丁为民，孙元昊，赵思琪，熊佳定



犁旋一体机自动调平系统设计与试验

丁为民，孙元昊，赵思琪，熊佳定

（1. 南京农业大学工学院，南京 210031；2. 江苏省智能化农业装备重点实验室，南京 210031）

为了解决犁旋一体机作业过程中调节机具问题，设计了一种犁旋一体机自动调平系统，该系统包括执行机构、控制系统、液压系统。根据犁旋一体机自身的特点，提出了一种确定调平角度范围的方法，并根据实际田间作业情况，运用EDEM仿真软件进行田间作业的虚拟仿真，仿真结果表明：地表平整度小于2 cm，满足农艺要求。在设计和仿真的基础上，进行田间试验，将手动调平的犁旋一体机的作业情况和自动调平的犁旋一体机的作业情况进行对照，分析了作业过程中机具的角度变化和作业后的耕深及其稳定性，地表平整度。结果表明：自动调平犁旋一体机相对于手动调平犁旋一体机，在耕深的稳定性和耕后地表平整度上有较为明显的提高，前者耕深稳定系数达到87.31%，后者为84.76%。前者地表平整度为1.97 cm，后者为2.56 cm。

农业机械；控制；设计；犁旋一体机；自动调平

0 引 言

自动调平系统最早应用于工业领域[1-2]，近些年来才逐步应用于农业领域[3-4]。传感器性能的不断提升大大提高了自动调平系统的适应性[5-6]。目前国内市场上的大多数农业机械仍为传统的手动调平模式，并不能做到随着田间情况的变化而调平。犁旋一体机是一种把犁翻和旋耕功能结合在一起的性能良好的秸秆还田机械，可一次完成翻耕、旋耕，秸秆粉碎还田等多道作业工序[7-9]。耕后土壤细碎平整，作物秸秆和留茬直接深埋还田，达到联合整地效果，还可减少机具下地次数，减少对土壤的扰动，有利于争取农时，提高工效[10-11]。相对于犁耕机或者旋耕机，犁旋一体机作为一种复合机具具有较大的质量，借用拖拉机的液压系统进行自动调平，会对液压系统造成巨大负担，同时在犁旋机构下调的过程中，会出现下降动作剧烈的现象。此外，在作业过程中，由于拖拉机一侧车轮行进在未耕地上，一侧车轮行进在已耕地的犁沟里，会造成拖拉机的倾斜行走，进而导致与拖拉机通过三点悬挂连接的犁旋一体机产生倾角，而犁旋一体机的倾斜作业会影响耕后的平整度和耕深等作业指标，所以需要手动调平机具来保证作业效果。然而田间作业情况复杂，需要经常进行手动调平，不仅费时费力而且精度不高，导致犁旋一体机作业效果差和作业效率低。

刘林[12]设计了拖拉机耕作机具的全自动调平系统，针对农田作业时复杂环境对倾角传感器数据采集影响大的问题，采用了滤波算法及温度补偿算法降低振动噪声及环境温度对数据采集真实性的影响，并通过田间试验验证了系统的可行性和可靠性。胡炼等[13]采用传感器技术和控制技术设计一种适用于农机具的自动调平控制系统，实现了农机具水平控制，并通过三轴多功能转台试验和田间试验对系统进行分析，试验表明该系统可以提高控制的精度。周浩等[14]将自动调平系统应用于旋耕机上，实现了旋耕机的自动调平控制，始终保持旋耕机构在用户期望角度（0°）附近作业。奉山森等[15]设计农药喷洒机械调平控制系统，利用倾角传感器测量农药喷洒机的倾角，通过单片机STC89C51控制驱动电路，驱动三位四通电磁换向阀换向，通过液压油缸的伸缩，最终完成水平姿态的控制。由此可见，自动调平系统在农业领域有着较为广泛的应用[16-20]。本文以在江苏地区推广使用的犁旋一体机为基础，设计了一套犁旋一体机自动调平系统，以满足作业过程中调整的需要。设计过程中，重点考虑复式机具自身质量较大引发的调节问题，以及调平角度范围的确定，以期为复式作业机具的自动调平系统研究提供参考。

