王理想, 奚小波,2*, 單 翔, 仇維佑, 王明友, 張劍峰,2, 張瑞宏,2

(1. 揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127; 2. 南京沃楊機(jī)械科技有限公司, 南京 211200;3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所, 南京 210014)

目前,水田平整機(jī)械可分為傳統(tǒng)平整機(jī)和激光平地機(jī)．傳統(tǒng)平整機(jī)大多是通過在土壤上施加一定的壓力,通過機(jī)具前進(jìn)達(dá)到田面平整的目的．余水生[1]針對(duì)高茬水田耕整作業(yè)次數(shù)多,耕后的平整度難以達(dá)到水稻種植要求等問題,設(shè)計(jì)了一種秸稈還田耕整機(jī),其中平地裝置采用彈簧支撐桿連接平地板結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)秸稈還田后的田間平整度．但該機(jī)在平整操作過程中需要通過人工目測(cè)方式進(jìn)行控制與調(diào)節(jié),平整作業(yè)時(shí)間長,且耕整后的平整度難以達(dá)到水稻種植要求[2-3]．激光平地機(jī)是利用激光控制技術(shù)在田間耕整時(shí)能對(duì)平地裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制調(diào)節(jié),有效提高耕整后田面平整度,但對(duì)水田本身的要求較高,在有秸稈或高低差過大的情況下效率低,且功能單一,機(jī)具成本高,不利于大規(guī)模推廣使用[4-6],因此研制操作簡單、價(jià)廉、高效的水田平整機(jī)成為一種趨勢(shì)[7-9]．本文擬采用雙軸旋耕裝置,配合自平衡和施肥裝置, 完成水田深旋耕滅茬、施肥、起漿、平整等作業(yè),提高作業(yè)平整度的同時(shí)減少作業(yè)時(shí)間, 從而提高水稻種植的質(zhì)量和機(jī)具的作業(yè)效率[10-11]．

1 平整機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自平衡雙軸旋耕水田平整機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、施肥機(jī)構(gòu)、旋耕機(jī)構(gòu)、平整機(jī)構(gòu)、水平控制系統(tǒng)等組成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示. 表1為主要性能參數(shù)．

表1 主要性能參數(shù)

1.2 工作原理

自平衡雙軸旋耕水田平整機(jī)由73.5 kW拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng),由拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸輸出720 r·min-1的轉(zhuǎn)速, 通過傳動(dòng)軸到達(dá)水田平整機(jī)的中間箱,再由中間箱通過2根傳動(dòng)軸分別向兩邊傳動(dòng),帶動(dòng)兩邊齒輪傳動(dòng),從而帶動(dòng)旋耕軸的旋轉(zhuǎn)達(dá)到旋耕的目的;整機(jī)通過拖拉機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)懸掛裝置進(jìn)行掛接升降;旋耕裝置后面的擋板由水平自平衡裝置控制,轉(zhuǎn)角油缸控制擋板和平整板進(jìn)行刮土、平土、運(yùn)土的作業(yè),自平衡裝置是由傳感器傳遞信號(hào)到主機(jī),再由主機(jī)發(fā)送信號(hào)至電磁閥控制液壓缸的伸縮量以達(dá)到自平衡,同時(shí)也可以根據(jù)實(shí)際情況手動(dòng)調(diào)節(jié)平衡油缸達(dá)到特定的角度;平整板由壓力彈簧和轉(zhuǎn)角伸縮油缸控制,擴(kuò)大平整幅寬．

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 旋耕裝置

圖2為雙軸旋耕裝置．該機(jī)具采用的雙軸旋耕能實(shí)現(xiàn)大耕深, 且具有秸稈還田徹底、水田起漿效果好等特點(diǎn), 更有利于水稻的種植．

2.2 平整板

平整板位于機(jī)具后側(cè),工作過程中平整板的位置會(huì)隨著地勢(shì)的變化發(fā)生橫向或縱向不同角度的切斜,使水田的平整度達(dá)到水稻種植的要求．由于傳統(tǒng)水田平整機(jī)平整板存在幅寬窄、單液壓缸控制、角度不可調(diào)、浮動(dòng)較大的缺點(diǎn),本文提出的機(jī)具改用液壓缸伸縮式、寬幅和角度可調(diào)、浮動(dòng)可控、變形壓簧與液壓缸共同控制的平整板結(jié)構(gòu),平整效率更高．圖3為平整板結(jié)構(gòu)示意圖．

