犁旋一體機自動調平系統設計與試驗

丁為民，孫元昊，趙思琪，熊佳定

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犁旋一體機自動調平系統設計與試驗

丁為民，孫元昊，趙思琪，熊佳定

（1. 南京農業大學工學院，南京 210031；2. 江蘇省智能化農業裝備重點實驗室，南京 210031）

為了解決犁旋一體機作業過程中調節機具問題，設計了一種犁旋一體機自動調平系統，該系統包括執行機構、控制系統、液壓系統。根據犁旋一體機自身的特點，提出了一種確定調平角度范圍的方法，并根據實際田間作業情況，運用EDEM仿真軟件進行田間作業的虛擬仿真，仿真結果表明：地表平整度小于2 cm，滿足農藝要求。在設計和仿真的基礎上，進行田間試驗，將手動調平的犁旋一體機的作業情況和自動調平的犁旋一體機的作業情況進行對照，分析了作業過程中機具的角度變化和作業后的耕深及其穩定性，地表平整度。結果表明：自動調平犁旋一體機相對于手動調平犁旋一體機，在耕深的穩定性和耕后地表平整度上有較為明顯的提高，前者耕深穩定系數達到87.31%，后者為84.76%。前者地表平整度為1.97 cm，后者為2.56 cm。

農業機械；控制；設計；犁旋一體機；自動調平

0 引 言

自動調平系統最早應用于工業領域[1-2]，近些年來才逐步應用于農業領域[3-4]。傳感器性能的不斷提升大大提高了自動調平系統的適應性[5-6]。目前國內市場上的大多數農業機械仍為傳統的手動調平模式，并不能做到隨著田間情況的變化而調平。犁旋一體機是一種把犁翻和旋耕功能結合在一起的性能良好的秸稈還田機械，可一次完成翻耕、旋耕，秸稈粉碎還田等多道作業工序[7-9]。耕后土壤細碎平整，作物秸稈和留茬直接深埋還田，達到聯合整地效果，還可減少機具下地次數，減少對土壤的擾動，有利于爭取農時，提高工效[10-11]。相對于犁耕機或者旋耕機，犁旋一體機作為一種復合機具具有較大的質量，借用拖拉機的液壓系統進行自動調平，會對液壓系統造成巨大負擔，同時在犁旋機構下調的過程中，會出現下降動作劇烈的現象。此外，在作業過程中，由于拖拉機一側車輪行進在未耕地上，一側車輪行進在已耕地的犁溝里，會造成拖拉機的傾斜行走，進而導致與拖拉機通過三點懸掛連接的犁旋一體機產生傾角，而犁旋一體機的傾斜作業會影響耕后的平整度和耕深等作業指標，所以需要手動調平機具來保證作業效果。然而田間作業情況復雜，需要經常進行手動調平，不僅費時費力而且精度不高，導致犁旋一體機作業效果差和作業效率低。

劉林[12]設計了拖拉機耕作機具的全自動調平系統，針對農田作業時復雜環境對傾角傳感器數據采集影響大的問題，采用了濾波算法及溫度補償算法降低振動噪聲及環境溫度對數據采集真實性的影響，并通過田間試驗驗證了系統的可行性和可靠性。胡煉等[13]采用傳感器技術和控制技術設計一種適用于農機具的自動調平控制系統，實現了農機具水平控制，并通過三軸多功能轉臺試驗和田間試驗對系統進行分析，試驗表明該系統可以提高控制的精度。周浩等[14]將自動調平系統應用于旋耕機上，實現了旋耕機的自動調平控制，始終保持旋耕機構在用戶期望角度（0°）附近作業。奉山森等[15]設計農藥噴灑機械調平控制系統，利用傾角傳感器測量農藥噴灑機的傾角，通過單片機STC89C51控制驅動電路，驅動三位四通電磁換向閥換向，通過液壓油缸的伸縮，最終完成水平姿態的控制。由此可見，自動調平系統在農業領域有著較為廣泛的應用[16-20]。本文以在江蘇地區推廣使用的犁旋一體機為基礎，設計了一套犁旋一體機自動調平系統，以滿足作業過程中調整的需要。設計過程中，重點考慮復式機具自身質量較大引發的調節問題，以及調平角度范圍的確定，以期為復式作業機具的自動調平系統研究提供參考。

