車載式施肥噴藥一體機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

茍于江,何輝波,2,李華英,2,王大明,張 冕

(1.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715;2.丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400715)

0 引言

施肥和噴藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中,肥料能促進(jìn)植物的生長(zhǎng),對(duì)我國(guó)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率高達(dá)40%～60%[1-2];農(nóng)藥可控制農(nóng)作物的病蟲草害,能夠挽回24%～36%因病害蟲帶來的糧食損失[3-4]。目前,我國(guó)由于施肥噴藥機(jī)械落后,導(dǎo)致施肥不均、藥液覆蓋率低等問題仍較為顯著。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家早在20世紀(jì)便對(duì)施肥噴藥機(jī)械展開大量的研究,并逐漸向大型化、智能化方向發(fā)展[5-6]。CAMPELL等[7]研發(fā)了一種基于液壓流量控制的雙圓盤撒肥機(jī),并通過對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的排肥性能試驗(yàn)驗(yàn)證了肥料顆粒分布的均勻性。A.Miranda-Fuentes等[8]設(shè)計(jì)了一種新型風(fēng)送式噴藥裝置, 能顯著提高藥液分布均勻性。近年來,國(guó)內(nèi)對(duì)施肥噴藥機(jī)械的研究也相繼取得了一些成果。施印炎等[9]基于近地光譜技術(shù)研發(fā)了一種雙圓盤離心勻肥罩式施肥機(jī),可提高施肥均勻性和準(zhǔn)確性。王相友等[10]設(shè)計(jì)的多回流式噴藥控制系統(tǒng),可根據(jù)前進(jìn)速度改變回流口的開口度,實(shí)現(xiàn)變量噴藥,提高藥液利用率。

上述研究在施肥噴藥機(jī)械結(jié)構(gòu)和技術(shù)上都有較大的突破,基本做到了精確、高效和污染少,但更多集中在大型機(jī)械的研究上,適用于平原地區(qū),而國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)械對(duì)丘陵山區(qū)農(nóng)作物適應(yīng)性差的問題仍然比較顯著[11-12]。為此,研制了一種車載式施肥噴藥一體機(jī),可實(shí)現(xiàn)均勻施肥和多方位噴藥。同時(shí),對(duì)該機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證其各項(xiàng)指標(biāo)是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),以期能降低丘陵山區(qū)人們勞動(dòng)強(qiáng)度,提高肥料和藥液利用率。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

車載式施肥噴藥一體機(jī)主要由控制系統(tǒng)、噴藥機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)以及行走裝置組成,如圖1所示。控制系統(tǒng)由開關(guān)、顯示屏及噴藥量調(diào)節(jié)旋鈕組成;噴藥機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿和噴桿組成的雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu)組成;施肥機(jī)構(gòu)主要由撒肥圓盤、肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、肥量調(diào)節(jié)桿組成;行走裝置主要由機(jī)架、錐齒輪、車輪組成。整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of fertilizer spreader

1.雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu) 2.撒肥圓盤 3.車輪 4.錐齒輪 5.肥量調(diào)節(jié)桿 6.控制系統(tǒng) 7.機(jī)架 8.水箱 9.車載電池 10.水泵 11.支撐桿圖1 車載式施肥噴藥一體機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of vehicle-mounted fertilizer and spraying machine

1.2 工作原理

機(jī)具工作時(shí),工作人員根據(jù)實(shí)際需求自主選擇選擇施肥或噴藥作業(yè)。若進(jìn)行施肥作業(yè),則可通過手動(dòng)控制肥料調(diào)節(jié)桿來調(diào)節(jié)落肥口開度大小,確定施肥量;行走輪通過錐齒輪帶動(dòng)撒肥圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肥料的撒施作業(yè),提高施肥均勻度。若進(jìn)行噴藥作業(yè), 可通過噴藥量調(diào)節(jié)旋鈕電動(dòng)調(diào)節(jié)兩噴桿之間的展開角度,實(shí)現(xiàn)水平、豎直、傾斜3種不同的噴藥模式,以提高植株藥液覆蓋率。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 施肥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

施肥機(jī)構(gòu)是車載式施肥噴藥一體機(jī)的關(guān)鍵部件,主要通過撒肥圓盤、肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等完成施肥作業(yè),提高施肥均勻性。

2.1.1肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是施肥的關(guān)鍵部件之一,主要用于調(diào)節(jié)肥料出口的開口大小,如圖2所示。該機(jī)構(gòu)通過螺母固定在機(jī)架上,主要包括固定板、動(dòng)板、固定環(huán)、連桿等部件。肥量調(diào)節(jié)桿設(shè)置了5個(gè)不同檔位,通過手動(dòng)控制肥量調(diào)節(jié)桿的檔位來調(diào)節(jié)落肥口上動(dòng)盤和定盤相互位置,通過調(diào)節(jié)落肥口開度大小來控制施肥量。

