CN113057007B - 一种垄作薯类收获机的调节装置及其挖掘深度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种垄作薯类收获机的调节装置及其挖掘深度控制方法，属于农业机械技术领域。它解决了现有的收获机在行驶过程中会发生偏移，挖掘铲与地垄相对位置发生变化，有可能出现部分薯块没有被挖掘的情况发生等问题。本发明包括固定架、活动架、第一驱动装置和第二驱动装置，所述活动架活动设置在固定架上，收获机的挖掘铲设置在活动架上，第一驱动装置用于驱动活动架绕固定架摆动，所述第二驱动装置用于驱动活动架相对固定架左右平移。本发明的优点在于通过第一驱动装置驱动活动架绕固定架摆动来控制挖掘深度，通过第二驱动装置驱动活动架相对固定架左右平移从而实现自动对垒。

Description

一种垄作薯类收获机的调节装置及其挖掘深度控制方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种垄作薯类收获机的调节装置及其挖掘深度控制方法。

背景技术

甘薯、马铃薯为地下茎块作物，通常采用地垄种植，成品薯在地下15mm左右。目前使用较多的薯类收获机大多是将收获机开入两笼沟之间，并沿地垄行驶，通过设置在收获机上的挖掘铲来挖地垄里的薯块。

甘薯和马铃薯在南方丘陵地区一般种植在缓坡地，土地不是很平整，且播种后雨水天气较多，黏性土吸水过多后地垄容易塌陷，垄沟也容易被塌土填高，造成地垄高度不一致。收获机在工作时，由于地垄的垄顶是高低不平的，但是收获机上的挖掘装置距离地垄的高度是固定的，高度较低的地垄，挖掘的深度较浅，导致挖破薯块；高度较高的地垄，挖掘深度较深，导致挖掘阻力较大，挖出的薯块也容易被挖出的过量的土壤掩埋，明薯率下降，同时也降低了挖掘铲的使用寿命和稳定性。其次，在垄沟被土壤埋没的地方拖拉机轮子压上去后会带动整个收获机位置上移，使挖掘深度变浅，造成大幅破损。

上述情况或需要人工二次处理被回埋的薯块或者造成商品薯的损失，增加了人工作业的成本和商品薯的破损损失，并由于挖掘效果不理想，经常需要停工调整，影响机械化收获的效率。随着土地流转速度的加快，国内薯类种植大户不断增多，其对生产效率更高的薯类收获设备需求也越来越迫切。

发明内容

本发明的第一个目的是针对现有的收获机存在的上述问题，而提出了一种能够实现收获机自动对垒和挖掘深度控制的调节装置。

本发明的第一个目的可通过下列技术方案来实现：

一种垄作薯类收获机的调节装置，其特征在于，包括固定架、活动架、第一驱动装置和第二驱动装置，所述活动架活动设置在固定架上，收获机的挖掘铲设置在活动架上，第一驱动装置用于驱动活动架绕固定架摆动，所述第二驱动装置用于驱动活动架相对固定架左右平移。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述固定架上设有第一检测装置用于检测收获机行进时地垄高度的变化值，活动架上设有第二检测装置，用于检测活动架与地垄中心位置的变化值。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述的活动架包括侧安装板、前连接杆和后连接杆，两侧安装板左右对称设置，前连接杆和后连接杆前后间隔设置，前连接杆和后连接杆的两端分别与两侧安装板固连。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述活动架设置在固定架的下方，固定架靠近前连接杆的一侧固定设有一中心轴，所述中心轴上设有一滑动座，该滑动座的一端沿中心轴的轴向滑动设置在中心轴上，其另一端固定设有两转轴，所述前连接杆上固定设有两转动块，转动块对应套设在上述转轴上，所述活动架通过转轴转动设置在该滑动座上。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述的第一驱动装置包括第一液压缸，第一液压缸的缸体固定设置在滑动座上，其液压杆与活动架连接，用于驱动活动架绕转轴轴向转动。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述的第二驱动装置包括第二液压缸，第二液压缸的缸体固定设置在固定架上，其液压杆与滑动座连接，用于驱动滑动座沿中心轴轴向左右平移。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述的第一检测装置包括高度检测轮、安装座和高度位移传感器，高度位移传感器固定设置在固定架的前部，高度位移传感器的伸缩杆竖直向下与安装座固连，高度检测轮转动设置在该安装座上，高度检测轮的轮面能与垄顶相抵。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述的第二检测装置包括宽度检测轮、安装板和宽度位移传感器，第二检测装置共有两组，两组第二检测装置左右对称设置在挖掘铲的两端，宽度位移传感器通过安装板固定设置在挖掘铲上，两宽度位移传感器的伸缩杆横向相对设置，宽度检测轮转动设置在该伸缩杆上，宽度检测轮的轮面能与地垄侧壁相抵。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述的固定架上还设有一倾角传感器用于检测挖掘装置的倾斜角度。

