气松注药一体化作业装备设计

2022-12-20李继成左胜甲梁歆雅陈亚双陈佳怡

通化师范学院学报 2022年12期

李继成，左胜甲，梁歆雅，陈亚双，陈佳怡

保护性耕作技术作为一项科学的、可持续发展的农业新技术已被公认为是一种先进的农业技术，可在全球范围内减少干旱并改善土壤的物理条件［1］.根据试验及应用证明保护性耕作增产效果明显，对保护性耕作技术的推广与应用是必要的［2］.土壤深松和土壤改良是保护性耕作技术的两种重要措施.土壤深松是指借助深松机械装备，在不翻转土壤状况的前提下，打破耕地犁底层.土壤改良是指适量往土里注入药水（液态肥料），从而实现改善土质的作用，两者结合可以实现调节土壤固液气三相比，改善土壤的结构与质量，提高自然降水的利用率，为农作物的正常生长创造良好的环境，从而实现农作物高产高质的种植目标，促进农业的可持续发展［3］.

目前，国内外对深松和注药技术已有许多研究.荷兰凯斯公司制造了730C 大型联合耕整地机［4］，能够有效打破犁底层，具备深松、灭茬、碎土等多种作业功能.美国约翰迪尔公司设计制造了2700 大型联合耕整地机［5］，该机一次进地能够完成多项作业，减少了作业次数，提高了作业效率.日本马克株式会社增子利一等［6］研制出一种小型手扶式土壤改良机，通过向果树根部注入压缩空气实现快速松土，能够有效改善根区土壤环境.MARCELO等［7］设计了一种土壤钻孔施液肥装置，该装置采用了凸轮机械结构，可实现钻头的竖直往复运动进行钻孔，从而为施液肥提供孔洞.赵春江等［8-9］设计了一种移动式注肥喷药一体装置，将注肥机构集成到机架形成移动式装备，可大幅度提升作业效率.左胜甲等［10］基于气压劈裂原理，设计了一种拖拉机牵引式气压深松机，实现了在不翻动土壤的情况下对耕地实施有效地深松.奚小波等［11-12］设计了一种与拖拉机后悬挂的果园气爆松土注肥机，可完成气爆松土和液肥注射，并对气爆松土参数进行了优化.

目前，国内外在旱作耕地上，深松与注药一体化作业装备研究还很少见，关于深松与注药的研究主要集中在通过两种不同的装备分开进行作业.本文基于前人提出的气压劈裂原理，针对旱作耕地的深松和注药，设计了一种新型的气松注药一体化作业装备，该装备可在不停车的情况下，连续对耕地犁底层进行气压深松作业和土壤注药作业，论文阐明了气松注药一体化作业装备的工作原理，同时对整机结构及其关键部件进行了设计，并构建了整机的三维虚拟样机模型.

1 设计原则

气松注药一体化作业装备的研究设计必须在满足深松注药农艺要求和功能的情况下，遵循一定的机械原理和机械设计的基本准则，设计原则如下：

（1）所设计的装备应该有一定的通用性，应该尽量适应多种硬度的耕地犁底层.

（2）所设计的装备应具有合理的结构，防止在作业过程中出现空松的现象.

（3）所设计的装备应具有操作简单、使用方便的特征.

（4）在满足使用强度的情况下，应该使作业装备的结构紧凑、质量轻，以减少作业过程中的燃料损失.

2 总体方案

2.1 总体设计思想

本设计参考改进已有深松机械的工作过程，采用气压深松注药的设计方法，在作业时，整个装备由汽油发动机牵引前进，通过间歇机构在不停车的情况下，控制注射枪做往复运动，利用高压气体在对土壤进行深松产生裂隙后注入药物.

装备的设计优势为：利用气压劈裂技术对耕地进行深松，可以减少土表土壤的翻动量，保持耕层结构，改善土壤固液气三相比，另外，在不改变作业装备的情况下，深松后及时对其注入药物，增加了作业效率，提升了土壤吸收效果.

2.2 作业机的基本结构和工作过程

本文所设计的气松注药一体化作业装备能够高效地完成气压深松和土壤注药，其三维虚拟模型如图1所示，主要部件包括：汽油发动机、控制系统、间歇机构、高压气泵、气压传动箱、药水箱、高压深松注药装置、注射枪和机架等.

