车载式施肥喷药一体机设计与试验

2023-10-17苟于江何辉波李华英王大明

农机化研究 2023年12期

苟于江,何辉波,2,李华英,2,王大明,张冕

(1.西南大学工程技术学院,重庆 400715;2.丘陵山区农业装备重庆市重点实验室,重庆 400715)

0 引言

施肥和喷药是农业生产过程中的两个关键环节。其中,肥料能促进植物的生长,对我国粮食产量的贡献率高达40%～60%[1-2];农药可控制农作物的病虫草害,能够挽回24%～36%因病害虫带来的粮食损失[3-4]。目前,我国由于施肥喷药机械落后,导致施肥不均、药液覆盖率低等问题仍较为显著。

国外发达国家早在20世纪便对施肥喷药机械展开大量的研究,并逐渐向大型化、智能化方向发展[5-6]。CAMPELL等[7]研发了一种基于液压流量控制的双圆盘撒肥机,并通过对执行机构的排肥性能试验验证了肥料颗粒分布的均匀性。A.Miranda-Fuentes等[8]设计了一种新型风送式喷药装置, 能显著提高药液分布均匀性。近年来,国内对施肥喷药机械的研究也相继取得了一些成果。施印炎等[9]基于近地光谱技术研发了一种双圆盘离心匀肥罩式施肥机,可提高施肥均匀性和准确性。王相友等[10]设计的多回流式喷药控制系统,可根据前进速度改变回流口的开口度,实现变量喷药,提高药液利用率。

上述研究在施肥喷药机械结构和技术上都有较大的突破,基本做到了精确、高效和污染少,但更多集中在大型机械的研究上,适用于平原地区,而国内现有机械对丘陵山区农作物适应性差的问题仍然比较显著[11-12]。为此,研制了一种车载式施肥喷药一体机,可实现均匀施肥和多方位喷药。同时,对该机性能进行测试,验证其各项指标是否符合国家标准,以期能降低丘陵山区人们劳动强度,提高肥料和药液利用率。

1 结构与工作原理

1.1 总体结构

车载式施肥喷药一体机主要由控制系统、喷药机构、施肥机构以及行走装置组成,如图1所示。控制系统由开关、显示屏及喷药量调节旋钮组成;喷药机构主要由步进电机、滚珠丝杆和喷杆组成的双向多方位喷杆机构组成;施肥机构主要由撒肥圆盘、肥量调节机构、肥量调节杆组成;行走装置主要由机架、锥齿轮、车轮组成。整机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数Table 1 Technical parameters of fertilizer spreader

1.双向多方位喷杆机构 2.撒肥圆盘 3.车轮 4.锥齿轮 5.肥量调节杆 6.控制系统 7.机架 8.水箱 9.车载电池 10.水泵 11.支撑杆图1 车载式施肥喷药一体机整机结构图Fig.1 Structural diagram of vehicle-mounted fertilizer and spraying machine

1.2 工作原理

机具工作时,工作人员根据实际需求自主选择选择施肥或喷药作业。若进行施肥作业,则可通过手动控制肥料调节杆来调节落肥口开度大小,确定施肥量;行走轮通过锥齿轮带动撒肥圆盘转动实现肥料的撒施作业,提高施肥均匀度。若进行喷药作业, 可通过喷药量调节旋钮电动调节两喷杆之间的展开角度,实现水平、竖直、倾斜3种不同的喷药模式,以提高植株药液覆盖率。

2 主要部件设计

2.1 施肥机构设计

施肥机构是车载式施肥喷药一体机的关键部件,主要通过撒肥圆盘、肥量调节机构等完成施肥作业,提高施肥均匀性。

2.1.1肥量调节机构设计

肥量调节机构是施肥的关键部件之一,主要用于调节肥料出口的开口大小,如图2所示。该机构通过螺母固定在机架上,主要包括固定板、动板、固定环、连杆等部件。肥量调节杆设置了5个不同档位,通过手动控制肥量调节杆的档位来调节落肥口上动盘和定盘相互位置,通过调节落肥口开度大小来控制施肥量。

2.1.2撒肥圆盘结构设计

撒肥圆盘是施肥装置的核心部件,主要由圆盘和长短叶片组成,如图2所示。在施肥作业中,车轴转动并通过锥齿轮带动圆盘旋转,肥料从落肥口束流落到圆盘上,在圆盘的旋转离心力和肥料与圆盘的摩擦作用下,通过滑动或滚动沿叶片抛出。

