施肥机构（共3篇）
施肥机构 篇1
0 引言
在施撒底肥、苗期追肥生产作业环节,肥料抛撒机是一种作业效率较高的作业机械,具有施肥均匀等优点,特别在大面积作业下,具有广阔的应用前景。然而,我国对于小幅宽变量施肥机研究较多[1,2,3],而对于针对肥料抛撒机的研究相比较少。在国外,对于肥料抛撒施肥机的研究较早,包括针对肥料粒子在圆盘上的运动研究[4,5],并对肥料颗粒在圆盘上的运动测量也进行了相关研究[6]。相关研究人员对圆盘式变量施肥模型以及田间试验等进行了大量工作,实现了基于处方图的变量作业[7]。近年来,我国也就施肥抛撒机进行了相关研究[8,9],并开发了出相应的变量施肥抛撒机[10]。
肥料抛撒机构是施肥抛撒机的重要组成部件,也是影响肥料抛撒均匀性的重要部件。因此,对其进行研究,具有重要的现实意义。目前,国外拨肥机构中拨肥叶片多采用“U”型,国内有弧形结构[10],本文进一步进行了相关研究,通过改进拨肥叶片,设计了一种新型的肥料抛撒机构。试验结果表明,本文设计的肥料抛撒机构有较好的肥料抛撒均匀性。
1 肥料抛撒工作原理
作业过程中,当输肥机构把肥料输送到落肥口后,经落肥装置,使肥料落入到撒肥机构。通过控制液压系统,控制液压马达带动撒肥机构工作。当肥料从落肥口落到旋转的撒肥盘上时,靠旋转圆盘产生的离心力以及肥料和圆盘间的摩擦力作用,肥料在圆盘以及沿拨肥叶片上经过滑动或滚动,最终通过拨肥叶片作用,将肥料均匀抛撒到地表,完成施肥作业。随后,可经耕整机组将肥料翻于土层,或在小麦追肥期通过灌溉方式将撒于地表的肥料渗入到土层内。
2 撒肥机构设计
撒肥机构是抛撒机重要的部件之一,直接影响着抛撒施肥的均匀性。施肥抛撒机撒肥机构主要包括撒肥盘和拨肥叶片两部分。
2.1 撒肥盘设计
圆盘式撒肥盘主要起承接肥料以及安装拨肥叶片的作用,同时决定着颗粒肥料抛撒幅宽及抛撒均匀性。一般来说,撒肥盘的大小不同。这是其设计的施肥叶片长短也不同,由于圆盘大小和拨肥叶片长短的的不同可以改变肥料在圆盘上的运动时间和离开圆盘时转过的角度。
在肥料颗粒以相对于施肥圆盘相同的位置落下时,如撒肥盘直径较小,颗粒肥料在经撒肥盘和拨肥叶片上运动到离开的时间较短;在相同转速下,转过的角度也较小;同时离开撒肥盘时,肥料颗粒受到拨肥叶片的作用力较小。因此,当施肥圆盘大小不同时,对于施肥距离有较为明显的影响[11,12]。
本文所设计的撒肥盘直径尺寸为500mm,考虑到肥料腐蚀性,圆盘材料采用316不锈钢板材料,2mm厚;同时在拨肥叶片安装位置设计了可以调节拨肥叶片偏置角度的槽孔,以便在抛撒作业中,根据不同肥料特性调整拨肥叶片安装的偏置角度。该圆盘设计调整角度为±30°。其结构如图1所示。
2.2 拨肥叶片设计
为了提高肥料抛撒的均匀性,目前成熟的设计主要是通过在撒肥盘上间隔均布不同长短的叶片,从而改变肥料颗粒抛撒的距离,达到肥料的均匀抛撒。考虑结构设计,两个圆盘之间距离较近,通过拨肥叶片不同长短间隔布置的方式易产生干涉。
在同一转速下,根据抛射理论,斜向上抛射时,肥料可以抛射较远距离,使没有分肥叶片时的肥料通过产生的落地时间差提高抛撒均匀性,从而把原先不采用分肥叶片抛撒的肥料量分散抛撒,形成二次抛撒,从而使分开的两束肥料产生落地位置的变化。而抛射物的运动可描述为平面上一个动点的轨迹,即抛射曲线,不考虑空气阻力等因素,其参数方程为
其中,g是重力加速度,v0为肥料颗粒离开撒肥盘斜向上的初始速度,α为肥料离开撒肥盘斜向上的抛射仰角。
