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)?；?、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，相關學者對果園的挖穴施肥機具不斷改善與優(yōu)化，設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件組成入手，優(yōu)化設計了關鍵零部件裝置，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

工作原理可以簡要概述為：在電源及主控系統(tǒng)控制之下，電機驅動傳動機構帶動行走機構開始行進，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 關鍵部件設計

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計在于挖穴部分與施肥部分的高效結合及準確銜接。針對挖穴機構部件，主要根據(jù)挖穴鉆頭與土壤之間的相互作用力，通過構件挖穴理論分析進行設計優(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——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，以完成挖穴主要構件的設計，具體參數(shù)如表1所示。

表1 挖穴機構擬設計螺旋鉆頭參數(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

利用力學扭矩關系和刀片切削土壤所需克服的總轉矩(公式2)，還可得出挖穴機構工作過程中所設計鉆頭承受的轉矩和相對應的消耗功率。通過以上數(shù)據(jù)得出挖穴機構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計優(yōu)化：針對升降構件部分的繞線軸，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)的步進電機最佳轉速及控制程序的設定為關鍵，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)。

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

圖2 果園挖穴施肥機排肥器三維結構建模

2.2 電控驅動優(yōu)化

果園挖穴施肥機電控驅動部分通過驅動的各機械組件所承受的負載轉矩、慣量及加減速時間進行步進電機型號選取，設計合理的接近開關、鍵盤電路、液晶顯示電路和相關接口電路，從而構成控制有序的驅動裝置。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，通過輸入預設排肥量并顯示，在步進電機驅動系統(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鍵部件設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速的因素水平關系；

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鍵設計指標情況，驗證設計樣機構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參數(shù)能夠實現(xiàn)高效快速挖穴，達到設計要求參數(shù)；傳動裝置可在控制驅動下實現(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設計的合理性。

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：施肥量與轉速之間存在內(nèi)在聯(lián)系，該機轉速穩(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 結論

對新型果園挖穴施肥機的關鍵部件進行機械結構設計，加入了電控驅動控制與執(zhí)行裝置。挖穴施肥機工作時，驅動挖穴構件進行剛度挖穴，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。