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农业工程技术论文 农用喷射播种机结构及控制系统设计

2018-12-19 09:50:39来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  本次论文研究的是喷射播种,这是一种(与土壤)非接触式的播种方式。更深一步探秘喷射播种的可行性,专门设计了气动喷射射种试验装置。气动喷射播种试验装置由机架、步进电机、射种元件、电磁铁、电磁阀,控制电路等组成。排种器邮箱步进电机驱动;电磁铁和电磁阀分别控制射种元件中排种阀和电磁阀的开关;控制电路实现步进电机、电磁铁和电磁阀的协调动作,完成送种、排种、射种这一工作过程;同时通过修改程序来控制试验参数;对射种元件中关键部件(排种腔体、喷嘴)的设计采用理论分析结合实际的方法,得出合理的形状和尺寸。装置的工作原理是:排种器排种后开启排种阀,种子落入排种腔体后关闭排种阀,开启电磁阀,种子随着高速气流通过喷嘴喷射而出,完成一次射种。本论文首次提出了气动喷射这一新型的非接触式播种方式,经过理论上的深入探讨,开始气动喷射播种的研制,主要创造气动喷射播种这一非接触式播种研究新领域,探密气动喷射播种的原理和方法。

  关键词:气动喷射,播种方式,射种器,农业技术,播种器装置

  1绪论

  播种机在农业生产中起决定性作用,必须在非常短的耕种农时内,根据农业技术要求,将种子播到农田里去,使农作物获得很好的生长发育条件。播种的好与不好将很大程度上影响农作物的出苗,苗全和苗盛。因为喷射播种可以保证种子在田间均匀分布,播种量十分精确,每株间距合理,深度也都差不多,为种子提供良好的生长发育条件,可以很大程度上节约种子,减少田间种苗的不合格率,保证农作物收获颇丰。因此,中国农业对精密喷射播种机械的要求越来越迫切。

  1.1课题的提出及意义

  迄今农作物机械化播种基本都是由入土装置先入土再将种子播入土壤的方式。由于在土里的部件是与土壤相接触的,传统播种方法将会损耗比较大的动力,而且对这几年来发展的多种先进农艺技术不符合要求。伴随着我国农村经济结构的调整和农业产业化区域布局的初步形成,以及农业向环保、节水和可持续化发展的趋势,在农业资源的合理利用和农业装备的技术水平都有了新的要求,并且多种先进农业播种技术也不断涌现,机电一体化也技术越来越多的应用于农业机械领域。

  这十年来,传统播种方式已经不能满足快速发展的农业新技术的需求,在农业新技术领域,旱作农业、精准农业、节水农业都对播种提出了新的要求。例如,它需要播种机械根据土壤肥力等条件的变化来决定不同的播种密度和不同的播种深度。这种更具质量化、智能化的播种要求靠接触式播种实现是及其困难的,因此,对非接触式播种机械的设计和研发成为必然。气动射种装置是设想利用高压气流在不影响种子发芽的损伤程度内将种子播种到土壤中去,省略了入土装置,降低了能耗。本设计设想希望能通过本次研究,开辟气动射种这一非接触式播种研究的新领域,并为以后的非接触式播种机械的开发和研制提供理论支持,如研制成功,必将带来播种机械化领域的一场革命。

  1.2播种机的发展前景

  1.2.1国内外播种机的发展现状

  在国外:当前国外精密播种机已经发展到非常成熟的程度,在精密播种机上除了设有完善的整地、覆土、镇压及施肥、喷洒农药装置外,其排种装置多采用新的工作原理,包括各种气吸式排种原理与机械式排种原理,以保证单粒精密播种。另外,液压技术及电子技术也在播种机上得以应用。20世纪80年代,美国、澳大利亚、加拿大、法国等西方国家开始研制并广泛使用气力式精密播种机械,其中气流一阶分配式集排排种系统大量应用在谷物条播机上。

  在国内:我国的播种机以传统的谷物条播机为主,与小型拖拉机配套的播种机及畜力播种机目前仍占主导地位。全国有500家左右的企业生产播种机,其中只有10家生产与大中型拖拉机配套的播种机,与小拖配套的播种机和畜力播种机的产量已占到全国播种机产量的90%以上。近几年,我国的联合作业播种机发展也较快,其机具主要有播种一施肥联合作业机、耕作—播种联合作业机、松土—施肥—覆膜—穴播联合作业机和施水—播种联合作业机等,目前又发展了铺膜播种联合作业机。我国从20世纪60年代开始发展精密播种机械,过程经过了仿制、自行研制、到应用的发展阶段。现在精密而少量的播种机具推广形式也非常迅速,小麦,玉米等精密而少量的播种机和中耕精密播种机推广应用迅速。

  1.2.2播种机械的发展趋势

  随着我国农村经济的调整和农业产业化区域布局的初步形成,以及农业向环保节水可可持续化发展的趋势,对农业资源的合理利用和播种机械的技术水平都有了新的要求。由于现代的农业播种机械是实现农业资源的持续、合理利用的重要手段,因此21世纪我国的农业播种机械的发展方向是:

  1、发展有利于耕地资源保护的联合播种机械;。播种联合作业是指在播种的同时,完成耕整地、施肥、喷洒液等作业,其优点是播种一次就能实现很多不同的项目,而且项目的完成度很高,能保证快速播种,提高农作物的产量,可以很好的利用配套设施,节约资源,降低播种成本,与比较古老的播种方法相比,联合播种消耗的费用要减少30%。

