新型果園挖穴施肥機的設(shè)計研究

苗維平

(沈陽理工大學，沈陽 110159)

0 引言

隨著我國果園果樹行業(yè)規(guī)模化、機械化的栽培與種植的發(fā)展，為了適應其較高的園藝要求及產(chǎn)能要求，最大限度地發(fā)揮肥料效力，相關(guān)學者對果園的挖穴施肥機具不斷改善與優(yōu)化，設(shè)計出可滿足不同地區(qū)、不同土壤要求的挖穴施肥機具。為此，筆者從果園挖穴施肥機的機械構(gòu)件組成入手，優(yōu)化設(shè)計了關(guān)鍵零部件裝置，并融入電路自動控制理念，從精準、定量、控制方向展開研究。

1 施肥機總體設(shè)計

果園挖穴施肥機整機主要由行走裝置、開挖裝置、施肥裝置及覆土裝置4個部分組成，如圖1所示。

1.動力裝置 2.肥料裝置 3.升降裝置 4.工具箱 5.連接桿 6.手輪 7.支架 8.排肥輪 9.排肥裝置 10.挖穴裝置 11.行進機構(gòu)

工作原理可以簡要概述為：在電源及主控系統(tǒng)控制之下，電機驅(qū)動傳動機構(gòu)帶動行走機構(gòu)開始行進，同時觸發(fā)挖穴裝置進行挖土作業(yè)，核心部件為螺旋鉆頭；挖穴完成后，刀具上升，施肥裝置在預先設(shè)定好的程序控制之下，肥料通過施肥通道進行定量施肥作業(yè)，之后進行均勻覆土操作。由此挖穴施肥機完成一次自主施肥。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 挖穴與施肥裝置

此新型果園挖穴施肥機的核心部件設(shè)計在于挖穴部分與施肥部分的高效結(jié)合及準確銜接。針對挖穴機構(gòu)部件，主要根據(jù)挖穴鉆頭與土壤之間的相互作用力，通過構(gòu)件挖穴理論分析進行設(shè)計優(yōu)化。土壤單元質(zhì)點在螺旋鉆頭的勻速運動過程中呈螺旋面上升運動趨勢，結(jié)合挖穴鉆頭提升土壤的特征，得出鉆頭的臨界運動速度為

(1)

式中g(shù)——重力加速度；

α——螺旋升角；

φ1——作業(yè)時摩擦角；

ξ——螺旋刀片處與土壤單元點的牽連速度角；

r0——螺旋刀片半徑；

f2——土壤內(nèi)摩擦因數(shù)。

將挖穴機構(gòu)螺旋鉆頭進行挖穴作業(yè)不被附近土壤卡住的臨界值考慮在內(nèi)，則

進一步對螺旋鉆頭的長度、螺旋升角、主軸及材質(zhì)等進行計算和選取，以完成挖穴主要構(gòu)件的設(shè)計，具體參數(shù)如表1所示。

表1 挖穴機構(gòu)擬設(shè)計螺旋鉆頭參數(shù)項目列表

Table 1 The proposed designed spiral drill parameter items list of the holes digging mechanism

編號項目參數(shù)值1鉆頭長度800mm2螺旋升角19°3主軸外徑70mm4螺旋高度620mm5導程315mm

利用力學扭矩關(guān)系和刀片切削土壤所需克服的總轉(zhuǎn)矩(公式2)，還可得出挖穴機構(gòu)工作過程中所設(shè)計鉆頭承受的轉(zhuǎn)矩和相對應的消耗功率。通過以上數(shù)據(jù)得出挖穴機構(gòu)鉆頭的外型尺寸及參數(shù)，即

T總=T切+T定+T運動

T切=0.5[iqcosψ+k1ssin(δ+φ1)](r02-r12)

T定=10%T總

T運動=T切(1.3～1.8)

(2)

果園挖穴施肥機的升降裝置與施肥部件的設(shè)計優(yōu)化：針對升降構(gòu)件部分的繞線軸，通過利用材料應力分析，獲取其主要應力分布及集中區(qū)域并進行改進，同時做好連接傳動的四桿機構(gòu)參數(shù)尺寸協(xié)調(diào)跟進，使升降裝置工作穩(wěn)定快速。施肥部件主要控制均勻定量施肥，排肥作業(yè)環(huán)節(jié)的步進電機最佳轉(zhuǎn)速及控制程序的設(shè)定為關(guān)鍵，可通過選取不同肥料進行多次試驗確定。根據(jù)所需求的果園實地土壤條件等設(shè)定排肥量，施肥裝置采用星型排肥輪，利用如下公式計算，即

(3)

