毒饵喷撒机排毒饵控制系统的设计及试验.pdf

第 30 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.10 66 2014 年 5 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2014 毒饵喷撒机排毒饵控制系统的设计及试验 张 云，高少宏，范春茂，宋 涛 （内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018） 摘 要： 毒饵喷撒机作业过程中， 经常会出现落料器堵塞或排毒饵器卡滞等现象， 若该现象未能及时发现和排除， 会影响毒饵喷撒机的正常工作。为了提高毒饵喷撒机适用性和整体工作性能，该文在原毒饵喷撒机相关研究的基 础上，设计了一套全新的排毒饵控制系统，包括自动控制系统和手动遥控系统。自动控制系统对毒饵喷撒机的工 作运行状态进行实时监测和故障的准确报警，手动遥控系统方便维修检查，从而实现了排毒饵器的实时控制，提 高了毒饵喷撒机的工作性能，为实现草原鼠害防治机械智能化作业提供参考。 关键词：控制系统；设计；机械化；毒饵喷撒机；单片机 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.10.008 中图分类号：S477+.5 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-10-0066-07 张 云，高少宏，范春茂，等. 毒饵喷撒机排毒饵控制系统的设计及试验J.农业工程学报，2014，30(10)： 6672. Zhang Yun, Gao Shaohong, Fan Chunmao, et al. Design and experimental study of control system for spraying bait on bait spraying machine for deratizationJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(10): 6672. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 近年来，草原鼠害面积呈现一种加重趋势1， 这不仅导致草原畜牧业生产损失严重，而且还影响 草原生态系统的可持续发展2-3， 因此草原地面施药 机械需求也不断提高。毒饵喷撒机在保护草原生态 的灭鼠作业中发挥了极其重要的作用4，它是一款 能够按要求定点定量5-7的喷撒颗粒毒饵的地面施 药机械8-9， 其工作性能的优劣将直接影响到草原灭 鼠作业的效率及草原生态保护质量。 毒饵喷撒机在作业过程中，毒饵在机具的气力 输送系统中处于全封闭状态，坐在驾驶室里的机具 手较难视听其喷撒的作业质量，拖拉机动力输出轴 转速受地形影响发生变化，当与之连接的风机转速 低，气力输送系统中落料器处的风速小于毒饵的悬 浮速度时毒饵堵塞在落料器内或由于毒饵中大一 些的硬颗粒物卡滞排毒饵器，以往出现这些情况时 等到机具手停车检修时才能发现，然后人工排除故 障，由于未能及时发现和排除故障，导致某些区域 内撒不上毒饵，进而影响了喷撒质量。针对上述问 题，需要在现有毒饵喷撒机上添加自动控制系统， 收稿日期：2013-11-02 修订日期：2014-03-05 基金项目：国家自然科学基金项目“荒漠区子午沙鼠不育控制及其可持 续机制研究” （31260580） 作者简介：张 云（1958） ，男，内蒙古呼和浩特人，教授，学士， 硕士生导师， 主要从事机械制造设计等课程的教学与草原植保机械的研 究工作。呼和浩特 内蒙古农业大学机电工程学院，010018。 Email: zhangyund1958 而目前，国内外对播种机研究出了不同功能要求的 自动监控系统10-20，指引着现代农业发展的重要方 向， 例如美国 CYCLO-500 型播种机上的电子监控 系统10。该监控系统把整个播种情况基本显示出来 并且可以声光双向报警，方便了操作人员观察故障 的位置和性质。但对于草原地面施药机械中的自动 控制系统的研究则少之又少。本文通过分析国内外 播种机自动控制系统的发展现状以及目前毒饵喷 撒机所存在的问题，以期在毒饵喷撒机上配备可靠 性高、性能完善的控制系统，实现排毒饵器的实时 控制，为毒饵喷撒机的改进设计提供参考，以提高 草原鼠害防治机械化作业的自动化和智能化程度。 