轉動;行走機構驅(qū)動電機固定在水輪支撐臂上,依靠鏈條傳動驅(qū)動行走水輪,插秧機兩個水輪能夠獨立工作;插秧機構驅(qū)動電機能根據(jù)行進速度進行調(diào)節(jié),實現(xiàn)秧苗的分插作業(yè)。

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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)曲線Fig.1 Experimental data curve of traction force of transplanter

表1所示為牽引力數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果。由表1可知:插秧機作業(yè)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(qū)動平均功率為315W。分叉機構驅(qū)動電機驅(qū)動分插變速箱,帶動秧苗針和秧苗板,在滿載狀態(tài)下,分插機構驅(qū)動功率為250W。根據(jù)以上試驗分析數(shù)據(jù),確定插秧機牽引驅(qū)動功率、仿形機構驅(qū)動功率及分插機構驅(qū)動功率分配方案如表2所示。

表1 牽引力數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果Table 1 Results of mathematical statistics of traction force N

表2 驅(qū)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(shù)優(yōu)化

插秧機仿形機構啟動過程中,在水田當中的功率函數(shù)為

Q=Fdv+pt(v)

其中,Q為插秧機作業(yè)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(shù)。

插秧機功率速度函數(shù)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(shù)。

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

蓄電池最大連續(xù)作業(yè)面積可表示為

其中,S為連續(xù)作業(yè)面積;Gl為蓄電池質(zhì)量;ρb為蓄電池能量密度;d為插秧機作業(yè)寬度。

進行插秧機連續(xù)作業(yè)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(tǒng)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(xù)作業(yè)面積試驗數(shù)據(jù)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(xù)作業(yè)面積試驗數(shù)據(jù)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(xù)作業(yè)面積試驗數(shù)據(jù)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(xù)作業(yè)面積試驗數(shù)據(jù)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(xù)作業(yè)面積試驗數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Experimental data curve of continuous working area of transplanter

表4所示為連續(xù)作業(yè)面積數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果。

表4 連續(xù)作業(yè)面積數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果

插秧機使用電池質(zhì)量為100kg,當行進速度為0.5m/s時,最大連續(xù)插秧作業(yè)面積為8445m2,可連續(xù)作業(yè)4h,插秧機作業(yè)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(zhì)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(qū)的使用優(yōu)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(fā)展,電動插秧機的應用前景更加廣闊。