白秋薇，簡 真，吳永烽，趙世卿，李光林

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715）

0 引 言

實現(xiàn)甘蔗全面全程機(jī)械化是提高甘蔗產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和農(nóng)民收益的主要措施之一，甘蔗實現(xiàn)機(jī)械化收割是甘蔗產(chǎn)業(yè)全程機(jī)械化過程中最為重要的環(huán)節(jié)[1]。中國甘蔗種植地主要分布在丘陵山區(qū)，土地不平整導(dǎo)致蔗壟高度起伏變化較大，目前甘蔗收割機(jī)的切割刀盤無法隨著蔗壟高度變化自動調(diào)節(jié)，導(dǎo)致甘蔗機(jī)收過程中有時留茬過高影響產(chǎn)量[2-3]，有時入土過深切割導(dǎo)致切割阻力和前進(jìn)阻力增加，不僅使割刀磨損加劇和能量浪費[4]，而且還易造成甘蔗宿根破損[5-8]影響來年發(fā)芽。如果收割機(jī)收割過程中刀盤能夠進(jìn)入壟土下一定深度進(jìn)行切割，且隨壟高變化自動調(diào)節(jié)，就能夠有效降低甘蔗破頭率、減少甘蔗浪費[9-11]。對刀盤切割深度進(jìn)行有效調(diào)節(jié)控制，自動控制切割深度，使其隨甘蔗地壟高度變化而變化，是目前甘蔗收割機(jī)自動化、智能化要解決的關(guān)鍵問題之一。

張亮等[12]設(shè)計利用擺臂式地形檢測裝置，根據(jù)擺臂角度檢測計算刀盤隨著蔗壟的高低變化，控制切割刀盤與地面保持一定的高度。鄒展曦等[13]利用超聲測距雷達(dá)測量甘蔗收割機(jī)刀盤刀片最前端位置及壟間地形變化，以控制刀盤切割高度。He 等[14]利用圖像識別技術(shù)為切割刀盤提供位置信息。Valter[15]設(shè)計一種倒殼形機(jī)構(gòu)與地面接觸，利用蔗壟高度變化觸碰電子開關(guān)電信號改變調(diào)節(jié)切割刀盤高度。Sam等[16]研究利用土壤電導(dǎo)率間接測定甘蔗收獲機(jī)的刀盤高度，但誤差較大。Page[17]設(shè)計了一種原型地面?zhèn)鞲衅鳎ㄟ^微波測量甘蔗壟高，進(jìn)而控制切割刀盤高度。Daenio等[18]采用位置傳感器與負(fù)荷傳感器檢測刀盤與地面的接觸情況以調(diào)節(jié)切割刀盤高度。上述研究分為機(jī)械裝置直接接觸測量壟高和傳感器間接測量壟高，但由于蔗地環(huán)境復(fù)雜，成熟甘蔗蔗葉掉落多，甘蔗倒伏嚴(yán)重，機(jī)器收割時灰塵干擾現(xiàn)象普遍，使得現(xiàn)有測量壟高方法誤差較大，較難準(zhǔn)確控制調(diào)節(jié)刀盤高度。

王增等[19]研究了收割機(jī)刀盤入土有蔗、入土無蔗、不入土切割甘蔗3種情況下切割器液壓系統(tǒng)的壓力，認(rèn)為入土切割對切割系統(tǒng)液壓壓力有顯著影響。麻芳蘭等[20-21]研究了收割機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、刀盤入土傾角和深度以及甘蔗密度等對切割壓力的影響。李凱華等[22]提出基于負(fù)載壓力閾值切深控制方案。陳遠(yuǎn)玲等[23-24]應(yīng)用AMEsim軟件建模仿真分析負(fù)載的變化并調(diào)節(jié)液壓升降系統(tǒng)臺架高度。但這種基于壓力反饋式控制刀盤高度的方法目前只進(jìn)行了仿真研究。鑒于以上分析，本文通過對甘蔗收割機(jī)現(xiàn)場收割時的切割壓力數(shù)據(jù)實地采集分析，進(jìn)一步研制模擬控制試驗裝置，研究壟高變化時刀盤入土切割深度自動調(diào)節(jié)控制情況。