  2、发展有利于节水和水资源有效利用的播种机械;随着全球淡水资源的匮乏,特别是我国属于严重缺水国家,发展节水农业具有深远的意义和广阔的前景。从1996年开始,农业部累计投资1亿多元,建设了一批旱作节水农业示范基地和行走式节水灌溉示范区,通过农艺、农机、生物、工程等综合措施的应用,完成了一批以坡改梯生土熟化农田工程、集雨节水补灌等为重点的高标准基础设施建设,有效改善了旱区农业基本条件。农业部还在全国各地累计推广了水稻“浅湿晒”灌溉、“坐水种”、“行走式节水”、施用抗旱保水剂、地膜与生物覆盖等节水农业技术措施3.4亿亩左右,发展田间及大棚集雨节水和喷、微、渗灌等技术措施1000万亩。21世纪我国农业发展将面临严峻的水资源供求矛盾的挑战。大力发展节水农业,实现我国农业可持续发展,已引起中央和各有关方面的高度重视。目前农业部已组织编制了《全国节水农业发展规划(2001-2015年)》和《西部地区节水农业规划(2001-2005年)》,对我国节水农业的下一步发展展示了蓝图。

  3、发展能比较有效率的提高生产、降低能量的播种机械;传统的播种装置和土壤直接接触,用播种机的开沟器现在土地表面开道沟,然后通过输种管利用种子自身的重力滑落到土壤中的这接触式播种耗能费时,开发研制新型的节能降耗的播种机械将成为必然。

  4、发展自动化、智能化更高的播种机械。目前其他国家正在研发其他的播种技术,如日本提出适合蔬菜的静电播种,英国提出适合于蔬菜的液体播种、适合于牧草的超音速播种,还有目前广泛应用的种子带播种等。例如液压等新技术在国外播种机的应用也日益广泛。美国塞科尔5000型气压式播种机用液压马达驱动风机;东德A—697型精密播种机装有供驱动排种锥体的液压马达,当地轮滑动时,液压马达启动,以保证排种锥体的转速与机器前进速度相协调,同时也用以操作开沟器的升降,在大宽幅的播种机上还用液压折叠机架,以便安全运输

  近年来,随着立体农业、节水农业、精细农业口号的提出,我国的农业机械装备的类型、功能也在不断变化,应用领域压在逐年扩大。电子技术和计算机技术的发展以及先进的制造技术、新材料的涌现,推动农业机械特别是播种机械向智能化和自动化的方向发展,使得原来传统机械本来无法作业的项目也逐渐实现了机械化。农业机械化技术、自动化技术和智能化技术的相互补充、相互促进,与生物技术一起推动了播种机械化发展史的迅速前行。

  1.3机电一体化与农业机械

  采用机电一体化技术的农业机械,极大的改进了农业机械的质量和性能,使得农业机械更具智能化。目前,国外机电一体化播种技术在国外越来越多被使用,提高了提高劳动生产率。减轻劳动强度,提高劳动生产率、简化操作等。

  1966年,第一次在播种机上采用了光电传感器用于监视单行播种的公司是Dickey-John公司。80年代,又采用了基于雷达的测速仪用来测量行走速度、播种精度和谷物漏播的监视装置,利用微处理器控制肥料分配与喷灌,以及一个液晶显示器用于显示发动机速度、拖拉机滑移率、行走速度和每小时的工作面积

  PioneerⅠ----美国80年代中期研制出一种播种机监视系统—,该监视系统可以用于所有类型的播种机,包括气吸式播种机,谷物条播机和蔬菜播种机。速度传感器和排种传感器传递数据,显示某行工作正常;同时LCD显示每行播种量,速度和粒距。并能实现故障报警。

  1982年,日本开发了一种新型的排种系统,该系统由一圆盘式排种器和一个周期性驱动电路组成,周期时间同种子和种道分离时间相一致,种子在种道上的运输由电磁设备控制,这样种子被连续排至种沟。

  日本90年代初又研制了一套电磁操作的排种装置,用于电子控制的气力精播机。该系统由一个高性能的电磁阀、一个数据采集与控制器和一个排种器组成。该控制系统主要用于控制电磁阀的动作,排种性能可以根据种子下落间隔进行调整。试验室测试结果表明,该系统能保证较好的排种精度,调整排种参数更加容易,而且全面提高了播种机的使用效率。

  日本最近又在开发一种新型的播种系统,即蔬菜播种机施肥和排种的排量自动控制系统,该系统首先获取地轮地转速信号,并根据这个信号控制排肥和排种轴地转速来控制排量。这样排种和排肥不受拖拉机速度地影响。

  1995年,瑞典科学家研制了一种新型的控制系统,即DUI型排种器地电子控制系统。该控制系统与s2365播种机配套使用,也可以用于具有相同结构的其他播种机。该系统可根据工作幅宽、地轮半径及不同机型进行编程。使用该系统可以提高工作效率,改进操作条件。

  国内精密播种机监控系统的研究起步较晚,主要是引进国外的产品。1996年山东农业大学研制了精密播种机工况自动监视及播种量数显系统;中国农业大学近几年也将虚拟仪器用于农机控制检测对农机的各项性能进行控制检测。

  1.3.1机电一体化技术与播种机械的结合

  准确而精密的播种不但可以节省种子,节省田间移苗、补苗所需要的劳动力,而且有利于作物生长,便于田间管理。在国外,不但玉米、甜菜、大豆等作物大量采用精密播种,而且部分传统的谷物条播也采用精密播种,据介绍准确而精密的播种可以比传统的播种方式增产10-30%。精密播种是一种先进的播种技术,需要有更先进的排种、送种的机械装置,更需要有精确度较高的控制系统。气吸式播种机对种子要求不严格,容易达到精密点播,作业速度也比机械式高,因此在不同农作物例如玉米,小麦等的精密播种机上采用的越来越普遍。这几年来,,在农业新技术领域,随着旱作农业、精准农业、节水农业口号的提出,对播种机械提出了更高的要求。例如,它需要播种机械根据土壤肥力等条件的变化来决定不同的播种密度和不同的播种深度;甚至更根据作物生长的需水量来来严格控制播种时水的用量。这种更具质量化、智能化的播种要求都要求有精确、智能的控制系统,和机械控制系统相比较,电气控制系统更能满足未来播种机械的需求,所以要进一步提高精密播种质量,采用机电一体化技术是开发质量化、智能化农业机械的必由之路。

