水稻秧盤育秧流水線供土裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

安 沛，馬 旭，陸 強(qiáng)，曾廣智，李宏偉，袁志成

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

水稻是我國(guó)的主要糧食作物之一，約有65%的人口以稻米為主食[1]。目前，水稻種植技術(shù)主要有兩種模式，即水稻直播和育秧移栽技術(shù)。美國(guó)、澳大利亞、意大利及其他歐美國(guó)家主要采用直播種植，而亞洲國(guó)家以育秧移栽種植為主[2]。在水稻育秧移栽種植技術(shù)中，秧盤育秧是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其主要裝備是水稻秧盤育秧流水線(以下簡(jiǎn)稱育秧流水線)。多年以來，人們對(duì)育秧流水線播種裝置不斷進(jìn)行研究和完善，播種精度不斷提高；但是，鋪底土和覆表土作業(yè)在育秧生產(chǎn)中也很重要，底土和表土的質(zhì)量與鋪設(shè)厚度會(huì)影響秧苗生長(zhǎng)質(zhì)量[3]。育秧過程中，底土鋪設(shè)和表土覆蓋需要大量床土，目前主要采用人工供土，其勞動(dòng)量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、雇工成本高。因此，簡(jiǎn)單、方便的床土供送裝置成為保證水稻秧盤育秧流水線穩(wěn)定工作的必要輔助設(shè)備。

按照工作原理不同，現(xiàn)有供土裝置主要分為斗式供土裝置和帶式供土裝置兩類。斗式供土裝置有日本矢崎公司的SYC-28型全自動(dòng)上土機(jī)和江蘇云馬農(nóng)機(jī)公司的2TS-260型全自動(dòng)上土機(jī)。這類供土裝置的優(yōu)點(diǎn)是占地面積小，能夠回收灑落床土；缺點(diǎn)是提升高度不可調(diào)，工作時(shí)揚(yáng)塵嚴(yán)重，與帶式供土裝置相比功率偏大[4]。帶式供土裝置的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)輸能力大，工作阻力小，使用靈活，耗電量低，且維護(hù)比較簡(jiǎn)單。現(xiàn)有臺(tái)州一鳴公司的輸送機(jī)和臺(tái)灣亦祥公司的輸土機(jī)，但體積較大，不適用于一些空間較小的大棚或工廠化育秧環(huán)境。這些供土裝置輸送量較大，不能自動(dòng)控制供土量，當(dāng)土箱裝滿時(shí)，需要人工控制開停，不僅浪費(fèi)勞動(dòng)力，開停不及時(shí)還會(huì)導(dǎo)致土箱內(nèi)的床土不足或溢出，影響供土效果[5-6]。因此，需要研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高度可調(diào)、能自動(dòng)控制供土量的供土裝置。

本文設(shè)計(jì)了一種具有檢測(cè)與控制功能的帶式供土裝置，采用帶式輸送結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，利用超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)，通過以Arduino單片機(jī)為核心控制芯片的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)供土量。最后，采用全因子試驗(yàn)研究了床土種類和提升高度對(duì)帶式自動(dòng)供土裝置供土性能的影響。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

研制的帶式自動(dòng)供土裝置主要由機(jī)架、傳動(dòng)滾筒、輸送帶、裝料斗、改向滾筒、土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和行走部件等部分組成，如圖1所示。檢測(cè)與控制系統(tǒng)包括超聲波傳感器、Arduino單片機(jī)和光耦隔離繼電器等，超聲波傳感器通過傳感器支架安裝在育秧流水線土箱上。

1.2 工作過程

工作時(shí)，將床土填入裝料斗，根據(jù)底土或表土的不同需求調(diào)節(jié)裝料斗出口擋板高度；開啟開關(guān)，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力經(jīng)過減速箱減速后帶動(dòng)傳動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)滾筒帶動(dòng)輸送帶，輸送帶將床土運(yùn)至頂端落入育秧流水線鋪覆土裝置的土箱中。同時(shí)，土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)對(duì)土箱中的床土高度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)土箱中床土與傳感器之間距離小于200mm時(shí)，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，供土裝置停止工作；當(dāng)土箱內(nèi)的土量下落、土箱內(nèi)床土與傳感器之間距離大于400mm時(shí)，電動(dòng)機(jī)重新啟動(dòng)，供土裝置開始工作。不斷循環(huán)上述檢測(cè)過程，直至工作結(jié)束。

