丘陵山地馬鈴薯精量中耕施肥機設計與仿真分析

方雪峰,沈鵬,寧旺云,陳立暢*

丘陵山地馬鈴薯精量中耕施肥機設計與仿真分析

方雪峰1,沈鵬2,寧旺云1,陳立暢1*

1. 云南農業(yè)大學機電工程學院, 云南 昆明 650201 2. 東南大學機電工程學院, 江蘇 南京 210000

針對現有小型丘陵山地馬鈴薯中耕施肥機施肥不均勻、施放位置和施放量控制不精確、肥料利用率較低等問題，在現有小型丘陵山地馬鈴薯中耕施肥機分析研究的基礎上，結合云南省馬鈴薯種植農藝以及中耕施肥農藝要求，設計了一種適合云南省丘陵山地馬鈴薯種植的精量中耕施肥機。該施肥機包括行走裝置、排肥裝置和檢測控制系統。排肥裝置采用垂直螺旋式排肥器，其螺旋外徑為35 mm，螺旋內徑為10 mm，螺距為25 mm，螺旋厚度為1 mm，螺旋有效長度為150 mm，螺旋的極限轉速為4.7 r/s。檢測控制系統采用STC12C5A60S2單片機為控制核心，通過接近開關檢測判斷馬鈴薯植株生長位置，并根據當前設定的施肥量精確控制電機轉速和啟停，實現間歇性精量施肥。利用ANSYS Workbench對排肥螺旋三維實體模型進行靜力和模態(tài)分析，結果表明：排肥螺旋的基本頻率為2997.8 Hz，且最大應力為2.9872 MPa，遠小于其許用應力，故滿足設計要求。本研究為丘陵山地馬鈴薯精量施肥機具的研究與設計提供了參考方案。

馬鈴薯精播; 施肥機; 設計

馬鈴薯是全球第四大糧食作物，僅次于小麥、稻谷和玉米[1]。我國是馬鈴薯種植和生產大國，種植面超過667萬hm2，年總產量約占全球的四分之一，種植面積和總產量均位居世界第一。云南省是我國較早種植馬鈴薯的省份之一，由于該地區(qū)具有日照充足、土質疏松和有機質含量高等馬鈴薯種植的先天優(yōu)勢[2,3]，馬鈴薯已經是云南省重點發(fā)展的五大農業(yè)產業(yè)之一，其種植面積僅次于水稻和玉米。云南省馬鈴薯種植面積和總產量均位居全國第三[4]，根據云南省農業(yè)農村廳的統計數據顯示，2018年，云南省馬鈴薯種植面積達56.28萬hm2，同比增1.77萬hm2，增幅達3.2%；產量(折糧)209.2萬t，同比增10.2萬t，增幅達5.2%；單產4122 kg/hm2，同比增67.5 kg/hm2，增幅達1.8%。為促進節(jié)本增效、助農增收和馬鈴薯產業(yè)持續(xù)發(fā)展，我國正努力實現馬鈴薯全程機械化種植。

目前，馬鈴薯種植的全程機械主要有馬鈴薯播種機、中耕施肥機、馬鈴薯收獲機等[5]，馬鈴薯中耕施肥作為馬鈴薯種植的必要管理環(huán)節(jié)，對促進馬鈴薯植株生長和提高馬鈴薯產量具有很大的現實意義，馬鈴薯中耕施肥機械也是實現全程機械化的重要組成部分。在現有小型中耕施肥機械[6-8]的基礎上，重點針對精準精量施肥技術的內容，解決中耕施肥機施肥均勻性，提高肥料的利用效率和作物的生長效果，是中耕施肥機械需要解決的一個重要問題。因此，研發(fā)適合云南省丘陵山地馬鈴薯種植的精準精量中耕施肥機具有迫切性和必要性，不僅能彌補云南省相關機具的空缺，還能促進云南省馬鈴薯全程機械化發(fā)展的進程。