  所谓机电一体化技术是由微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术结合而成的综合技术,一般由以下几部分组成:机械本体部分、动力部分、传感部分、驱动部分、执行部分、控制及信息处理部分。近年来,由于计算机技术的迅速发展,电气控制元件的不断完善,大量的电气元件被广泛应用于农业机械,并且都达到了理想的预期目标。早在80年代初,西方国家就开始将电子技术应用于农业机械的转速测量,联合收割机的损失观察、速度大小,喷灌速率的测量等,并不断致力于降低产品造价、改进工作性能及改善农业环境影响的研究。这类系统一般包括传感器、显示屏、控制单元、执行机构、专家系统等。从目前农业机械的发展趋势看来,在未来的农业机械发展领域,机电一体化技术将被广泛的应用于各种类型的农业机械,将使传统的农业机械发生质的飞跃。将极大的提高播种的质量,节省能源,提高劳动生产率。

  1.4气动射种研究现状

  刁培松教授根据我国现阶段对播种机械的高质量化、智能化的要求,提出了气动喷射播种这一概念,目前在播种领域国内外还没有相关气动射种的研究。本次毕业设计将对气动喷射播种的可行性进行了初步的研究,并初步对气动射种的各种基本因素,比如射种压力、喷嘴大小、高压气流的流速、射种腔体的密封要求、喷嘴离地面的高度等进行初步摸索,虽然气动射种属于比较先进的播种方式,较传统的接触式播种方式具有较多的优越性,但它尚处于不成熟的阶段,仍需要投入更多的人力、物力和财力进行更多的试验研究,以达到实际性的应用。

  1.5主要研究内容

  本课题综合了机械技术、电子技术和PLC控制技术,对气动射种领域进行初步研究,为播种方式提供一种新的思路,所以研究的内容也仅仅是做初步的基础性研究。

  1、针对气动射种的特点设计一套可行的机械试验性装置,并用本套装置进行试验研究。

  2、对具体的试验装置做出一套便于修改的控制电路,实现对排种和气动射种的控制。实验装置用精密的电气化元件PLC控制器控制排种和气动射种。精确度上达到了良好的预期效果.

  3、进行具体试验,对本套装置的排种器进行排种试验,同时利用本套装置做气动射种的试验。找出射种深度和具体压力、射种时间的关系,确定影响射种深度的参数,建立数学模型。

  4、根据试验结果找出本套装置需要完善的地方。

  如果本项研究的初步试验获得成功,将继续进行以下深入的研究:

  1、研究种子的耐冲击和耐磨擦特性。在种子喷射进土壤的过程中,会受到土壤的冲撞和十分强烈的摩擦。播种质量要求,对种子的冲击和磨擦应当不影响种子的正常发芽和生长。影响对种子的冲击和磨擦的主要因素是射入速度和土壤的物理特性,在一定的土壤条件下,对种子的冲击和磨擦取决于射入速度。通过理论分析和试验寻找出种子在一定的土壤条件下,种子能够正常发芽、出苗的最高射种速度。这个速度称为耐冲击速度,记为。

  2、实验研究满足直接射种的土壤临界状态的物理特性参数。例如当某种土壤的物理特性参数优于临界特性参数时,则可以直接射种;当某种土壤的物理特性参数次于临界特性参数时,通过改善土壤的物理特性参数(如耕、松耕、改变土壤含水量等)实现直接射种。如果改变土壤的物理特性参数后,土壤特性优于临界物理特性参数,则可以直接射种,否则不能直接射种,要对种子进行防护处理。

  3、种子防护研究。对于那些不能喷射的种子,应当对他们进行防护,提高其耐撞击和耐磨擦特性。

  4、射种器的基本形式与设计参数研究

  2喷射播种机总体设计

  2.1精播机系统方案设计确定

  气动射种装置是将机械技术、电子技术、PLC等技术综合应用于农业机械领域的一种新型机电一体化装置,可分为气动射种装置和电气控制两大部分。试验的基本过程分为PLC控制步进电机排种、电磁铁控制排种活塞送种和气动电磁阀控制高压气流射种三个部分。本套装置仅针对单粒种子进行试验,所以排种机构采用窝眼式排种器,用步进电机驱动窝眼式排种器排种。在试验过程中要实现送种和射种的高度协调配合,就必须有一套精确的控制机构。PLC以其精确的控制和众多优越于单片机的性能而被用于射种装置的控制系统。具体的工作循环流程为:PLC控制步进电机排种—开启排种阀-关闭排种阀-开启电磁阀-气动射种-关闭电磁阀-步进电机排种,重复上述循环。大概整体设计方法如图2-1所示:

  图2-1实验装置的总体方案

  2.2装置总体设计

  本套设计装置由两部分构成:第一是机械排种、送种装置,第二是电气控制部分。机械排种、送种装置又可分为动力部件和执行机构两部分,只要集中在一个整体的机架内,机架至于车架之上;电气控制系统独立于机械排种、送种装置之外,其目的是不仅便于进行接线、检修等操作而且使该装置的安全系数大大提高;因属初步的实验性研究,高压气体压缩机暂时独立于两大部分之外,用高压输气管道进行连接。