为此,本文通过在拨肥叶片上加入分肥装置,从而在抛肥过程中产生斜向上抛出的肥料。即根据抛射理论,通过分肥装置上部斜向上抛出的肥料,其落地位置时间比分肥装置下部抛出的肥料要滞后的原理,设计了带有分肥装置的拨肥叶片。该分肥装置采用了曲线结构,从而通过分肥装置使其上部的肥料产生斜向上的抛射运动。
为了实现肥料有斜向上的抛撒,要求分肥叶片曲面有一个较为柔和的变化过程,符合这样要求的曲线很多,本文采用一段圆弧作为分肥叶片的曲线面,如图2所示。
如图3所示,假设A点为坐标原点,A点坐标为(0,0),圆弧上两点坐标为A(0,0),B(60,60tanα/2)。由于点A和点B皆为圆弧的切点,因此圆心坐标位于点(0,R),由此可设圆的方程为
x2+(y-R)2=R2 (2)
由前节肥料颗粒运动分析可求得肥料颗粒对应落地时间为
由抛射曲线参数方程,可求得经过斜向上抛出的肥料,当回落到抛出点水平位置期间所用时间为
取t1=2t2,则可求得经分肥叶片抛出的肥料,抛出仰角为
对于式(5)中,分母远远大于分子,根据常用的几种抛撒幅宽,圆盘转速范围在450～700r/min之间,由设计相关参数可估算,α取为20°。
由图3设计,点A沿x方向到拨肥叶片末端的距离为60mm,因此可得
ABC为等腰三角形,因此有AB=2AO′,且有O′C=tanα/2AO′,AO′=ACcosα/2,△AOC相似于△AO′C,因此可得
x2+(y-178)2=1782
3 试验
抛撒机抛撒均匀性是评价抛撒性能的重要指标之一,为进一步分析设计叶片性能,分别在相同试验环境下分别与传统“U”型拨肥叶片进行了对比试验。试验地在国家精准农业示范基地的试验地进行,试验所用肥料为尿素;肥料收集采用0.35mm×0.25mm,深9 mm的接肥盒均匀布置在试验地面,从而接收撒施于地表的肥料。
试验收集方法采用二维矩阵形式。在横向撒幅宽方向每间隔1.5m安放1列收集肥料的盒子,纵向距离上,每隔3.5m安放1行。中间两列为方便拖拉机行走,相隔距离为2.0m。
试验中肥料抛撒量预置为225kg/hm2,肥料抛撒幅宽为30m,拖拉机行走速度为2m/s。在肥料抛撒机通过试验区后,收集每个收集点上的肥料,标号记录。试验结果如表1所示。
从表1中可以看出,在有效施肥幅宽内,采用“U”型拨肥叶片平均施肥量为183.04kg/hm2,标准差为61.89,变异系数(CV)为33.81%;而采用分肥叶片拨肥叶片进行施肥,在有效施肥幅宽内平均施肥量为205.06kg/hm2,标准差为33.68,变异系数(CV)为14.15%,肥料抛撒均匀性有明显提高,可以较好地满足实际生产。
4 结论
1)针对变量施肥抛撒机对肥料抛撒机构,设计了一种具有分肥装置的肥料抛撒机构,并确定了相关部件结构以及参数。
2)通过抛射运动理论,设计了一种具有分肥装置的拨肥叶片,对其结构和参数设计进行了分析计算。该分肥装置可将进入拨肥叶片内的肥料束分为两路,使进入拨肥叶片的部分肥料斜向上的抛出。
3)试验表明,对比“U”型结构的拨肥叶片,增加了分肥装置的撒肥机构具有较好的抛撒均匀性,在有效施肥幅宽内平均施肥量为205.06kg/hm2,样本数据标准差为33.68,变异系数(CV)为14.15%。
摘要：针对变量施肥抛撒机,研究设计了一种肥料抛撒机构。运用抛射运动理论,分析了肥料斜向上抛射的运动和受力,设计并确定了具有分肥装置拨肥叶片的结构和参数,对其结构和参数设计进行了分析计算。通过对比“U”型结构的拨肥叶片,该抛肥机构具有较好的抛撒均匀性,在有效施肥幅宽内平均施肥量为205.06kg/hm2,变异系数为14.15%。
关键词：变量施肥,抛肥机构,农业机械
