無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機設計與試驗

王曉燕 鄧 博 譚丁煬 籍云鵬 李洪文 王慶杰

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.農業農村部保護性耕作農業裝備重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

水稻秸稈還田可有效提高土壤肥力[1]和固碳減排能力[2]，改良土壤結構，提升土壤保水能力[3]，增加糧食產量[4-5]，是東北黑土地保護的有效方式。但東北稻區秸稈量大，在水稻收獲后即進入寒冷的冬季，地表下秸稈腐爛緩慢，在春季灌水泡田時秸稈漂浮在水層上，這對現有水田整地機具提出了更高的要求。現有水田攪漿整地作業機具裝備主要是驅動式攪漿機和無驅動式水田平地耙[6]。其中，驅動式攪漿機存在動力消耗大、嚴重破壞土壤結構、攪動秸稈使其漂浮在水田表面等問題[7]。而無驅動式水田平地耙動力消耗小、對土壤結構破壞少、可以有效減少秸稈漂浮現象。但現有無驅動式水田平地耙難以適應東北稻區秸稈全量還田條件下的水田地塊，存在壓茬埋稈效果不佳、地表不平整等問題，作業質量有待提高。

水田整地機具現有研究主要針對作業關鍵部件進行設計與分析。陳立才等[8]設計了一種秸稈還田起漿機，改進了作業刀輥，旋耕刀和粉碎起漿刀配合使用，作業質量較好，但作業阻力較大；孫文峰等[9]設計了一種帶狀少耕整地復式作業機具，對旋耕刀和刀軸進行了設計，可實現規模化水稻苗床整地，但無法用于水田耕作地塊；張義平等[10]設計了一種水田埋茬起漿整地機，采用一種交錯焊接半圓弧彎刀齒的碎土耙輥，可有效減少纏草纏繞，但機具難以適應秸稈全量還田條件下的水田地塊；并且上述使用旋耕刀、攪漿刀輥等動力驅動部件作業的水田整地質量較好，但皆存在土壤過于細碎、功耗偏大和秸稈漂浮等問題。

對于平地裝置自動調平系統，國內外目前主要采用激光平地系統、GNSS系統以及傳感器技術等方式采集傾角信息，再配合微控制器調節電磁閥方向與流量，實現自動調平[11-13]。但大多設備結構復雜、價格昂貴，所以在保證調平效果的基礎上，可在信息采集設備、控制方法上進行優化改進，降低成本。

基于上述分析，根據無驅動式攪漿機優點，結合東北稻區水田秸稈全量還田現狀，本文對無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機進行綜合設計與試驗，優化設計星形耙片和軋滾，改進平地板結構，確定各項結構和作業參數；采取中心點不動的調平策略和單油缸往復直線運動的調平方法，基于傾角傳感器和PID算法實現平地裝置在水平方向上的自動調平。通過田間試驗驗證機具的作業性能，可為水稻插秧作業創造優良地塊條件，以期提高我國東北稻區秸稈全量還田條件下的水田整地質量。

1 裝置結構及工作原理

1.1 裝置結構

無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機結構如圖1所示，機具主要由懸掛裝置、機架、星形耙組、軋滾、調平裝置和平地裝置組成。

圖1 無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of undriven soil puddling machine with improved auto-levelling and straw-burying design for paddy field1.懸掛裝置 2.機架 3.星形耙組 4.軋滾 5.調平裝置 6.平地裝置

1.2 工作原理

無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機通過機架的三點懸掛裝置與拖拉機連接，拖拉機行進并帶動機具前進作業。星形耙組和軋滾通過與土壤的摩擦力進行自回轉運動，星形耙片對土壤進行滑切，軋滾上的齒板和刀齒分別對土壤進行橫向與縱向的滑切，并掩埋水面和泥漿表層秸稈，實現碎土起漿、壓埋秸稈；平地裝置安裝于軋滾后方，將耙組和軋滾作業后凹凸不平的地表推平，壓茬彈齒將少量漂浮在表面以及水田泥漿淺層中的秸稈再次壓入泥漿深層，行間刮板消除由于泥漿流動性形成的“壟堆”；在機具作業過程中傾角傳感器檢測平地裝置的傾斜角度變化，將信號傳至主控制器，主控制器通過電磁比例換向閥的方向、流量變化調節調平液壓缸伸縮，實現平地裝置水平方向的快速、穩定調平，以此整理出適宜插秧機作業的水田地塊條件。