  装置的大概流程为:有装置的动力源步进电机运转,驱动排种器的主轴,然后排种,经过一定设置时间之后,有一个排种电磁阀,然后让他吸合,把种子送入种腔,然后让电磁铁断电,成为自然状态,这时候排种活塞在上面弹簧的作用下关闭。气动电磁阀在得电后立马吸合,并且实现高压输气,射种完毕后电磁阀就被松开了。一个完整的射种过程就完成了。

  2.3行走装置的设计

  在研制的初级阶段,以实现该播种方式为目标,设计一个单行播种的装置。随着播种的成功,逐步扩展到多行播种。行走装置包括车架装置和机架装置。

  车架装置是推动播种装置前进以保证连续播种,单行播种装置应用手推地轮装置,利用四个地轮和人的动力前进播种;车架总体结构图如图2-2所示。车架竖梁设置滑道,使得机架可以上下滑动,便于调节喷嘴离地面的高度。根据人的身高,作业时扶手的顶部到地面的垂直距离设置约为760mm;根据作业时人体和机器的平衡习惯,扶手在水平方向的投影距离约为310mm。

  2.3.1机架设计计算的准则

  1)工况要求

  所有机架的研究第一必须保证机器在某一特定时候的工作要求。打个比方,保证在机架上安装的所有零件都能完美工作,机架的外形或内部结构不能妨碍其他零件的正常运作;设计必须的平台来完成某一特定情况;保证上下料的要求、人们的操作的方便及安全问题等。

  2)刚度要求

  在一定要保证某一特定定制的外形下,对机架的另外一个主要要求就是机架的刚度。例如机械加工机床的零部件中,床身的刚度在机床的工作效率和加工产品的精度起决定性作用。在齿轮减速器中,箱体的刚度在齿轮的啮合和转动性能上同样起决定性作用。

  3)强度要求

  对于一般不是特别重的机架,刚度能达到要求同时也能满足强度的要求,但对于比较重的设备,我们就要多一些特别的关注。因为在机器运转中可能发生的最大重量情况下,机架上任何点的应力都不能大于零件的允许应力,此外还要满足零件疲劳强度的需求,对某些机器的机架还需要满足他们震动或抗震的需求。例如,震动机械的机架、受冲击的机架等。

  4)稳定性要求

  那些特别细长的或非常薄的而且还受压得零件,还存在失稳问题,某些机架壳体也存在失稳的情况,这种情况还比较严重,因此,在设计时必须要考虑到校核问题。

  6)其他

  例如零件的散热的问题、防腐蚀及某一特定环境的问题。对于精密机械、仪表等热变形小的要求。都要考虑清楚。

  2.3.2机架设计的一般要求

  1)机架尽量选择那些重量比较轻的,材料也要选择合适的,而且要考虑到成本。

  2)结构合理,便于制造。

  3)结构应该实现机架上的零部件安装、调节、维修和更换都非常便利。

  4)结构要合理,不仅轻度刚度要好。还应使机架个体的内应力小,高温引起的变形应力小。

  5)抗震性能好。

  6)抗腐蚀,尽量使机架结构在使用的时候少维修。

  7)有导轨的机架必须使导轨面受力均匀,耐磨性好。

  机架装置用来放置各种播种部件,如排种腔体、牵引电磁铁等射种部件。机架总体结构图如图2-3所示。

  图2-2车架侧视图图2-3机架侧视图

  2.4射种装置的设计

  本装置的最核心的部件为射种元件,他的好坏直接决定了试验的成功与否。这个部件对密封性的要求十分严格,进气腔体和排种腔都要求承受1-2MPa的压力,同时还必须让其他任何地方没有气体跑出来。排种部分要顺利的将种子排入排种腔,而不会被排种阀带回。本研究先初步设计一种射种器,进行射种实现的实验。在此基础上进行如下实验研究,建立相关的模型,然后再进行射种器的改进设计,经过多次反复,获得射种器的设计参数,用于指导射种器的设计。

  射种器的主要硬件构成部件有种子排种阀、腔体、喷嘴、和用于产生气体的二位二通电磁阀。从输种管下来的种子在排种阀下移的时候掉进种子腔体。由于种子腔体是一个圆柱形,喷嘴是一个漏斗形的用弹性塑料制造,种子只能掉落在喷嘴的最底部,无法停留在上面的任何一个位置,在喷嘴最底部开了一个直径小于种子的小口,使种子不能靠自身的重力滑落到加速管中,只能等待高压气体压入加速管中。二位二通电磁阀向腔体中输送高压气体,把喷嘴上面的种子压入加速管中,并在加速管中对种子进行加速,使种子产生巨大的动能,直接射入土壤中。射种器的总体结构图如图2-4所示。

  在此装置中,排种阀除了使种子进入腔体外,还起着密封气体的作用。另外,种子在喷嘴最部,用自身的体积封住喷嘴底部的小口,也起到密封气体的作用。

  图2-4气动射种元件示意图

  1-二位二通电磁阀2-接头3-十字槽凹穴六角螺栓4-平垫圈5-螺杆6-六角螺母7-复位弹簧8-压板9-腔体10-排种活塞

  11-密封垫12-喷嘴喷嘴

  2.5送种机构的设计

  1、送种机构的设计要求:顺利地送种。种子送入种腔后,排种活塞返回时不至于将种子带回,这样将不能实现排种。本套机构采用种子的自重送种:种子经过落种口进入送种腔后,随着活塞的向下运动种子也在自重和排种阀压板的作用下进入射种腔,通过控制活塞在腔体内的时间,可以控制排种准确度。由于振动和种子自重的原因,种子会落入腔体中,经过一定的时间后,排种电磁铁断电,排种活塞恢复到初始状态,完成一次排种。

  2、排种活塞的设计:送种阀的作用不仅是排种还有密封送种腔体的作用。所以送种阀下端设计成锥形,上端为圆柱形,起压种作用以免种子粘在腔壁上。如图4中10所示。

  3、送种腔体的设计:腔体的设计示意图如2-5所示:

