小型豎直螺旋式精量條施機的設計

李曉賢，趙 進，任震宇，陳 昶，汪 洋，何培祥

(西南大學 工程技術學院，重慶 400715)

0 引言

施肥可以提高農作物的產量和質量，精量合理施肥不僅有利于作物生長，而且可以提高肥料利用率，減少肥料浪費，并保護土壤環境，是農業可持續發展的方向[1]。在我國西南山地丘陵地區，大中型施肥機械難以使用，人工施肥存在勞動強度大、施肥量均勻性差等問題[2-4]。目前，使用的肥料絕大多數是顆粒復合肥，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“斷條”(即漏施)現象，使得該類機具的排肥均勻性較差，導致整體施肥質量較低。螺旋輸送利用螺旋體與物料之間產生的相對運動輸送物料，獨特的螺旋結構在輸送過程中可定量給料或定量卸料，用于排肥則具有穩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，物料輸送的流動性和均勻性更好，有利于提高施肥機排肥的均勻性和對施肥量控制的精確性[8-11]。因此，本文設計了一種小型豎直螺旋式精量條施機，以滿足西南山地丘陵地區機械施肥、精量施肥和均勻排肥的要求。

1 結構和工作原理

小型豎直螺旋式精量條施機的結構如圖1所示。在控制器上設計有施肥量設置旋鈕，設定施肥量后，相應的施肥量數據存儲在控制器中；在排肥器的出肥口設置有排肥口開關，當檢測到條施機工作時，打開排肥口開關，反之關閉排肥口開關，以防止在條施機轉移或停止工作時肥料從排肥口流出等情況發生；在條施機行走輪上安裝測速傳感器，作業過程中傳感器檢測條施機的行走速度，根據傳感器的的脈沖信號、施肥機的控制模型和單位長度進行施肥量設置，確定輸入步進排肥電機的脈沖頻率，從而控制小型豎直螺旋式精量條施機的實際排肥量。

圖1 小型豎直螺旋式精量條施機結構圖

2 豎直螺旋式排肥器分析

2.1 豎直螺旋排肥器數學模型

小型豎直螺旋式精量條施機的主要工作部件是豎直螺旋排肥器。工作時，螺旋回轉，將肥料送入排肥管。水平螺旋式排肥器在排肥過程中對肥料有壓實作用，會導致肥料的成塊。豎直螺旋式排肥器在排肥過程中，利用肥料本身的重力外加螺旋葉片的推動，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題[12]。通過控制執行電機的轉速實現排肥，排肥均勻性較好。豎直排肥器機構及控制模型如圖2所示。

圖2 豎直排肥器機構及控制模型

豎直螺旋式排肥器的排肥量計算公式為

(1)

式中q—單位時間的排肥量(g/min)；

D—螺旋式排肥器外徑(m)；

d—螺旋式排肥器內徑(m)；

l—螺距(m)；

n—轉速(r/min)；

φ—充滿系數，φ=0.7～0.95；

p—肥料密度(kg/m3)。

因此，當螺旋式排肥器參數確定、肥料比重一定時，排肥量只與單位面積施肥量設置和螺旋式排肥器的轉速n有關。

2.2 施肥機前進速度的影響

當施肥量設置一定時，精量條施機的施肥量與行走距離成正比，不會隨條施機的行走速度變化。在行走輪上均勻安裝霍爾傳感器，兩傳感器之間的時間差直接反應出施肥機的前進速度。根據行走速度調節排肥器的轉速，排肥量計算公式為

(2)

(3)

式中n—地輪轉動圈數；

Q—施肥量(kg/hm2)；

D—地輪直徑(m)；

δ—滑移率(%)；

q—地輪轉動n轉的排肥量(g)；

a—平均行距(m)；

M—機具的行數；

L—施肥距離(m)。

由式(2)和式(3)可以推出

(4)

從式(4)可以看出：單位面積的施肥量一定時，排肥量與行走距離成正比關系。

2.3 螺旋排肥器的參數確定

對于給定的排肥量，有無數個螺旋排肥器截面積和轉速組合滿足排肥要求。但是，考慮到實際生產作業過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時，應在保證精度要求的前提下，還應該考慮到便于實際操作控制且使機器功率最小，實現最優控制[13]。

根據螺旋排肥器的物料運輸性能分析可知：螺旋排肥器的截面積較大時，具有很好的一致性和穩定性。實際控制中發現：截面積越大，排出相等質量的肥料時消耗能量越多，且在單位長度上施肥量少時排肥精度降低。根據單位長度的施肥量與實際施肥的作業速度，在試驗過程中得出：當螺旋排肥器直徑D=45mm、d=18mm、螺距l=20mm時，螺旋排肥器在工作過程中可以滿足設計要求的施肥范圍。

3 控制系統電路設計

小型豎直螺旋式精量條施肥機的控制系統電路采用機電一體化的設計思路。施肥機單位長度的施肥量是操作者在施肥前根據田間土壤的肥力情況設置，設置的施肥量通過A/D轉換存儲到單片機的存儲單元；在控制器中還設計了蜂鳴器與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指示，以提示操作者。

由行走輪速度檢測裝置的霍爾傳感器作為主要信號輸入源，排肥步進電機和排肥口開關電機作為執行機構，單片機通過輸出不同的脈沖頻率控制驅動步進排肥電機，從而控制豎直螺旋排肥器的轉速，達到施肥量與行走距離成正比關系的目的。