1 刀盤高度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成與工作原理

刀盤入土切割深度調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示，主要由車身、升降系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，其中切割系統(tǒng)用于甘蔗的切割，升降系統(tǒng)用于刀盤的升降調(diào)節(jié)，液壓壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于采集刀盤切割過程中切割液壓馬達(dá)的壓力數(shù)據(jù)，收割機(jī)行進(jìn)速度由速度傳感器采集，控制系統(tǒng)根據(jù)液壓壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的刀盤切割過程中的壓力數(shù)據(jù)變化，按照制定的調(diào)節(jié)控制方案，自動控制刀盤的升降，達(dá)到刀盤在切割甘蔗過程中能夠根據(jù)壟高變化自動調(diào)節(jié)。為了使切割壓力和升降壓力互不干擾，切割系統(tǒng)和升降系統(tǒng)由獨立的液壓系統(tǒng)構(gòu)成，便于實現(xiàn)切割壓力數(shù)據(jù)的有效采集和可靠控制。車身用于搭載部分系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。切割刀盤升降自動調(diào)節(jié)裝置示意圖如圖2。

刀盤升降自動控制原理如圖3所示，液壓馬達(dá)帶動刀盤轉(zhuǎn)動對甘蔗進(jìn)行切割，主控制器根據(jù)切割液壓壓力傳感器采集的切割液壓壓力數(shù)據(jù)，判斷刀盤是否入土切割和入土切割深度，并控制電磁換向閥自動換向，改變液壓缸的運動方向，實現(xiàn)切割刀盤的自動升降。

1.2 液壓馬達(dá)壓力采集與切割深度自動控制系統(tǒng)

切割液壓馬達(dá)壓力采集與刀盤切割深度自動控制系統(tǒng)由主控單片機(jī)（STM32F070CBT6）、液壓壓力傳感器（CYYZ31型，20 MPa，精度0.1級）、光電編碼器（E6B2-CWZ6C）、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（AD7606）、電磁換向控制閥、液晶顯示模塊等構(gòu)成。

1.2.1 收割機(jī)切割刀盤液壓馬達(dá)壓力數(shù)據(jù)采集

試驗于廣西寧明縣明江鎮(zhèn)甘蔗地進(jìn)行（圖4），將研制的切割液壓馬達(dá)壓力數(shù)據(jù)采集裝置，安裝在廣西農(nóng)機(jī)研究院研制的4GZQ-260型甘蔗聯(lián)合收割機(jī)上，自動采集收割機(jī)對某一田塊收割過程中切割系統(tǒng)液壓壓力數(shù)據(jù)。其中4GZQ-260型甘蔗聯(lián)合收割機(jī)適應(yīng)行距大于等于1.2 m，損失率小于等于5%，宿根破頭率小于15%，切割液壓馬達(dá)壓力數(shù)據(jù)采集裝置液壓壓力傳感器采用防水型CYYZ31型壓力變送器，最大量程為20 MPa，精度為0.1級。試驗田塊采用雙行種植甘蔗，株距約0.5 m，行距約1.2 m，刀盤切割轉(zhuǎn)速為650 r/min，采用速度傳感器測量收割機(jī)前進(jìn)速度，土壤水份傳感器測量土壤含水率，液壓壓力傳感器測量切割刀盤液壓回路壓力數(shù)據(jù)，游標(biāo)卡尺測量甘蔗直徑、不入土切割留茬高度及入土收割切割深度，計算出甘蔗平均直徑、不入土收割平均留茬高度及入土收割最大切深。

實地進(jìn)行了3次切割壓力采集試驗，試驗1與試驗2在同一甘蔗種植基地進(jìn)行，試驗3在另一甘蔗種植基地進(jìn)行，采樣頻率為490 Hz，田間收割過程中人為控制收割機(jī)行駛速度及切割刀盤高度，使收割機(jī)既有入土切割、又有不入土切割，3次試驗測試數(shù)據(jù)如表1。

表1 田間試驗環(huán)境參數(shù)及切割壓力數(shù)據(jù)結(jié)果Table 1 Environmental parameters and cutting pressure data results in field test