1.水稻秧盤育秧流水線 2.傳感器支架 3.超聲波傳感器 4.傳動(dòng)滾筒 5.擋土護(hù)欄 6.電動(dòng)機(jī) 7.操作面板 8.輸送帶 9.裝料斗 10.改向滾筒 11.張緊機(jī)構(gòu) 12.萬向輪 13.機(jī)架 14.行走輪 15.旋轉(zhuǎn)式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

1.3 受力分析

供土裝置通過床土和輸送帶之間的摩擦力將床土提升。在輸送帶上建立平面直角坐標(biāo)系xoz，以輸送帶運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸正向，垂直于輸送帶平面向上方向?yàn)閦軸正向。輸送帶以速度v勻速運(yùn)動(dòng)，將質(zhì)量為m的床土填入裝料斗，初速度為0。輸送帶上床土質(zhì)點(diǎn)受力如圖2所示。

θ為供土裝置傾斜角度(°)；N為床土所受支持力(N)；mg為床土重力(N)；f為床土所受摩擦力(N)；v為輸送帶運(yùn)動(dòng)速度(m/s)。

由圖2可知，使床土向上輸送的條件為

f-mgsinθ>0

(1)

f=μmgcosθ

(2)

式中μ—床土與輸送帶之間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

將式(2)帶入式(1)得

μ>tanθ

(3)

(4)

式中L—輸送部件長(zhǎng)度(m)；

H—提升高度(m)。

得到床土向上輸送的條件為

(5)

輸送部件長(zhǎng)度L一定，輸送帶帶型確定后，μ與床土性質(zhì)有關(guān)。因此，床土種類β和提升高度H是影響輸送機(jī)供土性能的重要影響因素。

2 關(guān)鍵部件選型與設(shè)計(jì)

帶式自動(dòng)供土裝置主要由輸送部件、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)等部分構(gòu)成。

2.1 輸送部件

輸送部件由機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)滾筒、輸送帶、改向滾筒、擋土護(hù)欄及張緊機(jī)構(gòu)等部分組成，其結(jié)構(gòu)選型直接影響供土裝置供土能力的大小。輸送帶采用彈性好、不易變形、橫向穩(wěn)定性良好的二布二膠的PVC輸送帶，該皮帶能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，輸送完成后易于清理。傳動(dòng)滾筒直徑d為60mm。根據(jù)輸送機(jī)械驅(qū)動(dòng)功率的簡(jiǎn)易計(jì)算方法[7]，輸送裝置驅(qū)動(dòng)軸功率計(jì)算公式為

(6)

式中L—輸送部件長(zhǎng)度(m)；

B—輸送帶寬度(mm)；

V—帶速(m/s)；

Q—輸送量(t/h)；

H—提升高度(m)。

電機(jī)功率為

(7)

其中，η為傳動(dòng)效率，根據(jù)傳動(dòng)滾筒及聯(lián)軸器效率0.98、減速器效率0.94，得傳動(dòng)效率η=0.98×0.94=0.92。帶入式(7)，得電動(dòng)機(jī)功率P=0.115kW。

為滿足轉(zhuǎn)矩和功率的需要，選用東方牌220V、120W、轉(zhuǎn)速n=1 350r/min的交流電動(dòng)機(jī)。通過減速比k=18的平行軸GU-KB減速機(jī)來驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒，鏈輪傳動(dòng)比為1:2。

工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)滾筒，通過傳動(dòng)滾筒和輸送帶之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)輸送帶運(yùn)行，床土裝在輸送帶上和輸送帶一起運(yùn)動(dòng)，輸送至端部后卸載床土。

