蕉園自走式壓穴施肥機設計與試驗

楊 洲，張卓偉，李 君，金莫輝，孫健峰

(華南農業大學 工程學院，廣州 510642)

0 引言

香蕉是我國5大經濟糧食作物之一，主要產區分布在云南、海南、廣西、廣東和福建等省份。2014年，我國香蕉種植面積為39.55萬hm2，總產量達到1 179.19萬t，總產量和消費量均居世界第二位[1]。香蕉施肥主要采用撒施肥、穴施肥、溝施肥、噴灌及滴灌等方式[2-8]。其中，噴灌與滴灌主要用于施用液體肥料。撒施肥容易造成肥料的浪費，受降雨天氣的影響[9]；溝施肥作業效率高，但容易破壞香蕉根系致其發病，不利于香蕉的長期生長[10～12]；穴施肥作業靈活，對香蕉根系影響小，易于實現科學施肥。目前，我國蕉園的穴施肥機械基本是便攜式穴施機，人工勞動強度大[5]，因此開發一種適合蕉園穴施肥的高效作業機械，對于推動我國香蕉產業的發展有著重要的意義。本文基于可變位、變深、變量施肥的設計要求，采用壓穴施肥的作業方式，對蕉園自走式壓穴施肥機的關鍵部件和液壓系統進行設計，通過開展壓穴性能試驗和排肥穩定性研究，并進行主要作業參數和試驗指標之間的多元回歸分析，以期為蕉園變量穴施肥作業提供參考依據。

1 整機結構及工作原理

蕉園自走式壓穴施肥機主要由發動機、機架、電控箱、液壓系統、壓穴機構及施肥機構等組成，如圖1所示。工作時，控制電控箱驅動蕉園自走式壓穴施肥機行駛至作業位置，進行壓穴施肥作業；在此過程中，控制系統控制壓穴機構與施肥機構實施變深、變位、變量施肥。

蕉園種植的窄行1.2～2.0m，寬行約4m，株距1.8～2.5m ，施肥深度200～400mm[10-11,13]。為保證施肥機在蕉園的通過性，施肥機縱向和側向外形尺寸應小于1.2m，結合施肥農藝的要求確定施肥機的壓穴深度應在0～400mm區間可調[3-4,9-10]。設計的蕉園自走式壓穴施肥機主要參數，如表1所示。

表1 施肥機主要參數Table 1 Main parameters of fertilizer applicator

2 關鍵部件設計

2.1 壓穴機構設計

為實現變深與變位施肥功能，將壓穴部件設計成具有垂直和水平方向二自由度平移運動的機構，如圖2所示。

1.壓頭 2.轉接螺母 3.液壓馬達 4.液壓缸 5.雙向絲桿 6.皮帶 7.滾動軸承圖2 壓穴機構示意圖Fig.2 Structure diagram of punching mechanism

壓頭與液壓缸通過轉接螺母連接，兩液壓缸通過螺釘分別固定在雙向絲杠的兩個絲桿螺母上，液壓馬達與雙向絲杠通過帶傳動連接。液壓缸驅動壓頭在垂直方向上實現變深的壓穴運動，而雙向絲杠可實現壓頭在水平方向的變位。香蕉最大單次施肥量為2.0kg/株[3-5,10-11]，肥料顆粒密度在900～1 200g/cm3區間。基于香蕉栽培模式特征、施肥農藝技術要求及施肥機的結構尺寸，確定壓頭直徑范圍為30～50mm，長度取400mm。

2.2 施肥機構設計

施肥機構是實現精量施肥的關鍵，其結構如圖3(a)所示。施肥箱固定于機架，電機通過轉軸連接外槽輪排肥器，施肥管連接施肥套筒與外槽輪排肥器。在施肥作業時，電機根據預設的壓穴深度，實施定量排肥的精準控制。

根據排肥原理，外槽輪每轉的排肥量q1按下式計算，即

(1)

式中d—外槽輪外徑(cm)；

L—槽輪的有效工作長度(cm)；

γ—肥料密度(g/cm3)；

α0—槽內肥料充滿系數；

fq—單個凹槽的截面積(cm2)；

t—槽輪凹槽節距(cm)，t=πd/z，z為槽數。

λ—帶動層特性系數。

fq可由槽輪的幾何圖形求得，如圖3(b)所示。圓弧形凹槽截面積計算式為

(2)