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施肥机构 篇2
关键词：精细农业,变量施肥,智能控制
0 引言
我国人多地少,化肥施用不当的危害日益严峻。目前,在农业生产中化肥利用率偏低,如当季氮肥利用率仅为30%～35%,氮、磷、钾及微量元素施用比例失调,排肥方法简单,多数地区主要采用平均施肥。这种排肥方式及肥料的低利用率必然要求增加化肥施用量,以满足农业生产的需要,不仅造成了经济上一定的损失,而且还引起了严重的环境污染,出现了地表水富营养化、地下水和蔬菜中硝态氮含量超标等一系列问题。如何在不加剧或减少环境污染的前提下谋求可持续发展,是我国农业面临的重要问题。智能控制变量施肥的理论和技术将是解决这一问题的有效途径,它要求有科学合理的施肥方式和智能控制的变量施肥机械[1]。
1 变量施肥机构的硬件组成及作用
1.1 施肥机整体结构
施肥机由信息采集系统、单片机控制电路、步进电机驱动装置和排肥机构等4部分组成。信息采集由传感器来完成,通过传感器采集土壤的养分信息及机具前进速度,将这些信息输入给单片机控制电路,经运算得出所需的脉冲数,将此脉冲数输送给步进电机驱动器来控制步进电机变速转动,进而驱动排肥轴按需输出排肥量。
1.2 控制系统
1.2.1 土壤养分信号的输入
土壤养分情况采集由实时传感器来完成。实时传感器在机具行进过程中,在线实时测量出土壤的有效成分的含量,然后传递给单片机。它在切入土壤的两个圆盘犁刀之间加入电位差,使两个圆盘犁刀之间的土壤形成电磁场。由于电磁场的性质受土壤性质(包括土壤类型、有机物含量、土壤阳离子交换能力、土壤湿度和硝酸盐的氮肥水平)的影响,因而产生可以感应出土壤肥力的信号[2]。
1.2.2 机具作业速度的采集
在本控制机构中,机具作业速度是一个不可忽略的因素。机构通过角度-数字编码器把机具前进速度信号转化成脉冲信号,输入单片机。本机构选用了OMRON公司的E6A2-CW3C型角度-数字编码器,它采用直流5～12V供电,脉冲发生率为200P/r。电源采用蓄电池供电,电压为12V。传感器有3根引线,有+5V电源线、地线与脉冲输出线,其中的+5V电源线和地线利用单片机上的电源与地线。传感器的脉冲输出线接到单片机的引脚上,这样传感器每输出一个脉冲就会在单片机内部产生中断,调用中断程序[3]。
1.2.3 控制脉冲输出
由于步进电机驱动电源具有脉冲分配器和功率放大电路,所以单片机系统输出给步进电机的仅为控制脉冲信号和5V电源。5V电源与步进电机驱动电源共地,实现脉冲压差,达到高低电平的转换。
1.3 执行机构
1.3.1 步进电机驱动器的选择
驱动器起到了信号分配和功率放大的作用。本机构采用Kinco2M1080步进电机驱动器,为二相二拍,步距角为1.8°,工作方式为AB-BC-CD-DA-AB。
1.3.2 步进电机
本机构采用2S130Y-063R8型步进电动机,通过改变脉冲的频率来进行调速,由步进电机的转轴带动排肥轴转动。在其它条件相同时,步进电机转速越快,排肥量越大;反之,转速越慢,排肥量越小[4,5]。
1.4 变量施肥机械
变量施肥机械由现有的普通地轮驱动排肥轴的施肥机改进而成,把原有地轮驱动改为用步进电机根据决策系统决策的施肥量驱动排肥轴。排肥器由料箱、支架、地轮、拨盘和开沟机构组成。料箱用来盛放肥料;支架是施肥器的骨架,用来支撑料箱、开沟器、地轮和步进电机等;拨盘上有两个缺口,肥料在拨盘的作用下由其流出,其开口的大小直接影响流量的大小,由挡板调节;开沟器在机具行进过程中,由其把土壤翻开而掩埋肥料。