2 關鍵部件設計

2.1 星形耙組優化設計

星形耙組主要由軸承座、間管、星形耙片、固定板、耙組橫梁、U形螺栓、耙片軸等組成，如圖2所示，星形耙片相互錯開串在耙片軸上，耙片軸通過軸承座、支架、耙組橫梁、U形螺栓固定在機架上，機具作業時，整體轉動實現碎土起漿功能。

圖2 星形耙組結構示意圖Fig.2 Schematic of structure of star rake group1.軸承座 2.間管 3.星形耙片 4.固定板 5.機架 6.耙組橫梁 7.U形螺栓 8.耙片軸

2.1.1耙片結構參數優化設計

星形耙片的各項結構參數如圖3所示，耙齒處虛線為展開在平面上的刃口曲線，D為星形耙片直徑，e為耙齒曲率中心離耙片回轉中心的水平距離，ρ為耙片曲率半徑，D1為齒形中心圓直徑，Q為耙片刃口曲線的偏心距，R為耙片刃口曲線的曲率半徑，r1為齒形連接半徑，t為耙片厚度。

圖3 星形耙片結構參數示意圖Fig.3 Schematic of structure parameters of star rake

參考普通圓盤耙片直徑經驗公式確定星形耙片直徑為

D=Ka

(1)

式中K——徑深比，取3～5

a——設計耙深，取150 mm

耙深越大，K應越小，取K=3，則D=450 mm，因水田土壤相對黏重，為保證工作時耙深，取D為460 mm。D一定時，e越大，耙片碎土能力越強，取e為60 mm。當耙片曲率半徑ρ較小時，耙片的滑切碎土性能較高，但ρ過小會導致作業阻力增大[14]，因此取ρ為230 mm。耙片是機具質量的主要部分，由于機具沒有動力驅動，所以需一定質量以保證入土深度，取耙片厚度t為4 mm。

2.1.2耙片刃口曲線和滑切角參數計算

星形耙片刃口曲線是影響耙片滑切土壤效果以及耙片強度的主要因素[15]。并且刃口曲線上滑切角τ是衡量耙片滑切能力和滑切效率的重要指標，滑切角τ大于耙片與土壤的摩擦角時才能保證耙片的正常滑切作業[16]。

因此，為計算刃口滑切角τ，建立刃口平面曲線方程和空間曲線方程，以耙片回轉中心O為原點建立直角坐標系，耙片的某個耙齒刃口曲線在第一象限且該刃口曲線的曲率中心在y軸上，如圖4所示。

圖4 刃口曲線方程坐標系Fig.4 Edge curve equation coordinate system

該刃口曲線上某一點L的坐標為(x,y)，則刃口的平面曲線方程為

x2+(y-Q)2=R2

(2)

當以x軸為極坐標軸、點O為極點建立極坐標系時，刃口曲線上某點L的坐標為(ρp，θ)，則有

(3)

式中ρp——點L與點O的距離，mm

θ——點L與點O連線與x軸的夾角,(°)

將式(3)代入式(2)中整理可得平面刃口曲線極坐標方程為

(4)

由圖4幾何關系可得刃口空間曲線L1L2所對應的曲率圓心角ψ為

(5)

則刃口空間曲線方程為

(6)

式中ρk——L1L2上某點與點O的水平距離，mm

如圖5所示，T為L2處的切向量，L2的坐標為(ρkcosθ，ρksinθ，2ρsin2(ψ/2))，則T=(ρkcosθ-ρksinθ，ρkcosθ+ρksinθ，ρsin(ψdψ/dθ))，而ρk=(ρkcosθ，ρksinθ，0)，則有

(7)

(8)

經過一系列代數運算后式(8)變形為滑切角的計算公式

(9)

