王金峰 翁武雄 鞠金艷 陳鑫勝 劉俊麟 唐 漢

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.黑龍江科技大學(xué)機械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

0 引言

采用水田機械化修筑埂技術(shù)能夠完成高效高質(zhì)量的筑埂作業(yè)，修筑堅實可靠的田埂，可有效節(jié)約水資源，有利于建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田[1-2]。隨著水田機械化程度的提高，水田機械化筑埂已成為水稻種植生產(chǎn)的“瓶頸”問題之一，旋耕和鎮(zhèn)壓部件的穩(wěn)定回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)及鎖定是水田單側(cè)修筑埂機倒行修筑拐角處田埂的關(guān)鍵，也是水田全程機械化修筑埂的重要環(huán)節(jié)。

日本水田筑埂機械處于世界領(lǐng)先水平，已基本實現(xiàn)水田筑埂的機械化作業(yè)[3-4]。日本生產(chǎn)的筑埂機主要以單側(cè)筑埂機為主，機身普遍配備控制系統(tǒng)，可以遙控旋耕和鎮(zhèn)壓部件進行回轉(zhuǎn)，但回轉(zhuǎn)與鎖定裝置采用多連桿機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且部分高端機型須專業(yè)農(nóng)戶進行操作，對操作技術(shù)要求較高，不易于國內(nèi)引進推廣使用。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的修筑埂機的旋耕和鎮(zhèn)壓部件的位置相對于懸掛架都是固定的[5-9]，受限于拖拉機機身占用的一段距離，無法對地頭拐角處田埂進行修筑。針對此問題，王金峰等[10-11]研制了水田雙向修筑埂機，通過液壓缸實現(xiàn)作業(yè)部件的180°水平回轉(zhuǎn)，可采用拖拉機倒車進行筑埂的方式對拐角處田埂進行修筑。該機已在黑龍江地區(qū)應(yīng)用，但手動控制精度不高、回轉(zhuǎn)過程中機具擺動較大，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，且鎖定裝置采用鎖緊銷，無法實現(xiàn)自動鎖定，操作繁瑣，影響了機具的進一步推廣應(yīng)用。

為實現(xiàn)修筑埂機旋耕和鎮(zhèn)壓部件的勻速回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和自動鎖定，使回轉(zhuǎn)過程更加穩(wěn)定、安全可靠，簡化上下車調(diào)節(jié)鎖緊銷的繁瑣過程，本文以水田雙向修筑埂機[12]為載體，將原有的液壓缸替換為電動推桿，研究可通過手機精確控制的回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置，使轉(zhuǎn)向過程操作簡便，以提高工作效率和自動化程度，并通過試驗進行性能驗證。

1 水田雙向修筑埂機存在問題分析

水田雙向修筑埂機主要由懸掛牽引架、支撐架、主傳動箱、橫向偏移機構(gòu)、水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)、液壓缸、鎖定裝置及旋耕鎮(zhèn)壓總成等組成。整機結(jié)構(gòu)及傳動簡圖如圖1所示，其中橫向偏移機構(gòu)分別與懸掛牽引架和支撐架鉸連組成平行四桿機構(gòu)，主傳動箱固定在支撐架上，水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)與支撐架之間由軸承進行鉸連接，旋耕鎮(zhèn)壓總成固定安裝在水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)底部。橫向偏移機構(gòu)和水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)分別用于控制旋耕鎮(zhèn)壓總成的左右橫向偏移和水平180°回轉(zhuǎn)，鎖定裝置保證水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)在筑埂作業(yè)過程中為一個剛性的整體。

作業(yè)過程中，動力由拖拉機后置動力輸出軸提供，由萬向節(jié)經(jīng)過動力輸入軸從主變速箱傳遞至水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)再傳遞至旋耕鎮(zhèn)壓總成進行筑埂作業(yè)。當(dāng)水田雙向修筑埂機行駛到稻田拐角處無法繼續(xù)筑埂時，駕駛?cè)藛T需下車解開鎖定，再回到駕駛室通過手動調(diào)節(jié)拖拉機的液壓操縱桿伸長液壓缸，進行旋耕鎮(zhèn)壓總成的180°水平回轉(zhuǎn)后再下車進行鎖定。而后，拖拉機在田間換向，機具倒行進行反向旋耕集土筑埂成型，完成拐角處田埂的機械化修筑作業(yè)，如圖2所示。

