水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王金峰 高觀保 閆東偉 王金武 翁武雄 陳博聞

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

水稻生長(zhǎng)過(guò)程大致分為幼苗期、分蘗期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、揚(yáng)花期、乳熟期、蠟熟期和完熟期9個(gè)時(shí)期，其中分蘗期是水稻生長(zhǎng)過(guò)程中氮元素代謝最旺盛的階段，合理施用分蘗肥可有效促進(jìn)水稻秧苗快速長(zhǎng)根、出葉、分蘗，增產(chǎn)豐收[1-2]。

目前，水稻分蘗肥施用的途徑主要分為兩種：一是以歐美為代表的水稻直播機(jī)械化栽培體系，水稻采用直播方式進(jìn)行種植，在水稻分蘗期，普遍采用撒肥機(jī)完成分蘗肥撒施；二是以日本為代表的水稻移栽機(jī)械化栽培體系，水稻采用移栽方式進(jìn)行種植，普遍采用機(jī)械插秧與側(cè)深施肥同步作業(yè)，一次性將基肥和返青肥施在距離水稻秧苗根系一側(cè)3～5 cm和深度5～8 cm處的側(cè)深位置，但隨著水稻秧苗根系的伸展，以施用顆粒狀硫酸銨為代表的返青肥在促進(jìn)水稻返青和水稻分蘗方面只能維持10 d左右肥效，為保證水稻分蘗期氮元素持續(xù)供應(yīng)，一般在水稻插秧后10 d左右，通過(guò)人工或撒肥機(jī)對(duì)水稻行間追施以氮肥為主的分蘗肥[1-4]。以上兩種栽培體系分別通過(guò)不同途徑完成分蘗肥的施用，一定程度上可促進(jìn)水稻秧苗分蘗，但兩種途徑的施肥方式存在施肥量不穩(wěn)定、營(yíng)養(yǎng)分布不均勻、污染水資源等問(wèn)題，導(dǎo)致肥效利用率降低，水稻有效分蘗量較少，直接影響水稻產(chǎn)量。水稻深施肥技術(shù)是將肥料施入地基以下一定深度的位置，可減少氮肥使用量，有效提高肥效利用率，降低對(duì)水資源的污染[5-8]。

本文將已研制的深施肥裝置安裝于具有除草功能的行走裝置[9-13]上，進(jìn)行水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)設(shè)計(jì)。該機(jī)具采用電力驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制機(jī)具前進(jìn)速度和葉片開(kāi)口直徑以滿足不同施肥量需求，可同步完成水稻分蘗肥深施和行間除草，從而減少作業(yè)次數(shù)，降低秧苗損傷，提高肥效利用率，減少環(huán)境污染。

1 農(nóng)藝要求

黑龍江省種植水稻為一季稻，不同地區(qū)積溫不同，插秧后返青期長(zhǎng)短也不相同，最佳水稻行間除草時(shí)間為插秧后10～20 d，分蘗肥施用時(shí)間一般為人工撒施返青肥或插秧機(jī)側(cè)深施肥后7～14 d，施肥量為45～90 kg/hm2，施肥深度不超過(guò)0.10 m，水稻分蘗肥深施和行間除草同步作業(yè)最佳時(shí)間為插秧后10～14 d。作業(yè)時(shí)，泥土深度0.18～0.20 m，水稻返青后控水，泥漿層深度0.02～0.05 m，秧苗的株距與行距分別為0.12、0.30 m，除草率在75%以上[14-16]。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)是一種適用于水稻插秧后10～14 d，將分蘗肥準(zhǔn)確、定量地施在水稻兩行中央地基以下0.05～0.10 m處的同時(shí)，完成行間除草作業(yè)的機(jī)具，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活、噪聲小等特點(diǎn)。

機(jī)具整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要包括支撐架、電池、電動(dòng)機(jī)、限深板、側(cè)傳動(dòng)箱、深施肥裝置、變向減速器、主動(dòng)除草輪、被動(dòng)除草輪、電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把、電流調(diào)節(jié)控制器。其中側(cè)傳動(dòng)箱由鏈輪、鏈條和鏈輪箱組成；深施肥裝置由肥箱、螺旋鋼絲、施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、防堵排肥機(jī)構(gòu)和施肥靴組成。主動(dòng)除草輪與被動(dòng)除草輪通過(guò)轉(zhuǎn)軸與支撐架鉸接，陷深板通過(guò)螺栓固接于支撐架，電動(dòng)機(jī)與變向減速器組合在一起與支撐架固接，電池放置在變向減速器上端，變向減速器左右兩側(cè)分別安裝有側(cè)傳動(dòng)箱和深施肥裝置，側(cè)傳動(dòng)箱下端與主動(dòng)除草輪通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接，深施肥裝置安裝在被動(dòng)除草輪與主動(dòng)除草輪之間，固接于鏈輪箱外壁，肥箱內(nèi)的螺旋鋼絲與變向減速器輸出軸連接，施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓固接于肥箱下端排肥口，防堵排肥機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓與施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下端固接，施肥靴插配在防堵排肥機(jī)構(gòu)下端管口。電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把、電流調(diào)節(jié)控制器等控制部件依次安裝于支撐架上。