  图2-5送种腔体示意图

  1-送种腔2-射种腔

  送种腔采取有机玻璃加工而成,选材的缘故:一是有玻璃钢是一种透明的质料,这样在具体的试验过程中可以方便的观察种子在排种腔中的运动状态,可以方便的调节具体的参数如:排种时间、压力等来控制排种,同时对试验结果的分析也有重要的作用。二是有很好的密封作用。排种活塞采用45#钢制作,与送种腔体不属于同一种材料,这样在密封方面可以很好的实现。送种腔的下部设计成锥形是考虑到种子能顺利的进入排种阀的锥面上。射种腔的设计充分考虑到顺利排种和尽量减少气体的压力损失。①试验对象绿豆的直径最大为3mm,所以为了保证种子能顺利地排出腔体,由于所以若要种子落在射种腔里,就需要射种腔的直径D与排种阀的直径d之差:D-d≥3mm。②考虑到气体管道截面突然扩大而造成的损失:气体通过管道截面突然扩大处的流动情况如图2-6所示。在突然扩大的1~2截面之间,流动分为两个区域:Ⅰ区是流动核心区;Ⅱ区是涡流区

  Ⅱ

  Ⅱ

  图2-6截面扩大时流体运动情况示意图

  在两个区域的界面上,流体质点不断进行交换,在两个区域速度分布都在发生剧烈地变化,而在涡流区速度的大小及方向均在急剧地改变着。在突然扩大截面1-1上,核心区流体压强按静压强分布规律,在涡流区内压强不遵循静压强分布规律(在近似计算中假定按静压强分布规律在工程上是准确的)。假定流经管道截面突然扩大的流体是不可压缩的稳定紊流运动。由于1~2截面间距离短,忽略沿程损失及管道切向应力的作用。根据1-1、2-2的伯努利方程、动量方程和连续方程得出:能量损失:

  (2-1)

  或

  其中、为突然扩大局部阻力系数,v1、v2为在两个截面的流体速度。在式2-1中

  (2-2)

  (2-1)是一个理论近似表达式,局部压力阻力系数(2-2)仅与截面积之比有关。

  所以如果想要减少压力损失就需要缩小两个截面之差,根据①②的分析,取射种腔的直径为:40mm。具体的形状如图2-6所示,这样既可以减小两个截面之差,又可以满足顺利排种的需要。

  2.6喷嘴的设计

  确定喷嘴喷口面积对整个气动喷射系统有着重要的作用。若喷口面积偏大,则会使喷射平均动能大大下降,若喷口面积偏小,又会产生相应的回流,也会使喷嘴动能下降。这就要求合理的设计喷嘴的喷口尺寸。一般的射流喷嘴喷口设计成圆形,这样也是为了减小能量的损失,在保证能排出种子的前提下喷口直径越小越好。试验采用绿豆为实验对象,必须保证喷嘴出口能容纳下一粒绿豆。绿豆的最大直径为3mm,具体的尺寸:出口尺寸为d2=6mm,喷嘴的入口尺寸设计为d1=14mm。喷嘴作为一种能量转换的机械元件,其能量转换效率也是设计时应该考虑的关键参数。液流由高压泵增压后通过高压管到达高压喷嘴,由高压喷嘴将其转化为高压高速气流,在此转换过程中存在流量损失,而流过喷嘴液流的实际流量与理论流量之比,也就是喷嘴的流量系数集中反映了这种损失。

  下面按照高压气流在流道中的性质,采用连续方程和欧拉方程推导高压气流喷嘴流量系数的表达式。

  如图2-7所示为高压气射流喷嘴的结构示意图,在喷嘴流道中流过的高压气流属于不可压稳定无漩流,对此流动建立如图2-8所示的柱坐标系,在离进水口X处的截面上,其流量:

  图2-7喷嘴结构示意图

  图2-8喷嘴流道中流过的高压气流所建立的柱坐标系

  (2-3)

  式中——截面的平均流速;

  ——截面的截面积。

  在喷嘴中流动的高压气流不仅是不可压缩稳定无漩流,而且瞬间压强P满足关系式于是其速度压强分布如图2-9所示,存在的损失仅是摩擦损失,其值一般都是很小的。因此截面的平均流速和压强P的关系可以利用非粘性流体的连续方程

  图2-9 i-i截面的流速、压强分布

  和欧拉方程

  (2-4)

  以喷嘴中流体的性质为边界条件积分求得。结果为

  (2-5)

  式中

  ——拉普拉斯标符号;

  ——气流密度;

  ——截面上势函数。

  在式2-5中,当以x轴为基准线时,仅为摩擦引起的水头损失。假设在进口1-1截面上,,则从进口1-1截面到任意截面,根据喷嘴中气流特点由量纲法

  (2-6)

  式中——摩擦阻力系数

  于是从进口到出口的过程中

  得出

  (2-7)

  假设喷嘴中的气流为理想流动,则=0,于是

  (2-8)

  式中——理想流动时0-0截面处的平均速度。

  那么高压气体从喷嘴中流出而形成高压射流时,其实际出流为

  (2-9)

  理想出流:

  (2-10)

  式中——理想流动时0-0截面的流量,其流量系数

  (2-11)

  从2-11可以看出,射流喷嘴的流量系数与孔口出流的孔口流量系数相同,也仅与喷嘴的摩擦阻力系数有关,即流量系数是喷嘴自身阻力引起的能量损失,喷嘴的摩擦阻力越小,流量系数越大,液流在喷嘴中的能量损失也越小[15][16]。

