自平衡精量施藥施肥植保機的設計與試驗

王 榮，曹冬林，柳亞輸，金家楣

(1. 南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，南京 210016；2. 泰州職業技術學院，江蘇 泰州 225300；3.泰州櫻田農機制造有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

中國是糧食生產大國，也是糧食消費大國，農作物的有害生物歷來是農業生產過程中的關鍵制約因素，植保機械是化學防治的手段和支柱之一?，F行的機械植保機施肥部分以離心圓盤式撒肥機為主。為此，齊興源提出以空氣流為施肥機肥料的輸送和撒播動力，施肥幅寬為4m，設計了關鍵部件并進行仿真[1]。王佳文設計了自動調平噴桿式噴藥機，利用彈簧和阻尼器完成噴桿的機械調平工作，可實現寬幅工作；但工作幅寬不可調節，且施液體肥[2]。國外，Kuhn 公司的AGT6036 型氣吸式撒肥機、美國Newton Crouch 公司的撒肥機技術先進，可實現寬幅和精量施肥，因其主要適用在大農場平地工作，且價格過高，很難在我國農村推廣使用[3]。綜上所述，現有植保機械主要存在施肥幅寬小、撒肥量不均等問題。為了滿足我國農業發展和科技創新的需求，筆者設計了一種工作幅寬可在2～16m調節，具有多噴頭施藥裝置和多噴口管道式風送施肥裝置，可隨車速聯動實現精量作業的施藥施肥復式植保機，并進行了場地和田間試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

自平衡精量施藥施肥植保機主要由自平衡折疊伸縮式施藥施肥系統、精量施藥施肥控制系統及高地隙底盤動力系統組成，如圖1所示。自平衡折疊伸縮式施藥施肥系統由噴桿裝置、藥箱及肥箱等組成，如圖2所示。精量施藥施肥控制系統由GPS系統、單片機、傳感器、精量施肥組件及氣力輸送等組成。高地隙底盤動力系統由動力系統、液壓傳動機構、變速機構、轉向機構、底盤機架及車輪等組成。

1.噴桿系統 2.底盤動力系統 3.藥箱 4.駕駛室 5.精量施藥施肥控制系統 6.肥料箱

主要技術參數：

驅動方式：四輪驅動

噴幅/m：2～6

作業速度/km·h-1：3～7

作業高度/m：0.5～1

發動機/kW：16

藥箱容積/L：600

1.伸縮機構 2.折疊機構 3.自平衡機構 4.彈性緩沖機構

1.2 工作原理及工作過程

自平衡植保機在田間用于施藥施肥作業時，控制器根據GPS位置信號和傳感器速度信號控制噴灑量調節機構，同時利用高速旋轉的風機產生的高速氣流，配以機械式排肥器與噴頭、可折疊伸縮的噴桿，大幅寬、高效率地均勻精量施藥、施肥[4]。

2 主要工作部件設計

2.1 自平衡折疊伸縮式施藥施肥系統

植保機在其前端設有施藥施肥裝置，包括藥管、肥桿、支承桿、伸縮機構、折疊機構、自平衡機構、彈性緩沖機構等。

2.1.1 伸縮機構

側噴肥管、側置中間噴肥管的管端通過可分開的錐形端口連接并連通，機械驅動機構設置在側置中間噴肥管支承板上，由電機、齒輪傳動機構及鏈條傳動裝置等組成；電機固定連接在側置中間噴肥管支承板上，與齒輪傳動機構的主動齒輪驅動軸連接，齒輪傳動機構的從動齒輪驅動軸與鏈條傳動裝置驅動軸連接；鏈條傳動裝置的鏈條與側噴肥管支承桿連接，可驅動側噴肥管支承桿橫向滑動。需要縮短噴肥管時，只要將側置中間噴肥管向上移動，側噴肥管向中間噴肥管移動，極方便連續地縮短噴肥管長度[5]。伸縮機構如圖3所示。

2.1.2 折疊機構和彈性緩沖機構

連接座豎置的卡口與中置管道支承桿銷軸鉸連接，平置的卡口與側置支承桿銷軸鉸連接。這樣，側置管道支承桿在驅動裝置驅動下不僅可以實現水平面內的轉動，且可以實現垂直面內的轉動。這種植保機管道支承桿能在施肥時展開，行走或存放時折疊，解決了現有管道支承桿的植保施藥施肥機行走不便、易損壞，存放需要較大空間等問題[6]。

