后拋式免耕播種機碎秸裝置離地高度自動控制系統研制

吳惠昌，胡志超，吳 峰，顧峰瑋，邱 添，張延化，陳有慶

·農業裝備工程與機械化·

后拋式免耕播種機碎秸裝置離地高度自動控制系統研制

吳惠昌，胡志超※，吳 峰，顧峰瑋，邱 添，張延化，陳有慶

（農業農村部南京農業機械化研究所，南京 210014）

為了解決秸稈粉碎后拋式免耕播種機田間作業時，碎秸裝置入土滅茬造成作業負載大、秸稈輸送裝置擁堵和卡滯的問題，該文研制了基于雙扇形孔金屬檢測圓盤和接近開關的扭轉變形采集裝置，以有效監測驅動軸的轉速和因扭矩負載變化引起的驅動軸錯位角。設計了基于32位ARM CortexTM-M3核微處理器的碎秸裝置離地高度自動控制系統，實時采集驅動軸轉速和錯位角，分析其變化趨勢，辨別作業工況，輸出相應電磁閥控制信號，驅動液壓缸適時調整碎秸裝置的離地高度，穩定作業負載。試驗結果表明，在2 500 r/min的驅動軸額定轉速下，碎秸裝置離地高度的改變使作業負載變化時，自動控制系統使驅動軸的轉速控制在2 448～2 632 r/min之間，驅動軸錯位角的變化量為±0.002 4 rad，控制信號對錯位角變化的響應延時為0.24 s。田間試驗結果表明，利用碎秸裝置離地高度自動控制系統后機具的通過性極大改善，堵塞現象消失，作業效率提高52.9%，碎秸作業后地表殘茬高度降低43.4%。該設計利用驅動軸轉速和錯位角的變化趨勢辨別作業工況，消除了機械結構參數和材質差異等因素對驅動軸錯位角的影響，可為相關農機具扭矩負載定性監測提供借鑒。

農業機械；秸稈；離地高度；錯位角；自動控制

0 引 言

免耕播種作為機械化保護性耕作的核心技術[1]，是在留有前茬作物秸稈與根茬的田塊直接進行播種[2-5]。國內外大量實踐證明，實施免耕播種的保護性耕作，不僅減少水分蒸發和水土流失，還能提升種子發芽率，有利于蓄水保墑和增產增收，同時在一定程度上提高土壤肥力[6-8]。但是對于前茬作物收獲后秸稈不做任何處理的“全量秸稈地”，傳統免耕播種設備極易出現架種、晾種、機具入土部件掛草壅堵等問題，嚴重影響播種作業質量[9]。而秸稈粉碎后拋式免耕播種機在全量秸稈地能夠一次性完成秸稈粉碎、清理輸送、播種施肥、秸稈覆蓋作業，可有效解決入土部件掛草、架種、晾種的問題[10]。

但在實際生產作業中，秸稈粉碎后拋式免耕播種機經常發生秸稈輸送裝置的拋送管道擁堵或損壞，極大影響作業效率。分析其原因，主要是碎秸裝置離地高度過低入導致滅茬過程產生的大量泥土進入秸稈輸送裝置，使秸稈拋送機構轉動受阻，秸稈輸拋不徹底，造成擁堵和卡滯[11-12]。目前許多學者通過對秸稈拋送機構的拋送機理、內部物料流場和結構參數優化等方面開展被動防堵研究[13-15]，如嚴偉等[16]通過響應面試驗獲得秸稈拋送裝置葉輪轉速和葉片傾角等參數最優值，提升拋送順暢性；翟之平等[17]通過分析功耗及拋送效率與物料運動規律之間的關系，獲取最佳拋送角的范圍；吳峰等[18]運用三因素三水平二次回歸正交試驗確定秸稈輸送裝置最優喂入量和管道界面參數，降低擁堵發生。被動措施在田塊有溝坎或集堆不平時，還是易出現秸稈清輸過程中夾帶過量泥土，導致秸稈輸送裝置壅堵、卡滯。因此應從問題根源入手，研制碎秸裝置離地高度自適應控制系統進行主動防堵，但相關研究鮮有報道，免耕播種自動控制系統研究主要集中在埋茬和播種深度的控制方面[19-21]。

本文以秸稈粉碎后拋式免耕播種機秸稈收集輸送裝置為研究對象，根據驅動軸扭轉變形實時監測集秸輸送裝置負載變化，通過限深地輪自動調整免耕播種機的碎秸裝置離地高度，主動避免入土滅茬造成秸稈輸送裝置的擁堵，以期為秸稈粉碎后拋式免耕播種機穩定、高效、順暢作業提供自適應控制技術支撐。

1 整機結構與控制原理

1.1 整機結構

如圖1所示，秸稈粉碎后拋式免耕播種機由秸稈粉碎清理部件和播種部件組成，其中秸稈粉碎清理部件主要由離地高度調整裝置1、秸稈粉碎裝置3、秸稈拋送裝置4、集秸輸送裝置5、扭轉變形采集裝置6和碎茬破土裝置7組成。肥料箱9和種箱10構成播種部件，并通過后懸掛8掛接于秸稈粉碎清理部件的后部。田間作業時，秸稈粉碎后拋式免耕播種機通過前懸掛2掛接于拖拉機三點懸掛，并由拖拉機提供動力，帶動秸稈粉碎裝置3、集秸輸送裝置5和秸稈拋送裝置4運轉，田間秸稈經過粉碎、收集和提升后，向設備后方均勻拋灑。播種部件在秸稈粉碎清理部件后方無秸稈區域內進行播種作業，拋灑的秸稈均勻覆蓋在播后地表[22]。

