殘膜回收機自動仿形系統設計與試驗

王金武 楊會民 蔣永新 陳毅飛 張佳喜

摘要：目前殘膜回收機已經成為新疆棉田回收殘膜的主要方式之一。在殘膜回收機回收殘膜的過程中，由于棉田的環境復雜多變，而現有的殘膜回收機無仿形功能，導致入土部件的入土深度不穩定，這就造成殘膜拾凈率達不到預期結果等問題。4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機存在同樣問題，所以根據此機型設計一套機—電—液配合的自動仿形系統，對地面仿形傳感機構的運動進行分析，確定機械部件的關鍵參數，并對仿形系統進行場地試驗和田間試驗。結果表明，該機工作穩定可靠，整體仿形穩定，在機具作業速度為6.5～7 km/h時，其入土部件的入土深度平均值為91.6mm，其標準差為3.13 mm，殘膜拾凈率達89.5%。

關鍵詞：殘膜回收機；入土部件；機—電—液配合；自動仿形

中圖分類號：S223.5? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0044-07

Design and test of automatic copying system for residual film recovery machine

Wang Jinwu1， Yang Huimin2， 3， Jiang Yongxin2， 3， Chen Yifei2， 3， Zhang Jiaxi1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China;2. Research Institute of Agricultural Mechanization， Xinjiang Academy of Agricultural Sciences， Urumqi， 830091，China; 3. Scientific Observation and Experimental Station for Forest Fruit Cotton Equipment， Ministry ofAgriculture and Rural Affairs， Urumqi， 830091， China）

Abstract：

At present， residue film recovery machine has become one of the main ways of residue film recovery in xinjiang cotton field. In the process of recovering residual film by residual film recovery machine， due to the complex and changeable environment of cotton field， and the existing residual film recovery machine does not have the function of copying， resulting in the instability of the soil depth of the buried parts， which causes the problems that the residue film clean rate can not reach the expected results and? so on. In order to solve this problem， a set of automatic profiling system with mechanical-electro-hydraulic coordination for the 4JSM-2.1A cotton straw returning and residual film recovery combined operation machine was designed to analyze the motion of profiling sensing mechanism on the ground， and determine the key parameters of mechanical components. Finally， the evaluation of the site test and the field test of the copying system showed that the whole machine worked stably and reliably. When the working speed of the machine was 6.5-7 km/h， the average depth of the buried parts was 91.6 mm， and the standard deviation was 3.13 mm. The cleaning rate of residual film reached 89.5%.

Keywords：residual film recovery machine; grave parts; electro-hydraulic fit; automatic copying

0 引言

地膜覆蓋栽培技術優點眾多，對中國旱地農業發展具有重大的、積極的作用［13］。但是推廣該技術的同時也引發了白色污染的問題，由于使用后的殘膜長時間滯留在田間土壤里得不到及時處理，嚴重污染農田的生態環境，因此，殘膜回收問題迫在眉睫［4， 5］。

目前，回收廢舊殘膜的方式可分為人工收膜和機械收膜兩種方式［6， 7］。4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的收膜方式為機械收膜中的聯合作業收膜，其能夠一次性完成秸稈粉碎和殘膜回收工作，收膜效率高、功能性強，同時既節約了時間，又減少了作業費用。但此機具在整體收膜功能上還達不到預期效果，其中一部分原因是機具的松土齒未能對凸凹不平的棉田進行仿形。

當前仿形技術已經廣泛應用到眾多領域，包括農用機械領域。4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的入土部件是松土齒，其功能是在進行挑膜工作之前對覆有殘膜的土地進行疏松，方便挑膜齒可以輕松挑收起殘膜，因此松土齒入土深度的穩定程度會對殘膜的回收效果產生一定影響。而棉田的凸凹、起伏程度正是影響松土齒入土深度的重要因素，因此對于較惡劣的地形來說，殘膜回收機在作業時，松土齒的入土深度不能得到保障，這就導致整機穩定性差，收膜能力不穩定。本文針對4JSM-2.1A型棉秸稈還田殘膜回收聯合作業機存在無仿形功能而導致收膜效果達不到預期的問題，設計一套機—電—液配合的自動仿形的系統。研究成果對促進殘膜污染治理具有重要意義［8］。

