智能化控制的精整地聯合機設計及關鍵部件分析

李洪昌，高 芳

(常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著農業機械化的進步與農用機具智能化的發展，各類用于作物種植的機具不斷得到更新、研發。為更好地提高我國農作物及經濟作物的成熟收獲產量與質量，在改進作業機械工具的同時，應關注作物生長的土壤信息，保證后續機械自動化生產作業高效進行。作物種植前期的整地環節起著至關重要的作用，良好的深松、旋耕及平整土地等作業，可為農作物種植提供高效發芽與生長環境。國內外學者不斷對各類蔬菜作物、糧食作物等種植及播種環節進行智能化控制聯合機設計與研究，針對整地作業實現多道工序一次性完成，可大大提高聯合機具的工作效率，節約勞動作業時間。為此，本文在借鑒相關學者研究思路的基礎上，從精整地聯合機的結構設計與控制執行方面展開論述。

1 精整地聯合機整機設計

精整地聯合機作為一種機械智能化農業機具。作業功能體現在能夠將挖掘、旋耕、碎土及平整等多項精整地作業依次有序完成，而各個組件的合理分配與結構協調性是聯合機作業效能的體現。其整機結構主要由牽引架、翻土耙組、平地部件、碎土輥器及鎮壓裝置等組成，如圖1所示；選取其主要技術參數設計如表1所示。

圖1 精整地聯合機外形圖Fig 1 The contour diagram of the whole combination machine used in the fine soil preparation表1 精整地聯合機主要技術參數設計Table 1 Main technical parameter design of the combination machine used in the fine soil preparation

序號參數名稱參數值1動力/kW652長×寬×高/cm270×185×1403作業寬度/cm120～1404起壟高度/cm16～205行進速度/km·h-13～116旋耕深度/cm10～207土表平整度標準差/cm<0.98碎土率/%>95

聯合機工作原理：在牽引動力的牽引下進行土壤精整，通過開溝旋耕部件對土壤進行翻耕，對大塊土壤進行破解，為破碎土壤奠定基礎；在碎土輥器的作用下，土塊再次被深入破解，上下土壤翻滾交換，實現松土目標；之后利用平地部件、鎮壓裝置進行平整與起壟。此時，作業部件力度與深度的掌控最為關鍵，經聯合機各項組件協調作業，對土地實現精整，確保上虛下實。

2 關鍵部件分析

2.1 硬件裝置

為高效發揮精整地聯合機的作業效率，針對其關鍵工作部件進行優化選型與設計。旋耕刀具工作時，土壤耕深的合理能確保土壤的含水率與墑度，在下實上虛的土壤深度分配上都有較為顯著的影響；在滿足聯合機翻土、切土效果的基礎上，其主要技術參數根據實際農藝要求與作物類型選取參數如下：

軸直徑/cm：54

側刃包角/(°)：37.4

正刃折彎直徑/cm：0.6

正切折角度/(°)：120

刀具厚度/cm：0.135

刀刃寬度/cm：0.122

根據參數得出精整地聯合機刀具三維模型(見圖2)，再根據旋耕軸的長度依次排列刀具，得出一組旋耕部件，相應加入感知與傳遞控制裝置，進行旋耕作業。

圖2 聯合機旋耕刀具三維模型Fig 2 3D model of the rotary cutting tool of the combination machine

旋耕與碎土密切連接與傳遞，根據刀齒的運動軌跡及規律(見圖3)和聯合機深度控制機構(見圖4)，利用式(1)實現碎土輥器的參數結構設計，并保證刀齒作業土壤深度的可控性。旋耕與碎土環節硬件裝置的材質選取可將聯合機整機模型選擇性簡化，并導入三維受力分析軟件ANSYS進行應力、位置等分析，不斷試驗優化結構，避開應力集中及關鍵位置，可有效延長刀具的使用壽命。

式(1)為

(1)

