安 沛，馬 旭，陸 強，曾廣智，李宏偉，袁志成

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

水稻是我國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、澳大利亞、意大利及其他歐美國家主要采用直播種植，而亞洲國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(以下簡稱育秧流水線)。多年以來，人們對育秧流水線播種裝置不斷進行研究和完善，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)厚度會影響秧苗生長質(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，其勞動量大、勞動強度高、雇工成本高。因此，簡單、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型全自動上土機和江蘇云馬農(nóng)機公司的2TS-260型全自動上土機。這類供土裝置的優(yōu)點是占地面積小，能夠回收灑落床土；缺點是提升高度不可調(diào)，工作時揚塵嚴重，與帶式供土裝置相比功率偏大[4]。帶式供土裝置的優(yōu)點是運輸能力大，工作阻力小，使用靈活，耗電量低，且維護比較簡單?，F(xiàn)有臺州一鳴公司的輸送機和臺灣亦祥公司的輸土機，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，不能自動控制供土量，當土箱裝滿時，需要人工控制開停，不僅浪費勞動力，開停不及時還會導致土箱內(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)簡單、高度可調(diào)、能自動控制供土量的供土裝置。

本文設(shè)計了一種具有檢測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)機構(gòu)，利用超聲波傳感器進行檢測，通過以Arduino單片機為核心控制芯片的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)供土量。最后，采用全因子試驗研究了床土種類和提升高度對帶式自動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)

研制的帶式自動供土裝置主要由機架、傳動滾筒、輸送帶、裝料斗、改向滾筒、土量檢測與控制系統(tǒng)、高度調(diào)節(jié)機構(gòu)和行走部件等部分組成，如圖1所示。檢測與控制系統(tǒng)包括超聲波傳感器、Arduino單片機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，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)，電動機開始轉(zhuǎn)動，動力經(jīng)過減速箱減速后帶動傳動滾筒轉(zhuǎn)動，傳動滾筒帶動輸送帶，輸送帶將床土運至頂端落入育秧流水線鋪覆土裝置的土箱中。同時，土量檢測與控制系統(tǒng)對土箱中的床土高度進行檢測，當土箱中床土與傳感器之間距離小于200mm時，電動機停轉(zhuǎn)，供土裝置停止工作；當土箱內(nèi)的土量下落、土箱內(nèi)床土與傳感器之間距離大于400mm時，電動機重新啟動，供土裝置開始工作。不斷循環(huán)上述檢測過程，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.傳動滾筒 5.擋土護欄 6.電動機 7.操作面板 8.輸送帶 9.裝料斗 10.改向滾筒 11.張緊機構(gòu) 12.萬向輪 13.機架 14.行走輪 15.旋轉(zhuǎn)式高度調(diào)節(jié)機構(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系xoz，以輸送帶運動方向為x軸正向，垂直于輸送帶平面向上方向為z軸正向。輸送帶以速度v勻速運動，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為輸送帶運動速度(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是影響輸送機供土性能的重要影響因素。

2 關(guān)鍵部件選型與設(shè)計

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

2.1 輸送部件

輸送部件由機架、電動機、傳動滾筒、輸送帶、改向滾筒、擋土護欄及張緊機構(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)各種復雜環(huán)境，輸送完成后易于清理。傳動滾筒直徑d為60mm。根據(jù)輸送機械驅(qū)動功率的簡易計算方法[7]，輸送裝置驅(qū)動軸功率計算公式為

(6)

式中L—輸送部件長度(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)。

電機功率為

(7)

其中，η為傳動效率，根據(jù)傳動滾筒及聯(lián)軸器效率0.98、減速器效率0.94，得傳動效率η=0.98×0.94=0.92。帶入式(7)，得電動機功率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的交流電動機。通過減速比k=18的平行軸GU-KB減速機來驅(qū)動傳動滾筒，鏈輪傳動比為1:2。

工作時，電動機通過減速箱驅(qū)動傳動滾筒，通過傳動滾筒和輸送帶之間的摩擦力驅(qū)動輸送帶運行，床土裝在輸送帶上和輸送帶一起運動，輸送至端部后卸載床土。

2.2 旋轉(zhuǎn)式高度調(diào)節(jié)機構(gòu)

由于不同育秧流水線的鋪覆土裝置的土箱高度不同，為使帶式自動供土裝置能夠適應(yīng)不同高度的育秧流水線，設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)式高度調(diào)節(jié)機構(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位置。通過旋轉(zhuǎn)手柄改變圓形手柄與螺紋桿相對位置調(diào)節(jié)提升高度，擰緊定位螺栓進行固定。

1.螺紋桿 2.旋轉(zhuǎn)手柄 3.支撐架 4.定位螺栓

2.3 土量檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)