1 毒饵喷撒机的结构与工作原理 毒饵喷撒机的结构性能良好，能够分片均匀定 量的喷撒颗粒毒饵进行大面积草原鼠害防治，现正 被广泛应用于草原灭鼠，而且取得了一定的效果， 其工作情况如图 1 所示。 毒饵喷撒机在作业过程中，所有的动力都由拖 拉机输出轴提供21，如图 2 所示，通过万向轴传到 增速器，经增速器出来的动力一路通过减速器、链 传动带动排毒饵器主轴转动，实现毒饵的排放。另 一路传递给高压离心通风机，通过风机的高速气流 在排毒饵系统的喉管处产生负压，把排毒饵器排出 的毒饵吸入并从喷筒喷出，并在气流的加速作用下 高速喷出，最后将颗粒毒饵喷撒在地表，如图 3 所示。 第 10 期 张 云等：毒饵喷撒机排毒饵控制系统的设计及试验 67 1.毒饵箱 2.摆动系统 3.毒饵排放系统 4.机架 5.风机 1. Bait box 2. Drive system for swing 3. Poison baits emission system 4. Body frame 5. Centrifugal blower 图 1 毒饵喷撒机的工作情况 Fig.1 Working condition of bait spraying machine 图 2 毒饵喷撒机原理图 Fig.2 Principle diagram of bait spraying machine 图 3 气力输送系统的原理图 Fig.3 Principle diagram of pneumatic conveying system 毒饵喷撒机的动力由拖拉机动力输出轴提供。 但是，拖拉机输出轴的转速却受到发动机实时功率 影响21，在实际作业中并非恒定值。由于从动力输 入到风机的传动是一个增速的过程，因此，拖拉机 输出轴转速的不稳定性，在风机传动中的体现更加 显著。当风机转速不足时，毒饵会在输料管道内出 现堵塞的情况。另外毒饵中偶尔掺杂大一些的硬颗 粒物会使外槽轮式排毒饵器卡滞，出现排毒饵器主 轴转矩急剧增大或排毒饵器不排毒饵，传动皮带打 滑的现象。这些情况都会导致毒饵喷撒机无法正常 工作，极大地影响了影响毒饵喷撒机的喷撒质量和 灭鼠效率。 本文根据毒饵喷撒机在草原灭鼠作业中出现 的问题，结合机构自身特点和排毒饵器的性能，确 定了毒饵喷撒机的控制方案，这套排毒饵控制系统 包括 3 个部分：手动遥控系统、自动控制系统和手 动自动切换模块。自动控制系统对毒饵喷撒机的工 作运行状态进行实时监测和故障的准确报警，手动 遥控系统以备在维修或特殊情况时使用，从 2 个方 面实现了对排毒饵器的实时控制，提高了整机的自 动化水平。 2 自动控制系统的设计 毒饵喷撒机的自动控制系统采用机电一体化 的设计思路，霍尔传感器和扭力传感器作为监控机 构，电磁离合器作为执行机构，设计了开环自动控 制系统，重点解决了因风机转速不足落料器堵塞、 排毒饵器卡滞等问题，当毒饵喷撒机不能正常工作 时，可及时进行声光双重报警。此系统采用了 AT89C51 系列单片机， 除了自身工作必要的复位电 路和时钟电路外通过 I/O 口对霍尔传感器、压力传 感器、报警模块、键盘模块、显示模块、输出控制 模块传来的信号进行处理。自动控制系统电路原理 图如图 4 所示。 在自动控制系统中， 单片机不仅可以控制声、 光等装置进行报警，而且还可通过液晶显示器 LCD1602 对实时风机转速和排毒饵器主轴扭力做 出汇总，实现各种数据在的系统内存储和输出。其 主程序控制流程图如图 5 所示。 在系统软件程序设 计中， 采用模块化设计方法， 根据系统功能将整个 软件程序划分为若干个功能相对独立易于解决的 模块。 系统软件程序主要由主监控程序、 按键扫描 及处理程序、数据采集驱动程序、数据存储驱动 程序、液晶显示驱动程序及输出控制程序等模块 组成。 当自动控制系统运行、风机旋转时，霍尔传感 器检测风机转速，传送到单片机；同时扭力传感器 采集到的信号经模数转换模块传给单片机，单片机 程序同时判定转速和扭力 2 个信号是否在设定范围 内，根据这些信息输出控制信号。当毒饵喷撒机正 常工作时，自动控制线路指示灯常亮，报警器不报 警；当出现落料器堵塞或排毒饵器卡滞等现象时， 除该故障所对应的发光二极管一直保持亮的状态 之外，同时警报装置也一直发出相应的警报响声， 连续声和间断声之分通过软件程序实现，并及时断 开电磁离合器，当风机转速回到设定范围内时，电 磁离合器又自动结合。