丘陵山地小型牧草收獲機械設計與試驗

肖連軍，楊光龍

(貴州農業職業學院，貴陽 551400)

0 引言

我國南方以丘陵山地為主發展牧草產業的地區以貴州、廣西等省份為代表，由于機械作業環境不成熟，自然地塊狹小、土地形狀不規則，成套的大型機械無法進場收獲牧草，大部分工作依靠人工完成，勞動強度大、功效低，嚴重制約農業產業發展[1]。因此研制小型輕便、性能穩定、可靠性好、適用性強的牧草收割機，為南方丘陵山地農業優質、高產、高效的農業提供硬件支撐，具有一定的現實意義。

1 系統設計方案

該牧草收割機械主要由收割系統、電機傳動系統、蓄電池動力系統、行走系統和手機終端應用系統等基本模塊組成[2]，拓展模塊為云平臺服務系統、植株識別視覺系統、牧草智能打包系統，其結構如圖1所示。

圖1 牧草收割機結構框圖

2 硬件設計

牧草收獲機械設計指標見表1。

表1 牧草收割機械設計指標參數

2.1 機身設計

機身設計采用Siemens PLM Software的一款應用軟件(Unigraphics NX)進行設計制作，如圖2所示。

圖2 機身三維設計

2.2 主控芯片選型

主控芯片選擇STM32F103型控制器，該器件采用Cortex-M3內核，CPU最高速度達72 MHz，實時性較好，能夠滿足系統的實時控制需求，STM32芯片功能強大，為后期研制牧草收獲功能拓展預留研發空間。

2.3 電機驅動模塊選擇

電機驅動模塊的作用是借助電機傳動驅動行走機械動作，驅動模塊所選擇的型號為AQMH3615NS，該模塊利用兩輸入的高低電平邏輯關系PWM波控制牧草收割機械調速、正反轉及剎車(表2)。

表2 電機驅動模塊的驅動邏輯

AQMH3615NS模塊可三線控制調速、正反轉及剎車，可直接使用按鍵控制正反轉，此外負載大電流12 A及以上，瞬間峰值電流110 A。

2.4 動力蓄電池選擇

針對現存的燃油動力收割機械，作業時環境污染大，該牧草收割機利用蓄電池為系統供電，牧草收割作業全程無污染，清潔環保且運行使用成本低。選擇的蓄電池品牌為璽霸，其主要參數如表3所示。

表3 動力蓄電池主要性能參數

2.5 WiFi模塊選型

選用ESP8266無線模塊，一款超低功耗的UART-WiFi 透傳模塊，擁有業內極富競爭力的封裝尺寸和超低能耗技術，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到WiFi無線網絡上，進行互聯網或局域網通信，實現聯網功能。

3 基于安卓系統的應用軟件設計

該牧草收割應用軟件研發是基于Android系統平臺進行研發設計的，應用研發成功后，手機下載該應用軟件，在啟動牧草收割機控制系統后，手機搜索WiFi名稱為ESP8266，其WiFi密碼為12345678，輸入WiFi登錄密碼，WiFi連接成功后，點擊手機的應用軟件APP，即可進入登錄界面輸入登錄密碼，如圖3所示，進入到牧草收割機作業遠程控制界面，如圖4所示。

圖3 APP應用登錄界面設計

在圖4所示的手機控制界面中，由于牧草收割電機轉速為12 000 r·min-1，為了保證作業人員的安全，牧草收割電機啟動開關處設計了安全開關，在長按安全開關約3 s后，再點擊啟動電機，即可啟動牧草收割電機進行作業。 這樣的雙重啟動設計避免了因誤操作而啟動高速運轉的刀片。當選擇手動模式控制作業，有4個方向鍵可供操作人員控制，分別控制前后左右4個方向進行行走和作業。

圖4 牧草收割手機控制界面設計

4 樣機試驗

4.1 試驗條件

牧草收割機械理論前進速度0.25 m·s-1。

4.2 試驗牧草品種

選擇的牧草品種1為甜象草，其特點為分蘗能力極強、生長快、草莖剛強，牧草高度約40 cm；選擇的牧草品種2為多年生黑麥草，特點為草莖柔軟，牧草高度約15 cm。

4.3 試驗方法

對兩種牧草試驗區域進行等面積塊劃分為3大塊，每塊再分為等面積的2小塊。

4.4 割草刀具的選擇

類型1為2葉刀，特點為刀刃稍鈍，類型2為3葉刀，刀刃鋒利。兩類刀具的實試數據如表4、表5所示。

圖5 牧草收割樣機

表4 甜象草實驗數據 單位：%

表5 牧草種類2實驗數據 單位：%

4.5 實驗結果分析

通過實驗數據可知，對于甜象草，草莖剛強，選擇刀刃鋒利的刀具割草，割草率高；而對黑麥草，草莖柔軟。

5 總結

基于南方丘陵山地地貌特點設計了一款小型牧草收獲機，論述了丘陵山地小型化牧草收割機械的設計方案、研制及軟件應用研發的過程與思路，最后進行樣機試驗，通過試驗驗證了方案的可行性，同時為多功能牧草收割機械及精準作業機械的研究提供了新思路。