2.1.3肥料颗粒运动特性分析

在施肥过程中,假设忽略肥料与撒肥圆盘之间的回弹和肥料之间的相互作用,对单个肥料颗粒进行受力分析,如图3所示。肥料颗粒在圆盘A点所受合力F为

图3 肥料颗粒的运动分析Fig.3 Kinematic analysis of fertilizer particle

F=Fce-Ff

(1)

根据牛顿第二定律可知

(2)

其中,dr为肥料颗粒运动位移;dt为运动时间。

肥料颗粒在圆盘上的受力方程为

(3)

其中,Fcor为科氏力(N);Fce为离心力(N);Fg为重力(N);Ff为颗粒在圆盘上的摩擦(N);Ff1为肥料颗粒与叶片之间的摩擦力(N);Ff2为肥料颗粒与肥盘之间的摩擦力(N);g为重力加速度(m/s2);μ为肥料颗粒与肥盘和叶片之间的摩擦因数;ω为肥盘旋转角速度(rad/s);v为肥料颗粒在肥盘上运动的相对速度(m/s)。

利用牛顿第一定律解上述方程组,可得颗粒肥料运动方程为

(4)

当肥料颗粒被抛向空气中时,将受到重力G和空气阻力F的影响。空气阻力计算公式为

(5)

其中,C为空气阻力系数;ρ为空气密度(kg/m3);S为粒子迎风面积(m2);V为空气中肥料颗粒的相对速度(m/s)。

将肥料颗粒在空气中的运动分解为竖直和水平方向进行分析,如图3所示。水平方向的运动方程为

(6)

竖直方向的运动方程为

(7)

其中,FX和FZ分别为肥料颗粒在水平和竖直方向上的空气阻力(N);VX和VZ分别为肥料颗粒的水平和竖直方向上的速度(m/s);t为肥料在空气中的运动时间(s)。

结合式(6)、式(7)可得

(8)

则肥料颗粒的抛撒距离为

(9)

由上述分析可知,肥料颗粒抛撒距离L与肥盘结构和离地高度均有关。结合农艺要求,设计撒肥圆盘直径为250mm,离地高度为450mm。

2.2 喷药机构设计

2.2.1双向多方位喷杆机构设计

双向多方位喷杆机构主要通过步进电机和联轴器驱动滚珠丝杆转动,使用滑块移动来调节两侧喷杆的展开角度,实现水平、倾斜和竖直3种喷药模式,如图4所示。其中,喷杆展开角度为200cm,喷头间距为40cm,喷杆与滑块通过连杆连接;电机采57HD5240型2相4线步进电机,步距脚为1.8°,保持转矩1.2N·m,转动惯量为318g·cm2。驱动器采用与电机相匹配TB6600型步进电机驱动器,输入12V直流电源,并采用共阳极接法控制系统通过控制步进电机的正反转动和转速调节滑块上下移动。步进电机与驱动器如图5所示。

1.喷嘴 2.喷杆 3.丝杆 4.滑块 5.步进电机图4 双向多方位喷杆机构结构图Fig.4 Structure of bidirectional multi-orientation spraying rod

图5 57型步进电机和TB6600数字驱动器Fig.5 Type 57 stepper motor and TB6600 digital driver

2.2.2双向多方位喷杆机构运动分析

根据双向多方位喷杆机构的工作原理,运动分析时可将其简化为偏心曲柄滑块机构,建立直角坐标系,如图6所示。图6中,R为曲柄长度(cm);L为连杆长度(cm);e为偏心距(cm);α为曲柄角(°);β为连杆摆角(°);X为滑块运动位移(cm)。由运动分析可知,滑块的移动位移为

图6 双向多方位喷杆机构运动示意图Fig.6 Motion diagram of bidirectional multi-directional spray rod mechanism

X=Rcosα+Lcosβ

(10)

喷杆可实现3种不同喷药模式:

使用SPSS 13.0软件对数据进行分析,计量资料采用(±s)表示,并进行t检验,计数资料采用c2检验,P<0.05为差异有统计学意义。

1)当α=0°时,X=R,曲柄运动至B2,滑块运动至C2,此时喷杆实现竖直喷药。

2)当α=90°时,X=Lcosβ,曲柄运动至B1,滑块运动至C1,此时喷杆实现水平喷药。

3)当α=0～90°时,X=Rcosα+Lcosβ,曲柄在B1和B2之间运动,滑块在C1和C2之间运动,此时喷杆实现倾斜喷药。

将式(10)对时间t求导,则滑块的运动速度为

(11)

