傾斜刮板式固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)設(shè)計(jì)

胡 杰,汪 洋,武艷平,何家成,何培祥

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400716)

0 引言

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó),僅在2016年我國(guó)的糧食產(chǎn)量約為61 625萬(wàn)t,占世界糧食產(chǎn)量的16%[1-2]。施肥是增加土壤養(yǎng)分,改善作物生長(zhǎng)發(fā)育條件的重要措施,而過(guò)量使用無(wú)機(jī)肥所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題尤為嚴(yán)重。為降低無(wú)機(jī)肥使用量、推進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展,農(nóng)業(yè)部相繼提出了一系列政策,旨在用有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)肥。如今,平原地區(qū)已經(jīng)有大型有機(jī)肥施肥機(jī)撒施有機(jī)肥,其施肥幅寬大,效率高,變異系數(shù)小,施肥一致性良好;但在丘陵山區(qū),由于田塊小、田塊之間的落差大,可供機(jī)具在田間轉(zhuǎn)向的空間小甚至沒(méi)有,大型施肥機(jī)難以在這一地區(qū)展開(kāi)工作,有機(jī)肥施肥主要靠人工完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低且施肥效果差。

本文設(shè)計(jì)了一種傾斜刮板式固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī),能夠有效地提高山地丘陵地區(qū)有機(jī)肥的施肥質(zhì)量,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提升山地丘陵地區(qū)的施肥作業(yè)效率。

1 施肥機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

傾斜刮板式固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)主要包括刮板排肥器、行走機(jī)構(gòu)及整機(jī)控制系統(tǒng),如圖1所示。

1.扶手 2.肥料箱 3.刮板排肥器 4.偏轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī) 5.排肥伺服電機(jī) 6.行走輪

刮板排肥器通過(guò)軸承安裝在整機(jī)機(jī)架上,其偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由偏轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力。行走機(jī)構(gòu)主要包括行走輪、霍爾傳感器及呈圓周均勻安裝在行走輪上的12組磁鐵。其中,霍爾傳感器安裝在整機(jī)機(jī)架的下方,與行走輪上磁鐵相距約為2mm;工作開(kāi)關(guān)安裝于扶手的上方,便于控制。

傾斜刮板式固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)的施肥方式為條施。當(dāng)施肥機(jī)工作開(kāi)關(guān)閉合時(shí),施肥機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài),由人力來(lái)對(duì)施肥機(jī)進(jìn)行推動(dòng)與導(dǎo)向。施肥的整個(gè)過(guò)程由整機(jī)控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)并控制,根據(jù)施肥機(jī)的作業(yè)速度和設(shè)定的施肥量自動(dòng)調(diào)整排肥器單位時(shí)間內(nèi)的排肥量,使施肥機(jī)按照設(shè)定要求穩(wěn)定、可靠地施肥,單位面積內(nèi)施肥量與作業(yè)速度無(wú)關(guān)。

2 刮板排肥器的力學(xué)分析

刮板排肥器工作時(shí),排肥刮板作為直接與有機(jī)肥接觸的工作部件,是排肥器的重要部件,因此應(yīng)對(duì)其工作時(shí)的受力情況建立力學(xué)模型。從排肥器中抽離出的刮板組如圖2所示。

圖2 刮板組

由于刮板間距不變,可以假設(shè)每個(gè)水平刮板前的肥料質(zhì)量一樣,設(shè)刮板插入肥料深度為a,剩余高度為b,將肥料對(duì)水平刮板的力考慮為一個(gè)集度為q的均勻載荷。為了便于計(jì)算,將其水平旋轉(zhuǎn)90°,并建立如圖3所示的坐標(biāo)系。

圖3 刮板受力分析圖

根據(jù)靜力平衡方程,OB段上任意截面以左的剪力代數(shù)和為

FOB=-qx1

(1)

其中,q為水平刮板受到的載荷集度(kN/mm);x1為該截面距O點(diǎn)的距離(mm)。

該截面以左的彎矩代數(shù)和為

(2)

BC段上任意截面以左的剪力代數(shù)和為

FBC=-qa

(3)

其中,q為水平刮板受到的載荷集度(kN/mm);a為刮板的插入深度(mm)。

該截面以左的彎矩代數(shù)和為

(4)

3 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

前文已闡述了施肥機(jī)所具有的執(zhí)行機(jī)構(gòu),包含排肥伺服電機(jī)、偏轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)及相關(guān)的傳感器(施肥機(jī)前進(jìn)速度傳感器、排肥器排肥速度傳感器及偏轉(zhuǎn)極限位置傳感器)。除了必要的輸入信號(hào)及輸出硬件驅(qū)動(dòng)電路以外,還需要考慮人機(jī)交互的硬件電路設(shè)計(jì)。為了方便,電路采用模塊化設(shè)計(jì),如圖4所示。