2 决策部分及软件设计
2.1 施肥决策
机构采用目标产量法建立施肥专家系统,根据信息采集系统获得的氮、磷、钾等信息进行施肥决策,获得地块所需的排肥量。
2.2 主程序设计
2.2.1 系统目标
应用C语言研究开发出一套普遍适用的、能用于指导精细农业变量施肥实践的软件系统。该软件能在机具行进过程中根据实时传感器测出的土壤信息,结合目标产量,按目标产量法定出排肥量,再根据速度传感器测出的速度,计算出步进电机的转速,输出相应的脉冲。其具有界面友好、功能丰富、结果直观、接口标准、运行稳定、兼容性好等特点。
2.2.2 软件开发环境
变量施肥需通过软件来实现,控制软件是系统控制思路的具体体现。当控制功能要求发生改变时,只要修改相应软件即可实现,而控制软件的设计要通过一定的语言来完成。目前,支持单片机应用系统软件开发的语言一般有机器语言、C语言和高级语言。由于施肥机的实时性要求不高,因此采用C语言编写本系统的控制程序。程序的修改可局部进行,还可建立频繁调用的子程序。
3 主要参数的确定
3.1 标定试验
本机构中施肥机每公顷的排肥量Q为
undefined (1)
式中 q—排肥器的排肥量 (kg/min);
v—机具前进速度 (km/h);
B—施肥机行距 (m);
N—排肥器个数。
通过变量施肥机的标定试验确立排肥轴转速与每公顷排肥量、机具前进速度之间的函数关系,测量各个因素对排肥量的影响,找出排肥轴转速与排肥量之间的关系,然后带入式(1)建立数学模型。
3.2 试验方法
1)在确定料箱内肥料的高度对流量影响时,对同种肥料在相同的转速和时间内测量其流量。
2)在确定开口大小对不同肥料流量影响时,改变开口的大小,然后测量在相同转速和时间内的流量。
3)在确定转速对流量大小的影响时,固定开口的大小和料箱内的高度改变转速,测量在不同转速时流量的大小。
3.2.1 确定料箱内肥料的高度对流量的影响
对于尿素和碳铵,当开口S为总开口S0的1/5、转速为20r/min时,采用Excel 生成高度与流量关系曲线图如图1所示。
从图1可以看出,流量和高度之间成反比例函数,即流量随高度的增加在减少,且当高度大时流量趋于稳定。经方差分析表明,其影响可以接受。
3.2.2 确定排肥器开口与流量的关系
对于这尿素和碳铵两种肥料,在定性试验时,转速定为20r/min,高度固定为250mm,时间取0.5min,采用Excel 生成线开口与流量的关系曲线图,如图2所示。从图2可以看出,流量和开口大小之间近似成正比例函数,即流量随开口的加大而增加,特别对颗粒状肥料影响较大。因此,排肥时为了减小低速时肥料的自流因素的影响,颗粒状的肥料开口要小。
3.2.3 确定转速与流量的关系
对于尿素和碳铵两种肥料,在定性试验时,高度定为250mm,转速定为20r/min,时间取1 min。尿素开口S定为总开口S0的1/10,而碳铵开口S定为总开口S0的1/2。
4 施肥机实际试验及结果分析
根据变量施肥机构中排肥量与排肥轴转速和机具前进速度的关系,在改进后的施肥机上进行实际试验。利用测速表测量机具前进速度,通过步进电机及驱动器调节排肥轴转速,运用秒表测定单位时间内的实际排肥量,用电子秤称得所排肥料的质量,得到的数据如表1所示。
5 结论与建议
5.1 结论
1)分析了影响排肥量的主要因素,包括排肥器的类型、排肥器结构参数、运动参数和所排化肥的物理特性等。当排肥器不由地轮驱动时,影响变量施肥的因素还包括机具前进速度等。这些因素都是进行变量施肥机构研究的基础。
