3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計

彭強(qiáng)吉，康建明，宋裕民，何青海

3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計

彭強(qiáng)吉1,2，康建明1※，宋裕民1，何青海1

（1. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100； 2. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000）

針對現(xiàn)有棉田打頂機(jī)打頂率低，打頂和噴藥環(huán)節(jié)獨(dú)立作業(yè)造成拖拉機(jī)動力浪費(fèi)的問題，集成精準(zhǔn)打頂與變量噴藥技術(shù)，設(shè)計了3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)，可一次完成棉花分禾收攏、扶禾、打頂、噴藥作業(yè)。對機(jī)具關(guān)鍵部件分-扶禾裝置、高度檢測系統(tǒng)、打頂系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計分析，確定了分禾寬度為470 mm、高度檢測范圍為0～320 mm、圓盤刀軸最小轉(zhuǎn)速716 r/min、平行四連桿機(jī)構(gòu)長度等參數(shù)，在設(shè)計分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行田間試驗。田間試驗結(jié)果表明：當(dāng)該機(jī)工作速度為2.5 km/h時，棉花打頂率為 91%，打頂前后棉花高度相關(guān)系數(shù)為 0.81，相關(guān)性強(qiáng)；噴藥系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)速度調(diào)節(jié)噴藥量，實際流量與理論流量相對誤差在5%以內(nèi)。同時，觸屏顯示器能夠?qū)崟r顯示作業(yè)速度、作業(yè)面積等參數(shù)，當(dāng)藥液低于設(shè)定值時發(fā)出聲光報警，提高了棉花打頂噴藥機(jī)械的智能化水平。該研究可為棉花打頂噴藥機(jī)械的設(shè)計提供理論參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；農(nóng)作物；設(shè)計；棉花；打頂；噴藥；試驗

0 引 言

棉花打頂是棉花增產(chǎn)增收的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，適時打頂可消除棉株頂端優(yōu)勢，促進(jìn)吐絮，達(dá)到早熟、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的目的[1]。目前棉花打頂作業(yè)分為人工打頂和化控打頂，人工打頂勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，貽誤農(nóng)時[2]，化控打頂技術(shù)需要多次噴灑藥液，受外界條件等不可預(yù)見因素影響較大，且污染環(huán)境。棉花機(jī)械打頂已然成為中國棉花規(guī)模化、集約化發(fā)展的瓶頸，是一個亟需解決的問題[3]。

國外對棉花打頂技術(shù)研究較早，經(jīng)歷了蓄力牽引、拖拉機(jī)機(jī)械動力驅(qū)動、液壓驅(qū)動的發(fā)展過程，較具代表性研究工作有：Alex Marquis 設(shè)計了世界上第1代棉花打頂機(jī)械，該機(jī)采用水平牽引式，借鑒剃頭刀原理，依靠人力使齒形刀具做水平間歇運(yùn)動對棉花進(jìn)行打頂[4]；Joseph等[5]設(shè)計了雙行棉花打頂機(jī)，主要解決棉花打頂作業(yè)與拖拉機(jī)的配合、動力輸出等問題；Howell等[6]發(fā)明了第三代棉花打頂機(jī)，利用垂直標(biāo)尺測量棉株高度，根據(jù)測量高度利用刻度盤實現(xiàn)打頂機(jī)高度調(diào)控。Andy[7]研發(fā)了掛接在拖拉機(jī)前端、用液壓馬達(dá)驅(qū)動的打頂機(jī)。因未能有效解決高度仿形問題，現(xiàn)階段以美國為首的歐美國家主要通過化控的方法消除棉株頂端優(yōu)勢。

國內(nèi)棉花機(jī)械打頂技術(shù)經(jīng)歷了從整機(jī)仿形、對地仿形到單行仿形的發(fā)展過程，比較有代表性研究工作有：胡斌等研發(fā)了首臺3MD-12型棉花打頂機(jī)，通過地輪仿行，利用拖拉機(jī)動力輸出進(jìn)行切割打頂，團(tuán)隊成員在此基礎(chǔ)上改進(jìn)研發(fā)了3MDY-12/3MDZK-12型棉花打頂機(jī)[8]。周海燕等[9]在早期3WD系列打頂機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計了基于激光測距的 3WDZ-6 型自走式棉花打頂機(jī)，并對關(guān)鍵參數(shù)及部件進(jìn)行了設(shè)計。張曉輝等[10]設(shè)計了自走式棉田打頂定向施藥管理機(jī)，對高地隙通用底盤、液壓系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計，并進(jìn)行了田間試驗驗證。謝慶等[11]設(shè)計了基于PLC 伺服控制的棉花打頂機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗。對于識別系統(tǒng)，目前常用的技術(shù)有激光技術(shù)、超聲波技術(shù)、圖像處理技術(shù)、光電技術(shù)等[12-14]。因光電傳感器成本低，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)棉田復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，因此棉花高度識別系統(tǒng)多采用光電傳感器。但由于受棉田復(fù)雜作業(yè)環(huán)境影響，目前打頂機(jī)械裝備大多停留在試驗階段。

