王金武,王釗英,于萬里,蔣永新,楊會(huì)民,張佳喜

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,烏魯木齊 830052;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院,烏魯木齊 8300091;3. 新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳,烏魯木齊 830001;4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部林果棉裝備科學(xué)觀測實(shí)驗(yàn)站,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】地膜覆蓋是一種農(nóng)業(yè)栽培技術(shù),由于聚乙烯材料不易分解,農(nóng)田使用后的地膜若不處理會(huì)長期保留田間[1-2]。目前的殘膜回收方式主要是以機(jī)械化收膜為主[3]。4JSM-2.1A棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)是一款集殘膜回收和棉秸稈粉碎還田為一體的棉田作業(yè)機(jī)具[4],其殘膜回收裝置為挑膜式,挑膜式機(jī)具為機(jī)械化收膜機(jī)具的代表之一,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于新疆地區(qū)的棉田作業(yè)[5]。4JSM-2.1A殘膜回收裝置的入土部件是松土齒,其功能是機(jī)具在挑起殘膜前先將覆蓋殘膜疏松地表,方便挑膜機(jī)構(gòu)將地表殘膜挑起并進(jìn)行下一步作業(yè)[6]。但是目前機(jī)具不具備對(duì)地仿形的功能,對(duì)于松軟土地,由于機(jī)身重力作用,機(jī)具的行走輪會(huì)下陷,導(dǎo)致松土齒的入土深度過深,而且機(jī)身在經(jīng)過凹凸地表時(shí)會(huì)發(fā)生明顯晃動(dòng),整機(jī)的穩(wěn)定性較差,需設(shè)計(jì)一套自動(dòng)仿形系統(tǒng)解決此問題。【前人研究進(jìn)展】針對(duì)殘膜回收機(jī)具無仿形功能,有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了研究[7]。王科杰等[8]設(shè)計(jì)了一種單組仿形摟膜機(jī)構(gòu),為了解決關(guān)鍵收膜部件摟膜彈齒無法對(duì)起伏不定的棉田地表進(jìn)行仿形,摟膜彈齒的摟膜量達(dá)不到預(yù)期,影響最終殘膜拾凈率的問題。羅威等[9]設(shè)計(jì)了一種單鉸接仿形機(jī)構(gòu),解決夾指鏈?zhǔn)綒埬せ厥諜C(jī)在起伏不定的棉田中無法保證夾指入土深度,且機(jī)具在工作中會(huì)出現(xiàn)顛簸現(xiàn)象等問題,以降低機(jī)具在殘膜回收作業(yè)中漏收的可能性?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】仿形地輪無論是經(jīng)過凸起地表和松軟地表,還是凹陷地表時(shí),都會(huì)出現(xiàn)輕微的彈跳現(xiàn)象,且不管是上仿形還是下仿形,對(duì)仿形地輪跳躍距離的主要影響因素是相同的。因此,需要在控制合適作業(yè)速度,盡可能的選取勁度系數(shù)較大的彈簧。針對(duì)面對(duì)松軟地形、凹凸不平地形時(shí)無仿形功能的問題,需研究設(shè)計(jì)一套機(jī)-電-液結(jié)合的自動(dòng)仿形系統(tǒng),并對(duì)其關(guān)鍵部件具體分析并進(jìn)行田間試驗(yàn)。【擬解決的關(guān)鍵問題】介紹自動(dòng)仿形系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理,分析關(guān)鍵部件仿形地輪在貼合地表工作時(shí)的上、下仿形運(yùn)動(dòng)進(jìn)行,并對(duì)仿形系統(tǒng)進(jìn)行田間試驗(yàn),為仿形系統(tǒng)性能的提升提供一定的參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1.1.1 殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)

4JSM-2.1A聯(lián)合作業(yè)機(jī)殘膜回收裝置主要由主牽引架、主傳動(dòng)系統(tǒng)、粉碎刀輥、邊膜鏟、行走舉升系統(tǒng)、松土齒、挑膜滾筒、液壓油缸、送膜輪裝置、集膜箱和拋送通道等部件構(gòu)成。圖1

注:1.主牽引架;2.主傳動(dòng)系統(tǒng);3.粉碎刀輥;4.邊膜鏟;5.行走舉升系統(tǒng);6.松土齒;7.挑膜滾筒;8.液壓油缸;9.送膜輪裝置;10.集膜箱;11.拋送通道.