滑切角τ較大時，滑切效率較高，切削阻力較小[17-18]。由式(9)可知，耙片刃口曲線偏心距Q增大時，滑切角τ減小，滑切效率降低，Q過大還會降低耙片強度和剛度[19]，其一般取值為95～130 mm，為增強耙片切削性能，取Q為110 mm；滑切角τ隨著曲率半徑R的增大而增大，為增大耙齒刃口根部的截面面積，加強耙片強度，取R為140 mm。

圖5 刃口空間曲線滑切角Fig.5 Edge curve space sliding cutting angle

齒形中心圓直徑D1與齒形連接半徑r1也決定著刃口曲線形狀和耙片的缺口面積及深度。為改善地表平整度，D1取較大值，一般取值為280～320 mm，取D1為320 mm；為保證刃口曲線滑切性能，齒形連接半徑r1應取較小值，取r1為13 mm。

優化后星形耙片刃口從根部到頂部θ為17.3°～48.8°，將耙片各項結構參數代入式(9)，得出滑切角τ為43.7°～64.2°，金屬與土壤的摩擦角為23°～45°[19]。則優化后星形耙片能較好地滿足實際設計要求，并且如圖6所示，優化后星形耙片增大了刃口頂部截面、減小了根部刃口深度，提高了耙片的強度和剛度，減緩了耙齒間歇滑切土壤的沖擊載荷，能夠改善作業后的地表平整度。

圖6 星形耙片優化前后對比Fig.6 Comparison of star rake before and after optimization

2.1.3耙片間距、數量及排列方式確定

耙片間距b、耙片直徑D、耙片工作偏角γ和作業后溝底不平度c存在關系[20]

(10)

由式(10)可知，當耙片間距b增大時，地表不平度顯著增加，并且耙片間距越大，漏耙面積將增大；耙片間距較小，耙片被土塊、雜草和秸稈堵塞的幾率將增大，綜合考慮，取耙片間距b為170 mm。

根據經驗公式確定對置式耙組耙片數量Z[20]為

(11)

式中B——機具工作幅寬，取3 m

b1——耙組內端兩個耙片間距離，取340 mm

機具設置耙組工作偏角γ可以在0°～10°之間調節，計算時取5°。將各項參數數值代入式(11)并取整得耙片數量Z=9，因耙片為單列對置式配置，共2個耙組，加上軋滾兩端耙片，機具共20個耙片。

為使耙片相繼入土切削，保證作業平穩，降低漏耙幾率，耙組的耙片按照螺旋線排列安裝，耙片6個耙齒錯開，相鄰耙片之間安裝角度差為15°；耙片耙齒以耙片中心對稱均勻分布，兩耙組及耙片相對機具中心線左右對稱安裝，使耙組在水平面內受力平衡，提高機具行進穩定性。

2.2 軋滾設計

2.2.1軋滾結構設計

刀齒式軋滾在水田作業時既能有良好的碎土起漿效果，還能起到很好的壓覆水面漂浮秸稈殘茬作用，緩解了插秧機作業時秸稈堵塞問題。

如圖7所示，軋滾主要由星形耙片、隔板、齒板、刀齒、軋滾軸、橫梁、軸承座等組成。隔板等距離焊接在軋滾軸上，齒板錯開固定在隔板之間，軋滾兩端裝有星形耙片，軋滾軸兩側設置軸承座，軋滾軸承座上端與軋滾橫梁端固接，軋滾橫梁上端通過兩組U形螺栓和固定板對稱固定在機架上，拖拉機帶動機具前行時，軋滾軸及零部件轉動帶動工作部件作業。

圖7 軋滾結構示意圖Fig.7 Schematic of rolling structure1.星形耙片 2.隔板 3.齒板 4.刀齒 5.軋滾軸 6.橫梁 7.軸承座

2.2.2隔板和齒板設計

在拖拉機帶動機具前進的過程中，隔板能在機具前進方向對幅寬范圍內的土壤和土表秸稈進行切割，減少之后齒板和刀齒切削土壤的阻力，起到輔助碎土作用[21]，將隔板設計為正六邊形，使其更易入土。

軋滾直徑一般由經驗公式來確定[20]，即

Dz=Kza

(12)