本文針對現(xiàn)有棉花打頂機(jī)打頂率低，打頂和噴藥環(huán)節(jié)獨(dú)立作業(yè)造成拖拉機(jī)動力浪費(fèi)的問題，通過集成精準(zhǔn)打頂與變量施藥技術(shù)，設(shè)計了分-扶禾裝置、高度檢測系統(tǒng)、打頂系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，研制了一種以field-programmable gate array（FPGA）控制器為核心的自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)，以期實現(xiàn)棉花打頂與施藥聯(lián)合作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由分-扶禾裝置、打頂系統(tǒng)、機(jī)架升降裝置、觸屏顯示器、控制系統(tǒng)、藥箱、平行四桿機(jī)構(gòu)、噴藥系統(tǒng)、速度編碼器、自走式底盤等組成，如圖1所示。

1.分-扶禾裝置 2.打頂系統(tǒng) 3.機(jī)架升降裝置 4.觸屏顯示器 5.控制系統(tǒng) 6.藥箱 7.平行四桿機(jī)構(gòu) 8.噴藥系統(tǒng) 9.速度編碼器 10.自走式底盤

自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

在自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)作業(yè)之前，根據(jù)作業(yè)地塊棉花高度，首先調(diào)節(jié)前端機(jī)架升降裝置，使棉花頂部處于打頂范圍內(nèi)。作業(yè)時，分-扶禾裝置將行間棉花頂部交叉棉枝分開并收攏，收攏后檢測傳感器對棉花高度進(jìn)行檢測并將信號傳送至控制器，控制器根據(jù)棉花高度及機(jī)具行進(jìn)速度調(diào)整打頂系統(tǒng)，實現(xiàn)高度升降調(diào)整及打頂作業(yè)；同時，后端噴藥裝置在控制器作用下依據(jù)行進(jìn)速度實時調(diào)整噴藥流量，實現(xiàn)定量噴藥作業(yè)。作業(yè)過程中觸屏顯示器實時顯示刀軸轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、作業(yè)面積、噴藥流量等參數(shù)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 分-扶禾裝置設(shè)計

棉花打頂作業(yè)經(jīng)歷分禾-扶禾-切割-放開4個過程，由于生長期棉花整體形狀呈現(xiàn)枝蔓型傘狀，植株粗大、分枝多且植株間交錯，為減小因主動分禾裝置造成撞鈴、撞桃、損壞棉葉等問題，基于棉花種植模式及空間分布特征設(shè)計分-扶禾裝置。機(jī)采棉種植模式為（66+10）cm，如圖2所示。

注：d為相鄰兩株棉花距離，cm；d1、d2為相鄰兩株棉花角果層最大直徑，cm；φ1、φ2為最外層分枝與主莖稈的夾角，(°)。

為實現(xiàn)分禾裝置最大限度分禾[15]，分禾裝置的最大寬度max應(yīng)不小于相鄰兩植株上纏繞分枝拉平后的長度，根據(jù)幾何關(guān)系，需要滿足的條件為

式中max為分禾器最大寬度，cm。

分-扶禾裝置主要由分禾板、扶禾板、下固定板、掛接板、傳感器固定板等組成，如圖3所示。

1.傳感器固定板 2.扶禾板 3.下固定板 4.連接板 5.分禾板 6.檢測傳感器 7.掛接板

由圖3可知，連接板上端與掛接板焊合，下端與下固定板焊合，構(gòu)成裝置主體。分禾板通過螺栓固定在該主體結(jié)構(gòu)前端，扶禾板通過螺栓固定在主體結(jié)構(gòu)中間；傳感器固定板通過螺栓固定在分禾板與扶禾板交接位置，檢測傳感器通過螺栓固定在傳感器固定板內(nèi)部；整個裝置成對稱結(jié)構(gòu)，前端成“八”字型。作業(yè)過程中，分禾板將大行之間棉枝分開后收攏至扶禾板，配合打頂系統(tǒng)完成打頂作業(yè)。綜合上述設(shè)計依據(jù)和前期測量的棉花植株幾何特性參數(shù)，確定分禾裝置最大寬度為470 mm。

2.2 棉花高度檢測系統(tǒng)設(shè)計

棉花高度檢測系統(tǒng)由高度識別傳感器和FPGA控制器等組成。棉花高度識別傳感器由33對光電傳感器組成。測量光幕傳感器是一種特殊的光電傳感器，包含相互分離且相對放置的發(fā)射管BMEL2410A和接收管BMRL2410A兩部分，發(fā)射接收管間距200 mm。傳感器測量值為棉花頂部最高高度。識別范圍為0～320 mm，即由棉花平均高度上下160 mm，低于識別范圍無檢測信號，高于識別范圍將最高點(diǎn)視為棉株高度。

作業(yè)時，棉株從傳感器中間穿過，發(fā)射管發(fā)出的光束被遮擋，接收管接收不到光束，接收管截止，接收管輸出高電平信號；如果沒有棉株從傳感器中間穿過，發(fā)射管發(fā)出光束被接收管接收，接收管導(dǎo)通，接收管輸出低電平信號。配合 FPGA 控制器及其軟件，采集最后阻擋光線號數(shù)即可分析檢測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對棉花高度的精準(zhǔn)檢測。

