耕整地機(jī)械在水田作業(yè)中的水平自動(dòng)調(diào)整技術(shù)

劉強(qiáng)

摘 要：耕整地作業(yè)的質(zhì)量會(huì)直接影響到水稻的栽培全過程，不合理的耕整地作業(yè)易造成水稻產(chǎn)量的明顯下降，針對(duì)于現(xiàn)階段水田耕整地機(jī)械作業(yè)中容易出現(xiàn)的機(jī)體傾斜問題，建議在傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增設(shè)水平狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整裝置，以保證水田耕整地作業(yè)的良好品質(zhì)，對(duì)水平自動(dòng)調(diào)整技術(shù)的基本原理進(jìn)行了相關(guān)說明。

關(guān)鍵詞：耕整地機(jī)械;水田;水平調(diào)整;技術(shù);水稻

中圖分類號(hào)：S233.1 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.06.064

耕整地作業(yè)是水稻生產(chǎn)的基礎(chǔ)性工作，現(xiàn)代化的耕整地作業(yè)通過使用專用機(jī)械按照農(nóng)藝要求完成水田的土層翻耕、土壤細(xì)碎、優(yōu)化耕地土壤結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)水稻殘茬翻蓋，將地表積聚的化肥和農(nóng)藥混入土壤內(nèi)部，減少地表殘留造成的環(huán)境污染和對(duì)水稻生長的不良影響。我國的水田耕整地機(jī)械在多年的研究和發(fā)展基礎(chǔ)上，已經(jīng)具備了供不同水田作業(yè)需要的機(jī)型要求，并逐漸向著多功能方向發(fā)展。水田耕整地機(jī)械的作業(yè)根據(jù)農(nóng)藝要求，必須達(dá)到土壤耕整后均勻平整的要求，但由于水田地表不平等復(fù)雜因素影響，耕后效果常存在著深淺不一、質(zhì)量不佳的問題。針對(duì)這一問題，在現(xiàn)階段耕整地技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究水田作業(yè)的水平調(diào)整技術(shù)，有利于提高水田耕整地作業(yè)的整體水平。

1 水田耕整地機(jī)具發(fā)展情況

我國對(duì)于水田耕整地機(jī)具的研究開始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)歷了機(jī)械的不斷優(yōu)化和機(jī)型的日漸豐富，現(xiàn)階段所使用的水田耕整地機(jī)具大體包括輪式和船式兩類，其中以輪式應(yīng)用為主，且隨著《水田耕整機(jī)安全技術(shù)要求》于2008年實(shí)施，水田耕作機(jī)具的技術(shù)和可靠性得到了快速發(fā)展。

隨著國家農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼的深入實(shí)施，農(nóng)民有能力購置更為先進(jìn)的新型農(nóng)機(jī)，使水田耕整地機(jī)具開始由小型農(nóng)機(jī)向著中大型農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)變，且機(jī)具具備功能豐富、種類齊全的特點(diǎn)，這種發(fā)展趨勢(shì)更適合于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展及土地的大規(guī)模經(jīng)營需要。但總體上看，水田耕整地所使用的機(jī)械仍以落后的小型農(nóng)機(jī)為主，其安全性和可靠性仍有待提升，大型先進(jìn)機(jī)型的推廣與普及仍需加速實(shí)施。

2 耕作機(jī)具水平調(diào)整的意義

在拖拉機(jī)懸掛水田耕整地機(jī)械作業(yè)時(shí)，因?yàn)樗锔乇砻鏍顟B(tài)相對(duì)較差，其中的坑洼或斜坡可能導(dǎo)致拖拉機(jī)行駛中出現(xiàn)傾斜問題，這種傾斜會(huì)通過懸掛結(jié)構(gòu)傳遞給耕整地機(jī)具，從而引起被懸掛的機(jī)具也同時(shí)出現(xiàn)傾斜問題，這很容易造成耕整地作業(yè)的質(zhì)量降低（如圖1），還可能對(duì)機(jī)具造成一定的損壞。由于現(xiàn)階段的耕整地機(jī)具在與拖拉機(jī)懸掛連接后，需要通過手工調(diào)整左右方向的水平狀態(tài)，手工調(diào)整后的耕整地機(jī)械與拖拉機(jī)形成相對(duì)固定狀態(tài)。因此不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的水平調(diào)整，這不利于水田耕整地作業(yè)狀態(tài)的優(yōu)化。因此，在現(xiàn)有機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并推廣水田耕整地機(jī)具的自動(dòng)調(diào)平裝置，以保證耕整地質(zhì)量的提高和水田生產(chǎn)整體狀態(tài)的優(yōu)化。