1 殘膜回收裝置結構及工作原理

1.1 整機結構

4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的殘膜回收裝置主要由牽引架、滾筒式挑膜裝置、主傳動系統、松土齒、行走舉升系統、送膜裝置等部件構成，如圖1所示。此機型是2020年新疆農業科學院農業機械化研究所研制的新型機具，其主要適用于棉花已被收獲、殘留的棉秸稈高度較低的、滴灌帶和利于棉花生長的管道已被全部回收的棉田。

1.2 工作原理

作業時，整機的兩部分同時工作，分別為殘膜回收裝置對地表殘膜的回收和棉秸稈還田裝置對棉田余留的棉秸稈進行粉碎處理并后拋還田。其中殘膜回收裝置的工作原理如下：利用傳動軸將通過前端的牽引架與拖拉機的動力輸出軸連接起來，在啟動動力輸出軸后，前端的動力傳遞到滾筒式挑膜裝置和后續的工作部件，拖拉機牽引機具開始向前行進，松土齒在此過程中對棉田地表殘膜下方的土壤進行疏松，以減小挑膜齒入土挑膜時的阻力，通過挑膜裝置的高速轉動，挑起的殘膜被帶動并送到送膜輪裝置入口處，此時送膜輪將殘膜刮下并且拋送到膜箱中，完成整個殘膜回收工作［9， 10］。

1.3 主要技術指標

根據國家標準，結合新疆地區棉花種植模式［11］，4JSM-2.1A型棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的主要技術指標如表1所示。

2 自動仿形系統設計

2.1 地面仿形傳感機構設計

自動仿形系統通過傳感器來采集棉田的地面起伏程度信息，傳感器的載體是仿形機構的機械部分，整體稱為地面仿形傳感機構。本文選用的傳感器為角度傳感器，角度傳感器目前應用廣泛，如地理、軍事、工業等領域，其特點是可以快速測出物體當前的角度、位置和速度。角度傳感器的使用在較大程度上提高測量進度的同時還降低了整個系統的成本。

2.1.1 結構設計及工作原理

作為整個自動仿形系統直接獲取地表信息的機構，地面仿形傳感機構獲取信號的準確性決定了整個仿形過程的精度。地面仿形傳感機構主要由安裝架、彈簧、角度傳感器、軸承、連接桿、仿形架、仿形地輪等部件構成，結構如圖2所示。整個地面仿形傳感機構用螺栓固定于殘膜回收裝置機架的側面橫梁上，為了更準確地獲取棉田地表真實狀況，仿形地輪在跟隨整機向前運動的時候，處于被拖行狀態，由于整個機構安裝后，彈簧一直處于拉伸狀態，受到一定的預拉力，因此可以保證仿形地輪一直緊貼地面。作業過程中經過高低起伏的地表時，套裝于軸承上的仿形架會發生角度上的變化，能夠帶動軸轉動。兩個限位塊通過連接桿相連，其中一個限位塊通過軸轉動，轉動時可帶動另一個套裝有角度傳感器的限位塊一起轉動，角度傳感器一旦跟隨轉動，地表信息就能被實時獲取。這樣仿形地輪隨地表做上下起伏的動作時，就能夠將地表變化信息快速轉化為角度變化信號被角度傳感器所接收。該機構采用了角度傳感技術，在機器經過凹凸不平的地表時，角度傳感器對地面的起伏有較為靈敏的反應，從而大大減少了整體仿形或若干前后部件組合仿形時動作提前或滯后所造成的仿形失真等問題［12］。

2.1.2 運動分析

如圖3所示，機器在正常工作時，仿形地輪在機器的拖行下沿著地面向前滾動，當仿形地輪從平整地面滾動突然遇到凹陷時，其模型為從C點運動到D點，在此過程中仿形地輪所處地面的高度發生了變化，地面高度從C點的高度h1變化到了D點的高度h2，同時仿形架與豎直方向的夾角也從α1變化到了α2。