1.1.1.2 殘膜回收裝置的工作原理

機(jī)具在作業(yè)時(shí),松土齒深入地表先將覆膜的地表進(jìn)行疏松,便于挑膜齒的挑膜工作;主傳動(dòng)軸通過拖拉機(jī)提供的動(dòng)力帶動(dòng)副傳動(dòng)系統(tǒng),挑膜滾筒快速旋轉(zhuǎn),挑膜齒將地上的殘膜挑起,隨后通過挑膜滾筒的高速轉(zhuǎn)動(dòng),挑起的殘膜被帶動(dòng)并送到送膜輪裝置入口處,最后殘膜被送膜輪刮下至集膜箱中,完成整個(gè)收膜工作[10]。

1.1.1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合新疆地區(qū)棉花種植模式[11],列出4JSM-2.1A棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)。表1

表1 主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 自動(dòng)仿形系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理

1.1.2.1 自動(dòng)仿形系統(tǒng)的構(gòu)成

此仿形系統(tǒng)主要是由地面仿形傳感機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)三大部分組成。其中地面仿形傳感機(jī)構(gòu)主要是由安裝架、彈簧、彈簧導(dǎo)桿、角度傳感器、軸承、連接桿、仿形架、六角螺栓、仿形地輪等機(jī)械部件構(gòu)成。其主要作用是采集地表起伏信息,將此信號(hào)發(fā)送至電控系統(tǒng),安裝于機(jī)架側(cè)面橫梁處。圖2

注:1.安裝架;2.彈簧;3.彈簧導(dǎo)桿;4.角度傳感器;5.軸承;6.連接桿;7.仿形架;8.六角螺栓;9.仿形地輪

電控系統(tǒng)的主線路所連接的電器部件主要有:控制器、控制面板、電源開關(guān)等其他電器元件。仿形ECU(電子控制單元)選用的是NUC130單片機(jī),其自身帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能和CAN總線功能,能夠及時(shí)對(duì)來自仿形傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,判斷仿形地輪所行走地面的起伏程度,并把判斷結(jié)果和最終指令發(fā)送到控制面板和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖3

圖3 電控系統(tǒng)組成

液壓控制系統(tǒng)主要由電磁比例閥塊、電磁閥插頭、液壓油缸和油管組成,通過電磁閥插頭與電控系統(tǒng)相連接。三大部分連接起來能夠完成從采集地表信息到液壓油缸做出仿形動(dòng)作整個(gè)過程。

1.1.2.2 自動(dòng)仿形系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)地面仿形傳感機(jī)構(gòu)的安裝高度位置和棉田地形的起伏程度,通過控制面板對(duì)初始角度值和角度最大允許波動(dòng)范圍值進(jìn)行設(shè)置。機(jī)具在工作時(shí),仿形地輪由于彈簧有一定的預(yù)壓縮量會(huì)緊貼地面,跟隨機(jī)具向前滾動(dòng),當(dāng)遇到松軟土地或凹凸不平的地表時(shí),仿形架會(huì)帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)連接桿帶動(dòng)另一側(cè)的角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng),角度傳感器與豎直方向的夾角相對(duì)會(huì)有一定變化,當(dāng)角度變化值超出設(shè)定好的范圍時(shí),角度傳感器會(huì)將采集到的角度變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量信號(hào)傳輸至電控系統(tǒng),電控系統(tǒng)中的仿形ECU通過算法將此模擬量轉(zhuǎn)化為命令信號(hào),隨后形成準(zhǔn)確的電壓變化信號(hào),通過電磁閥插頭將動(dòng)作命令傳輸給電磁比例閥,電磁比例閥控制液壓油缸做出相應(yīng)的仿形動(dòng)作。圖2,圖4

