小型豎直螺旋式精量條施機(jī)的設(shè)計(jì)

李曉賢，趙 進(jìn)，任震宇，陳 昶，汪 洋，何培祥

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715)

0 引言

施肥可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，精量合理施肥不僅有利于作物生長(zhǎng)，而且可以提高肥料利用率，減少肥料浪費(fèi)，并保護(hù)土壤環(huán)境，是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的方向[1]。在我國(guó)西南山地丘陵地區(qū)，大中型施肥機(jī)械難以使用，人工施肥存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、施肥量均勻性差等問(wèn)題[2-4]。目前，使用的肥料絕大多數(shù)是顆粒復(fù)合肥，條施是其常用方式之一；但由于行走輪打滑或肥料架空、堵塞，易出現(xiàn)“斷條”(即漏施)現(xiàn)象，使得該類機(jī)具的排肥均勻性較差，導(dǎo)致整體施肥質(zhì)量較低。螺旋輸送利用螺旋體與物料之間產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)輸送物料，獨(dú)特的螺旋結(jié)構(gòu)在輸送過(guò)程中可定量給料或定量卸料，用于排肥則具有穩(wěn)定一致的單圈排肥量[5-7]。相較于水平螺旋輸送，豎直螺旋在有效重力的作用下，物料輸送的流動(dòng)性和均勻性更好，有利于提高施肥機(jī)排肥的均勻性和對(duì)施肥量控制的精確性[8-11]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種小型豎直螺旋式精量條施機(jī)，以滿足西南山地丘陵地區(qū)機(jī)械施肥、精量施肥和均勻排肥的要求。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

小型豎直螺旋式精量條施機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在控制器上設(shè)計(jì)有施肥量設(shè)置旋鈕，設(shè)定施肥量后，相應(yīng)的施肥量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在控制器中；在排肥器的出肥口設(shè)置有排肥口開(kāi)關(guān)，當(dāng)檢測(cè)到條施機(jī)工作時(shí)，打開(kāi)排肥口開(kāi)關(guān)，反之關(guān)閉排肥口開(kāi)關(guān)，以防止在條施機(jī)轉(zhuǎn)移或停止工作時(shí)肥料從排肥口流出等情況發(fā)生；在條施機(jī)行走輪上安裝測(cè)速傳感器，作業(yè)過(guò)程中傳感器檢測(cè)條施機(jī)的行走速度，根據(jù)傳感器的的脈沖信號(hào)、施肥機(jī)的控制模型和單位長(zhǎng)度進(jìn)行施肥量設(shè)置，確定輸入步進(jìn)排肥電機(jī)的脈沖頻率，從而控制小型豎直螺旋式精量條施機(jī)的實(shí)際排肥量。

圖1 小型豎直螺旋式精量條施機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 豎直螺旋式排肥器分析

2.1 豎直螺旋排肥器數(shù)學(xué)模型

小型豎直螺旋式精量條施機(jī)的主要工作部件是豎直螺旋排肥器。工作時(shí)，螺旋回轉(zhuǎn)，將肥料送入排肥管。水平螺旋式排肥器在排肥過(guò)程中對(duì)肥料有壓實(shí)作用，會(huì)導(dǎo)致肥料的成塊。豎直螺旋式排肥器在排肥過(guò)程中，利用肥料本身的重力外加螺旋葉片的推動(dòng)，使肥料從底部排出，避免了水平螺旋式排肥器的架空和成塊問(wèn)題[12]。通過(guò)控制執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)排肥，排肥均勻性較好。豎直排肥器機(jī)構(gòu)及控制模型如圖2所示。

圖2 豎直排肥器機(jī)構(gòu)及控制模型

豎直螺旋式排肥器的排肥量計(jì)算公式為

(1)

式中q—單位時(shí)間的排肥量(g/min)；

D—螺旋式排肥器外徑(m)；

d—螺旋式排肥器內(nèi)徑(m)；

l—螺距(m)；

n—轉(zhuǎn)速(r/min)；

φ—充滿系數(shù)，φ=0.7～0.95；

p—肥料密度(kg/m3)。

因此，當(dāng)螺旋式排肥器參數(shù)確定、肥料比重一定時(shí)，排肥量只與單位面積施肥量設(shè)置和螺旋式排肥器的轉(zhuǎn)速n有關(guān)。

2.2 施肥機(jī)前進(jìn)速度的影響

當(dāng)施肥量設(shè)置一定時(shí)，精量條施機(jī)的施肥量與行走距離成正比，不會(huì)隨條施機(jī)的行走速度變化。在行走輪上均勻安裝霍爾傳感器，兩傳感器之間的時(shí)間差直接反應(yīng)出施肥機(jī)的前進(jìn)速度。根據(jù)行走速度調(diào)節(jié)排肥器的轉(zhuǎn)速，排肥量計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中n—地輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；