1 自動調平系統設計

1.1 整機工作原理

自動調平系統包括液壓系統、控制系統和執行機構，系統整體設計如圖1所示。裝有自動調平系統的犁旋一體機在田間進行犁旋作業時，安裝在犁旋機架上的傾角傳感器會實時測量犁旋一體機的傾斜角度，控制系統按照預設的角度范圍對實時輸入的角度值進行判斷，當角度超出預設范圍時，控制電磁換向閥改變液壓油流向，從而實現調平油缸的伸出與收縮，達到調平犁旋一體機目的。直到角度調節到預設角度范圍內再開始下個周期的調節，實現犁旋一體機自動調平閉環控制，保持機具處于期望的預設角度范圍內。

1.拖拉機 2.鏵式犁 3.旋耕機 4.傾角傳感器 5.拉桿 6.液壓缸 7.節流閥 8.控制箱 9.液壓油箱 10.電磁閥 11.控制器 12.操作盒

1.2 液壓系統

自動調平系統的液壓系統主要包括調平油缸、三位四通電磁比例換向閥、液壓油管、液壓油箱和節流閥等。頻繁的調節以及犁旋一體機自身較大的質量會對拖拉機自身液壓系統的負擔，故設計了獨立于拖拉機的液壓系統，液壓系統油路設計圖如圖2，由油箱、液壓泵、分流閥、電磁比例換向閥、調平油缸、溢流閥組成。根據《機械設計手冊》對液壓系統的各部分元件進行選型和參數計算。農業機械的液壓系統的工作液壓范圍為7～21 MPa，本設計選取的液壓為10 MPa。選用齒輪泵作為液壓泵，選用直動式溢流閥保護系統在正常的范圍內工作，選用M型電磁比例換向閥用于控制調平油缸的伸縮，選用單向節流閥用于控制液壓油的流速。

1.油箱 2.液壓泵 3.分流閥 4.電磁比例換向閥 5.調平油缸 6.溢流閥

用單側調平油缸進行調節，根據犁旋一體機的作業方式，左側車輪行進在未耕地上，將調平油缸置于拖拉機的左側。同時，針對其較大的質量會造成機具在下調過程中下降幅度過猛的問題，在調平油缸的下出油口加入節流閥以穩定液壓流量，保證機具平穩下降。

1.3 自動調平控制系統

自動調平控制系統主要由傾角傳感器和調平控制器組成。傾角傳感器采用單軸加速度傳感器，調平控制器由控制電路、穩壓電路和操作盒組成。其中，傾角傳感器和操作盒均通過數據線與控制電路相連，采用RS485協議進行通訊，控制原理圖如圖3所示。傾角傳感器采集的傾角信號經過A/D轉換后得到一組十六進制的傾角數據，如AA 04 A1 FF 1F 67 ED，其中前三位為校驗位，第四位為符號位，第五位為角度的數據位，六七位為終止位，傳輸到控制器中轉換碼制為十進制，再采用卡爾曼算法[21-23]對噪聲進行濾波處理，通過對傾角傳感器傳來的傾角數據進行判斷，再將判斷的結果反饋給執行機構和液壓系統，控制電磁換向閥改變液壓油流向，從而控制調平油缸伸出與收縮，實現調節目標。

圖3 自動調平控制原理圖

控制電路的電源由拖拉機蓄電池提供，單片機I/O口直接控制液壓系統中的電磁換向閥，實現對液壓油流向及過閥流量的控制，具體過程為：經過控制器處理過的信號分別從單片機的P 0.0，P 0.1，P 0.2，P 0.3口輸出。其中P 0.0和P 0.1輸出的脈寬調制信號控制流經比例閥電磁鐵3YA和4YA的電流大小，P 0.2和P 0.3輸出信號控制電磁閥1YA和2YA的通斷，改變液壓油方向。加入保護電路，則是保證調平系統能夠在環境復雜的田間作業環境中正常運行。控制器與液壓油箱、電磁換向閥作為整體置于控制箱內，懸掛于拖拉機駕駛室后。操作盒可實現自動和手動模式的切換，在田間轉向或者停止作業時可切換到手動模式。