施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1b所示，主要包括上殼體、下殼體、環(huán)形葉片、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、主動(dòng)齒輪、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)。環(huán)形葉片、主動(dòng)齒輪、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)自上而下依次安裝在上殼體和下殼體構(gòu)成的腔體內(nèi)，通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)達(dá)到調(diào)節(jié)施肥量的目的[12]。

機(jī)具作業(yè)時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)變向減速器和側(cè)傳動(dòng)箱分別傳遞到主動(dòng)除草輪和螺旋鋼絲。主動(dòng)除草輪的轉(zhuǎn)動(dòng)可驅(qū)使機(jī)具前進(jìn)行駛并完成除草作業(yè)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把，由電流調(diào)節(jié)控制器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)具前進(jìn)速度的無(wú)級(jí)調(diào)控；同時(shí)，螺旋鋼絲的轉(zhuǎn)動(dòng)促使肥料由肥箱排出，控制深施肥裝置施肥量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)定適宜葉片開(kāi)口直徑，肥料經(jīng)施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和防堵排肥機(jī)構(gòu)落入施肥靴已劃出的溝槽內(nèi)，然后由施肥靴尾端覆泥板以及被動(dòng)除草輪完成覆土蓋肥，最終實(shí)現(xiàn)水稻分蘗肥深施與行間除草的同步作業(yè)。機(jī)具作業(yè)原理如圖2所示。

圖2 水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)作業(yè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of electric control double row deep fertilizing weeder in paddy fields1.被動(dòng)除草輪 2.主動(dòng)除草輪 3.限深板 4.施肥靴

3 機(jī)具受力分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水田作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，為保證水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)正常作業(yè)，本文根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，通過(guò)對(duì)該機(jī)具被動(dòng)除草輪、主動(dòng)除草輪和機(jī)身(除了主動(dòng)除草輪和被動(dòng)除草輪以外其他部件的總成)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算主動(dòng)除草輪所需最大驅(qū)動(dòng)力矩，完成配套選型。

3.1 機(jī)具受力分析

水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)的觸土部件為被動(dòng)除草輪、主動(dòng)除草輪以及機(jī)身的施肥靴和陷深板。機(jī)具的作業(yè)過(guò)程主要分為啟動(dòng)加速、平穩(wěn)作業(yè)和制動(dòng)減速3個(gè)階段，其中啟動(dòng)加速階段主動(dòng)除草輪所需驅(qū)動(dòng)力矩最大[17-19]。在啟動(dòng)加速過(guò)程中，由機(jī)具各部件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可知，機(jī)身整體為平移加速運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)除草輪和被動(dòng)除草輪為既做平移加速運(yùn)動(dòng)又做定軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，機(jī)具受有慣性力和慣性力矩作用。因此，本文根據(jù)達(dá)朗貝爾原理對(duì)機(jī)具的啟動(dòng)加速階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立主動(dòng)除草輪所需驅(qū)動(dòng)力矩?cái)?shù)學(xué)模型。

圖3 被動(dòng)除草輪受力分析Fig.3 Force analysis of passive weeding wheel

被動(dòng)除草輪作為機(jī)具的從動(dòng)輪，在土壤對(duì)被動(dòng)除草輪的反作用力下前進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)，具有覆土蓋肥、輔助除草、限制主動(dòng)除草輪工作位置等功能，與文獻(xiàn)[13]所述被動(dòng)除草輪設(shè)計(jì)參數(shù)一致。機(jī)具啟動(dòng)加速過(guò)程中，被動(dòng)除草輪受力情況如圖3所示，主要有與機(jī)具前進(jìn)方向相反的慣性力FI1；被動(dòng)除草輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力矩MIo1；被動(dòng)除草輪自身重力G1；機(jī)身對(duì)鉸鏈點(diǎn)O1的垂直載荷W1；機(jī)身對(duì)被動(dòng)除草輪的牽引力FT1，方向與機(jī)具前進(jìn)方向相同；土壤與被動(dòng)除草輪接觸處作用有土壤對(duì)被動(dòng)除草輪的法向反作用力Fn和切向摩擦力Fτ，假設(shè)Fn和Fτ的合力作用點(diǎn)為A，設(shè)合力的水平分量為R1，方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反，垂直分量為FN1，方向豎直向上。建立被動(dòng)除草輪動(dòng)力學(xué)平衡方程為

∑Fx=FT1-R1-FI1=0

(1)

∑Fy=FN1-G1-W1=0

(2)

∑MO1=R1h1-FN1δ1-MIo1=0

(3)

