基于遥控操作的自动化旋耕机设计

叶青青 ，杨璐菲

（天门职业学院，湖北 天门 431700）

土壤自动化耕作既是农业发展的重要管理措施，也是现代农业可持续发展的核心环节。科学的土壤自动化耕作能够有效调节土壤状态，具有恢复耕层结构、提升土壤保墒能力等效果[1]。现阶段，天门农业自动化耕作采用拖拉机改进与后悬挂式两种旋耕机形式，在作业时存在劳动强度高、工作效率低及漏耕等问题，甚至还需二次补耕，既影响到作物生长，又对作物根茎部分产生了一定程度的伤害。针对这些问题，借鉴国内外旋耕机设计理念，结合天门实际耕作情况，研究团队研发出一种遥控自动化旋耕机，该机具不仅具有开沟、中耕、除草、碎土、起垄、回填等部件功能，还可有效避让作物与障碍物，避免了漏耕、少耕等问题的出现，实现了农业生产链的机械化管理，对农业可持续发展具有积极意义。

1 结构设计

旋耕机具有极强的碎土能力，作业后地表平坦，在农业领域得到了广泛应用[2]。遥控自动化旋耕机基于机械操控，将电控系统与机械技术进行结合，其由底盘、驱动装置、遥控系统、液压系统等部件构成，整体结构如图1所示。

图1 整体结构

1.1 底盘设计

如图2 所示，底盘由机架、驱动轮、转向轮、支撑轮、履带等部件组成。机架为整体机架，安装遥控试验机的发动机、变速箱、传输装置等；驱动轮固定于机架右上方，与变速箱相连，与转向轮横向；机架底部有一对支撑轮用于支撑车辆，履带环绕于驱动轮与转向轮，由转向轮后的履带张紧器负责调节松紧[3]。遥控自动化旋耕机行驶原理是由变速箱传输动力到驱动轮，驱动轮再驱动履带进行运动，转向轮负责调整方向，履带转动时带动支撑轮，并将机体重量平均分布于履带上。

图2 底盘结构

1.2 驱动装置

遥控自动化旋耕机的动力源是柴油发动机，发动机通过三角带将动力传输至变速箱，由离合器控制变速箱与皮带轮的合离。在设计时，传输动力经变速箱后分多路传出，其中一路是驱动单元，通过变速器将动力传输至驱动轮，驱动轮驱动履带后带动转向轮与支撑轮，由此驱动机具行驶[4]。变速箱手柄控制各挡，实现速度与进退的转换，驻车时则通过控制离合将变速箱与皮带轮分离。另外一路是挂接单元，由于旋耕装置是试验机的配套部件，所以应将动力传输口与旋耕机的变速箱相连，从而实现刀轴转停与驻停的控制。

1.3 遥控系统

遥控系统发射器型号为TB-901，接收器型号为SPC-SFMC-X2214A，具体接线情况如图3 所示。发射器采用点动按键，负责油门、转向、升降、转停等控制操作。发射器设有急停按键，以便遇到突发情况时紧急停止。如果长时间无需进行点动可进行键位锁定，通电后应先点按解锁键[5]。挡位切换时应点按“分离”按键，接收器接到指令后发送给液压系统，推动液压杆分离离合器，并手动切换到当前所需挡位。

图3 SPC-SFMC-X2214A接线形式

1.4 液压系统

遥控自动化旋耕机液压系统由油箱、滤网、液压泵、泵阀油管等构成，依靠液压系统工作，进行配套件升降，具体结构设计如图4 所示。在行驶过程中，按下转向（左或右）按钮，接收灯亮[6]。同时，左转向阀的指示灯随之亮起，接通左转向油缸油路，活塞杆推动摇臂，带动左分离拨叉，切断左侧动力后进行转向。松开后所有指示灯熄灭，油缸回到初始，机具沿直线行驶[7]。驻车后接收器、左转向阀及右转向阀的指示灯亮起，左右转向油缸伸出后推动摇臂分离，从而实现停车。

图4 液压系统设计

1.5 电控系统

采用GJ1103电控油控器，负责调节发动机转速并控制油门大小，实现行驶过程中的速度控制。电控系统由单片机、电机、电位器等部件构成，电控油门驱动发电机带动钢丝运动实现油控，电控连接方式如图5所示。接线完成后调试电控油门，确保升降速信号无效[8]。电源接通后钢丝会降至下限，将油门调控手柄置于怠速位置，并将钢丝固定于手柄之上。外接电位器调至最高处，内置电位器调至最低处，为了让升速有效，应将手柄拉至设定处，调节内置电位器，直至手柄调到高速[9]。此时，对外接电位器进行调整，手柄在下限与设定处之间移动，让降速信号保持有效。

图5 电控连接方式

2 性能测试

2.1 测试环境

遥控自动化旋耕机功能效果测试流程包括转弯半径测试、接地压力测试、旋耕深度测试三项内容。测试地点为湖北天门某农业站。测试土壤肥力中等，周边植被覆盖率较高，土壤含水率18.13%，土壤穿透阻力300 kPa，地块较为规整，整体面积约150 m×80 m。

2.2 转弯半径

遥控自动化试验机未接挂旋耕机，将试验机置于空旷地面，挂接1 挡，控制最小油门，在平齐试验机前端与右端处划线，长按遥控左转向按键，试验机转一圈后计算转弯半径，测试重复6 次计算均值。由测试可知，遥控自动化旋耕机最小转弯半径为1.69 m，如表1所示。

表1 转弯半径测试

2.3 接地压力

测试接地压力是为了了解机具整体对土壤的接地压力，具体方法是计算旋耕机重量与驱动装置接地面积的比值[10]。将试验机解挂旋耕机，测定重量时发动机应处于满油状态。在空旷场地测算履带接地长度与履带宽度，可用公式表示为：

式中，g表示接地压力，w为遥控自动化旋耕机整体重量，a为机具两侧履带宽度之和，b为履带接地长度。遥控自动化旋耕机整体重量为680 kg，各履带宽度为0.24 m，两侧履带宽度之和为0.48 m，履带接地长度为1.02 m，计算后可知接地压力为13.32 kPa。

2.4 旋耕深度

在测试区内沿机具行驶方向每隔3 m 两侧各设1点，保持记录7次，计算旋耕深度，可用公式表示为：

式中，d表示旋耕深度，dn表示第n点的旋耕深度，s表示测定次数。表2 为遥控自动化旋耕机旋耕深度测试数据，导入公式后可得出旋耕深度均值为11.93 cm。

表2 旋耕深度测试

3 结语

综上所述，根据旋耕机作业质量与工作效率，设计了一种遥控自动化旋耕机，将电控技术、液压技术与机械技术集于一体[11-12]。遥控自动化旋耕机由遥控发射器发送信号，接收器接收信号后，实现对转动与液压等系统的相关控制，完成旋耕机行驶、转向、升降等远程操作，减少扬尘与农药对操作者的危害，降低工作强度[13-14]。实地测试表明，该遥控自动化旋耕机能够实现原地转向，转弯半径小，机体结构均衡，具有较大的接地压力，旋耕深度适宜。但由于转弯半径测试结果与测试土壤的穿透阻力、含水率以及肥力具有直接关系，因此在不同土壤会表现出差异化的转弯半径，后续研究应重点关注该方面内容，实现测试环境的多样化。