圖4 電控系統(tǒng)組成

1.1.3 地面仿形傳感機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)

棉花收獲后,殘留的地膜緊貼于地表,這就要求仿形地輪在滾動(dòng)的過程中緊貼地面,這樣才能對(duì)地精確仿形,以達(dá)到松土齒的入土深度可以始終保持一致。當(dāng)經(jīng)過凸起地表或松軟地表時(shí),仿形地輪相對(duì)于水平地面向上運(yùn)動(dòng),彈簧會(huì)被壓的更緊;當(dāng)經(jīng)過凹陷的地表時(shí),仿形地輪相對(duì)于水平地面向下運(yùn)動(dòng),彈簧會(huì)有所回彈,但在整個(gè)運(yùn)動(dòng)變化過程中,仿形地輪需一直緊壓地面,這樣松土齒才可以隨仿形地輪做同步上下運(yùn)動(dòng)。分析仿形地輪的運(yùn)動(dòng)(即分析松土齒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿形分析),同時(shí)對(duì)彈簧的伸縮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,目的是求取此地面仿形傳感機(jī)構(gòu)中彈簧的最小預(yù)壓縮量和最大壓縮量,以便選取合適規(guī)格的彈簧,并且選擇合適的預(yù)壓縮量以至仿形地輪能夠以至緊貼地面。

1.1.3.1 下仿形運(yùn)動(dòng)

當(dāng)機(jī)具在作業(yè)過程中突然遇到凹陷的地表時(shí),仿形地輪的運(yùn)動(dòng)方式從水平方向進(jìn)入下坡方向。當(dāng)仿形地輪滾動(dòng)經(jīng)過凹陷坡面起點(diǎn)A點(diǎn)后,由于物體運(yùn)動(dòng)的慣性作用,其會(huì)做一段簡短的平拋運(yùn)動(dòng),隨后由于彈簧的彈力和重力作用,仿形地輪又快速緊壓于下坡面B點(diǎn)繼續(xù)滾動(dòng)。圖5

圖5 仿形地輪下仿形運(yùn)動(dòng)模型

由于彈力作用,仿形地輪從A點(diǎn)做平拋運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過程中,角度會(huì)恢復(fù),當(dāng)達(dá)到液壓缸收縮臨界值時(shí),將彈簧力直接施加到仿形地輪上,豎直方向上則通過能量守恒定理可得:

(1)

式中,m為仿形地輪、仿形架、彈簧以及彈簧導(dǎo)管的質(zhì)量(kg);k為彈簧的勁度系數(shù)(N/m);g為重力加速度,g=9.8 m/s2;β為下坡斜面與水平方向上的夾角(°);vB為仿形地輪做平拋運(yùn)動(dòng)下落至坡面B點(diǎn)時(shí)豎直方向上的速度(m/s);l1為仿形地輪從A點(diǎn)跳躍至B點(diǎn)的跳躍距離(m)。

由于彈簧力和重力的作用,仿形地輪在離開A點(diǎn)的瞬間和到達(dá)B點(diǎn)的瞬間的加速度aA、aB分別為:

(2)

(3)

式中,h0為仿形地輪在水平滾動(dòng)時(shí)彈簧的預(yù)壓縮量,m;k為彈簧的勁度系數(shù)。

仿形地輪從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的時(shí)間t0為:

(4)

式中,vA為仿形地輪在A點(diǎn)處的水平速度,m/s。

若將仿形地輪做平拋運(yùn)動(dòng)瞬間(A點(diǎn))作為初始條件的話,則可以得到其落地瞬間(B點(diǎn))豎直方向上的速度vB為:

(5)

將式(5)代入式(1),可求出仿形地輪從A點(diǎn)到B點(diǎn)的跳躍距離l1的表達(dá)式為:

(6)

