夏鼎寬，鄧干然，何馮光，鄭爽，李玲，覃雙眉

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢市，430070； 2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東湛江，524091；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，廣東湛江，524091)

0 引言

木薯是我國南部地區(qū)在20世紀(jì)八九十年代引進種植的一種經(jīng)濟作物，加之南方丘陵地貌及配套農(nóng)藝設(shè)施尚不完善，其生產(chǎn)收獲等農(nóng)機裝備的相關(guān)研究就相對較少，尤其是與木薯莖稈收獲處理相關(guān)的農(nóng)機裝備。目前木薯生產(chǎn)作業(yè)需要滿足更高生產(chǎn)作業(yè)需求，而現(xiàn)有木薯莖稈粉碎還田機作業(yè)效率依然有待提高，無法有效地解決各種內(nèi)外因素影響作業(yè)質(zhì)量的問題。

目前國內(nèi)外尚無木薯莖稈粉碎機刀片離地間隙監(jiān)控研究有關(guān)報道，但其他農(nóng)機領(lǐng)域監(jiān)控技術(shù)研究成果對本文的研究具有重要借鑒意義。國內(nèi)魯植雄等[1]提出一種模糊控制耕深系統(tǒng)，可將采集到的耕深信息與目標(biāo)耕深對比，經(jīng)由控制器控制液壓執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)噴桿自動調(diào)節(jié)。陳魁[2]針對山地丘陵地區(qū)研制了一種果園自動噴霧機，該噴霧機采用超聲波測距方式探測噴頭與果樹的距離，它的執(zhí)行機構(gòu)可根據(jù)距離信息自動調(diào)整噴頭姿態(tài)實現(xiàn)自動噴霧。徐寒斌[3]研制出一種用于深耕農(nóng)機的牽引力調(diào)節(jié)裝置。正常工作時，深耕農(nóng)機以額定功率工作，當(dāng)深耕農(nóng)機不能滿足其作業(yè)要求時，可根據(jù)不同的地理環(huán)境設(shè)置不同的作業(yè)距離參數(shù)進行自動調(diào)控。國外Lee等[4]設(shè)計出一種農(nóng)用拖拉機前端裝載機等壓載網(wǎng)絡(luò)電子間隙自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)裝載機鏟斗角度和角速度的變化實時測量，并自動調(diào)整裝載機鏟斗相對地面的間隙。Mouazen和Anthonis等[5-6]設(shè)計了一種用于土壤壓實度在線測量的深土機深度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用擺輪與位移傳感器結(jié)合使用，用于反映耕深變化，該系統(tǒng)可在較高的車速下保持系統(tǒng)性能的穩(wěn)定性。

本文綜合考慮木薯莖稈粉碎還田機作業(yè)要求和農(nóng)藝要求，設(shè)計一種適用于4JMW-20型仿壟形木薯莖稈粉碎還田機的仿形檢測機構(gòu)和液壓升降控制系統(tǒng)。利用SolidWorks軟件建立木薯莖稈粉碎還田機壟面作業(yè)三維模型，并利用ADAMS軟件對三維模型進行運動仿真分析，以探究仿形檢測機構(gòu)設(shè)計的合理性和仿形效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本測試系統(tǒng)預(yù)安裝在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所研制的4JMW-20仿壟形木薯莖稈粉碎還田機上。如圖1所示，仿形檢測機構(gòu)安裝在木薯莖稈粉碎還田機前梁位置，采用鉸接方式連接，同時仿形支桿上連接了仿形預(yù)緊彈簧桿，它能夠?qū)Ψ滦螜z測機構(gòu)高、低位置改變及時做出位移補償，同時起到減震緩沖作用，也為姿態(tài)傳感器提供了可靠的檢測環(huán)境。在木薯莖稈粉碎還田機地輪支撐處加裝了液壓缸，可對木薯莖稈粉碎還田機粉碎刀片離地間隙進行控制。為保證測量精度,盡可能降低振動對姿態(tài)傳感器的影響,在傳感器底部加裝減振墊片[7]。

圖1 仿形檢測機構(gòu)安裝示意圖Fig. 1 Installation diagram of profiling detection mechanism1.減震墊片 2.姿態(tài)傳感器 3.仿形預(yù)緊彈簧桿4.粉碎刀 5.地輪 6.液壓缸