3 自動(dòng)調(diào)平技術(shù)的基本原理

3.1 傳統(tǒng)機(jī)具的基本結(jié)構(gòu)

自動(dòng)調(diào)平的技術(shù)原理包括了機(jī)械、液壓、自動(dòng)控制、傳感器等眾多學(xué)科，是機(jī)電液一體化技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械上的典型案例。以水田旋耕整地為例，在拖拉機(jī)與旋耕整地機(jī)通過三點(diǎn)式懸掛可靠連接后，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)即可靠固定，并通過萬向節(jié)傳動(dòng)軸將拖拉機(jī)的后動(dòng)力輸出軸輸出的動(dòng)力傳給旋耕機(jī)。在具備可自動(dòng)調(diào)整水平狀態(tài)的機(jī)具上，拖拉機(jī)為旋耕刀輥提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水田土壤的切削、翻耕與細(xì)碎工作，以此滿足旋耕機(jī)的基本作業(yè)需求。

3.2 自動(dòng)調(diào)平技術(shù)的應(yīng)用方式

在傳統(tǒng)的水田旋耕整地機(jī)基礎(chǔ)上，自動(dòng)調(diào)平裝置通過在平地拖板上安裝液壓油缸驅(qū)動(dòng)平地托板實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，整個(gè)調(diào)平裝置由車載計(jì)算機(jī)、水平傳感器、液壓泵、液壓油缸、分流閥、控制器、溢流閥、電磁換向閥等組成，旋耕機(jī)的平地拖板與懸掛架采用銷軸連接的方式，以便于在調(diào)平的過程中平地拖板能夠繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)（如圖2）。同時(shí)控制器具備信號(hào)采集、單片機(jī)控制、驅(qū)動(dòng)電磁閥高壓保護(hù)等多種功能，能可靠地完成相關(guān)數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理。

當(dāng)拖拉機(jī)行駛過程發(fā)生傾斜時(shí)，通過安裝于旋耕機(jī)上的角度傳感器獲得左右方向的角度傾斜量，角度傳感器能夠迅速地將測(cè)得的角度偏差值傳遞給主控制器。當(dāng)主控制器接收到角度偏差信號(hào)后，會(huì)針對(duì)于該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，并與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)范圍進(jìn)行比較，當(dāng)發(fā)現(xiàn)角度偏差大于允許的范圍值，那么控制器會(huì)以輸出電信號(hào)形式控制對(duì)應(yīng)電磁閥工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)平地拖板相連液壓缸的調(diào)節(jié)，從而在液壓缸調(diào)整下，縮小旋耕機(jī)構(gòu)在左右水平方向的角度誤差，以保持平穩(wěn)的工作狀態(tài)。若經(jīng)分析后左右方向的角度偏差在可接受的范圍內(nèi)，則控制器不會(huì)向電磁閥輸出電信號(hào)，此時(shí)電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，也就不會(huì)對(duì)旋耕機(jī)械進(jìn)行調(diào)整，通過合理的控制程序設(shè)計(jì)，能有效提升耕整地過程的合理性和實(shí)際品質(zhì)。主要工作關(guān)系如圖3所示。

4 自動(dòng)控制與液壓技術(shù)應(yīng)用

4.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)功能

調(diào)平裝置對(duì)于耕整地機(jī)具的控制，主要滿足以下功能要求：（1）能夠準(zhǔn)確檢測(cè)機(jī)具的水平狀態(tài)，并將傳感器獲取的狀態(tài)信息進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)，以便于控制器對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與運(yùn)算。（2）主控制器具有快速準(zhǔn)確處理信息的能力，并能夠準(zhǔn)確輸出控制信號(hào)，靈敏且準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)耕整地機(jī)具的水平狀態(tài)。