在上述的一种垄作薯类收获机的调节装置中，所述的固定架上设有变速箱和液压泵，变速箱的输入轴与收获机的动力输出轴传动连接，变速箱的输出轴与液压泵传动连接，所述液压泵为上述第一液压缸和第二液压缸提供动力。

本发明的第二个目的是针对现有的甘薯收获机存在的上述问题，而提出了一种能够实现收获机自动对垒和挖掘深度控制的调节方法。

本发明的第二个目的可通过下列技术方案来实现：

一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法，其特征在于，通过上述第一检测装置检测地垄的高度变化，第一驱动装置控制挖掘铲的角度来实现收获机挖掘深度的控制。

在上述的一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法中，通过上述第二检测装置检测地垄两侧相对于挖掘铲的距离，第二驱动装置驱动挖掘铲平移，保持地垄两侧相对于挖掘铲的距离相同来实现挖掘铲和地垄的对中。

在上述的一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法中，它包括如下步骤：

①驾驶收获机将挖掘铲和地垄对中，将宽度位移传感器的压缩量调至量程中间位置作为基准值；

②将挖掘铲的倾斜角度调整为45°(初始基准角度值)，下放挖掘铲至合适挖掘深度(薯类200mm)，将高度位移传感器的压缩量调至量程中间位置作为基准值，此时即为垄高正常状态下的挖掘深度；

③驱动拖拉机沿地垄前进，得到高度位移传感器的读数的变化值Δh(位移传感器读数的变化值Δh即为地垄高度的变化值Δh)；得到两宽度位移传感器的读数H₁和H₂；

④根据步骤③中的Δh，通过数学模型计算得到挖掘铲的角度变化值Δθ，第一驱动装置驱动挖掘铲摆动Δθ的角度；

⑤第二驱动装置驱动挖掘铲向步骤③中的H₁和H₂数值较小的一侧移动，直至H₁和H₂的数值一致。

在上述的一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法中，步骤④中所述的数学模型为：Lsin(θ+Δθ)-Lsin(θ)＝Δh，其中：Δh为地垄高度变化值，Δθ为需要控制的角度变化值，L为旋转臂长(L＝800mm)，θ为初始基准角度值(θ＝45度)。

在上述的一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法中，优化的数学模型为：Δθ＝Δh/10。

在上述的一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法中，所述的Δh在±50mm的变动范围内，挖掘深度控制误差要求e≤±5的工作环境。

与现有技术相比，本发明通过将固定挖掘装置和土薯分离输送装置的机架分成固定架和活动架，将固定架与拖拉机通过三点悬挂方式连接，通过第一检测装置读取地垄的高度数值，以使第一驱动装置驱动活动架绕固定架摆动来控制挖掘深度，通过第二检测装置读取挖掘铲与地垄中心的偏移量，以使第二驱动装置驱动活动架相对固定架左右平移从而实现自动对垒。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的另一角度的结构示意图；