自动控制系统在正常或故障 时的工况如表 1 所示。自动控制系统及时地提示驾 驶人员停车检修故障，从而避免了大面积漏撒，提 高了毒饵喷撒质量。 农业工程学报 2014 年 68 1.键盘模块 2.霍尔传感器 3.模数转换模块 4.报警模块 5.显示模块 6.扭力传感器 7. 输出控制模块 1. Keyboard module 2. Hall sensor 3. Analog-to-digital conversion module 4. Alarm module 5. Display module 6. Torque sensor 7. Output control module 图 4 自动控制系统电路原理图 Fig.4 Circuit diagram of automatic control system 图 5 主程序控制流程图 Fig.5 Program flow chart of main control 针对试验所选取最普遍的毒饵基饵通过前期 标定试验得出结论，能将颗粒毒饵喷撒出去而不会 导致落料器或输料管堵塞的风机最低转速和排毒 饵器没有卡滞的最小扭力与毒饵基饵的种类相关。 针对不同的毒饵基饵种类，风机的最低转速范围的 设定值在 2 2002 600 r/min， 排毒饵器最大扭力的 设定值在 110140 N。在实际灭鼠作业中，根据不 同的毒饵基饵输入不同的设定值。表 1 所示参数为 选择小麦作为毒饵基饵时，毒饵喷撒机自动控制系 统的所有可能工况。其中毒饵喷撒机正常工作时， 风机转速能将小麦喷撒出去而不会导致落料器或 输料管堵塞的最低转速为 2 300 r/min，排毒饵器没 有卡滞的正常扭力在 120 N 以下；当风机转速低于 2 300 r/min，而排毒饵器正常排放毒饵时，除该故 障所对应的发光二极管亮起之外，同时声音警报装 置发出连续的警报响声；当风机转速很高，而排毒 饵器出现卡滞现象时，同样除该故障所对应的发光 二极管亮起之外，同时声音警报装置发出滴滴的间 断警报响声。 第 10 期 张 云等：毒饵喷撒机排毒饵控制系统的设计及试验 69 表 1 正常或发生故障时自动控制系统的工况 Table 1 Normal or fault condition of automatic control system 风机转速 Revolving speed of centrifugal blower/(rmin-1) 排毒饵器主轴扭力 The torsion of fall feeder/N 灯光报警 Visual alarm 工况 Working condition 设定值 Reference value 检测值 Detection value 设定值 Reference value 检测值 Detection value 声音报警 Audible alarm 风机转速 Revolving speed of centrifugal blower 扭力 Torsion 正常工作 Normal work 2 300 2 470 120 103 0 0 0 风机转速不足 Low revolving speed of centrifugal blower 2 300 2 050 120 112 1 1 0 排毒饵器卡滞 Fall feeder blocked 2 300 2 371 120 135 1 0 1 注：表中“0”表示不报警， “1”表示报警。 Note: “0” is no alarm, “1” is alarm. 3 手动遥控系统的设计 手动遥控系统使用无线传输技术让工作人员 检修及特殊情况时，可随时随地选择排毒饵器是否 排放毒饵，方便设备的维修。手动遥控系统结构就 是在手动遥控系统控制线路中接入电压 24 V 电流 10 A 单路遥控开关，它采用红外遥控的方式，利用 继电器的常开或常闭触点控制电路系统中的负 载，从而避免相互之间干扰，能够非常容易且无方 向限制的对电路进行控制。 当选择手动遥控系统时，直接切换为手动遥控 模式，相应的指示灯常亮，此时毒饵喷撒机毒饵是 否排放由遥控器开关控制。 4 执行元件的选择 在整个控制系统中，无论是自动控制系统，还 是维修时用到的手动遥控系统，其最终的结果是在 不影响其他传动系统的前提下，根据需要来确定排 毒饵器是否停止排放毒饵，而电磁离合器就是一款 可使原动机不中断旋转的情况下控制传动系统常 用的主要执行元件22。