式中d——排肥輪直徑(mm)；

L——排肥輪有效工作長度(mm)；

γ——排肥箱總肥料(g/cm)；

n——排肥裝置轉(zhuǎn)速(r/min)；

α(n)——肥料充滿系數(shù)；

cn(n)——特性系數(shù)；

f——凹槽端面積(cm2)；

t——槽節(jié)距(cm)。

關(guān)鍵排肥控制裝置計算完成后，繪制各關(guān)鍵構(gòu)件三維圖為后續(xù)試驗提供基礎(chǔ)。圖2所示為排肥裝置核心部件的三維機構(gòu)建模。

圖2 果園挖穴施肥機排肥器三維結(jié)構(gòu)建模

2.2 電控驅(qū)動優(yōu)化

果園挖穴施肥機電控驅(qū)動部分通過驅(qū)動的各機械組件所承受的負載轉(zhuǎn)矩、慣量及加減速時間進行步進電機型號選取，設(shè)計合理的接近開關(guān)、鍵盤電路、液晶顯示電路和相關(guān)接口電路，從而構(gòu)成控制有序的驅(qū)動裝置。圖3為果園挖穴施肥機在進行排肥過程中需要根據(jù)實時調(diào)整的行進機構(gòu)變速控制簡圖。

圖4為挖穴施肥機電控系統(tǒng)流程簡圖。由圖4可知：通過選取性能優(yōu)良的單片機AT89S52作為控制中心，通過輸入預設(shè)排肥量并顯示，在步進電機驅(qū)動系統(tǒng)控制之下實現(xiàn)定量排肥作業(yè)，相對于傳動排肥不均勻而言，有較好改進效果。圖5表示所需電源的控制電路設(shè)計簡圖，在此電源控制下實現(xiàn)挖穴施肥機穩(wěn)定連續(xù)作業(yè)。

3 試驗

3.1 前置要求

果園挖穴施肥機整機關(guān)鍵部件設(shè)計完成之后進行試驗分析，其前置要求為：

1)選取合適的果園作業(yè)場地，包括土壤及果樹植株密度等；

2)充分考慮土壤堅實度、土壤含水率與挖穴裝置鉆頭工作轉(zhuǎn)速的因素水平關(guān)系；

3)表2所列的挖穴是樣機進行試驗，后續(xù)進行不同肥料施肥試驗。

圖3 果園挖穴施肥機變速系統(tǒng)簡圖

圖4 挖穴施肥機電控系統(tǒng)流程簡圖

圖5 直流電源控制電路設(shè)計圖

編號參數(shù)單位數(shù)值1整機尺寸mm2080×850×18002挖穴電機DC60V 1200W3提升動力DC50V 550W4行進電源DC60V 850W5挖穴深度mm300～500

續(xù)表2

3.2 試驗分析

通過對試驗樣機進行性能測試，了解挖穴施肥機整機的關(guān)鍵設(shè)計指標情況，驗證設(shè)計樣機構(gòu)件組成選型合理及可行程度。在挖穴方面，改善的螺旋鉆頭技術(shù)參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高效快速挖穴，達到設(shè)計要求參數(shù)；傳動裝置可在控制驅(qū)動下實現(xiàn)自由升降，電源配置施肥持續(xù)時間有效延長，電控驅(qū)動優(yōu)化在軟件程控下運行穩(wěn)定。

為進一步驗證挖穴施肥機在定量施肥的效果，選取多次試驗進行施肥量的大小統(tǒng)計。挖穴深度等其他參數(shù)控制在同一條件，每次施肥定量為400g(見圖6)，波動范圍不大，誤差控制在8%之內(nèi)，說明了定量排肥機構(gòu)設(shè)計的合理性。

圖6 挖穴施肥機定量施肥試驗統(tǒng)計曲線

通過改變肥料的物理特性，對比不同肥料試驗條件下挖穴施肥機的作業(yè)效果進行試驗，如圖7所示。由圖7可知：施肥量與轉(zhuǎn)速之間存在內(nèi)在聯(lián)系，該機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，施肥量在排肥裝置的控制下逐漸平衡。此曲線經(jīng)擬合能為改善精密排肥提供支撐，試驗具有可參考性。

4 結(jié)論

對新型果園挖穴施肥機的關(guān)鍵部件進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，加入了電控驅(qū)動控制與執(zhí)行裝置。挖穴施肥機工作時，驅(qū)動挖穴構(gòu)件進行剛度挖穴，在排肥與覆

土等裝置整體配合下，通過模擬試驗及統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，進行定量均勻施肥，達到優(yōu)化果園高效施肥的目標，為實現(xiàn)果園產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量提供足夠的肥料保證，具有一定的推廣意義和價值。