從表1可以得出，收割機(jī)在同一行駛速度、刀盤轉(zhuǎn)速、土壤條件和甘蔗種植密度及物理特性條件下，刀盤空載平均壓力比不入土切割甘蔗時液壓回路平均壓力小0.8～1.41 MPa，減小了22.66%～36.91%；而刀盤入土切割甘蔗其液壓馬達(dá)液壓平均壓力比不入土切割甘蔗時的平均壓力大2.28～2.79 MPa，增大了62.64%～79.04%。因此刀盤入土切割甘蔗、不入土切割甘蔗、空載不切割甘蔗3種工況下，切割系統(tǒng)負(fù)載液壓壓力有較明顯不同。當(dāng)其他參數(shù)條件不變，收割機(jī)前進(jìn)速度改變，對刀盤切割回路液壓壓力影響較小。同一甘蔗種植基地入土切割深度增加，切割系統(tǒng)負(fù)載液壓壓力增加，這與土壤硬度有關(guān)，同一耕作方式、作物生長時期的土壤硬度隨土壤深度增加而增大，在土層0～20 cm隨土壤深度增加明顯且差異較大[25]，故導(dǎo)致切割阻力增大使得切割系統(tǒng)負(fù)載液壓壓力增加。因此在同一土壤條件和甘蔗性狀條件下，利用刀盤切割系統(tǒng)壓力變化判斷刀盤切割狀態(tài)、實現(xiàn)刀盤高度升降自動控制可行。

1.2.2 切割刀盤高度控制裝置主要結(jié)構(gòu)

1）刀盤切割與升降系統(tǒng)

刀盤升降裝置結(jié)構(gòu)如圖5a，液壓馬達(dá)帶動切割刀盤旋轉(zhuǎn)，其動力由圖2中三相異步電機(jī)提供，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速由調(diào)速閥調(diào)節(jié)。已有研究表明，切割刀盤刀片形狀和刀片數(shù)量影響刀盤的最佳轉(zhuǎn)速，最佳轉(zhuǎn)速在650～730 r/min之間[20,26]，本研究切割刀盤由4片矩形刀片構(gòu)成，設(shè)刀盤轉(zhuǎn)速為700 r/min；刀盤升降快慢通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)升降液壓系統(tǒng)的運動速度控制，設(shè)最大運動速度為0.60 m/s，其動力由圖2中單相異步電機(jī)提供；馬達(dá)帶動刀盤切割時的液壓壓力由液壓壓力傳感器測量。電磁換向閥控制液壓缸的動作方向，活塞桿帶動液壓馬達(dá)及切割刀盤一同上下移動。當(dāng)檢測到液壓馬達(dá)帶動刀盤入土切割甘蔗時的液壓壓力大于某一閾值時，刀盤向上移動，當(dāng)檢測到液壓馬達(dá)帶動刀盤入土切割甘蔗時的液壓壓力小于某一閾值時，刀盤向下移動。圖5b和圖5c為升降液壓系統(tǒng)和切割液壓系統(tǒng)原理圖。為了切割壓力的準(zhǔn)確采集和刀盤升降自動控制，刀盤升降液壓系統(tǒng)和切割液壓系統(tǒng)相互獨立，切割液壓與刀盤升降液壓互不影響。

2）切割刀盤

切割刀盤實物如圖6所示。已有研究表明刀盤傾角15°、刃角15°左右，有利于降低甘蔗破頭率，切割質(zhì)量較好[27-28]。為模擬研究甘蔗收割機(jī)切割刀盤升降控制，并參照4GZQ-260型甘蔗收割機(jī)切割刀盤，故設(shè)計切割刀盤前向傾角為15°，刀刃角為16°，刀長80 mm，刀厚4 mm，整體直徑280 mm。

3）控制系統(tǒng)設(shè)計

刀盤升降控制流程如圖7所示，通過對刀盤空載、不入土有蔗切割、一定的土壤和甘蔗性狀條件下入土有蔗基準(zhǔn)切割、入土有蔗切割深度增加時切割壓力變化進(jìn)行測量，測量試驗后預(yù)設(shè)切割深度基準(zhǔn)壓力的均值、最大值、最小值得到壓力值1、壓力值2、壓力值3的具體數(shù)值，制定刀盤在切割過程中的升降控制方案，其中單片機(jī)選型為STM32F070CBT6，采用C語言進(jìn)行程序編寫。

2 刀盤切割高度自動調(diào)節(jié)試驗

2.1 試驗條件與方法

為驗證刀盤切割高度自動調(diào)節(jié)裝置控制的可靠性，選取物理特性基本一致的黑皮甘蔗，切為40 cm長的小段，用夾具將小段甘蔗固定在長寬高分別為250、45、35 cm的土槽底部，土槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。土槽一端開始，按數(shù)字順序?qū)γ颗鸥收徇M(jìn)行編號，每排固定3節(jié)，相鄰距離約為8 cm，相鄰兩排距離約15 cm，甘蔗直徑3.3～3.7 cm，離土表高度約15 cm，保持土槽中土壤密度為1.65 g/cm3、土槽土層平均厚度為28 cm，土壤含水率為18.3%，土壤含水率和土壤密度通過人為控制并多點取樣測量得到，切割刀盤前進(jìn)速度通過設(shè)置電動推桿速度并利用速度傳感器測量，甘蔗平均直徑、不入土切割平均留茬高度及入土收割最大切深為切割甘蔗后采用游標(biāo)卡尺測量整理得到。室內(nèi)模擬試驗裝置如圖9所示。