由以往試驗可知，水田雙向修筑埂機的水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)以液壓缸作為驅(qū)動部件，操控者無法通過手動操作精確控制油壓使液壓缸按理想速度運動，液壓缸微小的伸縮速度偏差就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)向過快，液壓缸的突然停頓也會使轉(zhuǎn)向突然停止，導(dǎo)致機具轉(zhuǎn)向過程不夠平穩(wěn)，易引起作業(yè)部件與機架之間的碰撞，缺少安全性及可靠性。此外，轉(zhuǎn)向的手動鎖定裝置無論是解鎖還是鎖定都需要駕駛員下車操作，并且需要一人協(xié)同完成，手動鎖定過程操作繁瑣，自動化程度低，勞動強度大、工作效率低。

2 結(jié)構(gòu)與原理

回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置由控制箱、主傳動箱、電動推桿、連桿、支撐架、自動鎖定裝置A與B、鏈傳動箱、副傳動箱、滑槽和滑塊組成，主要用于控制鏈傳動箱在水平方向上的180°回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)與自動鎖定，實現(xiàn)水田雙向修筑埂機前行與倒行兩種作業(yè)方式的快速穩(wěn)定轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中主齒輪箱固定安裝在支撐架上，自動鎖定裝置A與B分別固定安裝在支撐架底部，支撐架上分別鉸連電動推桿和連桿，連桿的一端與電動推桿鉸連接，鏈傳動箱可轉(zhuǎn)動地安裝在支撐架內(nèi)，副傳動箱與鏈傳動箱固定連接，鎖銷A與B固定安裝在鏈傳動箱底部，在鏈傳動箱上設(shè)置滑槽，滑塊可滑動地配裝在滑槽內(nèi)，連桿的另一端可轉(zhuǎn)動地插入配裝在滑塊中心孔內(nèi)。電機安裝在自動鎖定裝置殼體內(nèi)，齒輪套裝在電機動力輸出軸上，卡扣與卡板的一端分別與殼體鉸連接，另一端分別通過彈簧與殼體相連接，卡扣與卡板呈接觸、脫離配合。齒條與齒輪相嚙合，齒條可滑動地裝配在殼體內(nèi)部，前端與卡扣呈接觸、脫離配合。

作業(yè)過程中，旋耕和鎮(zhèn)壓部件配裝在副傳動箱上，動力由副傳動箱動力輸出軸提供。當(dāng)機具行駛到稻田拐角處無法繼續(xù)前進修筑田埂時，通過控制箱進行旋耕和鎮(zhèn)壓部件的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)向前，操作手機APP界面的轉(zhuǎn)向按鈕執(zhí)行自動鎖定裝置A的解鎖程序，驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)帶動齒條推動卡扣使之與卡板分離，完成解鎖，此時伸長電動推桿，進行旋耕和鎮(zhèn)壓部件的轉(zhuǎn)向，鎖銷A隨著鏈傳動箱的轉(zhuǎn)動脫離自動鎖定裝置A并在轉(zhuǎn)動180°后進入自動鎖定裝置B內(nèi)，帶動卡板旋轉(zhuǎn)推動卡扣，彈簧復(fù)位使卡扣與卡板自動扣緊，實現(xiàn)鎖定。機具完成由前行至倒行作業(yè)狀態(tài)的快速切換。

3 回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定過程分析

為解決水田雙向修筑埂機因控制精度低導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不平穩(wěn)的問題，采用電動推桿代替雙作用液壓缸作為回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置的驅(qū)動部件，并對運動過程進行分析。

3.1 回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程運動分析

為了使鏈傳動箱以理想的角速度勻速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，需通過鏈傳動箱的角速度反推確定電動推桿的瞬時速度。由于電動推桿縮短過程為伸長過程的逆運動，因此本文僅對前行工作切換至倒行工作過程進行運動學(xué)分析。為了防止轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)完成時鏈傳動箱與支撐架產(chǎn)生碰撞，設(shè)計鏈傳動箱轉(zhuǎn)向過程角速度為梯形速度曲線，分為勻加速階段、勻速階段和勻減速階段，如圖4所示。