设连杆比为l,则由图6可得

(12)

整理式(12),并对时间t求导,可得

(13)

(14)

因此,当滑块速度v已知时,可以反演计算曲柄的角速度ω,从而计算出喷杆展开角度。

2.3 水/肥箱结构设计

为实现施肥、喷药两种作业模式,箱体设计成一体两用,用于承载肥料或药液,如图7所示。水/肥箱尺寸为440mm×260mm×260mm,壁厚1.8mm,可承载27.5kg药液或肥料。箱体上方为肥料或药液入口,下方为落肥口,右侧为药液出水口。进行施肥作业时,设定落肥口开度,肥料颗粒通过束流落入肥盘中心区域,在肥盘旋转的离心力的作用下实现肥料抛撒;进行喷药作业时,打开出水口,药液通过出水口流出,在水泵、喷杆作用下实现喷药作业。

1.水/肥箱盖 2.落肥口 3.出水口 4.箱体图7 水/肥箱结构图Fig.7 Structure of water/fertilizer tank

3 试验

为测试该车载式施肥喷药一体机样机运行情况和实际作业性能,对样机进行施肥和喷药性能试验。

3.1 施肥性能试验

3.1.1试验设计

施肥性能试验在西南大学工程技术学院实验基地进行,地面平整无坡度。试验材料选用我国丘陵山区常用的颗粒肥料-尿素,其堆积密度为0.71～0.78kg/m3,粒径为0.9～2.8mm。试验采用模拟田间动态试验和二维矩阵收集法[13-14],按4×6矩阵摆放收集盒(21cm×15cm×5.5cm)24个,列间隔1.2m,行间隔0.8m;机具以一定速度横向穿过收集区,试验结束后称取收集盒中肥料颗粒质量,用以表征机具施肥量和分布均匀性。试验测试场景如图8所示。

图8 施肥性能测试场景Fig.8 Fertilization performance test scenario

试验通过肥量调节杆设置5种不同档位,分别对应不同的落肥口开度,以均匀性变异系数作为肥料颗粒分布均匀性的评价指标,测定不同落肥口下的施肥均匀性。每次试验重复3次并计算平均值,施肥均匀性变异系数Cv的计算公式为

(15)

3.1.2试验结果与分析

施肥性能总体比较稳定,施肥性能测试结果如表3所示。由表3可以看出:当落肥口开度增大时,平均施肥量也会逐渐增加;不同落肥口开度下,平均施肥量为16.56 ～ 540.76 g/min,施肥均匀性变异系数均小于15%,满足NY/T1003-2006《施肥机械质量评价技术规范》[15]中相关指标要求;当施肥口开度为60%时,均匀性变异系数达到最小值9.01%,此时施肥均匀性最好、性能最优。

表3 施肥性能试验结果Table 3 Results of fertilization performance test

若不考虑肥箱中肥料颗粒的结块和架空性,将落肥口开度大小与施肥量进行曲线拟合,并建立施肥数学模型,如图9所示。

图9 施肥量与施肥均匀性变异系数Fig.9 Fertilizing amount and coefficient of uniformity variation

由图9可知,落肥口开度与施肥量之间存在线性关系。其标定模型为

D=6.80x-120.43

(16)

其中,D为施肥量(g);x为落肥口开度(%)。

模型决定系数R2=0.9909,表明其拟合性能较好。通过该模型可以确定不同落肥口开度下的施肥量,以满足实际生产中的施肥需要。

3.2 喷药性能试验

3.2.1试验设计

喷药试验参照GB/T 24677.2-2009《喷杆喷雾机试验方法》[16]进行,试验仪器有秒表、电子秤、密封袋、量杯等,采用水液代替药液进行试验。由于喷药作业时通过调节PWM(脉宽调制)占空比来改变水泵的喷药流量,为了得到喷药量随PWM占空比变化规律,试验选择在8Hz频率下进行;将占空比从上限调至下限,并用密封袋收集每个喷头上喷出的水液,时间为1min;利用电子秤和量杯测量其体积,记录数据并计算平均值,试验重复3次并记录数据。喷药试验场景如图10所示,试验结果如表4所示。