1.離地高度調整裝置 2.前懸掛 3.秸稈粉碎裝置 4.秸稈拋送裝置 5.集秸輸送裝置 6.扭轉變形采集裝置 7.碎茬破土裝置 8.后懸掛 9.肥料箱 10.種箱1.Off-ground height adjustment device 2.Front suspension 3.Straw smashing device 4.Straw throwing device 5.Straw collecting and conveying device 6.Torsional deformation acquisition device 7.Stubble cutting and soil breaking device 8.Rear suspension 9.Fertilizer box 10.Seed box

1.2 碎秸裝置離地高度控制原理

秸稈粉碎后拋式免耕播種機可在多種前茬作物全量秸稈地進行免耕播種作業。當田塊有溝坎或集堆不平時，秸稈粉碎裝置會接觸地表，夾帶過量泥土進入秸稈輸送裝置，此時集秸輸送裝置驅動軸的扭矩負載增大，安裝于驅動軸兩端的扭轉變形采集裝置實時采集因扭矩負載改變引起的驅動軸錯位角度，并輸送至微處理器控制模塊，微處理器控制模塊根據驅動軸錯位角和轉速等數據，進行分析計算，輸出液壓電磁閥控制信號，驅動碎秸高度調整裝置動作，以碎茬破土裝置為支點，實現秸稈粉碎裝置離地高度的自動調整，使之與地面保持最優作業距離。

2 碎秸裝置離地高度調整機構設計

2.1 驅動軸扭轉變形采集裝置

驅動軸扭轉變形采集裝置主要由一對電感式接近傳感器和金屬檢測圓盤組成，分別位于驅動軸的兩端，即皮帶輪端和風機端，如圖2a所示。皮帶輪端金屬檢測圓盤1由限位軸套1固定于皮帶輪內側，并隨皮帶輪一起轉動，對應的接近傳感器1由傳感器支架1固定于機架上，如圖2b所示。風機端金屬檢測圓盤2由螺栓固定于驅動軸風機葉片端，對應的接近傳感器2由傳感器支架2固定于機架上，如圖2c所示。

1.皮帶輪 2.驅動軸 3.輸送螺桿 4.風機葉片 5.金屬檢測圓盤1 6.接近傳感器1 7.傳感器支架1 8.限位軸套1 9.螺栓 10.金屬檢測圓盤2 11.限位軸套2 12.接近傳感器2 13.傳感器支架2

1.Pulley 2.Driving shaft 3.Conveying screw 4.Fan blade 5.Metal detection disc 1 6.Proximity sensor 1 7.Sensor bracket 1 8.Limit shaft sleeve 1 9.Bolt 10.Metal detection disc 2 11.Limit shaft sleeve 2 12.Proximity sensor 2 13.Sensor bracket 2

圖2 驅動軸扭轉變形采集裝置安裝示意圖

Fig.2 Installation schematic diagram of torsional deformation acquisition device of driving shaft

為保證接近傳感器檢測信號可靠感應和信號輸出穩定，金屬檢測圓盤扇形通孔的寬度必須大于接近傳感器直徑，且裝配時應將接近傳感器端面對正扇形通孔寬度中心，并保證接近傳感器端面與金屬檢測圓盤之間的距離小于接近傳感器的檢測距離，如圖3所示。本設計接近傳感器選用Macher公司FAM-12D06N1-DS12型全金屬封裝電感式接近開關，其外形直徑為12 mm，感測距離4 mm，開關頻率可達400 Hz。因此，確定金屬檢測圓盤的圓心角為90°，通孔寬度為30 mm，安裝后檢測距離為3 mm。

a. 右視圖b. 主視圖 a. Right viewb. Main view

1.扇形通孔 2.接近傳感器 3.金屬檢測圓盤

1.Fan-shaped through hole 2.Proximity sensor 3.Metal detection disc

注：為接近傳感器感應部與金屬檢測圓盤的距離，mm；為扇形通孔的寬度，mm；為接近傳感器感應部的直徑，mm；為金屬檢測圓盤上扇形通孔的圓心角，rad。

Note:is the distance between the sensing part of the proximity sensor and the metal detection disc, mm;is the width of the fan-shaped through hole, mm;is the diameter of the sensing part of the proximity sensor, mm;is the central angle of the fan-shaped through hole on the metal detection disc, rad.

圖3 金屬檢測圓盤與接近傳感器相對位置示意圖

Fig.3 Diagram of relative position between metal detection disc and proximity sensor

安裝于驅動軸皮帶輪端和風機端的2個金屬檢測圓盤的結構參數完全一致。為便于驅動軸扭轉變形的采樣，其裝配相對位置要求金屬檢測圓盤1的扇形通孔對正接近傳感器1期間，金屬檢測圓盤2的金屬部分對正接近傳感器2；反之金屬檢測圓盤2的扇形通孔對正接近傳感器2期間，金屬檢測圓盤1的金屬部分對正接近傳感器1。接近傳感器作為電感式檢測元件，通過內部振蕩電路感知正前方金屬物體的靠近，并輸出二進制信號。金屬檢測圓盤跟隨驅動軸高速旋轉，扇形通孔正對接近傳感器時，接近傳感器輸出高電平信號“1”；扇形通孔旋轉離開后，金屬檢測圓盤正對接近傳感器，則輸出低電平信號“0”。接近傳感器1和接近傳感器2的信號輸出波形如圖4所示。