根據施肥機0.15m/s的沉降速度、壓穴深度100～400mm、施肥機作業位置2～4個/株(即8～16個洞穴每株)，以及香蕉的養分需求[13，16,18]，結合外槽輪排肥器的標準尺寸，代入式(1)計算。取外槽輪外徑d為61.6mm，槽數z為6，凹槽半徑為9～14mm，槽輪的有效工作長度L為63mm，電機的工作轉速40～100r/min。

2.3 液壓系統設計

液壓系統由液壓工作站及電控系統組成。液壓工作站的執行元件有3個液壓馬達及2個液壓缸，每個執行元件均可單獨工作。液壓回路如圖4(a)所示，參數如表2所示。電控系統如圖4(b)所示，核心控制器選用了三菱PLC Fx3U。系統通過觸摸屏進行參數化設置，PLC根據給定的操縱指令和傳感器反饋信息，通過控制馬達轉速、液壓比例換向閥電流及電磁閥通斷，實現施肥機進退、液壓缸升降和雙向絲杠正反轉等功能。

1.施肥管 2.外槽輪排肥器 3.電機 4.施肥箱 5.液壓缸 6.施肥套筒 (a) 結構示意圖

(b) 外槽輪凹槽斷面圖3 施肥機構Fig.3 Fertilizing mechanism表2 液壓系統參數Table 2 Parameters of hydraulic system

參數單位數值工作壓力MPa24流量m3/s24液壓缸活塞桿直徑mm18液壓缸最大下降速度m/s0.15油管直徑mm6油箱容積m30.05

1.發動機 2.液壓油箱 3.液壓泵 4.溢流閥 5.兩位兩通電磁閥 6.兩位四通電磁閥 7.液壓馬達 8.液壓比例換向閥 9.液壓缸 (a) 液壓回路

(b) 電控系統圖4 液壓系統Fig.4 Hydraulic system

3 壓穴性能試驗與排肥穩定性試驗

試驗儀器與設備：土槽試驗臺(華南農業大學工程學院試制)、拉壓力傳感器(北京龍鼎金陸測控技術有限公司LDCZL-Z型，500kg)、位移傳感器(北京龍鼎金陸測控技術有限公司LDPS-L型，0～2000模擬)、重量變送器(北京龍鼎金陸測控技術有限公司LDST-I(V)-SP型，0～10V)、數據采集卡(研華USB-4711A，100ks/s)、土壤硬度計(浙江托普儀器有限公司TYD-2型)、土壤濕度檢測儀(浙江托普儀器有限公司TZS型),以及夯實機(上海嘉本園林設備有限公司90T汽油嘉陵本田型)。蕉園自走式壓穴施肥機(華南農業大學工程學院試制)、電子天平(北京賽多利斯儀器系統有限公司ALC-210.3型)、非接觸式轉速計(東莞市耀鋒電子設備有限公司SM2234A型)、PVC管(φ80×500),以及收納盒(300×180×100)。

3.1 壓穴性能試驗

施肥效率是衡量壓穴施肥機性能的重要指標，施肥效率與峰值壓穴阻力密切相關，因此采用峰值壓穴阻力作為壓穴功耗的評價指標，優化壓頭結構，并構建多元線性回歸模型，為壓穴作業提供決策依據。試驗測量方法：用土壤硬度計與土壤濕度檢測儀監測土壤，翻整土槽試驗臺中的土壤并用夯實機夯實多次，使土壤硬度在300～380N、含水率在20%～25%區間范圍內；啟動蕉園自走式壓穴施肥機進行壓穴作業，通過上位機采集壓穴過程中的位移和壓力，每處理重復6次。

壓頭沉降過程的受力曲線如圖5所示。由圖5可知：壓穴過程中的壓穴阻力主要來自壓頭的端部壓力；端部壓力在初始階段與深度呈正相關關系，當端部壓力到一定值后趨于穩定；壓穴過程初始階段，壓頭基本沒有摩擦阻力，但沉降一定深度后，摩擦阻力與深度呈正相關關系。

圖5 壓頭沉降過程受力曲線Fig.5 Force curves of punching head in falling process

3.1.1 單因素試驗

以壓穴阻力峰值為指標對壓頭直徑進行單因素試驗，試驗時沉降速度0.15m/s，壓頭錐度40°。試驗結果如圖6(a)所示。由圖6可以看出：峰值壓穴阻力與壓頭直徑呈正相關性。方差分析結果表明：壓頭直徑對壓穴阻力峰值有極顯著影響(sig.<0.01)。

