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數(shù)理統(tǒng)計分析算法下智能插秧機(jī)作業(yè)優(yōu)化研究

2024-01-09 02:24曾翔宇
農(nóng)機(jī)化研究 2024年1期
關(guān)鍵詞:牽引力插秧機(jī)載荷

曾翔宇

(吉林開放大學(xué),長春 130022)

0 引言

水稻插秧機(jī)作業(yè)規(guī)范,水稻成行性好,利于水稻光照和通風(fēng),能夠有效提高產(chǎn)量,便于種植過程中的機(jī)械化作業(yè)[1]。隨著新能源使用的不斷推進(jìn),電動水稻插秧機(jī)的應(yīng)用也更加普遍,傳統(tǒng)的燃料插秧機(jī)工作性能穩(wěn)定,但隨著環(huán)境與能源問題的突出,新能源農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢。隨著電機(jī)的電池控制技術(shù)的發(fā)展,新能源農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備也進(jìn)入到實(shí)踐推廣過程中,而電力驅(qū)動插秧機(jī)能夠有效降低插秧過程中的人力成本[2-3]。傳統(tǒng)插秧機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大,工作過程中消耗較多的能源,排放廢氣和噪音。電力驅(qū)動水稻插秧機(jī)采用多個電機(jī)直接驅(qū)動插秧機(jī)執(zhí)行構(gòu)件,簡化了插秧機(jī)動力傳輸過程,使插秧機(jī)的整機(jī)質(zhì)量明顯降低,從而減少工作過程的能源消耗[4]。精準(zhǔn)掌握插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際功率是進(jìn)行插秧機(jī)電機(jī)分布的前提,對于插秧機(jī)載荷與作業(yè)行進(jìn)速度進(jìn)行計算分析,是確保插秧機(jī)電力分配的基礎(chǔ)[5-7]。

筆者通過對電力驅(qū)動水稻插秧機(jī)進(jìn)行系列試驗(yàn),確定插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功率參數(shù)和驅(qū)動電機(jī)參數(shù),優(yōu)化插秧機(jī)電池容量與作業(yè)參數(shù),旨在為電動插秧機(jī)的精準(zhǔn)化設(shè)計提供參考。

1 插秧機(jī)總體設(shè)計

插秧機(jī)的結(jié)構(gòu)形式主要為四輪乘坐式插秧機(jī)、無驅(qū)動步進(jìn)式插秧機(jī)和兩輪手扶式插秧機(jī)[8]。四輪插秧機(jī)以農(nóng)用柴油機(jī)為動力源,工作過程動力大,工作效率高;無驅(qū)動步進(jìn)式插秧機(jī)采用人力拖動的方式進(jìn)行工作,工作效率低,插秧機(jī)整體質(zhì)量輕,便于作業(yè)過程搬運(yùn);兩輪手扶式插秧機(jī)質(zhì)量和工作效率處于四輪乘坐式插秧機(jī)和無驅(qū)動步進(jìn)式插秧機(jī)之間[9-10]。

本文研究的水稻插秧機(jī)為2輪3浮板式,搭載直流電機(jī)改造成電動式水稻插秧機(jī),包含2個行走水輪,行走機(jī)構(gòu)使用1臺電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動,仿形機(jī)構(gòu)使用1臺電機(jī)驅(qū)動,插秧機(jī)構(gòu)使用1臺電機(jī)驅(qū)動[11]。仿形機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)絲杠,帶動機(jī)構(gòu)傳動臂轉(zhuǎn)動;行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)固定在水輪支撐臂上,依靠鏈條傳動驅(qū)動行走水輪,插秧機(jī)兩個水輪能夠獨(dú)立工作;插秧機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)能根據(jù)行進(jìn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)秧苗的分插作業(yè)。

2 插秧機(jī)牽引力與功率設(shè)計

電動插秧機(jī)牽引力試驗(yàn)過程中,當(dāng)行進(jìn)速度較低時,浮板漂浮于排水層,浮板與泥土之間形成較大的粘滯阻力,當(dāng)行進(jìn)速度小于0.25m/s時,插秧機(jī)牽引力較大;當(dāng)插秧機(jī)行進(jìn)速度大于0.3m/s時,泥土粘滯阻力降低,牽引力與速度之間近似呈正比關(guān)系[12-13]。進(jìn)行牽引力試驗(yàn)時,選擇試驗(yàn)速度為0.3、0.4、0.5、0.6m/s,插秧機(jī)載荷分別為0、20、40、60、80、100kg,分別進(jìn)行20次試驗(yàn)統(tǒng)計。圖1(a)所示為行進(jìn)速度為0.3m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線;圖1(b)所示為行進(jìn)速度為0.4m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線;圖1(c)所示為行進(jìn)速度為0.5m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線;圖1(d)所示為行進(jìn)速度為0.6m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