土量檢測與控制系統(tǒng)主要由電源模塊、土量檢測模塊、信號處理模塊和交流電動機驅(qū)動模塊等組成，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，供給檢測與控制系統(tǒng)各部分模塊電路。信號處理模塊使用便捷靈活、使用方便的Arduino Uno單片機開發(fā)板[8]，工作電壓5V，主控芯片為ATmega328P-AU，可選擇6路模擬輸入。交流電動機驅(qū)動模塊使用光耦隔離繼電器和8腳的中間繼電器。

針對供土裝置工作環(huán)境差、檢測距離短及成本要求，土量檢測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]。使用深圳市導向機電技術(shù)有限公司的KS103超聲波測距模塊，探測距離范圍1～800cm，探測頻率500Hz，包含實時溫度補償功能，最小盲區(qū)1cm，測距精度3mm左右。連線時，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)定停機檢測距離為200mm，開機檢測距離為400mm，設(shè)置探測指令0x0a(即量程為1 000mm)。工作時，傳感器直接輸出距離值(mm)。

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

2.3.3 軟件設(shè)計

當系統(tǒng)啟動后，Arduino單片機進行初始化設(shè)置，對傳感器輸入的距離值進行判斷，輸出電平信號控制繼電器的通斷，從而控制電動機的開停。根據(jù)設(shè)計功能要求，利用Arduino IDE軟件進行相應(yīng)程序編寫并寫入單片機芯片。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，程序初始化，電動機開始工作；2s后，超聲波傳感器開始檢測土箱中床土高度；當土箱內(nèi)床土較多、床土與傳感器之間距離小于200mm時，單片機輸出一個高電平信號到光耦隔離繼電器IN接口，光耦隔離繼電器斷開，中間繼電器斷開，電動機斷電，輸送部件停止工作。設(shè)定檢測時間間隔為150ms，當土箱內(nèi)床土下落至與傳感器之間距離大于400mm時，單片機輸出一個低電平信號到光耦隔離模塊IN接口，光耦隔離繼電器閉合，中間繼電器吸合，電動機開始轉(zhuǎn)動，輸送部件恢復工作。循環(huán)上述檢測與控制過程，直至工作結(jié)束。

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

3 試驗與結(jié)果分析

為分析帶式自動供土裝置對輸送不同性質(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兩個因素，采用兩因素3水平的全因子試驗進行試驗分析。床土種類的3個水平為育秧基質(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，以及中國云馬、亞美柯等公司的產(chǎn)品。因此，提升高度的3個水平選擇為1、1.05、1.1m。試驗安排如表1所示。

表1 試驗因素與水平Table 1 Factors and levels of experiment

3.1 試驗條件

試驗在華南農(nóng)業(yè)大學工程實驗室進行。試驗基質(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，絕對含水率W為15%。絕對含水率ω計算公式為

(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 試驗方法

按照試驗方案安排試驗，試驗時用秒表計時。每次試驗在帶式自動供土裝置輸送量穩(wěn)定后，用土箱收集供土裝置10s內(nèi)提升的床土后稱重；每組試驗進行3次重復，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間輸送的床土體積。床土密度用環(huán)刀法進行測定[11]：ρ基=324.5kg/m3，ρ土=1021.5kg/m3，ρ混=736.8kg/m3。試驗時，以輸送量Q作為帶式自動供土裝置的輸送性能指標，即

(9)

式中Q供土裝置單位時間的輸送量(m3/h)；

m—供土裝置輸送的床土質(zhì)量(kg)；

ρ—床土密度(kg/m3)；

t—供土時間(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，計算出所需床土量為1.46～1.95m3/h。

圖6 帶式自動供土裝置試驗現(xiàn)場Fig.6 Test on automatic belt soil conveyor

3.3 試驗結(jié)果及分析

試驗結(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：提升高度的變化對供土裝置供土性能的影響大于床土種類對其供土性能的影響。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；供土裝置對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。由試驗結(jié)果可知：各因素組合情況下帶式自動供土裝置輸送量均大于1.95m3/h，滿足生產(chǎn)需求。

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

續(xù)表2

4 結(jié)論

1)設(shè)計了一種為水稻秧盤育秧流水線供土的帶式自動供土裝置，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，減輕了勞動強度，實現(xiàn)了自動供土。

2)進行了帶式自動供土裝置兩因素三水平的全因子試驗。試驗結(jié)果表明：提升高度越低，帶式自動供土裝置的輸送能力越強；帶式自動供土裝置對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)計了帶式自動供土裝置的土量檢測與控制系統(tǒng)，利用超聲波傳感器進行測距判斷，以Arduino單片機為核心控制芯片，實現(xiàn)了帶式自動供土裝置工作時根據(jù)土量自動控制開停，節(jié)省了勞動力。