  在此,为了尽可能的减小喷嘴的流量系数,采用图2-8所示的喷嘴形状,同时在加工过程中提高内孔的加工精度,减小摩擦阻力。

  2.7总体参数

  1)工作速度V

  播种和中耕的工作速度,关键取决于相关联零件和行走不见对速度放映的快慢,目前国内一般为5~7km/h,可采用钢轮和常见的排种开沟部件。高速作业有12km/h以上的,这是必须采用胶轮,排种器必须适应高速作业对排种频率的要求。

  2)工作幅度B

  m(1)

  式中n——行数,功用机中耕时,行数常取奇数,播种比中耕少一行。Te——拖拉机的额定牵引力,kgf;——拖拉机牵引力利用系数,取0.8~0.95,P——谷播机(通用机)单行工作部件阻力kgf;b——行距,m

  对于悬挂式机组,工作副主要取决于拖拉机悬挂系统的提升能力和运输时饿纵向稳定性。工作副大小还受仿行性能、道路运输及其他结构要素的限制。一般单机最大工作副为3.6~5m,要求更大工作副时可以采用折叠式机架或多台连接作业。

  3播种系统设计

  3.1种箱设计

  种箱用于盛放待播的种子,随着播种的不断进行,种箱里的种子应该自动下滑,其形状采用播种机普遍使用的方形形状,种箱下端用适当的锥度过渡,种箱尺寸的大小根据播种装置的整体尺寸进行合理的设计。本设计中种子箱的形状如图3-1所示。

  3.2输种管设计

  输种管是连接排种漏斗和排种腔体的柔性过渡管,其作用是将种子从排种漏斗输送到排种腔体并为下一步的射种做准备。输种管应有一定的弹性,以便保证和排种漏斗连接时的可靠性。结构形状如图3-2所示。

  图3-1种箱图3-2排种管

  3.3排种器机械结构

  窝眼式精密排种器的机械结构如图3-3所示。步进电机控制控制排种轴的转动,排种口下方连接排种漏斗。其中窝眼的直径大小由种子的类型决定,以绿豆为例,绿豆的直径最大为6mm左右,所以窝眼的直径选择6mm。窝眼式精密排种器上的窝眼径向角度应该由步进电机的步踞角来确定,以便实现精密排种。通过对排种器进行多次排种试验,排种器每次排出1粒或两粒种子。

  图3-3排种器总体示意图

  1-步进电机2-种箱3-窝眼式槽轮4-机架盖板5-排种器

  4气动射种装置的电路设计

  4.1控制装置的设计

  本装置中的控制主要是对牵引电磁阀、步进电动机、二位二通电磁阀的通电、延时及断电的控制。初步应用PLC控制器进行控制,其控制流程图如图6所示。具体控制过程为:系统初始化,牵引电磁铁和步进电动机同时得电工作,通电延时5秒,电磁铁断电,延时5秒;二位二通电磁阀得电,延时2秒,电磁阀断电,一个循环结束,系统控制进入下一个循环。如图4-1所示

  图4-1控制流程图

  4.1.1控制电路综述

  根据装置的动作顺序,控制电路采取开环控制:直接对气动电磁阀和牵引电磁铁进行控制,同时对步进电机进行起停控制。具体的控制过程为:(1)步进电机的驱动轴转动一定的角度实现排种后停止,等待下一次的脉冲信号(2)牵引电磁铁通电吸合将种子排入射种腔中,然后断电复位;(3)气动电磁阀通电吸合实现一次射种后断电复位。一次射种完成后进入下一次射种循环。这是一个循环过程,期间并没有反馈信息,所以无论是软件还是硬件的设计都应该采取简单可靠的方式设计。从步进电机动作停止到送种电磁铁动作,中间需要有一段时间的延时,这样才能保证种子落入进种口。送种电磁铁的通电和断电之间也有延时,这个时间并不确定还需要具体试验过程中随时的调整,通过对试验结果的分析来确定最佳的时间,因为时间的长短关系到射种腔里面的气压大小的问题。电磁阀的通、断电延时也需要在试验过程中调整。

  4.2步进电机的选择

  4.2.1步进电机的基本原理

  步进电机,俗话说就是数字控制电动机,它将电脉冲信号作为角位移,即给一个脉冲信号,步进电机就转动一个角度,转子角位移的大小及转速分别与输入的控制电脉冲数及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入电脉冲的数量、频率及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角、转速及转向。步进电机作为一个装置动力系统,即执行元件,是机电一体化的关键产品一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着全球经济的发展,各个公司微电子和计算机技术也越来越成熟,步进电机的使用个需求也越来越大,在全国乃至全世界各个领域都有使用,而且起着越来越重要的作用。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制。

  4.2.2步进电机的优点

  1、步进电机的角位移与输入的脉冲数严格成正比,它没有累计误差,具有良好的跟随性。

  2、由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统,即非常简单、廉价,又非常可靠,同时,可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。

  3、步进电机反应特别快。

  4、动作迅速:步进电机的加速能力非常强,随时可以停止开始、正反转之快速、频繁的定位动作。5、中低速时具备高转矩:步进电机在不是高速运行时在中具有比加大的转矩,故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。6、高信赖性:使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较,步进电机的故障及误动作少,所以在检查及保养时也较简单容易。7、小型、高功率:步进电机的占地方小、但是扭转力特别大,就算是在狭窄的地方离内,仍然能顺利工作,而且有很高的动力。

  8、高精度的定位:步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。以5相步进电机为例:其定位基本单位(分辨率)为0.72°(全步级)/0.36°(半步级),是非常小的;停止定位精度误差皆在±3分(±0.05°)以内,且无累计误差,故可达到高精度的定位控制。(步进电机的定位精度是取决于电机本身的机械加工精度)9、位置及速度控制:步进电机在输入脉冲信号时,可以依输入的脉冲数做固定角度的回转进而得到灵活的角度控制(位置控制),并可得到与该脉冲信号周波数(频率)成比例的回转速度。