通過對(duì)跳躍距離l1表達(dá)式的分析可知,仿形地輪在進(jìn)行下仿形動(dòng)作時(shí),其跳躍距離l1與機(jī)具的作業(yè)速度成正比關(guān)系,即跳躍距離l1會(huì)隨著機(jī)具速度的增大而增大;同時(shí)跳躍距離與彈簧的預(yù)壓縮量和彈簧的勁度系數(shù)成反比關(guān)系,即跳躍距離會(huì)隨著彈簧的預(yù)壓縮量和勁度系數(shù)的增大而減小。

1.1.3.2 上仿形運(yùn)動(dòng)

將仿形地輪的上仿形運(yùn)動(dòng)模型的凸起面設(shè)為三角形,且當(dāng)仿形地輪經(jīng)過凸起頂端的時(shí)候,凸起頂端不會(huì)發(fā)生變形。仿形地輪從水平地表滾入凸起表面時(shí),處于上坡狀態(tài),受到的彈簧力增加,這樣可以保證其始終緊貼上坡表面。當(dāng)仿形地輪滾動(dòng)過凸起頂端C點(diǎn)時(shí),由于慣性作用,其會(huì)做斜拋運(yùn)動(dòng),在此過程中仿形地輪和凸起表面有短暫時(shí)刻會(huì)分離開來,隨后由于彈簧力和自身重力的作用其會(huì)迅速降落于另一側(cè)的下坡面D點(diǎn)處,最后緊貼下坡面滾入水平地表。在整個(gè)過程中,只有當(dāng)仿形地輪滾過凸起頂點(diǎn)C后,做斜拋運(yùn)動(dòng)的過程中沒有對(duì)地面仿形。圖6

l2為仿形地輪從C點(diǎn)彈跳至D點(diǎn)的跳躍距離。l2的大小直接影響此處仿形系統(tǒng)對(duì)地面凸起的仿形能力,若l2大,在斜拋過程中,相當(dāng)于仿形系統(tǒng)未對(duì)此處地面進(jìn)行仿形,松土齒的入土深度將保持與C點(diǎn)一致,直至仿形地輪落至D點(diǎn)處,才恢復(fù)仿形,將影響松土齒入土深度穩(wěn)定性,影響仿形質(zhì)量。要使跳躍距離l2盡可能的小。

當(dāng)仿形地輪到達(dá)凸起點(diǎn)C時(shí),可以假設(shè)運(yùn)動(dòng)至此處的仿形地輪豎直方向做直線運(yùn)動(dòng)。那么通過能量守恒定理,仿形地輪從凸起點(diǎn)C做斜拋運(yùn)動(dòng)到其落至D點(diǎn)的過程中,可以得到:

(7)

式中,l2為仿形地輪從C點(diǎn)彈跳至D點(diǎn)的跳躍距離(m);θ為下坡斜面與水平方向上的夾角(°);vC為仿形地輪在C點(diǎn)處豎直向上的速度(m/s)。

仿形地輪從C點(diǎn)做斜拋運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)所用的時(shí)間t1為:

(8)

式中,v為仿形地輪在C點(diǎn)處的水平速度,m/s。

仿形地輪在凸起點(diǎn)C點(diǎn)豎直向上的速度vC為:

vC=vtanγ.

(9)

式中,γ為上坡面與水平方向上的夾角(°)。

在彈簧力和重力的作用下,豎直方向上仿形地輪在凸起頂端C點(diǎn)的加速度aC及到達(dá)D點(diǎn)的加速度aD分別為:

(10)

(11)

式中,h1為C點(diǎn)距滾入上坡面前地面的高度(m)。

由于仿形地輪在離開凸起點(diǎn)C后在豎直方向上做變加速運(yùn)動(dòng),通過積分法可得出C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至D點(diǎn)的加速度a和豎直方向上的速度vD分別為:

a=ρt1+C1.

