水田复式整地机自动调平装置的设计与研究

于志成，王 熙

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)



水田复式整地机自动调平装置的设计与研究

于志成，王 熙

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

为解决传统水田复式整地机需手动控制、驾驶员工作强度大、工作效率低等问题，研制了水田复式整地机的自动调平控制系统，适用于水田粗整地、整平地。采用水平传感器获取复式整地机机架的倾角姿态，控制器为STC12C5A60S2型芯片，通过调节脉冲宽度控制三位四通电磁阀，实现液压油流向的变换，用安装在整地机侧面的调平液压油缸实现整地机机架的自动调平。对自动调平控制系统进行了田间试验验证表明，该系统满足水稻插秧的农艺要求。

水田复式整地机；自动调平控制系统；水平传感器

0 引言

在水稻生产全程机械化中，整地机械化是一个重要的环节，整地质量的好坏直接关系到插秧机性能的发挥和插秧的质量。目前，我国北方水稻产区主要实行翻地-旋地-灌水泡田3～5天-水耙地-沉降5～7天-插秧的作业程序[1]。

农谚中有“寸水不漏田”之说。水稻的栽植及生长要求极其特殊，对水田的平整要求很高。水田精细耕整后可以使土层水分分布均匀，减少灌溉用水，化肥、农药喷施效果好，提高利用率，减少农药化肥使用量，进而减少水稻生产成本和对环境的污染，可以增加水稻产量，促进水稻生产可持续发展[2]。

传统的水田整地机具(如耙、搅浆机、捞板等)具有应用范围广、成本低等特点，是目前我国水田平整的主要方式；但它们均由人工操作，工作效率低、水田平整精度低、对驾驶员技术要求高，工作强度大，对水田平整作业质量有影响。

由于水田硬底层高低不平，拖拉机作业时会随着地形而不断颠簸，水田复式整地机与拖拉机刚性悬挂连接，会随地形而摆动，严重影响水田平整质量，所以需要多次行进作业才能达到水稻插秧的农艺要求，工作效率严重降低。拖拉机在水田中多次行进将会加大水田犁底层硬度，影响土壤的通透性，不利于水稻深扎根，影响水稻产量。所以，加装自动调平控制系统，保证复式整地机姿态水平，对提高工作效率、降低驾驶员劳动强度及提高作业质量意义重大。

2007年，华南农业大学李庆等为了提高水田平整度，研究水田平整激光控制系统，采用倾角传感器测量平地铲横向水平角度，水田平整度由平整前的10.41cm下降到3.17cm，水田平整效果达到农艺标准[3]。2008年，华南农业大学赵祚喜等研究了MEMS惯性传感器控制水田激光平地机姿态调平技术，利用惯性传感器监测平地铲姿态，试验表明，MEMS惯性传感器姿态测量误差不超过1°[4]。2011年，华南农业大学胡炼、罗锡文等设计了基于姿态传感器ADIS16300和LPR530的水田激光平地机水平控制系统。姿态传感器ADIS16300输出的加速度值和角速率值融合实现测量平地铲实时倾角，测量误差不超过1°[5]。

黑龙江八一农垦大学为提高复式整地机水田平整效果，降低生产投入，自行研制了水田复式整地机(见图1)自动调平控制系统，可实时保证整地机在水平状态下作业，机架可在±6°范围内左右摆动。当整地耙片两端相对变化超过2.5cm时(平地机幅宽5m)，水平传感器输出信号，控制系统进行自动调整。

1 水田复式整地机总体结构

平地机选用黑龙江省八五六农场青山机械厂生产的ZD-5.0型水田复式整地机，水田复式整地机由悬挂架、机架、缺口耙、尾翼拖板、尾翼拖板深度控制油缸、尾翼拖板角度控制油缸等组成，如图2所示。缺口耙将土壤细碎，土壤的通透性强，有利于水稻的根系生长，深扎根。尾翼拖板将稻田秸秆轧入土壤，并耢平田地。