注：t1為金屬檢測圓盤1的扇形通孔經過接近傳感器1的時間，s；t2為金屬檢測圓盤2的扇形通孔經過接近傳感器2的時間，s；T為接近傳感器1和接近傳感器2檢測到扇形通孔的間隔時間，s。

驅動軸轉速和2個金屬檢測圓盤間的錯位角根據式 （1）計算。

式中為驅動軸的轉速，r/min；為金屬檢測圓盤旋轉1周時扇形通孔經過接近傳感器的時間，s；為金屬檢測圓盤1和金屬檢測圓盤2的錯位角，rad；由于金屬檢測圓盤扇形通孔的圓心角為常數，因此驅動軸轉速和2個金屬圓盤錯位角的采樣實際就是對接近傳感器1和接近傳感器2輸出脈沖寬度和間隔的采樣。

根據胡克定律可知，集秸輸送裝置的驅動軸在輸送阻力作用下會產生扭轉變形[23]，驅動軸兩端截面之間產生的扭轉角為

式中為扭轉角，rad；T為驅動軸兩端面之間的扭矩，N·m；為驅動軸兩端面之間距離，m；為材料切變模量，Pa；I為極慣性矩，m4；為截面上任意一點到圓心的距離，m；為截面面積，m2。驅動軸為實心圓軸，可在圓軸截面上距離圓心處取長度為d的環形面積作為微面積d，驅動軸的極慣性矩I為

式中為驅動軸的直徑，m。將式（3）代入式（2）可得驅動軸兩截面間的扭轉角為

在驅動軸材料、截面形狀以及軸向長度確定的情況下，驅動軸長度、驅動軸直徑和切變模量均為常數，同時驅動軸產生的扭轉角等于金屬檢測圓盤1和金屬檢測圓盤2的錯位角變化量D，因此根據式（1）和式（4）可得：

式中和均為比例常數；D為接近傳感器1和2檢測到扇形通孔的間隔時間變化量，s.

因此，通過監測接近傳感器1和接近傳感器2的輸出脈沖間隔變化量D，計算出D，即可監測秸稈粉碎后拋式免耕播種機作業時的集秸輸送負載T的變化，為碎秸裝置離地高度調整提供依據。

2.2 離地高度調整裝置

秸稈粉碎后拋式免耕播種機秸稈粉碎清理部件的左右兩側各有一套碎秸裝置離地高度調整裝置。如圖5所示，碎秸高度調整機構主要由液壓缸1、固定支架2、地輪支架7和地輪8組成。液壓缸1的缸體通過螺栓固定于固定支架2的頂部，液壓缸活塞桿通過活塞桿套3和銷軸5連接地輪支架7，地輪支架7由銷軸5引導可在固定支架2的腰型導向通孔內限位上下移動，地輪8固定于地輪支架7的下方。作業時，地輪8緊貼地表行走并支撐主機架10，當高壓油注入液壓缸1無桿腔時，液壓缸活塞桿向下作用于地輪支架7和地輪8，反作用力使主機架10上升，碎秸裝置離地高度增加；反之高壓油注入液壓缸1有桿腔時，主機架10下降，碎秸裝置離地高度減小。

1.液壓缸 2.固定支架 3.活塞桿套 4.墊圈 5.銷軸 6.開口銷 7.地輪支架 8.地輪 9.加強箍 10.主機架 11.加強筋 1.Hydraulic cylinder 2.Fixed bracket 3.Piston rod sleeve 4.Washer 5.Pin shaft 6.Cotter pin 7.Ground wheel bracket 8.Ground wheel 9.Reinforced hoop 10.Main frame 11.Stiffener

碎秸裝置離地高度調整機構中液壓缸克服秸稈粉碎清理部件的自重所需推力由式（6）計算。

式中為秸稈粉碎清理部件質量，kg；為秸稈粉碎清理部件重心至碎茬破土裝置距離，mm；為碎秸高度調整裝置至碎茬破土裝置距離，mm；為重力加速度，m/s2。秸稈粉碎后拋式免耕播種機的秸稈粉碎清理部件的設計質量為850 kg，相應自重力臂即為部件重心至碎茬破土裝置距離，實測約為430 mm；支撐力臂為碎秸高度調整裝置與碎茬破土裝置的距離，設計為1 400 mm。由此可計算出調整推力至少2.56 kN，分配到每個調整裝置上的推力至少為1.28 kN，由液壓缸產生。

2.3 液壓驅動系統

碎秸裝置離地高度調整機構由液壓系統驅動，液壓系統原理如圖6所示，主要由2部分組成：一是拖拉機內部液壓驅動系統高壓油供給部分，包括油箱1、過濾器2和單向定量液壓泵；二是免耕播種機機載部分，包括溢流閥4、三位四通電磁閥5和液壓缸6。2部分通過液壓快速接頭進行連接。三位四通電磁閥5接收控制系統的指令，切換供油路線，改變液壓缸運動方向，進行碎秸裝置離地高度的調整。溢流閥4主要適應不同拖拉機的供油系統，為機載液壓部分提供固定工作油壓，保證液壓缸推力穩定[24-25]。單個液壓缸的推力由式（7）計算。