其中

R1=f1FN1FI1=m1a1MIo1=Jo1α1

式中f1——被動(dòng)除草輪的滾動(dòng)摩擦因數(shù)

m1——兩個(gè)被動(dòng)除草輪的質(zhì)量，kg

a1——兩個(gè)被動(dòng)除草輪的加速度，m/s2

Jo1——兩個(gè)被動(dòng)除草輪關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

α1——兩個(gè)被動(dòng)除草輪的角加速度(假設(shè)兩個(gè)被動(dòng)除草輪角加速度相同)，rad/s2

δ1——合力作用點(diǎn)A與y軸的距離，m

h1——合力作用點(diǎn)A與x軸的距離，m

主動(dòng)除草輪作為機(jī)具的驅(qū)動(dòng)輪，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)過(guò)變向減速箱減速增扭后傳遞到主動(dòng)除草輪，在土壤對(duì)主動(dòng)除草輪的反作用力下前進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)身和被動(dòng)除草輪行進(jìn)，完成深施肥與行間除草作業(yè)。受限于水田土壤較柔軟、硬度較低、受力易變性等特性，主動(dòng)除草輪在前進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中使土壤發(fā)生沿切向方向的移動(dòng)，主動(dòng)除草輪不可避免存在滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，即機(jī)具實(shí)際行走距離相比理論行走距離減小，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)除草輪驅(qū)動(dòng)能力降低，機(jī)具功率消耗增大，甚至無(wú)法前進(jìn)，直接影響機(jī)具作業(yè)質(zhì)量。為減少主動(dòng)除草輪滑轉(zhuǎn)，根據(jù)輪子滾動(dòng)前進(jìn)條件，對(duì)主動(dòng)除草輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以增大極限土壤推進(jìn)力[20-23]。如圖4所示，改進(jìn)后的主動(dòng)除草輪主要包括輪盤(pán)、板齒和軸套，其滾動(dòng)半徑、寬度以及耙齒長(zhǎng)度和數(shù)量與文獻(xiàn)[13]所述主動(dòng)除草輪設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致，將耙齒更換為板齒，并沿輪盤(pán)法向方向均布焊接于2個(gè)輪盤(pán)之間，通過(guò)增加土壤與板齒法向接觸面積來(lái)增加對(duì)土壤的切向壓力，進(jìn)而增加極限土壤推進(jìn)力；將輪盤(pán)由全盤(pán)式改為鏤空式，以防止主動(dòng)除草輪被泥土堵塞，影響機(jī)具作業(yè)質(zhì)量。

圖4 改進(jìn)后主動(dòng)除草輪結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of improved active weeding wheel1.輪盤(pán) 2.板齒 3.軸套

機(jī)具啟動(dòng)加速過(guò)程中，主動(dòng)除草輪受力情況如圖5所示，主要有與機(jī)具前進(jìn)方向相反的慣性力FI2；主動(dòng)除草輪加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力矩MIo2；電動(dòng)機(jī)傳遞到主動(dòng)除草輪的驅(qū)動(dòng)力矩Md；主動(dòng)除草輪自身重力G2；機(jī)身對(duì)鉸鏈點(diǎn)O2的垂直載荷W2；機(jī)身對(duì)主動(dòng)除草輪的牽引阻力FT2，方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反；土壤與主動(dòng)除草輪接觸處作用有土壤對(duì)主動(dòng)除草輪的滾動(dòng)阻力R和由驅(qū)動(dòng)力矩產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力對(duì)土壤作用時(shí)所產(chǎn)生的反作用力PT，假設(shè)R和PT的合力作用點(diǎn)為B，設(shè)合力的水平分量為R2，方向與機(jī)具前進(jìn)方向相同，垂直分量為FN2，方向豎直向上。建立主動(dòng)除草輪動(dòng)力學(xué)平衡方程為

圖5 主動(dòng)除草輪受力分析Fig.5 Force analysis of driving weeding wheel

∑Fx=R2-FT2-FI2=0

(4)

∑Fy=FN2-G2-W2=0

(5)

∑MO2=Md-FN2δ2-R2h2-MIo2=0

(6)

其中

R2=f2FN2FI2=m2a2MIo2=Jo2α2

式中f2——主動(dòng)除草輪的滾動(dòng)摩擦因數(shù)

m2——兩個(gè)主動(dòng)除草輪的質(zhì)量，kg

a2——兩個(gè)主動(dòng)除草輪的加速度，m/s2

Jo2——兩個(gè)主動(dòng)除草輪關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

α2——兩個(gè)主動(dòng)除草輪的角加速度，rad/s2

δ2——合力作用點(diǎn)B與y軸的距離，m

h2——合力作用點(diǎn)B與x軸的距離，m

圖6 機(jī)身受力分析Fig.6 Force analysis of fuselage

機(jī)身在被動(dòng)除草輪與主動(dòng)除草輪驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)，其觸土部件為陷深板和深施肥裝置的施肥靴。機(jī)具加速啟動(dòng)過(guò)程中，機(jī)身受力情況如圖6所示，主要有與機(jī)具前進(jìn)方向相反的慣性力FI3；機(jī)身自身重力G3；驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)鉸鏈點(diǎn)O′2的反作用力矩M′d；鉸鏈點(diǎn)O′1對(duì)機(jī)身的支撐反力W′1；鉸鏈點(diǎn)O′2對(duì)機(jī)身的支撐反力W′2；被動(dòng)除草輪對(duì)機(jī)身的拉力F′T1；主動(dòng)除草輪對(duì)機(jī)身的牽引力F′T2；土壤對(duì)施肥靴的滑動(dòng)摩擦力Fs1；土壤對(duì)陷深板的滑動(dòng)摩擦力Fs2；土壤對(duì)施肥靴的垂直反力Fd1；泥土對(duì)陷深板的垂直反力Fd2。建立機(jī)身動(dòng)力學(xué)平衡方程為