以壓穴阻力峰值為指標對壓頭錐度進行單因素試驗，試驗沉降速度0.15m/s，壓頭直徑30mm。試驗結果如圖6(b)所示。由圖6可知：峰值壓穴阻力與壓頭錐度呈正相關性，減少錐度能有效降低施肥機作業能耗。方差分析結果表明：壓頭錐度對壓穴阻力峰值有極顯著影響(sig.<0.01)。

以壓穴阻力峰值為指標對壓頭沉降速度進行單因素試驗，試驗時壓頭直徑30mm，壓頭錐度40°。試驗結果如圖6(c)所示。方差分析結果表明壓頭沉降速度對壓穴阻力峰值無顯著影響(sig.>0.05)。

(a) 壓頭直徑

(b) 壓頭錐度

(c) 沉降速度圖6 峰值壓穴阻力單因素試驗結果Fig.6 Single factor test results of peak punching resistance

3.1.2 多元回歸試驗

單因素試驗結果表明：壓穴阻力峰值受壓頭直徑、壓頭錐度的影響極顯著，而壓頭沉降速度對峰值壓穴阻力無顯著影響；基于施肥效率最大化的要求，確定壓頭錐度40°和壓頭沉降速度0.15m/s為壓穴機構的最佳參數組合。以峰值壓穴阻力y為試驗指標進行回歸試驗，試驗結果如表3所示。

表3 回歸試驗結果Table 3 Regression test results

采用SPSS軟件進行回歸分析，計算得峰值壓穴阻力在因素空間范圍內的回歸方程,即

y=18.227x1+23.752x2-478.254

(3)

其中，x1為沉降深度(mm)；x2為壓頭直徑(mm)；相關系數R2=0.873。

實際施肥過程中，可根據香蕉植株的施肥量要求以及施肥機的載重狀況，由式(3)選定不同沉降深度和壓頭直徑組合，進而完成變深、變位和變量施肥的參數組合決策。

3.2 排肥穩定性試驗

排肥穩定性是衡量施肥機作業效果的重要指標。排肥穩定性試驗采用排肥量的變異系數作為評價指標，用于描述在相同工作條件下排肥量的變異程度。試驗方法：啟動蕉園自走式壓穴施肥機進行壓穴施肥作業，使壓穴機構的壓頭下降直至穿過收納盒，施肥機構的電機按預設的轉速與時間轉動將定量的肥料排出并積于施肥套筒內，壓穴壓頭抬起使肥料落入PVC管內，如圖4所示。記錄落入PVC管內肥料的質量，每處理重復6次。

變異系數的計算公式為

(4)

其中，C.V為變異系數(%)；S為樣本施肥量標準差(g)；X為樣本施肥量平均值(g)。

1.液壓缸 2.肥料 3.壓穴壓頭 4.土壤 5.PVC管 6.收納盒 7.施肥套筒圖7 施肥試驗原理圖Fig.7 Schematic diagram fertilizing test

由文獻[14-18]可知：外槽輪轉速、排肥量和螺旋升角均對排肥器的排肥變異系數有顯著影響。為研究施肥機的排肥穩定性，進行了三元一次回歸正交試驗，試驗的水平編碼表如表4所示，結果如表5所示。

用SPSS軟件進行回歸分析，計算得施肥量變異系數的回歸方程為

y=5.907+1.3x2-6.35x3-0.625x1x2-

1.35x1x3-0.325x2x3

(5)

其中，x1為外槽輪轉速(r/min)；x2為施肥量(g)；x3為外槽輪螺旋升角(°)。

當施肥量與外槽輪參數一定時，根據式(5)可確定施肥穩定性最佳的電機轉速，從而為施肥的決策提供參考。

表4 因素水平編碼表Table 4 Coding of factors and levels

表5 回歸試驗方案及結果Table 5 Scheme and results of regression test

4 結論

1)壓頭的直徑和錐度均對峰值壓穴阻力的影響極顯著，呈正相關關系，減少錐度能有效降低施肥機作業能耗。

2)峰值壓穴阻力與沉降深度、壓穴壓頭直徑之間的關系式為

y=18.227x1+23.752x2-478.254

3)施肥量變異系數與外槽輪轉速、外槽輪螺旋升角、施肥量之間的關系式為

y=5.907+1.3x2-6.35x3-0.625x1x2-

1.35x1x3-0.325x2x3