其中静摩擦转矩和动摩擦转 矩是选择离合器的基本参数23-24，因此选择电磁离 合器的型号时应使设备运转的最大负载转矩与安 全系数的乘积小于公称静转矩，同样连接时的负载 转矩与安全系数的乘积小于公称动转矩25。由于不 同机械特性的要求不同，受负载、惯量、频率、转 速、时间等因素影响，必须充分地考虑安全系数， 正确选定离合器力矩大小后要根据不同机械特点 适当扩大离合器力矩。所以针对排毒饵器主轴转矩 做了如下研究： 排毒饵器主轴转矩主要受排毒饵器的主轴转 速 v，槽轮有效长度 l 及毒饵基饵的种类 3 个因素 的影响。根据前期研究，槽轮有效长度小于最小值 23 mm 时，排放的毒饵量非常不稳定，且在毒饵箱 出口处容易造成毒饵颗粒的囤积堵塞；结合目前最 大排量和最小排量要求，槽轮有效长度最大值为 60 mm，排毒饵器主轴转速最小值为 14 r/min，若 主轴转速增大，缩短了毒饵在槽轮内的滞留时间， 增大了单位时间的主轴脉冲频率，使其破环程度增 大。而对于现在使用的毒饵是 C 型肉毒梭菌毒素， 一种新型生物毒素灭鼠剂26，使用方法是将毒素液 和毒饵基饵拌制，随拌随用27-28。对于基饵的选 择，一般以大米、玉米碎粒（平均粒径为 5.5 mm） 和小麦最为常见29。因此对排毒饵器主轴转矩进行 了正交试验，确定排毒饵器主轴最大转矩的因素主 次顺序和较优组合。 在排种器主轴转矩正交试验装置 （图 6） 上, 将 排毒饵器及毒饵箱架于试验台上，电机接于变频柜 上，电机的输出轴与涡轮蜗杆减速器相连，经涡轮 蜗杆减速器减速后通过转速转矩测量仪传给链 轮，然后将动力传给排毒饵器。先用数字式高精度 转速表标定排毒饵器主轴转速，然后按照正交试验 表安排试验，通过 JN338 转矩转速传感器同步测量 当前时刻的转矩、转速值，整理数据，如表 2 所示。 1.转速转矩测量显示仪 2.转速转矩测量仪 3.自建试验台 4.涡轮蜗 杆减速器 5. 排毒饵器 1. Display of torque measurement 2. Torque measurement 3. Self-built test platform 4. Worm reducer 5. Fall feeder 图 6 排毒饵器主轴转矩试验台 Fig.6 Torque test rig for spindle of fall feeder 农业工程学报 2014 年 70 表 2 主轴转矩正交试验 Table 2 Orthogonal experiment of Main shaft torque 因素 Factors 试验指标 Test index 试验编号 Number A 毒饵基饵类型 Type of poison bait B 主轴转速 v Revolving speed of fall feeder/ (rmin-1) 空列 Null columns C 槽轮有效长度 l Effective length of sheave/ mm 排毒饵器主轴最大转矩 T Maximum torque of fall feeder/ Nm 1 1(小麦) 1(15) 1 1(30) 20.937 2 1(小麦) 2(19) 2 2(40) 17.212 3 1(小麦) 3(23) 3 3(50) 13.987 4 2(玉米粒) 1(15) 2 3(50) 19.607 5 2(玉米粒) 2(19) 3 1(30) 13.218 6 2(玉米粒) 3(23) 1 2(40) 10.074 7 3(大米) 1(15) 3 2(40) 18.964 8 3(大米) 2 (19) 1 3 (50) 15.380 9 3(大米) 3(23) 2 1 (30) 11.128 kj1* 52.136 59.508 46.391 45.283 kj2* 42.899 45.810 47.947 46.25 kj3* 45.472 35.189 46.169 48.974 主次顺序：B A C 极差 Rj 3.079 8.106 0.593 1.230 较优水平：ABC 正交试验中的极差分析，显示了排毒饵器毒饵 基饵类型、主轴转速及槽轮有效长度 3 个性能指标 对主轴最大转矩的影响程度。从表 2 中可以看出： 主轴转速的级差最大，说明主轴转速的各水平改变 对主轴最大转矩的影响最大，毒饵基饵类型次之， 槽轮有效长度的变化对主轴转矩的变化影响小，则 最大转矩的较优组合为小麦、主轴转速 15 r/min、槽 轮有效长度 50 mm。