1.側噴肥管 2.側置中間噴肥管 3.噴肥管支撐桿 4.機械驅動裝置 5.齒輪傳動 6.鏈傳動

連接板之間設有彈性拉緊機構，通過拉力彈簧拉緊左置管道支承桿、右置管道支承桿，保證了管道支承桿工作的可靠性又起到緩沖作用，有效保護管道支承桿[7]，如圖4所示。

2.1.3 自平衡機構

第1連桿、第2連桿、支架及管道支承桿構成鉸連接的扁等腰梯形四連桿機構，如果植保噴藥噴肥機在高低不平的路上或農田中行走，機架會傾斜。此時，依據杠桿原理，對于相對支點受載對稱，且懸臂結構亦對稱的自平衡機構在自重作用下擺動，自動調整到基本水平狀態；同時，設置防止管道支承桿擺動的防擺動裝置，且在只需半幅工作時可根據工作需要將管道支承桿固定，防止其擺動[8]。自平衡機構如圖5所示。

1.中置管道支承桿 2.豎直卡口 3.連接座 4.水平卡口 5.側置管道支承桿 6.支承桿 7.驅動裝置 8.彈簧

1.植保機機架 2.平衡連桿機構 3.防擺動裝置

2.2 精量施藥施肥控制系統

2.2.1 GPS系統和機載控制終端

植保機設有GPS系統和機載控制終端，如圖6所示。作業過程中,該機通過GPS定位，對行作業，實現不重施或漏施藥肥；根據采集的機具速度,系統自動計算施藥施肥量，通過控制藥液的流量閥控制施藥量，通過送料量調節機構中容留槽的容留量控制施肥量，使其與車速波動相匹配以達到精確施藥施肥的目的。整個系統由單片機、傳感器、觸摸屏、信號放大電路，以及液壓系統組成。

圖6 植保機控制系統

2.2.2 精量排肥組件設計

精量排肥組件由肥料存放箱、噴桿、導料筒、傳動機構、精量調節機構、支承板、送風管、鼓風機，以及噴嘴自動啟閉機構等組成，如圖7所示。施肥動力由獨立鼓風機的風力提供，不受植保機行走速度的影響，施肥均勻；控制系統控制送料量精量調節機構中的滑套相對傳動軸的軸向移動，調節軸套，滑套上的卡爪在軸向凹槽中滑動，使軸向凹槽左端形成可調節容量的肥料容留槽，從而準確地調節排肥量[9]。

1.噴桿 2.肥料存放箱 3.導料筒 4.精量調節機構 5.鼓風機 6.送風管 7.支承板

2.2.3 氣力輸送系統及參數設計

精量排肥組件裝置是精量施肥技術應用的載體，氣力輸送是實現精量施肥的重要環節[10]。本施肥裝置氣力輸送采用正壓壓送式氣力輸送系統。系統工作時，肥料經肥料存放箱、導料筒、精量調節機構落至風送肥桿，鼓風機將一定壓力的壓縮空氣通入風送肥桿，壓縮空氣與肥料混合并沿肥桿流動；沿氣流流動方向上設置了一系列的具有分離器的噴嘴，含肥料的氣流沖擊一排排分離體，一部分肥料因撞擊在分離體上而改變運動方向，得以從主氣流中分離出來從噴嘴落入田間；含有一部分肥料的主氣流則繞過分離體繼續向前流動，直至經過多個分離體最終從噴嘴落入田間。

2.2.3.1 風機選型

肥料氣力輸送系統主要是通過風機產生的高速氣流攜帶肥料，所以風機的選型至關重要。

1)空氣流量。為了保證肥料不堵塞管道，選擇物料和空氣的混合濃度比為0.6[11]，則

Q=W/3.6μγ

(1)

其中，Q為空氣流量(m3/s)；W為輸送系統生產率(t/h)；γ為空氣容重，取1.2kg/m3；μ為混合濃度比。

植保機最大作業效率4hm2/h，施肥量375kg/ hm2，則生產率為1.5t/h，代入式(1)得：空氣流量Q為

578.7 m3/h。

2)輸送氣速。常用的復合肥，一般為粒徑4mm，密度1 100kg/m3的球形顆粒，依據CDfRef2法，取雷諾數2 754[17]，計算出肥料顆粒的自由沉降速度為10.33m/s；輸送肥料的氣流速度一般取(1.5～2.5)倍的顆粒沉降速度，所以輸送氣速為20.66 m/s。

3)輸送管內徑。輸送管內徑可由空氣消耗量和輸送氣速共同決定[17]，內徑為

(2)

