自平衡精量施药施肥植保机的设计与试验

王 荣，曹冬林，柳亚输，金家楣

(1. 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016；2. 泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300；3.泰州樱田农机制造有限公司，江苏 泰州 225300)

0 引言

中国是粮食生产大国，也是粮食消费大国，农作物的有害生物历来是农业生产过程中的关键制约因素，植保机械是化学防治的手段和支柱之一。现行的机械植保机施肥部分以离心圆盘式撒肥机为主。为此，齐兴源提出以空气流为施肥机肥料的输送和撒播动力，施肥幅宽为4m，设计了关键部件并进行仿真[1]。王佳文设计了自动调平喷杆式喷药机，利用弹簧和阻尼器完成喷杆的机械调平工作，可实现宽幅工作；但工作幅宽不可调节，且施液体肥[2]。国外，Kuhn 公司的AGT6036 型气吸式撒肥机、美国Newton Crouch 公司的撒肥机技术先进，可实现宽幅和精量施肥，因其主要适用在大农场平地工作，且价格过高，很难在我国农村推广使用[3]。综上所述，现有植保机械主要存在施肥幅宽小、撒肥量不均等问题。为了满足我国农业发展和科技创新的需求，笔者设计了一种工作幅宽可在2～16m调节，具有多喷头施药装置和多喷口管道式风送施肥装置，可随车速联动实现精量作业的施药施肥复式植保机，并进行了场地和田间试验。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

自平衡精量施药施肥植保机主要由自平衡折叠伸缩式施药施肥系统、精量施药施肥控制系统及高地隙底盘动力系统组成，如图1所示。自平衡折叠伸缩式施药施肥系统由喷杆装置、药箱及肥箱等组成，如图2所示。精量施药施肥控制系统由GPS系统、单片机、传感器、精量施肥组件及气力输送等组成。高地隙底盘动力系统由动力系统、液压传动机构、变速机构、转向机构、底盘机架及车轮等组成。

1.喷杆系统 2.底盘动力系统 3.药箱 4.驾驶室 5.精量施药施肥控制系统 6.肥料箱

主要技术参数：

驱动方式：四轮驱动

喷幅/m：2～6

作业速度/km·h-1：3～7

作业高度/m：0.5～1

发动机/kW：16

药箱容积/L：600

1.伸缩机构 2.折叠机构 3.自平衡机构 4.弹性缓冲机构

1.2 工作原理及工作过程

自平衡植保机在田间用于施药施肥作业时，控制器根据GPS位置信号和传感器速度信号控制喷洒量调节机构，同时利用高速旋转的风机产生的高速气流，配以机械式排肥器与喷头、可折叠伸缩的喷杆，大幅宽、高效率地均匀精量施药、施肥[4]。

2 主要工作部件设计

2.1 自平衡折叠伸缩式施药施肥系统

植保机在其前端设有施药施肥装置，包括药管、肥杆、支承杆、伸缩机构、折叠机构、自平衡机构、弹性缓冲机构等。

2.1.1 伸缩机构

侧喷肥管、侧置中间喷肥管的管端通过可分开的锥形端口连接并连通，机械驱动机构设置在侧置中间喷肥管支承板上，由电机、齿轮传动机构及链条传动装置等组成；电机固定连接在侧置中间喷肥管支承板上，与齿轮传动机构的主动齿轮驱动轴连接，齿轮传动机构的从动齿轮驱动轴与链条传动装置驱动轴连接；链条传动装置的链条与侧喷肥管支承杆连接，可驱动侧喷肥管支承杆横向滑动。需要缩短喷肥管时，只要将侧置中间喷肥管向上移动，侧喷肥管向中间喷肥管移动，极方便连续地缩短喷肥管长度[5]。伸缩机构如图3所示。

2.1.2 折叠机构和弹性缓冲机构

连接座竖置的卡口与中置管道支承杆销轴铰连接，平置的卡口与侧置支承杆销轴铰连接。这样，侧置管道支承杆在驱动装置驱动下不仅可以实现水平面内的转动，且可以实现垂直面内的转动。这种植保机管道支承杆能在施肥时展开，行走或存放时折叠，解决了现有管道支承杆的植保施药施肥机行走不便、易损坏，存放需要较大空间等问题[6]。