2.1.2撒肥圓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撒肥圓盤是施肥裝置的核心部件,主要由圓盤和長(zhǎng)短葉片組成,如圖2所示。在施肥作業(yè)中,車軸轉(zhuǎn)動(dòng)并通過錐齒輪帶動(dòng)圓盤旋轉(zhuǎn),肥料從落肥口束流落到圓盤上,在圓盤的旋轉(zhuǎn)離心力和肥料與圓盤的摩擦作用下,通過滑動(dòng)或滾動(dòng)沿葉片拋出。

2.1.3肥料顆粒運(yùn)動(dòng)特性分析

在施肥過程中,假設(shè)忽略肥料與撒肥圓盤之間的回彈和肥料之間的相互作用,對(duì)單個(gè)肥料顆粒進(jìn)行受力分析,如圖3所示。肥料顆粒在圓盤A點(diǎn)所受合力F為

圖3 肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)分析Fig.3 Kinematic analysis of fertilizer particle

F=Fce-Ff

(1)

根據(jù)牛頓第二定律可知

(2)

其中,dr為肥料顆粒運(yùn)動(dòng)位移;dt為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

肥料顆粒在圓盤上的受力方程為

(3)

其中,Fcor為科氏力(N);Fce為離心力(N);Fg為重力(N);Ff為顆粒在圓盤上的摩擦(N);Ff1為肥料顆粒與葉片之間的摩擦力(N);Ff2為肥料顆粒與肥盤之間的摩擦力(N);g為重力加速度(m/s2);μ為肥料顆粒與肥盤和葉片之間的摩擦因數(shù);ω為肥盤旋轉(zhuǎn)角速度(rad/s);v為肥料顆粒在肥盤上運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度(m/s)。

利用牛頓第一定律解上述方程組,可得顆粒肥料運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

當(dāng)肥料顆粒被拋向空氣中時(shí),將受到重力G和空氣阻力F的影響。空氣阻力計(jì)算公式為

(5)

其中,C為空氣阻力系數(shù);ρ為空氣密度(kg/m3);S為粒子迎風(fēng)面積(m2);V為空氣中肥料顆粒的相對(duì)速度(m/s)。

將肥料顆粒在空氣中的運(yùn)動(dòng)分解為豎直和水平方向進(jìn)行分析,如圖3所示。水平方向的運(yùn)動(dòng)方程為

(6)

豎直方向的運(yùn)動(dòng)方程為

(7)

其中,FX和FZ分別為肥料顆粒在水平和豎直方向上的空氣阻力(N);VX和VZ分別為肥料顆粒的水平和豎直方向上的速度(m/s);t為肥料在空氣中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間(s)。

結(jié)合式(6)、式(7)可得

(8)

則肥料顆粒的拋撒距離為

(9)

由上述分析可知,肥料顆粒拋撒距離L與肥盤結(jié)構(gòu)和離地高度均有關(guān)。結(jié)合農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)撒肥圓盤直徑為250mm,離地高度為450mm。

2.2 噴藥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu)主要通過步進(jìn)電機(jī)和聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),使用滑塊移動(dòng)來調(diào)節(jié)兩側(cè)噴桿的展開角度,實(shí)現(xiàn)水平、傾斜和豎直3種噴藥模式,如圖4所示。其中,噴桿展開角度為200cm,噴頭間距為40cm,噴桿與滑塊通過連桿連接;電機(jī)采57HD5240型2相4線步進(jìn)電機(jī),步距腳為1.8°,保持轉(zhuǎn)矩1.2N·m,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為318g·cm2。驅(qū)動(dòng)器采用與電機(jī)相匹配TB6600型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,輸入12V直流電源,并采用共陽極接法控制系統(tǒng)通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)滑塊上下移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器如圖5所示。

1.噴嘴 2.噴桿 3.絲桿 4.滑塊 5.步進(jìn)電機(jī)圖4 雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of bidirectional multi-orientation spraying rod

圖5 57型步進(jìn)電機(jī)和TB6600數(shù)字驅(qū)動(dòng)器Fig.5 Type 57 stepper motor and TB6600 digital driver

2.2.2雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu)的工作原理,運(yùn)動(dòng)分析時(shí)可將其簡(jiǎn)化為偏心曲柄滑塊機(jī)構(gòu),建立直角坐標(biāo)系,如圖6所示。圖6中,R為曲柄長(zhǎng)度(cm);L為連桿長(zhǎng)度(cm);e為偏心距(cm);α為曲柄角(°);β為連桿擺角(°);X為滑塊運(yùn)動(dòng)位移(cm)。由運(yùn)動(dòng)分析可知,滑塊的移動(dòng)位移為