2.1.1 切割液壓壓力試驗

甘蔗收割機(jī)前進(jìn)速度為0.4 m/s時砍蔗質(zhì)量最好，甘蔗破頭率低[29]，本試驗設(shè)刀盤前進(jìn)速度分別為0.25、0.40 m/s；刀盤轉(zhuǎn)速為700 r/min；設(shè)定液壓缸上升和下降速度分別為0.55、0.60 m/s，使刀盤升降速度略大于前進(jìn)速度；有研究表明，入土切割2～5 cm時有利于降低甘蔗的割茬損失和促進(jìn)第二年宿根的發(fā)芽率[30]，先采集刀盤空載不切割、不入土切割甘蔗時切割刀盤馬達(dá)液壓回路壓力，再將入土基準(zhǔn)切深分別設(shè)為3、5 cm切割甘蔗，采集切割刀盤馬達(dá)液壓回路壓力，采樣頻率為75 Hz。其數(shù)據(jù)整理如表2所示。

表2 土槽試驗環(huán)境參數(shù)及切割壓力數(shù)據(jù)結(jié)果Table 2 Environmental parameters and cutting pressure data results in soil trough test

從表2可看出，土槽試驗采集的刀盤空載不切割、不入土切割甘蔗、入土切割甘蔗的切割刀盤馬達(dá)液壓回路壓力與田間收割機(jī)作業(yè)時采集的壓力數(shù)據(jù)改變趨勢相同。空載時刀盤液壓馬達(dá)的壓力基本不隨刀盤前進(jìn)速度改變，平均壓力為0.99～1.02 MPa；不入土切割甘蔗其液壓馬達(dá)液壓回路壓力最大為2.08～2.22 MPa，隨刀盤前進(jìn)速度變化改變較?。坏侗P不入土切割甘蔗的平均液壓壓力比入土切割甘蔗的平均液壓壓力小。當(dāng)前進(jìn)速度為0.25 m/s，入土3、5 cm切割甘蔗時，平均壓力分別為3.72和4.54 MPa，比不入土切割甘蔗時大2.08和3.01 MPa；當(dāng)?shù)侗P入土3、5 cm切割甘蔗，前進(jìn)速度為0.40 m/s時，其平均壓力分別為3.85和4.61 MPa，比同一速度下不入土切割甘蔗時大2.03和2.92 MPa。切割液壓壓力隨入土切割深度增加的主要原因是刀盤入土切割深度增加而土壤阻力增加所致。其他條件不變，刀盤前進(jìn)速度改變，同一切割深度下，切割液壓馬達(dá)的液壓回路壓力改變較小，但入土切割深度增加，切割阻力發(fā)生明顯變化。

2.1.2 入土切割深度自動控制試驗

根據(jù)刀盤液壓回路壓力隨切割狀態(tài)變化規(guī)律，設(shè)計刀盤升降控制方案，隨壟高變化而入土切割深度實現(xiàn)有效控制。設(shè)計土槽中的土壤高度為從右到左緩慢抬升，最左邊比右端高10 cm（坡度約1/20，土壤含水率18.3%、密度1.65 g/cm3），模擬丘陵山區(qū)甘蔗地的不平整導(dǎo)致蔗壟高度的變化，研究刀盤不加裝和加裝控制裝置后切割高度控制效果。設(shè)入土基準(zhǔn)切深為3 cm，當(dāng)土壤物理性質(zhì)、甘蔗種植密度和物性特性不變時，刀盤在0.25、0.4 m/s兩種前進(jìn)速度下，同一條件下其3種切割狀態(tài)的液壓壓力數(shù)據(jù)變化較小，因此制定刀盤自動控制方案時的壓力臨界點設(shè)定一致，數(shù)據(jù)采集頻率75 Hz。根據(jù)表2中空載壓力、不入土收割壓力及入土3 cm收割甘蔗最大壓力，制定刀盤升降自動控制方案，如表3所示。

表3 切割刀盤升降自動控制方案Table 3 Automatic adjustment control scheme for cutter disk lifting and lowering