1 機械結構及工作原理

1.1 結構設計

馬鈴薯種植模式是中耕施肥機具設計的重要參考依據，云南省秋季馬鈴薯其種植采用壟作，壟作可分為單壟單行和單壟雙行兩種模式，單壟單行相對單壟雙行來說，是在保證壟高的前提下減少壟寬的栽植模式，其栽植密度小，單株結薯多，薯塊大，更加便于機械化生產作業(yè)。根據中華人民共和國農業(yè)行業(yè)標準NY/T3483-2019馬鈴薯全程機械化生產技術規(guī)范中的要求，單壟單行種植的馬鈴薯種薯沿壟的中心線分布[9]，種植株距為16～30 cm，壟高為20～25 cm、壟間距為60～90 cm。單壟單行馬鈴薯種植模式，如圖1所示。

圖 1 單壟單行馬鈴薯種植模式圖

目前云南省馬鈴薯中耕施肥大多采用小型中耕機具，其工作原理是行走地輪通過鏈傳動帶動外槽輪式排肥器進行施肥，在中耕施肥作業(yè)過程中，主要存在以下缺陷：1、受土壤濕度和地表起伏變化等情況的影響，行走地輪容易發(fā)生空轉和打滑現象，施肥機滑移或相對靜止時，排肥器仍在持續(xù)排肥，因此對施肥均勻性和一致性產生較大偏差；2、在施肥機前進過程中排肥器在持續(xù)不斷排肥，而馬鈴薯種植有16～30 cm的株距，施在馬鈴薯植株之間的肥料有部分難以被吸收，從而造成肥料的利用率低；3、由于這類機具大多需要作業(yè)人員推動行走，當施肥機前進速度發(fā)生變化時，其施肥量不能準確匹配機具行走速度，從而造成施肥不均勻和施肥量不精確的問題。

在現有小型丘陵山地中耕施肥機的基礎上，結合馬鈴薯種植農藝、中耕施肥農藝和馬鈴薯全程機械化生產技術規(guī)范要求，丘陵山地馬鈴薯精準定量中耕施肥機設計內容如下：

（1）排肥裝置采用垂直螺旋式排肥器，用直流減速電機驅動；

（2）檢測控制系統根據設定的施肥量來精確控制直流減速電機和排肥器垂直螺旋的轉速，從而保證施肥量的精量性；

（3）檢測控制系統利用傳感器檢測施肥機前進過程中兩側的馬鈴薯，從而判別馬鈴薯植株生長位置，控制系統通過控制直流減速電機間接對垂直螺旋式排肥器進行控制，實現施肥機的間歇性精準施肥；

（4）由于溝底左右兩壟上均有種植馬鈴薯，且種植位置通常是錯開的，所以馬鈴薯精量中耕施肥機兩側的檢測控制系統需相互獨立；

（5）馬鈴薯精準中耕施肥機施肥量與機具行走的速度無關，僅取決于人工設定的施肥量[10]。

丘陵山地馬鈴薯精準精量中耕施肥機，主要由行走裝置、排肥裝置和檢測控制系統三部分組成，施肥機結構示意圖如圖2所示。

1. 主機架 2.柴油發(fā)動機 3.傳動機構 4.肥料箱 5.電控盒 6.操控機構 7.直流減速電機(排肥電機) 8.排肥螺旋 9.電容式接近開關 10.施肥管道 11.懸掛架 12.驅動輪 13.擋板

1.2 工作原理

在馬鈴薯種植田間啟動柴油發(fā)動機，柴油發(fā)動機通過鏈傳動帶動驅動輪轉動，從而使整個機具向前前進，當固定在施肥管道兩側的電容式接近開關檢測判別到馬鈴薯植株的生長位置并將信號傳輸給STC12C5A60S2單片機，單片機根據施肥作業(yè)前設定的施肥量進行計算分析，然后通過電機驅動器調整直流減速電機的電壓實現在一定范圍內的無極調速，從而精確控制排肥電機的轉速，而排肥螺旋由排肥電機驅動。當排肥電機轉動時長達到單片機中定時器的設定值T時，電機立即停止運轉，完成單株馬鈴薯施肥。當電容式接近開關檢測到下一株馬鈴薯植株的生長位置時，完成上述動作，一直循環(huán)直至完成整個田間施肥，達到對肥料施放位置、施肥量的精確控制和間歇性施肥，實現中耕施肥機在丘陵山地間歇性精準精量的施肥效果。