圖6 雙向多方位噴桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.6 Motion diagram of bidirectional multi-directional spray rod mechanism

X=Rcosα+Lcosβ

(10)

噴桿可實(shí)現(xiàn)3種不同噴藥模式:

使用SPSS 13.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)量資料采用(±s)表示,并進(jìn)行t檢驗(yàn),計(jì)數(shù)資料采用c2檢驗(yàn),P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1)當(dāng)α=0°時(shí),X=R,曲柄運(yùn)動(dòng)至B2,滑塊運(yùn)動(dòng)至C2,此時(shí)噴桿實(shí)現(xiàn)豎直噴藥。

2)當(dāng)α=90°時(shí),X=Lcosβ,曲柄運(yùn)動(dòng)至B1,滑塊運(yùn)動(dòng)至C1,此時(shí)噴桿實(shí)現(xiàn)水平噴藥。

3)當(dāng)α=0～90°時(shí),X=Rcosα+Lcosβ,曲柄在B1和B2之間運(yùn)動(dòng),滑塊在C1和C2之間運(yùn)動(dòng),此時(shí)噴桿實(shí)現(xiàn)傾斜噴藥。

將式(10)對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),則滑塊的運(yùn)動(dòng)速度為

(11)

設(shè)連桿比為l,則由圖6可得

(12)

整理式(12),并對(duì)時(shí)間t求導(dǎo),可得

(13)

(14)

因此,當(dāng)滑塊速度v已知時(shí),可以反演計(jì)算曲柄的角速度ω,從而計(jì)算出噴桿展開角度。

2.3 水/肥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)施肥、噴藥兩種作業(yè)模式,箱體設(shè)計(jì)成一體兩用,用于承載肥料或藥液,如圖7所示。水/肥箱尺寸為440mm×260mm×260mm,壁厚1.8mm,可承載27.5kg藥液或肥料。箱體上方為肥料或藥液入口,下方為落肥口,右側(cè)為藥液出水口。進(jìn)行施肥作業(yè)時(shí),設(shè)定落肥口開度,肥料顆粒通過束流落入肥盤中心區(qū)域,在肥盤旋轉(zhuǎn)的離心力的作用下實(shí)現(xiàn)肥料拋撒;進(jìn)行噴藥作業(yè)時(shí),打開出水口,藥液通過出水口流出,在水泵、噴桿作用下實(shí)現(xiàn)噴藥作業(yè)。

1.水/肥箱蓋 2.落肥口 3.出水口 4.箱體圖7 水/肥箱結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of water/fertilizer tank

3 試驗(yàn)

為測(cè)試該車載式施肥噴藥一體機(jī)樣機(jī)運(yùn)行情況和實(shí)際作業(yè)性能,對(duì)樣機(jī)進(jìn)行施肥和噴藥性能試驗(yàn)。

3.1 施肥性能試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

施肥性能試驗(yàn)在西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行,地面平整無坡度。試驗(yàn)材料選用我國(guó)丘陵山區(qū)常用的顆粒肥料-尿素,其堆積密度為0.71～0.78kg/m3,粒徑為0.9～2.8mm。試驗(yàn)采用模擬田間動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和二維矩陣收集法[13-14],按4×6矩陣擺放收集盒(21cm×15cm×5.5cm)24個(gè),列間隔1.2m,行間隔0.8m;機(jī)具以一定速度橫向穿過收集區(qū),試驗(yàn)結(jié)束后稱取收集盒中肥料顆粒質(zhì)量,用以表征機(jī)具施肥量和分布均勻性。試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景如圖8所示。

圖8 施肥性能測(cè)試場(chǎng)景Fig.8 Fertilization performance test scenario

試驗(yàn)通過肥量調(diào)節(jié)桿設(shè)置5種不同檔位,分別對(duì)應(yīng)不同的落肥口開度,以均勻性變異系數(shù)作為肥料顆粒分布均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo),測(cè)定不同落肥口下的施肥均勻性。每次試驗(yàn)重復(fù)3次并計(jì)算平均值,施肥均勻性變異系數(shù)Cv的計(jì)算公式為

(15)

3.1.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

施肥性能總體比較穩(wěn)定,施肥性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可以看出:當(dāng)落肥口開度增大時(shí),平均施肥量也會(huì)逐漸增加;不同落肥口開度下,平均施肥量為16.56 ～ 540.76 g/min,施肥均勻性變異系數(shù)均小于15%,滿足NY/T1003-2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[15]中相關(guān)指標(biāo)要求;當(dāng)施肥口開度為60%時(shí),均勻性變異系數(shù)達(dá)到最小值9.01%,此時(shí)施肥均勻性最好、性能最優(yōu)。

