水田復式整地機自動調平裝置的設計與研究

于志成，王 熙

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

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水田復式整地機自動調平裝置的設計與研究

于志成，王 熙

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319)

為解決傳統水田復式整地機需手動控制、駕駛員工作強度大、工作效率低等問題，研制了水田復式整地機的自動調平控制系統，適用于水田粗整地、整平地。采用水平傳感器獲取復式整地機機架的傾角姿態，控制器為STC12C5A60S2型芯片，通過調節脈沖寬度控制三位四通電磁閥，實現液壓油流向的變換，用安裝在整地機側面的調平液壓油缸實現整地機機架的自動調平。對自動調平控制系統進行了田間試驗驗證表明，該系統滿足水稻插秧的農藝要求。

水田復式整地機；自動調平控制系統；水平傳感器

0 引言

在水稻生產全程機械化中，整地機械化是一個重要的環節，整地質量的好壞直接關系到插秧機性能的發揮和插秧的質量。目前，我國北方水稻產區主要實行翻地-旋地-灌水泡田3～5天-水耙地-沉降5～7天-插秧的作業程序[1]。

農諺中有“寸水不漏田”之說。水稻的栽植及生長要求極其特殊，對水田的平整要求很高。水田精細耕整后可以使土層水分分布均勻，減少灌溉用水，化肥、農藥噴施效果好，提高利用率，減少農藥化肥使用量，進而減少水稻生產成本和對環境的污染，可以增加水稻產量，促進水稻生產可持續發展[2]。

傳統的水田整地機具(如耙、攪漿機、撈板等)具有應用范圍廣、成本低等特點，是目前我國水田平整的主要方式；但它們均由人工操作，工作效率低、水田平整精度低、對駕駛員技術要求高，工作強度大，對水田平整作業質量有影響。

由于水田硬底層高低不平，拖拉機作業時會隨著地形而不斷顛簸，水田復式整地機與拖拉機剛性懸掛連接，會隨地形而擺動，嚴重影響水田平整質量，所以需要多次行進作業才能達到水稻插秧的農藝要求，工作效率嚴重降低。拖拉機在水田中多次行進將會加大水田犁底層硬度，影響土壤的通透性，不利于水稻深扎根，影響水稻產量。所以，加裝自動調平控制系統，保證復式整地機姿態水平，對提高工作效率、降低駕駛員勞動強度及提高作業質量意義重大。

2007年，華南農業大學李慶等為了提高水田平整度，研究水田平整激光控制系統，采用傾角傳感器測量平地鏟橫向水平角度，水田平整度由平整前的10.41cm下降到3.17cm，水田平整效果達到農藝標準[3]。2008年，華南農業大學趙祚喜等研究了MEMS慣性傳感器控制水田激光平地機姿態調平技術，利用慣性傳感器監測平地鏟姿態，試驗表明，MEMS慣性傳感器姿態測量誤差不超過1°[4]。2011年，華南農業大學胡煉、羅錫文等設計了基于姿態傳感器ADIS16300和LPR530的水田激光平地機水平控制系統。姿態傳感器ADIS16300輸出的加速度值和角速率值融合實現測量平地鏟實時傾角，測量誤差不超過1°[5]。

黑龍江八一農墾大學為提高復式整地機水田平整效果，降低生產投入，自行研制了水田復式整地機(見圖1)自動調平控制系統，可實時保證整地機在水平狀態下作業，機架可在±6°范圍內左右擺動。當整地耙片兩端相對變化超過2.5cm時(平地機幅寬5m)，水平傳感器輸出信號，控制系統進行自動調整。

1 水田復式整地機總體結構

平地機選用黑龍江省八五六農場青山機械廠生產的ZD-5.0型水田復式整地機，水田復式整地機由懸掛架、機架、缺口耙、尾翼拖板、尾翼拖板深度控制油缸、尾翼拖板角度控制油缸等組成，如圖2所示。缺口耙將土壤細碎，土壤的通透性強，有利于水稻的根系生長，深扎根。尾翼拖板將稻田秸稈軋入土壤，并耢平田地。

