高榮揚(yáng),陳 凱
(杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,浙江杭州 310018)
植保機(jī)械對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要的影響[1]。優(yōu)秀的植保機(jī)械使得現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效、安全,是推動我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要因素。我國植保機(jī)械發(fā)展較為緩慢,目前我國植保機(jī)械主要有小型的背負(fù)式的噴霧器、迷霧機(jī)和自走式的噴藥機(jī),這種機(jī)械的主要特點(diǎn)就是噴藥效率慢,作業(yè)強(qiáng)度大,而且對人體危害比較嚴(yán)重,所以目前我國在中小型噴藥機(jī)領(lǐng)域還存在嚴(yán)重的不足。到目前為止,先進(jìn)的植保機(jī)械仍舊主要存在于歐美等發(fā)達(dá)國家,他們的很多設(shè)備都使用了目前較為前端的技術(shù),噴藥效率高,自動化程度較高,而且對人體危害性較小[2]。
基于此,筆者研究設(shè)計了智能移動式噴藥機(jī)。該噴藥機(jī)的設(shè)計主要針對于中小型大棚內(nèi)農(nóng)作物的噴藥,與傳統(tǒng)的背負(fù)式的噴霧器和迷霧機(jī)相比,該機(jī)械不僅提高了噴藥效率,而且自動化程度較高,噴藥過程中對人體危害較小,在一定程度上改善了目前國內(nèi)中小型噴藥機(jī)上的缺陷。
1.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計該傳動系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能:①適用于中遠(yuǎn)距離的大棚作物噴藥。②能夠根據(jù)不同作物要求調(diào)節(jié)噴頭到作物的噴藥距離。③能夠根據(jù)不同的噴藥行程調(diào)節(jié)噴頭行走距離。根據(jù)這些要求利用solidworks三維繪圖軟件在建模環(huán)境下設(shè)計了傳動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),如圖1所示。
在設(shè)計過程中,底座的各個桿件之間以及桿件與板材之間均采用焊接的連接方式,這樣確保了機(jī)械工作過程中的強(qiáng)度要求[3]。利用電動推桿來調(diào)節(jié)噴架的高度,從而實現(xiàn)不同高度農(nóng)作物的噴藥需求。
該機(jī)械動力方面采用了直流電機(jī)來提供牽引力,用蓄電池進(jìn)行供電,這樣避免了噴藥車行走過程中布線雜亂的問題。噴藥機(jī)的后輪底座采用了萬向輪結(jié)構(gòu),可以方便在噴藥結(jié)束后移到下一個位置,前輪使用大的行走輪,保證了噴藥過程中行走的通過性。
1.2鋼絲繩張緊力計算要實現(xiàn)噴架在鋼絲繩上的水平直線往復(fù)運(yùn)動,首先要限制鋼絲繩的懸垂度[4]。鋼絲繩的懸垂度由鋼絲繩所受的張緊力和載荷重力共同決定,將鋼絲繩視為沒有剛性的懸鏈線,將噴架視為載荷,當(dāng)噴架處于運(yùn)行軌道中間位置時,鋼絲繩的懸垂度最大[5],且噴架運(yùn)動時是處于兩鋼絲繩中間位置,所以噴架分布在每根鋼絲繩上的重力是一樣的,每根鋼絲繩所受張緊力相等[6]?,F(xiàn)只分析單根承重鋼絲繩的張緊力,將該傳動系統(tǒng)簡化如圖2所示。
圖2中,A端視為鋼絲繩的固定端,B端視為鋼絲繩所受拉力端,A、B兩端的距離LAB為鋼絲繩跨距,P點(diǎn)為噴頭載荷所在位置,載荷重力為Fp,于是可得:
載荷P處的鋼絲繩撓度
AP段重心坐標(biāo)
PB段重心坐標(biāo)
圖1 傳動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of transmission system
圖2 單根鋼絲繩受力模型Fig.2 Stress model of single wire rope
現(xiàn)要求該噴架在傳動過程中下垂度fP≤0.4 m,取噴架行程x0≤30 m,忽略藥管的重量,噴架自重Gp≤50 N,代入公式得張緊力HP≤810 N。
根據(jù)鋼絲繩的最大張緊力[7],計算鋼絲繩的直徑d:
其中當(dāng)安全系數(shù)n=3時,鋼絲繩的選擇系數(shù)C=0.07,S為鋼絲繩所受張緊力[8],由計算結(jié)果得知,預(yù)選2 mm鋼絲繩符合張緊力的要求。
1.3傳輸系統(tǒng)的工作流程該系統(tǒng)采用的是3根鋼絲繩傳動的機(jī)構(gòu)形式,將承重功能和牽引功能分開。使用2根直徑為2 mm的鋼絲繩作為承重鋼絲繩,再使用1根1 mm的鋼絲繩作為噴架的牽引鋼絲繩,來實現(xiàn)噴架的往復(fù)噴藥動作。