记录较优组合主轴转矩一段时 间内的变化如图 7 所示，大致成周期性变化。 图 7 较优组合主轴转矩的变化趋势 Fig.7 Change trend of optimal combination for spindle torque 图 7 为毒饵喷撒机排毒饵器从启动到稳定排放 毒饵全过程，排毒饵器主轴转矩在启动初期的扭矩 即动摩擦扭矩为 20.453 Nm，图中稳定排放毒饵时 的最大值为 28.122 Nm，都乘以安全系数 1.525， 可以算出最大动、静摩擦，然后根据以上数据选择 电磁离合器的型号为 FCD050，其主要性能参数： 静摩擦扭矩为 50 Nm，动摩擦扭矩 40 Nm，额定 最高转速可达 1 800 r/min。 5 试验验证 为了验证此控制系统整体的工作性能及工作 可靠性，对该系统分别进行了室内检验性试验和草 原实地工作试验。 室内试验设备：毒饵喷撒机试验台，排毒饵控 制系统一套，5.5 kW 变频柜，数字式高精度转速 表，小麦、大米、玉米碎粒若干。 室内试验：选择自动控制系统，在毒饵喷撒机 正常工作的情况下，调节变频柜改变风机转速，使 其低于毒饵的标定转速，测定声光报警的情况；在 毒饵喷撒机正常工作的情况下，人为增大排毒饵器 主轴的扭力，使其大于正常工作时的标定扭力。在 室内试验过程中，观察声光报警的情况；选择手动 遥控系统，同样在毒饵喷撒机正常工作的情况下， 遥控控制电磁离合器，确定此排毒而控制系统是否 可以完成预期任务。试验结果如表 3 所示。 表 3 验证试验数据 Table 3 Test data 序号 Number 试验项目 Test item 次数 Times 试验结果（次数） Test results 可靠率 Reliability/% 1 风机转速 不足 Low revolving speed of centrifugal blower 100 电磁离合器断开 100 Electromagnetic clutch turns off 100 times 蜂鸣器鸣叫 100 Buzzer chirps 100 times 指示灯常亮 100 Alarm lamp lights 100 times 100 2 自动 控制 系统 Automatic control system 排毒饵器 卡滞 Fall feeder blocked 100 电磁离合器断开 100 Electromagnetic clutch turns off 100 times 蜂鸣器鸣叫 100 Buzzer chirps 100 times 指示灯常亮 100 Alarm lamp lights 100 times 100 3 手动遥控系统 Manual remote control system 100 电磁离合器断开 100 Electromagnetic clutch turns off 100 times 100 注： 针对不同的毒饵基饵种类， 风机的最低转速范围的设定值在 2 200 2 600 r/min，排毒饵器最大扭力的设定值在 110140 N。排毒饵器卡滞 是由于排毒饵器的外槽轮式结构特性， 排毒饵器壳体与槽轮的间隙之间 会滞留一些毒饵中大硬颗粒物，增大了排毒饵器主轴扭矩和破坏强度， 影响了毒饵的喷撒质量。 Note: According to different types of poison bait, the minimum revolving speed of centrifugal blower is between 2 200-2 600 r/min, the maximum torsion of fall feeder is between 110-140 N. Due to the sheave style structure, the fall feeder is always blocked. Some poison bait with big size and hard quality is detained in the gap of fall feeder shell and sheave, it increases torque of the fall feeder and the fracture strength, as a result that the quality of the spray poison bait was affected. 