田間作業的環境較為復雜，從自動調平系統應用于其他農業機械的實際情況來看，將調平角度設置為0°，會導致機具調節過于頻繁，進而會減少液壓系統的使用壽命。本文結合犁旋一體機自身的特點，按照農藝和保護性耕作的要求[24]，提出了一種確定調平角度的方法。犁旋一體機的旋耕深度要大于犁耕深度，因此作業深度主要由犁耕部分決定。以拖拉機前進方向作為前方，規定右高左低產生的角度為負角度，反之為正角度。圖4為角度范圍選取模型簡圖。

管網運行：GIS地理信息系統、GPA巡線系統、管網監測系統、水力模型系統、DMA分區管理系統、產銷差系統等；

注：θ為犁旋一體機可調整的角度，cm；h1為最左側犁的耕深，cm；h2為最左側犁距地面的垂直高度，cm；H0為犁體的垂直高度，cm；L為犁耕的幅度，cm。

角度范圍的選取：以最右邊的犁為參照，確定角度上下限的方法：①當最右邊達到最大耕深，最左邊的耕深能滿足耕深要求的最小值時，為調節角度的上限；②當最右邊達到最小耕深，最左邊的耕深能滿足耕深要求的最大值時，為調節角度的下限。角度與最左側犁的耕深1和最左側犁距地面的垂直高度2的關系如下

經過化簡求解得

1.4 執行機構

執行機構主要包括前置犁耕機構、后置旋耕機構、減速箱、旋耕機架、犁耕機架等機構組成。懸掛機架的前端通過三點懸掛與拖拉機掛接，傾角傳感器固定在犁旋機架上，通過數據線與控制器相連。犁耕部分采用四鏵犁，調平油缸一端與拖拉機后懸掛鉸接，一端與犁旋機架鉸接，旋耕部分的旋耕刀采用彎刀設計，按照雙頭螺旋線方式的排列，旋耕刀旋轉方向相反，升角相同，采用中央傳動方式傳動和反轉作業方式作業。

2 EDEM虛擬仿真試驗

土壤是一種具有特殊內部黏結特性，且具有離散特點的特殊物質[25]。在工作過程中，由于土壤間及土壤與工作部件間的碰撞、夾持運動較復雜，無法完全通過理論研究分析因素間的相互作用[26-27]。近些年隨著計算機技術的發展，離散元分析法成為一種重要分析手段，被越來越多的應用在農業機械作業上[28]。為研究顆粒群體的運動規律，本文運用EDEM離散元分析軟件，對帶有自動調平系統的犁旋一體機進行仿真，以耕后地表平整度作為仿真指標，考察自動調平系統的作業性能。

2.1 EDEM仿真過程

為了更加真實的還原真實土壤特性，在創建土壤顆粒模型時，考慮同一田塊土壤一致性[29]。根據江蘇省土壤實際情況，設置土壤粒徑從1～40 mm 不等，并且在田間程正態分布，為了模擬土壤顆粒的不規則性，土壤顆粒設計為不規則團球狀，土壤的基本參數如表1所示。

表1 EDEM仿真土壤參數

將事先建好的犁旋一體機模型的導入EDEM，設置其材料為45鋼，根據實際作業情況，設置機具前進速度為1 m/s，轉速為240 r/min，耕深上限設置為25 cm，下限設置為15 cm。設置土槽寬度與機器作業幅寬相等為1.4 m，長度為20 m。在保證仿真連續性的前提下，設定固定時間步長8.68×10-6，總時間為20 s，其中機器田間作業時間為15 s，網格單元尺寸為6 mm，為最小顆粒半徑的3倍。設置完成后，對犁旋一體機進行田間作業仿真，犁旋一體機模型如圖5所示。

圖5 犁旋一體機EDEM模型

2.2 EDEM仿真結果

根據地表平整度考察標準，仿真結束后截取模擬田塊橫截面，選取2條水平線，其中一條是與地表最高點平齊的水平基準線，另一條與之平行為地表最低點的水平線，按照平整度的計算公式求出之地表平整度小于2 cm。仿真結果表明犁旋一體機耕后地表平整度能夠滿足農藝要求。