  4.2.3驱动控制系统组成

  使用、控制步进电机必须由环形脉冲,功率放大等组成的控制系统,其方框图如下:

  1、脉冲信号的产生

  脉冲信号一般由单片机或CPU产生,一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右,电机转速越高,占空比则越大。

  2、信号分配

  感应子式步进电机以二、四相电机为主,二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种,具体分配如下:二相四拍为,步距角为1.8度;二相八拍为,步距角为0.9度。四相电机工作方式也有二种,四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度;四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度)。

  3、功率放大

  功率放大是整个装置他别主要的。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的正在运动的稳定电流而非不懂电流(而样本上的电流均为不懂电流)。稳定电流越大电机动力越大,要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。所以不同的情况采取不一样的的运动方式,到目前为止,驱动方式一般有以下几种:恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

  4、细分驱动器

  在步进电机步距角不能满足使用的条件下,可采用细分驱动器来驱动步进电机,细分驱动器的原理是通过改变相邻(A,B)电流的大小,以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的,如下图示。

  4.2.4步进电机的应用

  (一)步进电机的选择

  步距角(涉及到相数)、静转矩、及电流这三大要素是步进电机的基本组成。一旦这些必要的元素一确定下来,步进电机的型号就十分容易确定。

  1、步距角的选择

  电机的步距角取决于负载精度的要求,将负载的最小分辨率(当量)换算到电机轴上,每个当量电机应走多少角度(包括减速)。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度(三相电机)等。

  2、静力矩的选择

  步进电机的动态力矩一下子很难确定,我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载,而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时(一般由低速)时二种负载均要考虑,加速起动时主要考虑惯性负载,恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下,静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好,静力矩一旦选定,电机的机座及长度便能确定下来(几何尺寸)。

  3、电流的选择

  静力矩一样的电机,由于电流参数不同,其运行特性差别很大,可依据矩频特性曲线图,判断电机的电流(参考驱动电源、及驱动电压)

  综上所述选择电机一般应遵循以下步骤:

  4、力矩与功率换算

  步进电机通常在很大范围内都是用作调节速度来使用的、其功率是变化的,一般只用力矩来衡量,力矩与功率换算如下:

  P=Ω·M

  Ω=2π·n/60

  P=2πnM/60

  其P为功率单位为瓦,Ω为每秒角速度,单位为弧度,n为每分钟转速,M为力矩单位为牛顿·米

  P=2πfM/400(半步工作)

  其中f为每秒脉冲数(简称PPS)

  (二)、应用中的注意点

  1、步进电机在1000-3000PPS(0.9度)间,经过减速装置的时候,这个时候它工作的使用率非常高,而且噪音小。所以步进电机大多数都在低速情况下使用。

  2、步进电机在一个时刻震动比较大,这个时刻就是完全状态,所以当使用步进电机时,最好不要使用完全状态。

  3、值得一提的是当标称为12V电压的电机使用12V外,其他电机的电压值并不是正在使用的电压伏值,可是依赖驱动器选择驱动电压(建议:57BYG采用直流24V-36V,86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V),当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源,不过要考虑升温。

  4、转动惯量大的应用应选择最大号基座电机。

  5、电机在高速运转的时候,一般不会在使用状态是开始,而是速度慢慢提升,这样可以使电机不失步,也可以降低电机的使用噪音,从而保证高的使用精度。

  6、使用条件比较苛刻是,应采取适当的措施让他机械减速,并且提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决,也可以采用5相电机,不过其整个系统的价格较贵

  7、在震动区不适合电机运转使用,因此使用时应当远离震动区,如果非要工作,那就必须改变通过的电压和电流。

  8、电机在600PPS(0.9度)以下工作,应采用小电流、大电感、低电压来驱动。

  9、应遵循先选电机后选驱动的原则。

  4.2.5控制系统的程序运行

  图4-2控制系统原理图

  图4-2是控制系统的原理接线图,图4中Y7输出的脉冲作为步进电机的时钟脉冲,经驱动器产生节拍脉冲,控制步进电机运转。同时Y7接至PLC的输入接点X0,并经X0送至PLC内部的HSC。HSC计数Y7的脉冲数,当达到预定值时发生中断,使Y7的脉冲频率切换至下一参数,从而实现较准确的位置控制。实现这一控制的梯形图见图4-1

  图4-3控制梯形图

  控制系统的运行程序:第一句是将DT9044和DT9045清零,即为HSC进行计数做准备;第二句~第五句是建立参数表,参数存放在以DT20为首地址的数据寄存器区;最后一句是启动SPD0指令,执行到这句则从DT20开始取出设定的参数并完成相应的控制要求。

  由第一句可知第一个参数是K0,是PULSE方式的特征值,由此规定了输出方式。第二个参数是K70,对应脉冲频率为500Hz,于是Y7发出频率为500Hz的脉冲。第三个参数是K1000,即按此频率发1000个脉冲后则切换到下一个频率。而下一个频率即最后一个参数是K0,所以当执行到这一步时脉冲停止,于是电机停转。故当运行此程序时即可使步进电机按照规定的速度、预定的转数驱动控制对象,使之达到预定位置后自动停止。

  4.3电磁铁的选择和控制

  4.3.1电磁铁的选择

  该套系统所采用的牵引电磁铁为MQ1系列,适用于交流50赫兹电压至380伏的控制线路中,作为机械设备及自动化系统的各种操作机构的远距离控制之用,其中额定吸力有0.7kg、1.5kg、3kg、5kg、8kg等,但是额定吸力越大,相应的电磁铁的体积越大,占用的空间越大,不利于装配及整体布置。电磁铁的选用不仅决定于复位弹簧的选择类型,也取决于其所控制的机构所要实现的功能。对于送种机构,电磁铁牵引活塞杆只是将种子输送到射水腔内,阻力并不很大,电磁铁选用MQ1-1.5N型。

