远程控制的无人履携式秸秆破碎机设计与应用

基金项目：2024江西省高等学校大学生创新创业训练计划项目（S20241343310）

摘 要：针对现行秸秆破碎机中存在的破碎率低、易损件磨损大、粉尘污染、操作模式单一等问题，并结合国家政策以及农业生产的现状，该项目设计了一款新型无人履携式秸秆破碎机。机器采用远程控制终端操作系统，用户可预设程序实现自动化作业。机器工作时，喂入机构上高速旋转刀片对秸秆进行切割，然后经传送带输送到破碎区，通过刀片破碎，将秸秆切碎至预设尺寸，然后输送至机器尾部储存处。该无人履携式秸秆破碎机在功能性和环保性上优势明显，相较于现行设备可有效提高秸秆破碎效率，降低人工成本和环境污染，应用前景良好。

关键词： 秸秆破碎机；无人操作；远程控制；自动化；环保性；农业生产

0.研究现状

随着环保意识的提高和农业生产方式的转变，秸秆资源的综合利用受到了政府的高度重视，国家还先后出台了一系列政策扶持，为此行业下一步的快速发展提供了必要条件。一方面，国家开展农机购置补贴工作，鼓励农民购买和利用秸秆破碎机，国家对购买者给予一定程度的补贴，极大地刺激了农民的购买欲和使用热情，促进了秸秆破碎机的普及；另一方面，国家还大力实施生态文明建设政策，坚持可持续发展理念，大力发展秸秆综合利用技术，各地加大了对秸秆综合利用技术的研究与推广力度，这些都为秸秆破碎机技术的突破和发展提供了有利的政策环境。[1]这些政策的出台有效地改善了农业生产对环境造成的影响，也扩大了秸秆破碎机市场容量。据统计，2023年中国秸秆破碎机市场规模庞大，未来进一步增加技术的升级、市场的需求，将成为造就行业发展的有利条件。

目前，关于秸秆的破碎设备传统设备在诸多方面仍存在局限性，需要通过大量的技术突破与优化来进行改进。首先，传统秸秆破碎设备的制造成本较高，往往在高精度设备制造工艺与高品质材料等需求下，生产出的传统秸秆破碎机设备成本居高不下。另外，传统秸秆破碎设备的生产效率较低，尤其是对于一些特殊类型的秸秆材料，生产出来的效果较差。对于湿式粘性秸秆，传统秸秆破碎设备的破碎效果较差，许多传统的秸秆破碎设备难以处理湿度大且黏性较强的材料，破碎难以达到理想的效果，破碎作业的工作效率较低。[2]因此，传统的秸秆破碎设备无论是在生产效率、使用寿命，还是设备成本等方面都已无法完全适应现代农业生产的需求，在设计、生产工艺与材料等方面需要不断改进与提升。

从秸秆破碎机的种类上来看，目前市场上主要包括锤片式、刀片式、爪式几种类型的秸秆破碎机，每一种破碎机都有各自的优缺点。锤片式秸秆破碎机较为直观的优点就是结构简单、操作便利、使用的范围广泛，能够使用于众多的农业生产之中；刀片式秸秆破碎机通常能够达到较高的破碎细度，切割能力较强，适合于细度要求较高的加工需求；在减少损耗、节约成本上，爪式秸秆破碎机能做到较高破碎效率的同时实现较低的能耗，但是较高的制造成本限制了该类秸秆破碎机的普及和应用。随着市场需求的多样化，秸秆破碎机的加工技术还会进行进一步的优化，未来会有更多种类、更为创新的秸秆破碎机进入市场，让行业的发展更加完善。

根据问卷调查分析得出问题占比图 2所示和现场走访得知图 1，当前主要是因为秸秆破碎机在刀片的设计方面不合理，进料不均匀，存在破碎不好的情况，而且在材料选择及结构设计上对易损件磨损大，增加了破碎机的维护成本；跟粉尘污染有关，破碎秸秆时没有有效的除尘措施，造成对环境及人体造成的污染；在操作模式方面也存在问题，只是传统秸秆破碎机一种模式。

