车载式施肥喷药一体机设计与试验.pdf

车 载 式 施 肥 喷 药 一 体 机 设 计 与 试 验苟于江1,何辉波1,2,李华英1,2,王大明1,张冕1(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)摘 要:针对丘陵山区施肥喷药劳动强度大、作业效率低、肥料和药液利用率不高等问题,设计了一种车载式施肥喷药一体机。阐述了一体机的结构和工作原理,对施肥、喷药的关键部件进行了设计,并分析了肥料颗粒的运动特性和喷杆机构的运动原理。一体机通过肥量调节机构、撒肥圆盘设置施肥量和实现均匀施肥,通过 PWM(脉宽调制)技术、双向多方位喷杆机构调节喷药量及实现竖直、倾斜、对地 3 种喷药模式的任意切换,提高了药液利用率。试验结果表明:施肥作业时,不同施肥口开度下的平均施肥量为 16.56 540.76 g/min;当落肥口开度为 60%时,施肥均匀性变异系数(Cv=9.01%)最小,施肥性能最好。喷药作业时,不同 PWM 占空比下的喷头喷药量范围为 74.94 345.41mL/min;当 PWM 占空比增大到 100%时,喷药量变异系数(CV=2.54%)最低,喷药性能最好。同时,通过试验建立了施肥、喷药量控制数学模型,旨在为丘陵山区施肥、喷药机械的设计与研发提供技术与理论支撑。关键词:施肥喷药一体机;均匀性变异系数;车载式中图分类号:S224.4 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0089-070 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设计的收稿日期:2021-12-27基金项目:重庆市技术创新与应用发展专项面上项目(cstc2020jscx-msxmX0192);国 家 大 学 生 创 新 创 业 训 练 计 划 项 目(202110635066)作者简介:苟于江(1995-),男,四川巴中人,硕士研究生,(E-mail)1763120225 。通讯作者:李华英(1976-),女,四川简阳人,副教授,(E-mail)1197544155 。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。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982023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期量;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。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表 1 主要技术参数Table 1 Technical parameters of fertilizer spreader参数单位数值整机尺寸(长宽高)mm200150300蓄电池V12水/肥箱容量mL50喷杆幅宽mm200撒肥盘直径mm250行走速度m/s0.51.2流量L/min36喷头数量个62 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。1.短叶片 2.长叶片 3.圆盘 4.连杆 5.曲柄6.定盘 7.动盘 8.固定圈图 2 撒肥圆盘与肥量调节机构结构图Fig.2 Structure diagrams of fertilizer spreading disc and fertilizer regulating device2.1.3 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F=Fce-Ff(1)根据牛顿第二定律可知F=ma=md2rdt2(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Fg=mgFce=m2rFcor=2mv=2mdrdtFf=Ff1+Ff2=Fcor+Fg=2mdrdt+mg(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092023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期之间的摩擦力(N);g 为重力加速度(m/s2);为肥料颗粒与肥盘和叶片之间的摩擦因数;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)。图 3 肥料颗粒的运动分析Fig.3 Kinematic analysis of fertilizer particle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md2rdt2-r2+1g+22drdt()=0(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F=12SCV2(5)其中,C 为空气阻力系数;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FX=SC2V2X+V2ZVXd2Xdt2=-FXm(6)竖直方向的运动方程为FZ=SC2V2X+V2Z.VZd2Zdt2=FZm-g(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X2=SCV2X+V2ZVXZ2mg-SCV2X+V2ZVZ(8)则肥料颗粒的抛撒距离为L=X1+X2=r+SCV2X+V2ZVXZ2mg-SCV2X+V2ZVZ(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 1.2Nm,转动惯量为 318gcm2。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 driver2.2.2 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);为曲柄角();为连杆摆角();X 为滑块运动位移(cm)。由运动分析192023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期可知,滑块的移动位移为X=Rcos+Lcos(10)喷杆可实现 3 种不同喷药模式:1)当 =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 =90 时,X=Lcos,曲柄运动至 B1,滑块运动至 C1,此时喷杆实现水平喷药。3)当 =0 90 时,X=Rcos+Lcos,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。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 将式(10)对时间 t 求导,则滑块的运动速度为v=dXdt=-Rsinddt+Lsinddt()(11)设连杆比为 l,则由图 6 可得Lsin=Rsin+e=R/L(12)整理式(12),并对时间 t 求导,可得ddt=coscosddt(13)设曲柄角速度 =ddt,将式(13)代入式(11)中,可得v=-Lsin(+)cos(14)因此,当滑块速度 v 已知时,可以反演计算曲柄的角速度,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 440mm260mm260mm,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