图3是本发明的第一驱动装置和第二驱动装置的放大图；

图4是本发明的第一检测装置和第二检测装置的放大图；

图5是本发明的挖掘铲倾斜角度的计算简图。

图中，1、固定架；2、活动架；3、中心轴；4、滑动座；5、转轴；6、第一液压缸；7、第二液压缸；8、高度检测轮；9、安装座；10、高度位移传感器；11、宽度检测轮；12、安装板；13、宽度位移传感器；14、变速箱；15、液压泵；16、挖掘铲；17、碎土栅条；18、输送网链；19、链轮；20、输送电机；21、对接部；22、侧安装板；23、前连接杆；24、后连接杆；25、转动块；L、旋转臂长。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图1和图2所示，本发明所述的一种垄作薯类收获机的调节装置，包括固定架1、活动架2、第一驱动装置和第二驱动装置，所述活动架2活动设置在固定架1上，第一驱动装置用于驱动活动架2绕固定架1摆动，所述第二驱动装置用于驱动活动架2相对固定架1左右平移。

收获机还包括具有行进功能的行走机构，本发明所述的行走机构包括拖拉机，所述的固定架1上设有三个对接部21，三个对接部21呈三角形分布，固定架1通过三个对接部21组成三点悬挂结构与上述拖拉机对接。活动架2上还设有挖掘装置和土薯分离输送装置，土薯分离装置设置在挖掘装置的后部。

如图3所示，活动架2包括侧安装板22、前连接杆23和后连接杆24，两侧安装板22左右对称设置，上述挖掘装置和土薯分离输送装置设置在两侧安装板22之间，前连接杆23和后连接杆24前后间隔设置，前连接杆23和后连接杆24的两端分别与两侧安装板22固连。所述活动架2设置在固定架1的下方，固定架1靠近前连接杆23的一侧固定设有一中心轴3，所述中心轴3上设有一滑动座4，该滑动座4的一端沿中心轴3的轴向滑动设置在中心轴3上，其另一端固定设有两转轴5，所述前连接杆23上固定设有两转动块25，转动块25对应套设在上述转轴5上，所述活动架2通过转轴5转动设置在该滑动座4上。

第一驱动装置包括第一液压缸6，第一液压缸6的缸体固定设置在滑动座4上，其液压杆与活动架2连接，用于驱动活动架2绕转轴5轴向转动。所述的第二驱动装置包括第二液压缸7，第二液压缸7的缸体固定设置在固定架1上，其液压杆与滑动座4连接，用于驱动滑动座4沿中心轴3轴向左右平移。

如图4所示，第一检测装置包括高度检测轮8、安装座9和高度位移传感器10，高度位移传感器10固定设置在固定架1的前部，高度位移传感器10的伸缩杆竖直向下与安装座9固连，高度检测轮8转动设置在该安装座9上，高度检测轮8的轮面能与垄顶相抵。

第二检测装置包括宽度检测轮11、安装板12和宽度位移传感器13，第二检测装置共有两组，两组第二检测装置左右对称设置在挖掘铲16的两端，宽度位移传感器13通过安装板12固定设置在挖掘铲16上，两宽度位移传感器13的伸缩杆横向相对设置，宽度检测轮11转动设置在该伸缩杆上，宽度检测轮11的轮面能与地垄侧壁相抵。第二检测装置固定在挖掘铲16上，使挖掘铲16和检测点的相对位置保持不变，可以确保当挖掘深度变化时，传感器测量点一直在地垄靠近底部的位置，提高检测数据的准确性。

固定架1上设有变速箱14和液压泵15，变速箱14的输入轴与上述拖拉机的输出轴传动连接，变速箱14的输出轴与液压泵15传动连接，所述液压泵15为上述第一液压缸6和第二液压缸7提供动力。

挖掘装置包括挖掘铲16，挖掘铲16后沿设有一排碎土栅条17，碎土栅条17呈耙齿状分布，碎土栅条17的一端与挖掘铲16的后沿连接，另一端与土薯分离输送装置上平面齐平。所述的土薯分离输送装置包括输送网链18、链轮19和输送电机20，链轮19转动设置在上述侧安装板22上，环形的输送网链18闭合绕设在链轮19上，所述输送电机20固定设置在侧安装板22上与其中一链轮19固连用于驱动输送网链18转动。