2.3 打頂系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

棉花打頂系統(tǒng)主要由打頂裝置和升降控制裝置組成，打頂裝置由直流電機(jī)、聯(lián)軸器b、軸承安裝座、刀軸、切割刀等組成；升降控制裝置由減速器、聯(lián)軸器a、伺服電機(jī)Ⅰ、電機(jī)安裝座、上固定板、中間連接板、下固定板、直線滑軌、成套絲杠、升降底座、等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.減速器 2.聯(lián)軸器a 3.上固定板 4.直線滑軌 5.中間連接板 6.下固定板 7.成套絲杠 8.伺服電機(jī) 9.電機(jī)安裝座 10.直流電機(jī) 11.升降底座 12.聯(lián)軸器b 13.軸承安裝座 14.刀軸 15.圓盤刀 16.速度編碼器 17.控制器

作業(yè)時，控制器根據(jù)所測棉花高度控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角，需要上升打頂時，伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，絲杠帶動打頂裝置沿導(dǎo)軌上升；需要下降打頂時，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，絲杠帶動打頂裝置沿導(dǎo)軌下降。打頂?shù)稙閳A盤鋸齒刀，直流電機(jī)通過刀軸驅(qū)動圓盤刀旋切，實現(xiàn)精準(zhǔn)打頂。

2.3.2 升降裝置工作性能分析

要實現(xiàn)棉花的精準(zhǔn)打頂，要求傳感器檢測到棉花高度信號，信號傳輸?shù)酱蝽斞b置，打頂裝置需按規(guī)定時間內(nèi)升降至準(zhǔn)確的打頂高度。將棉花實際生長高度與理想打頂高度分別連接成曲線圖，理想打頂效果如圖5所示。

圖5 棉花打頂效果原理示意圖

為達(dá)到打頂理想狀態(tài)，要求機(jī)具正常行駛速度下經(jīng)過相鄰兩株棉花所需時間應(yīng)大于打頂裝置升降到最大高度的時間。即

式中L為棉花株距，cm；V為機(jī)具行進(jìn)速度，m/s；max為打頂裝置升降最大高度，cm；V為升降速度，m/s；t為控制器處理信號時間，ms，一般為幾毫秒，可忽略不計。

即

從式（3）可得，在棉花株距、升降高度一定時，機(jī)具行進(jìn)速度與打頂裝置升降速度匹配打頂效果理想。文中伺服電機(jī)采用60ASM400-24V型號電機(jī)（深圳市杰美康機(jī)電有限公司生產(chǎn)），額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min；減速器采用PLE60-5型號減速器（深圳市杰美康機(jī)電有限公司生產(chǎn)），減速比為1/5，實際轉(zhuǎn)速為600 r/min；所用成套絲杠導(dǎo)程為7 cm。

基于上述相關(guān)性，棉花高度變化平緩，機(jī)具行進(jìn)速度較慢時打頂效果理想。但是在棉花高度變化較大或者機(jī)具行進(jìn)較快時，打頂質(zhì)量下降明顯。

棉花打頂要求為一葉一芯，經(jīng)田間測量可得一葉一芯的棉頂高度在4～10 cm內(nèi)，基于棉花打頂量在7 cm上下波動時，能夠取得較好的打頂效果[16]，引進(jìn)二次指數(shù)平滑法對棉花打頂量進(jìn)行修勻，以期提高棉花打頂效率和質(zhì)量。

指數(shù)平滑是產(chǎn)生平滑時間序列的一種比較流行的方法，也是繪制擬合曲線的一種方法[17-19]，基本思想是在預(yù)測下一周期的指標(biāo)時, 既考慮本周期的指標(biāo), 又不忘記前面的指標(biāo)。平滑法預(yù)測是通過時間序列的修勻，消除原序列中隨機(jī)因素對事物的影響，使研究對象的趨勢規(guī)律更加清晰，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行預(yù)測分析。即通過指數(shù)平滑法對棉花打頂量進(jìn)行修勻，相鄰2株棉株高度差較大時，打頂量大于或者小于7 cm，保證打頂量在7 cm左右上下波動，如圖6所示?？刂破鲗Υ蝽斞b置的實際打頂位置進(jìn)行預(yù)測控制，消除劇烈波動值，實現(xiàn)平滑控制打頂。

圖6 打頂量修勻效果示意圖

采用二次指數(shù)平滑法，對檢測到的棉花高度值進(jìn)行打頂量修勻后打頂位置點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測。

二次指數(shù)平滑法的預(yù)測模型為

其中

式中F為第期預(yù)測值；為向未來預(yù)測的期數(shù)；a、b分別為模型參數(shù)。

采用二次指數(shù)平滑后打頂效果如圖7所示，從圖中可得，打頂修勻后棉株高度曲線平緩，消除了因棉花高度突然變化引起的劇烈波動問題，更加有利于控制器控制升降裝置的升降運(yùn)動，實現(xiàn)快速動作，提高機(jī)具的作業(yè)速度。