解開鎖定后，鏈傳動箱先勻加速回轉(zhuǎn)至鎖銷脫離自動鎖定裝置，再以最大角速度勻速回轉(zhuǎn)至鎖銷進入自動鎖定裝置，最后勻減速回轉(zhuǎn)至鎖銷鎖定完成時結(jié)束。勻加速階段、勻速階段和勻減速階段角位移分別為S1、S2和S3，勻加速階段與勻減速階段角位移和所用時間相等，角加速度大小相等方向相反，則鏈傳動箱最大角速度為

ωmax=αt1

(1)

因此有

S2=αt1(t2-2t1)

(2)

式中α——鏈傳動箱在勻加速階段的角加速度，rad/s2

t1——勻加速階段所用時間，s

t2——轉(zhuǎn)向過程總時間，s

(3)

(4)

以鏈傳動箱回轉(zhuǎn)中心O為原點建立平面直角坐標(biāo)系，如圖5所示。

其中連桿和電動推桿分別繞O1和O4轉(zhuǎn)動，θ1、θ5和θ6分別為鏈傳動箱、連桿和電動推桿在回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置回轉(zhuǎn)至t時刻時轉(zhuǎn)動的角度。點O′3為進行回轉(zhuǎn)之前電動推桿與連桿鉸連點的初始位置，θ4為β(∠O′3O1O4)與θ5之和，則

(5)

(6)

(7)

式中β——回轉(zhuǎn)前電動推桿與連桿的夾角，(°)

ω1——鏈傳動箱角速度，rad/s

ω2——連桿角速度，rad/s

在△O1OO2中，由余弦定理推導(dǎo)出lO1O2為

(8)

式中l(wèi)OO1——連桿與鏈傳動箱回轉(zhuǎn)中心距，mm

lO1O2——滑塊中心O2繞連桿回轉(zhuǎn)中心O1的轉(zhuǎn)動半徑，mm

lOO2——鏈傳動箱回轉(zhuǎn)中心O與滑塊中心O2距離，mm

由圖5可知，點O2的絕對速度vO2分解成相對速度vr1與牽連速度ve1，連桿在t時刻的角速度ω2為

(9)

點O2的牽連速度ve1為

ve1=ω1lOO2

(10)

由于點O2絕對速度vO2和牽連速度ve1的夾角θ2與連桿和鏈傳動箱的夾角θ3相等，根據(jù)速度合成定理求得絕對速度vO2為

(11)

在△O1OO2中，由正弦定理有

(12)

由式(8)～(12)聯(lián)立可得連桿角速度ω2為

(13)

點O3的絕對速度vO3為

vO3=ω2lO1O3

(14)

式中l(wèi)O1O3——電動推桿與連桿鉸連點O3繞點O1的轉(zhuǎn)動半徑，mm

將點O3的絕對速度vO3分解得到點O3的相對速度vr2為

vr2=vO3sinθ7

(15)

式中θ7——點O3絕對速度vO3與牽連速度ve2的夾角，(°)

在△O1O3O4中，由余弦定理有

(16)

式中l(wèi)O3O4——電動推桿在t時刻的長度，mm

lO1O4——電動推桿與支撐架鉸連點O4和連桿回轉(zhuǎn)中心點O1的距離，mm

在△O1O3O4中，由正弦定理有

(17)

由式(5)～(7)與式(13)～(17)聯(lián)立可得電動推桿伸縮速度vr2與時間t的關(guān)系式為

(18)

3.2 回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程受力分析

如圖5所示，虛線段O4O′3、O′3O′2和OO′2分別為電動推桿、連桿和鏈傳動箱轉(zhuǎn)向初始位置，鏈傳動箱的啟動轉(zhuǎn)矩由電動推桿提供，經(jīng)連桿傳遞至鏈傳動箱。連桿所受電動推桿的推力為F1，F(xiàn)1到連桿回轉(zhuǎn)中心O1的力臂為l1，并且此時力臂l1最短，故在該位置所需電動推桿的推力F1最大。鏈傳動箱滑塊中心點O′2所受連桿的推力為F2，θ8為F2與F3的夾角。為保證鏈傳動箱能夠以梯形速度曲線進行轉(zhuǎn)向，電動推桿的額定推力應(yīng)大于該位置所需推力F1，不考慮摩擦力的影響，對鏈傳動箱回轉(zhuǎn)過程進行受力分析，為電動推桿的電機選型和勻加速階段角加速度的確定提供參考依據(jù)。結(jié)合圖5可得