在本实施例中，高度位移传感器10的量程为200mm(基准挖掘深度)，带有复位弹簧，无测量时自动复位压缩量为0状态，工作基准位置为压缩量100mm(挖掘深度中间位置)状态。

如图5所示，由于高度位移传感器10的安装位置与拖拉机的相对位置不变，则位移传感器读数的变化值Δh即为地垄高度的变化值Δh，此时垄高变为(200+Δh)mm。若要保持挖掘深度不变，则需要控制挖掘机构角度使得挖掘铲16离地垄顶部的距离仍然保持在200mm(基准挖掘深度)。有：Lsin(θ+Δθ)-Ls in(θ)＝Δh，其中：Δh为地垄高度变化值，L为旋转臂长，θ为初始基准角度值，Δθ为需要控制的角度变化值。

按照上述数学模型来控制角度，控制系统会比较复杂，并不适合收获机复杂的作业条件，为提高响应速度和简化控制，可在收获机挖掘深度使用要求范围内降低控制精度，即满足调整值在(Δh±5)mm即可。

控制数学模型：取收获机的设计旋转臂长为L＝800mm，基准角度为θ＝45度，变化角度控制值取：Δθ＝Δh/10，则误差值：e＝800s in(45°+Δθ)-800sin(45°)-Δh，只要保证Δh在±50mm的变动范围内，误差值e≤±5，则控制模型即满足使用要求。

为加快控制系统响应速度，位移传感器精确到个位(1mm)，角度控制精确到0.1度，通过计算可知Δh从-50mm到50mm(每次增加1mm)，误差e的最大值≤3m，完全满足收获机对深度控制的精度要求。

部分误差值计算如下表：

本发明的工作原理如下所示：

在开始工作前，先驾驶收获机将挖掘铲16和地垄对中，对中后再将宽度位移传感器13的压缩量调至量程中间位置作为基准值，将挖掘铲16的倾斜角度调整为45°(初始基准角度值)，拖拉机下放收获机至合适挖掘深度，将高度位移传感器10的压缩量调至量程中间位置作为基准值，此时即为垄高正常状态下的挖掘深度；

驱动拖拉机沿地垄前进，当两宽度位移传感器13的数值不一致时，第二液压缸7驱动滑动座4和活动架2整体向宽度位移传感器13数值较小的一侧移动，直至两宽度位移传感器13的数值一致，第二液压缸7停止运动；通过上述数学模型计算得到挖掘铲16的角度变化值Δθ，第一驱动装置驱动挖掘铲16摆动上述角度Δθ。

应该理解，在本发明的权利要求书、说明书中，所有“包括……”均应理解为开放式的含义，也就是其含义等同于“至少含有……”，而不应理解为封闭式的含义，即其含义不应该理解为“仅包含……”。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种垄作薯类收获机的调节装置，其特征在于，包括固定架(1)、活动架(2)、第一驱动装置和第二驱动装置，所述活动架(2)活动设置在固定架(1)上，收获机的挖掘铲(16)设置在活动架上(2)，第一驱动装置用于驱动活动架(2)绕固定架(1)摆动，所述第二驱动装置用于驱动活动架(2)相对固定架(1)左右平移，所述固定架(1)上设有第一检测装置用于检测收获机行进时地垄高度的变化值，活动架(2)上设有第二检测装置，用于检测活动架(2)与地垄中心位置的变化值，所述的固定架(1)上还设有一倾角传感器用于检测活动架的倾斜角度，所述的第二检测装置包括宽度检测轮(11)、安装板(12)和宽度位移传感器(13)，第二检测装置共有两组，两组第二检测装置左右对称设置在挖掘铲(16)的两端。

2.根据权利要求1所述的一种垄作薯类收获机的调节装置，其特征在于，所述的活动架(2)包括侧安装板(22)、前连接杆(23)和后连接杆(24)，两侧安装板(22)左右对称设置，前连接杆(23)和后连接杆(24)前后间隔设置，前连接杆(23)和后连接杆(24)的两端分别与两侧安装板(22)固连。