  4.3.2电磁铁的控制

  电磁铁的驱动电压为220V,电路无法直接提供驱动电源,需要另外加继电器作为驱动开关。继电器选用943-1C-5DS型其额定工作电压250V,可以在220V的电压条件下工作。继电器采用5V电压驱动,通过单片机的指令来指导继电器的开关和闭合,从而控制电磁铁的开关和闭合。其控制原理如图4-4中所示。

  电磁铁控制回路

  控制信号

  9103

  220~

  图4-4电磁铁控制示意图

  4.4 PLC的选择及控制

  可编程控制器(Programmable Controller),简称PLC,是20世纪70年代美国数字设备公司(DEC)为美国通用公司应用于自动装配线上的能适应工业环境的通用控制装置,取得试用后已很快的速度发展起来。PLC是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种控制设备,由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点,已经被广泛应用于自动控制的各个领域,并成为生产自动化的支柱产业。

  4.4.1 PLC的优点

  1、非常稳定。PLC能在各种复杂的状态下工作,且固定性很高,远远超过了传统的继电器控制和计算机控制系统,可以说到目前为止尚无任何一种控制系统的可靠性达到和超过PLC。

  2、编程简单,易于掌握。即使是不懂plc的人,只要看一本书,就能简单的编写一些程序,操作简单。

  3、组合灵活,使用方便。使用者不用对plc进行第二次升级,因为他的使用方便,可以和不同种类的控制系统相连。控制系统接线简单,任务量小,使用、维护都很方便。

  4、功能好,通用性好。它运用了计算机、电子技术和集成工艺的最新技术,在硬件和软件两方面不断发展,使其具备很强的信息处理能力和输出控制能力。

  5、开发周期短,成功率高。

  6、体积小,重量轻,功耗低。PLC采用了半导体集成电器,其体积小,重量轻,功耗低,是一种理想的机电一体化控制器。

  4.4.2 PLC的选择

  PLC吸取了继电器控制的优点又才采用了微型计算机(简称MC)技术,但和MC相比在工作原理、工作方式、还是在用途性存在很大差别。

  1、PLC抗干扰能力较MC高

  2、PLC的编程比MC简单

  3、PLC组成的控制系统设计调试周期短

  4、PLC非常容易操纵,人员训练时间短

  5、PLC便于维修

  随着PLC功能的不断增强,越来越多的采用微机技术,两者之间的区别也越来越含糊,考虑每个方面的因素,例如:气动射种装置仅限于初级试验阶段,试验装置体积小且需要不断组合、调试,资金有限,试验工作环境恶劣要求控制系统有较高的抗干扰能力,另外本人在计算机编程方面理论知识秋欠缺,对于PLC尚有所了解,总上各种因素本装置采用PLC作为气动射种装置的控制系统。

  4.5控制电路的设计

  用控制器的CP、DIR、OPIR作为控制器的输出口,来实现对步进电机的控制,来实现步进电机的准确排种,用中间继电器KA1控制控制开启排种活塞的牵引电磁铁YA1,用中间继电器KA2控制气动电磁阀的开启、闭合,同时在控制电路中加入必要的安全保护环节,设计控制回路如下图4-5所示。

  图4-5控制电路的设计

  4.6本章小结

  本章介绍了气动喷射播种试验装置的控制电路的各控制元件的选择和控制,合理地选择了电路所需的元器件,特别是步进电机和PLC的选择和控制。顺利实现了对排种电磁铁、电磁阀、步进电机的控制。因本设计是初步进行,尚有众多不足之处,有待进一步改进和完善。

  5常见故障与排除

  播种不均匀因为土壤的软硬程度不同,所以播种时候就会出现不均匀现象;应适当调节播种速度,以适应不同的土壤环境。

  2)排种器不排种种子箱内种子不足时,应添加种子;

  3)种子破碎率高当播种速度特别快时,种子就特别容易破损,应降低作业速度,保持匀速前进;护种装置损坏,应更换护种装置;刮种舌离排种轮太近时,应调整刮种舌与排种轮的间距。

  6结论

  通过两个多月的查阅资料、整理和设计,我所设计的小型气动喷射播种机大概已经完成,在这两个多月的过程中,我通过对资料的收集、检索以及查找,找到了很多对设计有用的资料,从而保证了设计顺利地完成。可以说这次设计是对我以前所学到的知识、收集资料的能力和设计方法等能力的一次综合的锻炼。在图书馆借阅各种资料,不断跟老师沟通,再从网上查阅资料等。根据设计大纲,拿出自己的设计方案。在整个设计过程中,是我的综合能力得到很大的提高,所学知识与以后的工作能够得到更好的衔接。

  我国是一个农业大国,虽然耕地面积广阔,但是农业生产的效率跟一些发达国家相比有着很大的差距。我所设计的气动喷射播种机就是提高播种生产效率,对实现农业生产自动化有重要的作用。由于小型播种机的结构特点,是它具有操作简单适用范围广等特点。采用专用的排种器大大降低了种子的破种率,提高了农作物的成活率。该机固有广泛的社会效益与经济效益。

  在这次的毕业设计过程中,我不仅学习了理论知识,更锻炼了我的动手能力,与此同时,我也知道了自己能力的不足以及还需要学习的东西有很多。让我明白了自己的缺点,更深的了解我自己,当然也让我以后有了更加明确的目标,更有针对性的去学习某样东西。此次设计对我来说是非常重要的一个学习过程,学到了设计的整体思路和方法,是参加工作前的一次很好的锻炼。我相信在以后的工作中,会从这次毕业设计中汲取到更多的帮助。

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