1 自动调平系统设计

1.1 整机工作原理

自动调平系统包括液压系统、控制系统和执行机构，系统整体设计如图1所示。装有自动调平系统的犁旋一体机在田间进行犁旋作业时，安装在犁旋机架上的倾角传感器会实时测量犁旋一体机的倾斜角度，控制系统按照预设的角度范围对实时输入的角度值进行判断，当角度超出预设范围时，控制电磁换向阀改变液压油流向，从而实现调平油缸的伸出与收缩，达到调平犁旋一体机目的。直到角度调节到预设角度范围内再开始下个周期的调节，实现犁旋一体机自动调平闭环控制，保持机具处于期望的预设角度范围内。

1.拖拉机 2.铧式犁 3.旋耕机 4.倾角传感器 5.拉杆 6.液压缸 7.节流阀 8.控制箱 9.液压油箱 10.电磁阀 11.控制器 12.操作盒

1.2 液压系统

自动调平系统的液压系统主要包括调平油缸、三位四通电磁比例换向阀、液压油管、液压油箱和节流阀等。频繁的调节以及犁旋一体机自身较大的质量会对拖拉机自身液压系统的负担，故设计了独立于拖拉机的液压系统，液压系统油路设计图如图2，由油箱、液压泵、分流阀、电磁比例换向阀、调平油缸、溢流阀组成。根据《机械设计手册》对液压系统的各部分元件进行选型和参数计算。农业机械的液压系统的工作液压范围为7～21 MPa，本设计选取的液压为10 MPa。选用齿轮泵作为液压泵，选用直动式溢流阀保护系统在正常的范围内工作，选用M型电磁比例换向阀用于控制调平油缸的伸缩，选用单向节流阀用于控制液压油的流速。

1.油箱 2.液压泵 3.分流阀 4.电磁比例换向阀 5.调平油缸 6.溢流阀

用单侧调平油缸进行调节，根据犁旋一体机的作业方式，左侧车轮行进在未耕地上，将调平油缸置于拖拉机的左侧。同时，针对其较大的质量会造成机具在下调过程中下降幅度过猛的问题，在调平油缸的下出油口加入节流阀以稳定液压流量，保证机具平稳下降。

1.3 自动调平控制系统

自动调平控制系统主要由倾角传感器和调平控制器组成。倾角传感器采用单轴加速度传感器，调平控制器由控制电路、稳压电路和操作盒组成。其中，倾角传感器和操作盒均通过数据线与控制电路相连，采用RS485协议进行通讯，控制原理图如图3所示。倾角传感器采集的倾角信号经过A/D转换后得到一组十六进制的倾角数据，如AA 04 A1 FF 1F 67 ED，其中前三位为校验位，第四位为符号位，第五位为角度的数据位，六七位为终止位，传输到控制器中转换码制为十进制，再采用卡尔曼算法[21-23]对噪声进行滤波处理，通过对倾角传感器传来的倾角数据进行判断，再将判断的结果反馈给执行机构和液压系统，控制电磁换向阀改变液压油流向，从而控制调平油缸伸出与收缩，实现调节目标。

图3 自动调平控制原理图

控制电路的电源由拖拉机蓄电池提供，单片机I/O口直接控制液压系统中的电磁换向阀，实现对液压油流向及过阀流量的控制，具体过程为：经过控制器处理过的信号分别从单片机的P 0.0，P 0.1，P 0.2，P 0.3口输出。其中P 0.0和P 0.1输出的脉宽调制信号控制流经比例阀电磁铁3YA和4YA的电流大小，P 0.2和P 0.3输出信号控制电磁阀1YA和2YA的通断，改变液压油方向。加入保护电路，则是保证调平系统能够在环境复杂的田间作业环境中正常运行。控制器与液压油箱、电磁换向阀作为整体置于控制箱内，悬挂于拖拉机驾驶室后。操作盒可实现自动和手动模式的切换，在田间转向或者停止作业时可切换到手动模式。