圖4 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

主控芯片的選型主要從經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性及可靠性等方面進(jìn)行考慮,還需考慮控制系統(tǒng)處理復(fù)雜運(yùn)算的能力、反應(yīng)速度及系統(tǒng)的可靠性等。綜合各方面因素,選擇PIC18F23K22作為主控芯片。

結(jié)合硬件電路框圖及各傳感器輸出信號(hào)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了如圖5所示電路。除此之外,還增加了由7805組成的5V輸出電源電路,為主控芯片PIC18F23K22提供5V工作電壓。

4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖6所示。在控制系統(tǒng)通電后,程序首先對(duì)PIC18F23K22進(jìn)行初始化,主要是對(duì)芯片的時(shí)鐘配置及各個(gè)功能模塊進(jìn)行配置;其后,調(diào)用電池電壓檢測(cè)子程序檢測(cè)電池電壓,確保電量充足;然后,調(diào)用排肥器初始程序,控制偏轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)使排肥器回到初始位置。以上工作完成后,系統(tǒng)發(fā)出正常提示。最后,系統(tǒng)開(kāi)始檢測(cè)施肥機(jī)前進(jìn)速度,并檢測(cè)預(yù)先設(shè)定的施肥量,等待操作人員發(fā)出開(kāi)始施肥指令,即閉合工作按鈕。檢測(cè)到開(kāi)始施肥指令后,調(diào)用排肥子程序,開(kāi)始施肥。

圖5控制系統(tǒng)整體電路圖

圖6 主程序流程圖

4.2 排肥子程序設(shè)計(jì)

排肥子程序如圖7所示。排肥子程序的主要功能為:控制排肥伺服電機(jī)及偏轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī),并與排肥量調(diào)節(jié)中斷程序配合控制排肥器進(jìn)行施肥。排肥量調(diào)節(jié)中斷程序如圖8所示。

圖7 排肥子程序流程圖

啟動(dòng)排肥器后,開(kāi)啟排肥量調(diào)節(jié)中斷程序,對(duì)排肥器單位時(shí)間內(nèi)排肥量采用PID算法進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。排肥時(shí)電源需持續(xù)供電,為防止施肥機(jī)在電源剩余電量不足時(shí)還在工作,需對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 試驗(yàn)

為準(zhǔn)確檢測(cè)施肥機(jī)的施肥量,固定施肥機(jī),并在施肥機(jī)的排肥口處放置一接料箱,對(duì)排出的肥料進(jìn)行收集用以稱(chēng)重。由于施肥機(jī)前進(jìn)速度是通過(guò)檢測(cè)行走輪傳感器發(fā)出的方波信號(hào)的頻率來(lái)采集,故利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出脈沖信號(hào),模擬行走輪的轉(zhuǎn)速;同時(shí),使用數(shù)字示波器對(duì)排肥器伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)及偏轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)。由于機(jī)器工作在間距為1.3m的壟間,故每公頃的實(shí)際施肥量可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到,如表1所示。

表1 排肥器性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

綜上所述,當(dāng)設(shè)定排肥量一定時(shí),施肥機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的實(shí)際排肥量與施肥機(jī)前進(jìn)速度成線(xiàn)性關(guān)系,前進(jìn)速度越快,施肥機(jī)單位時(shí)間內(nèi)排出的肥料越多;田間的實(shí)際施肥量準(zhǔn)確并與作業(yè)速度無(wú)關(guān),實(shí)際排肥量與設(shè)定排肥量之間的最大偏差小于6%。

6 結(jié)論

結(jié)合山地丘陵地區(qū)的實(shí)際情況,以輕量化、小型化、施肥量準(zhǔn)確可控為主要設(shè)計(jì)原則,對(duì)傾斜刮板式固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)制作與試驗(yàn)分析。本文設(shè)計(jì)的傾斜刮板式固態(tài)有機(jī)肥施肥機(jī)采用偏轉(zhuǎn)式的排肥方式,排肥器從肥料的側(cè)面開(kāi)始排肥,邊排肥邊向下偏轉(zhuǎn),排肥器始終將肥料箱中的側(cè)表面的肥料排出。該排肥器有效地解決了當(dāng)有機(jī)肥因含水率較大時(shí)傳統(tǒng)的排肥器在排肥過(guò)程中容易出現(xiàn)有機(jī)肥被架空而不能可靠排肥的難題。