拖拉机与整地机采用三点悬挂方式连接，平地机幅宽5m。机架与悬挂架采用销轴连接，在调平过程中机架可绕销轴转动。

2 自动调平控制系统设计

2.1 液压系统设计

液压系统由液压泵、分流阀、电磁换向阀、溢流阀及液压油缸等组成，如3图所示。采用约翰迪尔904拖拉机作为动力，液压油由拖拉机液压油泵提供，为保证不影响拖拉机原液压系统工作，在液压油泵出口安装分流阀，保证液压油以等流量分别供给拖拉机液压系统和整地机液压系统。分流阀的作用是使一个高压油源同时向液压系统中两个(或两个以上)执行元件提供等流量或比例流量高压油，即等量分流或比例分流，速度保持同步或定比关系，以实现两个执行元件同时工作。

图1 自动调平水田复式整地机

1.整地耙片 2.整地机机架 3.悬挂架 4.液压阀体 5.调平油缸 6.尾翼拖板深度控制油缸 7.尾翼拖板角度控制油缸 8.尾翼拖板

1.油箱 2.液压泵 3.分流阀 4.电磁换向阀 5.液压缸 6.安全阀

液压泵持续为自动调平控制系统供油，控制器没有输出信号时，电磁阀处于中立位置，液压油流回油箱；控制器接收水平传感器传来的信号做出分析判断，发出电信号指令，控制电磁阀通断，三位四通电磁换向阀阀芯位置变化，改变液压油流向，控制液压油缸的伸出与收缩，复式整地机机架绕悬挂架中位转动，实现整地机水平姿态的保持。

安全阀在系统中起卸荷过载保护作用。当液压系统压力超过设定安全值时，安全阀打开，将系统中的高压油卸荷，流回油箱，使系统压力不超过允许值，从而保证系统不因压力过高而发生事故[6]。

2.2 自动调平控制系统

本研究采用控制器与水平传感器相结合的方案。自动调平系统的信号来源于安装在平地机上的水平传感器，将模拟信号传输给控制器，控制器分析计算后，通过放大驱动电路将信号加强，发出指令控制电磁阀阀芯位置变换，实现液压油缸的伸出与收缩，实现平地机的自动调平。调平系统框图如图4所示。

2.2.1 水平传感器

水平传感器为BWK210-90型号，BWK210系列倾角传感器是北微传感公司推出的一款小体积、低成本电压输出单轴倾角传感器，单轴倾角测量，量程±30°，精度0.2°，直流10～35V电压电源输入，0～5V输出接口(0～10V可选)，高抗振性能>2000g，宽温工作-40～+85℃。整个电路系统由拖拉机提供12V直流电源[7]。

图4 调平控制系统工作框图

2.2.2 控制器

控制器接收水平传感器输出的信号，对信号进行A/D转换后，经单片计算机处理后输出，控制液压系统，进而实现平地机的自动调平。控制器核心采用STC12C5A60S2型单片计算机芯片，通过指示灯实时显示控制状态；同时，通过放大驱动电路，发送电信号给液压控制系统，实现自动调平[8]。调平控制系统结构组成如图5所示。

图5 调平控制系统结构

3 自动调平系统田间试验

3.1 试验过程

为检验自动调平控制系统的水田整地作业效果，2016年4月在黑龙江省八五六农场六作业站进行了水田整地作业。动力为约翰迪尔904轮式拖拉机，田地状况为秋季翻耕后的水稻田，泡水3天，面积为40m×80m。平地机采用三点悬挂方式与拖拉机连接，以8km/h的速度进行作业。试验数据通过人工采集，按照蛇形采样法布点，得到的试验数据利用MatLab生成三维地形图，观察平整情况，计算出平整后水田表面与水平面相对值的平均数值与标准差值，来评估平地效果[9-11]。

采用自制测量尺对水田复式整地机作业后的地块进行测量，以水平面为基准，在1号地块采集方阵数据10×20=200个点，点间距4m。采集数据见表1所示。其中，hij为在田地内横向纵向采集的数据点。图6和图7分别为试验前田地状况和自动调平水田复式整地机在田间作业。