田间作业的环境较为复杂，从自动调平系统应用于其他农业机械的实际情况来看，将调平角度设置为0°，会导致机具调节过于频繁，进而会减少液压系统的使用寿命。本文结合犁旋一体机自身的特点，按照农艺和保护性耕作的要求[24]，提出了一种确定调平角度的方法。犁旋一体机的旋耕深度要大于犁耕深度，因此作业深度主要由犁耕部分决定。以拖拉机前进方向作为前方，规定右高左低产生的角度为负角度，反之为正角度。图4为角度范围选取模型简图。

管网运行：GIS地理信息系统、GPA巡线系统、管网监测系统、水力模型系统、DMA分区管理系统、产销差系统等；

注：θ为犁旋一体机可调整的角度，cm；h1为最左侧犁的耕深，cm；h2为最左侧犁距地面的垂直高度，cm；H0为犁体的垂直高度，cm；L为犁耕的幅度，cm。

角度范围的选取：以最右边的犁为参照，确定角度上下限的方法：①当最右边达到最大耕深，最左边的耕深能满足耕深要求的最小值时，为调节角度的上限；②当最右边达到最小耕深，最左边的耕深能满足耕深要求的最大值时，为调节角度的下限。角度与最左侧犁的耕深1和最左侧犁距地面的垂直高度2的关系如下

经过化简求解得

1.4 执行机构

执行机构主要包括前置犁耕机构、后置旋耕机构、减速箱、旋耕机架、犁耕机架等机构组成。悬挂机架的前端通过三点悬挂与拖拉机挂接，倾角传感器固定在犁旋机架上，通过数据线与控制器相连。犁耕部分采用四铧犁，调平油缸一端与拖拉机后悬挂铰接，一端与犁旋机架铰接，旋耕部分的旋耕刀采用弯刀设计，按照双头螺旋线方式的排列，旋耕刀旋转方向相反，升角相同，采用中央传动方式传动和反转作业方式作业。

2 EDEM虚拟仿真试验

土壤是一种具有特殊内部黏结特性，且具有离散特点的特殊物质[25]。在工作过程中，由于土壤间及土壤与工作部件间的碰撞、夹持运动较复杂，无法完全通过理论研究分析因素间的相互作用[26-27]。近些年随着计算机技术的发展，离散元分析法成为一种重要分析手段，被越来越多的应用在农业机械作业上[28]。为研究颗粒群体的运动规律，本文运用EDEM离散元分析软件，对带有自动调平系统的犁旋一体机进行仿真，以耕后地表平整度作为仿真指标，考察自动调平系统的作业性能。

2.1 EDEM仿真过程

为了更加真实的还原真实土壤特性，在创建土壤颗粒模型时，考虑同一田块土壤一致性[29]。根据江苏省土壤实际情况，设置土壤粒径从1～40 mm 不等，并且在田间程正态分布，为了模拟土壤颗粒的不规则性，土壤颗粒设计为不规则团球状，土壤的基本参数如表1所示。

表1 EDEM仿真土壤参数

将事先建好的犁旋一体机模型的导入EDEM，设置其材料为45钢，根据实际作业情况，设置机具前进速度为1 m/s，转速为240 r/min，耕深上限设置为25 cm，下限设置为15 cm。设置土槽宽度与机器作业幅宽相等为1.4 m，长度为20 m。在保证仿真连续性的前提下，设定固定时间步长8.68×10-6，总时间为20 s，其中机器田间作业时间为15 s，网格单元尺寸为6 mm，为最小颗粒半径的3倍。设置完成后，对犁旋一体机进行田间作业仿真，犁旋一体机模型如图5所示。

图5 犁旋一体机EDEM模型

2.2 EDEM仿真结果

根据地表平整度考察标准，仿真结束后截取模拟田块横截面，选取2条水平线，其中一条是与地表最高点平齐的水平基准线，另一条与之平行为地表最低点的水平线，按照平整度的计算公式求出之地表平整度小于2 cm。仿真结果表明犁旋一体机耕后地表平整度能够满足农艺要求。