综合以上分析来看，国内秸秆破碎机行业在市场发展、政策支持和技术进步方面取得了显著成就，但仍然存在破碎效率低、易损件磨损、粉尘污染、操作模式单一等等问题[3]。因此，研究团队设计了一款新型无人履携式秸秆破碎机。

1.各个问题设计方案

（1）关于操作模式单一的问题

在操作模式单一的问题之中，涉及的系统主要是远程控制终端操作系统，主要使用的是卫星的北斗信号传输、激光雷达、底层控制技术、无人驾驶和智能故障诊断的技术。

激光雷达：

机载系统通过集成INS（惯性导航系统）、BDS（北斗定位导航系统）和遥感得到了高效的三维地理信息，不但可以在大范围内得到高精度的DSM，而且还能对遮挡环境部分穿透，直接获得真实地表的三维信息[4]。相对于传统摄影测量方法，在遇到秸秆破碎时，可以实时监测堆积情况，如果检测到堆积情况比较大的场地，则自动调整该地的破碎设备的转速和刀具间距，避免该场地过大导致负载过大的问题，甚至发生损坏情况，导致停机；如果因为湿度等原因导致秸秆破碎失效，可以通过湿度传感器的检测数据适当调整刀具角度或者工作频率，以得到稳定的破碎效果。

通过车载的BDS 模块以及 IMU 传感器来获取相关信息，之后运用滤波、算法融合等信息处理技术，精确计算出车辆自身的位置信息（包括经度、纬度和高度）、速度信息以及自身的姿态信息。依据所获得的位置信息和姿态信息，借助导航与控制算法计算出当前车辆的行驶轨迹与规划路径轨迹之间的横向偏差和航向偏差，同时得出期望的车辆转向角度信息。在此基础上，生成 PWM 控制信号，随后通过功率放大来控制液压驱动阀的阀门开度，进而实现对拖拉机按预定轨迹自动驾驶的有效控制[5]。

无人驾驶导航控制系统中的定位技术可以准确定位农田位置，再结合卫星定位技术与地理信息系统（GIS）等获取农田边界、地形地貌等数据，依此规划出最佳的破碎路径，使得秸秆破碎不重复作业，不会遗漏区域，例如根据农田形状规划出平行或者环形的作业路线，使得秸秆均匀、全面破碎，能够提高土地利用率。

智能故障诊断技术：

为了进一步提供作业人员操作的便捷性和保证机械设备的运行稳定性，必须安装核心工作部件。关于此领域，国内较国外研究迟钝，但本文在借鉴国外优秀经验和效率的基础上开展深入研究，对秸秆破碎机智能故障技术予以探讨，如下所述：

以BP 神经网络作为理论支撑，着重针对秸秆破碎机的堵塞故障设计了一套诊断与报警系统。[6]该系统涵盖了破碎滚筒转速、输送槽转速、割台搅龙转速以及出仓秸秆检测等多个方面。依托 BP 神经网络对相关数据进行深入分析，将输出结果作为辨识作业情况的基本概率赋值，然后进行数据融合，使整个秸秆破碎机的诊断规则更加完备。

底层控制：

以Arduino及与其配套的开发环境，可以为秸秆破碎机的开发与应用提供很多创新优势：对系统而言，可以读取大量传感器、开关信号，如加装温度传感器可实时监测关键部件温度以预防过热故障；加装振动传感器可监测设备运行时的振动，辅助判断是否有部件松动等机械故障；加装物料流量传感器可以保证秸秆物料的稳定均匀输入；加装过载保护开关，可以实现设备过载信号；加装急停开关可以保障人员的安全。

在控制方面，以Arduino可以控制许多的物理设备。如可以控制驱动破碎滚筒的电机，根据传感器反馈控制转速调节破碎效率；调节输送电机的转速，防止物料堵塞；不同颜色的指示灯显示出设备的状态，便于操作和控制；控制液压系统阀门的开度，根据不同秸秆调节破碎力，提升设备的适应性。

（2）针对破碎效率低问题

农机效率是农业机械在作业过程中输出的有用能量（或工作量）与输入能量（或资源）的比值，是衡量农业机械性能和作业效果的重要指标。农机效率越高，证明在农业生产过程中能够更加充分地利用能源、时间和资金、能在更短的时间内完成更多农业作业任务。