圖7 修勻后打頂效果示意圖

2.3.3 打頂?shù)掇D(zhuǎn)速確定

打頂期內(nèi)棉花頂芯直徑在2.7～5.9 mm范圍內(nèi)，頂芯較脆，為保證切割效果，綜合工作穩(wěn)定要求及機(jī)械設(shè)計要求等因素，采用水平旋轉(zhuǎn)式切割方式。打頂圓盤刀在水平面內(nèi)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動，采用鋸齒式圓盤刀。圓盤刀任一點(diǎn)的速度均由刀片圓周速度與自走式底盤行進(jìn)速度合成[20-21]。故任意點(diǎn)速度v為

由式（9）可知，當(dāng)

即

式中v為打頂?shù)度我稽c(diǎn)速度，m/s；vmin為打頂?shù)蹲钚∷俣?，m/s；0為打頂?shù)侗P轉(zhuǎn)速，r/min；v為機(jī)具行進(jìn)速度，m/s；為刀盤的角速度，rad/s；為刀盤轉(zhuǎn)過的初始角度，rad；1為刀盤旋轉(zhuǎn)時間，s；1為刀盤半徑，m。

無支撐旋轉(zhuǎn)式圓盤刀在切割棉花頂芯時，其刀片線速度不低于15 m/s[10]。整個打頂?shù)侗P圓周速度相等，以圓周上任一點(diǎn)為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)刀盤半徑0.2 m，將以上數(shù)據(jù)帶入式（12），計算得刀軸最小理論轉(zhuǎn)速0為716 r/min?？紤]棉田實際作業(yè)的功率損耗，選用型號5D90GN型直流電機(jī)，24V90W，額定轉(zhuǎn)速1 000 r/min（常州市戴維電機(jī)有限公司生產(chǎn)）。

2.4 變量噴藥系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

變量噴藥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要由藥箱、開關(guān)閥、藥液泵、溢流閥、電動調(diào)節(jié)閥、流量計、速度編碼器、控制器（與打頂系統(tǒng)共用）、顯示器、噴頭、液位傳感器等組成。

1.液位傳感器 2.藥箱 3.開關(guān)閥 4.溢流閥 5.藥液泵 6.電動調(diào)節(jié)閥 7.流量計 8.速度編碼器 9.控制器 10.觸屏顯示器 11.噴頭

通過顯示器設(shè)定噴藥量，作業(yè)過程中速度編碼器實時監(jiān)測機(jī)具行進(jìn)速度，并將信號傳送至控制器，控制器根據(jù)速度信號和當(dāng)前輸入的公頃噴藥量，實時控制調(diào)節(jié)閥開關(guān)量，通過控制流量實現(xiàn)變量噴藥作業(yè)。

2.4.2 參數(shù)設(shè)計

針對常量噴藥作業(yè)條件下，施藥均勻性差和農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重的問題，本文利用變量施藥技術(shù)，通過機(jī)具行進(jìn)速度與噴藥量匹配，實現(xiàn)噴藥過程的精量控制，提高作業(yè)質(zhì)量[22-23]。作業(yè)速度與公頃流量公式

式中為公頃噴量，L/hm2；為理論流量，L/min；為作業(yè)速度，m/s；為作業(yè)幅寬，m。

應(yīng)用目前比較常用的渦輪流量計測量實際流量，流量計輸出的電流信號為4～20 mA，與之對應(yīng)的流量范圍是0～8 000 L/h。

電流與流量公式

式中Q為實際流量，L/min；Q為流量測量上限值，L/h；為電流輸出，mA。

速度編碼器實時監(jiān)測機(jī)組的作業(yè)速度，渦輪流量計實時監(jiān)測藥液流量，控制器根據(jù)速度與流量信號實時調(diào)整調(diào)節(jié)閥開啟程度，保證噴藥量一致。

2.4.3 平行四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計

噴藥過程中因噴桿需要根據(jù)棉株高度變化進(jìn)行高度調(diào)整，噴頭方向不變，調(diào)整動作響應(yīng)快等特點(diǎn)，高度仿行機(jī)構(gòu)采用平行四桿結(jié)構(gòu)[24-25]。

以電動缸與平行四桿固定邊鉸接點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向為軸，垂直向下方向為軸，建立直角坐標(biāo)系，如圖9所示。

圖9 仿行機(jī)構(gòu)示意圖

由平行四連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)可知，點(diǎn)沿軸方向的位移即為噴桿沿軸方向的位移。圖示點(diǎn)的位置縱坐標(biāo)為

式中L為之間的長度，mm；L為之間的長度，mm；L為之間的長度，mm；L為之間的長度，mm。

當(dāng)點(diǎn)移動到′時，點(diǎn)′的縱坐標(biāo)為

其中

式中為電動缸伸縮量，伸長為正，收縮為負(fù)，mm；為電動缸運(yùn)動速度，mm/s；2為調(diào)節(jié)執(zhí)行時間，s。

由式（15）－（17）可得點(diǎn)的垂直位移為

根據(jù)自走式底盤結(jié)構(gòu)參數(shù)與棉花高度特征，L取210 mm，L取640 mm，L取400 mm；L取值范圍為360～600 mm。則由式（18）可以得出，噴桿垂直方向的調(diào)整量受L當(dāng)前取值、電動缸運(yùn)動速度、調(diào)制時間2及電動缸伸縮運(yùn)動狀態(tài)的影響。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件電路設(shè)計