3 田间试验

3.1 试验设计

试验于2017年11月3日在南通市通州区四安镇蒋家桥村进行，试验田为水旱轮作田，前茬作物为水稻，长60 m，宽55 m，土壤平均含水率为22.3%，平均坚实度为153.7 N/cm2。试验机具为犁旋一体机（上海农业机械研究所生产），犁耕深度16～20 cm，旋耕深度8～10 cm，牵引拖拉机为DF1204。采用2台HN-QJ02A倾角传感器（南通惠能信息科技发展有限公司）分别测量拖拉机车身和耕整机的倾斜角度。还采用了4台E61-DTU-1W无线传输模块（成都亿佰特电子科技有限公司），2台为一组，其中一台为发送端，一台为接收端，分别传送两台传感器所采集的倾角数据。此外，还有秒表，直尺（15 cm，0.1 cm），卷尺（50 m，0.01 m），笔记本电脑等设备。图6为犁旋一体机的作业过程。

图6 犁旋一体机作业过程

作业共有8个行程，编号为1，2，3，…，6，7，8。作业的平均速度为1.28 m/s。分别采集每个行程在30 m的行进过程中拖拉机的倾角和犁旋机具的倾角。试验前先对传感器进行误差校正，确保测量的准确度。图7为耕作行程示意图。

注：1～5为自动调平模式的作业行程，6～8为手动调平模式的作业行程。

3.2 耕深及平整度的测量

3.2.1 耕深的测量

沿机组前进方向，每隔5 m，在行程的左中右处各取一个点，每个行程测5组，共测量15个点，用耕深尺测量每个测量点处的耕深，自动调平和手动调平模式下各测3个行程。

3.2.2 平整度的测量

沿垂直于机组前进方向，在地表最高点取水平基准线，每隔5 m，在行程的左中右处各取一个点，每个行程测5组，用直尺测量各点处的耕深，自动和手动调平模式下各测3个行程。

3.3 试验结果与分析

试验主要测试了自动调平的系统性能以及犁旋一体机的机械性能。其中系统性能通过采集到的倾角数据进行处理分析，机械性能通过耕深和耕后地表平整度进行评价。

3.3.1 耕 深

自动调平模式下取行程2，3，4的耕深，手动模式下取行程6，7，8的耕深，各行程的耕深及耕深稳定性如表2所示。

通过对表2的数据比较可知：2种模式下的耕深基本相同，但是自动模式下的耕深稳定系数（87.31%）要比手动调平模式下的耕深稳定系数（84.76%）高2.55个百分点。自动模式下的左中右3个点的平均耕深要比手动模式下的平均耕深高度差要小，手动模式下左中右三点的平均耕深差距比较大。2种模式下都表现出左侧的平均耕深大于右侧的平均耕深。从耕深标准差来看，手动调平模式下的标准差比较稳定，而自动模式下的标准差会随着耕作的进行而逐渐增大。

表2 耕深性能分析

3.3.2 平整度

平整度行程的选取与耕深的相同，通过均方根计算。数值越大代表地表高度越高，反之代表地表高度越低。

通过表3对比发现，自动模式下的平均地表平整度（1.97 cm）要优于手动模式下的平均地表平整度（2.56 cm），这说明自动模式下的作业效果要好于手动模式，加入自动调平系统具有实际效果。

表3 耕作后的地表平整度

3.4 自动调平系统性能分析

试验过程中采集了8个行程的倾角数据，图8为自动和手动模式下拖拉机与犁旋一体机的倾角变化图。自动模式下，选取行程2、3、4的倾角变化，如图8a、8b与8c所示，手动模式下，犁旋一体机的倾角基本是随同拖拉机的倾角变化而变化，因此只取行程8的倾角变化，如图8d所示。图中8a为自动模式下犁旋一体机试验过程中行程2的实时倾角，试验过程中拖拉机的倾斜角度不断变化，犁旋一体机的倾斜角度基本保持在设定的角度范围内（−0.75°～1.5°），均方根误差分别为0.75°，0.66°，0.93°。图8d为手动模式下犁旋一体机试验过程中的实时倾角，试验过程中拖拉机的倾角和机具的倾角变化趋势基本相同，拖拉机与机具初始安装误差角度为0.53°。由此可看出，自动模式要优于手动模式的作业质量。

