有機肥、化肥開溝施肥一體機的仿真與試驗

董劍豪，劉曉麗，畢新勝※，劉新州，顏曉龍，李姝卓

（1．石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2．阿拉爾潤農現代農業科技有限公司）

0 引言

現有的施肥方式主要有人工施肥和機械施肥，人工施肥通常是“憑經驗施肥”，需要人工挖溝，施肥，填土等作業環節，效率低，往往造成施肥精準度差，化肥多、有機肥少，氮肥多、鉀肥少，三要素肥多、微量元素少，氮、磷、鉀不平衡。在有一定種植規模的農田條溝施肥，采用高效機械化作業[1-3]，更有利于肥料中的有機成分在耕地里發揮作用，以達到耕地的營養標準。文中涉及了一款適合不同行距和不同施肥深度的施肥機，一次完成有機肥和化肥的層間施肥。

1 結構及工作原理

1.1 總體結構與工作原理

有機肥、化肥開溝施肥一體機總體結構設計如圖1。有機肥料箱1 和化肥料箱13 構成肥料儲存箱，有機肥料箱設有支撐裝置，并且在下方設有刮板式肥料輸送鏈，在有機肥料箱里提供了有機肥料。施肥箱上設有第一施肥口和第二施肥口、施肥口開度調節板和施肥口開度調節液壓油缸；施肥口調整板設置在下方。驅動輪4 和提升液壓缸5 安裝在框架的底部。有機肥料施肥機構通過液壓馬達實現單面和雙面施肥以及施肥寬度的調節。有機肥料的溝深可用有機肥肥料箱輸肥口開度調節液壓油缸調節或手動調節化肥深度，以滿足不同施肥深度的需要[4]。肥第一覆土輪9.化肥第一開溝器10.化肥第一覆土板11.化肥第一輸肥管12.有機肥第一施肥馬達13.化肥料箱14.有機肥第二施肥馬達15.化肥第二覆土板16.化肥第二開溝器17.化肥第二輸肥管18.有機肥第二覆土輪19.化肥肥料箱第一出肥口20.有機肥肥料箱刮板式輸肥鏈條21.有機肥肥料箱支撐裝置22.有機肥第一施肥帶23.有機肥第二施肥帶

施肥機構的兩端安裝有開溝覆土裝置，其主要由化肥第一開溝器、有機肥第一開溝深度調節液壓油缸、有機肥肥料箱輸肥口開度調節板、有機肥肥料箱輸肥口開度調節液壓油缸、有機肥第一施肥擋板、有機肥第二覆土輪構成，其主要作用是根據實際作業情況，完成不同的開溝需求。

1.2 液壓系統工作原理

有機肥-化肥開溝施肥一體機液壓系統工作原理如圖2，有機肥施肥液壓回路、有機肥輸肥液壓回路、化肥施肥液壓回路、有機肥肥箱輸肥口開度調節液壓回路、化肥輸肥口開度調節液壓回路和一體機底盤升降液壓回路組成液壓控制系統。有機肥輸肥液壓回路中輸肥通過換向閥來控制輸肥液壓馬達的開啟與關閉，換向閥處于右位時，有機肥輸肥液壓馬達轉動，完成對有機肥的攪拌。當換向閥處于中位時，有機肥輸肥液壓馬達停止工作，不能進行對有機肥的攪拌。當換向閥處于左位時，有機肥輸肥液壓馬達容易出現倒轉現象，因此設置單向閥，阻止其發生倒轉。有機肥施肥量受施肥裝置施肥軸的轉速影響，且轉速高與施肥量成正比關系，因此可以通過調節流閥進而改變馬達的轉動速度，調控播肥量。有機肥施肥液壓回路和化肥施肥液壓回路的工作原理同上述有機肥輸肥液壓回路相似。

開溝器的開溝深度通過提升液壓缸進行調節，換向閥控制提升液壓缸的升降。換向閥處于右位時，提升液壓缸處于上升狀態，開溝器的開溝深度加深。換向閥處于中位時，提升液壓缸停止上升，開溝器的開溝深度保持不變，換向閥處于左位時，提升液壓缸處于下降狀態，開溝器的開溝深度降低。液壓鎖的設置可以保證在液壓回路不工作時使一體機的開溝深度不變，有機肥和化肥肥箱輸肥口開度的調節也通過液壓油缸的升降高度一并調節，其方法與開溝器的開溝深度類似。