1.油箱 2.過濾器 3.單向定量液壓泵 4.溢流閥 5.三位四通電磁閥 6.液壓缸

1.Oil tank 2.Filter 3.Unidirectional quantitative hydraulic pump 4.Overflow valve 5.Three-position four-way solenoid valve 6.Hydraulic cylinder

圖6 液壓系統原理圖

Fig.6 Schematic diagram of hydraulic system

表1 液壓缸設計參數

3 控制系統設計

微處理器系統通過傳感器接口電路分別采集位于驅動軸兩端的接近傳感器1和接近傳感器2輸出的脈沖信號，經過波形時域數據分析處理，判斷集秸輸送裝置驅動軸實時工作負載變化情況，以此輸出碎秸裝置離地高度調節信號，經電磁閥驅動電路放大，驅動電磁閥動作改變液壓系統供油方向，使液壓缸產生碎秸高度調整動作[26-28]。

3.1 電路硬件設計

3.1.1 電源

為適應不同拖拉機的電源系統，碎秸裝置離地高度自動控制系統采用DC12～24V供電，電源分別采用隔離穩壓DC-DC模塊和寬壓差線性穩壓管輸出微處理器系統供電VCC和電磁閥驅動電路供電VSS。兩路供電相互隔離，可有效抵抗快速脈沖群等傳導性干擾[29]。

3.1.2 微處理器系統

選擇ST公司32位基于ARM CortexTM-M3核的STM32F101R6微處理器構成數據處理硬件平臺，具有豐富功能配置和36 MHz的CPU處理速度，滿足錯位角信號采集和分析判斷的要求。

3.1.3 電磁閥驅動電路

電磁閥線圈驅動電路由N通道硅MOS管2SK2931和高效二極管堆10GL2CZ47A組成[30]，如圖7所示。光耦TLP817是物理隔離微處理器電路和電磁閥線圈驅動電路，二極管堆D1是為了消除線圈反向續流，抑制浪涌，防止MOS管被反向擊穿。

圖7 電磁閥驅動電路原理圖

3.1.4 傳感器接口電路

傳感器接口電路由鉗位二極管1N4148、RC濾波和整形電路組成，消除干擾毛刺，并通過光耦與微處理器連接，提高接口電路抗干擾能力。為確保接近傳感器輸出脈沖采樣準確不丟失，接近傳感器脈沖經光耦隔離后接至微處理器的外部輸入捕獲端口，由微處理器硬件完成脈沖寬度和時序的捕獲保存，捕獲精度達微秒級[31]。

3.2 軟件設計

碎秸裝置離地高度自動控制流程如圖8所示，軟件采用STM32固件庫函數編程，在RVMDK5.12編程編譯環境下，采用前后臺程序架構。

注：n(i)～n(i+2)表示驅動軸連續3個旋轉周期內的轉速，r·min-1；f (i)～f (i+2)表示驅動軸連續3個旋轉周期內的錯位角，rad。

硬件系統中，2個接近傳感器輸出信號經光耦隔離后分別接入微處理器外部輸入捕獲端口，程序設置并開啟微處理器的捕獲中斷，且觸發方式設置為邊沿觸。在中斷程序中連續采樣脈沖時間1、2和，以此計算驅動軸實時轉速()和錯位角()，并以先進先出方式記錄驅動軸旋轉每周的()和()值。

田間播種作業時，在集秸輸送裝置驅動軸轉速達到2 500 r/min前，通過控制系統手動調整碎秸裝置離地高度調整機構的地輪支架位置，使銷軸位于固定支架腰型導向通孔中部，并調整拖拉機三點懸掛使碎秸裝置離地高度處于合適位置。當轉速大于2 500 r/min后，程序進入碎秸裝置離地高度自動調整模式。控制程序實時監控驅動軸轉速()和錯位角()，并進行數字濾波降噪，分析比較驅動軸連續3個旋轉周期的()和()變化，根據變化趨勢判斷作業負載狀況，輸出相應碎秸裝置離地高度調整措施，使碎秸裝置作業負載穩定，避免秸稈輸送裝置壅堵、卡滯。在自動調整碎秸高度的同時，進行控制飽和判斷，分析調整過程中()和()是否產生閉環控制負反饋變化，即對驅動軸負載變化產生反向穩定作用，若產生負反饋變化，則繼續調整碎秸裝置離地高度穩定負載，否則控制系統輸出信號，驅動聲光報警，提示操作人員采取必要的手動調整措施。

4 性能試驗

4.1 信號采集與控制輸出驗證

4.1.1 試驗條件

2018年9月在南京市溧水區白馬試驗基地利用約翰迪爾6B-1404拖拉機掛接秸稈粉碎后拋式免耕播種機進行信號采集與控制輸出驗證試驗，驗證信號采集方法和控制信號輸出的正確性。為了便于數據監測，微處理器通過USART1口每0.1 s輸出1次當前驅動軸轉速()和錯位角()的值，同時連接筆記本電腦進行數據外部監測。電磁閥驅動信號采用FLUKE190-120雙通道便攜式示波器進行采集，監測控制輸出邏輯和時序。試驗場地選擇全量秸稈稻茬覆蓋的田塊，水稻秸稈覆蓋量為1.14 kg/m2，秸稈平均含水率為41.7%，平均土壤硬度為20.5 kg/cm2，土壤濕度為47.2%.