3.根据权利要求2所述的一种垄作薯类收获机的调节装置，其特征在于，所述活动架(2)设置在固定架(1)的下方，固定架(1)靠近前连接杆(23)的一侧固定设有一中心轴(3)，所述中心轴(3)上设有一滑动座(4)，该滑动座(4)的一端沿中心轴(3)的轴向滑动设置在中心轴(3)上，其另一端固定设有两转轴(5)，所述前连接杆(23)上固定设有两转动块(25)，转动块(25)对应套设在上述转轴(5)上，所述活动架(2)通过转轴(5)转动设置在该滑动座(4)上。

4.根据权利要求3所述的一种垄作薯类收获机的调节装置，其特征在于，所述的第一驱动装置包括第一液压缸(6)，第一液压缸(6)的缸体固定设置在滑动座(4)上，其液压杆与活动架(2)连接，用于驱动活动架(2)绕转轴(5)轴向转动，所述的第二驱动装置包括第二液压缸(7)，第二液压缸(7)的缸体固定设置在固定架(1)上，其液压杆与滑动座(4)连接，用于驱动滑动座(4)沿中心轴(3)轴向左右平移。

5.根据权利要求1所述的一种垄作薯类收获机的调节装置，其特征在于，所述的第一检测装置包括高度检测轮(8)、安装座(9)和高度位移传感器(10)，高度位移传感器(10)固定设置在固定架(1)的前部，高度位移传感器(10)的伸缩杆竖直向下与安装座(9)固连，高度检测轮(8)转动设置在该安装座(9)上，高度检测轮(8)的轮面能与垄顶相抵。

6.根据权利要求1所述的一种垄作薯类收获机的调节装置，其特征在于，所述的宽度位移传感器(13)通过安装板(12)固定设置在挖掘铲(16)上，两宽度位移传感器(13)的伸缩杆横向相对设置，宽度检测轮(11)转动设置在该伸缩杆上，宽度检测轮(11)的轮面能与地垄侧壁相抵。

7.一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法，利用权利要求1-6任意一项的调节装置进行调节，其特征在于，通过第一检测装置检测地垄的高度变化，第一驱动装置控制挖掘铲(16)的角度来实现收获机挖掘深度的控制，通过上述第二检测装置检测地垄两侧相对于挖掘铲(16)的距离，第二驱动装置驱动挖掘铲(16)平移，保持地垄两侧相对于挖掘铲(16)的距离相同来实现挖掘铲(16)和地垄的对中。

8.根据权利要求7所述的一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法，其特征在于，所述的挖掘深度控制方法包括如下步骤：

①驾驶收获机将挖掘铲(16)和地垄对中，将宽度位移传感器(13)的压缩量调至量程中间位置作为基准值；

②将挖掘铲(16)的倾斜角度调整为初始基准角度值45°，下放挖掘铲(16)至合适挖掘深度，将高度位移传感器(10)的压缩量调至量程中间位置作为基准值，此时即为垄高正常状态下的挖掘深度；

③驱动拖拉机沿地垄前进，得到高度位移传感器(10)的读数的变化值Δh，该变化值Δh为地垄高度的变化值；得到两宽度位移传感器(13)的读数H₁和H₂；

④根据步骤③中的Δh，通过数学模型计算得到挖掘铲(16)的角度变化值Δθ，第一驱动装置驱动挖掘铲(16)摆动Δθ的角度；

⑤第二驱动装置驱动挖掘铲(16)向步骤③中的H₁和H₂数值较小的一侧移动，直至H₁和H₂的数值一致。

9.根据权利要求8所述的一种垄作薯类收获机的挖掘深度控制方法，其特征在于，步骤④中所述的数学模型为：Lsin(θ+Δθ)-Lsin(θ)＝Δh，其中：Δh为地垄高度变化值，Δθ为需要控制的角度变化值，L为旋转臂长，θ为初始基准角度值45°。

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