行道樹(shù)打孔施肥噴藥一體機(jī)設(shè)計(jì)

王 岳，閆利文

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222)

0 引 言

天津?yàn)I海重鹽堿地區(qū)的自然條件表現(xiàn)為“三高一低”，土壤粘緊，通透性差，質(zhì)地板結(jié)，排水不暢，屬重度鹽漬土和鹽土，植物的立地條件惡劣。行道樹(shù)四周為鹽堿土且根系生長(zhǎng)空間狹小，容易造成營(yíng)養(yǎng)失衡，進(jìn)而導(dǎo)致行道樹(shù)弱勢(shì)及衰亡。通過(guò)深入調(diào)查，決定采用打孔施肥的方式解決該問(wèn)題[1-2]。

在國(guó)內(nèi)外行道樹(shù)打孔施肥方面，只存在一些簡(jiǎn)單的打孔機(jī)械，具體操作還是需要大量人力操作。在當(dāng)前人力缺乏，人力成本加大的今天，需要大量人力勞動(dòng)，但是工作效率不高，經(jīng)濟(jì)效益低下[3-4]?；诂F(xiàn)狀開(kāi)發(fā)一款自動(dòng)化程度高的打孔施肥噴藥一體機(jī)，用于解決依靠人員使用簡(jiǎn)單設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的園林養(yǎng)護(hù)，效率低，安全性差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，高效園林養(yǎng)護(hù)的目的。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

開(kāi)發(fā)一套自動(dòng)化程度高的打孔施肥噴藥一體機(jī)，以期達(dá)到如下目標(biāo)：

(1) 該施肥車自帶兩個(gè)水箱，可實(shí)現(xiàn)施肥和噴藥兩種功能的轉(zhuǎn)換。

(2) 施肥機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)，調(diào)整鉆頭打孔的位置。

(3) 施肥量的大小由水泵定量控制，并且參數(shù)可調(diào)整。

(4) 鉆頭由液壓馬達(dá)保護(hù)，旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)，且鉆頭抱死時(shí)可出現(xiàn)報(bào)警信息。

(5) 配備電纜探測(cè)傳感器，當(dāng)鉆孔附近位置有光纜或電纜時(shí)就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

(6) 噴藥管的高度可以調(diào)整，噴藥管可伸進(jìn)洞口，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴藥。

(7) 施肥車在行進(jìn)過(guò)程中，鉆孔機(jī)構(gòu)可以收縮，降低整車的高度，能避免與障礙物的觸碰。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

為實(shí)現(xiàn)上述預(yù)期目標(biāo)，設(shè)備主體分為兩大部分，分別負(fù)責(zé)打孔和施肥過(guò)程。設(shè)備整體安裝在小型車輛上以便于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的快速移動(dòng)，減少工作人員的負(fù)擔(dān)、提高工作效率。在打孔施肥的工作過(guò)程中需要做到施肥的精準(zhǔn)定位，采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制以便實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

根據(jù)項(xiàng)目要求，打孔深度最大為80 cm且能適應(yīng)各種性質(zhì)土壤性質(zhì)。通過(guò)對(duì)比各類動(dòng)力設(shè)備以及一些農(nóng)業(yè)設(shè)備的相關(guān)資料，最終選定以液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)鉆頭。鉆頭設(shè)備采用可伸縮的機(jī)構(gòu)進(jìn)行固定支承，以減小設(shè)備的整體高度，并且可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行角度旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同地形。根據(jù)項(xiàng)目要求，肥料為液體狀態(tài)，故使用水箱承載肥料。使用螺旋輸送泵輸送肥料，經(jīng)導(dǎo)管輸送至施肥機(jī)構(gòu)。設(shè)備下部設(shè)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)施肥精準(zhǔn)定位。設(shè)備主要有車體、液壓系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、鉆孔裝置、施肥裝置等組成。采用觸控屏人機(jī)界面，簡(jiǎn)化操作流程提高工作效率[5-9]。

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由油泵、油泵電機(jī)、油箱、控制閥、液壓缸、液壓馬達(dá)和油管等組成。為適應(yīng)不同的地理情況，要求鉆頭的轉(zhuǎn)速可調(diào)，因此液壓馬達(dá)有調(diào)速功能。調(diào)速閥控制的調(diào)速回路能夠完全滿足要求且系統(tǒng)成本適中。本系統(tǒng)采用由調(diào)速閥和定量馬達(dá)組成的閥控馬達(dá)調(diào)速方案。通過(guò)液壓缸控制伸縮機(jī)構(gòu)將打孔機(jī)構(gòu)移動(dòng)到預(yù)定位置，兩個(gè)液壓缸共同控制鉆頭行程，在手動(dòng)模式中可以根據(jù)需求控制鉆孔深度。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由PLC、觸摸屏、編碼器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成。電控系統(tǒng)選擇PLC與觸摸屏結(jié)合的方案，觸摸屏可以設(shè)置PID參數(shù)，然后將指令發(fā)送到PLC。PLC 接收到指令后，根據(jù)自身的存儲(chǔ)器的執(zhí)行命令，進(jìn)而對(duì)下場(chǎng)的電動(dòng)閥或電磁閥進(jìn)行控制[11-13]。

電氣控制原理如圖1所示。

圖1 電氣控制原理圖

采用西門子200PLC作控制器，有數(shù)字量和模擬量輸入和輸出接口，可靠性強(qiáng)，可以滿足控制要求。換向閥和水泵電機(jī)的控制信號(hào)為模擬信號(hào)，而液壓缸和液壓馬達(dá)等液壓系統(tǒng)為數(shù)字信號(hào)。在調(diào)整噴頭的位置時(shí)，由控制器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而可以實(shí)現(xiàn)精確定位。采用觸摸屏人機(jī)界面，觸摸屏上有控制各個(gè)動(dòng)作的按鈕?？梢栽O(shè)置施肥量的大小，鉆頭的速度，以及顯示各種施肥機(jī)的各種狀態(tài)和報(bào)警信號(hào)等。