注：图8d中拖拉机与犁旋一体机的位置相对固定，因此二者角度的变化趋势基本一致。

4 结 论

本文设计了犁旋一体机自动调平系统，根据农艺和保护性耕作的要求，确定了一种调平角度范围的确定方法，并根据此方法，实现了犁旋一体机的自动调平控制，基本保持在预设的角度范围内。

在田间进行了犁旋作业试验。结果表明：耕深方面，自动模式下的耕深稳定系数（87.31%）要比手动调平模式下的耕深稳定系数（84.76%）高2.55个百分点。地表平整度方面，自动模式下的平整度（1.97 cm）也要优于手动模式下的平整度（2.56 cm）。以上2个指标可以表明，带有自动调平系统的犁旋一体机完全可以满足整地需要，并且能够达到农艺要求。

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Design and test of automatic leveling system of plough rotary machine

Ding Weimin, Sun Yuanhao,Zhao Siqi, Xiong Jiading

(1210031,; 2.210031,)

In order to solve the problem of equipment adjusting in the operation of plough rotary tiller, an automatic leveling system of plough rotary machine is designed, which includes executive mechanism, automatic leveling control module, hydraulic system and tilt sensing module. The plough rotary machine is a kind of well-behaved machine on tillage and straw returning, which combines the function of plough turning and rotary tillage. It can be used to carry out multiple work processes such as plough turning, rotary tillage and burying ground straw into soil. The soil is finely ground after ploughing, and the crop stalks and stubble are directly buried in the fields to achieve the soil preparation effect. It can also reduce the number of operations of going into soil for the machine, reduce the compaction of the soil, and improve the efficiency of farming. In the process of work, one side of tractor wheel drives on the balk, the other side drives on the cultivated furrows, causing tractor to incline to walk, and then leading to a certain inclination in horizontal direction of the plough rotary machine connected with the tractor through the three-point suspension mechanism. However, the tilting of plough rotary machine will affect the flatness and depth of the plow, so it is necessary to continuously adjust the equipment to ensure the work effect. Due to the complexity of field work condition, it needs to adjust frequently on the first 2 work routes and every route caused by the unstable work of the hydraulic system in each field. It not only is time-consuming but also has not high precision, which results in poor performance and low efficiency of work. In order to solve the problem of frequent adjustment of the plough rotary machine during work of plough, combining the characteristics of the plough rotary machine, a method to determine the angle range of leveling is put forward. The plough rotary machine as a compound tillage machine has great quality. It will cause great burden to the hydraulic system of the tractor by automatic leveling. At the same time, the downward motion will appear more severe during the downgrading process of the plough rotary mechanism. Therefore, a set of independent hydraulic system is designed in this paper. According to the actual field work situation, the soil model is established by using EDEM (enhanced discrete element method) simulation software, and the virtual simulation of field operation is carried out. The simulation results show that the surface roughness is less than 2 cm and meets the agronomic requirements. On the basis of design and simulation, field experiments were carried out to compare the operation of manual leveling plough rotary machine and the operation of automatic leveling plough rotary machine. The content of the test includes the system performance and mechanical performance of automatic leveling. The system performance is obtained by analyzing the change of the inclination angle of the tractor. The mechanical performance is obtained by analyzing ploughing depth, its stability and surface roughness after the operation. The results show that the automatic leveling plough rotary machine has a marked improvement in the stability of ploughing and surface evenness after tillage compared with the manual leveling plough rotary machine. The stability coefficient of the former tillage depth is 87.31% and the latter is 84.76%. The surface roughness of the former is 1.97 cm and the latter is 2.56 cm. It can provide reference for the design of automatic leveling system for compound agricultural machinery.

agricultural machinery; control; design; plough rotary machine; automatic leveling

2018-03-29

2018-06-30

国家科技支撑计划项目资助(2013BAD08B04)

丁为民，教授，博士生导师，主要从事农业机械化装备研究。Email：wmding@njau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.004

S222.4

A

1002-6819(2018)-17-0025-07

丁为民，孙元昊，赵思琪，熊佳定. 犁旋一体机自动调平系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：25－31.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.004 http://www.tcsae.org

Ding Weimin, Sun Yuanhao, Zhao Siqi, Xiong Jiading. Design and test of automatic leveling system of plough rotary machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 25－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.004 http://www.tcsae.org