智能化控制的精整地联合机设计及关键部件分析

李洪昌，高 芳

(常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164)

0 引言

随着农业机械化的进步与农用机具智能化的发展，各类用于作物种植的机具不断得到更新、研发。为更好地提高我国农作物及经济作物的成熟收获产量与质量，在改进作业机械工具的同时，应关注作物生长的土壤信息，保证后续机械自动化生产作业高效进行。作物种植前期的整地环节起着至关重要的作用，良好的深松、旋耕及平整土地等作业，可为农作物种植提供高效发芽与生长环境。国内外学者不断对各类蔬菜作物、粮食作物等种植及播种环节进行智能化控制联合机设计与研究，针对整地作业实现多道工序一次性完成，可大大提高联合机具的工作效率，节约劳动作业时间。为此，本文在借鉴相关学者研究思路的基础上，从精整地联合机的结构设计与控制执行方面展开论述。

1 精整地联合机整机设计

精整地联合机作为一种机械智能化农业机具。作业功能体现在能够将挖掘、旋耕、碎土及平整等多项精整地作业依次有序完成，而各个组件的合理分配与结构协调性是联合机作业效能的体现。其整机结构主要由牵引架、翻土耙组、平地部件、碎土辊器及镇压装置等组成，如图1所示；选取其主要技术参数设计如表1所示。

图1 精整地联合机外形图Fig 1 The contour diagram of the whole combination machine used in the fine soil preparation表1 精整地联合机主要技术参数设计Table 1 Main technical parameter design of the combination machine used in the fine soil preparation

序号参数名称参数值1动力/kW652长×宽×高/cm270×185×1403作业宽度/cm120～1404起垄高度/cm16～205行进速度/km·h-13～116旋耕深度/cm10～207土表平整度标准差/cm<0.98碎土率/%>95

联合机工作原理：在牵引动力的牵引下进行土壤精整，通过开沟旋耕部件对土壤进行翻耕，对大块土壤进行破解，为破碎土壤奠定基础；在碎土辊器的作用下，土块再次被深入破解，上下土壤翻滚交换，实现松土目标；之后利用平地部件、镇压装置进行平整与起垄。此时，作业部件力度与深度的掌控最为关键，经联合机各项组件协调作业，对土地实现精整，确保上虚下实。

2 关键部件分析

2.1 硬件装置

为高效发挥精整地联合机的作业效率，针对其关键工作部件进行优化选型与设计。旋耕刀具工作时，土壤耕深的合理能确保土壤的含水率与墒度，在下实上虚的土壤深度分配上都有较为显著的影响；在满足联合机翻土、切土效果的基础上，其主要技术参数根据实际农艺要求与作物类型选取参数如下：

轴直径/cm：54

侧刃包角/(°)：37.4

正刃折弯直径/cm：0.6

正切折角度/(°)：120

刀具厚度/cm：0.135

刀刃宽度/cm：0.122

根据参数得出精整地联合机刀具三维模型(见图2)，再根据旋耕轴的长度依次排列刀具，得出一组旋耕部件，相应加入感知与传递控制装置，进行旋耕作业。

图2 联合机旋耕刀具三维模型Fig 2 3D model of the rotary cutting tool of the combination machine

旋耕与碎土密切连接与传递，根据刀齿的运动轨迹及规律(见图3)和联合机深度控制机构(见图4)，利用式(1)实现碎土辊器的参数结构设计，并保证刀齿作业土壤深度的可控性。旋耕与碎土环节硬件装置的材质选取可将联合机整机模型选择性简化，并导入三维受力分析软件ANSYS进行应力、位置等分析，不断试验优化结构，避开应力集中及关键位置，可有效延长刀具的使用寿命。

式(1)为

(1)

式中v—精整地联合机行进速度(km/h)；

ω—联合机碎土刀具角速度(rad/s)；

t—精整联合机作业时间(s)；

R—联合机刀齿旋转作业半径(cm)。

图3 联合机碎土辊器刀齿运动轨迹Fig.3 Crushing movement trajectory of the soil roller cracker on the combination machine

1.深度控制螺栓 2.支撑架 3.深度控制杆 4.入土深度控制轮图4 联合机入土深度控制结构简图Fig.4 Structure brief diagram of the soil depth control on the combination machine

2.2 智能控制系统

根据联合机的作业需求，针对机械环节进行监控智能化控制，增加自动反馈与控制程序，通过传感器读取，获取联合机作业部件的实时信息与位置，并经计算机数据计算与控制模式选取，通过D/A转换实现程序控制与执行动作完成。拟设计的联合机主程序控制流程如图5所示。在上位机位置，进行精整地联合机作业的人员可以通过监控显示掌控联合机的工作效果。

图5 联合机主程序控制流程简图Fig.5 Main program control flow brief chart of the combination machine

深度控制是智能化控制的核心，为提升精整地联合机的自动控制效果，可对旋耕深度控制进行建立目标函数，简易流程如图6所示。通过条件约束、线性回归及有机结合PID闭环自动调节与控制，对联合机刀齿的入土深度实现精确化控制与调节，主要考虑联合机整机位置垂向运动范围与施加力度的大小等因素。截取模糊控制程序编码如下：

…

dkd= name:‘dkd’;

type:‘mamdani’;

and method: ‘min’

or method: ‘max’

defuzz method: ‘bisector’

imp method: ‘min’

agg method:‘max’

input:[1x2 struct]

output:[1x1 struct]

rule:[1x42 struxt]

…

图6 精整地联合机旋耕深度控制Fig.6 Rotary tillage depth control of the combination machine used in fine soil preparation

3 试验

3.1 试验要求

针对此精整地联合机进行田间试验，表2 为试验过程中选取的关键因素参数。耙偏角度选定两个因素作为影响关键，主要为前耙与后耙；同时，通过记录试验数据利用式(2)、式(3)分别进行碎土率和土表平整度标准差计算。

表2 关键因素水平的选取Table 2 Selection of the key factor levels

碎土率表示为

(2)

土表平整度标准差表示为

(3)

3.2 试验分析

为深入了解精整地联合机的作业衡量指标表现情况，改变联合机的行进速度，通过计算得出表3的关键指标衡量数据。由表3可看出：

1)联合机行进速度控制在8～11km/h的范围内，均可以达到设计土表平整标准差<0.9cm的控制要求；联合机的碎土率亦确保在>95%的指标范围。

2)当联合机匀速行进速度为9.5km/h时，其在满足碎土率要求的条件下，土表平整标准差为最佳。

表3 精整地联合机作业衡量指标试验数据记录Table 3 Operation measure index testing data record of the whole combination machine

4 结论

1)采用智能化控制的精整地联合机作业，可一次性完成旋耕、碎土、起垄及平整等多项作业，大大提升了工作效率，为后续作物种植提供了有效保障。

2)通过分析精整地联合机工作原理与结构，针对关键部件进行参数和优化，最大限度实现联合机整机的结构紧凑化与功能布置合理化。

3)将模糊控制与线性回归算法应用于旋耕深度智能控制，实现联合机的精准化作业，不断调整达到所需作用的土壤深度翻土要求及水分保持要求，更有利于作物的发芽与生长。

4)通过给定试验条件进行验证，得出智能化控制的精整地联合机的工作效率较传统联合机提升20%左右，且土壤平整度标准差与碎土率指标均在设计控制范围之内，表明设计优化的合理性，对于其他联合机的研究与改进可提供一定的参考。