第 10 期 张 云等：毒饵喷撒机排毒饵控制系统的设计及试验 71 2013年8月在鄂尔多斯杭锦旗进行了草原实地 工作试验，经过为期半个月的实地考察，毒饵喷撒 机排毒饵控制系统满足设计要求。从室内验证试验 的统计结果和室外考证试验的考察结果可以看 出，此排毒饵控制系统工作稳定可靠，实现了毒饵 喷撒机的实时监控功能，为毒饵喷撒机的改进提供 研究基础。 6 结 论 1）此控制系统结构简单，实现两种控制方法 即手动遥控系统和自动控制系统随时切换的功 能，便于安装，提高了农牧业自动化程度。 2）此自动控制系统可实现对风机转速和排毒 饵器卡滞双重自动监控，一个压电式蜂鸣器完成两 种声音的报警工作，同时显示故障性质和位置，便 于迅速排除。 3）手动遥控系统可随时随地选择排毒饵器是 否排放毒饵，方便设备的维修。 参 考 文 献 1 中华人民共和国农业部2011 年全国草原监测报 告N农民日报，20120409 2 杨爱莲我国草原鼠害防治新举措N中国畜牧水产 报，20011118 3 王霄龙， 苏雅拉 巴林右旗草原灭鼠方法与措施J 内 蒙古草业，2009，21(2)：3133，44 4 郝慧芬，张云，范春茂，等草原灭鼠毒饵喷撒机排 毒饵器的性能试验J内蒙古农业大学学报，2012， 33(11)：174177 Hao Huifen, Zhang Yun, Fan Chunmao, et al. Performance test on discharging bait device of the bait spraying maching for rodent in grasslandJ. Journal of Inner Mongolia Agricultural University, 2012, 33(11): 174177. (in Chinese with English abstract) 5 郝慧芬. 草原灭鼠毒饵喷撒机毒饵排放系统的研究D. 内蒙古：内蒙古农业大学，2012 Hao Huifen. Study on the Poison Baits Emission System of the Poison Baits Spraying Machine for Rodent Control in GrasslandD. Inner Mongolia Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract) 6 张 云 ， 慕 厚 春 ， 张 忱 毒 饵 喷 撒 机 ： 中 国 ， CN201718367P，2011-01-26 7 王健威. 草原灭鼠毒饵喷撒机气力输送系统数值计算 与结构优化D. 内蒙古：内蒙古农业大学，2013 Wang Jianwei. Ansys Simulation on Pneumatic Conveying System of Spraying Machine for Deratization in Grassland and Structure OptimizationD. Inner Mongolia Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract) 8 张晶仁，谷春广，徐国鑫ES-2 型药饵撒播机灭鼠实 验研究J中国地方病防治杂志，2000，15(6)： 359360 9 王晓英，罗惕乾，康灿车载风送毒饵播撒机：中国， CN101129137P，2008-02-27 10 郑送军精密播种机排种器自动监测系统研究D陕 西：西北农林科技大学，2007 Zheng Songjun. The research of seeds equipment for precision seeding-machine automatic monitor systemD. Northwest A the staff could make up their minds to spray the baits or not anytime as needed in the course of work, which is convenient for the maintenance of the equipments. The electromagnetic clutch is the fina