2 關鍵部件設計

2.1 肥料物理性質測定

肥料的物理特性與排肥裝置的設計有重要關聯[11]，根據馬鈴薯中耕施肥農藝要求，馬鈴薯中耕施肥階段所用肥料多為暗白色、顆粒狀、微溶于水的馬鈴薯專用復合肥，本文對云南天騰化工有限公司生產的馬鈴薯專用復合肥（云農肥2011準字0374號）的物理特性進行測定，測定的物理量有含水率、粒徑、球形度、自然休止角、體積密度和千粒重等[12]。根據肥料顆粒等效直徑的不同，可將其分為大顆粒和小顆粒兩種。復合肥的物理特性，如表1所示。

表 1 復合肥的物理特性

2.2 排肥裝置設計

排肥裝置是丘陵山地馬鈴薯精準精量施肥機的核心部件，排肥裝置的設計主要包括裝置整體結構設計、肥料箱的結構參數設計、排肥器類型的選定及其結構參數的確定，排肥裝置整體三維結構示意圖如圖3所示，其主要由肥料箱、直流減速電機（排肥電機）和垂直螺旋式排肥器等組成。

圖 3 排肥裝置三維結構示意圖

2.2.1 肥料箱設計肥料箱是排肥裝置的儲肥部件，一方面其容量決定了中耕施肥機單次作業(yè)所能排施的最大肥量。另一方面箱內肥料是通過其自身重力進入施肥管道中的螺旋葉片上，大量肥料的堆積會對箱體底部產生較大的壓力[13]，導致肥料顆粒之間的內摩擦力較大，如果肥料箱的容量和內壁傾角設計不合理，施肥的連續(xù)性和穩(wěn)定性都會受到破壞，嚴重時會造成排料口堵塞。故肥料箱內壁的最小傾角q需大于肥料平均自然休止角27.86°，從整機配合考慮，取傾角為35°和32°。肥料箱采用小型的單箱設計，兩側壁上開有55′70 mm的兩個槽口作為落肥口。根據肥料箱[14]容量計算式可求得肥料箱的容量需求為24.26 L，肥料箱三視圖如圖4所示，肥料箱容量約為30 L滿足要求，可保證施肥的連續(xù)穩(wěn)定。

式中：為肥料箱體積，L；為裝滿一箱肥料所能施肥的距離，m；為工作幅寬，m；max為單位面積最大施肥量，kg/hm2；為肥料的密度，kg/L。

圖 4 肥料箱三視圖

2.2.2 排肥器主要參數確定根據施肥機設計要求和復合肥的物理特性，采用垂直螺旋式排肥器，螺旋式排肥器單位時間內的排肥量是衡量排肥裝置排肥性能的一個重要指標。單位時間內排肥量的穩(wěn)定性和均勻性直接決定了排肥裝置的穩(wěn)定性和均勻性。其垂直螺旋式排肥器的排肥量為：

式中：為單位時間內的排肥量，g/s；為排肥螺旋的外徑，mm；為排肥螺旋的內徑，mm；為螺距，mm；為螺旋轉速，r/min；為肥料密度，g/cm3；為排肥螺旋的填充系數，一般取0.7～0.95[15]。由計算公式可看出，螺旋式排肥器單位時間內的排肥量與、、、、和這些參數有關，想要調整排肥器單位時間內的排肥量，需要改變排肥器的結構參數和螺旋的轉速，但想改變排肥器的機械結構在實際作業(yè)過程中是很難實現的。因此，對于結構參數固定的排肥器，只能通過改變螺旋的轉速來改變排肥器單位時間內的施肥量。根據排肥裝置設計和使用要求以及復合肥的物理特性，排肥器的設計參數為：排肥螺旋的外徑為35 mm，螺旋內徑為10 mm，螺距為25 mm，螺旋厚度為1 mm，螺旋有效長度為150 mm，螺旋升角為12°。

考慮到不同的物料特性的影響，則：

式中：為肥料質量，kg；為物料的綜合系數；max為螺旋最大臨界角速度；rad/s；0為螺旋的半徑，mm；max為螺旋最大臨界轉速，r/min。根據螺旋的外徑=35 mm，=28[19]。可得max=4.7 r/s。