1.侧喷肥管 2.侧置中间喷肥管 3.喷肥管支撑杆 4.机械驱动装置 5.齿轮传动 6.链传动

连接板之间设有弹性拉紧机构，通过拉力弹簧拉紧左置管道支承杆、右置管道支承杆，保证了管道支承杆工作的可靠性又起到缓冲作用，有效保护管道支承杆[7]，如图4所示。

2.1.3 自平衡机构

第1连杆、第2连杆、支架及管道支承杆构成铰连接的扁等腰梯形四连杆机构，如果植保喷药喷肥机在高低不平的路上或农田中行走，机架会倾斜。此时，依据杠杆原理，对于相对支点受载对称，且悬臂结构亦对称的自平衡机构在自重作用下摆动，自动调整到基本水平状态；同时，设置防止管道支承杆摆动的防摆动装置，且在只需半幅工作时可根据工作需要将管道支承杆固定，防止其摆动[8]。自平衡机构如图5所示。

1.中置管道支承杆 2.竖直卡口 3.连接座 4.水平卡口 5.侧置管道支承杆 6.支承杆 7.驱动装置 8.弹簧

1.植保机机架 2.平衡连杆机构 3.防摆动装置

2.2 精量施药施肥控制系统

2.2.1 GPS系统和机载控制终端

植保机设有GPS系统和机载控制终端，如图6所示。作业过程中,该机通过GPS定位，对行作业，实现不重施或漏施药肥；根据采集的机具速度,系统自动计算施药施肥量，通过控制药液的流量阀控制施药量，通过送料量调节机构中容留槽的容留量控制施肥量，使其与车速波动相匹配以达到精确施药施肥的目的。整个系统由单片机、传感器、触摸屏、信号放大电路，以及液压系统组成。

图6 植保机控制系统

2.2.2 精量排肥组件设计

精量排肥组件由肥料存放箱、喷杆、导料筒、传动机构、精量调节机构、支承板、送风管、鼓风机，以及喷嘴自动启闭机构等组成，如图7所示。施肥动力由独立鼓风机的风力提供，不受植保机行走速度的影响，施肥均匀；控制系统控制送料量精量调节机构中的滑套相对传动轴的轴向移动，调节轴套，滑套上的卡爪在轴向凹槽中滑动，使轴向凹槽左端形成可调节容量的肥料容留槽，从而准确地调节排肥量[9]。

1.喷杆 2.肥料存放箱 3.导料筒 4.精量调节机构 5.鼓风机 6.送风管 7.支承板

2.2.3 气力输送系统及参数设计

精量排肥组件装置是精量施肥技术应用的载体，气力输送是实现精量施肥的重要环节[10]。本施肥装置气力输送采用正压压送式气力输送系统。系统工作时，肥料经肥料存放箱、导料筒、精量调节机构落至风送肥杆，鼓风机将一定压力的压缩空气通入风送肥杆，压缩空气与肥料混合并沿肥杆流动；沿气流流动方向上设置了一系列的具有分离器的喷嘴，含肥料的气流冲击一排排分离体，一部分肥料因撞击在分离体上而改变运动方向，得以从主气流中分离出来从喷嘴落入田间；含有一部分肥料的主气流则绕过分离体继续向前流动，直至经过多个分离体最终从喷嘴落入田间。

2.2.3.1 风机选型

肥料气力输送系统主要是通过风机产生的高速气流携带肥料，所以风机的选型至关重要。

1)空气流量。为了保证肥料不堵塞管道，选择物料和空气的混合浓度比为0.6[11]，则

Q=W/3.6μγ

(1)

其中，Q为空气流量(m3/s)；W为输送系统生产率(t/h)；γ为空气容重，取1.2kg/m3；μ为混合浓度比。

植保机最大作业效率4hm2/h，施肥量375kg/ hm2，则生产率为1.5t/h，代入式(1)得：空气流量Q为

578.7 m3/h。

2)输送气速。常用的复合肥，一般为粒径4mm，密度1 100kg/m3的球形颗粒，依据CDfRef2法，取雷诺数2 754[17]，计算出肥料颗粒的自由沉降速度为10.33m/s；输送肥料的气流速度一般取(1.5～2.5)倍的颗粒沉降速度，所以输送气速为20.66 m/s。