整機(jī)控制系統(tǒng)以FPGA控制器為核心元件，主要由速度編碼器、檢測光幕、流量傳感器、液位檢測傳感器、伺服電機(jī)、直流電機(jī)、電動缸、電磁開關(guān)閥、電動調(diào)節(jié)閥、通訊電路、電源開關(guān)、控制器等組成，如圖10所示。傳感器主要用于檢測指標(biāo)的信號采集，電機(jī)主要用于實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)與升降控制，電磁開關(guān)閥和電動調(diào)節(jié)閥分別實現(xiàn)通斷與開關(guān)量調(diào)節(jié)；其中，觸摸屏由輸入、輸出、顯示電路等組成，主要實現(xiàn)人機(jī)交互、顯示即時指標(biāo)信息及實時監(jiān)控；電源由兩塊12V/120Ah/850A電池組成。

圖10 整機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 控制流程圖

控制系統(tǒng)工作流程圖如圖11所示。

圖11 整機(jī)控制流程

開啟觸摸屏設(shè)置基本參數(shù)，按下啟動按鈕后，速度編碼器采集機(jī)具行進(jìn)速度，將信號傳遞到控制器，打頂與噴藥系統(tǒng)開始工作?？刂破饕环矫娓鶕?jù)作業(yè)速度和棉花高度信號控制打頂系統(tǒng)完成打頂作業(yè)，另一方面根據(jù)作業(yè)速度和噴藥量控制噴藥系統(tǒng)完成噴藥作業(yè)。同時液位傳感器實時檢測藥箱液位高度，當(dāng)液位低于設(shè)定值時蜂鳴器報警，觸屏顯示界面實時顯示當(dāng)前各作業(yè)參數(shù)。

3.3 機(jī)載顯示器選擇

觸屏顯示器選用北京迪文科技有限公司的5.0英寸65K色的DGUS 屏，分辨率為800像素×480像素，亮度為900 nit，陽光直射下界面內(nèi)容也清晰可見[26-28]。本文設(shè)計的顯示器主界面顯示機(jī)具的每行設(shè)定打頂量、刀軸轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度、噴藥流量、作業(yè)面積等作業(yè)參數(shù)。

4 整機(jī)性能試驗

4.1 打頂性能試驗

試驗于2018年7月22日至27日在山東濱州市無棣縣西黃一村機(jī)采棉試驗基地，進(jìn)行棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)田間性能試驗。試驗品種為中棉915，前茬作物為棉花，種植模式為一膜六行機(jī)采棉模式，棉田種植密度1.2×105株/hm2；試驗用地1.0 hm2，試驗小區(qū)地表較為平整，處于打頂期內(nèi)的棉花作為試驗樣品。試驗以打頂率和打頂前后棉花高度相關(guān)系數(shù)作為評價指標(biāo)。

式中為試驗小區(qū)內(nèi)打頂率，%；n為已打頂?shù)挠行拗陻?shù)；為試驗小區(qū)內(nèi)有效棉株數(shù)。

試驗設(shè)3個試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積304 m2（3.04 m× 100 m），即每個測試區(qū)長為100 m，通過動力換擋和油門實現(xiàn)機(jī)具前進(jìn)速度的改變，速度由低到高速度區(qū)排開，在地頭和地尾處分別留出20 m的調(diào)頭預(yù)備區(qū)。每個測試區(qū)各行間隨機(jī)布置6個處理小區(qū)，小區(qū)面積為0.76 m× 5 m，用準(zhǔn)備好的標(biāo)識牌標(biāo)記各小區(qū)，并記錄小區(qū)內(nèi)棉花有效株數(shù)。棉花高度的測量方法采用人工測量自然狀態(tài)下棉株頂部到地面的垂直距離。試驗方法參照《農(nóng)作物田間試驗實用手冊》[30]，田間試驗如圖12所示。

圖12 田間試驗

表2為打頂性能指標(biāo)統(tǒng)計。從表2可以看出，隨著作業(yè)速度的提高棉花打頂后的標(biāo)準(zhǔn)差、相關(guān)系數(shù)逐漸減小，說明通過二次指數(shù)平滑修勻后棉花高度標(biāo)準(zhǔn)差變小，作業(yè)速度在2.5 km/h時，打頂率為91%，打頂前后相關(guān)性強(qiáng)。試驗過程中樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，工作安全可靠，能夠較好的完成棉花打頂作業(yè)。

表2 打頂性能指標(biāo)統(tǒng)計

4.2 變量噴藥試驗

變量噴藥是在給定的目標(biāo)噴藥量下進(jìn)行定量噴藥，實際噴藥流量與目標(biāo)噴藥流量的誤差值是衡量噴藥系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)。為便于測量，試驗測定時使用不含藥液的清水，在噴頭下方安裝接藥袋；為保證試驗的穩(wěn)定有效，試驗過程在平坦路面上進(jìn)行。噴藥量設(shè)定為300 L/hm2時，機(jī)具按照2、3、4 km/h的速度穩(wěn)定行駛，測試距離50 m，每個作業(yè)速度重復(fù)試驗3次，試驗完成后將接藥袋中的清水分別收集編號；然后用JJ-1000型電子秤（天津電子天平公司，精度0.01 g）稱出收集液體的質(zhì)量，并記錄，試驗統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 定量噴藥一致性試驗結(jié)果