∑Fx=F′T2-F′T1-Fs1-Fs2-FI3=0

(7)

∑Fy=Fd1+Fd2+W′1+W′2-G3=0

(8)

∑MO′2=(W′1-0.2G3)(k1+k2)+(Fd1-0.1G3)k2+Fs1d1+Fs2d2-M′d-(Fd2-0.2G3)k3=0

(9)

其中

Fs1=μ1Fd1Fs2=μ2Fd2FI3=m3a3

式中μ1——施肥靴的滑動(dòng)摩擦因數(shù)

μ2——陷深板的滑動(dòng)摩擦因數(shù)

m3——機(jī)身總質(zhì)量，kg

a3——機(jī)身加速度，m/s2

d1——作用點(diǎn)C與x軸的距離，m

d2——作用點(diǎn)D與x軸的距離，m

k1——鉸鏈點(diǎn)O′1與作用點(diǎn)C的距離，m

k2——作用點(diǎn)C與y軸的距離，m

k3——作用點(diǎn)D與y軸的距離，m

根據(jù)受力關(guān)系可知，W1=W′1，W2=W′2，F(xiàn)T1=F′T1，F(xiàn)T2=F′T2，聯(lián)立式(1)、(2)、(4)、(5)、(7)、(8)可得

(1-f1)FN1+(1+f2)FN2+(1-μ1)Fd1+(1-μ2)Fd2-(G1+G2+G3)-(m1a1+m2a2+m3a3)=0

(10)

其中

G1+G2+G3=G0=m0g

a1=a2=a3=am1+m2+m3=m0m1a1+m2a2+m3a3=m0a

式中m0——機(jī)具整機(jī)總質(zhì)量，kg

a——機(jī)具整機(jī)加速度，m/s2

聯(lián)立式(6)、(10)可得

(11)

為使驅(qū)動(dòng)力矩滿足機(jī)具啟動(dòng)加速需求，令μ1=μ2=f1=f2=1，則Fs1=Fd1，F(xiàn)s2=Fd2，R1=FN1，R2=FN2，由式(11)可知

(12)

如圖5所示，根據(jù)幾何關(guān)系建立rw、δ2、h2三者的函數(shù)關(guān)系

(13)

式中rw——主動(dòng)除草輪無(wú)滑轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)半徑，m

θ——作用點(diǎn)B所處半徑與y軸負(fù)半軸的夾角，(°)

在機(jī)具啟動(dòng)加速過(guò)程中，主動(dòng)除草輪不可避免存在滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，滑轉(zhuǎn)程度用滑轉(zhuǎn)率表示為

(14)

式中η——主動(dòng)除草輪的滑轉(zhuǎn)率，%

r——主動(dòng)除草輪滑轉(zhuǎn)時(shí)的滾動(dòng)半徑，m

則主動(dòng)除草輪角加速度與機(jī)具整機(jī)加速度的關(guān)系為

(15)

聯(lián)立式(12)、(13)、(15)，可得

(16)

令b=sin(π/4+θ)，由三角函數(shù)性質(zhì)可知，當(dāng)θ=2kπ+π/4且k=0時(shí)，b取得最大值1，則Md取相應(yīng)最大值為

(17)

農(nóng)業(yè)機(jī)械在田間作業(yè)時(shí)行走輪的滑轉(zhuǎn)率一般為3%～8%，水田作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，滑轉(zhuǎn)率較高，取最大允許滑轉(zhuǎn)率20%[24-26]；水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)為單人作業(yè)機(jī)具，可單手拉起，要求機(jī)具結(jié)構(gòu)緊湊，盡量輕簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)整機(jī)載肥狀態(tài)下總質(zhì)量為35 kg；主動(dòng)除草輪無(wú)滑轉(zhuǎn)時(shí)的滾動(dòng)半徑參考文獻(xiàn)[13]，取值為0.15 m；由于主動(dòng)除草輪結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其慣性張量很難精確算出，本文通過(guò)Pro/E軟件對(duì)主動(dòng)除草輪的三維模型進(jìn)行質(zhì)量屬性分析，材質(zhì)選擇密度為2.79×103kg/m3的鋁合金，得到兩個(gè)主動(dòng)除草輪關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量7.15×10-3kg·m2；根據(jù)農(nóng)藝要求，機(jī)具正常的作業(yè)速度為0.4～0.6 m/s，為保證機(jī)具作業(yè)質(zhì)量，機(jī)具啟動(dòng)加速階段所用時(shí)間越短越好，時(shí)間應(yīng)控制在0.1 s以內(nèi)，假設(shè)機(jī)具在啟動(dòng)加速過(guò)程中做勻加速運(yùn)動(dòng)，在電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定功率之前機(jī)具前進(jìn)速度能夠滿足正常作業(yè)速度需求，加速度取值為6 m/s2。由式(17)計(jì)算得到主動(dòng)除草輪所需最大驅(qū)動(dòng)力矩理論值為59.05 N·m。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)控制系統(tǒng)主要包括深施肥裝置控制系統(tǒng)和機(jī)具行走控制系統(tǒng)。