Q—施肥量(kg/hm2)；

D—地輪直徑(m)；

δ—滑移率(%)；

q—地輪轉(zhuǎn)動(dòng)n轉(zhuǎn)的排肥量(g)；

a—平均行距(m)；

M—機(jī)具的行數(shù)；

L—施肥距離(m)。

由式(2)和式(3)可以推出

(4)

從式(4)可以看出：?jiǎn)挝幻娣e的施肥量一定時(shí)，排肥量與行走距離成正比關(guān)系。

2.3 螺旋排肥器的參數(shù)確定

對(duì)于給定的排肥量，有無(wú)數(shù)個(gè)螺旋排肥器截面積和轉(zhuǎn)速組合滿足排肥要求。但是，考慮到實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中螺旋排肥器的截面積是一定的，因此確定這兩者之間的參數(shù)時(shí)，應(yīng)在保證精度要求的前提下，還應(yīng)該考慮到便于實(shí)際操作控制且使機(jī)器功率最小，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制[13]。

根據(jù)螺旋排肥器的物料運(yùn)輸性能分析可知：螺旋排肥器的截面積較大時(shí)，具有很好的一致性和穩(wěn)定性。實(shí)際控制中發(fā)現(xiàn)：截面積越大，排出相等質(zhì)量的肥料時(shí)消耗能量越多，且在單位長(zhǎng)度上施肥量少時(shí)排肥精度降低。根據(jù)單位長(zhǎng)度的施肥量與實(shí)際施肥的作業(yè)速度，在試驗(yàn)過(guò)程中得出：當(dāng)螺旋排肥器直徑D=45mm、d=18mm、螺距l(xiāng)=20mm時(shí)，螺旋排肥器在工作過(guò)程中可以滿足設(shè)計(jì)要求的施肥范圍。

3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

小型豎直螺旋式精量條施肥機(jī)的控制系統(tǒng)電路采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思路。施肥機(jī)單位長(zhǎng)度的施肥量是操作者在施肥前根據(jù)田間土壤的肥力情況設(shè)置，設(shè)置的施肥量通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到單片機(jī)的存儲(chǔ)單元；在控制器中還設(shè)計(jì)了蜂鳴器與LED指示燈，蜂鳴器鳴叫速度與LED指示燈的組合代表不同的狀態(tài)指示，以提示操作者。

由行走輪速度檢測(cè)裝置的霍爾傳感器作為主要信號(hào)輸入源，排肥步進(jìn)電機(jī)和排肥口開(kāi)關(guān)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，單片機(jī)通過(guò)輸出不同的脈沖頻率控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)排肥電機(jī)，從而控制豎直螺旋排肥器的轉(zhuǎn)速，達(dá)到施肥量與行走距離成正比關(guān)系的目的。

控制系統(tǒng)采用PIC18F23K22單片機(jī)[14]，除了電源及復(fù)位模塊外，其功能模塊還包括施肥量設(shè)置模塊、行走輪速度檢測(cè)模塊、排肥步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、排肥口電機(jī)正反轉(zhuǎn)模塊和操作提示模塊，電路原理如圖3所示。

圖3 小型施肥機(jī)控制電路框圖

根據(jù)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖，確定各個(gè)模塊所需的特殊功能引腳。其中，程序燒寫接口為固定引腳、施肥量設(shè)置電路需要模數(shù)轉(zhuǎn)換功能引腳、排肥電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路需要PWM功能引腳、外部振蕩器電路需要OSC1和 OSC2 引腳、施肥機(jī)行走測(cè)速電路使用的外部INT2中斷引腳。確定了電路需要使用的特殊功能引腳后，再根據(jù)其他需要實(shí)現(xiàn)的功能分配相應(yīng)的I/O端口引腳。具體硬件電路原理圖如圖4所示。

圖4 硬件電路設(shè)計(jì)原理圖

4 豎直螺旋式精量施肥機(jī)的試驗(yàn)

為了測(cè)試豎直螺旋式精量施肥機(jī)的實(shí)際性能，對(duì)其進(jìn)行豎直螺旋式排肥器的性能試驗(yàn)、精量施肥機(jī)的均勻性試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。

4.1 豎直螺旋式排肥機(jī)的性能試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)精量施肥機(jī)的工作要求，選擇行距為1.15m的地塊進(jìn)行試驗(yàn)，排肥量設(shè)置范圍300～750kg/hm2，施肥機(jī)行走速度為0.5～1.2 m/s。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，排肥步進(jìn)電機(jī)接入穩(wěn)定12V直流電源，采用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘作為定時(shí)器并定時(shí)20s，采用方波脈沖發(fā)生器模擬行走輪測(cè)速傳感器的脈沖，調(diào)節(jié)方波脈沖頻率分別為13、12、11、10、9、8、7、6Hz；計(jì)時(shí)結(jié)束，自動(dòng)關(guān)斷步進(jìn)電機(jī)電源，用數(shù)字電子秤稱量各脈沖頻率下豎直螺旋式排肥機(jī)的排肥量。