當(dāng)土壤物理性質(zhì)與甘蔗物料特性不變，切割前進(jìn)速度0.25、0.4 m/s，入土基準(zhǔn)切深設(shè)為3 cm，對刀盤加裝控制裝置與不加裝控制裝置，進(jìn)行2次重復(fù)試驗。

2.2 試驗結(jié)果與分析

將不同采樣點的切割深度和壓力值，以及2種前進(jìn)速度下加裝刀盤控制裝置前后的切割深度和壓力變化進(jìn)行統(tǒng)計，如圖10所示。

由圖10可知，不加刀盤切深控制裝置時，隨著土壤表面高度抬升，刀盤入土切割深度增加，入土切割刀盤馬達(dá)液壓回路壓力增加，當(dāng)?shù)侗P以0.25 m/s速度前進(jìn)切割甘蔗時，刀盤入土切割深度由3 cm增加到10.6 cm，切割阻力由3.51 MPa增加到9.45 MPa；當(dāng)?shù)侗P以0.40 m/s速度前進(jìn)切割甘蔗時，刀盤入土切割深度由3 cm增加到11.6 cm，切割阻力由3.63 MPa增加到8.89 MPa。加裝刀盤切深控制裝置后，刀盤均保持在入土3 cm左右深度切割，當(dāng)?shù)侗P以0.25 m/s速度前進(jìn)切割甘蔗時，平均切深為3.21 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.26 cm，最大誤差0.7 cm；當(dāng)?shù)侗P以0.40 m/s速度前進(jìn)切割甘蔗時，平均切深為3.16 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.3 cm，最大誤差0.8 cm。刀盤升降調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)在進(jìn)行切割深度自動調(diào)節(jié)時存在控制誤差，其原因一是控制裝置運動過程振動，二是液壓壓力傳感器檢測與控制執(zhí)行的滯后，今后應(yīng)通過優(yōu)化硬件組成降低裝置振動和軟件方法來降低切割深度控制誤差。本次試驗過程中，最小入土切割深度為2.6 cm，且均保持為入土切割，符合《JB/T6275-2007甘蔗收獲機(jī)械試驗方法》中甘蔗割茬小于3 cm為合格切割的規(guī)定[31]。切割壓力數(shù)據(jù)采集裝置能夠?qū)崟r采集收割前進(jìn)速度和切割刀盤液壓壓力，基于切割壓力的切割刀盤高度自動調(diào)節(jié)裝置實現(xiàn)了隨蔗壟高度變化刀盤高度自動調(diào)節(jié)，并入土一定深度收割甘蔗。

研制的刀盤切割高度控制裝置和控制方法應(yīng)用到甘蔗收割機(jī)上時，蔗地基準(zhǔn)切割壓力數(shù)據(jù)的獲取是關(guān)鍵，它與蔗地土壤物理性質(zhì)、甘蔗種植密度和物料特性、以及收割機(jī)行進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，甘蔗地收割開始前采用切割壓力數(shù)據(jù)采集裝置獲取刀盤空載、不入土切割、入土不同深度收割甘蔗的壓力數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的控制方案。不同蔗地環(huán)境，可根據(jù)傳感器采集的土壤物理性質(zhì)、甘蔗種植密度和物料特性、收割機(jī)行進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速以及不同切割狀態(tài)下的壓力等數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，按照相同的控制策略制定不同的控制方案，對某一蔗地甘蔗收割時，利用人機(jī)交互界面植入或自動導(dǎo)出相應(yīng)的控制方案，進(jìn)行甘蔗收割過程中切割刀盤高度自動調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)入土一定深度收割甘蔗。

3 結(jié) 論

加裝刀盤切割深度自動控制裝置后，當(dāng)切割刀盤轉(zhuǎn)速700 r/min，前進(jìn)速度0.25 m/s，入土切割與預(yù)設(shè)入土切割深度的最大誤差為0.7 cm；當(dāng)切割刀盤轉(zhuǎn)速700 r/min，前進(jìn)速度為0.4 m/s，入土切割深度最大誤差為0.8 cm，實現(xiàn)了隨蔗隴高度變化，刀盤切割深度自動調(diào)節(jié)，保持刀盤入土一定深度切割，滿足甘蔗收割機(jī)割茬應(yīng)小于3 cm切割的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

研制的基于切割壓力的刀盤高度自動調(diào)節(jié)裝置，在實驗室進(jìn)行了試驗驗證，今后還需針對某一具體型號甘蔗收割機(jī)進(jìn)一步做野外田間試驗研究。