從表3中可以看出，變量噴藥系統(tǒng)在設(shè)定的噴藥量下進(jìn)行定量噴藥作業(yè)時，隨著作業(yè)速度的增加，實際噴藥量增加，實際流量與理論流量相對誤差在5%以內(nèi)，能夠達(dá)到定量噴藥的目的。

5 結(jié) 論

1）基于高地隙自走式通用底盤作為承載體，研制了3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)，一次作業(yè)完成棉花打頂、噴藥作業(yè)，與傳統(tǒng)工作方式相比，減少了棉花管理的中間環(huán)節(jié)，提高作業(yè)效率的同時降低了勞動強(qiáng)度。

2）對分-扶禾裝置、高度檢測系統(tǒng)、打頂系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計，確定了分禾寬度為470 mm，圓盤刀軸最小轉(zhuǎn)速716 r/min、平行四連桿機(jī)構(gòu)長度參數(shù)等；以FPGA控制器為核心的3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互，顯示當(dāng)前設(shè)定的打頂量，實時顯示當(dāng)前作業(yè)速度、作業(yè)面積、噴藥流量等參數(shù)；藥箱藥液低于設(shè)定值時發(fā)出聲光報警。

3）3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)前端打頂部分，能夠一次性完成棉花分禾、收攏、扶禾打頂作業(yè)。打頂作業(yè)前，可根據(jù)棉花高度通過調(diào)節(jié)機(jī)架升降裝置實現(xiàn)初步調(diào)整，作業(yè)過程中高度檢測范圍0～320 mm；作業(yè)過程中控制系統(tǒng)根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度實時調(diào)整打頂響應(yīng)時間。當(dāng)作業(yè)速度在2.5 km/h時，打頂率為91%，打頂前后棉花高度相關(guān)系數(shù)為0.81。后端噴藥部分，能夠根據(jù)作業(yè)速度實時調(diào)整噴藥量，試驗表明實際流量與理論流量相對誤差在5%以內(nèi)，能夠達(dá)到定量噴藥的目的。

[1] 何磊，劉向新，周亞立，等. 垂直升降式單體仿形棉花打頂機(jī)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2013，44(增2)：62－67.

He Lei, Liu Xiangxin, Zhou Yali, et al. Vertical lift type single profiling cotton topping machine[J]. Transactions of the CSAM, 2013, 44(Supp.2): 62－67. (in Chinese with English abstract)

[2] 彭強(qiáng)吉，薦世春，宋和平，等. 3MDZJ-1型電力驅(qū)動式棉花智能精準(zhǔn)打頂機(jī)的研制[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016, 38(12)：117－121.

Peng Qiangji, Jian Shichun, Song Heping, et al. Development of 3 MDZJ-1type power driven intelligent precision cotton topping machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(12): 117－121. (in Chinese with English abstract)

[3] 陳傳強(qiáng)，蔣帆，張曉潔，等. 我國棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化生產(chǎn)發(fā)展現(xiàn)狀、問題與對策[J]. 中國棉花，2017，44(12)：1－4.

Chen Chuanqiang, Jiang Fan, Zhang Xiaojie, et al. The present situation problems and countermeasures of mechanized production of cotton in china[J]. China cotton, 2017, 44(12): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[4] Alex M, Willie S. Cotton topper and boll weevil catcher1325406[P]. 1919-12-16.

[5] Joseph W B, Augusta C. Cotton topper: 2578963[P]. 1951-10-18.

[6] Howell J P, Canyo T. Rotary cotton topper: 2720740[P]. 1955-10-18.

[7] Andy A K. Cotton topper: 3017732[P]. 1962-01-23.

[8] 羅昕，胡斌，王維新，等. 3MDZK-12 型組控式單行仿形棉花打頂機(jī)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2008，30(11)：136－138.

Luo Xin, Hu Bin, Wang Weixin, et al. 3MDZK-12 type group control and single row profiling cotton topping machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2008, 30(11): 136－138. (in Chinese with English abstract)

[9] 周海燕，尹素珍，朱立成，等. 3WDZ-6型自走式棉花打頂機(jī)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41(增刊1)：86－89.

Zhou Haiyan, Yin Suzhen, Zhu Licheng, et al. Design of 3WDZ-6 self-propelled cotton top cutting[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(Supp.1): 86－89. (in Chinese with English abstract)

[10] 張曉輝，劉剛，初曉慶，等. 自走式棉田打頂定向施藥管理機(jī)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(22)：40－48.

Zhang Xiaohui, Liu Gang, Chu Xiaoqing, et al. Design and experiment of self-propelled cotton topping and directional spraying machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 40－48. (in Chinese with English abstract)

[11] 謝慶，石磊，張玉同，等. 基于PLC伺服控制的棉花打頂機(jī)設(shè)計與試驗研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(1)：87－91.