式中Dz——軋滾直徑，mm

Kz——軋滾直徑系數，取2.5～3.3

將數據代入式(12)求得Dz=375～495 mm，綜合衡量作業深度和結構尺寸，取Dz為400 mm。則隔板邊長Lgb=0.5Dz=200 mm，隔板厚度tgb設為5 mm。

軋滾上的齒板對隔板和刀齒縱向切開的土垡進行橫向切削，因滑切阻力遠小于正切阻力，為使齒板工作狀態為滑切狀態，將齒板設計成平行四邊形薄板，傾斜布置在隔板之間，如圖8所示。齒板寬度bcb與軋滾直徑有關，經驗計算公式為

bcb=KcbDz

(13)

式中Kcb——齒板寬度系數，取0.17～0.23

圖8 齒板的布置及其結構參數Fig.8 Arrangement of tooth plate and its structural parameters

將數據代入式(13)計算得bcb為86～92 mm。為便于齒板在隔板間傾斜布置，使齒板在隔板上的投影剛好與隔板各邊平行且長度相等，取bcb=0.5Lgb=100 mm。齒板的固接位置與隔板邊緣有一定距離hcb，綜合考慮刀齒尺寸，取hcb為45 mm。

齒板軸向長度Lxcb計算式為

(14)

式中LB——軋滾兩端安裝耙片寬度，取200 mm

nz——軋滾段數，取6

當齒板寬度bcb、長度Lcb、與隔板邊緣距離hcb確定時，由圖8幾何關系可得齒板與其側面外端徑向線的夾角齒板傾角αcb為

(15)

式中tcb——齒板厚度，取6 mm

計算得出αcb=50.7°，齒板傾角接近土壤和零件材料的摩擦角(23°～45°)，符合設計要求。

為保證碎土起漿效果，并配合隔板設計，在2個隔板間設置3個齒板(整個軋滾共18個齒板)，且間隔布置，既能防止泥漿堵塞，又能實現平緩滑切土壤。同時為使軋滾在旋轉時所受載荷較為均勻，避免出現偏牽引現象，齒板在軋滾上采用左右對稱布置排列，隔板之間的3個齒板傾斜方向相同，相鄰兩隔板之間的齒板傾斜方向相反，以保證水平分力平衡以及起漿埋茬作業的連續性。

2.2.3刀齒設計

每個齒板上都設有3個刀齒，刀齒直立與齒板的長斜邊垂直并錯開固定，并且直立刀齒對隔板切開的土垡進行縱向切削[22-23]，避免漏切漏耙，減小齒板的橫向切削阻力，將水田表面的秸稈逐步壓入泥漿深層，并提高碎土起漿效果。

刀齒的刃口形狀應具有較好的滑切性能，考慮到實際加工難易程度，采用刃口曲線為偏心圓弧，作業時，刀齒皆以滑切角偏大的寬端先入土作業，逐漸過渡到滑切角偏小的窄端，最后刀齒離開表土完成作業。本文設計的刀齒形狀及曲線如圖9所示。

圖9 刀齒形狀及刃口曲線Fig.9 Tooth shape and edge curve

根據三角函數關系可得

(16)

式中τdc——刀齒刃口上某點的滑切角,(°)

θdc——刀齒刃口上某點的極角,(°)

edc——刀齒刃口曲線的偏心距,mm

Rdc——刀齒刃口曲線的曲率半徑,mm

設Edc=Rdc/edc為偏心系數，則有

(17)

將實測值Edc=1.29，θdc=31.1°～67.8°代入式(17)得τdc=42.9°～64.3°。一般設計時取30°≤τdc≤60°，則齒板滿足設計要求。

2.3 平地裝置設計

如圖10所示，平地裝置由平地板前端弧面、平地板后半平面、壓茬彈齒和行間刮板組成。由于機具沒有動力驅動，工作時，耙組和軋滾需要一定阻力使得自身進行自回轉運動，而平地板則要求前端弧面具有較好的弧度，以盡量減小前進阻力、降低功耗。

圖10 平地板整體結構示意圖Fig.10 Schematic of overall structure of flat floor1.平地板前端弧面 2.壓茬彈齒 3.平地板后半平面 4.行間刮板