3.2.1深施肥裝置控制系統(tǒng)

深施肥裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7a所示，主要包括電池、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)、紅外遙控器、紅外接收管、L298N電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊(步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊)、STC89C52RC單片機(jī)、肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和防堵排肥機(jī)構(gòu)。其系統(tǒng)硬件原理框圖如圖7b所示。

圖7 深施肥裝置控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure design of control system hardware of deep fertilizer device1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2.紅外遙控器 3.直流電動(dòng)機(jī) 4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 5.STC89C52RC單片機(jī) 6.直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 7.紅外接收管 8.電池 9.肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 10.防堵排肥機(jī)構(gòu)

如圖8所示，深施肥裝置控制系統(tǒng)軟件主要包括控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的STC89C52RC單片機(jī)主程序和紅外解碼子程序。其中，“motor=0”、“zheng_flag=1”、“fan_flag=1”、“zheng_run=1”和“fan_run=1”分別為直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)一個(gè)角度、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)一個(gè)角度、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)正轉(zhuǎn)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)反轉(zhuǎn)的標(biāo)志變量，編碼值為8個(gè)16進(jìn)制數(shù)據(jù)，解析為相應(yīng)內(nèi)容。該控制系統(tǒng)由電池供電，以STC89C52RC單片機(jī)為主控，設(shè)定肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)葉片開(kāi)口直徑時(shí)，按動(dòng)紅外遙控器相應(yīng)定義控制按鍵，紅外遙控器將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為紅外信號(hào)經(jīng)紅外接收管傳輸給STC89C52RC單片機(jī)，STC89C52RC單片機(jī)將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定步數(shù)，完成開(kāi)口直徑大小的調(diào)節(jié)；防堵排肥機(jī)構(gòu)的控制方式與肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)類似，不同點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)紅外遙控器控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與停止來(lái)調(diào)整防堵排肥機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)。

圖8 深施肥裝置控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Flow chart of deep fertilizer device control system software

3.2.2機(jī)具行走控制系統(tǒng)

如圖9所示，機(jī)具行走控制系統(tǒng)主要包括電池、電動(dòng)機(jī)、電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把和電流調(diào)節(jié)控制器。電流調(diào)節(jié)控制器分別與電池、電動(dòng)機(jī)和電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把連接。

圖9 機(jī)具行走控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.9 Electronic controlled deep fertilizing device for paddy filed1.電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把 2.電池 3.電流調(diào)節(jié)控制器 4.電動(dòng)機(jī)

電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)把選取可匹配12～99 V電動(dòng)機(jī)的通用型霍爾元件轉(zhuǎn)把；電流調(diào)節(jié)控制器選用60 V/500 W控制器；電動(dòng)機(jī)選用無(wú)刷差速電動(dòng)機(jī)，額定功率為500 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定力矩為1.59 N·m。

通過(guò)對(duì)主動(dòng)除草輪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可知[9,23]，其瞬時(shí)轉(zhuǎn)速為

(18)

式中ω——主動(dòng)除草輪的角速度，rad/s

v——機(jī)具的前進(jìn)速度，m/s

由式(18)可知，當(dāng)主動(dòng)除草輪滑轉(zhuǎn)率達(dá)到最大允許值20%，機(jī)具前進(jìn)速度最大為0.6 m/s時(shí)，主動(dòng)除草輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速為48 r/min。根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，變向減速器傳動(dòng)比應(yīng)大于1/62；電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩經(jīng)變向減速器減速增扭后傳遞到主動(dòng)除草輪，主動(dòng)除草輪所需最大驅(qū)動(dòng)力矩理論值為59.05 N·m，根據(jù)電動(dòng)機(jī)額定力矩，變向減速器傳動(dòng)比應(yīng)小于1/37。結(jié)合機(jī)具結(jié)構(gòu)，主變速箱選取減速器傳動(dòng)比為1/50的RV系列蝸輪減速器，則主動(dòng)除草輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速最大為60 r/min，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力矩經(jīng)變向減速器減速增扭后傳遞到主動(dòng)除草輪的驅(qū)動(dòng)力矩為79.50 N·m。由此可知，所選的電動(dòng)機(jī)與變向減速器組合滿足機(jī)具啟動(dòng)加速時(shí)主動(dòng)除草輪所需最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)力矩的要求。