4.1.2 試驗方法

證試驗分2步進行：一是不使用液壓系統，即免耕播種機的液壓系統不連接拖拉機液壓輸出，由拖拉機駕駛員手動改變拖拉機輸出轉速和碎秸裝置離地高度，模擬不同作業工況，驗證控制輸出邏輯的正確性，示波器記錄接近傳感器輸出和控制輸出脈沖波形，分析控制輸出響應速度；二是連接拖拉機的液壓輸出和免耕播種的液壓系統，保持油門，使驅動軸轉速維持在2 500 r/min，調整拖拉機三點懸掛改變碎秸裝置離地高度，改變碎秸裝置負載，驗證碎秸高度自動控制系統實時輸出控制指令穩定驅動軸轉速和負載的效果。

4.1.3 試驗結果與分析

實測試驗過程驅動軸轉速和錯位角的變化曲線如圖9所示，相應碎秸裝置離地高度調控方式如表2所示。

表2 碎秸裝置離地高度調控方式（未使用液壓系統）

圖9a中，Ⅰ表示拖拉機提速階段，驅動軸轉速從1 220 r/min提高至2 532 r/min，使碎秸裝置離地高度自動控制系統進入自動調整模式，過程中手動調整碎秸裝置離地高度；Ⅱ表示驅動軸負載增大使轉速下降，驅動軸錯位角從1.477 rad增加至1.515 rad，轉速從2 528 r/min下降至1 963 r/min，自動控制系統輸出增加碎秸裝置離地高度控制信號，降低驅動軸負載；Ⅲ表示驅動軸負載增大時手動提高拖拉機轉速，驅動軸錯位角從1.503 rad增加至1.53 rad，轉速從1 966 r/min提高至2 530 r/min，自動控制系統不輸出控制信號，保持碎秸裝置離地高度不變；Ⅳ表示驅動軸負載減小時手動降低拖拉機轉速，驅動軸錯位角從1.529 rad減小至1.493 rad，轉速從2 485 r/min-1下降至2 009 r/min，自動控制系統輸出降低碎秸裝置離地高度信號，增加驅動軸負載；Ⅴ表示驅動軸負載減小使拖拉機轉速增加，驅動軸錯位角從1.495 rad減小至1.477 rad，轉速從2 016 r/min提高至2 2497 r/min，自動控制系統輸出降低碎秸裝置離地高度信號，增加驅動軸負載；Ⅵ表示作業結束，驅動軸轉速手動降至2 000 r/min以下，自動控制程序進入手動調整模式，手動調整碎秸裝置離地高度，使作業部件離開地面。

注：Ⅰ～Ⅵ表示人為模擬不同作業工況：Ⅰ是加大拖拉機油門，使驅動軸轉速從1 220 r·min-1升至2 532 r·min-1；Ⅱ是保持拖拉機油門不變，增加驅動軸負載使轉速下降至1 963 r·min-1；Ⅲ是加大拖拉機油門使驅動軸轉速從1 966 r·min-1升至2 530 r·min-1的同時增加驅動軸負載；Ⅳ是減小拖拉機油門使驅動軸轉速從2 485 r·min-1降至2 009 r·min-1的同時減小驅動軸負載；Ⅴ是加大拖拉機油門使驅動軸轉速從2 016 r·min-1升至2 497 r·min-1的同時減小驅動軸負載；Ⅵ是減小拖拉機油門使驅動軸轉速從2 495 r·min-1降至1 214 r·min-1。下同。

未使用液壓系統的模擬控制試驗顯示，碎秸裝置離地高度自動控制系統對不同模擬作業工況的判斷和控制輸出正確，與實際作業碎秸負載變化時手動調整碎秸裝置離地高度的動作一致。由示波器記錄波形分析，實測控制信號對錯位角變化的響應延時為0.24 s。接入液壓系統后，由于碎秸控制系統的介入，實時修正碎秸高度，穩定集秸輸送裝置驅動軸負載。試驗測量顯示（如圖9b），驅動軸額定轉速為2 500 r/min時，可使驅動軸的轉速控制在2 448～2 632 r/min之間（即Ⅱ～Ⅴ工況），對應錯位角的變化量為±0.002 4 rad。

4.2 田間作業性能試驗

4.2.1 考核指標

碎秸高度自動控制系統在秸稈粉碎后拋式免耕播種機作業時起到的作用是自適應調整碎秸高度，穩定碎秸負載，避免秸稈輸送裝置進入過量泥土而產生壅堵和卡滯，實現免耕播種機高質、高效、順暢作業。因此，作業性能考核指標主要為殘茬高度、機具作業效率和通過性。

4.2.2 試驗方法

2018年10月在江蘇省農業科學院六合基地進行田間小麥播種作業，試驗對比手動調整和自動調整碎秸裝置離地高度時的設備作業性能。試驗地塊為機收后全量秸稈覆蓋稻茬地，平均土壤硬度為23.7 kg/cm2，土壤濕度為34.1%，水稻秸稈覆蓋量為0.9 kg/m2，秸稈平均含水率為33.2%，水稻機收留茬高度為28 cm，動力拖拉機選用東汽英福萊DQ1204，試驗用免耕播種機作業幅寬2 000 mm.