拖拉機與整地機采用三點懸掛方式連接，平地機幅寬5m。機架與懸掛架采用銷軸連接，在調平過程中機架可繞銷軸轉動。

2 自動調平控制系統設計

2.1 液壓系統設計

液壓系統由液壓泵、分流閥、電磁換向閥、溢流閥及液壓油缸等組成，如3圖所示。采用約翰迪爾904拖拉機作為動力，液壓油由拖拉機液壓油泵提供，為保證不影響拖拉機原液壓系統工作，在液壓油泵出口安裝分流閥，保證液壓油以等流量分別供給拖拉機液壓系統和整地機液壓系統。分流閥的作用是使一個高壓油源同時向液壓系統中兩個(或兩個以上)執行元件提供等流量或比例流量高壓油，即等量分流或比例分流，速度保持同步或定比關系，以實現兩個執行元件同時工作。

圖1 自動調平水田復式整地機

1.整地耙片 2.整地機機架 3.懸掛架 4.液壓閥體 5.調平油缸 6.尾翼拖板深度控制油缸 7.尾翼拖板角度控制油缸 8.尾翼拖板

1.油箱 2.液壓泵 3.分流閥 4.電磁換向閥 5.液壓缸 6.安全閥

液壓泵持續為自動調平控制系統供油，控制器沒有輸出信號時，電磁閥處于中立位置，液壓油流回油箱；控制器接收水平傳感器傳來的信號做出分析判斷，發出電信號指令，控制電磁閥通斷，三位四通電磁換向閥閥芯位置變化，改變液壓油流向，控制液壓油缸的伸出與收縮，復式整地機機架繞懸掛架中位轉動，實現整地機水平姿態的保持。

安全閥在系統中起卸荷過載保護作用。當液壓系統壓力超過設定安全值時，安全閥打開，將系統中的高壓油卸荷，流回油箱，使系統壓力不超過允許值，從而保證系統不因壓力過高而發生事故[6]。

2.2 自動調平控制系統

本研究采用控制器與水平傳感器相結合的方案。自動調平系統的信號來源于安裝在平地機上的水平傳感器，將模擬信號傳輸給控制器，控制器分析計算后，通過放大驅動電路將信號加強，發出指令控制電磁閥閥芯位置變換，實現液壓油缸的伸出與收縮，實現平地機的自動調平。調平系統框圖如圖4所示。

2.2.1 水平傳感器

水平傳感器為BWK210-90型號，BWK210系列傾角傳感器是北微傳感公司推出的一款小體積、低成本電壓輸出單軸傾角傳感器，單軸傾角測量，量程±30°，精度0.2°，直流10～35V電壓電源輸入，0～5V輸出接口(0～10V可選)，高抗振性能>2000g，寬溫工作-40～+85℃。整個電路系統由拖拉機提供12V直流電源[7]。

圖4 調平控制系統工作框圖

2.2.2 控制器

控制器接收水平傳感器輸出的信號，對信號進行A/D轉換后，經單片計算機處理后輸出，控制液壓系統，進而實現平地機的自動調平。控制器核心采用STC12C5A60S2型單片計算機芯片，通過指示燈實時顯示控制狀態；同時，通過放大驅動電路，發送電信號給液壓控制系統，實現自動調平[8]。調平控制系統結構組成如圖5所示。

圖5 調平控制系統結構

3 自動調平系統田間試驗

3.1 試驗過程

為檢驗自動調平控制系統的水田整地作業效果，2016年4月在黑龍江省八五六農場六作業站進行了水田整地作業。動力為約翰迪爾904輪式拖拉機，田地狀況為秋季翻耕后的水稻田，泡水3天，面積為40m×80m。平地機采用三點懸掛方式與拖拉機連接，以8km/h的速度進行作業。試驗數據通過人工采集，按照蛇形采樣法布點，得到的試驗數據利用MatLab生成三維地形圖，觀察平整情況，計算出平整后水田表面與水平面相對值的平均數值與標準差值，來評估平地效果[9-11]。