3 田間試驗

3.1 試驗設計

試驗于2017年11月3日在南通市通州區四安鎮蔣家橋村進行，試驗田為水旱輪作田，前茬作物為水稻，長60 m，寬55 m，土壤平均含水率為22.3%，平均堅實度為153.7 N/cm2。試驗機具為犁旋一體機（上海農業機械研究所生產），犁耕深度16～20 cm，旋耕深度8～10 cm，牽引拖拉機為DF1204。采用2臺HN-QJ02A傾角傳感器（南通惠能信息科技發展有限公司）分別測量拖拉機車身和耕整機的傾斜角度。還采用了4臺E61-DTU-1W無線傳輸模塊（成都億佰特電子科技有限公司），2臺為一組，其中一臺為發送端，一臺為接收端，分別傳送兩臺傳感器所采集的傾角數據。此外，還有秒表，直尺（15 cm，0.1 cm），卷尺（50 m，0.01 m），筆記本電腦等設備。圖6為犁旋一體機的作業過程。

圖6 犁旋一體機作業過程

作業共有8個行程，編號為1，2，3，…，6，7，8。作業的平均速度為1.28 m/s。分別采集每個行程在30 m的行進過程中拖拉機的傾角和犁旋機具的傾角。試驗前先對傳感器進行誤差校正，確保測量的準確度。圖7為耕作行程示意圖。

注：1～5為自動調平模式的作業行程，6～8為手動調平模式的作業行程。

3.2 耕深及平整度的測量

3.2.1 耕深的測量

沿機組前進方向，每隔5 m，在行程的左中右處各取一個點，每個行程測5組，共測量15個點，用耕深尺測量每個測量點處的耕深，自動調平和手動調平模式下各測3個行程。

3.2.2 平整度的測量

沿垂直于機組前進方向，在地表最高點取水平基準線，每隔5 m，在行程的左中右處各取一個點，每個行程測5組，用直尺測量各點處的耕深，自動和手動調平模式下各測3個行程。

3.3 試驗結果與分析

試驗主要測試了自動調平的系統性能以及犁旋一體機的機械性能。其中系統性能通過采集到的傾角數據進行處理分析，機械性能通過耕深和耕后地表平整度進行評價。

3.3.1 耕 深

自動調平模式下取行程2，3，4的耕深，手動模式下取行程6，7，8的耕深，各行程的耕深及耕深穩定性如表2所示。

通過對表2的數據比較可知：2種模式下的耕深基本相同，但是自動模式下的耕深穩定系數（87.31%）要比手動調平模式下的耕深穩定系數（84.76%）高2.55個百分點。自動模式下的左中右3個點的平均耕深要比手動模式下的平均耕深高度差要小，手動模式下左中右三點的平均耕深差距比較大。2種模式下都表現出左側的平均耕深大于右側的平均耕深。從耕深標準差來看，手動調平模式下的標準差比較穩定，而自動模式下的標準差會隨著耕作的進行而逐漸增大。

表2 耕深性能分析

3.3.2 平整度

平整度行程的選取與耕深的相同，通過均方根計算。數值越大代表地表高度越高，反之代表地表高度越低。

通過表3對比發現，自動模式下的平均地表平整度（1.97 cm）要優于手動模式下的平均地表平整度（2.56 cm），這說明自動模式下的作業效果要好于手動模式，加入自動調平系統具有實際效果。

表3 耕作后的地表平整度

3.4 自動調平系統性能分析

試驗過程中采集了8個行程的傾角數據，圖8為自動和手動模式下拖拉機與犁旋一體機的傾角變化圖。自動模式下，選取行程2、3、4的傾角變化，如圖8a、8b與8c所示，手動模式下，犁旋一體機的傾角基本是隨同拖拉機的傾角變化而變化，因此只取行程8的傾角變化，如圖8d所示。圖中8a為自動模式下犁旋一體機試驗過程中行程2的實時傾角，試驗過程中拖拉機的傾斜角度不斷變化，犁旋一體機的傾斜角度基本保持在設定的角度范圍內（?0.75°～1.5°），均方根誤差分別為0.75°，0.66°，0.93°。圖8d為手動模式下犁旋一體機試驗過程中的實時傾角，試驗過程中拖拉機的傾角和機具的傾角變化趨勢基本相同，拖拉機與機具初始安裝誤差角度為0.53°。由此可看出，自動模式要優于手動模式的作業質量。