3 檢測控制系統設計

3.1 控制方案設計

圖5 精量施肥控制系統原理圖

3.2 硬件電路設計

檢測控制系統輸入信號為檢測馬鈴薯植株生長位置的電容式接近開關量和施肥量的人工設定值，執(zhí)行機構為排肥電機。檢測控制系統根據電容式接近開關檢測信號，利用單片機控制排肥電機的啟停，根據作業(yè)前人工設定的施肥量調節(jié)排肥電機PWM信號的占空比，從而精確控制排肥電機的轉速。控制系統選用的微處理器為STC12C5A60S2單片機，系統電路主要包括電源模塊、施肥量模塊、電機驅動控制模塊和馬鈴薯植株生長位置檢測模塊，電路原理圖如圖6所示。

圖6 電路原理圖

1.電源模塊 2.施肥量設定模塊 3.馬鈴薯植株位置檢測模塊 4,5.排肥電機驅動控制模塊

直流減速電機（排肥電機）采用單MOS管驅動，微處理器選擇單PWM輸出模式，由于排肥電機在施肥作業(yè)過程中涉及啟停，因此采用繼電器驅動。施肥量設定由微處理器的A/D轉換模塊檢測，A/D轉換將模擬輸入信號轉換為電信號的10位二進制表示，參考電壓為Vcc，通過設定施肥量電位器輸入微處理器電壓的阻值，即可設置單片機P1.7/ADC7的AD采樣電壓，經AD轉換后的值為[18]

式中：value為AD轉換值，value?[0,1024]；u為AD采樣電壓（V），u?[0,5]；cc為主控芯片供電電壓（5V）。

3.3 軟件程序設計

該施肥機檢測控制系統采用Keil C語言對軟件進行模塊化程序設計，其包括馬鈴薯植株生長位置檢測程序、施肥量設定模塊、排肥電機驅動控制程序和定時器中斷模塊。軟件程序流程圖（圖7）。

圖7 軟件程序流程圖

4 仿真分析

為了驗證垂直螺旋式排肥器的排肥螺旋是否滿足設計和使用要求，采用ANSYS Workbench仿真平臺對排肥螺旋進行靜力和模態(tài)分析。

4.1 靜力學分析

利用SolidWorks軟件對排肥螺旋進行建模，由于排肥螺旋是相對復雜的裝配體，因此在建模過程中需要對模型進行必要的簡化。排肥螺旋三維實體模型，如圖8所示。

圖8 排肥螺旋三維實體模型

排肥螺旋材料為結構鋼，采用二階四面體實體單元SOLID187對實體模型進行網格劃分，劃分后網格節(jié)點數量為363212個，單元數量為197342個。網格劃分結果如圖9所示。

圖9 網格劃分

對排肥螺旋進行邊界約束和施加均布載荷，邊界條件添加如圖10所示。由于螺旋葉片與螺旋軸是通過焊接方式連接在一起的，故可視其為一個整體，因此只需要對螺旋軸的兩端進行邊界位移約束。對頂端添加、、方向的位移全約束，方向是螺旋軸的軸線方向，故對底端添加、方向的位移約束[20]。

圖 10 邊界條件

在后處理過程中得到排肥螺旋的等效位移云圖和等效應力云圖，分別如圖11、12所示。通過云圖可知：最大位移發(fā)生在螺旋葉片的邊緣處即該位置最容易發(fā)生形變，越靠近螺旋葉片根部位移量越小，在螺旋葉片根部處的變形量基本接近于0；螺旋葉片根部處的等效應力值最大即該位置最容易被破壞，越靠近螺旋葉片邊緣等效應力值越小，在螺旋葉片邊緣處的等效應力值基本接近于0。結果顯示最大應力為2.9872 MPa，明顯遠小于其許用應力；最大變形量為0.00109 mm，即機具在載荷作用下產生的彈性變形量，要求小于或等于機具工作性能所允許的極限值[]，[]=0.01 mm，[]=0.00109 mm≤0.01 mm，故滿足設計要求。