Xie Qing, Shi Lei, Zhang Yutong, et al. The growth device and preliminary test for hydroponic spinach based on ozone concentration[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(1): 87－91. (in Chinese with English abstract)

[12] 沈曉晨. 棉花打頂機(jī)棉株高度識別技術(shù)的研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2018.

Shen Xiaochen. The Height of the Cotton Plant Identification Technology for Cotton Top-cutting Machine[D]. Shihezi: Shihezi University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[13] 史增錄，張學(xué)軍，丁永前，等. 基于自動檢測與控制的棉花打頂裝置的設(shè)計[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2017，38(12)：58－62.

Shi Zenglu, Zhang Xuejun, Ding Yongqian, et al. Design of cotton topping device based on automatic detection and control[J]. Jouranal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(12): 58－62. (in Chinese with English abstract)

[14] 耿愛軍，張曉輝，苗乃樹，等. 3YDX-3型煙草打頂抑芽機(jī)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(7)：96－101.

Geng Aijun, Zhang Xiaohui, Miao Naishu, et al. Development of 3YDX-3 topping and restrain-germinating machine of tobacco[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(7): 96－101. (in Chinese with English abstract)

[15] 潘佛雛. 密植作物用植保機(jī)械分禾裝置的研究[D]. 石河子：石河子大學(xué)，2018.

Pan Fouchu. Study on Separate-Seedling Device of Plant Protection Machinery for Dense Planting Crops[D]. Shihezi: Shihezi University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[16] 彭強(qiáng)吉，胡斌，羅昕，等. 不同打頂時間和高度對北疆高產(chǎn)棉花產(chǎn)量的影響[J]. 中國棉花，2012，39(5)：23－25.

Peng Qiangji, Hu Bin, Luo Xin, et al. The experimental study on the influence of yield of cotton in different topping time and topping height in north Xinjiang[J]. China Cotton, 2012, 39(5): 23－25. (in Chinese with English abstract)

[17] 單志龍，王宣琳. 基于指數(shù)平滑預(yù)測模型的移動節(jié)點(diǎn)定位算法[J].華南師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2016，48(5)：123－128.

Shan Zhilong, Wang Xuanlin. A localization algorithm based on index smoothing prediction model for mobile nodes[J]. Journal of South China Normal University: Natural Science Edition, 2016, 48(5): 123－128. (in Chinese with English abstract)

[18] 單志龍，劉蘭輝，張迎勝，等. 一種使用灰度預(yù)測模型的強(qiáng)自適應(yīng)性移動節(jié)點(diǎn)定位算法[J]. 電子與信息學(xué)報，2014, 36(6)：1492－1497.

Shan Zhilong, Liu Lanhui, Zhang Yingsheng, et al. A strong self-adaptivity localization algorithm based on gray prediction model for mobile nodes[J]. Journal of Electronics ＆Information Technology, 2014, 36(6): 1492－1497. (in Chinese with English abstract)

[19] 劉錢超，吳利，鄭禮輝. 一種基于二次移動平均法的容器云伸縮策略[J]. 計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2019(9)：1－11.

Liu Qianchao, Wu Li, Zheng Lihui. A container cloud scaling strategy based on double moving average method[J]. Computer Technology and Development, 2019(9): 1－11. (in Chinese with English abstract)

[20] 周楊. 工業(yè)大麻圓盤切割裝置的設(shè)計與試驗研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2017.

Zhou Yang. Design and Expeirmental Research of Hemp Plate Cutter[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2017. (in Chinese with English abstract)

[21] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂，等. 光刃刀片切割甘蔗莖稈破壞過程高速攝像分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38(10)：31－35.

Liu Qingting, Ou Yinggang, Qing Shangle, et al. High-speed photography analysis on the damage process in cutting sugarcane stalk with smooth-edge blade[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(10): 31－35. (in Chinese with English abstract)

[22] 沈景新，孫永佳，孫宜田，等. 3WP-650型智能變量噴桿噴霧機(jī)的設(shè)計與試驗[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2016，37(6)：238－242.

Shen Jingxin, Sun Yongjia, Sun Yitian, et al. Design and test of 3WP-650 type intelligent variable spray rod spray machine[J]. Jurnal of Chinese gricultural mechanization, 2016, 37(6): 238－242. (in Chinese with English abstract)

[23] 蔣煥煜，張利君，劉光遠(yuǎn)，等. 基于PWM變量噴霧的單噴頭動態(tài)霧量分布均勻性實驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2017，48(4)：41－46.

Jiang Huanyu, Zhang Lijun, Liu Guangyuan, et al. Experiment on dynamic spray deposition uniformity for PWM variable spray of single nozzle[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(4): 41－46. (in Chinese with English abstract)

[24] 尹建軍，劉丹萍，李耀明. 方捆機(jī)撿拾器高度自動仿形裝置參數(shù)分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014，45(8)：86－92.

