数理统计分析算法下智能插秧机作业优化研究

2024-01-09曾翔宇

农机化研究 2024年1期

曾翔宇

(吉林开放大学,长春 130022)

0 引言

水稻插秧机作业规范,水稻成行性好,利于水稻光照和通风,能够有效提高产量,便于种植过程中的机械化作业[1]。随着新能源使用的不断推进,电动水稻插秧机的应用也更加普遍,传统的燃料插秧机工作性能稳定,但随着环境与能源问题的突出,新能源农业机械设备成为现代农业发展的趋势。随着电机的电池控制技术的发展,新能源农业机械设备也进入到实践推广过程中,而电力驱动插秧机能够有效降低插秧过程中的人力成本[2-3]。传统插秧机结构复杂、质量大,工作过程中消耗较多的能源,排放废气和噪音。电力驱动水稻插秧机采用多个电机直接驱动插秧机执行构件,简化了插秧机动力传输过程,使插秧机的整机质量明显降低,从而减少工作过程的能源消耗[4]。精准掌握插秧机执行机构实际功率是进行插秧机电机分布的前提,对于插秧机载荷与作业行进速度进行计算分析,是确保插秧机电力分配的基础[5-7]。

笔者通过对电力驱动水稻插秧机进行系列试验,确定插秧机执行机构功率参数和驱动电机参数,优化插秧机电池容量与作业参数,旨在为电动插秧机的精准化设计提供参考。

1 插秧机总体设计

插秧机的结构形式主要为四轮乘坐式插秧机、无驱动步进式插秧机和两轮手扶式插秧机[8]。四轮插秧机以农用柴油机为动力源,工作过程动力大,工作效率高;无驱动步进式插秧机采用人力拖动的方式进行工作,工作效率低,插秧机整体质量轻,便于作业过程搬运;两轮手扶式插秧机质量和工作效率处于四轮乘坐式插秧机和无驱动步进式插秧机之间[9-10]。

本文研究的水稻插秧机为2轮3浮板式,搭载直流电机改造成电动式水稻插秧机,包含2个行走水轮,行走机构使用1台电机进行驱动,仿形机构使用1台电机驱动,插秧机构使用1台电机驱动[11]。仿形机构驱动电机驱动旋转丝杠,带动机构传动臂转动;行走机构驱动电机固定在水轮支撑臂上,依靠链条传动驱动行走水轮,插秧机两个水轮能够独立工作;插秧机构驱动电机能根据行进速度进行调节,实现秧苗的分插作业。

2 插秧机牵引力与功率设计

电动插秧机牵引力试验过程中,当行进速度较低时,浮板漂浮于排水层,浮板与泥土之间形成较大的粘滞阻力,当行进速度小于0.25m/s时,插秧机牵引力较大;当插秧机行进速度大于0.3m/s时,泥土粘滞阻力降低,牵引力与速度之间近似呈正比关系[12-13]。进行牵引力试验时,选择试验速度为0.3、0.4、0.5、0.6m/s,插秧机载荷分别为0、20、40、60、80、100kg,分别进行20次试验统计。图1(a)所示为行进速度为0.3m/s时,不同载荷条件下插秧机牵引力试验数据曲线;图1(b)所示为行进速度为0.4m/s时,不同载荷条件下插秧机牵引力试验数据曲线;图1(c)所示为行进速度为0.5m/s时,不同载荷条件下插秧机牵引力试验数据曲线;图1(d)所示为行进速度为0.6m/s时,不同载荷条件下插秧机牵引力试验数据曲线。

(a)行进速度0.3m/s

(b)行进速度0.4m/s

(c)行进速度0.5m/s

(d)行进速度0.6m/s图1 插秧机牵引力试验数据曲线Fig.1 Experimental data curve of traction force of transplanter

表1所示为牵引力数理统计数据结果。由表1可知:插秧机作业过程中,牵引力大小主要受到载荷的影响,牵引力大小受行进速度的影响较小。

当插秧机设计载荷为100kg时,插秧机仿形机构进行提升,提升速度为0.15m/s,此时仿形机构驱动平均功率为315W。分叉机构驱动电机驱动分插变速箱,带动秧苗针和秧苗板,在满载状态下,分插机构驱动功率为250W。根据以上试验分析数据,确定插秧机牵引驱动功率、仿形机构驱动功率及分插机构驱动功率分配方案如表2所示。

表1 牵引力数理统计数据结果Table 1 Results of mathematical statistics of traction force N

表2 驱动电机功率分配方案Table 2 Drive motor power distribution scheme

3 插秧机动力试验分析与参数优化

插秧机仿形机构启动过程中,在水田当中的功率函数为

Q=Fdv+pt(v)

其中,Q为插秧机作业功率;Fd为插秧机牵引力;v为行进速度;pt(v)为插秧机功率速度函数。

插秧机功率速度函数可表示为

pt(v)=157v+148.8

表3所示为插秧机功率特性分布参数。

表3 插秧机功率特性分布参数Table 3 Power characteristic distribution parameters of transplanter W

蓄电池最大连续作业面积可表示为

其中,S为连续作业面积;Gl为蓄电池质量;ρb为蓄电池能量密度;d为插秧机作业宽度。

进行插秧机连续作业面积试验时,选择试验速度为0.3、0.4、0.5、0.6m/s,插秧机载荷分别为0、20、40、60、80、100kg,分别进行20次试验统计。图2(a)所示为行进速度为0.3m/s时,不同载荷条件下插秧机连续作业面积试验数据曲线;图2(b)所示为行进速度为0.4m/s时,不同载荷条件下插秧机连续作业面积试验数据曲线;图2(c)所示为行进速度为0.5m/s时,不同载荷条件下插秧机连续作业面积试验数据曲线;图2(d)所示为行进速度为0.6m/s时,不同载荷条件下插秧机连续作业面积试验数据曲线。