设施农业激光测控电动旋平机设计

河北农业大学机电工程学院 吴红雷 弋景刚 袁永伟 崔保健 杨淑华

引言

国土资源部在“十一五”科技计划中，把低成本土地平整设备系统的开发作为工作的重点之一。同时，“全国农业和农村经济发展第十二个五年规划”提出大力发展设施农业，建设连栋温室、日光温室、钢架大棚等农业设施，提高农产品均衡供应能力。目前，中国设施农业发展已具规模，但生产水平总体上还处于初级发展阶段。设施农业机械主要借鉴于以内燃机为动力的大田机械，这些机械外形尺寸及结构重量大、操作不灵活、污染环境。相比之下，国外如日本、韩国和美国等对温室中作业机具进行了开发、研究、推广和应用，许多作业项目如耕整地、播种、间苗、中耕和除草等都已实现了机械化[1-2]，而进口产品价格高、维护不便、适应性差。设施农业机械技术水平己经制约了该产业的进一步发展。

针对以上问题和设施农业地表的农艺要求，本文研究设计了一种设施农业激光测控电动旋平机[3-5]，该设备不仅能旋松耕作土层，而且能精确平整设施地表，节能环保，旋平深度与旋平精度实时可控，可提升我国精准农田作业自动化设备水平，改善设施机械化程度，促进设施农业的发展，提高资源利用率。

1 整机结构与主要技术参数

1.1 整机结构

设施农业激光测控电动旋平机主要由电驱动桥升降系统、旋耕组件、激光精平系统、动力电池组和机架等组成，激光测控电动旋平机结构模型如图1 所示。

图1 设施农业激光测控电动旋平机结构模型

1.2 主要技术参数

根据实际调研北方现有温室大棚结构尺寸和设施农业对旋耕作业的具体农艺要求，综合考虑其它部件参数确定了激光测控电动旋平机的主要技术性能参数，见表1。

2 工作原理

按照北方温室的土壤特性及旋耕作业的具体农艺要求，本设计以铅酸蓄电池为动力源，经过行走与旋耕速度、旋耕深度的理论推导与试验验证，最终确定了合理的行走与旋耕参数。采用行走与旋耕双动力驱动，选用电驱动一体桥经升降摇臂与电推杆连接组成电驱动桥升降系统结构，实现旋耕深度的实时控制；并配备激光测控扫平系统，激光接收器与平刀板固定连接，激光接收器接收激光发射器扫描的基准平面信号在其高度上的变化控制精平刀升降电推杆的伸缩，以实现精平刀的实时精确控制，从而达到旋耕精平一次完成的目的。

表1 主要技术性能参数

3 关键部件的设计与选择

3.1 扭杆调平机构

精平刀双扭杆调平机构如图2 所示，主要包括双弹性扭杆组件、转轴组件、精平刀和两个电推杆。精平刀处于工作位置时，在两个电推杆同时伸缩的情况下，实现精平刀同升同降；在两个电推杆独立伸缩的情况下，利用双弹性扭杆扭转变形的特性，实现精平刀倾斜升降调节，从而保证精平刀实时与激光发射器扫描的基准平面平行，进而实现精平刀刃在作业过程中严格按照设定的作业面对地表进行平整的目的。

3.2 激光测控扫平系统

激光测控扫平系统包括LS523 型激光扫平仪、激光接收器、SCA116T-10-232 数字输出型倾角传感器、FX2N-48MT-D 型PLC 控制器及相关组件。将激光扫平仪产生的高精度激光平面作为精平机的作业基准平面，通过激光接收器全方位接收激光扫平仪发射出的激光信号，经光伏效应后，判断精平刀两端安装的激光接收器中位偏离基准平面的距离，并将位置数据快速反馈到控制器进行运算处理。与此同时，控制器控制中间继电器的通断电，使相应的左右精平刀升降电推杆按要求动作，使精平刀的刀刃与设定的作业平面相一致。

4 结论

4.1 按照北方温室的土壤特性，针对目前设施农业机械多以内燃机为动力，污染严重、一次旋耕、人工搂平、效率低等问题，设计搭建了一种集旋耕和精平于一身的设施农业激光测控电动旋平机。

4.2 在保证旋耕作业具体农艺要求的前提下，为满足旋耕深度可调要求，采用电驱动一体桥技术，设计了以电推杆为动力的电驱动桥升降系统结构，以达到不同种植条件、不同耕深的实时控制。

4.3 设计了精平刀双弹性扭杆独立调平系统，在激光测控扫平系统的控制下，可实现精平刀同升、同降、倾斜升降调节，保证精平刀实时与激光发射器扫描的基准平面平行，进而实现刮刀切削刃在作业过程中严格按照设定的作业面对地表进行平整的目的。

[1] 农业部. 全国农业和农村经济发展第十二个五年规划[EB/OL] .[2012 一08 一31 ].www. moa. gov. cn / ztzl /shi-erwu/.

[2]乔学明,谢韵清,孙晓静.设施农业机械化发展现状、存在问题与对策[J].农业装备技术,2010,02：4-5.

[3]吴红雷,弋景刚,崔保健等.一种设施农业激光测控电动旋平机：中国，ZL201520244331.x[P].2014-07-06.

[4]孔德刚.大型农田激光测控精平机的研制[D].河北农业大学,2014.

[5]高辉松,朱思洪,史俊龙,杨井华,徐筱禄,常亚磊,陈勇.温室大棚用电动微耕机研制[J].机械设计,2012,11：83-87.