木薯莖稈粉碎還田機作業(yè)時，仿形檢測機構(gòu)會根據(jù)壟面高低不平進行仿形[8]，控制器將姿態(tài)傳感器實時測得的數(shù)據(jù)進行處理后發(fā)出相應(yīng)控制信號，信號經(jīng)由繼電器發(fā)送到電磁閥后會控制液壓缸實現(xiàn)伸縮動作來實現(xiàn)粉碎刀片離地間隙控制。

1.2 控制原理

控制系統(tǒng)(見圖2)主要由控制器、姿態(tài)傳感器、仿形檢測機構(gòu)、液壓執(zhí)行系統(tǒng)等組成[9]?？刂破髯鳛榭刂葡到y(tǒng)的核心，采用以STM32F103ZET6芯片為核心的單片機核心系統(tǒng)；姿態(tài)傳感器采用MPU6050六軸傳感器，它將角速度、加速度進行轉(zhuǎn)換后經(jīng)過數(shù)學(xué)計算可得到角度信息；姿態(tài)傳感器安裝固定于仿形檢測機構(gòu)之上，負(fù)責(zé)檢測仿形檢測機構(gòu)姿態(tài)信息?？刂破鲗㈦妷盒盘柊l(fā)送給繼電器，進一步驅(qū)動電磁換向閥實現(xiàn)液壓油的換向和通斷。由于拖拉機蓄電池電壓為12 V，尚不能滿足控制系統(tǒng)需求，因此需要設(shè)計電源轉(zhuǎn)換電路，將12 V轉(zhuǎn)換為5 V、24 V，用于控制系統(tǒng)的不同環(huán)節(jié)當(dāng)中。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig. 2 System overall structure block diagram

2 仿形檢測機構(gòu)設(shè)計

2.1 仿形檢測機構(gòu)靜力學(xué)分析

為簡化分析，對仿形檢測機構(gòu)在工作狀態(tài)下進行如圖3所示的等效受力分析。

圖3 仿形檢測機構(gòu)受力示意圖Fig. 3 Schematic diagram of force of profilingdetection mechanism

由圖3可得，其受力平衡方程

FaLa+FNLcosθ+FfLsinθ=FGLG

(1)

(2)

(3)

將

代入式(1)中，得地面對仿形輪的作用力

(4)

式中：Fa——仿形預(yù)緊彈簧桿拉力,N；

FN——地面對仿形輪上的正壓力,N；

Fo——機架對仿形架的拉力,N；

FL——機架對仿形架的反向拉力,N；

Ff——仿形輪所受滾動阻力,N；

μ——滾動阻力系數(shù)；

FG——仿形檢測機構(gòu)重力,N；

F——地面對仿形輪的作用力,N；

L——仿形支桿長度,mm；

La——仿形檢測機構(gòu)拉力對O點力臂,mm；

LG——仿形檢測機構(gòu)重力對O點力臂,mm；

θ——牽引角，(°)。

由式(1)可知，地表對仿形輪的作用力F相對牽引角θ對仿形預(yù)緊彈簧桿拉力Fa的影響更大，即F越大，F(xiàn)a越小。由式(4)可知，地表對仿形輪的作用力F主要與仿形檢測機構(gòu)的重力FG、仿形支桿長度L、牽引角θ有關(guān)。在仿形檢測機構(gòu)重力FG、仿形檢測機構(gòu)重力對O點力臂La、仿形支桿長度L不變情況下，為使仿形檢測機構(gòu)作業(yè)平穩(wěn)，地表對仿形輪的作用力F變化范圍越小越好，仿形預(yù)緊彈簧桿拉力Fa與牽引角θ變化范圍也應(yīng)越小越好[10]。

2.2 仿形檢測機構(gòu)尺寸設(shè)計

2.2.1 仿形方式選擇

仿形檢測機構(gòu)的位置根據(jù)木薯莖稈粉碎還田機粉碎刀片的相對位置可安裝在前位、后位、側(cè)位三個不同位置，同時也對應(yīng)了三種不同的仿形方式。本課題在結(jié)合壟面農(nóng)藝要求和粉碎還田機工作要求，選擇前位仿形方式。