收集与破碎流程一体化

从技术研发创新策略上来说，秸秆破碎机收集破碎流程一体化设计是技术创新。在具体应用上，一体化的设计也非常有利于农民，以传统处理秸秆方式举例，农民田间收获后往往先人工或简单集成工具收集堆成堆，再次搬运来粉碎处理，耗时耗力，新型履携式秸秆破碎机将集成收集与粉碎流程，改变了农民先收集打堆传统的“田间地头-人工搬运-田间地头-农机粉碎”的处理方式，达到作业效率大幅提升的目的。秸秆碎解后直接还田为有机肥料，改善土壤结构，提升土壤肥力，利于后续油菜等农作物的耕种，达到提升经济效益目的，也符合农业生态永续发展的理念，同时也体现了农机效率提升对提升农业生产综合效益的积极意义。

新增履携式移动模式

从农机作业灵活性的角度和智能化控制与信息化角度来考虑，新型履携式秸秆破碎机新增的履携式移动为一大看点，如图 3所示。相关研究显示，农机的移动性对作业效率有着很大的影响，履携式移动模式使破碎机能够在田间灵活移动。履携式相比轮式结构具有更强的通过性，不管是略平的平原还是略有高低起伏的丘陵地段都能稳稳的作业。

此外，从智能控制与信息化来看，该破碎机安装有较为先进的自动导航和作业监测系统。由操作人员通过远程终端输入作业路线，自动导航系统根据作业路线运行方位，按照路线自主转向，避免作业重叠与遗漏，有效控制作业质量。而作业监测系统对新型履携式秸秆破碎机运行中所经历的秸秆的数量、破碎力度、秸秆收集量等进行实时监测，如出现异常能够及时预警，调节作业参数，保证作业方式处于最佳状态。因而可以灵活地转移地块，增加设备利用率，提高农机效率。

经试验测定，新型履携式秸秆破碎机样机在作业时，连续处理半亩地的秸秆就能装满集料箱。装满后，需把秸秆倒入运输车，随后便可继续作业。当集料箱完全装满秸秆后，对箱内秸秆进行分包称重，结果显示料箱大约能容纳260kg的水稻稻秆。

在田间作业时，秸秆收集、粉碎一体机的前进速度处于1.8 - 2.2km/h，经计算，其工作生产效率大概为每小时6亩。若按每天工作8小时估算，每天能够收集超过30亩地的秸秆。且每亩地大约能收集450kg秸秆，每天可收集的秸秆约达16吨[7] 。

（3）针对易损件磨损的问题

在全国大学生金相技能比赛实践与金属材料及热处理理论知识的结合，项目组选取几种有代表性的钢材进行研究，其中ZG100Mn13、W18Cr4V[8]、W6Mo5Cr4V2[9]、W9Mo3Cr4V[10]是众多材料中挑选而来的较好、较有代表性钢材进行分析。经过金相显微组织的测试，将其中表现较好的W18Cr4V拿出来分析，经过金相显微组织分析如图 4所示，可以看到，W18Cr4V的晶粒精细，由致密的马氏体基体相、大量的弥散分布的合金碳化物及少量残余奥氏体相构成晶粒的，所以得出 W18Cr4V较好的坚韧、硬度高、热硬性高、耐磨度高的物理性能。

经过文献[11-14]的详细查阅，对这四种金属材料元素含量做出了图 5四种钢材化学成分分析表，其中W18Cr4V钢的钨（W）元素含量达到了18%，远远比另外三种金属高；在有了数据分析结果之后，更加了解了该钢种的性能，利用这次分析结果，后面的材料选择能参考数据，更有参考性。

在金属材料及热处理的理论课当中我们了解到钨（W）是钢材中极为重要的合金元素，钨加入钢材中可以有效地提高钢材红硬性和热硬性。提高稳定碳化物的形成，增强钢材的耐磨性，而在切削加工中，尤其在高温情况下，提高钢材的耐磨性可以有效地减小刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。因此，综合考虑秸秆破碎机的工作需要，刀具必须要具备较高的硬度和很好的耐磨性，以满足高负荷的工作性质，因此选择W18Cr4V作为刀具材料，