(a)行進(jìn)速度0.3m/s

(b)行進(jìn)速度0.4m/s

(c)行進(jìn)速度0.5m/s

(d)行進(jìn)速度0.6m/s圖1 插秧機(jī)牽引力試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.1 Experimental data curve of traction force of transplanter

表1所示為牽引力數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果。由表1可知:插秧機(jī)作業(yè)過程中,牽引力大小主要受到載荷的影響,牽引力大小受行進(jìn)速度的影響較小。

當(dāng)插秧機(jī)設(shè)計載荷為100kg時,插秧機(jī)仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行提升,提升速度為0.15m/s,此時仿形機(jī)構(gòu)驅(qū)動平均功率為315W。分叉機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動分插變速箱,帶動秧苗針和秧苗板,在滿載狀態(tài)下,分插機(jī)構(gòu)驅(qū)動功率為250W。根據(jù)以上試驗(yàn)分析數(shù)據(jù),確定插秧機(jī)牽引驅(qū)動功率、仿形機(jī)構(gòu)驅(qū)動功率及分插機(jī)構(gòu)驅(qū)動功率分配方案如表2所示。

表1 牽引力數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果Table 1 Results of mathematical statistics of traction force N

表2 驅(qū)動電機(jī)功率分配方案Table 2 Drive motor power distribution scheme

3 插秧機(jī)動力試驗(yàn)分析與參數(shù)優(yōu)化

插秧機(jī)仿形機(jī)構(gòu)啟動過程中,在水田當(dāng)中的功率函數(shù)為

Q=Fdv+pt(v)

其中,Q為插秧機(jī)作業(yè)功率;Fd為插秧機(jī)牽引力;v為行進(jìn)速度;pt(v)為插秧機(jī)功率速度函數(shù)。

插秧機(jī)功率速度函數(shù)可表示為

pt(v)=157v+148.8

表3所示為插秧機(jī)功率特性分布參數(shù)。

表3 插秧機(jī)功率特性分布參數(shù)Table 3 Power characteristic distribution parameters of transplanter W

蓄電池最大連續(xù)作業(yè)面積可表示為

其中,S為連續(xù)作業(yè)面積;Gl為蓄電池質(zhì)量;ρb為蓄電池能量密度;d為插秧機(jī)作業(yè)寬度。

進(jìn)行插秧機(jī)連續(xù)作業(yè)面積試驗(yàn)時,選擇試驗(yàn)速度為0.3、0.4、0.5、0.6m/s,插秧機(jī)載荷分別為0、20、40、60、80、100kg,分別進(jìn)行20次試驗(yàn)統(tǒng)計。圖2(a)所示為行進(jìn)速度為0.3m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)連續(xù)作業(yè)面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線;圖2(b)所示為行進(jìn)速度為0.4m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)連續(xù)作業(yè)面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線;圖2(c)所示為行進(jìn)速度為0.5m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)連續(xù)作業(yè)面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線;圖2(d)所示為行進(jìn)速度為0.6m/s時,不同載荷條件下插秧機(jī)連續(xù)作業(yè)面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

(a)行進(jìn)速度0.3m/s

(b)行進(jìn)速度0.4m/s

(c)行進(jìn)速度0.5m/s

(d)行進(jìn)速度0.6m/s圖2 插秧機(jī)連續(xù)作業(yè)面積試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線Fig.2 Experimental data curve of continuous working area of transplanter

表4所示為連續(xù)作業(yè)面積數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果。

表4 連續(xù)作業(yè)面積數(shù)理統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果

插秧機(jī)使用電池質(zhì)量為100kg,當(dāng)行進(jìn)速度為0.5m/s時,最大連續(xù)插秧作業(yè)面積為8445m2,可連續(xù)作業(yè)4h,插秧機(jī)作業(yè)功率為1025W,當(dāng)采用48V蓄電池時,電源額定容量為83.5Ah。

4 結(jié)論

中小功率電動插秧機(jī)質(zhì)量輕、體積小,具有輕量化的特點(diǎn),應(yīng)用范圍廣泛,針對小地塊水田和丘陵地區(qū)的使用優(yōu)勢更加突出。因此,以高能量密度蓄電池為電源,可有效提升插秧機(jī)動力性能,且隨著電動控制技術(shù)的快速發(fā)展,電動插秧機(jī)的應(yīng)用前景更加廣闊。

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