電池的選型既要滿足電動(dòng)機(jī)的額定功率，同時(shí)要求具有一定的續(xù)航能力，電池選用電壓容量為60 V/20 A·h的鋰電池。鋰電池的工作時(shí)長(zhǎng)為

(19)

式中C——電池容量，A·h

P——電動(dòng)機(jī)額定功率，W

U——電動(dòng)機(jī)額定電壓，V

由式(19)計(jì)算可得，電動(dòng)機(jī)在額定功率下工作時(shí)，鋰電池理論工作時(shí)長(zhǎng)為2.4 h，滿足機(jī)具實(shí)際作業(yè)時(shí)長(zhǎng)需求。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

參考NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析的方法對(duì)深施肥裝置的施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性進(jìn)行研究。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定前進(jìn)速度和葉片開(kāi)口直徑為影響深施肥裝置施肥性能的主要因素，并得到合理的取值范圍，然后進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，分析得到影響因素分別與施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)之間的關(guān)系。

4.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)材料為粒徑2～5 mm，容重1.35×103kg/m3，含水率19.4%，自然休止角35.8°，含氮量在46.4%以上的顆粒狀尿素。

依據(jù)NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，施肥穩(wěn)定性測(cè)定為靜態(tài)試驗(yàn)，不考慮前進(jìn)速度，分析深施肥裝置不同葉片開(kāi)口直徑下相同時(shí)間內(nèi)排肥量的變化規(guī)律；施肥均勻性測(cè)定為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，沿機(jī)具前進(jìn)方向按0.1 m長(zhǎng)度連續(xù)等分不少于30段的距離，分別收集落在各小段內(nèi)的尿素顆粒并稱量其質(zhì)量。施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性由施肥量均值、施肥量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)衡量。

(20)

式中Xi——測(cè)定施肥穩(wěn)定性時(shí)表示每相同時(shí)間內(nèi)排出尿素顆粒的質(zhì)量；測(cè)定施肥均勻性時(shí)表示每小段內(nèi)落入尿素顆粒的質(zhì)量，g

m——測(cè)定次數(shù)

施肥量標(biāo)準(zhǔn)差σ為

(21)

變異系數(shù)V為

(22)

試驗(yàn)臺(tái)架主要由安裝架、深施肥裝置、肥料收集帶和JPS-12型排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)組成，如圖10所示。試驗(yàn)時(shí)，深施肥裝置固定于安裝架，將自制每小段長(zhǎng)度為0.1 m，總長(zhǎng)度為4 m的肥料收集帶放置于JPS-12型排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的傳送帶，用于施肥均勻性測(cè)定時(shí)收集深施肥裝置下落的尿素顆粒，然后利用調(diào)速器控制深施肥裝置螺旋鋼絲轉(zhuǎn)動(dòng)及葉片開(kāi)口直徑的大小，通過(guò)調(diào)節(jié)JPS-12型排種試驗(yàn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻器頻率控制傳送帶(肥料收集帶)相對(duì)于深施肥裝置反向運(yùn)動(dòng)，模擬深施肥裝置前進(jìn)速度。

圖10 深施肥裝置試驗(yàn)臺(tái)架Fig.10 Test bench of deep fertilizing device1.深施肥裝置 2.安裝架 3.JPS-12型排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái) 4.肥料收集帶

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1施肥穩(wěn)定性

施肥穩(wěn)定性測(cè)定初始，肥箱為滿肥狀態(tài)，且肥量低于肥料箱容積1/4時(shí)停止試驗(yàn)。用電子天平稱量葉片開(kāi)口直徑分別為14、15、16、17、18、19、20 mm時(shí)深施肥裝置10 s內(nèi)排出尿素顆粒的質(zhì)量，重復(fù)5次，由式(20)～(22)計(jì)算施肥穩(wěn)定性施肥量均值y1和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)y2。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同開(kāi)口直徑下的施肥穩(wěn)定性性能Tab.1 Fertilization stability under different opening diameters of fertilizer regulation mechanism

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)表1結(jié)果進(jìn)行方差分析，葉片開(kāi)口直徑對(duì)施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的模型影響顯著，葉片開(kāi)口直徑影響施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的回歸方程分別為

(23)

(24)

由式(23)、(24)可知，當(dāng)葉片開(kāi)口直徑在一定范圍內(nèi)時(shí)，隨著葉片開(kāi)口直徑的增大，施肥穩(wěn)定性施肥量均值逐漸增大，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)逐漸減小。為判斷深施肥裝置是否滿足NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)小于7.8%的要求，設(shè)機(jī)具前進(jìn)速度為0.5 m/s，求得最小施肥量45 kg/hm2時(shí)葉片開(kāi)口直徑為15.74 mm，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為6.08%，說(shuō)明該施肥裝置的施肥穩(wěn)定性較好。

4.2.2施肥均勻性

通過(guò)對(duì)深施肥裝置施肥性能進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，確定影響施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)的主要因素包括前進(jìn)速度和葉片開(kāi)口直徑，得到各影響因素的取值范圍：葉片開(kāi)口直徑為15～19 mm，前進(jìn)速度為0.4～0.6 m/s，在此基礎(chǔ)上采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Factors coding