根據式（1）、式（2）可求得Δα，即

α1=arccosh1－rL（1）

α2=arccosh2－rL（2）

Δα=α2－α1（3）

式中：h1、h2——仿形架上安裝點距離仿形地輪所處地面的高度，mm；α1、α2——仿形架與豎直方向的夾角，（°）；L——仿形架的長度，mm；r——仿形地輪的直徑，mm。

式（3）兩邊對L進行求導得

（Δα）′=h2－rL21－h2－rL2－h1－rL21－h1－rL2（4）

由式（4）可知，求出的（Δα）′小于0，相當于角度Δα的變化率小于0，因此在地表凹陷的高度一致和地面傳感機構安裝高度一定的情況下，仿形架的長度L越長，其與豎直方向夾角的變化率就越??；同理，當仿形地輪經過凸出地表時，其他條件不變，仿形架L越長，其與豎直方向夾角的變化率也越小，因此仿形地輪在緊貼地面滾動經過不平地表時，仿形架的擺動幅度就越小，這樣仿形工作就會更加穩定，從而間接提高了機身的穩定性。通過對機具作業時理想離地高度的分析，可以確定地面仿形傳感機構安裝于離地400 mm處，仿形架的長度為450 mm。

顯然，在仿形地輪向前行進的過程中，如果地面高低起伏發生變化，仿形架會帶動軸承發生轉動，限位塊會隨之轉動相應的角度，通過角度傳感器進行實時采集，從而能夠實時采集到地面的高低起伏信息。隨后將采集到的數據轉化為模擬電壓信號，通過其自身的AD轉換通道將該模擬電壓信號轉換成為數字模擬量并進行傳輸，最后經過算法來判斷地面的起伏值，并把處理好的數值信息傳送至上位機，上位機則會依據所接收到的數據做出指令，最后通過執行機構來實現對仿形動作的實施。

2.2 電控系統設計

電控系統分別連接地面仿形傳感機構和液壓控制系統，其作用是將角度傳感器所接收到的信號經過處理后傳遞給液壓控制系統。電控系統主線路所連接的電器部件主要有：控制器、控制面板、電源開關等其他電器元件，其組成框圖如圖4所示，而且在電控系統的設計中，還加入了部分監測部件，如攝像頭、GPRS天線、GNSS天線等。仿形ECU（電子控制單元）選用的是NUC130單片機。NUC130為較為常見的32位Cortex-M0微控制器，自帶AD轉換功能和CAN功能，支持CAN2.0A和CAN2.0B協議。Cortex-M0處理器內置的高效處理器核為3段流水線的諾依曼結構，適用于高要求的嵌入式應用［13］。其主要作用是對來自仿形傳感器的數據進行分析處理，判斷仿形地輪所行走地面的起伏程度，并把判斷結果和最終指令發送到控制面板和執行機構。

其中線路上連接兩個攝像頭，分別對應安裝于集膜箱的箱內后壁上和箱外壁上，監測畫面會同步出現于控制面板上，在整機工作的時候，便于了解機器后方棉秸稈粉碎后拋情況，同時也可以對集膜箱內的殘膜回收情況進行觀測，實時了解集膜箱內部狀態。GPRS天線和GNSS天線可通過底部的磁鐵吸盤吸立于拖拉機頂部或其他位于高點的地方，在與控制面板連接后，可通過GPRS技術對機具的工作位置和是否在作業狀態進行追蹤記錄，便于實時掌握機具的工作狀態?？刂泼姘蹇梢酝瑫r實現對整機狀態的監測和對自動仿形系統的控制。