2.2 旋轉(zhuǎn)式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

由于不同育秧流水線的鋪覆土裝置的土箱高度不同，為使帶式自動(dòng)供土裝置能夠適應(yīng)不同高度的育秧流水線，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，主要由螺紋桿、圓形手柄、定位螺栓和支撐架組成，如圖3所示。螺紋桿上方與輸送部件連接，圓形手柄套在螺紋桿上，定位螺栓安裝在圓形手柄下部的套筒上，用于保持圓形手柄與支撐桿的相對(duì)位置。通過旋轉(zhuǎn)手柄改變圓形手柄與螺紋桿相對(duì)位置調(diào)節(jié)提升高度，擰緊定位螺栓進(jìn)行固定。

1.螺紋桿 2.旋轉(zhuǎn)手柄 3.支撐架 4.定位螺栓

2.3 土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)

土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)主要由電源模塊、土量檢測(cè)模塊、信號(hào)處理模塊和交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成，系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

2.3.2 硬件系統(tǒng)

電源使用220V交流電，通過5V1A的電源適配器轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5VDC，供給檢測(cè)與控制系統(tǒng)各部分模塊電路。信號(hào)處理模塊使用便捷靈活、使用方便的Arduino Uno單片機(jī)開發(fā)板[8]，工作電壓5V，主控芯片為ATmega328P-AU，可選擇6路模擬輸入。交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用光耦隔離繼電器和8腳的中間繼電器。

針對(duì)供土裝置工作環(huán)境差、檢測(cè)距離短及成本要求，土量檢測(cè)模塊選擇作用距離較短，受環(huán)境影響較小的超聲波傳感器[9]。使用深圳市導(dǎo)向機(jī)電技術(shù)有限公司的KS103超聲波測(cè)距模塊，探測(cè)距離范圍1～800cm，探測(cè)頻率500Hz，包含實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償功能，最小盲區(qū)1cm，測(cè)距精度3mm左右。連線時(shí)，MODE引腳懸空，KS103工作于I2C模式。根據(jù)傳感器在土箱上的安裝位置，設(shè)定停機(jī)檢測(cè)距離為200mm，開機(jī)檢測(cè)距離為400mm，設(shè)置探測(cè)指令0x0a(即量程為1 000mm)。工作時(shí)，傳感器直接輸出距離值(mm)。

圖4 土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)電路圖Fig.4 Circuit diagram of soil detecting and control system

2.3.3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，Arduino單片機(jī)進(jìn)行初始化設(shè)置，對(duì)傳感器輸入的距離值進(jìn)行判斷，輸出電平信號(hào)控制繼電器的通斷，從而控制電動(dòng)機(jī)的開停。根據(jù)設(shè)計(jì)功能要求，利用Arduino IDE軟件進(jìn)行相應(yīng)程序編寫并寫入單片機(jī)芯片。系統(tǒng)主程序流程如圖5所示。

2.3.4 工作原理

系統(tǒng)啟動(dòng)，程序初始化，電動(dòng)機(jī)開始工作；2s后，超聲波傳感器開始檢測(cè)土箱中床土高度；當(dāng)土箱內(nèi)床土較多、床土與傳感器之間距離小于200mm時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)高電平信號(hào)到光耦隔離繼電器IN接口，光耦隔離繼電器斷開，中間繼電器斷開，電動(dòng)機(jī)斷電，輸送部件停止工作。設(shè)定檢測(cè)時(shí)間間隔為150ms，當(dāng)土箱內(nèi)床土下落至與傳感器之間距離大于400mm時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)低電平信號(hào)到光耦隔離模塊IN接口，光耦隔離繼電器閉合，中間繼電器吸合，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送部件恢復(fù)工作。循環(huán)上述檢測(cè)與控制過程，直至工作結(jié)束。

圖5 土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.5 Flow chart of soil detecting and control system

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為分析帶式自動(dòng)供土裝置對(duì)輸送不同性質(zhì)床土的可靠性和不同育秧流水線的適應(yīng)性，選取床土種類β和床土提升高度H兩個(gè)因素，采用兩因素3水平的全因子試驗(yàn)進(jìn)行試驗(yàn)分析。床土種類的3個(gè)水平為育秧基質(zhì)、育秧土及育秧土與基質(zhì)按體積1:1均勻混合的混合物。目前，水稻秧盤育秧流水線鋪覆土裝置土箱高度多為1m，如日本井關(guān)、矢崎，以及中國(guó)云馬、亞美柯等公司的產(chǎn)品。因此，提升高度的3個(gè)水平選擇為1、1.05、1.1m。試驗(yàn)安排如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of experiment