2)研究并确立了实施变量施肥的方案。通过对各种方案的分析对比,选取了以单片机系统为控制器、以步进电机为执行机构的控制方案。根据排肥量的要求,调整步进电机的转速,驱动排肥轴,完成按需施肥。
3)建立了变量施肥机构中排肥量与排肥轴转速和机具前进速度的关系,得出了数学模型。
4)试验表明,采用本文研究的变量施肥机构,在小排量和大排量时控制精度不够理想。
5.2 进一步研究的建议
1)由于土壤的理化性复杂,本系统中的实时传感器很难在较短时间内精确测量其有效成分含量,实时传感器精度有待进一步提高。
2)由于在确定影响排肥量因素时只考虑了单一因素的影响,即只考虑了速度的影响,其他因素只做了定性的限制,故拟合出的直线精度不高,因此下一步应设计正交试验,把肥料的自流性、料箱里的肥料的高度、排肥口的开度和转速均考虑在内。
3)本文采用的施肥机影响排肥器排肥量的因素较多,下一步最好改成槽轮式施肥机。
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施肥机构 篇3
1.1工作状态下悬挂系统优化模型
悬挂机构是一个空间机构, 将其向拖拉机纵向平面投影, 由于提升杆和下拉杆与纵向平面之间有一不大的夹角, 因而投影尺寸比实际尺寸小1%～3%。但这对悬挂机构的优化不构成影响。图1为悬挂机构纵向平面投影图。
设定作业时杆AB与地面垂直, 设定O点为坐标原点 (O点距水平面高度为460mm) , 根据已知后悬挂参数, 可求出各点坐标:O点 (0, 0) 、P点 (0, 490) 、S点 (240, 490) 、U点 (180, 100) 。
并且已知各杆的长度:L OQ=570 mm、=940 mm、=420 mm、=620 mm、=760～920 mm。OBLPSLRQLSAL
已知提升杆PS的最大提升角a'2=4 5 o, 计算得出a 1=3.6 8 o。
计算得出坐标:D点 (930+LBC, -420) 、V点 (730+LBC, -60) 。
三点悬挂机构可以分解为OPRQ与OSAB两个四连杆机构, 则可以建立如下矢量方程:
机构OPRQ的位移方程:
式中:χ0、у0分别代表点O的横坐标与纵坐标。
机构OSAB的位移方程:
1.2提升状态下悬挂系统优化模型 (见图2)
三点悬挂机构可以分解为O'P'R'Q'与O'S'A'B'两个四连杆机构, 则可以建立如下矢量方程:
机构O'P'R'Q'的位移方程:
机构的位移方程:
点B绕O点作旋转角度, B点的坐标变换为:
点D绕B点旋转角度:
得出
约束条件:根据提升播种机到最高点, 机下的通过高度不能小于400 mm, 即:
万向节夹角耕作时不超过10°, 地头转弯时不超过30°, 即:
作业时AB与地面垂直, 即:
杆SA的长度范围:
优化的目标函数:
机具悬挂机构中的AB和BC杆的长度, 即:
2方法与优化结果
由三点悬挂设计经验可知一般, 使用迭代法借助MATLAB编程进行优化, 设定LAB与LBC的步进长度均为10, 将LAB与LBC代入方程组进行计算, 如果符合约束条件, 则将数组记录下来;如果不能满足约束条件的要求则剔除。最后, 记录下来的为最优值, 程序流程见图3。
得出最优解:LAB=710, LBC=410 (机具作业前调节杆SA的长度LSA=875, 使得机具在作业时与地面保持水平) 。
与原设计LAB=710, LBC=500相比较, 节省了约14.7%的材料。
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