1）殘茬高度

按照《秸稈還田機作業質量》（NY/T 500-2015）[32]測量碎秸作業后殘留在地表的根茬平均高度。連續作業100m后隨機選擇5個測量點，每個測量點在設備幅寬范圍內左、中、右處各取3株根茬測量高度，取平均值。為了便于測定，采用側向后拋，使碎秸不覆蓋作業后地表，且播種部件不工作，對比使用和不使用碎秸高度自動控制系統作業后平均殘茬高度。

2）機具通過性

機具通過性按照《免耕播種機質量評價技術規范》（NY/T 1768—2009）[33]進行測定。試驗地塊長150 m，使用和不使用碎秸高度自動控制系統各作業3個往返行程，對比觀察作業過程中發生輕度堵塞和重度堵塞的次數。

3）作業效率

測量使用和不使用碎秸高度自動控制系統完成相同面積田塊播種作業的用時，計算相應的作業效率。

試驗機具如圖10所示。

1.液壓供油管 2.碎秸高度調整機構 3.控制器 4.錯位角檢測機構

4.2.3 試驗結果與分析

試驗結果如表3所示。由表3可知，使用碎秸高度自動控制系統后，免耕播種機作業后地表的殘茬高度下降了43.4%，殘茬高度降低至人工調控無法達到的水平；免耕播種機的通過性極大改善，試驗過程未發生堵塞現象，證明碎秸高度自動控制系統能有效避免秸稈輸送裝置壅堵、卡滯，作業順暢性明顯提升，作業效率提高了52.9%.

表3 田間試驗結果

注：“輕度堵塞”和“重度堵塞”的判定方法參照標準NY/T1768-2009。
Note: The judgment methods of “mild blockages” and “severe blockages” refer to the standard NY/T1768-2009.

5 結 論

1）通過分析秸稈粉碎后拋式免耕播種機秸稈粉碎輸送裝置產生壅堵卡滯的成因，研制了基于雙扇形孔金屬檢測圓盤和接近開關的扭轉變形采集裝置，有效監測驅動軸的轉速和因扭矩負載改變引起的錯位角。

2）基于32位ARM微處理器硬件平臺的控制器采集驅動軸轉速和錯位角，分析其變化趨勢，辨別作業工況，輸出相應電磁閥控制信號，驅動碎秸高度調整機構實時修正秸稈粉碎輸送裝置離地高度，穩定作業負載。試驗顯示，在2 500 r/min驅動軸額定作業轉速下，可使驅動軸的轉速控制在2 448～2 632 r/min之間，對應錯位角的變化量為±0.002 4 rad，實測控制響應時間為0.24 s.

3）碎秸高度自動控制系統可以使秸稈粉碎后拋式免耕播種機的通過性極大改善，作業效率提高52.9%，碎秸作業后地表殘茬高度降低43.4%.

[1]李安寧，范學民，吳傳云，等. 保護性耕作現狀及發展趨勢[J]. 農業機械學報，2006，37(10)：177－180，111. Li Anning, Fan Xuemin, Wu Chuanyun, et al. Situation and development trends of conservation tillage in the world[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(10): 177－180, 111. (in Chinese with English abstract)

[2]何進，李洪文，陳海濤，等. 保護性耕作技術與機具研究進展[J]. 農業機械學報，2018，49(4)：1－19. He Jin, Li Hongwen, Chen Haitao, et al. Research progress of conservation tillage technology and machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(4): 1－19. (in Chinese with English abstract)

[3]楊麗，張瑞，劉全威，等. 防堵和播深控制機構提高玉米免耕精量播種性能[J]. 農業工程學報，2016，32(17)：18－23. Yang Li, Zhang Rui, Liu Quanwei, et al. Row cleaner and depth control unit improving sowing performance of maize no-till precision planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 18－23. (in Chinese with English abstract)

[4]劉艷芬，林靜，郝寶玉，等. 免耕播種機土壤工作部件測試裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(17)：24－31. Liu Yanfen, Lin Jing, Hao Baoyu, et al. Design and experiment of testing device for soil working tool in no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 24－31. (in Chinese with English abstract)

[5]陳有慶，吳峰，顧峰瑋，等. 麥茬全秸稈覆蓋地花生免耕播種機試驗研究[J]. 中國農機化學報，2014，35(2)：133－135. Chen Youqing, Wu Feng, Gu Fengwei, et al. Test on peanut no-till planter under the coverage of the wheat straw[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2014, 35(2): 132－135. (in Chinese with English abstract)

[6]農業部農業機械化管理司. 中國保護性耕作[M]. 北京：中國農業出版社，2008.

[7]林靜，宋玉秋，李寶筏. 東北壟作區機械免耕播種工藝[J]. 農業工程學報，2014，30(9)：50－57. Lin Jing, Song Yuqiu, Li Baofa. Mechanical no-tillage sowing technology in ridge area of Northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(9): 50－57. (in Chinese with English abstract)

[8]胡紅，李洪文，李傳友，等. 稻茬田小麥寬幅精量少耕播種機的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(4)：24－32. Hu Hong, Li Hongwen, Li Chuanyou, et al. Design and experiment of broad width and precision minimal tillage wheat planter in rice stubble field[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(4): 24－32. (in Chinese with English abstract)

[9]何萍，張新忠，李曉春. 免耕播種小麥常見問題分析[J]. 現代農機，2016(5)：48－49.