監測方面，其不僅可以對機器的狀態進行監測，如機器是否處于工作狀態、機器作業速度、機器已完成的作業面積等，也能夠對自動仿形系統的實時參數進行監測，如當前角度值等。

控制方面，控制面板可以對自動仿形系統的仿形模式（手動模式和自動模式）進行調整。當仿形模式調為手動模式時，面板上的上升位、停止位和下降位可以隨意點動，并且仿形系統會根據點動的指令做出相應的反應，即伸縮油缸的伸出、停止和收縮，便于開啟自動仿形模式之前對仿形系統的測試；當仿形模式調為自動模式時，仿形系統就會根據地面仿形傳感機構獲取的信號來自行調節。同時控制面板還可以對仿形系統的仿形參數進行更改修正，如對初始角度進行設置，并輸入合適的角度最大允許波動范圍值，角度傳感器的角度變化量一旦超過這個值，就會傳出信號，最終驅使油缸實現相應的仿形動作?？刂泼姘瀹嬅嫒鐖D5所示。

2.3 液壓控制系統選擇與安裝

液壓系統為整個自動仿形系統的終端系統，為仿形動作實施的執行機構，主要是由電磁比例閥塊、油管、液壓缸等液壓元件組成。電控系統通過4個電磁閥頭與電磁比例閥塊相連接，4個電磁閥頭分別為2個開關閥頭和2個比例閥頭，其中2個開關閥頭分別傳輸液壓油缸伸或縮的指令，2個比例閥頭分別傳輸油缸的伸出量和收縮量指令。另外電磁比例閥塊的P、T兩油口分別與拖拉機上的進油口和回油口相連，保證可以通過拖拉機對閥體供油。A、B兩油口分別連接殘膜回收機兩側的兩個液壓缸，這樣就形成了閉環油路。電控系統接收地面仿形傳感機構傳出的地面起伏程度信號，由于電磁比例閥的出口油壓與控制電壓呈正相關，故地面仿形傳感機構對地面信息的獲取對最終油缸伸縮做出的仿形動作影響較大，通過算法的運算形成準確的電壓信號，將需要的仿形方向和仿形量指令通過電磁閥頭傳輸給電磁比例閥，隨后電磁比例閥塊按照指令控制兩個液壓缸，令液壓缸按照仿形要求做伸縮動作，最終完成整個仿形工作。本文選取定制的電磁比例閥塊，用螺紋連接于機具右前方的焊板上。經驗證，其使用可靠、易于安裝、結構緊湊，密封性良好，連接于上方的液壓缸伸縮動作靈敏。

2.4 自動仿形系統控制流程

本文所設計的自動仿形系統采用機-電-液結合的主動仿形技術，包括地面仿形傳感機構、電控系統和液壓控制系統3大部分組成，地面仿形傳感機構的主要作用是通過角度傳感器獲取地面信息，將地面的起伏程度轉化為角度傳感器角度的變化量，將變化量信號傳輸給電控系統；電控系統的主要作用是將地面仿形傳感機構傳輸的信號轉化為數字量，通過所持有的算法對數據進行分析，隨后通過電磁閥插頭將指令信息傳遞給液壓控制系統，同時電控系統中還裝有GPRS、GNSS和攝像頭等監測儀器及元件，通過車載終端控制面板可以對殘膜回收機的工作狀態以及收膜情況進行實時監測；液壓控制系統的主要作用是實施電控系統傳來的指令，通過控制液壓油缸的收縮來完成仿形動作。自動仿形系統控制流程如圖6所示。

3 場地試驗

為驗證理論并分析這套自動仿形系統的性能，對此套仿形系統進行試驗。因田間試驗研究周期較長，且此試驗符合場地試驗的條件，所以對設計的自動仿形系統先進行場地試驗。

3.1 試驗條件

本試驗地點選在新疆農業科學院農業機械化研究所的液壓實驗室進行，此實驗室場地空間充足無雜物，基礎設施齊全，且實驗室擁有RCYCS-DⅢ電液伺服比例綜合試驗臺1臺，如圖7所示，其完備各種類型的傳感器，包括壓力傳感器、流量傳感器、轉速傳感器、光柵位移傳感器等，以滿足各項試驗參數測試的需要，且系統配置中的25YCY14-1B變量柱塞被的額定排量為18 mL/rev，最高工作壓力為25 MPa，通過對油壓的調節，可以模擬正常作業時拖拉機的輸出油壓，且操作平臺面積大，可集成多個子系統，測試方法實用、可靠。擁有金屬線管件，耐壓膠管等配套液壓元件，耐壓膠管的壓力可達31.5 MPa，單、雙口液壓油缸若干，總體功能已達到此自動仿形系統的場地試驗要求。