式中v—精整地聯合機行進速度(km/h)；

ω—聯合機碎土刀具角速度(rad/s)；

t—精整聯合機作業時間(s)；

R—聯合機刀齒旋轉作業半徑(cm)。

圖3 聯合機碎土輥器刀齒運動軌跡Fig.3 Crushing movement trajectory of the soil roller cracker on the combination machine

1.深度控制螺栓 2.支撐架 3.深度控制桿 4.入土深度控制輪圖4 聯合機入土深度控制結構簡圖Fig.4 Structure brief diagram of the soil depth control on the combination machine

2.2 智能控制系統

根據聯合機的作業需求，針對機械環節進行監控智能化控制，增加自動反饋與控制程序，通過傳感器讀取，獲取聯合機作業部件的實時信息與位置，并經計算機數據計算與控制模式選取，通過D/A轉換實現程序控制與執行動作完成。擬設計的聯合機主程序控制流程如圖5所示。在上位機位置，進行精整地聯合機作業的人員可以通過監控顯示掌控聯合機的工作效果。

圖5 聯合機主程序控制流程簡圖Fig.5 Main program control flow brief chart of the combination machine

深度控制是智能化控制的核心，為提升精整地聯合機的自動控制效果，可對旋耕深度控制進行建立目標函數，簡易流程如圖6所示。通過條件約束、線性回歸及有機結合PID閉環自動調節與控制，對聯合機刀齒的入土深度實現精確化控制與調節，主要考慮聯合機整機位置垂向運動范圍與施加力度的大小等因素。截取模糊控制程序編碼如下：

…

dkd= name:‘dkd’;

type:‘mamdani’;

and method: ‘min’

or method: ‘max’

defuzz method: ‘bisector’

imp method: ‘min’

agg method:‘max’

input:[1x2 struct]

output:[1x1 struct]

rule:[1x42 struxt]

…

圖6 精整地聯合機旋耕深度控制Fig.6 Rotary tillage depth control of the combination machine used in fine soil preparation

3 試驗

3.1 試驗要求

針對此精整地聯合機進行田間試驗，表2 為試驗過程中選取的關鍵因素參數。耙偏角度選定兩個因素作為影響關鍵，主要為前耙與后耙；同時，通過記錄試驗數據利用式(2)、式(3)分別進行碎土率和土表平整度標準差計算。

表2 關鍵因素水平的選取Table 2 Selection of the key factor levels

碎土率表示為

(2)

土表平整度標準差表示為

(3)

3.2 試驗分析

為深入了解精整地聯合機的作業衡量指標表現情況，改變聯合機的行進速度，通過計算得出表3的關鍵指標衡量數據。由表3可看出：

1)聯合機行進速度控制在8～11km/h的范圍內，均可以達到設計土表平整標準差<0.9cm的控制要求；聯合機的碎土率亦確保在>95%的指標范圍。

2)當聯合機勻速行進速度為9.5km/h時，其在滿足碎土率要求的條件下，土表平整標準差為最佳。

表3 精整地聯合機作業衡量指標試驗數據記錄Table 3 Operation measure index testing data record of the whole combination machine

4 結論

1)采用智能化控制的精整地聯合機作業，可一次性完成旋耕、碎土、起壟及平整等多項作業，大大提升了工作效率，為后續作物種植提供了有效保障。

2)通過分析精整地聯合機工作原理與結構，針對關鍵部件進行參數和優化，最大限度實現聯合機整機的結構緊湊化與功能布置合理化。

3)將模糊控制與線性回歸算法應用于旋耕深度智能控制，實現聯合機的精準化作業，不斷調整達到所需作用的土壤深度翻土要求及水分保持要求，更有利于作物的發芽與生長。

4)通過給定試驗條件進行驗證，得出智能化控制的精整地聯合機的工作效率較傳統聯合機提升20%左右，且土壤平整度標準差與碎土率指標均在設計控制范圍之內，表明設計優化的合理性，對于其他聯合機的研究與改進可提供一定的參考。