(12)

(13)

式中,ρ為仿形地輪加速度的變化率,m/s3;C1、C2為常數(shù)。

可以將仿形地輪到達(dá)C點(diǎn)時(shí)設(shè)為初始條件,分別將把式(9)帶入式(13)并把式(10)帶入式(12)可求出常數(shù)C1和C2的值;將式(11)、常數(shù)C1以及式(8)全部帶入式(12)則可求出加速度變化率ρ的值。

將加速度變化率ρ的值、式(8)和常數(shù)C1、C2的值帶入式(13),則可得到仿形地輪在降落至D點(diǎn)時(shí),其到達(dá)D點(diǎn)時(shí)的速度vD的表達(dá)式為:

(14)

將式(9)、式(14)帶入式(7)中,求解可得出仿形地輪從C點(diǎn)做斜拋運(yùn)動(dòng)到達(dá)D點(diǎn)的跳躍距離l2的表達(dá)式(由于l2的表達(dá)式太過復(fù)雜,此處不列出)。

通過對(duì)仿形地輪從C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到D點(diǎn)的跳躍距離l2的表達(dá)式的分析可知:當(dāng)機(jī)具遇到地表凸起進(jìn)行上仿形作業(yè)時(shí),跳躍距離l2主要分別與仿形地輪在水平地表滾動(dòng)時(shí)彈簧的初始形變量、彈簧的勁度系數(shù)以及地面凸起角度等參數(shù)和機(jī)具的行進(jìn)速度有關(guān)。其中,機(jī)具的行進(jìn)速度和彈簧的勁度系數(shù)是影響跳躍距離l2的主要因素,l2與機(jī)具的行進(jìn)速度成正比,即機(jī)具的行進(jìn)速度越大,跳躍距離l2就越大;l2與彈簧的勁度系數(shù)成反比,即彈簧的勁度系數(shù)越大,跳躍距離l2就越小。

1.1.3.3 彈簧的伸縮運(yùn)動(dòng)分析

由于棉田地面起伏高度差為20～60 mm,在計(jì)算彈簧預(yù)壓縮量與最大壓縮量時(shí),應(yīng)按照地面起伏最大高度差60 mm計(jì)算。其彈簧預(yù)壓縮量應(yīng)按照仿形地輪從平整地面經(jīng)過凹陷地面時(shí)進(jìn)行計(jì)算。圖7

圖7 仿形地輪經(jīng)過凹陷地面時(shí)的運(yùn)動(dòng)簡圖

仿形地輪從G點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到I點(diǎn)的過程中。圖7

(15)

(16)

式中,α1為仿形地輪在G點(diǎn)處時(shí),仿形架與豎直方向的夾角(°);h2為仿形架的安裝高度(mm);r為仿形地輪的半徑(mm);L為仿形架長度(mm);α2為仿形地輪在I點(diǎn)處時(shí),仿形架與豎直方向的夾角(°);Δh為地面起伏高度差。

仿形地輪在平整地面G點(diǎn)上滾動(dòng)時(shí),彈簧有一定預(yù)壓縮量,此時(shí)彈簧的長度x1為:

(17)

式中,L1為軸承中心與彈簧導(dǎo)桿的水平距離的距離,mm。

仿形地輪到達(dá)凹陷底部I點(diǎn)時(shí),彈簧的長度x2為:

(18)

則在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,彈簧的長度變化量Δx為:

Δx=x2-x1.

(19)

將式(15)帶入式(17),式(16)帶入式(18)可分別求出仿形地輪在G點(diǎn)時(shí)彈簧的長度x1和仿形地輪在I點(diǎn)時(shí)彈簧的長度x2,將式(17)、式(18)帶入式(19)中,求出整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中彈簧的長度變化量Δx。其中,仿形架長度L為600 mm;地面起伏高度差Δh為60 mm;仿形地輪半徑r為65 mm;仿形架安裝高度h2為400 mm;軸承中心與彈簧導(dǎo)桿的水平距離的距離L1為280 mm,將數(shù)值帶入式(19)可得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中彈簧的長度變化量Δx為56.42 mm,即彈簧的預(yù)壓縮量需大于56.42 mm。按照仿形地輪經(jīng)過凸起的運(yùn)動(dòng)方式可求出彈簧相對(duì)平整地面的最大壓縮量也為44.04 mm。