(19)

鏈傳動箱所受力F2對回轉(zhuǎn)中心O的力矩M為

(20)

式中F3——F2在y軸方向的分力，N

l2——O′2到回轉(zhuǎn)中心O的距離，mm

根據(jù)剛體繞定軸轉(zhuǎn)動微分方程有

JOα=M

(21)

式中JO——鏈傳動箱對回轉(zhuǎn)中心O的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

電動推桿是由電機通過齒輪傳動帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)將電機的角位移轉(zhuǎn)化為電動推桿線位移，電動機的扭矩轉(zhuǎn)化為電動推桿的軸向力，電動推桿推力與電動機輸出扭矩之間的關(guān)系為

(22)

式中T——電動機輸出扭矩，N·m

S——電動推桿絲杠導(dǎo)程，mm/r

i——電機與絲杠傳動比

η——絲杠傳動效率，取0.85

聯(lián)立式(19)～(22)可得電動機輸出扭矩與鏈傳動箱角加速度的關(guān)系為

(23)

為確保轉(zhuǎn)向過程安全可靠，實際選擇的電動機扭矩為

T0=C1C2T

(24)

式中T0——實際選擇電動機的輸出扭矩，N·m

C1——電氣安全系數(shù)

C2——負載安全系數(shù)

3.3 電動推桿運動速度求解

由于轉(zhuǎn)向過程中電動推桿為低速運動，步進電機的最大輸出扭矩隨著工作轉(zhuǎn)速增高呈遞減趨勢，若超出最大工作扭矩步進電機會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)或失步等現(xiàn)象。根據(jù)所選擇電動推桿的雷賽86CM80型兩相混合式步進電機轉(zhuǎn)頻特性曲線可知，該步進電機在低轉(zhuǎn)速(300 r/min)運轉(zhuǎn)下最大輸出扭矩約為6 N·m。聯(lián)立式(23)、(24)得

(25)

由圖6可知，電動推桿伸長速度隨轉(zhuǎn)向時間的變化曲線由3條函數(shù)曲線組合而成，速度趨勢為先加速后減速再加速再減速，共分為3個階段，0～2 s對應(yīng)鏈傳動箱的勻加速運動階段，2～18 s對應(yīng)鏈傳動箱的勻速運動階段，18～20 s對應(yīng)鏈傳動箱的勻減速運動階段。提取曲線各點數(shù)據(jù)并進行整理，為本文后續(xù)控制系統(tǒng)的程序編寫提供數(shù)據(jù)支撐。

3.4 鎖定時鎖銷受力分析

自動鎖定時，鏈傳動箱上的鎖銷(本文以自動鎖定裝置A為分析對象)進入卡板，卡板與卡扣呈接觸配合處于鎖死狀態(tài)，則自動鎖定裝置通過鎖銷與鏈傳動箱連接為一個剛性的整體。鎖銷是自動鎖定裝置能否鎖定牢靠的關(guān)鍵，需對鎖銷進行受力分析以求得滿足作業(yè)要求的鎖銷直徑，受力簡圖如圖7所示。

作業(yè)時，旋耕部件與鎮(zhèn)壓部件接觸土壤進行旋耕取土和筑埂作業(yè)，鎖銷主要承載土壤對旋耕部件和鎮(zhèn)壓部件的阻力，根據(jù)力矩平衡方程有

P1L1=P2L2

(26)

式中P1——鎖銷受到的阻力，N

L1——P1到鏈傳動箱回轉(zhuǎn)中心O距離，mm

P2——旋耕和鎮(zhèn)壓部件受到的阻力，N

L2——P2到鏈傳動箱回轉(zhuǎn)中心O距離，mm

旋耕筑埂作業(yè)過程如圖8所示，作業(yè)過程受到的阻力主要為土壤對鎮(zhèn)壓部件的附著力和旋耕部件的阻力，即

P2=Pφ+Pα

(27)

式中Pφ——土壤對鎮(zhèn)壓部件的附著力，N

Pα——土壤對旋耕部件的阻力，N

將土壤強度與機具聯(lián)系起來，應(yīng)用土力學(xué)中的摩爾-庫倫定律建立作業(yè)機具鎮(zhèn)壓部件附著力模型

Pφ=Fc+Gμ

(28)