2 液壓系統建模與仿真分析

2.1 液壓系統建模

本文通過AMESim 液壓仿真軟件，搭建有機肥-化肥開溝施肥一體機的液壓仿真系統模型，液壓系統工作壓力為10 MPa、提升液壓缸徑為63 mm，桿徑45 mm，最大行程630 mm、有機肥輸肥口開度調節缸徑為50 mm，桿徑36 mm，最大行程400 mm、化肥輸肥口開度調節液壓油缸經40 mm，桿徑28mm，最大行程400 mm、有機肥輸肥馬達額定排量240 ml/r 以及有機肥左右施肥液壓馬達和負載模型等[5-8]（圖3）。

2.2 仿真數據分析

2.2.1 提升液壓缸仿真分析

如圖4、5 為仿真后的提升液壓缸的速度與活塞位移曲線變化圖，底盤在升降過程中，前3 s 秒速度雖然略有波動，但在系統運行后的3～11 s 之間，提升液壓缸以0．06 m/s 的速度進行平穩的運行，提升液壓缸上升速度為0．06 m/s，高度為0．63 m 時，底盤上升到最高位置。在11～16 s 內，提升液壓缸處于底盤升降的最高位置，此時由于雙向液壓鎖的作用，液壓油缸高度保持不變且不會因外力作用或液壓管路的泄漏發生移動。在16～26s 內，提升液壓缸從最高位置0．63 m 處下降至0 m 處，此時液壓油缸的移動速度維持在0．06 m/s。根據圖4、5 的仿真數據顯示，提升液壓缸的同步性效果非常好，兩個液壓油缸能夠完全的進行同步升降，同時也保證有機肥-化肥開溝施肥一體機底盤升降作業過程平穩運行。

2.2.2 化肥輸肥口開度調節液壓油缸仿真分析

如圖6、7 為仿真后的化肥輸肥口開度調節液壓油缸的速度、活塞位移曲線變化圖。在0～4 s 內，液壓油缸的上升速度瞬間增大至0．11 m/s，在4 s 后，此時液壓油缸上升到最高位置0．04 m 處，在第4 s 時，液壓油缸的上降速度突然增大，隨后下降到0 m/s，造成此現象的原因是換向閥的開啟與關閉。在0～4 s 時間內，輸肥口開啟到最大值。在5 s 時，液壓油缸的下降速度瞬間增大至0．08 m/s。在運行5 s 后，化肥輸肥口開度調節液壓油缸由最高點0．4 m 處降低至0 m 處。10～30 s 內，往復的進行周期性工作，在此工作狀況下活塞的位移和運動速度均達到了設計要求。

2.2.3 有機肥輸肥口開度調節液壓油缸仿真分析

如圖8、9 為仿真后的有機肥輸肥口開度調節液壓油缸的速度、活塞位移曲線變化圖。在液壓回路開啟的瞬間，液壓油缸的上升速度瞬間增大至0．07 m/s，之后在0～6 s 內以0．07 m/s 的速度穩定工作。在6 s之后，此時液壓油缸上升到最高位置0．04 m 處。在6～10 s 時，換向閥處于中位，液壓油缸的上升速度在第6 s 時突變降至0 m/s，此時有機肥輸肥口的開度不變。在10～18．5 s 內，液壓油缸以0．05 m/s 的速度使有機肥輸肥口開度調節液壓油缸從最大位置下降至最低位置（關閉），且在第18 s 時，液壓油缸的運行速度瞬間降至0 m/s。在18～20 s 內，有機肥輸肥口處于關閉狀態，此時以0～20 s 為一個周期往復作業，在此工作狀況下活塞的位移和運動速度均達到了設計要求。

3 試驗

2019 年4 月，樣機在新疆生產建設兵團第1 師5團1 連某試驗場地完成了作業速度為2．5 km/h，標定開溝深度為400 mm 時的田間作業，10 次試驗結果的平均值為：實際開溝深度為399．08 mm，其與標定值得誤差為0．23%，有機肥施肥深度為397．21 mm，化肥施肥深度為395．17 mm。根據試驗結果可知，即使作業地表不平整，開溝器實測開溝深度與標定的開溝深度有較小波動，在該范圍下仍可達到預期的農藝要求。

4 結論

結合有機肥、化肥開溝施肥一體機的作業要求，本文完成了整機液壓系統的研究設計和仿真分析并通過田間試驗表明：實際開溝深度的平均值為399．08 mm，其與標定值得誤差為0．23 %，有機肥施肥深度平均值為397．21 mm，化肥施肥深度平均值為395．17 mm，整機性能和液壓控制系統均可滿足操作條件并具有穩定的性能。