正常安裝下,仿形地輪在平整地面上彈簧的長度x1為188.44 mm,由于軸承中心距離上方仿形架的距離為40 mm,故在正常安裝下彈簧的長度為228.44 mm。而在經(jīng)過最深凹陷地表時(shí),彈簧的長度為284.86 mm,則彈簧的長度需大于284.86 mm,故可選取彈簧長度為320 mm,此時(shí)彈簧的預(yù)壓縮量為91.56 mm。

1.1.3.4 彈簧參數(shù)

在彈簧力和重力的作用下,仿形地輪在平整地面上滾動(dòng)時(shí),其豎直方向的加速度a1和水平方向的加速度a2分別為:

(20)

a2=a1tanα3.

(21)

式中,h5為仿形地輪在滾時(shí)的彈簧的壓縮量(mm);k為彈簧的勁度系數(shù)(N/mm);m1為仿形地輪、仿形架和彈簧導(dǎo)桿的總質(zhì)量(kg);g為重力加速度,g=9.8m/s2;α3為仿形架與豎直方向上的夾角(°)。

仿形地輪在滾動(dòng)過程中,受到地面的摩擦阻力Fs為:

Fs=μFn.

(22)

式中μ為仿形地輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù),取μ=0.16;Fn為地面對(duì)仿形地輪的支持力(N)。

則仿形地輪在豎直方向的受力和水平方向的受力為:

(23)

將式(20)帶入式(21),再將式(20)、式(21)和式(22)全部帶入式(23),其中通過前文計(jì)算,h5應(yīng)取彈簧的最大壓縮量為仿形地輪在經(jīng)過最高凸起時(shí)的壓縮量,數(shù)值為135.6 mm;仿形地輪、仿形架、彈簧和彈簧導(dǎo)桿的總質(zhì)量m1為5 kg;仿形架與豎直方向上的夾角α3應(yīng)取仿形地輪在經(jīng)過最高凸起時(shí)的夾角,可經(jīng)上文計(jì)算數(shù)值為62.72°,將數(shù)值帶入式中即可求出彈簧的勁度系數(shù)k=0.38 N/mm。根據(jù)彈簧的勁度系數(shù)和彈簧的長度,可利用公式設(shè)計(jì)彈簧,公式如下:

(24)

式中,k為彈簧的勁度系數(shù)(N/mm);G為彈簧材料的剛度模數(shù)(N/mm2);d為彈簧線徑(mm);Dm為彈簧中徑(mm);Nc為彈簧有效圈數(shù)。

采用彈簧的參數(shù):剛度模數(shù)79 000 N/mm2,線徑3 mm,中徑41.2 mm,有效圈數(shù)30,節(jié)距10.6 mm,總長320 mm,勁度系數(shù)0.38 N/mm。

根據(jù)彈簧的參數(shù)可確定彈簧導(dǎo)桿的直徑為37.2 mm,長度為350 mm。仿形架上的槽長為80 mm,寬為20 mm。圖8

圖8 彈簧在平整地面上的受力簡圖

1.1.4 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于2021年11月在新疆巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市尉犁縣的棉田進(jìn)行。此試驗(yàn)區(qū)域棉田地形起伏不定,土壤幾乎無板結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)且硬度適中,滴灌帶已被全部收回,自動(dòng)仿形系統(tǒng)正確安裝于殘膜回收機(jī)上。

試驗(yàn)機(jī)具為4JSM-2.1A棉秸稈還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)。

選用約翰迪爾6B-1204輪式拖拉機(jī)、標(biāo)定功率88 kW,要求拖拉機(jī)整體功能良好,駕駛員駕駛技術(shù)熟練[12],對(duì)殘膜回收機(jī)的使用有經(jīng)驗(yàn),熟悉殘膜回收機(jī)的工作原理。