計算可得噴桿內徑為99.6mm，因適當減小管徑有助于增速減堵，所以取管徑為80mm。

4)風壓。本系統中主要考慮沿程壓損和局部壓損，系統總壓損為

(3)

其中，μ為固氣質量比,無量綱；K=υα/υ,為終極固體顆粒流速與終極氣體流速之比,無量綱;λ為純空氣流摩擦阻力系數,無量綱;ζ為局部阻力系數,無量綱;L為直管長度(m);d為直管管徑(m);ρ為空氣密度(kg/m3);υ為斷面平均流速(m/s)。計算可得：Δp=889.4Pa。

綜上所述，適用的風機風量為578.7 m3/h，全壓為889.4Pa。

2.2.3.2 分離器設計

依據植株的間距大小在噴桿上以一定間距設置噴嘴，采用擾流撞擊式分離器將肥料均勻排出?，F有研究成果表明[12]：擾流撞擊式分離器分離效率與流動速度、折轉半徑、阻擋件的數量、長度、間距，以及阻擋件外形有關。本研究通過施肥試驗，調整分離器阻擋器的高度以控制每個噴嘴排肥的均勻性。

3 性能測試試驗

整機性能檢測采用場地試驗和田間試驗兩種方式結合進行[13]。

3.1 場地自平衡試驗

試驗場地100m×100m平整水泥地面。在試驗場地設置一段左右高低差分別為0.1、0.15m的路面，當植保機以正常作業速度通過該路段時，動態比較噴桿左右兩端最遠處和平衡位置的高度差，如圖8所示。試驗表明：在自平衡機構的作用下，車輪經過不平路面時，噴桿能很快地自動調節接近到水平狀態。

圖8 場地自平衡試驗

3.2 場地精量施藥施肥試驗

3.2.1 噴嘴排量一致性試驗

試驗前，先設定施肥幅寬分別為8、16m，根據理論車速1m/s，理論施肥量375kg/hm2,計算噴嘴在不同施肥時間下的施肥量。試驗時，測量每個噴嘴在不同施肥幅寬，不同施肥時間下的施肥量(如圖9所示)。觀察噴嘴施肥最大誤差、平均施肥量、一致性變異系數，試驗結果如表1所示。

圖9 噴嘴排量一致性試驗

表1 噴嘴排量一致性試驗結果

由表1可知：在工作理論車速下，每個噴嘴在相應施肥時間內施肥量最大誤差均小于15%， 施肥量一致性變異系數均小于13%，滿足NYT1003-2006施肥機械質量評價技術規范的要求[14]。

3.2.2 場地施肥均勻性試驗

在100m×100m的平整場地上進行施肥試驗，無風，無雨，植保機分別以0.5m/s和1m/s作業速度通過該區域，觀察施肥均勻性。橫向，沿噴桿工作幅寬的1/4、1/2、3/4L處選3點為一組；縱向，距上一組4m處分別選擇第2組、第3組和第4組共12個點，并用1m×1m的收集框框取這12個區域肥料稱重，如圖10所示，試驗結果如表2所示。由表2可知：植保機在不同的行進速度下，對應不同的排肥器轉速，施肥量變異系數均小于40%，滿足NYT1003-2006施肥機械質量技術規范的要求。

圖10 場地施肥均勻性試驗

表2 場地施肥均勻性試驗結果

3.3 田間性能試驗

田間試驗地點：婁莊鎮先進農場(二分場)，試驗面積15hm2，如圖11所示。田間試驗結果如表3所示。

圖11 田間試驗

表3 植保機田間試驗效果

4 結論

1)采用自平衡可折疊可升縮的施藥施肥系統，增加了工作幅寬，提高了工作效率，并能有效解決植保機行走和存放不便的問題。

2)植保機以液壓傳動實現無級變速，變速均勻平穩，單片機處理GPS位置信息和速度信息，控制送料量調節機構，對行作業不重施或漏施藥肥，實現精量施肥施藥。

3)由傳統的離心式撒肥盤改進為氣力輸送式可折疊噴桿，沿噴桿方向每隔一定距離設置噴嘴和分離器，增加了工作幅寬，且有效提高了施肥的均勻性。

4)場地和田間試驗表明：植保機能在起伏不平的田地里工作時，基本保持平衡，底盤離地高度可達1 200mm，撒肥幅寬可在2～16m間連續調節，撒肥量均勻，作業效率達到4～5hm2/h。