基于遙控操作的自動化旋耕機設計

葉青青 ，楊璐菲

（天門職業(yè)學院，湖北 天門 431700）

土壤自動化耕作既是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要管理措施，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的核心環(huán)節(jié)?？茖W的土壤自動化耕作能夠有效調節(jié)土壤狀態(tài)，具有恢復耕層結構、提升土壤保墑能力等效果[1]?，F(xiàn)階段，天門農(nóng)業(yè)自動化耕作采用拖拉機改進與后懸掛式兩種旋耕機形式，在作業(yè)時存在勞動強度高、工作效率低及漏耕等問題，甚至還需二次補耕，既影響到作物生長，又對作物根莖部分產(chǎn)生了一定程度的傷害。針對這些問題，借鑒國內外旋耕機設計理念，結合天門實際耕作情況，研究團隊研發(fā)出一種遙控自動化旋耕機，該機具不僅具有開溝、中耕、除草、碎土、起壟、回填等部件功能，還可有效避讓作物與障礙物，避免了漏耕、少耕等問題的出現(xiàn)，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈的機械化管理，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。

1 結構設計

旋耕機具有極強的碎土能力，作業(yè)后地表平坦，在農(nóng)業(yè)領域得到了廣泛應用[2]。遙控自動化旋耕機基于機械操控，將電控系統(tǒng)與機械技術進行結合，其由底盤、驅動裝置、遙控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等部件構成，整體結構如圖1所示。

圖1 整體結構

1.1 底盤設計

如圖2 所示，底盤由機架、驅動輪、轉向輪、支撐輪、履帶等部件組成。機架為整體機架，安裝遙控試驗機的發(fā)動機、變速箱、傳輸裝置等；驅動輪固定于機架右上方，與變速箱相連，與轉向輪橫向；機架底部有一對支撐輪用于支撐車輛，履帶環(huán)繞于驅動輪與轉向輪，由轉向輪后的履帶張緊器負責調節(jié)松緊[3]。遙控自動化旋耕機行駛原理是由變速箱傳輸動力到驅動輪，驅動輪再驅動履帶進行運動，轉向輪負責調整方向，履帶轉動時帶動支撐輪，并將機體重量平均分布于履帶上。

圖2 底盤結構

1.2 驅動裝置

遙控自動化旋耕機的動力源是柴油發(fā)動機，發(fā)動機通過三角帶將動力傳輸至變速箱，由離合器控制變速箱與皮帶輪的合離。在設計時，傳輸動力經(jīng)變速箱后分多路傳出，其中一路是驅動單元，通過變速器將動力傳輸至驅動輪，驅動輪驅動履帶后帶動轉向輪與支撐輪，由此驅動機具行駛[4]。變速箱手柄控制各擋，實現(xiàn)速度與進退的轉換，駐車時則通過控制離合將變速箱與皮帶輪分離。另外一路是掛接單元，由于旋耕裝置是試驗機的配套部件，所以應將動力傳輸口與旋耕機的變速箱相連，從而實現(xiàn)刀軸轉停與駐停的控制。

1.3 遙控系統(tǒng)

遙控系統(tǒng)發(fā)射器型號為TB-901，接收器型號為SPC-SFMC-X2214A，具體接線情況如圖3 所示。發(fā)射器采用點動按鍵，負責油門、轉向、升降、轉停等控制操作。發(fā)射器設有急停按鍵，以便遇到突發(fā)情況時緊急停止。如果長時間無需進行點動可進行鍵位鎖定，通電后應先點按解鎖鍵[5]。擋位切換時應點按“分離”按鍵，接收器接到指令后發(fā)送給液壓系統(tǒng)，推動液壓桿分離離合器，并手動切換到當前所需擋位。

圖3 SPC-SFMC-X2214A接線形式

1.4 液壓系統(tǒng)

遙控自動化旋耕機液壓系統(tǒng)由油箱、濾網(wǎng)、液壓泵、泵閥油管等構成，依靠液壓系統(tǒng)工作，進行配套件升降，具體結構設計如圖4 所示。在行駛過程中，按下轉向（左或右）按鈕，接收燈亮[6]。同時，左轉向閥的指示燈隨之亮起，接通左轉向油缸油路，活塞桿推動搖臂，帶動左分離撥叉，切斷左側動力后進行轉向。松開后所有指示燈熄滅，油缸回到初始，機具沿直線行駛[7]。駐車后接收器、左轉向閥及右轉向閥的指示燈亮起，左右轉向油缸伸出后推動搖臂分離，從而實現(xiàn)停車。