4.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)量得到不同方波脈沖頻率下對(duì)應(yīng)豎直螺旋式排肥器的排肥量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 排肥器性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出單位長(zhǎng)度的施肥量一定時(shí)方波脈沖(Hz)頻率與排肥量(kg)的一次、二次擬合曲線，如圖5所示。

圖5 排肥量與PWM占空比的一次、二次擬合曲線

由圖5可以看出：對(duì)方波頻率與排肥量的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合， 通過(guò)比較一次、二次多項(xiàng)式模型，其相關(guān)系數(shù)R的大小幾乎相等，保留4位小數(shù)均為0.995 1，超過(guò)了0.99，說(shuō)明兩者的擬合效果均較佳。由二次擬合多項(xiàng)式可以看出：二次項(xiàng)系數(shù)近似為零，可以從方程中去除，去除后為一次項(xiàng)模型。因一次項(xiàng)模型中已有最優(yōu)擬合模型，故模型為

y=0.1681x-0.0669
R2=0.9951

(5)

式中x—方波頻率(Hz)；

y—排肥量(kg)。

4.2 試驗(yàn)

為了測(cè)試該條施機(jī)的工作性能，在重慶西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院試驗(yàn)田里進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前，先根據(jù)當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)作業(yè)行距計(jì)算出單位長(zhǎng)度的施肥量，手動(dòng)設(shè)置好每667m2施肥量，分別設(shè)置每667m2地施肥量為300、30、40、50kg。用電子秤稱量適量的顆粒復(fù)合肥放入肥箱，然后人工推著該條施機(jī)樣機(jī)在正常工作行走速度范圍內(nèi)行走施肥，用皮尺測(cè)量施肥距離，每隔10m測(cè)量1次施肥量。施肥量由作業(yè)前后肥箱里肥料的質(zhì)量差測(cè)出，理論計(jì)算得出每10m對(duì)應(yīng)的施肥量分別為345、517.5、690、863g。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)施肥量與作業(yè)距離計(jì)算出單位長(zhǎng)度的實(shí)際施肥量，用施肥量設(shè)置旋鈕的值與單位長(zhǎng)度的實(shí)際排肥量相比較，得出施肥機(jī)的田間作業(yè)精度[3]為

(6)

式中γ—施肥量偏差；

Wq—試驗(yàn)前料箱中肥料質(zhì)量(kg)；

Wh—試驗(yàn)后料箱中肥料質(zhì)量(kg)；

L—施肥作業(yè)長(zhǎng)度(m)；

F—給定施肥量(kg/m)。

定量施肥機(jī)的工作性能主要體現(xiàn)為排肥量的穩(wěn)定性和一致性，分析評(píng)價(jià)指標(biāo)主要為排肥量的變異系數(shù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)表中的施肥量，可以計(jì)算出施肥量設(shè)置為最大、中間和最小時(shí)，單位長(zhǎng)度內(nèi)的平均施肥量、標(biāo)準(zhǔn)差D和變異系數(shù)σ為

(7)

(8)

(9)

式中xi—各次試驗(yàn)的排量(g)；

x—各次試驗(yàn)的平均值(g)；

S—各次排肥量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差(g)；

V—各次排肥量一致性的變異系數(shù)(%)；

n—測(cè)量次數(shù)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：排肥量調(diào)節(jié)到750kg/hm2時(shí)，變異系數(shù)為V=1.80% ；排肥量調(diào)節(jié)到450kg/hm2時(shí)，變異系數(shù)為V=0.59%；排肥量調(diào)節(jié)到300kg/hm2時(shí)，變異系數(shù)為V=2.13%。由此可見(jiàn)，單位長(zhǎng)度內(nèi)施肥機(jī)具有較好的一致性，變異系數(shù)13%，滿足施肥機(jī)施肥穩(wěn)定性和一致性要求。

由表2可以看出：施肥量為300～750kg/hm2時(shí)，定量施肥機(jī)控制系統(tǒng)的最大偏差為6.76%，滿足定量施肥機(jī)的設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)精確定量施肥。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)建立豎直螺旋排肥器的數(shù)學(xué)模型，得到螺旋葉片主要參數(shù)為：內(nèi)徑18mm，外徑45mm，螺距20mm。

2)設(shè)計(jì)了一種小型豎直螺旋式精量條施機(jī)，包括豎直螺旋排肥機(jī)構(gòu)、行走輪速度檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)霍爾傳感器抗干擾電路處理后檢測(cè)的行走輪速度，結(jié)合當(dāng)前設(shè)置施肥量控制步進(jìn)排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到精量施肥的目的。

3)試驗(yàn)表明：設(shè)置施肥量一定時(shí)，小型豎直螺旋式精量條施機(jī)的排肥量與行走距離成線性關(guān)系；精量施肥機(jī)控制系統(tǒng)的最大偏差為6.76%，控制精度高；變速行走時(shí)，單位長(zhǎng)度內(nèi)施肥機(jī)具有較好的一致性，變異系數(shù)13%，排肥均勻性好。該施肥機(jī)為精量施肥機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的機(jī)電一體化程度。