注：圖8d中拖拉機與犁旋一體機的位置相對固定，因此二者角度的變化趨勢基本一致。

4 結 論

本文設計了犁旋一體機自動調平系統，根據農藝和保護性耕作的要求，確定了一種調平角度范圍的確定方法，并根據此方法，實現了犁旋一體機的自動調平控制，基本保持在預設的角度范圍內。

在田間進行了犁旋作業試驗。結果表明：耕深方面，自動模式下的耕深穩定系數（87.31%）要比手動調平模式下的耕深穩定系數（84.76%）高2.55個百分點。地表平整度方面，自動模式下的平整度（1.97 cm）也要優于手動模式下的平整度（2.56 cm）。以上2個指標可以表明，帶有自動調平系統的犁旋一體機完全可以滿足整地需要，并且能夠達到農藝要求。

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Design and test of automatic leveling system of plough rotary machine

Ding Weimin, Sun Yuanhao,Zhao Siqi, Xiong Jiading

(1210031,; 2.210031,)

In order to solve the problem of equipment adjusting in the operation of plough rotary tiller, an automatic leveling system of plough rotary machine is designed, which includes executive mechanism, automatic leveling control module, hydraulic system and tilt sensing module. The plough rotary machine is a kind of well-behaved machine on tillage and straw returning, which combines the function of plough turning and rotary tillage. It can be used to carry out multiple work processes such as plough turning, rotary tillage and burying ground straw into soil. The soil is finely ground after ploughing, and the crop stalks and stubble are directly buried in the fields to achieve the soil preparation effect. It can also reduce the number of operations of going into soil for the machine, reduce the compaction of the soil, and improve the efficiency of farming. In the process of work, one side of tractor wheel drives on the balk, the other side drives on the cultivated furrows, causing tractor to incline to walk, and then leading to a certain inclination in horizontal direction of the plough rotary machine connected with the tractor through the three-point suspension mechanism. However, the tilting of plough rotary machine will affect the flatness and depth of the plow, so it is necessary to continuously adjust the equipment to ensure the work effect. Due to the complexity of field work condition, it needs to adjust frequently on the first 2 work routes and every route caused by the unstable work of the hydraulic system in each field. It not only is time-consuming but also has not high precision, which results in poor performance and low efficiency of work. In order to solve the problem of frequent adjustment of the plough rotary machine during work of plough, combining the characteristics of the plough rotary machine, a method to determine the angle range of leveling is put forward. The plough rotary machine as a compound tillage machine has great quality. It will cause great burden to the hydraulic system of the tractor by automatic leveling. At the same time, the downward motion will appear more severe during the downgrading process of the plough rotary mechanism. Therefore, a set of independent hydraulic system is designed in this paper. According to the actual field work situation, the soil model is established by using EDEM (enhanced discrete element method) simulation software, and the virtual simulation of field operation is carried out. The simulation results show that the surface roughness is less than 2 cm and meets the agronomic requirements. On the basis of design and simulation, field experiments were carried out to compare the operation of manual leveling plough rotary machine and the operation of automatic leveling plough rotary machine. The content of the test includes the system performance and mechanical performance of automatic leveling. The system performance is obtained by analyzing the change of the inclination angle of the tractor. The mechanical performance is obtained by analyzing ploughing depth, its stability and surface roughness after the operation. The results show that the automatic leveling plough rotary machine has a marked improvement in the stability of ploughing and surface evenness after tillage compared with the manual leveling plough rotary machine. The stability coefficient of the former tillage depth is 87.31% and the latter is 84.76%. The surface roughness of the former is 1.97 cm and the latter is 2.56 cm. It can provide reference for the design of automatic leveling system for compound agricultural machinery.

agricultural machinery; control; design; plough rotary machine; automatic leveling

2018-03-29

2018-06-30

國家科技支撐計劃項目資助(2013BAD08B04)

丁為民，教授，博士生導師，主要從事農業機械化裝備研究。Email：wmding@njau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.004

S222.4

A

1002-6819(2018)-17-0025-07

丁為民，孫元昊，趙思琪，熊佳定. 犁旋一體機自動調平系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(17)：25－31.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.004 http://www.tcsae.org

Ding Weimin, Sun Yuanhao, Zhao Siqi, Xiong Jiading. Design and test of automatic leveling system of plough rotary machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 25－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.004 http://www.tcsae.org