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)基質(zhì)選擇廣州生升農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)的水稻育秧專用基質(zhì)，主要由椰糠、泥炭、蛭石和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑配制而成；育秧土為普通工廠化育秧水稻土。采用上海耀華稱重系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的XK3190-A12+E型電子臺(tái)秤(精度為0.01kg)稱重。

育秧土按照《NY T 1534-2007水稻工廠化育秧技術(shù)要求》[10]進(jìn)行處理，床土經(jīng)過粉碎并過篩，顆粒直徑≤5mm，pH值為5.5～7.0，絕對(duì)含水率W為15%。絕對(duì)含水率ω計(jì)算公式為

(8)

式中m0—烘干空容器質(zhì)量(g)；

m1—烘干前容器及土樣質(zhì)量(g);

m2—烘干后容器及土樣質(zhì)量(g)。

3.2 試驗(yàn)方法

按照試驗(yàn)方案安排試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)用秒表計(jì)時(shí)。每次試驗(yàn)在帶式自動(dòng)供土裝置輸送量穩(wěn)定后，用土箱收集供土裝置10s內(nèi)提升的床土后稱重；每組試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，取平均值。根據(jù)密度算出輸送體積，從而得到供土裝置單位時(shí)間輸送的床土體積。床土密度用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定[11]：ρ基=324.5kg/m3，ρ土=1021.5kg/m3，ρ混=736.8kg/m3。試驗(yàn)時(shí)，以輸送量Q作為帶式自動(dòng)供土裝置的輸送性能指標(biāo)，即

(9)

式中Q供土裝置單位時(shí)間的輸送量(m3/h)；

m—供土裝置輸送的床土質(zhì)量(kg)；

ρ—床土密度(kg/m3)；

t—供土?xí)r間(s)。

按照水稻秧盤育秧精密播種流水線生產(chǎn)率600盤/h，毯狀秧苗硬盤規(guī)格58cm×28cm(9寸盤)，秧盤內(nèi)床土厚度1.5～2cm，計(jì)算出所需床土量為1.46～1.95m3/h。

圖6 帶式自動(dòng)供土裝置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Test on automatic belt soil conveyor

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，A、B分別為床土種類β和提升高度H的因素編碼值。

從表2可知：提升高度的變化對(duì)供土裝置供土性能的影響大于床土種類對(duì)其供土性能的影響。根據(jù)均值Kn的變化規(guī)律可知：提升高度越低，供土裝置的輸送能力越強(qiáng)；供土裝置對(duì)不同種類床土的輸送能力大小依次為育秧土與基質(zhì)的混合物>育秧基質(zhì)>育秧土。由試驗(yàn)結(jié)果可知：各因素組合情況下帶式自動(dòng)供土裝置輸送量均大于1.95m3/h，滿足生產(chǎn)需求。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Experimental program and results

續(xù)表2

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種為水稻秧盤育秧流水線供土的帶式自動(dòng)供土裝置，滿足水稻秧盤育秧工作中底土和表土的提升輸送要求，適用于不同高度的水稻秧盤育秧流水線，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)供土。

2)進(jìn)行了帶式自動(dòng)供土裝置兩因素三水平的全因子試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：提升高度越低，帶式自動(dòng)供土裝置的輸送能力越強(qiáng)；帶式自動(dòng)供土裝置對(duì)不同種類床土輸送能力的大小為育秧土與基質(zhì)的混合物>育秧基質(zhì)>育秧土。帶式自動(dòng)供土裝置可滿足現(xiàn)有水稻秧盤育秧流水線的使用要求。

3)設(shè)計(jì)了帶式自動(dòng)供土裝置的土量檢測(cè)與控制系統(tǒng)，利用超聲波傳感器進(jìn)行測(cè)距判斷，以Arduino單片機(jī)為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)了帶式自動(dòng)供土裝置工作時(shí)根據(jù)土量自動(dòng)控制開停，節(jié)省了勞動(dòng)力。