控制系統采用PIC18F23K22單片機[14]，除了電源及復位模塊外，其功能模塊還包括施肥量設置模塊、行走輪速度檢測模塊、排肥步進電機驅動控制模塊、排肥口電機正反轉模塊和操作提示模塊，電路原理如圖3所示。

圖3 小型施肥機控制電路框圖

根據硬件電路結構框圖，確定各個模塊所需的特殊功能引腳。其中，程序燒寫接口為固定引腳、施肥量設置電路需要模數轉換功能引腳、排肥電機驅動電路需要PWM功能引腳、外部振蕩器電路需要OSC1和 OSC2 引腳、施肥機行走測速電路使用的外部INT2中斷引腳。確定了電路需要使用的特殊功能引腳后，再根據其他需要實現的功能分配相應的I/O端口引腳。具體硬件電路原理圖如圖4所示。

圖4 硬件電路設計原理圖

4 豎直螺旋式精量施肥機的試驗

為了測試豎直螺旋式精量施肥機的實際性能，對其進行豎直螺旋式排肥器的性能試驗、精量施肥機的均勻性試驗和田間試驗。

4.1 豎直螺旋式排肥機的性能試驗

4.1.1 試驗條件

根據精量施肥機的工作要求，選擇行距為1.15m的地塊進行試驗，排肥量設置范圍300～750kg/hm2，施肥機行走速度為0.5～1.2 m/s。試驗開始時，排肥步進電機接入穩定12V直流電源，采用單片機內部時鐘作為定時器并定時20s，采用方波脈沖發生器模擬行走輪測速傳感器的脈沖，調節方波脈沖頻率分別為13、12、11、10、9、8、7、6Hz；計時結束，自動關斷步進電機電源，用數字電子秤稱量各脈沖頻率下豎直螺旋式排肥機的排肥量。

4.1.2 試驗結果及分析

測量得到不同方波脈沖頻率下對應豎直螺旋式排肥器的排肥量，試驗數據如表1所示。

表1 排肥器性能試驗數據表

通過對試驗數據進行分析，得出單位長度的施肥量一定時方波脈沖(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：對方波頻率與排肥量的關系進行曲線擬合， 通過比較一次、二次多項式模型，其相關系數R的大小幾乎相等，保留4位小數均為0.995 1，超過了0.99，說明兩者的擬合效果均較佳。由二次擬合多項式可以看出：二次項系數近似為零，可以從方程中去除，去除后為一次項模型。因一次項模型中已有最優擬合模型，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

為了測試該條施機的工作性能，在重慶西南大學工程技術學院試驗田里進行了田間試驗。試驗前，先根據當地標準作業行距計算出單位長度的施肥量，手動設置好每667m2施肥量，分別設置每667m2地施肥量為300、30、40、50kg。用電子秤稱量適量的顆粒復合肥放入肥箱，然后人工推著該條施機樣機在正常工作行走速度范圍內行走施肥，用皮尺測量施肥距離，每隔10m測量1次施肥量。施肥量由作業前后肥箱里肥料的質量差測出，理論計算得出每10m對應的施肥量分別為345、517.5、690、863g。試驗數據如表2所示。

表2 田間試驗數據表

根據施肥量與作業距離計算出單位長度的實際施肥量，用施肥量設置旋鈕的值與單位長度的實際排肥量相比較，得出施肥機的田間作業精度[3]為

(6)

式中γ—施肥量偏差；

Wq—試驗前料箱中肥料質量(kg)；

Wh—試驗后料箱中肥料質量(kg)；

L—施肥作業長度(m)；

F—給定施肥量(kg/m)。

定量施肥機的工作性能主要體現為排肥量的穩定性和一致性，分析評價指標主要為排肥量的變異系數。由試驗數據表中的施肥量，可以計算出施肥量設置為最大、中間和最小時，單位長度內的平均施肥量、標準差D和變異系數σ為

(7)

(8)

(9)

式中xi—各次試驗的排量(g)；

x—各次試驗的平均值(g)；

S—各次排肥量一致性的標準差(g)；

V—各次排肥量一致性的變異系數(%)；

n—測量次數。

由試驗數據可以得出：排肥量調節到750kg/hm2時，變異系數為V=1.80% ；排肥量調節到450kg/hm2時，變異系數為V=0.59%；排肥量調節到300kg/hm2時，變異系數為V=2.13%。由此可見，單位長度內施肥機具有較好的一致性，變異系數13%，滿足施肥機施肥穩定性和一致性要求。

由表2可以看出：施肥量為300～750kg/hm2時，定量施肥機控制系統的最大偏差為6.76%，滿足定量施肥機的設計要求，可以實現精確定量施肥。

5 結 論

1)通過建立豎直螺旋排肥器的數學模型，得到螺旋葉片主要參數為：內徑18mm，外徑45mm，螺距20mm。

2)設計了一種小型豎直螺旋式精量條施機，包括豎直螺旋排肥機構、行走輪速度檢測裝置和控制系統。控制系統根據霍爾傳感器抗干擾電路處理后檢測的行走輪速度，結合當前設置施肥量控制步進排肥電機轉速，從而達到精量施肥的目的。

3)試驗表明：設置施肥量一定時，小型豎直螺旋式精量條施機的排肥量與行走距離成線性關系；精量施肥機控制系統的最大偏差為6.76%，控制精度高；變速行走時，單位長度內施肥機具有較好的一致性，變異系數13%，排肥均勻性好。該施肥機為精量施肥機的設計提供了參考，提高了農業機械的機電一體化程度。