2.3.1平地板曲面設計

根據平地板設計要求，擬采用拋物線[24]作為平地板前端弧面設計曲線，設計示意圖如圖11所示。

圖11 平地板前端弧面曲線設計示意圖Fig.11 Flat floor front curve design schematic

如圖11所示，設平地板前端弧面曲線AB方程為

f(x)=apx2

(18)

則，點A、B的斜率f′(x)A和f′(x)B為

(19)

式中α1——拋物線點A處切線與x軸夾角,(°)

α2——拋物線點B處切線與x軸夾角,(°)

(20)

式中h——A、B兩點泥漿堆積高度差,mm

又根據幾何關系有

(21)

式中θ1——拋物線上點A處對應推壓角，(°)

θ2——拋物線上點B處對應推壓角,(°)

最后，可得曲線AB的曲線方程為

(22)

因此，由式(22)可知，推壓角θ1、θ2和高度差h共同決定曲線AB的形狀。根據推壓原理，推壓角大于摩擦角時，泥漿-秸稈混合物能夠沿著前端弧面向下運動，完成平整作業,在點B的推壓角為90°-θ2，則該角需大于摩擦角。查閱文獻[20]得零件材料摩擦角為23°，則有23°<θ2<67°。考慮部件加工難易程度，推壓角θ2取35°～55°。

平地板前端弧面的設計還需考慮作業過程中的前進阻力，由力學知識可知，平地板所受阻力是應力在平地板與泥漿接觸面積S上的積分。分析可得

(23)

式中PN——前端弧面對泥漿的正壓力，N

Pf——前端弧面與泥漿的滑動阻力，N

σp——前端弧面與泥漿之間的正應力，Pa

τp——前端弧面與泥漿之間的切應力，Pa

假設平地裝置在作業時，泥漿在平地板前端弧面前的堆積高度h是一致的，且裝置以勻速直線運動作業，故在機具前進方向上(沿x軸方向)合力為0。

∑Fx=Fn-1.4hB(σpcosθ+τpsinθ)=0

(24)

作業時，平地板所受正應力σp和剪切應力τp變化不大，可視為常數；則由式(24)可知，泥漿堆積高度差h越小，則牽引阻力Fn越小。根據實地調研發現平地板前泥漿堆積高度多為50～100 mm，但設計平地板前端弧線AB在豎直高度差h大于泥漿堆積高度，取弧線豎直高度為150 mm。

對于平地板后半平面，依據流體力學知識可知，機具前進速度越大，板寬越大，則前進阻力越大。因此，在保證平地質量和平地效率的前提下，機具前進速度、板寬應盡量減小，以降低動力損耗。調研發現攪漿機作業速度大多集中在2～4 km/h之間，平地板寬度多集中在250～350 mm之間。

2.3.2壓茬彈齒和行間刮板設計

整地作業時，壓茬彈齒可將漂浮在泥漿表面和淺層的秸稈壓入泥漿深層，起到壓茬埋稈作用。秋季收獲時，旋耕后秸稈長度集中在6～8 cm，為減少插秧時秧苗“虛根”、“漂秧”現象，則整地后秸稈、根茬距離地表深度應大于5 cm。所以設計彈齒的圓柱直徑為6 mm，圓弧半徑R為160 mm，彈齒底端到上表面的距離為160 mm，彈齒兩爪間的距離為60 mm，相鄰兩彈齒安裝位置相距60 mm，如圖12所示。

圖12 壓茬彈齒設計示意圖Fig.12 Stubble spring tooth design diagram

攪漿機在田間作業過程中，相鄰的兩個作業幅寬由于泥漿的流動性，會在前進方向上形成“壟堆”。為提高作業平整度，消除“壟堆”，在平地板兩側安裝行間刮板，用來平整相鄰幅寬之間的泥漿表層，減少拖拉機的作業行程。行間刮板的前半部分是45°傾斜面，中間為平面，尾部向上翹起，呈圓弧狀。

2.3.3平地裝置參數模擬優化

根據上述分析，平地裝置共有3個參數需要確定，其中推壓角為35°～55°，平地板后半平面寬度為250～350 mm，前進速度為2～4 km/h。通過EDEM仿真進行參數確定和優化。