图6 试验前田间实况图

图7 自动调平水田复试整地机在田间工作图

续表1

hij为采样点(i,j)处稻田土壤表面与泡田水面相对高度差(cm)。

3.2 试验数据处理及分析

农田平整度(P)可以用来衡量田面地形起伏程度，反映农田地面平整度的总体状况。通常利用农田内各处地面相对高程到拟合面垂直距离的标准偏差值(Sd)来表示。标准偏差Sd越小，表明农田地面起伏越不明显、地面越平整；标准偏差Sd越大，说明农田地面起伏越明显、地面越不平整[12]。

(1)

标准偏差值Sd为

(2)

图8 试验数据散点图

图9 实验数据等高线图

4 结论

1)设计了一种水田复式整地机自动调平控制系统，采用水平传感器测量整地机实时水平姿态，控制器采用PID控制算法计算电磁阀PWM驱动信号占空比控制调平液压油缸伸长量，实现了水田复式整地机水平控制。

2)该系统可更据地势变化在0.3°内发出调节信号，控制系统发出电信号控制电磁阀实现整地机水平姿态的保持。

3)田间试验结果表明：水田复式整地机采用黑龙江八一农垦大学研制的自动调平控制系统后，水田整地精度能满足水稻生产过程中农艺要求，达到精细整地标准，最大高程差为11cm，标准偏差Sd=2.13cm。

[1] 姜海明,孙仕明,韩宏宇,等.1GBPS型水田耕耙平地机的设计[J]. 农机化研究,2005(2):136-138.

[2] 胡炼,杨伟伟,许奕,等.基于GPS技术的水田平地机的设计与试验[J].华南农业大学学报, 2015, 36(5):130-134.

[3] 李庆,罗锡文,汪懋华,等.采用倾角传感器的水田激光平地机设计[J].农业工程学报,2007,23(4): 88-93.

[4] 赵祚喜,罗锡文,李庆,等.基于MEMS惯性传感器融合的水田激光平地机水平控制系统[J].农业工程学报,2008, 24(6):119-124.

[5] 胡炼,林朝兴,罗锡文,等.农机具自动调平控制系统设计与试验[J].农业工程学报,2015,31(8):15-20.

[6] 侯明亮.拖挂式激光平地机液压控制系统的研究[D]. 北京:中国农业大学,2005.

[7] 黎永键,赵祚喜.水田激光平地机平地铲姿态测量系统的设计[J].农机化研究, 2012,34(2): 69-75.

[8] 刘寅,李宏鹏,刘刚,等.基于GPS控制技术的土地平整系统[J].农机化研究, 2014，36(9):142-146.

[9] 王少农,庄卫东,王熙. 基于GNSS的农田平地系统试验研究[J]. 农机化研究, 2016,38(5):199-203.

[10] 庄卫东,汪春,王熙.基于MATLAB的农田信息可视化实现[J].农机化研究,2011,33(6):137-140.

[11] 陈君梅,黄培奎,赵祚喜.基于激光测距仪和Matlab的水田平整度检测方法[J]. 广东农业科学, 2014(1):173-177.

[12] 刘刚,林建涵,司永胜,等.激光控制平地系统设计与试验分析[J].农业机械学报,2006,37(1):71-74.

The Research and Design of Automatic Ieveling Device of Tillage Equipment in Paddy Field

Yu Zhicheng, Wang Xi

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

In order to solve the traditional paddy soil tillage Equipmente in low level of automation, operating manual work intensity, problems of Low efficiency，which the reexamination of paddy field tillage machine was developed with automatic leveling control system and was applied to the rough rice land preparation and land leveling. The reexamination of tillage Equipmente on working attitude was gained by using the level sensors, and controller for STC12C5A60S2 chips. The hydraulic oil flow to transform was achieved by adjusting the pulse width control three four-way solenoid valve. Site preparation frame of automatic leveling was achieved by using the hydraulic cylinder of soil tillage Equipmente on the side. It was proving that field texting with the automatic tuning level control system, and the test results show that the system not only meets the demand of agronomy, but also suitable for agricultural production.

paddy field compound soil tillage equipmente; the automatic leveling control system; level sensor

2016-07-08

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD04B01-06)

于志成(1991-),男，吉林长岭人，硕士研究生，(E-mail) 872864412@qq.com。

王 熙(1962-)，男，山西新绛人，教授，博士生导师，(E-mail)ndwangxi@163.com。

S222.2

A

1003-188X(2017)08-0175-05