2.4 控制界面設(shè)計(jì)

控制界面分為三個(gè)功能區(qū)域。首先是模式切換區(qū)域，可將工作模式在手動(dòng)控制與自動(dòng)控制間進(jìn)行切換。其次為設(shè)備調(diào)整區(qū)域，有平移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)和打孔機(jī)構(gòu)的相關(guān)控制按鍵。最后為參數(shù)區(qū)域，有系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)參數(shù)設(shè)置以及報(bào)警信息[14]。

人機(jī)交互設(shè)備采用觸摸屏，并使用組態(tài)進(jìn)行編輯。在觸摸屏上可顯示系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)參數(shù)，且可對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便于操作人員控制設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障可視化。一些功能控制采用按鍵形式控制，以防因?yàn)椴僮魅藛T的錯(cuò)誤觸碰而導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以輕卡為車體將整套裝置全部放置在車的后板上，在車體內(nèi)安裝有PLC觸摸屏及按鈕控制裝置和電器柜等。肥料箱放置在焊接的肥料箱支架上，肥料箱支架通過(guò)螺絲連接車體上，肥料箱支架之間留有間隙，可以放置各種工具。車載配重自動(dòng)調(diào)整裝置安裝在鐵軌上運(yùn)動(dòng)，鐵軌安裝在車體上，車載配重自動(dòng)調(diào)整裝置通過(guò)固定在車體上的鋼絲和滑輪組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈，與平移機(jī)構(gòu)連接，形成一個(gè)相反的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，給車體進(jìn)行配重，防止車輛發(fā)生傾覆或側(cè)翻。

用于肥料輸送的螺旋輸送泵安裝在車體前部靠近肥料箱的位置，肥料中轉(zhuǎn)箱安裝在鉆頭支架上。

平移機(jī)構(gòu)在鐵軌上運(yùn)動(dòng)，鐵軌固定在車體上，液壓缸安裝在平移機(jī)構(gòu)上，給平移機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在平移機(jī)構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)安裝在平移機(jī)構(gòu)上的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪，齒輪帶動(dòng)固定在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的齒圈使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 工作過(guò)程

施肥機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置后，點(diǎn)按按鈕，施肥機(jī)主體部分開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。有兩個(gè)按鈕，分別控制主體部分的旋轉(zhuǎn)和平面移動(dòng)，以便調(diào)整到最佳的施肥位置。施肥過(guò)程分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作模式。

手動(dòng)模式：施肥機(jī)每進(jìn)行一個(gè)動(dòng)作都需要按動(dòng)一個(gè)按鈕。首先按下鉆孔按鈕，液壓馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。然后再按下鉆頭下降按鈕，液壓馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭開(kāi)始下鉆，到達(dá)預(yù)定鉆孔深度后，按鈕鉆頭上升按鈕，鉆頭提起。鉆孔工作過(guò)程完成。然后按噴藥按鈕，旋轉(zhuǎn)移動(dòng)結(jié)構(gòu)像左移動(dòng)一定距離，使肥料管移動(dòng)到孔上方，再按動(dòng)施肥按鈕，油缸帶動(dòng)伸縮管向下移動(dòng)，當(dāng)藥管到距地面一定距離，水泵啟動(dòng)，開(kāi)始施肥，施肥時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定。施肥時(shí)間到后，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，油缸帶動(dòng)伸縮管向上移動(dòng)，藥管到達(dá)指定高度后，一個(gè)施肥過(guò)程結(jié)束。

自動(dòng)模式：當(dāng)鉆頭移動(dòng)到位后，按下施肥按鈕，整個(gè)施肥機(jī)會(huì)按照設(shè)定的程序完成一整套動(dòng)作，不需操作員再反復(fù)操作，提高了勞動(dòng)效率。

在施肥過(guò)程中肥料箱中的肥料靠重力作用落入螺旋輸送泵中，經(jīng)螺旋輸送泵送至肥料中轉(zhuǎn)箱中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一定角度，安裝在鉆頭支架上的液壓缸帶動(dòng)與其相連接的施肥伸縮管移動(dòng)到打好的鉆孔正上方，向下移動(dòng)一定距離。安裝在鉆頭支架上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)與它連接的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一定圈數(shù)，將定量的肥料輸送到前面已經(jīng)打好的孔里。

完成所有打孔與施肥任務(wù)后液壓油完全收回，此時(shí)鉆頭支架基本成60°。通過(guò)旋轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪，齒輪帶帶動(dòng)齒圈使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)90°，使鉆頭支架與車體平行，此狀態(tài)為車閑時(shí)的或道路上行駛的狀態(tài)。設(shè)計(jì)成品如圖2所示。

圖2 成品展示圖

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，已完成設(shè)備的組裝和試運(yùn)行，并投入到實(shí)際使用中，預(yù)期目標(biāo)基本達(dá)成。使用車輛搭載設(shè)備增強(qiáng)其機(jī)動(dòng)性能，節(jié)省了設(shè)備搬運(yùn)的時(shí)間，提高整體的工作效率。簡(jiǎn)化操作流程，降低操作人員的技術(shù)要求，便于操作。采用雙肥料箱設(shè)計(jì)，可搭載兩種肥料并以一定比例施肥以滿足多種對(duì)象的需求，從而有效地提高資源的利用率，也可實(shí)現(xiàn)施肥和噴藥兩種功能之間的轉(zhuǎn)換。