2.2.2 仿形支桿尺寸設(shè)計

根據(jù)壟面農(nóng)藝要求，木薯寬窄雙行起壟種植栽培模式要求起梯形壟高250～300 mm[11]。因為由于如雨水沖刷、人為誤踩等外部條件變化，部分壟面出現(xiàn)不同程度的損壞，嚴(yán)重的甚至?xí)霈F(xiàn)壟面與壟溝持平，即壟面消失。所以經(jīng)過各方面綜合考慮，選定仿形檢測機構(gòu)仿形總量范圍h0=250～300 mm。由圖4可知，仿形總量

h=L[sin(α-θ)+sin(β+θ)]

(5)

式中：α——仿形機構(gòu)上仿形角，(°)；

β——仿形機構(gòu)下仿形角，(°)；

h——仿形機構(gòu)總仿形量，mm；

θ——牽引角，(°)。

圖4 仿形量示意圖Fig. 4 Schematic diagram of profiling amount

由式(4)和式(5)分析可知，仿形檢測機構(gòu)的仿形支桿長度L越長，牽引角θ變化角度就越小，則地表對仿形輪的作用力F的變化范圍就越小，仿形檢測機構(gòu)作業(yè)也越穩(wěn)定，但仿形檢測機構(gòu)的仿形支桿長度如果過長，會在作業(yè)時觸及到旋轉(zhuǎn)的粉碎刀，同時對粉碎刀和仿形檢測機構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p傷。因此應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計仿形檢測機構(gòu)的仿形支桿長度，以保證仿形檢測機構(gòu)的作業(yè)穩(wěn)定性。

通過查閱大量的資料文獻可知，相同作業(yè)效果的仿形檢測機構(gòu)的牽引角θ范圍為0°～15°，仿形檢測機構(gòu)上仿形角α范圍為15°～35°，仿形檢測機構(gòu)下仿形角β范圍為36°～52°[12-15]。

為了滿足木薯莖稈粉碎還田作業(yè)要求和壟面農(nóng)藝要求，同時參照國內(nèi)外播種機機型，依據(jù)本課題中的木薯莖稈粉碎還田機特點，設(shè)計選定仿形檢測機構(gòu)上仿形角α為35°，下仿形角β為52°，初始工作角θ0為10°，仿形機構(gòu)總仿形量h為300 mm。由式(5)可得仿形支桿長度

(6)

由式(6)可得，L=229.79 mm，取L=230 mm。經(jīng)過實際驗證，該長度能同時滿足仿形檢測機構(gòu)作業(yè)要求和壟面農(nóng)藝要求。

2.2.3 仿形輪尺寸設(shè)計

根據(jù)木薯種植的壟面農(nóng)藝要求(見表1)來進行仿形的尺寸設(shè)計。由表1可知木薯種植壟面的壟高、壟寬、寬行株距、窄行株距[16]。根據(jù)壟面地表變化情況可知，木薯仿形檢測機構(gòu)的仿形總量為250～300 mm，其中上仿形量和下仿形量各為125～150 mm，選取仿形總量為300 mm，則上下仿形量為150 mm。

表1 木薯種植壟面農(nóng)藝要求Tab. 1 Agronomic requirements for ridged surface ofcassava planting

由于壟面變化高低最低與壟溝持平即0 cm，最高為30 cm。所以分別取仿形輪最高與最低兩個極限位置進行分析。仿形輪尺寸設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5 仿形輪尺寸設(shè)計示意圖Fig. 5 Schematic diagram of profile wheel dimension design

如圖5所示，H1為仿形檢測機構(gòu)仿形總量，即仿形輪最高位置點與最低位置點的輪距，H2為壟面最高高度。由上述分析可得H1=H2=300 mm，又因為木薯仿形檢測機構(gòu)上仿形量與下仿形量相等。所以仿形輪直徑

(7)

由式(7)計算可得仿形輪直徑為R=150 mm。

2.2.4 仿形預(yù)緊彈簧桿設(shè)計

由仿形支桿尺寸設(shè)計可得L=230 mm，且仿形支桿中心點到機架鉸接點的距離為115 mm。仿形預(yù)緊彈簧桿總長度應(yīng)不小于115 mm，由于仿形預(yù)緊彈簧桿兩端分別連接機架和仿形支桿，同時具有可伸縮功能，因此根據(jù)實際情況選取仿形預(yù)彈簧桿長度為l=160 mm，直徑為φ=20 mm，可滿足與機架和仿形支桿的連接要求。根據(jù)仿形預(yù)緊彈簧桿長度l和直徑φ可得到彈簧內(nèi)徑D1≥20 mm,外徑D2≤30 mm，彈簧自由高度H0=80～100 mm。