其中

μ=tanφ

式中F——接地面積，m2

G——機具重力，N

φ——土壤摩擦角，(°)

μ——摩擦因數(shù)

c——土壤黏結(jié)力，kPa

由于旋耕和鎮(zhèn)壓部件懸掛在拖拉機的后方，由動力輸出軸的動力進行驅(qū)動，旋耕和鎮(zhèn)壓部件運動方向和驅(qū)動機具行進方向相同，實際上土壤對鎮(zhèn)壓部件的最大附著力遠小于Pφ，為了分析鎖銷能承載的最大載荷，假設(shè)Pφ全部作用于鎮(zhèn)壓部件上，令tanφ=1。

由圖8可知，作業(yè)過程中鎮(zhèn)壓部件與土壤的接觸面積F包括鎮(zhèn)壓輥和羽片與土壤的接觸面積，鎮(zhèn)壓輥為圓柱形，羽片為組合而成的兩段圓臺形狀，則

(29)

式中r1——鎮(zhèn)壓輥半徑，mm

c1——鎮(zhèn)壓輥長度，mm

r2——第一錐面最大回轉(zhuǎn)半徑，mm

c2——第一錐面母線長度，mm

r3——鎮(zhèn)壓部件最大回轉(zhuǎn)半徑，mm

c3——第二錐面母線長度，mm

根據(jù)文獻[13]，本文的鎮(zhèn)壓部件具體參數(shù)為：r1=90 mm，c1=218 mm，r2=178 mm，c2=132 mm，r3=379 mm，c3=240 mm。將已知參數(shù)代入式(29)可得鎮(zhèn)壓部件與土壤的接觸面積F=0.15 m2。整機重力G=4 432 N，根據(jù)文獻[13-14]可知，滿足筑埂作業(yè)條件的土壤黏結(jié)力范圍為4.86～15.5 kPa，求得最大附著力取土壤黏結(jié)力最大值為15.5 kPa，將所得到的數(shù)值代入式(28)中可得到土壤對鎮(zhèn)壓部件的附著力Pφ=6 757 N。

根據(jù)文獻[15-16]可知，旋耕部件在旋耕深度為150～200 mm時，每把旋耕刀受到的土壤最大阻力約為510 N，本文的旋耕部件在進行原地起埂作業(yè)時，旋耕深度在150～200 mm之間可調(diào)，并且由圖8可知，同一時刻入土的旋耕刀最多為2把，因此可以推算出旋耕部件受到的土壤阻力Pα=1 020 N。通過測量得到L1=400 mm，L2=950 mm，將已知參數(shù)代入式(26)可得到鎖銷受到的最大阻力為18 470 N。

由于自動鎖定裝置受到的全部阻力都作用在鎖銷上，鎖銷受到的阻力即為自動鎖定裝置中卡板的剪力，存在2個剪面。由強度條件可知，鎖銷受到的剪力τ應(yīng)小于所選擇材料的許用剪力，即

(30)

式中i′——鎖銷受剪面的數(shù)目，個

d——鎖銷受剪面直徑，mm

將其轉(zhuǎn)換可得鎖銷直徑應(yīng)滿足

(31)

選擇鎖銷的材料為45號鋼，通過查閱資料得到[τ]=178 MPa，將其代入式(31)可得鎖銷直徑d≥8.12 mm，為了安全及可靠性，本文選擇鎖銷直徑為10 mm。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

電動推桿按照所求得的理想曲線進行運動是鏈傳動箱實現(xiàn)勻速穩(wěn)定回轉(zhuǎn)的前提，因此需對回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置的控制系統(tǒng)進行設(shè)計。回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置控制系統(tǒng)采用模塊化理念[17]進行設(shè)計，包括單片機主控制模塊、電源模塊、位置采集模塊以及執(zhí)行模塊，其中執(zhí)行模塊包括轉(zhuǎn)向控制和鎖定裝置控制，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖9a所示，系統(tǒng)控制原理框圖如圖9b所示。