根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)16組試驗(yàn)，分別收集落在各小段內(nèi)的顆粒尿素并稱量其質(zhì)量，由式(20)～(22)計(jì)算施肥均勻性施肥量均值y3和施肥均勻性變異系數(shù)y4。試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Trial protocols and results

4.2.2.1施肥均勻性施肥量均值

(25)

表4 施肥均勻性施肥量均值方差分析Tab.4 Variance analysis on mean value of fertilization of fertilization uniformity

根據(jù)回歸方程(25)，利用Design-Expert軟件繪制出葉片開(kāi)口直徑和前進(jìn)速度對(duì)施肥均勻性施肥量均值的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

圖11 各因素對(duì)施肥均勻性施肥量均值的響應(yīng)曲面Fig.11 Response surface of all factors to mean value of fertilization of fertilization uniformity

由圖11可知，當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí)，施肥均勻性施肥量均值隨著葉片開(kāi)口直徑的增大而增大；當(dāng)葉片開(kāi)口直徑一定時(shí)，施肥均勻性施肥量均值隨著前進(jìn)速度的增大而減小。深施肥裝置通過(guò)調(diào)節(jié)葉片開(kāi)口直徑大小控制排肥量，葉片開(kāi)口直徑越大，排出的肥量越大，反之越小。當(dāng)葉片開(kāi)口直徑處于低水平時(shí)，施肥裝置單位時(shí)間內(nèi)排出的肥量為定值且較少，隨著前進(jìn)速度的增大，下落到每段收集盒內(nèi)的肥量相應(yīng)減少，即施肥均勻性施肥量均值減小，此時(shí)影響施肥均勻性施肥量均值的主要因素為前進(jìn)速度；當(dāng)葉片開(kāi)口直徑處于高水平時(shí)，施肥裝置單位時(shí)間內(nèi)排出的肥量為定值且較多，隨著前進(jìn)速度的增大，下落到每段收集盒內(nèi)的肥量相應(yīng)減少，即施肥均勻性施肥量均值減小，此時(shí)影響施肥均勻性施肥量均值的主要因素為葉片開(kāi)口直徑。

4.2.2.2施肥均勻性變異系數(shù)

(26)

表5 施肥均勻性變異系數(shù)方差分析Tab.5 Variance analysis of fertilization uniformity variation coefficient

根據(jù)回歸方程(26)，利用Design-Expert軟件繪制出葉片開(kāi)口直徑和前進(jìn)速度對(duì)施肥均勻性變異系數(shù)的響應(yīng)曲面，如圖12所示。

圖12 各因素對(duì)施肥均勻性變異系數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface of all factors to the variation coefficient of fertillization uniformity

由圖12可知，當(dāng)前進(jìn)速度一定時(shí)，施肥均勻性變異系數(shù)隨著葉片開(kāi)口直徑的增大而減?。划?dāng)葉片開(kāi)口直徑一定時(shí)，施肥均勻性變異系數(shù)隨著前進(jìn)速度的增大而增大。試驗(yàn)所用肥料為顆粒狀尿素，試驗(yàn)時(shí)，肥料顆粒從葉片開(kāi)口處排出，當(dāng)葉片開(kāi)口直徑處于低水平時(shí)，排肥量較小，而且肥料為形狀大小不一的固態(tài)顆粒，表面為凹凸非光滑曲面，易在下落口處擠壓結(jié)拱，影響肥料顆粒下落，隨著前進(jìn)速度的增大，下落到每段收集盒內(nèi)的肥量隨之減少，甚至出現(xiàn)斷條，施肥均勻性較低，此時(shí)影響施肥均勻性變異系數(shù)的主要因素為葉片開(kāi)口直徑；當(dāng)葉片開(kāi)口直徑處于高水平時(shí)，排肥量較大，結(jié)拱現(xiàn)象減弱，肥料顆粒下落順暢，連續(xù)性增強(qiáng)，施肥均勻性提高，但隨著前進(jìn)速度的增大，施肥均勻性同樣會(huì)隨之降低，此時(shí)影響施肥均勻性變異系數(shù)的主要因素為前進(jìn)速度。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)農(nóng)藝要求，深施肥裝置施肥量調(diào)節(jié)范圍為45～90 kg/hm2，施肥均勻性變異系數(shù)控制在NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的40%以內(nèi)，且越小越好。因此，對(duì)該施肥裝置在常規(guī)施肥量67.5 kg/hm2情況下的各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到相應(yīng)的施肥均勻性變異系數(shù)。其約束函數(shù)為

(27)

根據(jù)約束函數(shù)模型，利用Design-Expert軟件對(duì)回歸方程(25)、(26)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到在施肥均勻性施肥量均值目標(biāo)值為0.20 g情況下影響施肥均勻性變異系數(shù)的各參數(shù)組合，如圖13所示陰影區(qū)域，選取其中施肥均勻性變異系數(shù)最低的參數(shù)組合作為最優(yōu)，即葉片開(kāi)口直徑為16 mm，前進(jìn)速度為0.40 m/s，此時(shí)施肥均勻性施肥量均值為0.20 g，施肥均勻性變異系數(shù)為21.7%。