采用自制測量尺對水田復式整地機作業后的地塊進行測量，以水平面為基準，在1號地塊采集方陣數據10×20=200個點，點間距4m。采集數據見表1所示。其中，hij為在田地內橫向縱向采集的數據點。圖6和圖7分別為試驗前田地狀況和自動調平水田復式整地機在田間作業。

圖6 試驗前田間實況圖

圖7 自動調平水田復試整地機在田間工作圖

續表1

hij為采樣點(i,j)處稻田土壤表面與泡田水面相對高度差(cm)。

3.2 試驗數據處理及分析

農田平整度(P)可以用來衡量田面地形起伏程度，反映農田地面平整度的總體狀況。通常利用農田內各處地面相對高程到擬合面垂直距離的標準偏差值(Sd)來表示。標準偏差Sd越小，表明農田地面起伏越不明顯、地面越平整；標準偏差Sd越大，說明農田地面起伏越明顯、地面越不平整[12]。

(1)

標準偏差值Sd為

(2)

圖8 試驗數據散點圖

圖9 實驗數據等高線圖

4 結論

1)設計了一種水田復式整地機自動調平控制系統，采用水平傳感器測量整地機實時水平姿態，控制器采用PID控制算法計算電磁閥PWM驅動信號占空比控制調平液壓油缸伸長量，實現了水田復式整地機水平控制。

2)該系統可更據地勢變化在0.3°內發出調節信號，控制系統發出電信號控制電磁閥實現整地機水平姿態的保持。

3)田間試驗結果表明：水田復式整地機采用黑龍江八一農墾大學研制的自動調平控制系統后，水田整地精度能滿足水稻生產過程中農藝要求，達到精細整地標準，最大高程差為11cm，標準偏差Sd=2.13cm。

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[3] 李慶,羅錫文,汪懋華,等.采用傾角傳感器的水田激光平地機設計[J].農業工程學報,2007,23(4): 88-93.

[4] 趙祚喜,羅錫文,李慶,等.基于MEMS慣性傳感器融合的水田激光平地機水平控制系統[J].農業工程學報,2008, 24(6):119-124.

[5] 胡煉,林朝興,羅錫文,等.農機具自動調平控制系統設計與試驗[J].農業工程學報,2015,31(8):15-20.

[6] 侯明亮.拖掛式激光平地機液壓控制系統的研究[D]. 北京:中國農業大學,2005.

[7] 黎永鍵,趙祚喜.水田激光平地機平地鏟姿態測量系統的設計[J].農機化研究, 2012,34(2): 69-75.

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The Research and Design of Automatic Ieveling Device of Tillage Equipment in Paddy Field

Yu Zhicheng, Wang Xi

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

In order to solve the traditional paddy soil tillage Equipmente in low level of automation, operating manual work intensity, problems of Low efficiency，which the reexamination of paddy field tillage machine was developed with automatic leveling control system and was applied to the rough rice land preparation and land leveling. The reexamination of tillage Equipmente on working attitude was gained by using the level sensors, and controller for STC12C5A60S2 chips. The hydraulic oil flow to transform was achieved by adjusting the pulse width control three four-way solenoid valve. Site preparation frame of automatic leveling was achieved by using the hydraulic cylinder of soil tillage Equipmente on the side. It was proving that field texting with the automatic tuning level control system, and the test results show that the system not only meets the demand of agronomy, but also suitable for agricultural production.

paddy field compound soil tillage equipmente; the automatic leveling control system; level sensor

2016-07-08

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD04B01-06)

于志成(1991-),男，吉林長嶺人，碩士研究生，(E-mail) 872864412@qq.com。

王 熙(1962-)，男，山西新絳人，教授，博士生導師，(E-mail)ndwangxi@163.com。

S222.2

A

1003-188X(2017)08-0175-05