[10]顧峰瑋，胡志超，陳有慶，等. “潔區播種”思路下麥茬全秸稈覆蓋地花生免耕播種機研制[J]. 農業工程學報，2016，32(20)：15－23. Gu Fengwei, Hu Zhichao, Chen Youqing, et al. Development and experiment of peanut no-till planter under full wheat straw mulching based on “clean area planting”[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(20): 15－23. (in Chinese with English abstract)

[11]王漢羊，陳海濤，紀文義. 2BMFJ-3型麥茬地免耕精播機防堵裝置[J]. 農業機械學報，2013 ，44(4)：64－70. Wang Hanyang, Chen Haitao, Ji Wenyi. Anti-blocking mechanism of type 2BMFJ-3 no-till precision planter for wheat stubble fields[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(4): 64－70. (in Chinese with English abstract)

[12]林靜，李寶筏，李宏哲. 阿基米德螺線型破茬開溝和切撥防堵裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(17)：10－19. Lin Jing, Li Baofa, Li Hongzhe. Design and experiment of Archimedes spiral type stubble breaking ditching device and stubble breaking anti blocking device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(17): 10－19. (in Chinese with English abstract)

[13]林德志，吳努，陸永光，等. 免耕播種機的拋送裝置數值模擬與試驗研究[J]. 江蘇農業科學，2016，44(8)：410－414.

[14]翟之平，張龍，劉長增，等. 秸稈拋送裝置外殼振動輻射噪聲數值模擬與試驗驗證[J]. 農業工程學報，2017，33(16)：72－79. Zhai Zhiping, Zhang Long, Liu Changzeng, et al. Numerical simulation and experimental validation of radiation noise from vibrating shell of stalk impeller blower[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 72 －79. (in Chinese with English abstract)

[15]林德志，吳努，陸永光，等. 適用于免耕播種的葉片式拋送裝置的數值模擬[J]. 農機化研究，2016，38(7)：90－94. Lin Dezhi, Wu Nu, Lu Yongguang, et al. Numerical simulation and analysis on impeller blower apply to no－till seeding[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(7): 90－94. (in Chinese with English abstract)

[16]嚴偉，吳努，顧峰瑋，等. 葉片式拋送裝置功耗試驗研究與參數優化[J]. 中國農業大學學報，2017，22(7)：99－106. Yan Wei, Wu Nu, Gu Fengwei, et al. Parameter optimization and experiment for the power consumption of impeller-blower[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(7): 99－106. (in Chinese with English abstract)

[17]翟之平，高搏，楊忠義，等. 葉片式秸稈拋送裝置功耗分析與參數優化[J]. 農業工程學報，2013，29(10)：26－33. Zhai Zhiping, Gao Bo, Yang Zhongyi, et al. Power consumption and parameter optimization of stalk impeller blowers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 26－33. (in Chinese with English abstract)

[18]吳峰，徐弘搏，顧峰瑋，等. 秸稈粉碎后拋式多功能免耕播種機秸稈輸送裝置改進[J]. 農業工程學報，2017，33(24)：18－26. Wu Feng, Xu Hongbo, Gu Fengwei, et al. Improvement of straw transport device for straw-smashing back-throwing type multi-function no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 18－26. (in Chinese with English abstract)

[19]朱毅，羅海峰，毛燦，等. 播種機播種深度控制技術研究進展[J]. 中國農機化學報，2019，40(7)：114－118. Zhu Yi, Luo Haifeng, Mao Can, et al. Research progress on sowing depth control technology of planter[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2019, 40(7): 114－118. (in Chinese with English abstract)

[20]黃東巖，朱龍圖，賈洪雷，等. 基于壓點薄膜的免耕播種機播種深度控制系統[J]. 農業機械學報，2015，46(4)：1－8. Huang Dongyan, Zhu Longtu, Jia Honglei, et al. Automatic control system of seeding depth based on piezoelectric film for no-till planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(4): 1－8. (in Chinese with English abstract).

[21]趙金輝，劉立晶，楊學軍，等. 播種機開溝深度控制系統的設計與室內試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(6)：35－41. Zhao Jinhui, Liu Lijing, Yang Xuejun, et al. Design and laboratory test of control system for depth of furrow opening[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(6): 35－41. (in Chinese with English abstract)

[22]劉繼龍，李佳文，周延，等. 秸稈覆蓋與耕作方式對土壤水分特性的影響[J]. 農業機械學報，2019，50(7)：333－339. Liu Jilong, Li Jiawen, Zhou Yan, et al. Effects of straw mulching and tillage on soil water characteristics[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019 50(7): 333－339. (in Chinese with English abstract)

[23]劉鴻文. 材料力學（第5版）[M]. 北京：高等教育出版社，2011.

[24]張利平. 液壓控制系統及設計[M]. 北京：化學工業出版社，2004.

[25]陳亞洲，皮鈞，鄭添義. 基于先導分配的電液比例控制平地機控制系統[J]. 農業工程學報，2012，28(2)：7－12. Chen Yazhou, Pi Jun, Zheng Tianyi. Electro-hydraulic proportional manipulation system of land leveler based on pilot oil distribution method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(2): 7－12. (in Chinese with English abstract)

[26]吳惠昌，胡志超，彭寶良，等. 牽引式甜菜聯合收獲機自動對行系統研制[J]. 農業工程學報，2013，29(12)：17－24. Wu Huichang, Hu Zhichao, Peng Baoliang, et al. Development of auto-follow row system employed in pull-type beet combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(12): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[27]游兆延，吳惠昌，胡志超，等. 4HLB-2 型花生收獲機挖掘深度的模糊控制[J]. 西北農林科技大學學報：自然科學版，2015，43(11)：221－227. You Zhaoyan, Wu Huichang, Hu Zhichao, et al. Fuzzy control on digging depth of 4HLB-2 peanut harvester[J]. Journal of Northwest A&F University: Nat. Sci. Ed., 2015, 43(11): 221－227. (in Chinese with English abstract)

[28]陳智鍇，吳惠昌，張延化，等. 半喂入四行花生聯合收獲機自動限深系統研制[J]. 農業工程學報，2018，34(15)：10－18. Chen Zhikai, Wu Huichang, Zhang Yanhua, et al. Development of automatic depth control device for semi-feeding four-row peanut combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(15): 10－18. (in Chinese with English abstract)

[29]寇戈，蔣立平. 模擬電路與數字電路[M]. 北京：電子工業出版社，2009.

