保护性耕作机具作业控制技术

文章来源:聚英云农 发布时间: 2022-07-07 19:04:37
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保护性耕作机具作业控制技术是指在监测机具作业参数的基础上,通过电子信息技术、自动控制技术、机电一体化技术和液压与气压传动技术等对机具的关键部件实现一定的主动控制,以满足作业要求(如播种深度一致性、深松深度一致性等),提高机具的作业质量(如减小漏播率)。免少耕播种机漏播补偿控制技术及机具作业深度控制技术是近年来在保护性耕作机具作业控制技术方向的研究热点。

 

保护性耕作机具作业控制技术

  一、免少耕播种机漏播补偿控制技术

 

减少播种机漏播率的传统方法是在作物出苗后进行人工补种,这种方式不仅会增大农民劳动强度,也会增加种植成本。而播种参数监测技术虽然能在一定程度上减少漏播率,但仍需驾驶员收到报警信号后下车进行调整,效率低。因此,免少耕播种机漏播补偿控制技术的研究对减少漏播率,提高播种质量,减少农民劳动强度和种植成本具有重要意义。

 

近年来,研究人员对漏播补偿控制技术进行了一定的研究。其中,加装补种装置是实现漏播补偿的有效途径之一,如丁幼春等针对油菜籽等小粒径种子漏播补种问题,研发了一套螺管式补种系统,漏播补种率达到100%;吴南等针对玉米免耕播种时存在漏播问题,采用加装补播器和补种导种管设计了一种漏播补偿系统,补种成功率达96.5%。除加装补种装置外,朱瑞祥等根据超越离合器的单向锁合原理设计了一种漏播补偿系统,当发生漏播时,启动超越离合器,由步进电机驱动排种器使其加速旋转实现补种,平均成功补种率为92.98%。

 

当前,国内外虽对漏播补偿控制技术有一定研究,但还存在以下问题:①大多补种装置都是加装在正常播种装置外,两套排种装置之间相互独立,结构比较复杂;②由于正常排种与补种排种时的种子运动路径不同,补种位置存在一定的滞后性,导致补种位置准确性较差。

 

农业耕作机械

  二、保护性耕作机具作业深度控制技术

 

作业深度控制技术是保障保护性耕作机具作业深度一致性的必要手段,主要涉及免少耕播种深度、深松深度及表土耕作深度等。其基本原理是利用传感器实时监测机具的作业深度,将当前作业深度与预先设定的目标深度进行对比,若超过或未达到预先设定的阈值,则启动控制系统进行调控,具体是通过调节液压缸的伸缩或气压装置的压力来实现作业深度控制。

 

  1、免少耕播种机播种深度控制技术

 

适宜的播种深度可以为种子提供较为充足的水分和养分条件,有利于缩短种子出苗时间,提高种子出苗率,同时可以减小机具作业阻力,减小能耗。国内外学者经过大量研究发现播种深度在3~4 cm且一直是最有利于出苗。Karayel和Zmerzi研究发现,即使在实验室条件下,播种深度都不一致,而在免少耕播种作业时,作业环境更加恶劣,如土壤未翻耕,地表有秸秆覆盖等更容易造成开沟器振动,导致播种深度不一致。传统的免少耕播种机多通过安装仿形机构并加装机械弹簧保持播深一致,但这种方式都是作业之前将仿形机构、弹簧预紧力等调整好,无法根据作业环境的变化在作业过程中进行播种深度实时调节。因此,能够在播种作业时对播种深度进行实时控制的技术与装备得到国内外研究人员的关注与研究。

 

目前,国外知名农机公司大多都在其播种机上安装播深控制系统,工作原理如图1所示,采用液压或气压装置代替传统播种机上的机械弹簧,通过压力传感器实时监测限深轮下压力,并与预先设置的压力值进行比较,自动调节播种下压力,保证播种深度一致。如Ag Leader公司的SureForce™下压力控制系统,Maschino的Maximetro系列播种机,Horsch的Maestro SW系列播种机,John Deere公司的exactEmerge播种单体,Precision Planting公司的Deltaforce和AirForce下压力控制系统及Kinze公司的TrueDepth™播深控制系统。

 

此外,国内外学者也对播种深度的精确控制开展了一系列研究。根据调节装置的不同将其分为两大类,即液压调节和气压调节。其中,液压调节因具有响应速度快、产生推力大、便于安装等优点在保护性耕作机具作业深度智能化调控上应用更为广泛。除通过安装液压或气压装置实现播深调节外,李玉环等设计了一种覆土-镇压联动监控装置,采用电推杆实时调节覆土量实现播深一致性控制。由于播深调节装置类型比较明确,因此播深控制系统的研研究重点主要在波深检测上。为实现波深准确实时的检测,学者们研发了多种波深检测法,均取得较好的检测效果,根据采用传感器的工作原理不同将其分为剖面传感器检测法、超声波传感器检测法、角度传感器检测法、压力传感器检测法、以及位移传感器检测法等。

 

智能农机

 

  2、松及表土耕作机具耕作深度控制技术

 

保护性耕作机具的耕深一致性是评价其作业质量的一项重要指标。美国John Deere公司经过多年试验发现,耕作深度一致性对土壤保水保墒、构造良好的种床具有重要影响。目前,耕作深度控制主要利用角度或超声波传感器实时监测耕深,同时在深松铲、圆盘耙和镇压轮等触土部件上安装液压系统,通过调节液压缸的伸缩实现耕作深度的一致性控制。

 

John Deere公司的TruSet耕整地装备耕深控制系统(图2)利用安装在地轮与机架上的耕深检测传感器获取机具的耕作深度,并将其与预先设定的耕作深度值进行对比,然后通过配套的液压系统实现圆盘耙、深松铲和镇压辊等耕作部件的耕深控制,作业情况会实时显示在人机界面,用户还可根据自己需要进行手动调节,该系统控制更深精度不超过2.5 mm。

 

Case公司研发的整地机械耕深智能控制系统(Advanced Farming Systems,AFS)(图3),能够根据土壤条件(含水率、紧实度、秸秆覆盖率等),实现机具耕作深度的精准控制。作业前,将根据土壤条件预先设定好的耕深信息处方图导入系统,拖拉机上配备基于GNSS的导航系统,当机具走到处方图相应位置,液压系统就会根据处方图中更深信息自动调节机具关键部件使其达到预设更深,同时液压缸内的行程检测传感器能够实时反馈液压缸活塞的长度变化,保证精准控制。

 

近年来,国内学者的研究多集中在悬挂式耕作机具的耕深控制。如王云霞设计了一种深松机耕深控制系统,该系统可实现对每个深松铲作业深度的独立控制,当耕深设定为25和30 cm时,耕深控制误差分别为3.2%和1.9%。吴依行设计了一种基于超声波传感器与液压传动的深松机耕深控制系统,当深松深度在35~40 cm时,控制精度不超过3.3 cm,深松深度的稳定性系数为92.54%。

 

综上,无论是播种深度还是耕作深度的实时控制,其最终目标都是实现作业深度的一致性。二者的控制原理基本相同,即利用传感器实时监测开沟器、深松铲、圆盘耙、镇压辊等触土部件的作业深度,并与预设作业深度进行对比,通过液压系统或气压系统调节作用在触土部件上的压力实现作业深度的控制。

 

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