圖13 優(yōu)化區(qū)域Fig.13 Optimized area

5 田間試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

為檢驗(yàn)機(jī)具的田間作業(yè)性能，于2017年6月15日在黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)新鄉(xiāng)試驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行施肥量偏差和除草率測(cè)定，水稻種植采用機(jī)械插秧和側(cè)深施肥同步作業(yè)，未經(jīng)化學(xué)或人工除草。試驗(yàn)于插秧后10 d進(jìn)行，水稻品種為龍洋16，長(zhǎng)勢(shì)良好，株距0.12 m，行距0.30 m，苗高約0.26 m，泥漿層深度約0.05 m，泥土深度約0.17 m，雜草數(shù)量約20株/m2，雜草主要以水田稗(平均株高約0.12 m，根系平均深度約0.19 m)為主，有少量野慈姑。田間試驗(yàn)如圖14所示。

圖14 水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)田間試驗(yàn)Fig.14 Field experiment of electric control double row deep fertilizing weeder in paddy fields

5.2 施肥量偏差試驗(yàn)

施肥量偏差測(cè)定試驗(yàn)時(shí)，給定施肥量為67.5 kg/hm2，選取5塊2.4 m×30 m的矩形區(qū)域作為施肥量偏差測(cè)定的試驗(yàn)田塊，試驗(yàn)前對(duì)肥箱內(nèi)肥料進(jìn)行稱量，葉片開(kāi)口直徑設(shè)為16 mm，機(jī)具以0.40 m/s的速度進(jìn)行作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)束后稱量肥箱內(nèi)剩余肥料質(zhì)量，計(jì)算施肥量偏差

(28)

式中γs——施肥量偏差，%

Wq——試驗(yàn)前肥箱內(nèi)肥料質(zhì)量，kg

Wh——試驗(yàn)后肥箱內(nèi)剩余肥料質(zhì)量，kg

S——施肥作業(yè)面積，m2

F——給定施肥量，kg/hm2

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，當(dāng)給定施肥量為67.5 kg/hm2，葉片開(kāi)口直徑16 mm，機(jī)具前進(jìn)速度0.4 m/s時(shí)，施肥量偏差控制在3.54%以內(nèi)，深施肥裝置施肥量總體比較穩(wěn)定。

表6 施肥量偏差測(cè)定統(tǒng)計(jì)表Tab.6 Statistical result for measuring fertilization deviation

5.3 除草率試驗(yàn)

機(jī)具前進(jìn)速度是影響水田機(jī)械除草效果的重要因素，以機(jī)具前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，除草率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，另外選取5塊2.4 m×30 m的矩形區(qū)域作為不同前進(jìn)速度下除草率測(cè)定的試驗(yàn)田塊，然后在不同前進(jìn)速度的試驗(yàn)田塊內(nèi)任意選取5個(gè)1 m×1 m區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)，計(jì)算除草率后取平均值。

(29)

式中Y——除草率，%

Q1——除草前測(cè)試區(qū)雜草總數(shù)，株

Q2——除草后測(cè)試區(qū)雜草總數(shù)，株

試驗(yàn)結(jié)果如表7所示，水田電動(dòng)雙行深施肥除草機(jī)除草率均不小于78.5%，除草效果較優(yōu)，滿足農(nóng)藝要求。

表7 不同前進(jìn)速度下機(jī)具除草率Tab.7 Weeding rate of implements at different forward speeds

6 結(jié)論

(1)根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，對(duì)被動(dòng)除草輪、主動(dòng)除草輪和機(jī)身進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，建立主動(dòng)除草輪所需驅(qū)動(dòng)力矩?cái)?shù)學(xué)模型，得到主動(dòng)除草輪所需最大驅(qū)動(dòng)力矩理論值為59.05 N·m，完成深施肥裝置控制系統(tǒng)與機(jī)具行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)深施肥裝置進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，得到機(jī)具前進(jìn)速度與葉片開(kāi)口直徑分別對(duì)施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)的影響規(guī)律，優(yōu)化結(jié)果表明：在機(jī)具前進(jìn)速度為0.40 m/s，葉片開(kāi)口直徑為16 mm的條件下，施肥均勻性施肥量均值為0.20 g，施肥均勻性變異系數(shù)最小值為21.7%。

(3)對(duì)機(jī)具進(jìn)行田間性能試驗(yàn)，當(dāng)給定施肥量為67.5 kg/hm2，葉片開(kāi)口直徑16 mm，機(jī)具前進(jìn)速度0.40 m/s時(shí)，施肥量偏差控制在3.54%以內(nèi)；不同前進(jìn)速度下除草率均不小于78.5%，機(jī)具滿足水稻分蘗肥深施和行間除草的農(nóng)藝要求。