直尺(0～30 cm)、卷尺(0～100 m)、游標(biāo)卡尺、秒表。

1.2 方 法

影響仿形精度和質(zhì)量的因素有兩個(gè)內(nèi)因,分別是彈簧的勁度系數(shù)和機(jī)具的行進(jìn)速度,外部因素有地面起伏高度差等,自動(dòng)仿形系統(tǒng)的仿形質(zhì)量可以通過松土齒的入土深度合格率來衡量,因此可以以彈簧的勁度系數(shù)(A)、機(jī)具的行進(jìn)速度(B)和地面的起伏高度差(C)為影響因素,以松土齒的入土深度合格率為試驗(yàn)指標(biāo),采用三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)的方法安排試驗(yàn)。

以彈簧的勁度系數(shù)為因素,因素水平分別取0.2、0.38、0.56 N/mm。殘膜回收機(jī)速度限制為6～7 km/h,故此因素水平選擇為:6、6.5和7 km/h。根據(jù)棉田地表狀態(tài),地面起伏高度差為20～60 mm,故此因素水平選擇為20、40和60 km/h。表2

表2 試驗(yàn)因素編碼

按照殘膜回收機(jī)的機(jī)具市場要求和工作情況[13],其松土齒的入土深度標(biāo)準(zhǔn)值為90 mm,在不影響機(jī)具整體功能的情況下,同一區(qū)間內(nèi),松土齒入土深度在85 mm≤H≤95 mm范圍內(nèi)為合格,測量出合格的入土深度次數(shù)占區(qū)間內(nèi)共測次數(shù)的百分比為入土深度合格率,試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次,結(jié)果取其平均值,根據(jù)機(jī)具的工作情況及其技術(shù)指標(biāo)規(guī)定此合格率應(yīng)大于等于80%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Design-Expert12.0軟件對(duì)其進(jìn)行方差分析。通過數(shù)學(xué)模型可以找到優(yōu)化后的最佳因素組合。

2 結(jié)果與分析

2.1 入土深度合格率

研究表明,入土深度合格率回歸方程為:

H=91.42+1.85A-0.75B-1.55C-0.575AB-0.675AC-0.125BC-3.35A2+0.352 5B2+0.102 5C2.

(25)

其中A、B、C為因素編碼值。表3

表3 試驗(yàn)結(jié)果

2.2 方差分析

研究表明,彈簧的勁度系數(shù)、機(jī)具的行進(jìn)速度和地面起伏高度差對(duì)入土深度合格率都有顯著影響,三者中顯著性影響的強(qiáng)弱次序?yàn)?A、C、B。交互項(xiàng)AB、AC和二次項(xiàng)A2的P值均表現(xiàn)影響顯著,所選擇的因素與響應(yīng)值之間同時(shí)存在因素間的交互作用以及二次非線性關(guān)系。整體模型的值為F=54.78,P<0.000 1,二次回歸方程的檢測達(dá)到了顯著水平;失擬性檢驗(yàn)為F=1.11,而其P=0.443 7,表現(xiàn)為不顯著,試驗(yàn)范圍內(nèi)模型的擬合性非常良好。模型的決定系數(shù)R2=0.986,計(jì)算結(jié)果可以解釋響應(yīng)值98.6%的變化;該模型的誤差較小。表4

表4 試驗(yàn)方差

2.3 交互作用影響

研究表明,當(dāng)?shù)孛嫫鸱叨炔钜欢〞r(shí),彈簧的勁度系數(shù)逐漸增大、機(jī)具的行進(jìn)速度逐漸減小時(shí),入土深度合格率先逐漸增大到峰值后又慢慢變小,最大峰值位于機(jī)具行進(jìn)速度為6 km/h、彈簧勁度系數(shù)為0.38 N/mm處;當(dāng)機(jī)具的行進(jìn)速度一定,隨著彈簧的勁度系數(shù)的增大,地面起伏高度差的減小,入土深度合格率由先逐漸增大到峰值后又快速減小,其最大峰值位于地面起伏高度差為20 mm、彈簧的勁度系數(shù)為0.38 N/mm處;當(dāng)彈簧勁度系數(shù)一定時(shí),機(jī)具的行進(jìn)速度和地面起伏高度差逐漸減小的過程中,入土深度合格率逐漸增大。圖9