2.3 自平衡裝置

2.3.1 液壓系統(tǒng)

圖4為液壓系統(tǒng)示意圖．采用獨(dú)立供油,由拖拉機(jī)后輸出軸與安裝在中間箱上的齒輪泵通過鏈條連接傳遞動(dòng)力; 液壓泵采用CBN-G316型齒輪泵, 公稱排量為16 mL·r-1, 額定壓力為25 MPa, 可以滿足整個(gè)液壓系統(tǒng)的需求; 整個(gè)液壓閥組采用插裝式組成, 并采用可調(diào)式溢流閥．整個(gè)油路采用串聯(lián)布置,第一路與平整板的伸縮油缸相連,由1組三位四通電磁閥控制; 第二路控制自平衡裝置, 由1組三位四通電磁閥和1組液壓鎖止閥控制,電磁閥信號(hào)接入水平控制裝置,并及時(shí)反饋有效的信號(hào)控制平整裝置的穩(wěn)定性; 第三路由1組三位四通和1組兩位兩通電磁閥共同組成,能有效控制平整板完成刮土、運(yùn)土和平土的工作．

2.3.2 控制系統(tǒng)

以拖拉機(jī)12 V供電為基礎(chǔ), 電氣控制調(diào)節(jié)盒作為控制器, 水平儀和陀螺儀為檢測(cè)裝置, 液壓缸為執(zhí)行裝置．電氣控制調(diào)節(jié)盒對(duì)傳感器在機(jī)具工作過程中的不同工況反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理[10-11], 當(dāng)水田平整度大于5 cm時(shí),電氣控制調(diào)節(jié)盒通過電磁控制閥控制液壓系統(tǒng),使各個(gè)工作液壓缸運(yùn)動(dòng),達(dá)到及時(shí)調(diào)節(jié)平整板角度和浮動(dòng)高度的效果,在特殊情況下可以轉(zhuǎn)換到手動(dòng)控制,以滿足不同的平整要求,實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自平衡控制,其工作流程如圖5所示．圖6為控制器總成, 由12 V電瓶供電通過控制盒上面的開關(guān)通向電源輸入,再通過穩(wěn)壓器給整個(gè)電路供電,由傳感器接入端傳入的傳感器數(shù)字信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,再將模擬信號(hào)傳遞到處理器進(jìn)行處理,處理完畢,發(fā)出模擬信號(hào),再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳入電磁繼電器,通過給電磁液壓閥供電控制液壓油缸;信號(hào)比例調(diào)節(jié)端口和校準(zhǔn)端口分別接入比例調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)開關(guān),對(duì)反饋信號(hào)和初試信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)．

3 田間試驗(yàn)

為了獲得更精確的平整數(shù)據(jù), 在揚(yáng)州市江都區(qū)丁伙鎮(zhèn)進(jìn)行了田間作業(yè)試驗(yàn), 具體的試驗(yàn)條件見表2．先將水田進(jìn)行泡水處理, 然后用平整機(jī)進(jìn)行初耕將麥茬和雜草等作物進(jìn)行粉碎深埋, 初耕之后進(jìn)行平整作業(yè),此時(shí)機(jī)具的前進(jìn)速度為5 km·h-1．圖7為機(jī)具田間作業(yè)效果圖．從圖7可以看出, 作業(yè)后土壤表面秸稈和雜草的數(shù)量很少, 這是因?yàn)殡p軸旋耕裝置使得土壤和秸稈混勻效果好, 有效降低了土壤秸稈比, 秸稈還田效果顯著．

表2 試驗(yàn)條件

表3 地表平整度測(cè)量記錄表

4 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)了一種自平衡雙軸旋耕水田平整機(jī),包括雙軸旋耕裝置、水田自平衡裝置、平整板等裝置,機(jī)具一次作業(yè)可完成水田深旋耕滅茬、施肥、起漿、平整4道工序．采用雙軸旋耕裝置實(shí)現(xiàn)了水耕條件下的大耕深作業(yè), 使得土壤與秸稈混勻效果較好,作業(yè)后的土表秸稈較少, 秸稈還田效果顯著．

2) 使用水田平整自平衡裝置,實(shí)現(xiàn)了水田平整的高效率作業(yè), 達(dá)到平整度在3 cm以內(nèi)的作業(yè)要求, 平整后土壤相對(duì)高度的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為2.04 cm．