遙控微耕機設計與試驗

藥林桃,曹曉林,董力洪,陳立才,曾書良,鄒先貴

(1.江西省農業科學院 農業工程研究所,南昌 330200;2.江西省旺農農機制造有限公司,江西 撫州 344300;3.江鈴汽車股份有限公司,南昌 330030)

0 引言

南方雙季稻區丘陵多、地塊小、高差大[1],微耕機具有體積小、質量輕、結構簡單和操縱使用方便等優點,適宜在丘陵山地小面積田塊作業,是該地區農民耕作的最佳選擇,有著廣泛的應用前景[2]。微耕機操作要求人跟機具共同行走,操作人員勞動強度大,作業效率不高,微耕機耕作過程中在土壤反力的作用下會產生振動,長時間操作會使操作人員感到不適[3-5]。

農機智能化特別是無人駕駛技術在現代農業技術上的研究越來越深入,逐漸成為農業工程技術智能化研究的重要組成部分[6-7],包括遙控和圖像識別田間作業機器的直線和轉向行駛、全自動轉向、田間地頭原地掉頭、作業部件的啟動和終止。洛陽市瑪斯特拖拉機有限責任公司開發了一款遙控微型履帶耕作機[8]。何金伊、楊福增等設計一種以手持遙控方式操作的山地微耕機[9],操作者可脫離作業機械,使操作更為便捷,不但改善了危險環境作業時人機不分離的工作情況,而且降低了勞動強度,但兩款機型都適用于山地果園作業。

江西省農業科學院農業工程研究所與江西省旺農農機制造有限公司研發了一款適宜水田耕作的遙控微耕機,不需要人直接操作機具,遠距離遙控便可進行微耕機的行走、轉向等操作,實現智能作業,提高了操作安全性,降低了勞動強度。

1 結構組成及工作原理

除了微耕機動力機構、傳動機構、操作機構之外,遙控微耕機對微耕機底盤進行了改進,加裝了控制裝置,如圖1所示。工作時,可遙控實現微耕機轉彎、前進、后退、停止等作業,并可同時進行人工和遙控兩種操作,省時省力,操作簡單,有效提高了工作效率。

1.前支撐輪 2.柴油機電源 3.電源 4.控制裝置 5.手動自動轉換開關 6.變速箱皮帶輪 7.后支撐桿 8.變速箱 9.水田輪 10.耕作部件

微耕機是通過變速箱主離合器的閉、合控制機具的行走、停止;轉向主要靠左右兩個扶手的離合器,在左右任何一輪的離合分離時,其對應的車輪靜止不動或速度下降,另一輪速度不變,從而達到轉向的目的[10]。遙控微耕機根據微耕機行走和轉向的原理,采用STC608AD單片機為核心控制器,利用氣動閥門工作原理,對微耕機變速箱主離合器和轉向離合器進行遠距離遙控,從而實現微耕機行走、停止和轉向,最遠遙控距離可達100m?？刂蒲b置包括遙控器、遙控接收器、單片機、繼電器、氣缸、氣動電磁閥、空氣壓縮機及儲氣罐等。儲氣罐上裝有壓力表、排氣閥、空氣過濾器,空氣壓縮機、儲氣罐、氣動電磁閥、氣缸通過氣管相連,氣缸推桿與離合器相連,控制主離合器和轉向離合器的閉合,如圖2所示。

1.電池 2.氣壓表 3.控制器 4.轉向氣缸 5.信號接收器 6. 儲氣罐 7.皮帶輪 8.空氣壓縮機 9.繼電器 10.制動氣缸

遙控微耕機工作流程如圖3所示。工作時,開啟電源開關,啟動柴油機,機具運轉,空氣壓縮機對儲氣罐充氣;選擇遙控器上的功能鍵,信號接收器接到遙控指令并傳遞給控制器,單片機對信號進行解碼,并控制相應的氣動電磁閥;同時,儲氣罐經過相對應的氣動電磁閥供氣壓給相對應的氣缸,氣缸推桿在氣壓的作用下拉動離合器上的連接桿,從而實現離合器的分離與閉合,如圖3所示。

圖3 遙控微耕機工作流程圖

遙控器發出左轉指令后,微耕機接收信號,左轉氣缸工作,左轉離合器分離,左輪停止,右輪繼續行走,機具左轉;遙控器發出右轉指令,右轉氣缸工作,右轉離合器分離,右輪停止,左輪繼續行走,機具右轉;遙控器發出停止指令后,制動氣缸工作,變速箱主離合器分離,機具停止。

2 遙控微耕機設計

2.1 傳動機構設計

遙控微耕機發動機的動力由皮帶連接傳輸到變速箱總成的主離合器,通過主離合器輸入變速箱,變速箱將動力通過減速齒輪將動力傳輸給水田輪,形成前進動力;通過減速齒輪和鏈條將動力傳輸給刀輥,進行耕整地作業。發動機的另一部分動力通過皮帶傳輸給空氣壓縮機,為氣缸提供工作動力,各部件參數如表1所示。

表1 動力傳動機構參數

2.2 氣動執行機構設計

氣動執行機構原理如圖4所示。

1.電磁閥 2.繼電器 3.離合器 4.氣缸 5.儲氣罐

遙控微耕機的氣動執行結構中,氣缸通過電磁閥與儲氣罐連接,氣缸推桿與離合器連接;遙控信號通過控制器將轉換后的信號傳遞給相應的繼電器,控制電磁閥滑閥的氣路換向,操縱氣缸的氣缸推桿的伸縮,來實現離合器的分離和結合。該機構結構簡單合理,工作穩定性高,故障率低,維修方便,成本低。