3.2 試驗方法

將設計好的整套系統連接完整，電磁比例閥塊放置于試驗臺上，其P、T兩口分別與試驗臺的進油口、回油口相接，閥塊的A、B兩口分別與雙口液壓油缸的兩口相接，液壓油缸平放于地面上。用控制面板觀察攝像頭是否有畫面，畫面是否清晰可辨；啟動變量柱塞泵，先用控制面板將仿形模式調整為手動模式，分別點擊控制面板中的上升位、停止位和下降位，分別觀察在這三種狀態下，液壓油缸的伸縮狀況，觀察完畢后將液壓油缸復位；將仿形輪放置于離地高度為30 mm的地面，保證彈簧處于拉伸狀態，隨即用控制面板將系統模式調整為自動模式，反復用手快速托起、放下仿形地輪，觀察液壓油缸伸縮狀況。

3.3 試驗結果與分析

通過對整套系統的場地試驗知：

（1）攝像頭可正常捕捉畫面且畫面高清、清晰。

（2）當模式為手動模式，點擊面板上的上升位，液壓缸快速伸出；當點擊面板上的停止位時，液壓缸立即停止工作并保持靜止；當點擊面板上的下降位時，液壓缸快速收縮。

（3）當模式為自動模式，當用手快速托起仿形地輪時，液壓油缸快速伸出；當將仿形地輪快速放下時，液壓油缸快速收縮。

通過場地試驗結果顯示，此套自動仿形系統的整體設計合理，各部分所需功能都可以很好的實現，理論上可以實現殘膜回收機對地面的仿形。

4 田間驗證試驗

4.1 試驗條件

1）? 試驗儀器：直尺（0～30 cm）、卷尺（0～100 m）、電子秤。

2）? 配套動力：選用約翰迪爾6B-1204輪式拖拉機、其標定功率為88 kW，要求拖拉機整體功能良好，駕駛員駕駛技術熟練，對殘膜回收機的使用有經驗，熟悉殘膜回收機的工作原理。

本試驗于2021年10月在新疆巴音郭楞蒙古自治州庫爾勒市尉犁縣的棉田進行。此區域棉花已經全部收獲，部分地表起伏不平，土壤硬度適中，田間滴灌帶已被收回，地膜在田間滯留時間較長，且大部分位于地表表面，鋪設的地膜寬幅為2 050 mm，厚度為0.008 mm，地膜中部有少量覆土，且有不同程度的損傷。自動仿形系統正確安裝于殘膜回收機上，殘膜回收機為牽引式，由約翰迪爾6B-1204輪式拖拉機來提供動力。根據實際的市場效益和作業效率的問題，機組將試驗作業速度設置為6.5～7 km/h。

4.2 試驗方法

本試驗將殘膜回收率和松土齒的入土深度作為主要參數，可分為A、B兩組進行田間對比試驗。A組以現有的棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機為基礎，在田間隨機選取5個試驗區進行試驗，每個試驗區的長度為100 m，寬度為1.8m，在每個試驗區域隨機選取5個測試點，每個測試點長度為10 m，寬度為1.8m，回收到的殘膜進行包裝標記，隨后對所回收的殘膜進行清洗晾曬，待殘膜干燥后采用微型精密電子秤（1 000 g/0.01 g）對其進行稱量，可得出該試驗區域回收的殘膜平均質量W1；B組以安裝自動仿形系統后的棉結桿還田及殘膜回收聯合作業機為基礎，在田間隨機選取與A組不重合的試驗區域，其余的試驗方法與A組相同，可得出該試驗區域回收的殘膜平均質量W2，各測試點當年所鋪設的地膜質量W約為77.26 g。對A、B兩組機具松土齒劃過的地方進行入土深度測量，每個測試點隨機測量5次，最終求其平均值及標準差。