通過查閱資料和上述分析計算，仿形預(yù)緊彈簧類型選擇圓柱螺旋拉伸彈簧，材質(zhì)選擇Ⅲ類碳素彈簧鋼絲，材料直徑為d=4 mm、彈簧內(nèi)徑D1=20 mm、彈簧外徑D2=28 mm、自由高度H0=98 mm、有效圈數(shù)n=12。彈簧剛度

(8)

式中：P′——彈簧剛度，N/mm；

G——常溫切變模量，GPa；

d——材料直徑，mm；

D——彈簧中徑，mm；

n——有效圈數(shù)，圈。

C——旋繞比，mm。

彈簧中徑

D=D1+d

(9)

旋繞比

(10)

經(jīng)查表可得，切變模量G=79 GPa=79 000 MPa，由式(9)可得，彈簧中徑D=24 mm；由式(10)可得，旋繞比C=6，由式(8)可得，彈簧剛度P′=15.2 N/mm滿足仿形預(yù)緊彈簧設(shè)計要求。

3 液壓升降控制系統(tǒng)設(shè)計

液壓升降控制系統(tǒng)原理圖如圖6所示，該液壓控制系統(tǒng)由液壓油缸、電磁換向閥、溢流閥、齒輪泵、過濾器、液壓油箱幾個部分組成。當(dāng)粉碎刀片離地間隙處于過小或過大狀態(tài)時，此時液壓油缸分別進行無桿腔進油和有桿腔進油，活塞桿實現(xiàn)伸縮動作，使粉碎刀片離地間隙回到正常粉碎間隙范圍內(nèi)，進而滿足木薯莖稈粉碎要求。

正常工作條件下粉碎刀片離地間隙液壓控制原理如下。

1) 當(dāng)實際粉碎刀片離地間隙小于設(shè)定粉碎刀片離地間隙范圍時，電磁換向閥處于右位，液壓油缸無桿腔進油，液壓缸活塞桿伸長，碎刀片離地間隙增加，調(diào)控到設(shè)定離地間隙范圍內(nèi)。

2) 當(dāng)實際粉碎刀片離地間隙滿足設(shè)定范圍要求時，電磁換向閥處于中位，液壓油缸無動作，粉碎刀片離地間隙滿足設(shè)定范圍要求。

3) 當(dāng)實際粉碎刀片離地間隙大于設(shè)定粉碎刀片離地間隙范圍時，電磁換向閥處于左位，液壓油缸有桿腔進油，液壓缸活塞桿收縮，粉碎刀片離地間隙減小，調(diào)控到設(shè)定離地間隙范圍內(nèi)。

圖6 液壓控制系統(tǒng)原理圖Fig. 6 Schematic diagram of hydraulic control system1.液壓油缸 2.電磁換向閥 3.溢流閥4.齒輪泵 5.過濾器 6.液壓油箱

4 仿真分析

4.1 模型建立

為了驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，將在SolidWorks中建立的三維模型輸出為Parasolid格式文件，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中進行運動仿真。導(dǎo)入后的仿形檢測機構(gòu)壟面三維模型如圖7所示，其中模型壟面高度設(shè)置為300 mm，長度為5 000 mm。

圖7 導(dǎo)入后的仿形檢測機構(gòu)壟面三維模型Fig. 7 3D model of ridge surface of profilingdetection mechanism after import

1) 添加約束：對導(dǎo)入ADAMS軟件的模型各部件名稱進行重命名、材料屬性定義、添加約束[17-18]，部分部件約束方式如表2所示。

表2 約束方式Tab. 2 Restraint

2) 添加驅(qū)動：在粉碎軸處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，粉碎刀片旋轉(zhuǎn)；在前梁處添加移動驅(qū)動，實驗樣機正常作業(yè)速度為5 km/h，設(shè)置移動副函數(shù)為1.2 m/s。