图1 作业机整体机构基本结构图

图2为作业机注射枪作业过程图，本机在作业过程中，如图2（a）所示，整机通过汽油发动机驱动向前移动，并通过方向手柄控制行走方向，汽油发动机通过减速器和离合器驱动间歇机构上的高压深松注药装置使固定在高压深松注药装置上的注射枪迅速刺入土壤中，当注射枪刺入相应深度时，如图2（b）所示，控制系统控制高压气泵开始工作，产生的高压气体经注射枪注入土壤深层，实现土壤深松作业；待深松作业完成时，控制系统开始停止注气并控制药水通过注射枪注入深松后的土壤，实现土壤注药作业，如图2（c）所示；待注药作业完成后，间歇机构使注射枪快速从土壤中收回，如图2（d）所示，此时控制系统控制高压气泵停止工作，深松和注药过程结束，即完成一次工作循环.

图2 作业机注射枪作业过程图

当需要调整本机作业位置或所有耕地深松作业和注药作业完成时，可通过电控开关，关闭减速器与高压深松注药装置之间相连的离合器，使汽油发动机启动后间歇机构停止工作，便可进行移动调整或驶离耕地.

2.3 整机工作参数

（1）向前移动速度.为保证作业机的工作稳定性，本机向前移动速度选定为0.5 m/s.

（2）本机深松深度.根据耕地犁底层的所在位置，本机深松深度选定为0.25～0.26 m.

（3）本机工作幅宽.本机设计五支注射枪，呈线型水平排布，相邻注射枪水平距离相距0.6 m，工作幅宽为3 m.

（4）本机工作效率.经过计算得本机的工作效率为1.2 m2/s，完成一次深松过程时间为0.8 s.

（5）前后深松点距离.本机设计的前后深松点的距离定为1.2 m.

3 关键部件设计

3.1 控制系统的设计

本设计的作业装备中控制系统的作用是控制气压深松和土壤注药.因此，控制系统设置为气路和液路两部分，其中气路布置主要是将高压气泵产生的部分高压气体引导至土壤深处释放，液路的布置思路主要是使用高压气泵产生的部分高压气体将药水箱内的药水进行高压注射至深松后的土壤深处.

控制系统主要包括高压气泵、注射枪、药水箱、溢流阀、电磁换向阀一、压力表、单向阀、电磁换向阀二等，控制系统原理图如图3所示；其工作过程为当注射枪插入土壤指定位置时，触动传感器，此时控制高压气泵开始工作，产生的高压气体经电磁换向阀一通过注射枪瞬间注入土壤深层，实现气压深松作业；待深松作业完成时，控制系统使电磁换向阀一右移，注射枪停止注气，控制系统使电磁换向阀二左移，药水箱的药水受到高压作用通过注射枪注入深松后的土壤深处，实现土壤注药作业；待注药作业完成后，控制系统使电磁换向阀二右移，间歇机构使注射枪从土壤中收回，安装在注射枪上的传感器控制高压气泵停止工作，深松和注药过程结束.当系统的工作压力大于安全压力时，溢流阀自动泄压，保证控制系统的安全.通过观察压力表，利用调压阀等对气压进行调解，得到深松所需高压气体的压力.

图3 控制系统原理图

3.2 间歇机构的设计

本设计的作业装备采用间歇机构实现不停车，达到深松注药循环往复的目的.间歇机构主要包括间歇滑杆、导向支撑架、周转杆、作业传动轴、支撑座和高压深松注药装置，以及注射枪.间歇机构的结构图如图4所示.

图4 间歇机构结构图

（1）间歇结构的设计.本结构的设计为满足注射枪的循环往复运动，以及结构简单易于生产制造和维修，设计了图5所示的间歇结构.传动轴、周转杆和圆滑杆是间歇结构的关键零件，其间歇运动通过作业传动轴带动周转杆做周转运动，使与周转杆相接的圆滑杆做间歇的上下移动；其中周转杆由OA 位置移动到OC 位置时，即为注射枪向下移动，由OC位置移动到OD 位置时，即为注射枪向上移动，则圆弧AD 段为间歇时段.