要滿足水田旋耕機(jī)平地系統(tǒng)對(duì)平地拖板的控制與調(diào)節(jié)過程，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要滿足以下要求：（1）能檢測(cè)平地拖板的水平姿態(tài)，并對(duì)傳感器測(cè)得的模擬信號(hào)進(jìn)行處理得到數(shù)字信號(hào)，方便控制器對(duì)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算分析。（2）控制電路具有信息顯示的功能，能夠?qū)鞲衅鳙@得的信息進(jìn)行準(zhǔn)確的顯示，以便于工作人員對(duì)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)掌握。

4.2 液壓系統(tǒng)主要功能

4.2.1 液壓功能的執(zhí)行

在對(duì)水田耕整地機(jī)具進(jìn)行調(diào)節(jié)的過程中，通過液壓缸的繩索實(shí)現(xiàn)機(jī)具沿銷軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)水平狀態(tài)調(diào)整的要求。為保證液壓系統(tǒng)運(yùn)行過程的平穩(wěn)性，在液壓回路中應(yīng)設(shè)計(jì)流速調(diào)節(jié)裝置，以免出現(xiàn)流速不穩(wěn)定問題，當(dāng)耕整地機(jī)具完成了狀態(tài)調(diào)整后，液壓系統(tǒng)能夠及時(shí)停止動(dòng)力的傳遞，并同時(shí)開啟保壓功能，以避免繼續(xù)工作過程中耕整地機(jī)具因受力出現(xiàn)再次傾斜的問題。為避免液壓系統(tǒng)的工作中出現(xiàn)壓力過大的問題，油路循環(huán)中應(yīng)設(shè)置載荷控制與泄壓裝置，以保證液壓系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

水平自動(dòng)調(diào)整裝置的液壓系統(tǒng)工作動(dòng)力來自于液壓泵，為液壓油缸提供動(dòng)力，液壓泵的動(dòng)力可通過電機(jī)或拖拉機(jī)提供。對(duì)液壓系統(tǒng)的控制與調(diào)整多是利用液壓閥來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)傳感器獲取的水田耕整地機(jī)具的實(shí)際狀態(tài)，通過控制系統(tǒng)控制三位四通電磁換向閥的啟閉狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的伸縮運(yùn)動(dòng)控制。若機(jī)具狀態(tài)不需要調(diào)整，電磁閥應(yīng)置于中位，此時(shí)電磁閥控制整個(gè)油路處于關(guān)閉狀態(tài)，液壓油缸不進(jìn)行伸縮動(dòng)作，此時(shí)的液壓油路維持在保壓狀態(tài)，能有效保證耕整地機(jī)具在目前狀態(tài)下連續(xù)作業(yè)。當(dāng)水田耕整地機(jī)具的狀態(tài)需要調(diào)整時(shí)，電磁閥會(huì)根據(jù)控制器提供的方案開啟指定的油路，通過液壓油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)水平狀態(tài)的補(bǔ)償，保證耕整地的均勻性和平整度。

4.2.2 液壓系統(tǒng)的安全輔助

為保證液壓系統(tǒng)工作的可靠性，通常情況下水平自動(dòng)調(diào)整裝置的液壓系統(tǒng)還需設(shè)計(jì)濾油器、溫度計(jì)、壓力表等輔助原件。濾油器通常安裝于液壓泵的吸油口附近，能夠有效的過濾液壓油中的雜質(zhì);壓力表位于液壓泵的出油口處，能夠顯示液壓系統(tǒng)的壓力值，方便調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作壓力大小;溫度計(jì)所顯示的是液壓油箱的溫度，方便使用者觀察液壓系統(tǒng)狀態(tài)。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)的水田耕整地機(jī)械盡管能夠在基本上滿足耕整地作業(yè)的需要，但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)作業(yè)質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格，農(nóng)業(yè)機(jī)械也必須要進(jìn)行不斷的優(yōu)化與調(diào)整才能滿足優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。對(duì)于水田耕整地機(jī)械而言，利用現(xiàn)有的機(jī)具結(jié)構(gòu)和拖拉機(jī)的相關(guān)功能，只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制功能設(shè)計(jì)，就能顯著提升耕整地實(shí)際質(zhì)量，這需要農(nóng)機(jī)工作者針對(duì)這類問題不斷統(tǒng)計(jì)和優(yōu)化，以促進(jìn)我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)更好更快的發(fā)展。

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