3) 添加載荷：ADAMS/View中的載荷包括內(nèi)部載荷、外部載荷和特殊載荷等，根據(jù)不同類型選擇相應(yīng)的載荷形式。仿形檢測機構(gòu)在工作過程中所受到的力有：仿形輪與壟面之間產(chǎn)生的接觸力和摩擦力、仿形預(yù)緊彈簧與仿形支桿和前梁架之間的彈力、仿形支桿與前梁架之間的接觸力等[19-20]。仿形預(yù)緊彈簧自由長度為98 mm，最大壓縮量為50 mm，設(shè)定彈簧剛度系數(shù)為1，阻尼系數(shù)為默認(rèn)值，預(yù)載荷為45 N。

圖8 約束、驅(qū)動、載荷的添加Fig. 8 Addition of constraints, drives and loads

4.2 仿真結(jié)果分析

仿形輪和粉碎刀片的豎直方向位移軌跡能否達到壟面農(nóng)藝要求，是判斷仿形檢測機構(gòu)設(shè)計是否合理的重要依據(jù)。根據(jù)仿真后處理參數(shù)曲線圖，可分析粉碎刀片、仿形輪關(guān)鍵點處運動軌跡。仿形輪仿形軌跡參數(shù)曲線如圖9所示。由圖9仿形輪仿形軌跡曲線圖可以看出，仿形檢測機構(gòu)仿形范圍為375～500 mm，即仿形量為125 mm小于最大仿形量150 mm，仿形范圍滿足設(shè)定要求。仿形輪位移軌跡符合壟面起伏狀況，即仿形檢測機構(gòu)可以根據(jù)起伏的壟面實現(xiàn)自動仿形，仿形檢測機構(gòu)設(shè)計合理。

粉碎刀位移軌跡曲線如圖10所示。

由圖10粉碎刀片的位移軌跡曲線圖可以看出，仿形檢測機構(gòu)在壟面正常仿形時，粉碎刀片粉碎過程中的位移變化范圍T0為0～500 mm，由于粉碎刀片做圓周運動，所以粉碎刀片距旋轉(zhuǎn)軸的位移變化范圍R0為0～250 mm；取R0=250 mm，仿真坐標(biāo)系原點距粉碎刀片旋轉(zhuǎn)軸距離L2為278 mm，壟面設(shè)計高度m為300 mm。根據(jù)粉碎刀片距旋轉(zhuǎn)軸的位移變化范圍可知，在粉碎過程中粉碎刀片距壟面實際距離

L0=R0+L2-m

(11)

求解可得L0=228 mm，粉碎刀片在仿形作業(yè)過程中與壟面未發(fā)生觸碰。同時結(jié)合壟面農(nóng)藝和粉碎要求，粉碎刀片距壟面距離介于200～300 mm時粉碎效果最優(yōu)，所以仿形檢測機構(gòu)在壟面正常仿形時，粉碎刀片可滿足在壟面農(nóng)藝要求下的粉碎要求。

圖9 仿形輪軌跡曲線圖Fig. 9 Profile wheel track curve

圖10 粉碎刀片軌跡曲線圖Fig. 10 Crushing blade track curve

5 結(jié)論

1) 本文對仿形檢測機構(gòu)進行了靜力學(xué)分析，得出影響仿形檢測機構(gòu)作業(yè)平穩(wěn)因素：地表對仿形輪的作用力F變化范圍越小越好，仿形預(yù)緊彈簧桿拉力與牽引角變化范圍也應(yīng)越小越好。

2) 對仿形檢測機構(gòu)及尺寸進行了設(shè)計。根據(jù)木薯莖稈粉碎還田機結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和壟面農(nóng)藝要求確定了仿形檢測機構(gòu)中仿形支桿、仿形輪尺寸，同時對仿形預(yù)緊彈簧進行了設(shè)計選型。

3) 使用ADAMS軟件建立了基于仿形檢測機構(gòu)的三維模型，分別對仿形檢測機構(gòu)和粉碎刀片其進行了運動仿真。仿真結(jié)果表明，在作業(yè)速度5 km/h下，設(shè)計的仿形檢測機構(gòu)在起伏的壟面上進行仿形作業(yè)時，仿形檢測機構(gòu)仿形范圍為375～500 mm，仿形量為125 mm，仿形輪位移軌跡符合壟面起伏狀況，仿形檢測機構(gòu)可在壟面正常仿形工作，仿形檢測機構(gòu)設(shè)計合理；在粉碎過程中粉碎刀片距壟面實際距離為228 mm，粉碎刀片可滿足在壟面農(nóng)藝要求下的粉碎要求。