2根承重鋼絲繩的一端分別固定在子車的鋼絲繩固定處,兩車上分別裝有85 kg的配重,2根鋼絲繩的另一端分別連接在主車上的2個鋼絲繩繞線器上。當(dāng)母車啟動后,主車上的2個張緊電機(jī)轉(zhuǎn)動后,承重鋼絲繩收到810 N的張力而張緊,此時噴架在兩車上的牽引電機(jī)的作用下實現(xiàn)往復(fù)噴藥工作。
工作時,按下主車上的啟動按鈕,張緊電機(jī)1和張緊電機(jī)2正向轉(zhuǎn)動拉緊2根導(dǎo)軌鋼絲,當(dāng)主車支撐架上的2個張力開關(guān)達(dá)到設(shè)定值后,分別停止張緊電機(jī)1和張緊電機(jī)2的轉(zhuǎn)動,此時借助與張緊電機(jī)1和張緊電機(jī)2連接的繞線器的自鎖功能,2根導(dǎo)軌鋼絲處于拉緊狀態(tài)。當(dāng)2個張緊電機(jī)都停止轉(zhuǎn)動后,電磁離合器1接通,牽引電機(jī)3開始正向轉(zhuǎn)動,經(jīng)過牽引鋼絲繩帶動噴架做一次行程的噴藥。當(dāng)噴架移動至行程末,靠近接近開關(guān)1時,電磁離合器1斷開,牽引電機(jī)3停止轉(zhuǎn)動,然后按下松開按鈕,使張緊電機(jī)1與張緊電機(jī)2接通并反轉(zhuǎn)一段時間后停止,使2根導(dǎo)軌鋼絲松開,以方便兩小車移動到下個位置做另一次噴藥。
在2個小車移動到下個位置時,按下主車上的啟動按鈕,張緊電機(jī)1與張緊電機(jī)2正向轉(zhuǎn)動拉緊兩根導(dǎo)軌鋼絲。然后按下子車的開始按鈕,接通電磁離合器2和電磁離合器3,同時牽引電機(jī)4與滾筒電機(jī)5正轉(zhuǎn),此時噴頭在牽引電機(jī)4的拉力下進(jìn)行第2次的噴藥,藥管由滾筒電機(jī)5進(jìn)行回收,當(dāng)噴架移動至行程末靠近接近開關(guān)2時,電磁離合器2斷開,牽引電機(jī)4停止轉(zhuǎn)動,然后按下主車松開按鈕,使張緊電機(jī)1與張緊電機(jī)2接通并反轉(zhuǎn)一段時間后停止,使2根導(dǎo)軌鋼絲松開。
2.1控制系統(tǒng)硬件配置該控制系統(tǒng)選擇PLC作為控制中心。因為PLC的環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng),功能容易擴(kuò)展,而且后期故障處理較為簡單[9]。在該傳送系統(tǒng)中只有數(shù)字量的輸入與輸出。根據(jù)控制流程,在母車的PLC控制系統(tǒng)有2個輸入按鈕,1個接近開關(guān),1個張力開關(guān),一共4個輸入信號,輸出信號有7個,都是用于電磁閥控制的。在子車的PLC控制系統(tǒng)有2個輸入按鈕,1個接近開關(guān),1個張力開關(guān),一共4個輸入信號,輸出信號有3個,都是用于電磁閥控制的。
綜上參數(shù)考慮,選擇S7-200 cpu224XP/CN繼電器輸出型PLC,其外型如圖3所示。
圖3 S7-200PLC cpu224XP/CN
2.2PLC的I/O分配根據(jù)該噴藥機(jī)要實現(xiàn)的功能,總結(jié)該控制系統(tǒng)的各個信號,將控制信號的功能進(jìn)行分類,然后按照信號執(zhí)行的先后順序,繪制出PLC的I/O分配表。PLC的外部I/O信號與PLC的I/O接點(diǎn)地址編號見表1和表2。
表1 母車控制系統(tǒng)I/O分配
表2 子車控制系統(tǒng)I/O分配
根據(jù)控制系統(tǒng)的I/O分配表,可以繪制出I/O接線圖,主車的I/O接線如圖4所示,子車的I/O接線如圖5所示。
圖4 主車I/O接線圖Fig.4 Wiring diagram of main vehicle I/O
圖5 子車I/O接線圖Fig.5 Wiring diagram of sub car I/O
在PLC的I/O接線圖繪制完成后,就可以進(jìn)行PLC軟件程序的設(shè)計[10],由于該噴藥機(jī)的控制信號都為開關(guān)量,而且運(yùn)動邏輯較為簡單,所以可選擇使用梯形圖進(jìn)行程序的編寫。
在該系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計中,使用了西門子s7-200的編程軟件STEP7 MicroWIN V4.0進(jìn)行梯形圖程序的編寫。由于梯形圖跟電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似,直觀易懂,特別適用于開關(guān)量邏輯控制,所以PLC編程中梯形圖也是使用較多的語言[11]。
該機(jī)械的設(shè)計有效地提高了中小型大棚內(nèi)作物打藥效率,而且減少了人工打藥時大面積的藥物接觸對人體造成的傷。
下一步要針對噴藥過程中機(jī)械運(yùn)行的平穩(wěn)性以及噴藥效率做進(jìn)一步的優(yōu)化,改善兩車的升降機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu),以適應(yīng)更遠(yuǎn)的噴藥距離。