遙控微耕機主要控制制動、左轉和右轉3種操作,所以選用拉桿式標準氣缸對離合器進行控制,結構簡單,耗氣量小。氣缸設計一般采用式(1)～式(3)進行計算[11-13]。

氣缸的理論輸出力為

(1)

拉桿式氣缸理論推力為

(2)

氣缸直徑為

(3)

式中F—氣缸實際輸出力(N);

F1—氣缸理論輸出力(N);

β—氣缸負載率;

D—氣缸缸徑(m);

p—氣缸工作壓力(Pa)。

微耕機前進速度比較慢,氣缸進行低速運動,負載率β取值為0.6;空氣壓縮機提供的氣壓p通常在0.8～1.0MPa之間,其中95%的執行元件的最大工作壓力約為0.7MPa;主變速箱離合器最大制動力800N,轉向離合器最大制動力為280N。按上述公式計算后,選定制動氣缸缸徑為50mm,轉向氣缸缸徑為30mm;根據變速箱主離合器行程,確定制動氣缸行程s=50mm,轉向離合器行程s=32mm,制動氣缸型號為SC50×50,轉向氣缸型號為SC32×30。

2.3 控制器的設計

遙控微耕機遙控器發射部分采用315MHz無線數據發射模塊,采用聲表諧振器SAW穩頻,器頻率穩定度極高,當環境溫度在-25～+85℃之間變化時,頻飄僅為3ppm/℃?？刂破髦饕蒘TC608AD單片機[14-16]、繼電器及其外圍電路組成,用單片機輸出端通過繼電器與電磁閥相連,控制氣缸運動。遙控器發出的信號經接收器接收轉化成TTL信號后送給單片機,單片機采集到數據,進入解碼程序,獲得對后置電路所需的控制信息。這些控制信息可直接輸出,當輸出高電平時,使得電路中的三極管導通,繼電器線圈導通形成磁場,吸住彈片,常閉斷開,常開閉合,連通電磁閥開始工作。STC608AD單片機管腳圖如圖5所示。

圖5 STC608AD單片機管腳圖

2.4 微耕機質心坐標

微耕機質心位置是影響其操縱穩定性、行駛平順性、安全性的重要參數之一。本文采用力矩平衡法來測定智能微耕機的質心坐標,如圖6所示。力矩平衡測定法是目前普遍采用的種方法,比較簡單,不需要什么專用設備,是一種近似的測量方法[17-20]。

圖6 智能微耕機質心坐標測定示意圖

微耕機質心坐標用a、e、h表示。其中,a為質心的縱向坐標,e為質心的橫向坐標,h為質心的高度坐標。測定時,將前智能微耕機的支撐輪和兩個驅動水田輪接地三點支承,并處于同一平面呈等腰三角形,測得此時微耕機傾斜角度、驅動輪支反力和靜力半徑等參數。

質心縱向坐標a,即質心距驅動軸線的水平距離。質心在驅動軸軸線之前,規定a為正值,反之為負值。計算公式為

(4)

式中a—微耕機質心縱向坐標(mm);

m—微耕機使用質量(kg);

g—重力加速度(m/s2);

Yh—微耕機旋耕狀態時阻力裝置的地面支承反力(N);

Lz—微耕機阻力裝置的地面支承點與驅動軸軸線的水平距離(mm)。

質心水平橫向坐標e,即質心距驅動輪縱向中心平面的距離。順微耕機前進方向看,質心在該平面前的左側,規定為正值,反之為負值。計算公式為

(5)

式中e—微耕機質心水平橫向坐標(mm);

L1—驅動軸兩對稱支承點的水平距離(mm);

Yz—驅動軸左支承點支承反力(N);

Yy——驅動軸右支承點支承反力(N)。

質心高度坐標h,即質心至剛性支承平面的垂直距離,用式(6)計算,即

(6)

式中rjq—微耕機驅動輪靜力半徑(mm);

α—微耕機傾斜角(°),要求測量誤差不大于5′;

a—微耕機質心縱向坐標(mm),質心在微耕機驅動輪軸前方時,a為正值,在驅動輪軸后方時為負值;

ms—微耕機使用質量(kg);

g—重力加速度(m/s2);

L′—微耕機傾斜α角度后支點(或尾輪中心)到驅動輪軸垂直于面之水平距離(mm),支點在微耕機驅動輪軸前方時L為正值,在驅動輪軸后方時L為負值。

將測定數據分別代入式(4)～式(6)中,計算得到微耕機質心縱向坐標a=113mm,質心水平橫向坐標e=9mm,質心高度坐標h=347mm。

3 試驗與結論

3.1 試驗

遙控微耕機操作試驗在江西省農科院水稻所試驗田進行,試驗田規格為30m×20m,如圖7所示。試驗時,手持遙控器分別對微耕機發出直行作業、轉彎、田間原地180°轉向等指令,微耕機均能完成相應操作;信號傳輸和氣動執行系統響應及時,動作切換順暢且無干擾現象,機具運行平衡,耕作性能滿足水田耕作要求,如表2所示。

圖7 遙控微耕機耕作田間試驗

表2 遙控微耕機性能

3.2 結論

使用無線遙控器和小型氣動執行系統的智能微耕機能大大減輕操作人員的耕作勞動強度,提高了作業效率。田間試驗表明:耕作效果滿足水田耕作的要求,項目組將繼續研發基于無線遙控和自動控制融合的全自動無人駕駛智能微耕機。