A、B兩組殘膜拾凈率分別可由式（5）、式（6）得出。

δ1=W1W×100%（5）

δ2=W2W×100%（6）

式中：δ1——A組現有的沒安裝仿形系統的棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的殘膜拾凈率；δ2——B組安裝了仿形系統后的棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機的殘膜拾凈率。

4.3 試驗結果

經過田間驗證對比試驗的驗證和測試，結果如表2所示，目前機具的平均殘膜拾凈率為85.8%，安裝自動仿形系統后機具的平均殘膜拾凈率為89.5%，由此可知，安裝有自動仿形裝置的聯合作業機在性能上有明顯提高。殘膜拾凈率的提高有一部分原因是自動仿形系統較為靈活的對地仿形能力增強，在之前的基礎上又將凸起和凹陷的地表上的殘膜進行了有效回收。

通過試驗可知，由于地表的凹凸不平，目前的機具在正常作業過程中會出現一定的顛簸現象，導致現有的聯合作業機機身無法隨時保持穩定，且松土齒的入土深度不能保持一致；機具在加入自動仿形系統后，其仿形地輪隨著地形的變化有較為明顯的上下起伏運動，且左右油缸有明顯的收縮動作，入土深度的一致性大大改善，仿形地輪在途經地表的凸起或凹陷時沒有發生明顯的彈跳，主要原因是地面土壤的強度可能較低，仿形輪在向前滾動時受地面沖擊力較小，且彈簧的拉緊力始終使仿形地輪緊壓地面。

經試驗后測量，安裝自動仿形系統后的棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機在工作時，其松土齒的入土深度一致性有明顯改善，穩定于85～100 mm，符合入土深度要求。加入自動仿形系統后的機具性能上明顯優于無仿形能力的機具，整機機身穩定性明顯提高，殘膜拾凈率有明顯的提高且比較穩定，松土齒入土深度測量結果如表3所示。

5 結論

1）? 安裝仿形系統后，聯合作業機的機身整體可實現對地面進行自動仿形，聯合作業機在工作時，仿形地輪會隨著地面狀態高低起伏，帶動角度傳感器采集到地面起伏信息，隨之通過電—液配合的仿形方式，使松土齒的入土仿形受地面不平和機具的顛簸影響減弱，入土深度明顯平穩且穩定于85～100 mm，滿足入土深度要求，入土深度標準差為3.13 mm，一致性得到較大幅度改善，同時也大大提高了整機的可靠性和穩定性。

2）? 仿形地輪在經過地表的凸起或凹陷時偶爾會發生彈跳現象，但當仿形地輪在棉田土壤上滾動時，在土壤的作用下，仿形地輪的高低起伏運動慣性會大大減弱，在車速一定的條件下，通過對彈簧預拉力的調整，仿形地輪可隨著地面的起伏持續緊壓棉田地表滾動，可避免在機具工作時，仿形地輪有明顯彈跳。

3）? 安裝自動仿形系統后，通過田間驗證對比試驗，在機具正常工作，作業速度為6.5～7 km/h時，殘膜拾凈率可達到89.5%，且仿形效果顯著，可以滿足殘膜回收的田間作業要求。

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基金項目：四川省區域創新合作項目（2021YFQ0018）；新疆維吾爾自治區科技支疆項目（2020E0252）；新疆農業科學院科技創新重點培育專項（xjkcpy—2021003）

第一作者：王金武，男，1996年生，河南南陽人，碩士研究生；研究方向為農業機械化與裝備工程。E-mail： 571386067@qq.com

通訊作者：蔣永新，男，1975年生，江蘇豐縣人，研究員，碩導；研究方向為農業機械化。E-mail： 10661713@qq.com