圖4 液壓系統(tǒng)設計

1.5 電控系統(tǒng)

采用GJ1103電控油控器，負責調節(jié)發(fā)動機轉速并控制油門大小，實現(xiàn)行駛過程中的速度控制。電控系統(tǒng)由單片機、電機、電位器等部件構成，電控油門驅動發(fā)電機帶動鋼絲運動實現(xiàn)油控，電控連接方式如圖5所示。接線完成后調試電控油門，確保升降速信號無效[8]。電源接通后鋼絲會降至下限，將油門調控手柄置于怠速位置，并將鋼絲固定于手柄之上。外接電位器調至最高處，內置電位器調至最低處，為了讓升速有效，應將手柄拉至設定處，調節(jié)內置電位器，直至手柄調到高速[9]。此時，對外接電位器進行調整，手柄在下限與設定處之間移動，讓降速信號保持有效。

圖5 電控連接方式

2 性能測試

2.1 測試環(huán)境

遙控自動化旋耕機功能效果測試流程包括轉彎半徑測試、接地壓力測試、旋耕深度測試三項內容。測試地點為湖北天門某農(nóng)業(yè)站。測試土壤肥力中等，周邊植被覆蓋率較高，土壤含水率18.13%，土壤穿透阻力300 kPa，地塊較為規(guī)整，整體面積約150 m×80 m。

2.2 轉彎半徑

遙控自動化試驗機未接掛旋耕機，將試驗機置于空曠地面，掛接1 擋，控制最小油門，在平齊試驗機前端與右端處劃線，長按遙控左轉向按鍵，試驗機轉一圈后計算轉彎半徑，測試重復6 次計算均值。由測試可知，遙控自動化旋耕機最小轉彎半徑為1.69 m，如表1所示。

表1 轉彎半徑測試

2.3 接地壓力

測試接地壓力是為了了解機具整體對土壤的接地壓力，具體方法是計算旋耕機重量與驅動裝置接地面積的比值[10]。將試驗機解掛旋耕機，測定重量時發(fā)動機應處于滿油狀態(tài)。在空曠場地測算履帶接地長度與履帶寬度，可用公式表示為：

式中，g表示接地壓力，w為遙控自動化旋耕機整體重量，a為機具兩側履帶寬度之和，b為履帶接地長度。遙控自動化旋耕機整體重量為680 kg，各履帶寬度為0.24 m，兩側履帶寬度之和為0.48 m，履帶接地長度為1.02 m，計算后可知接地壓力為13.32 kPa。

2.4 旋耕深度

在測試區(qū)內沿機具行駛方向每隔3 m 兩側各設1點，保持記錄7次，計算旋耕深度，可用公式表示為：

式中，d表示旋耕深度，dn表示第n點的旋耕深度，s表示測定次數(shù)。表2 為遙控自動化旋耕機旋耕深度測試數(shù)據(jù)，導入公式后可得出旋耕深度均值為11.93 cm。

表2 旋耕深度測試

3 結語

綜上所述，根據(jù)旋耕機作業(yè)質量與工作效率，設計了一種遙控自動化旋耕機，將電控技術、液壓技術與機械技術集于一體[11-12]。遙控自動化旋耕機由遙控發(fā)射器發(fā)送信號，接收器接收信號后，實現(xiàn)對轉動與液壓等系統(tǒng)的相關控制，完成旋耕機行駛、轉向、升降等遠程操作，減少揚塵與農(nóng)藥對操作者的危害，降低工作強度[13-14]。實地測試表明，該遙控自動化旋耕機能夠實現(xiàn)原地轉向，轉彎半徑小，機體結構均衡，具有較大的接地壓力，旋耕深度適宜。但由于轉彎半徑測試結果與測試土壤的穿透阻力、含水率以及肥力具有直接關系，因此在不同土壤會表現(xiàn)出差異化的轉彎半徑，后續(xù)研究應重點關注該方面內容，實現(xiàn)測試環(huán)境的多樣化。