選用半徑為0.5 mm的球形顆粒作為泥漿顆粒，秸稈顆粒模型采用由直徑4 mm，球心間隔 2 mm，長度分別為32、60、80 mm的3種長線性模型，查閱文獻[25-27]選擇顆粒間力學模型，并設置離散元仿真材料物性參數和基本接觸參數。

建立土槽模型尺寸為1 500 mm×600 mm×150 mm，則對應秸稈總質量為778 g，并設置具有凹凸不平的地表水田模型，如圖13所示。土槽建立完成后，將比例為1∶1的平地裝置SolidWorks三維模型以.STEP格式導入EDEM軟件中。設定仿真步長為4.9%，固定時間步長為5.1×10-6s，仿真時間為2.5 s。

圖13 離散元泥漿-秸稈水田模型Fig.13 Discrete element mud-straw paddy field model

設計三因素三水平正交旋轉仿真試驗的因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素與編碼Tab.1 Test factors and coding

試驗指標為地表平整度和前進阻力。地表平整度是通過對仿真后土壤進行分層切片，測量測點地表到基準面的垂直距離平均值[28]；前進阻力則是通過EDEM軟件的力學傳感器直接獲得。

對表2試驗結果進行優化分析得：前進速度為2.4 km/h、板寬為290 mm、推壓角為44°時綜合作業效果最優，地表平整度為0.5 cm，前進阻力為203.4 N。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Experimental design and results

3 自動調平電液控制系統

水平位置控制的調平方法有3種，分別是最高點不動、中心點不動、最低點不動[29]。機具在田間作業過程中傾斜角變化快、最高點與最低點難以確定，所以選擇中心點不動的控制調平方法，并采用單個油缸往復直線運動的調平策略實現對平地裝置在水平方向的調節。自動調平裝置如圖14所示。

圖14 自動調平裝置結構示意圖Fig.14 Structure diagram of automatic leveling device1.機架 2.調平液壓缸 3.調平框 4.銷軸

3.1 液壓系統設計

3.1.1液壓系統組成與選型

平地裝置在水平方向上的自動調節由控制系統進行信息采集、信號處理、控制器運算、液壓元件執行完成。自動調節液壓系統原理如圖15所示，主要包括油箱、液壓泵、電磁閥塊、液壓缸等液壓元器件。將液壓系統的主進油管和出油管與拖拉機快速接頭相連，動力源由拖拉機齒輪泵提供。油路選擇并聯回路。液壓控制元件選擇電磁比例換向閥，可以按比例對液壓油的壓力、流量進行高精度控制，且響應時間更短。

圖15 液壓系統原理圖Fig.15 Schematic of hydraulic system1.油箱 2.排污閥 3.吸油過濾器 4.空氣濾清器 5.液壓泵 6.單向閥 7.電磁溢流閥 8.管式過濾器 9.液壓表開關 10.液壓表 11.電磁比例換向閥 12、14.電磁換向閥 13.同步閥 15.水平調節液壓缸 16.升降調節液壓缸 17.俯仰角調節液壓缸

根據水田攪漿機平地裝置在田間作業時的狀態，可得自調平液壓系統中的液壓缸、閥塊、油管等液壓元件選型如表3所示。

表3 液壓元件選型Tab.3 Hydraulic component selection

3.1.2液壓系統性能

機具工作時采用46號液壓油，密度為850 kg/m3，管道流體雷諾數為5 427，沿程阻力系數λ為0.036 9[30]。

液壓系統總壓力損失∑Δp[30]為

(25)

其中

∑Δp1=∑Δp1λ+∑Δp1ξ+∑Δp1ν

(26)