表3 施肥性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of fertilization performance test

若不考慮肥箱中肥料顆粒的結(jié)塊和架空性,將落肥口開度大小與施肥量進(jìn)行曲線擬合,并建立施肥數(shù)學(xué)模型,如圖9所示。

圖9 施肥量與施肥均勻性變異系數(shù)Fig.9 Fertilizing amount and coefficient of uniformity variation

由圖9可知,落肥口開度與施肥量之間存在線性關(guān)系。其標(biāo)定模型為

D=6.80x-120.43

(16)

其中,D為施肥量(g);x為落肥口開度(%)。

模型決定系數(shù)R2=0.9909,表明其擬合性能較好。通過該模型可以確定不同落肥口開度下的施肥量,以滿足實(shí)際生產(chǎn)中的施肥需要。

3.2 噴藥性能試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

噴藥試驗(yàn)參照GB/T 24677.2-2009《噴桿噴霧機(jī)試驗(yàn)方法》[16]進(jìn)行,試驗(yàn)儀器有秒表、電子秤、密封袋、量杯等,采用水液代替藥液進(jìn)行試驗(yàn)。由于噴藥作業(yè)時(shí)通過調(diào)節(jié)PWM(脈寬調(diào)制)占空比來改變水泵的噴藥流量,為了得到噴藥量隨PWM占空比變化規(guī)律,試驗(yàn)選擇在8Hz頻率下進(jìn)行;將占空比從上限調(diào)至下限,并用密封袋收集每個(gè)噴頭上噴出的水液,時(shí)間為1min;利用電子秤和量杯測(cè)量其體積,記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值,試驗(yàn)重復(fù)3次并記錄數(shù)據(jù)。噴藥試驗(yàn)場(chǎng)景如圖10所示,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 噴藥性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Spraying performance test results mL

圖10 噴藥試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.10 Spraying test scenario

通過噴藥性能試驗(yàn)可知,水泵最小啟動(dòng)占空比為25%,當(dāng)PWM占空比為40%以下時(shí)液滴變形嚴(yán)重。因此,試驗(yàn)設(shè)定占空比調(diào)節(jié)范圍為40%～100%,測(cè)出不同占空比下噴藥量,并計(jì)算噴藥量變異系數(shù)Cv,以表征噴藥均勻性。其計(jì)算公式為

(17)

3.2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4可知:不同占空比下的平均噴藥量范圍為74.94～345.41mL/min,當(dāng)PWM占空比為100%時(shí),噴藥量變異系數(shù)(Cv=2.54%)最小,噴藥性能最優(yōu)。將不同PWM占空比下噴頭平均噴藥量進(jìn)行曲線擬合,結(jié)果如圖11所示。

圖11 噴頭噴藥量與變異系數(shù)Fig.11 Spray volume and coefficient of variation

由此可得出PWM占空比與噴頭噴藥量之間的函數(shù)關(guān)系為

Q=0.0158B2+2.066B-26.3786

(18)

其中,Q為噴頭噴藥量(mL/min);B為PWM占空比。

模型決定系數(shù)R2= 0. 9908,說明PWM占空比與噴頭噴藥量之間擬合性較好,噴頭噴藥量隨占空比的增加而增加,由此確定了占空比與噴頭噴藥量的計(jì)算關(guān)系,可用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種適合丘陵山區(qū)的小型車載式施肥噴藥一體機(jī),確定了整機(jī)結(jié)構(gòu),并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與理論分析,建立了肥料顆粒和噴桿運(yùn)動(dòng)模型。

2)施肥性能試驗(yàn)表明:施肥過程性能穩(wěn)定,不同落肥口開度下肥料顆粒均勻性變異系數(shù)均滿足國(guó)家指標(biāo);當(dāng)施肥口開度為60%時(shí),均勻性變異系數(shù)(Cv=9.01%)達(dá)到最小值,施肥均勻性最優(yōu)。同時(shí),通過試驗(yàn)建立了落肥口開度與施肥量之間的數(shù)學(xué)模型,可用于實(shí)現(xiàn)不同施肥量的調(diào)節(jié)。

3)噴藥性能試驗(yàn)表明:整機(jī)噴藥性能良好,對(duì)應(yīng)不同PWM占空比的噴藥量范圍為74.94～345.41mL/min;當(dāng)PWM占空比增大到100%時(shí),噴藥量變異系數(shù)(Cv=2.54%)最小,噴藥性能最優(yōu)。同時(shí),通過試驗(yàn)建立了PWM占空比與噴藥量的控制模型,以實(shí)現(xiàn)噴藥量的精確調(diào)節(jié)。