一種智能農機深松監測裝置

王 雙 ， 韓冰冰 ， 燕亞民

（許昌職業技術學院機電與汽車工程學院，河南 許昌 461000）

農機深松是近年來農業農村部重點推廣的農機化新技術。深松作業時通過有效地破壞犁底層，改善土壤耕作層結構，增強土壤蓄水保墑和抗旱防澇能力。農機深松對糧食增產有顯著的促進作用，李克強總理等國務院領導多次指示，要求加快推廣機械深松整地[1]。2015年中央農村工作會議提出“2015年全國要力爭完成深松整地2億畝”的工作任務。由此可見，市場推廣前景很好。

1 農機深耕裝置的研究現況

目前，在深松農機具上雖然配備有深松監測裝置，但大多采用的是安裝在機架上的紅外深度監測裝置，如圖1所示，該紅外深度監測裝置監測的是機架到地面的尺寸，而深松深度是犁鏟尖端到機架的尺寸減去紅外監測尺寸[2]。這種方式理論上是無錯的，但在實際應用中因犁鏟相對于機架的位置是可調的，這樣在機架相對于地面的尺寸（即紅外監測尺寸）不變、犁鏟相對于機架的位置被調小時，深松深度就會變小，這就使只追求效益的農機手有空子可鉆，造成深松深度的不穩定性和農機手的投機取巧，導致深松深度不完全符合要求等問題。有些機手把犁鏟尖端相對于機架的間距調得很小，同時還把三點懸掛調得很低，這樣紅外監測裝置監測到的地面與機架的間距尺寸就比較小，表面上看好像深松深度很大，而實際剛好相反。不能監控機手所做的這些調節，就不能保證深松深度。

圖1 深松深度示意圖

2 研究設計思路

目前，國內外出現的深松監測裝置都能對深松深度進行實時監測。深松監測裝置安裝在深松機機架上以后，由于監測的是機架到地面的距離，通過機架到犁鏟的距離進行換算計算出深松深度，而犁鏟在機架上的位置是可以調節的，機架相對于地面的位置也可以通過懸掛裝置來調節，深松操作機手可任意調整犁鏟相對于機架的位置，使犁鏟相對于機架的尺寸變小，這樣在犁鏟入土深度小于深松尺寸時，機架相對地面的尺寸也符合要求了，監測裝置認為深松深度達到規定要求。從而造成監測深度和實際深松深度不一致，不能有效保證監測數據與實際深松深度的一致性。因此，研制一種監測定位裝置，使無論深松監測裝置在深松機上安裝后機手怎樣調整，監測數據和實際深松深度都保證一致是當前亟需解決的問題。

為了解決這個問題，本研究在原監測裝置的基礎上增加一套近距離傳感裝置，即在機架的適當位置安裝傳感器，在犁鏟臂上鑲嵌永磁體[3]。在這里還要解決一個問題，即永磁體嵌入到犁鏟臂中的隔磁問題，為此本研究通過大量的實驗，最終選用成本低、易于機加工和裝配的鋁材作為隔磁材料。隔磁材料選好后，還有一個制造裝配工藝的問題，于是研究者先利用creo parametric進行了零件的設計、模擬裝配和工藝編制，然后按照圖紙和工藝文件進行實物加工和裝配，最終找到了合適的零件結構和加工裝配工藝。

3 改進方法及關鍵部件的設計

3.1 針對定位限位不可調整的問題

為解決這個問題，本研究對現有監測裝置深松深度監測方法進行分析，找出機手對機架位置和犁鏟位置的改變（調節）的方法以及該調節影響深松深度監測值的原因。針對這些，為了實現不可調或者不可私下調節，研究者設想在原監測裝置的基礎上增加一套近距離傳感裝置，在機架的適當位置安裝傳感器，在犁鏟臂上鑲嵌永磁體，如圖2所示。這樣只有傳感器和永磁體近距離對應，深松監測裝置才會接收到信號，才會上傳信息，才有深度監測結果。原理如下：1）永磁體通過隔磁材料嵌入并隱藏到犁鏟中，是一個不可拆卸的隱性部件，所以機手對永磁體無法做手腳。如果機手對永磁體做手腳，永磁體就會損壞，造成監測裝置無法工作。2）如果機手調整犁鏟，永磁體相對于機架（傳感器）的位置就會發生變化，傳感器監測不到永磁體就無信號輸出，監測裝置就無監測深度顯示。3）為了滿足不同地塊、不同地區對深松深度的不同要求，在犁鏟臂設置了對應不同深度的多個隱性永磁體，并在該位置設置深度刻線，既便于調整又能滿足用戶不同深度的需求。