式中 ∑Δp1λ——進油路沿程損失，MPa

∑Δp1ξ——進油路局部損失，MPa

∑Δp1ν——進油路上閥總損失，MPa

∑Δpn——閥的額定壓力損失，取0.2 MPa

ξ——彎頭局部阻力系數，取0.05

qn——閥的額定流量，取42 L/min

q——通過閥的實際流量，取1.5 L/min

∑Δp1——系統進油路總壓力損失，MPa

∑Δp2——系統回油路壓力損失，MPa

A1——液壓缸進油腔有效面積，cm2

A2——液壓缸回油腔有效面積，cm2

調平液壓缸內徑為40 mm，活塞桿直徑d為25 mm，計算得液壓缸回油腔與進油腔有效面積比A2/A1為0.61。

選取Ф18的膠管作為油路管道，拖拉機在發動機轉速為2 000 r/min時，液壓泵流量qt為40 L/min。計算實際液壓油流速v為

式(26)以水平調節油路為例，油路壓力損失∑Δp1=0.07 MPa，回油路壓力損失∑Δp2很小，忽略不計。其他兩油路與調平油路計算方法相同(式(25))得液壓系統總壓力損失∑Δp為0.2 MPa。液壓系統損失較小，拖拉機液壓泵能夠使自動調平液壓系統正常工作。

3.2 控制系統設計

3.2.1硬件選型及電路設計

自動調平控制系統采用閉環控制方式，根據平地裝置傾斜角，調節平地板對泥漿-秸稈混合物工作壓力。控制系統主要工作部件為主控制器和傳感器，要求主控制器能夠完成對傾角信息的獲取與處理，以及輸出相應的指令，完成對平地裝置高效、精準的控制。根據其功能要求，選擇STC15W4K32S4單片機；要求所選傳感器在機具隨拖拉機前進作業過程中，在田間作業的惡劣環境下，在振蕩場合也能完成角度測量，實時采集傾角信息，并將傾角信息準確、穩定、高頻的傳輸給主控制器。根據作業工況，選擇維特智能SINDT傾角傳感器[31-32]。自動調平控制系統整體方案如圖16所示。

圖16 自動調平系統整體方案Fig.16 Automatic leveling system of overall solution

3.2.2系統軟件設計

圖17 主程序流程圖Fig.17 Main program flow chart

基于PID控制原理的自動調平控制系統的主程序流程圖如圖17所示。工作時，首先對定時器、串口、PWM和中斷等單片機外設進行初始化，并設定目標角為0°。串口實時等待傳感器發送的接收數據，當傳感器向主控制器發送數據時，主控制器串口接收中斷打開，接收完成后，根據接收的傾角傳感器數據計算此刻傾角為((RollH?8)|RollL)/32 768×180°；定時器同時開始計數，當達到定時時間時，定時器中斷開啟，在定時器中斷中根據當前傾角Roll值，采用PID控制算法得到PWM波的占空比，并通過PWM轉電流模塊將PWM(0～100%)信號轉為電流(4～20 mA)輸出，電磁比例換向閥接收到電流信號后開始工作，使調平液壓缸伸縮，并判斷當前傾角是否等于0。不為0時將繼續下一輪循環，重新采集傾角并控制電磁閥開度進行調節，從而實現對平地裝置的無級調節。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

于2022年4月8日在黑龍江省哈爾濱市農科院水田示范區進行田間性能試驗測試。試驗田是典型的東北一年一熟稻區，根據國家標準GB/T 24685—2009中對水田平地攪漿機的機具試驗方法，選取長45 m、寬45 m的方田作為試驗地，試驗田的水稻品種為龍粳31號，秸稈直徑為4 mm[28]。試驗指標為攪漿后地表平整度、壓茬深度、植被覆蓋率和泥漿度。試驗設備主要包括80 kW拖拉機、直尺、輕繩、裝泥箱、電子秤、干燥箱等。機具前進速度為2.4 km/h，無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機田間試驗過程如圖18所示。

圖18 機具田間試驗過程Fig.18 Field experiment process of machinery

4.2 試驗方法與評價指標

(1)地表平整度測定

沉漿完成后，測量區域內測2個行程，每一個行程測量11個點，相鄰兩點間距為20 cm，沿作業前進方向測22點。測量攪漿后的地表與水平基準面的垂直距離，攪漿后的泥漿表面與水平基準面的垂直距離平均值S1計算式為[28]

(27)

Y——測點地表與基準面垂直距離，cm

n——測點個數

S1越小，則平整度越高。

(2)壓茬深度測定

(28)