圖 11 等效位移云圖

圖 12 等效應力云圖

4.2 模態(tài)分析

由于負載在持續(xù)不斷的變化可能導致排肥螺旋產生激勵共振效應，從而引起排肥螺旋的嚴重變形或無法正常工作甚至是造成結構損壞等情況[21]，因此只對排肥螺旋進行靜力學分析是不夠全面的，需要進一步對排肥螺旋進行模態(tài)分析，以防止產生共振效應。排肥螺旋六階模態(tài)變形分析云圖，如圖13所示，六階模態(tài)的固有頻率和振幅，見表2所示。

圖 13 排肥螺旋六階模態(tài)變形分析云圖

表 2 排肥螺旋六階模態(tài)

根據模態(tài)分析結果可知：排肥螺旋六階模態(tài)的固有頻率都比較高，表明其剛度較大，且基本頻率為2997.8 Hz，外界激勵的頻率遠小于排肥螺旋的基本頻率，所以不會發(fā)生共振破壞現象。

5 結 論

本文在現有小型丘陵山地馬鈴薯中耕施肥機的基礎上設計了一種適合云南省丘陵山地馬鈴薯種植的精準精量中耕施肥機，施肥機的排肥裝置采用垂直螺旋式排肥器，排肥器的螺旋外徑為35 mm，螺旋內徑為10 mm，螺距為25 mm，螺旋厚度為1 mm，螺旋有效長度為150 mm，螺旋升角為12°，螺旋的極限轉速為4.7 r/s。檢測控制系統采用STC12C5A60S2單片機作為主控元件，通過接近開關檢測判斷馬鈴薯植株的生長位置，并根據當前設定的施肥量精確控制電機轉速和啟停，實現間歇性精準精量施肥，且施肥量與驅動輪行走速度無關，僅取決于設定的施肥量，并通過靜力學和模態(tài)分析確保了施肥機滿足設計和工作要求，為丘陵山地馬鈴薯精準精量施肥機的設計提供了參考方案。

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Design and Simulation Analysis of Medium Tillage Fertilizer Machine for Potato Concentrate in Hilly Mountainous Areas

FANG Xue-feng1, SHEN Peng2, NING Wang-yun1, CHEN Li-chang1*

1.650201,2.210000,

Aiming at the problems of uneven fertilization, inaccurate control of application position and application amount, and low fertilizer utilization rate by existing small-scale hilly and mountainous potato cultivator fertilisers according to the agronomic requirements of potato planting and cultivating fertilization in Yunnan Province, a precision cultivating fertilizing machine suitable for potato planting in hills and mountains of Yunnan Province was designed. The fertilizer spreader includes a walking device, a fertilizer discharging device and a detection and control system. The fertilizer discharge device adopts a vertical spiral fertilizer discharger, the outer diameter of the spiral is 35 mm, the inner diameter of the spiral is 10 mm, the pitch is 25 mm, the thickness of the spiral is 1 mm, the effective length of the spiral is 150 mm, and the limit speed of the spiral is 4.7 r/s. The detection and control system adopts STC12C5A60S2 single-chip microcomputer as the control core, judges the growth position of potato plants through proximity switch detection, and precisely controls the motor speed and start-stop according to the currently set fertilization amount to realize intermittent precision fertilization. Using ANSYS Workbench to conduct static and modal analysis on the three-dimensional solid model of the fertilizer discharge screw, the results show that the basic frequency of the fertilizer discharge screw is 2997.8 Hz, and the maximum stress is 2.9872 MPa, which is far less than its allowable stress, so it meets the design requirements. This study provides a reference scheme for the research and design of precision fertilization equipment for hilly and mountainous potato.

Potato refined sowing; fertilizer distributor; design

S224.21

A

1000-2324(2022)04-0656-09

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.024

2022-03-11

2022-04-11

云南省重大科技專項計劃(2018ZC001-303);云南農業(yè)大學科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)行動基金(2022XGKX005)

方雪峰(1998-),男,碩士研究生,研究方向:機械設計與制造. E-mail:977865561@qq.com

Author for correspondence. E-mail:147791610@qq.com