圖2 限位定位裝置圖

3.2 磁性限位定位裝置的設計

如果犁鏟相對于機架的調節位置傳感系統能夠監測到，也就是監測系統知道犁鏟的位置，那么深松深度就可保證了。設計磁性限位定位裝置的關鍵是如何在犁鏟臂上鑲嵌磁性材料并使其隱藏[4]。具體問題如下：1）磁性材料如何嵌入到隔磁材料中，采用什么工藝來保證磁性材料裝配后磁性能不變；2）隔磁材料如何嵌入到犁鏟臂中，使其和犁鏟臂成為一個整體，終生不脫落；3）隔磁材料的加工問題。為此，利用creo三維建模軟件設計了隔磁材料鋁套，在犁鏟臂上加工驗證了用來安裝鋁套的孔的結構和裝配方式。通過大量實驗總結出了圓柱形磁鐵與鋁套、鋁套與犁鏟臂孔裝配公差和裝配工藝以及隔磁材料的加工是采用冷擠壓工藝和冷擠壓工藝公差。該設計的主要特點是：1）磁性定位方案的設計；2）隔磁材料的選取和隔磁套的結構設計及裝配工藝，隔磁材料選用鋁合金；3）磁鐵、隔磁套、犁鏟三者裝配工藝的總結。保證裝配后的穩定性及不可拆性，起到定位始終不變的作用。磁性限位裝置結構圖如圖3所示。

圖3 磁性限位裝置結構圖

3.3 深度探測定位限制裝置設計

為了保證定位限位裝置裝配到犁鏟臂上以后對原犁鏟臂的強度和剛度不造成影響，在測繪原犁鏟臂尺寸的基礎上，通過強度和剛度的計算，確定了犁鏟臂的尺寸。通過應用三維繪圖軟件creo繪制出了犁鏟臂、永磁體隔磁套及永磁體零件的三維圖，如圖4所示，然后利用軟件把這些零件裝配在一起[5]。通過軟件的裝配公差分析功能，對犁鏟臂、隔磁套及永磁體三者的裝配公差及加工公差的合理性進行分析，最終確定了犁鏟臂孔公差、隔磁套內外表面公差；通過軟件的零件強度和剛度分析功能，對犁鏟臂的強度和剛度進行了分析，最終確定了犁鏟臂的合理尺寸。編制了零件的加工與裝配工藝。

圖4 深度探測定位限制裝置零件三維圖

4 性能試驗與分析

4.1 試驗

智能農機深松監測裝置的技術和性能試驗按照QB/T 1705—2017《智能農機深松監測》標準規定進行，并制定了智能農機深松監測裝置產品試驗大綱。

試驗時間：2020年9月15日—9月20日。

試驗地點：許昌市建安區張潘鎮許昌小麥種植示范區。

試驗條件：試驗用地為秋收后玉米秸稈田和大豆秸稈田，秸稈和雜草覆蓋率40%，秸稈和雜草覆蓋厚度40 mm，且有些秸稈已壓碎，地面平整，無明顯的凸起和凹坑。

4.2 試驗內容與結果

4.2.1 空載運行試驗

空載運行在地頭的水泥道路上進行，深松機架上各零部件緊固良好，無松動和錯位現象；傳感器、犁鏟安裝準確無誤；空載運行工作時通過擋板實驗犁鏟三個位置的監測精度，通過10次試驗，監測值在標準規定的范圍內并滿足技術要求；同時記錄犁鏟各位置的監測數據，為監測裝置進入田間作業監測結果作比對。

4.2.2 田間性能試驗

本試驗為在某一調整值下的深松田地中隨機抽樣10個監測點，對10個監測點的實際深松深度和監測裝置顯示的深松深度進行記錄，通過數據評定監測的結果，試驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

表1數據表明：深松深度、監測深度無論是空載運行實驗還是田間實際實驗，其差異值都符合技術條件要求，在標準要求范圍內。深松深度質量完全滿足深松農藝要求，保證了深松深度一致性。

4.3 結論

試驗結果表明，智能農機深松監測裝置各性能指標符合設計要求，機具布局合理，結構參數設計得當，能滿足規模化監測田間深松深度工序的農藝要求。該裝置具有作業效率高、深松深度監測一致性好的優點，無論機手怎樣調節，都能實現深松深度的一致性和不變性。

建議使用該監測裝置時，做到農藝適應農機，耕整田地的起伏情況應滿足機具的使用要求，有效減少機具使用時的調整工時，更好地提升機具的效率，提高機具的作業質量。

5 深松監測裝置經濟效益

5.1 有形效益

為推廣農田深松工作，增加深松農機購置補貼、深松作業補貼成為一個重大的舉措，引起社會廣泛的關注。政府重視，財政支持，深松作業在數量上才有把握順利完成。但是，深松作業的質量令人擔憂，其中主要是深度和行間隔是否達標。對大面積作業狀況連續測量，如何判斷并防止漏松更難。因為政策是按面積補貼，為了省油和提高效率，在完成面積的同時，深度和間隔往往難以全面兼顧[6-10]。本設計改進解決了深度漏松的問題，節省了深松過程中監督、監測的用工，為深松推廣提供了有力保障，其經濟效益無法估量。

5.2 無形效益

在物聯網技術高度成熟的今天，穩定可靠的深松監測裝置為建立推廣智慧農機系統提供了助力，監督監測人員在電腦前就能對各個深松點深松深度情況一目了然，為收集深松深度數據提供有力保障。