Yin Jianjun, Liu Danping, Li Yaoming, Design and parameters analyses of automatic height profiling device of quadrate-bale baler pickup[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 86－92. (in Chinese with English abstract)

[25] 薛濤，謝斌，毛恩榮，等. 玉米去雄機(jī)去雄作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(4)：49－54.

Xue Tao, Xie Bin, Mao Enrong, et al. Design and experiment of emasculation control system of corn detasseling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 49－54. (in Chinese with English abstract)

[26] 王錦江，陳志，楊學(xué)軍，等. 3QXZ-6型制種玉米去雄機(jī)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(7)：112－118.

Wang Jinjiang, Chen Zhi, Yang Xuejun, et al. Design and experiment of 3QXZ-6 seed corn detasseling machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 112－118. (in Chinese with English abstract)

[27] 孫永佳，沈景新，竇青青，等. 基于Cortex-M3的免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2018，49(8)：50－58.

Sun Yongjia, Shen Jingxin, Dou Qingqing, et al. Design and test of monitoring system of no-tillage planter based on Cortex-M3 processor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 50－58. (in Chinese with English abstract)

[28] 孟鵬祥，耿端陽，李玉環(huán)，等. 基于單片機(jī)與DGUS顯示的精密播種機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(2)：171－175.

Meng Pengxiang, Geng Duanyang, Li Yuhuan, et al. Research on the monitoring system of the precision seeder based on single chip microcomputer and display DGUS[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39 (2): 171－175. (in Chinese with English abstract)

[29] 徐國偉，王賀正，翟志華，等. 不同水氮耦合對水稻根系形態(tài)生理、產(chǎn)量與氮素利用的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(10)：132－141.

Xu Guowei, Wang Hezheng, Zhai Zhihua, et al. Effect of water and nitrogen coupling on root morphology and physiology,yield and nutrition utilization for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 132－141. (in Chinese with English Abstract)

[30] 李自學(xué). 農(nóng)作物田間試驗實用手冊[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

Design of 3MDZ-4 self-propelled cotton topping and spraying combined machine

Peng Qiangji1,2, Kang Jianming1※, Song Yumin1, He Qinghai1

(1.,250100,;2.,832000,)

The apical dominance of cotton was unfavorable to the grown of cotton. Cotton topping at the appropriate time can eliminate the apical dominance of cotton, achieving the purposes of precocity, high yield and stable the production. As such, topping based on artificial, topping based on chemical control method, and topping based on mechanical method are developed. However, there are some disadvantageous factors to restrict the promotion and application of topping based on artificial and chemical control methods. The cost of topping based on artificial method is too high, and is inadequate to apply in large scale. The stability of the topping based on chemical control method is low with some variable factors, and some environmental pollution problems are also an issue. Therefore, topping based on mechanical method is chosen as the suitable method to cotton topping. The low efficient is shown on current cotton topping machine, and the operations of topping and pesticide is achieved independently so that large energy and man power are wasted. Therefore, to overcome this disadvantages, in this study, an integrated idea of topping accurately and variable rate of pesticide spraying was presented, and a 3MDZ-4 self-propelled cotton topping and spraying machine was developed, with functions of the seedling divided, the seedling holding, the topping and the pesticide spraying simultaneously. The seedling divided-holding device, the height detection system, the topping system, and the spraying system were the critical components of the machine. To assure the quality of the designed machine, based on the design and analysis of the critical components, the critical parameters were obtained. The critical parameter of the seedling divided width was 470 mm. The critical parameter of the height detection range was 0-320 mm. The critical parameter of the minimum speed of disc cutter was 716 r/min. The critical parameter of the length of parallel four connecting rods was 640 mm. Through the field experiments, it was found that the topping efficiency was 91%, with the running speed of 2.5 km/h, indicated that the high efficiency of topping was realized. The coefficient of association of the cotton height was 0.81, indicating there was strong correlation between before topping and after topping. The spraying quantity was adjustable according to the running speed, the relative error of the actual flow and the theoretical flow was less than 5% so that the variable spraying could be achieved. The designed machine could realize the man-machine interaction. The current spraying quantity, the running speed, the working area and the spraying quantity of flow all could be display real-time on the touch-screen display. For the process monitoring, the sound and light alarm was achieved with the pesticide liquid was lower than set value, which improved the intelligent level of the cotton topping and the spraying machine. This research could provide some theoretical references for design of the cotton topping and spraying machine.

agricultural machinery; crops; design; cotton; topping; spraying; test

2019-05-10

2019-06-30

山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2017NC212009）

彭強(qiáng)吉，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與關(guān)鍵技術(shù)的研究。Email：pengqiangji@shandong.cn

康建明，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與關(guān)鍵技術(shù)的研究。Email：kjm531@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.004

S491

A

1002-6819(2019)-14-0030-09

彭強(qiáng)吉，康建明，宋裕民，何青海. 3MDZ-4型自走式棉花打頂噴藥聯(lián)合作業(yè)機(jī)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(14)：30－38. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.004 http://www.tcsae.org

Peng Qiangji, Kang Jianming, Song Yumin, He Qinghai. Design of 3MDZ-4 self-propelled cotton topping and spraying combined machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 30－38. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.004 http://www.tcsae.org