（4）针粉尘污染的问题

经过深入探究与分析，我们在金工实习中发现焊条电弧焊产生的烟尘里，主要包含了 Fe2O3、SiO2、MnO、HF 等多种有害物质。目前普遍采用工业通风系统处理此类污染，该系统通过厂房管道配备风机、过滤器等设备。风机驱动空气流动以排出有害气体，过滤器则吸附粉尘和有害气体。基于此原理，我们为破碎机加装了类似的内置过滤系统，使其具备移动除尘功能，如图 6所示。因此，破碎机在不同的工作场地作业时，都能随时随地对产生的烟尘进行净化，就能有效地减少对周边环境的污染，也就为操作人员创造了更加清洁、安全的工作环境，也能进一步提升我们创新创业项目的实用性与环保性。

采用M5滤料作为第一级时，其载尘过程浓度波动小、稳定性强，可有效保护二级滤料。在载尘实验[15]过程中，三种组合的浓度值大小关系全程满足C M5+F7 >CM5+F8> CM5+F9，即整个实验过程中三种滤料组合的过滤效率大小关系满足WM5+F7< WMs+F8<WM5+F9，由此验证：当第一级滤料相同时，二级滤料效率越高，系统整体过滤效率提升越显著。[16]

2.参考文献

[1]王菊，于阿南，霍介国，等.秸秆资源化利用产业发展与财政支持政策研究[J].经济纵横，2017，（10）：75-80.DOI：10.16528/j.cnki.22-1054/f.201710075.

[2]刘向东.秸秆粉碎机的研究现状及发展方向[J].农机使用与维修，2022，（06）：18-20.DOI：10.14031/j.cnki.njwx.2022.06.005.

[3]肖洋，何博，刘海峰，等.秸秆粉碎机的应用与发展[J].湖北农机化，2020，（07）：15.

[4]王印，刘俊杰.无人驾驶导航控制系统设计[J].拖拉机与农用运输车，2020，47（04）：12-16.

[5]陶素敏，曹光乔，应瑞瑶，等.农机制造业发展与农业生产技术效率——基于“空间溢出”和“后发追赶”效应的研究[J].中国农村经济，2023，（10）：112-135.DOI：10.20077/j.cnki.11-1262/f.2023.10.006.

[6]朱庆生，周冬冬，黄伟.BP神经网络样本数据预处理应用研究[J].世界科技研究与发展，2012，34（04）：624-626.DOI：10.16507/j.issn.1006-6055.2012.04.027.

[7]董桓诚.田间秸秆收集、粉碎一体机的研制[D].南京农业大学，2020.DOI：10.27244/d.cnki.gnjnu.2020.002485.

[8]巢昺轩，蒋克全，王宝龙，等.W18Cr4V高速钢热处理工艺和性能研究[J].热处理技术与装备，2018，39（05）：46-50.DOI：10.19382/j.cnki.1673-4971.2018.05.010.

[9]王振光.钒含量对钻头用W6Mo5Cr4Vx高速钢组织与性能的影响[J].钢铁钒钛，2021，42（01）：139-143.

[10]杨顺贞.W9Mo3Cr4V型高速钢热处理工艺的探讨[J].河海大学机械学院学报，1996，（04）：25-32.

[11]谷秀锐，刘丽君，刘燕霞，等.高锰钢显微组织的显示方法[J].理化检验-物理分册，2024，60（03）：20-22.

[12]W18Cr4V高速钢[J].热处理技术与装备，2014，35（05）：46.

[13]W6Mo5Cr4V2钢[J].热处理技术与装备，2014，35（05）：11.

[14]W9Mo3Cr4V[J].热处理技术与装备，2018，39（03）：15.

[15]陈记合.打磨粉尘小型复合除尘器除尘机理及结构优化研究[D].北京科技大学，2022.DOI：10.26945/d.cnki.gbjku.2022.000033.

[16]王燕.空气过滤系统性能实验研究[D].东北大学，2020.DOI：10.27007/d.cnki.gdbeu.2020.002512.