3)输送管内径。输送管内径可由空气消耗量和输送气速共同决定[17]，内径为

(2)

计算可得喷杆内径为99.6mm，因适当减小管径有助于增速减堵，所以取管径为80mm。

4)风压。本系统中主要考虑沿程压损和局部压损，系统总压损为

(3)

其中，μ为固气质量比,无量纲；K=υα/υ,为终极固体颗粒流速与终极气体流速之比,无量纲;λ为纯空气流摩擦阻力系数,无量纲;ζ为局部阻力系数,无量纲;L为直管长度(m);d为直管管径(m);ρ为空气密度(kg/m3);υ为断面平均流速(m/s)。计算可得：Δp=889.4Pa。

综上所述，适用的风机风量为578.7 m3/h，全压为889.4Pa。

2.2.3.2 分离器设计

依据植株的间距大小在喷杆上以一定间距设置喷嘴，采用扰流撞击式分离器将肥料均匀排出。现有研究成果表明[12]：扰流撞击式分离器分离效率与流动速度、折转半径、阻挡件的数量、长度、间距，以及阻挡件外形有关。本研究通过施肥试验，调整分离器阻挡器的高度以控制每个喷嘴排肥的均匀性。

3 性能测试试验

整机性能检测采用场地试验和田间试验两种方式结合进行[13]。

3.1 场地自平衡试验

试验场地100m×100m平整水泥地面。在试验场地设置一段左右高低差分别为0.1、0.15m的路面，当植保机以正常作业速度通过该路段时，动态比较喷杆左右两端最远处和平衡位置的高度差，如图8所示。试验表明：在自平衡机构的作用下，车轮经过不平路面时，喷杆能很快地自动调节接近到水平状态。

图8 场地自平衡试验

3.2 场地精量施药施肥试验

3.2.1 喷嘴排量一致性试验

试验前，先设定施肥幅宽分别为8、16m，根据理论车速1m/s，理论施肥量375kg/hm2,计算喷嘴在不同施肥时间下的施肥量。试验时，测量每个喷嘴在不同施肥幅宽，不同施肥时间下的施肥量(如图9所示)。观察喷嘴施肥最大误差、平均施肥量、一致性变异系数，试验结果如表1所示。

图9 喷嘴排量一致性试验

表1 喷嘴排量一致性试验结果

由表1可知：在工作理论车速下，每个喷嘴在相应施肥时间内施肥量最大误差均小于15%， 施肥量一致性变异系数均小于13%，满足NYT1003-2006施肥机械质量评价技术规范的要求[14]。

3.2.2 场地施肥均匀性试验

在100m×100m的平整场地上进行施肥试验，无风，无雨，植保机分别以0.5m/s和1m/s作业速度通过该区域，观察施肥均匀性。横向，沿喷杆工作幅宽的1/4、1/2、3/4L处选3点为一组；纵向，距上一组4m处分别选择第2组、第3组和第4组共12个点，并用1m×1m的收集框框取这12个区域肥料称重，如图10所示，试验结果如表2所示。由表2可知：植保机在不同的行进速度下，对应不同的排肥器转速，施肥量变异系数均小于40%，满足NYT1003-2006施肥机械质量技术规范的要求。

图10 场地施肥均匀性试验

表2 场地施肥均匀性试验结果

3.3 田间性能试验

田间试验地点：娄庄镇先进农场(二分场)，试验面积15hm2，如图11所示。田间试验结果如表3所示。

图11 田间试验

表3 植保机田间试验效果

4 结论

1)采用自平衡可折叠可升缩的施药施肥系统，增加了工作幅宽，提高了工作效率，并能有效解决植保机行走和存放不便的问题。

2)植保机以液压传动实现无级变速，变速均匀平稳，单片机处理GPS位置信息和速度信息，控制送料量调节机构，对行作业不重施或漏施药肥，实现精量施肥施药。

3)由传统的离心式撒肥盘改进为气力输送式可折叠喷杆，沿喷杆方向每隔一定距离设置喷嘴和分离器，增加了工作幅宽，且有效提高了施肥的均匀性。

4)场地和田间试验表明：植保机能在起伏不平的田地里工作时，基本保持平衡，底盘离地高度可达1 200mm，撒肥幅宽可在2～16m间连续调节，撒肥量均匀，作业效率达到4～5hm2/h。