控制系統(tǒng)硬件主要包括STC89C52RC單片機、42步進電機驅(qū)動器、86步進電機驅(qū)動器、機械限位開關(guān)和HC-05嵌入式藍牙串口通信模塊。該控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)功能：通過手機一鍵控制回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置執(zhí)行兩種轉(zhuǎn)向模式；轉(zhuǎn)向過程中對手機實時反饋轉(zhuǎn)向過程信息。其遙控轉(zhuǎn)向功能通過人機交互模塊、單片機主控制模塊和執(zhí)行模塊聯(lián)合實現(xiàn)，轉(zhuǎn)向過程信息反饋功能通過人機交互模塊和位置采集模塊聯(lián)合實現(xiàn)。

4.2 軟件設(shè)計

回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置控制系統(tǒng)軟件包括控制執(zhí)行部件的STC89C52RC單片機程序和藍牙無線通信APP程序，如圖10所示。

其中，“Key_1”、“Key_2” 、“Turn”、“Virkey”和 “String”分別為前行工作鎖機械限位開關(guān)、倒行工作鎖機械限位開關(guān)、轉(zhuǎn)向控制、藍牙無線串口通信APP虛擬控制按鍵和字符串選擇所對應(yīng)的判斷性標(biāo)志變量。“Dirmotor_1”、“Dirmotor_2”和“Dirmotor_3”分別為前行工作鎖、倒行工作鎖和電動推桿的步進電機轉(zhuǎn)向執(zhí)行性標(biāo)志變量。在藍牙無線通信APP中按下兩個轉(zhuǎn)向模式的虛擬按鍵會分別對“Turn”進行不同賦值，并通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機根據(jù)識別接收的數(shù)據(jù)選擇不同的工作模式，從而下達一系列后續(xù)指令，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制?！癝tring”設(shè)置11個16進制數(shù)據(jù)，對應(yīng)11條中文字符串，單片機對“String”進行賦值，也通過藍牙將數(shù)據(jù)傳輸給藍牙無線通信APP，進行數(shù)據(jù)識別將對應(yīng)的中文字符串顯示在反饋窗口，實現(xiàn)執(zhí)行進度反饋功能。

傳統(tǒng)上位機多為計算機端，由于本文研究機具作業(yè)環(huán)境特殊，為方便操作者遠程控制和獲取轉(zhuǎn)向過程信息，故上位機采用安卓手機端，并為其設(shè)計一款藍牙無線通信軟件。為了實現(xiàn)控制系統(tǒng)的無線傳輸，安卓手機作為顯示和控制終端，需建立HC-05嵌入式藍牙串口通信模塊與安卓手機間穩(wěn)定的通信路徑。利用易安卓開發(fā)平臺自主設(shè)計開發(fā)適用于安卓系統(tǒng)的手機藍牙無線通信APP，可實時接收與發(fā)送數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置的控制與接收信息反饋。APP界面及部分程序代碼如圖11所示。

5 性能試驗與結(jié)果分析

5.1 回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)性能試驗

為檢測水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置的性能，進行了回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)性能試驗，通過對比鏈傳動箱回轉(zhuǎn)角隨時間變化情況與所設(shè)計理論值之間的誤差，分析回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制精度，探究回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性。試驗地點為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)牧機械實驗室，試驗裝置為水田雙向修筑埂機。試驗前，通過拖拉機后置三點懸掛裝置將水田雙向修筑埂機懸提至支撐架與地面平行的位置，并將作業(yè)部件調(diào)整到前行作業(yè)狀態(tài)，保證室內(nèi)光照充足，試驗機具如圖12所示。

由于回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程中，支撐架相對于鏈傳動箱固定不動，因此以支撐架作為參考，對鏈傳動箱回轉(zhuǎn)中心與滾子中心進行標(biāo)記，標(biāo)定這兩點連成的直線與支撐架的夾角φ為鏈傳動箱回轉(zhuǎn)角，初始鎖定狀態(tài)時φ=0°，具體標(biāo)記位置如圖13所示。

利用均方誤差作為評價指標(biāo)，將試驗所得到的鏈傳動箱回轉(zhuǎn)角隨時間的變化曲線與理論設(shè)計得到的曲線進行對比，衡量回轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)的控制精度。

試驗時，將HDR-CX450型數(shù)碼攝像機固定在機具回轉(zhuǎn)中心的正下方，對機具在一個周期內(nèi)的回轉(zhuǎn)過程進行拍攝，作業(yè)機具完成從前行至倒行作業(yè)方式切換的回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程如圖14所示。