[30]宋軍，李書澤，李孝祿，等. 高速電磁閥驅動電路設計及試驗分析[J]. 汽車工程，2005，27(5)：546－549. Song Jun, Li Shuze, Li Xiaolu, et al. Design and experimental analysis of drive circuit for high-speed solenoid valve[J]. Automotive Engineering, 2005, 27(5): 546－549. (in Chinese with English Abstract)

[31]黃智偉，王兵，朱衛華. STM32F 32位ARM微控制器應用設計與實踐（第2版）[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[32]NY/T 500-2015，秸稈還田機作業質量[S].

[33]NY/T 1768-2009，免耕播種機質量評價技術規范[S].

Development of automatic control system for straw smashing height adjustment device of back throwing type no-tillage planter

Wu Huichang, Hu Zhichao※, Wu Feng, Gu Fengwei, Qiu Tian, Zhang Yanhua, Chen Youqing

(,,210014,)

As the core technology of mechanized conservation tillage, no-tillage sowing is a new type of agricultural cultivation method popularized in recent years, it directly sows in the field where the straw and roots of the former crops are left, which not only reduces water evaporation and soil erosion, but also can ensure the germination and growth of seeds, which is conducive to water storage and conservation, increasing production and income, and at the same time improving soil fertility to some extent. However, after the harvest of the former crops without any collection and removal treatment, the “full amount of straw field” has become the new normal state of China's cultivation. The traditional no-tillage seeding equipments are prone to easily increase the workload of straw crushing device when it entering the soil and extinguishing stubble, which causes the blockage and jamming of straw conveying device. In order to solve this problem, the back-throwing type no-tillage straw smashing planter was taken as the research object in this paper, and an automatic control system based on off-ground height of the straw smashing device was developed. Torsional deformation acquisition device was created based on a double fan-shaped through hole metal detection disc and proximity switch, which was installed at both ends of the driving shaft to effectively monitor the rotation speed of the driving shaft and the stagger angle caused by the change of torque load. The design was based on the 32-bit ARM CortexTM-M3 core microprocessor hardware platform, which constituted the data acquisition and output drive unit of the automatic control system, the driving shaft rotation speed and stagger angle was collected in real time, the change trend was analysed through the system software, and current working conditions was identified. According to the corresponding output control signal, the straw height adjusting mechanism timely corrects the off-ground height of the straw smashing and conveying device to stabilize the working load. The straw height adjustment mechanism was composed of a solenoid valve, a hydraulic cylinder, a fixed bracket and a supporting ground wheel. The hydraulic cylinder's high pressure driving oil was taken directly from the working tractor to improve the applicability of the device. The performance verification test showed that under the driving shaft’s rated rotation speed of 2 500 r/min, when the height of the straw crusher off the ground changed the working load, the automatic control system controled the rotation speed of the driving shaft between 2448 and 2632 r/min, the change of the stagger angle of the driving shaft was ± 0.002 4 rad, and the response delay time of the control signal to the change of the stagger angle was 0.24 s. The field operation comparison test showed that when the back-throwing type no-tillage straw smashing planter was equipped with automatic control system based on off-ground height of the straw smashing device, the passability of the machine was greatly improved, the occurrence of blockage was eliminated, the operation efficiency was increased by 52.9%, and the height of surface stubble was reduced by 43.4% after straw smashing operation. In conclusion, The design of this paper uses the change trend of the driving shaft rotation speed and stagger angle to identify the working condition, effectively eliminating the influence of mechanical structure parameters and material differences, and the mechanical structure is light and easy to install, which can provide reference for qualitative monitoring of torque load of agricultural machinery.

agricultural machinery; straw; off-ground height; stagger angle; automatic control

吳惠昌，胡志超，吳 峰，顧峰瑋，邱 添，張延化，陳有慶. 后拋式免耕播種機碎秸裝置離地高度自動控制系統研制[J]. 農業工程學報，2019，35(24)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.001 http://www.tcsae.org

Wu Huichang, Hu Zhichao, Wu Feng, Gu Fengwei, Qiu Tian, Zhang Yanhua, Chen Youqing. Development of automatic control system for straw smashing height adjustment device of back throwing type no-tillage planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.001 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.001

S223.2

A

1002-6819(2019)-24-0001-09

2019-09-05

2019-11-30

中國農業科學院創新工程（綠色耕作與土下果實收獲機械化）；國家綠肥產業技術體系（CARS-22）

吳惠昌，研究員，主要從事農產品加工與農機裝備智能化的研究。Email：huichangwu@126.com

胡志超，研究員，主要從事農作物收獲及產后加工技術裝備的研究。Email：nfzhongzi@163.com

中國農業工程學會高級會員：胡志超（E041200498S）