式中H——測點壓茬深度，cm

(3)植被覆蓋率測定

植被覆蓋率是指壓入泥漿的秸稈、留茬質量與攪漿作業前地表秸稈、留茬總質量比值。植被覆蓋率的測量方法是在測量區內按對角線法取樣5處，每處面積為1 m2，分別測出壓入泥漿內的植被質量和漂浮在泥漿或水面上的秸稈質量，植被覆蓋率F計算式為[28]

(29)

式中m——秸稈留茬總質量，g

mw——泥漿和水面上的植被質量，g

(4)泥漿度測定

泥漿度即攪漿作業后泥漿的容重。在測量區內按對角線法取樣5處，每處用容器將約0.25 m2面積內深度約為150 mm的泥漿(不含植被和表層水)全部取出，測量取樣物容積和取樣物質量，泥漿度E計算式為[28]

(30)

式中V——取樣物容積，L

W——取樣物質量，g

4.3 試驗結果分析

4.3.1平整度

圖19 地表平整度測定結果Fig.19 Surface flatness measurement results

沉漿后，選取5個取樣地點，每個取樣地點沿作業前進方向上測量22個點，經過統計與計算，可得攪漿后平均高度為13.8 cm，地表平整度平均值為0.73 cm。攪漿后地表平整度測定結果如圖19所示，遠小于國家標準中攪漿后地表平整度(小于等于5 cm)。

4.3.2壓茬深度

壓茬深度測定結果如圖20所示。壓茬深度平均值為5.98 cm，大于國家標準中壓茬深度指標(大于等于5 cm)，滿足水稻插秧機作業要求。但是有較少秸稈的壓茬深度小于3 cm，最小壓茬深度為0.3 cm。觀察發現，此類秸稈長度均較小，其在泥漿表面或者淺層的秸稈數量較少，對后續插秧機作業影響較小。

圖20 壓茬深度測定結果Fig.20 Measurement results of stubble depth

4.3.3植被覆蓋率

植被覆蓋率測定結果如圖21所示，5個取樣點秸稈總質量平均值為206.2 g，掩埋秸稈質量平均值為188.6 g，漂浮秸稈質量平均值為17.6 g。植被覆蓋率平均值為91.4%，5個取樣點最小植被覆蓋率為89%，遠大于國家標準中植被覆蓋率(大于等于80%)。

圖21 植被覆蓋率測定結果Fig.21 Results of vegetation coverage measurement

4.3.4泥漿度

裝有壓茬彈齒的平地裝置除了按壓秸稈、根茬外，還能夠起到細碎土壤的作用。泥漿度測定結果如表4所示，泥漿度平均值為1.18 g/cm3，小于國家標準中泥漿度指標(小于等于1.6 g/cm3)。

機具作業測定結果如表5所示，各項指標均高于國家標準GB/T 24685—2009中對水田平地攪漿機的指標要求。

5 結論

(1)設計了無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機，對星形耙片進行優化設計，計算確定星形耙片的關鍵結構參數，建立了刃口曲線參數方程，并驗證其滑切角滿足滑切條件；設計了由隔板、齒板和刀齒組成的軋滾，對其結構形狀與尺寸進行分析；設計了平地板結構曲面，確定其板高為150 mm，并通過EDEM離散元仿真確定其最優參數為前進速度2.4 km/h、板寬290 mm、推壓角44°。

表4 泥漿度測定結果Tab.4 Results of mud degree determination

表5 機具作業測定結果Tab.5 Results of machine and tool operation

(2)根據機具調平需求，設計了基于中心點不動調平策略和PID控制算法的自動調節電液控制系統的整體方案。完成了液壓系統關鍵元件的選型，驗證了液壓系統性能的可靠性；完成了控制系統的軟硬件選型與設計，確定了主控制器、傾角傳感器等主要器件的型號，引入PID負反饋控制算法，實現迅速、精準控制調平系統。

(3)田間試驗結果表明，無驅動式自動調平水田埋稈起漿整地機作業后地表平整度為0.73 cm，壓茬深度為5.98 cm，秸稈覆蓋率為91.4%，泥漿度為1.18 g/cm3，各項指標均優于國家標準，適用于東北稻區秸稈全量還田條件下的水整地作業，能夠提高壓茬埋稈、起漿整地作業效果，減少了秸稈漂浮現象。