測量時，將拍攝的視頻導(dǎo)出并進行時間分割處理，每間隔0.2 s測量1次鏈傳動箱相對于支撐架的回轉(zhuǎn)角度，共記錄1個回轉(zhuǎn)周期(即20 s)，觀察回轉(zhuǎn)過程鏈傳動箱回轉(zhuǎn)角φ隨時間的變化情況，將記錄的試驗結(jié)果與理論值進行對比，如圖15所示。

分別計算勻加速階段、勻速階段和勻減速階段鏈傳動箱隨時間變化的角度與相對應(yīng)的理論值之間的均方誤差分別為0.06、1.23、0.09(°)2，整個回轉(zhuǎn)周期的均方誤差為1.01(°)2。其中，勻加速階段與勻減速階段均方誤差較小，說明回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對勻加速階段與勻減速階段的控制精度較高；連桿與支撐架之間由銷進行鉸連接，裝配精度較低，勻速階段鏈傳動箱在回轉(zhuǎn)至90°時，對應(yīng)的電動推桿伸長速度最慢，連桿前端鉸連點處受力最大，電動推桿伸長的長度被裝配間隙抵消，會產(chǎn)生短暫停頓，由此導(dǎo)致該階段均方誤差相對較大，回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)對勻速階段的控制精度降低?？傮w而言，與利用液壓缸控制回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程相比，本設(shè)計回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)過程較為穩(wěn)定，與回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)所設(shè)定的運動情況基本吻合，回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)有較高的控制精度。

5.2 田間筑埂性能試驗

為檢測水田雙向修筑埂機筑埂性能，于2019年10月25日在黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)農(nóng)學(xué)院試驗田進行田間作業(yè)性能試驗。田間環(huán)境溫度15℃，環(huán)境濕度46%，風(fēng)力3～4級，田間試驗所選地塊土壤類型為黑土，土壤堅實度120～160 kPa，土壤含水率22%～26%，配套驅(qū)動機具為東方紅904型拖拉機。試驗時，根據(jù)原地起埂作業(yè)要求調(diào)節(jié)旋耕部件作業(yè)深度至200 mm，以確保作業(yè)所需集土量，分別以前行與倒行兩種作業(yè)方式進行筑埂作業(yè)，保證機具每次有效作業(yè)距離為15 m以上，作業(yè)效果如圖16所示。

筑埂6 h后，對田埂埂頂及兩側(cè)堅實度[11,18-21]進行測量，試驗檢測結(jié)果如表1所示，所修筑田埂的埂頂與埂兩側(cè)堅實度為1 180、2 050 kPa，作業(yè)過程中，回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置鎖定牢靠，能夠進行正常作業(yè)，不影響田埂修筑質(zhì)量。

表1 田間筑埂作業(yè)檢測結(jié)果Tab.1 Test results of field ridge construction

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)水田雙向修筑埂機旋耕和鎮(zhèn)壓部件的180°水平勻速穩(wěn)定回轉(zhuǎn)及自動鎖定。

(2)對回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置進行運動學(xué)與動力學(xué)分析，得到回轉(zhuǎn)過程的角加速度為0.038～0.154 rad/s2、電動推桿電動機的額定輸出扭矩為1.64～6.71 N·m;對電動推桿的運動速度進行求解，獲得電動推桿伸長速度隨轉(zhuǎn)向時間的變化曲線，并完成回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的設(shè)計;對自動鎖定裝置進行受力求解，得到鎖銷受到的最大阻力為18 470 N，確定鎖銷直徑為10 mm。

(3)進行了回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置的性能試驗，由室內(nèi)回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)性能試驗可知，回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)自動鎖定裝置回轉(zhuǎn)效率高，且回轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)，運動狀態(tài)與控制系統(tǒng)所設(shè)定的運動情況基本吻合，均方誤差分別為：勻加速階段0.06(°)2、勻速階段1.23(°)2、勻減速階段0.09(°)2、整個回轉(zhuǎn)周期1.01(°)2，回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制精度較高。由田間筑埂性能試驗可知：在前行與倒行兩種作業(yè)狀態(tài)下，鎖定裝置鎖定牢靠；所修筑田埂的埂頂與埂兩側(cè)的堅實度為1 180、2 050 kPa，滿足筑埂農(nóng)藝要求，不影響正常筑埂作業(yè)。