圖9 因素交互作用對(duì)入土深度合格率影響的響應(yīng)曲面

2.4 參數(shù)優(yōu)化

研究表明,建立數(shù)學(xué)模型為:

(26)

彈簧的勁度系數(shù)為0.38 N/mm、機(jī)具的行進(jìn)速度為6 km/h、起伏高度差為20 mm,此時(shí)的入土深度合格率H為94.05%。

3 討 論

此自動(dòng)仿形系統(tǒng)的仿形方式為主動(dòng)仿形,主要由地面仿形傳感機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)三大部分組成。其中地面仿形傳感機(jī)構(gòu)的主要作用是地表信息采集;電控系統(tǒng)的主要作用是將采集的信息進(jìn)行處理并發(fā)出仿形命令;液壓控制系統(tǒng)的主要作用是執(zhí)行仿形命令,控制液壓油缸的伸縮。

王科杰等[8]與羅威等[9]所設(shè)計(jì)研究的仿形機(jī)構(gòu)均為傳統(tǒng)純機(jī)械仿形機(jī)構(gòu),本系統(tǒng)與傳統(tǒng)純機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)相比,依然可以保持殘膜回收機(jī)的作業(yè)穩(wěn)定性,且系統(tǒng)的可控性大大增加,可以靈活適應(yīng)殘膜回收機(jī)的技術(shù)要求,仿形精度更高,反應(yīng)時(shí)間可按需隨意調(diào)節(jié),結(jié)構(gòu)也較為簡單,整個(gè)仿形動(dòng)作也更加主動(dòng)。但此系統(tǒng)對(duì)于部分農(nóng)機(jī)操作者來說技術(shù)難度相對(duì)較高,且成本較高,針對(duì)此問題,后續(xù)研究系統(tǒng)優(yōu)化的側(cè)重點(diǎn)為:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊、系統(tǒng)操作更加簡單以及制作成本更加合理。

目前主動(dòng)仿形中應(yīng)用的傳感方式主要是角度傳感器和陀螺儀,安裝在農(nóng)用機(jī)械上的實(shí)用效果還不是太理想,而且農(nóng)機(jī)行進(jìn)速度、地形狀態(tài)等各種因素使仿形動(dòng)作存在相對(duì)滯后問題,針對(duì)精準(zhǔn)快速控制還有待改善。

4 結(jié) 論

4.1仿形地輪無論是經(jīng)過松軟地表還是凹陷、凸起地表時(shí),都會(huì)出現(xiàn)輕微的彈跳現(xiàn)象,影響彈跳的主要因素為機(jī)具行進(jìn)速度和彈簧的勁度系數(shù),機(jī)具的行進(jìn)速度與仿形地輪彈跳距離成正比,行進(jìn)速度越大,彈跳距離越大;彈簧的勁度系數(shù)與仿形地輪彈跳距離成反比,勁度系數(shù)越小,彈跳距離越大。需要相對(duì)減慢機(jī)具速度,并且在安裝地面仿形傳感機(jī)構(gòu)時(shí),給予彈簧一定的預(yù)壓縮量。

4.2以地面起伏高度最大值60 mm為仿形地輪上下起伏量,計(jì)算出彈簧的最小預(yù)壓縮量為56.42 mm,作業(yè)過程中,彈簧在預(yù)緊作用下的最大壓縮量為40.04 mm,參數(shù)確定后彈簧的預(yù)壓縮量為91.56 mm。

4.3影響試驗(yàn)指標(biāo)的強(qiáng)弱順序分別是地面起伏高度差、彈簧的勁度系數(shù)、機(jī)具的行進(jìn)速度,最后通過尋優(yōu)得出最優(yōu)參數(shù)組合為地面高度起伏差20 mm、彈簧的勁度系數(shù)0.38 N/mm和機(jī)具的行進(jìn)速度6 km/h,在此參數(shù)組合下,入土深度合格率可達(dá)94.05%,優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值,此自動(dòng)仿形系統(tǒng)仿形效果良好。