王 榮，曹冬林，柳亞輸，金家楣

(1. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；2. 泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300；3.泰州櫻田農(nóng)機(jī)制造有限公司，江蘇 泰州 225300)

0 引言

中國是糧食生產(chǎn)大國，也是糧食消費(fèi)大國，農(nóng)作物的有害生物歷來是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵制約因素，植保機(jī)械是化學(xué)防治的手段和支柱之一?，F(xiàn)行的機(jī)械植保機(jī)施肥部分以離心圓盤式撒肥機(jī)為主。為此，齊興源提出以空氣流為施肥機(jī)肥料的輸送和撒播動力，施肥幅寬為4m，設(shè)計了關(guān)鍵部件并進(jìn)行仿真[1]。王佳文設(shè)計了自動調(diào)平噴桿式噴藥機(jī)，利用彈簧和阻尼器完成噴桿的機(jī)械調(diào)平工作，可實(shí)現(xiàn)寬幅工作；但工作幅寬不可調(diào)節(jié)，且施液體肥[2]。國外，Kuhn 公司的AGT6036 型氣吸式撒肥機(jī)、美國Newton Crouch 公司的撒肥機(jī)技術(shù)先進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)寬幅和精量施肥，因其主要適用在大農(nóng)場平地工作，且價格過高，很難在我國農(nóng)村推廣使用[3]。綜上所述，現(xiàn)有植保機(jī)械主要存在施肥幅寬小、撒肥量不均等問題。為了滿足我國農(nóng)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新的需求，筆者設(shè)計了一種工作幅寬可在2～16m調(diào)節(jié)，具有多噴頭施藥裝置和多噴口管道式風(fēng)送施肥裝置，可隨車速聯(lián)動實(shí)現(xiàn)精量作業(yè)的施藥施肥復(fù)式植保機(jī)，并進(jìn)行了場地和田間試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自平衡精量施藥施肥植保機(jī)主要由自平衡折疊伸縮式施藥施肥系統(tǒng)、精量施藥施肥控制系統(tǒng)及高地隙底盤動力系統(tǒng)組成，如圖1所示。自平衡折疊伸縮式施藥施肥系統(tǒng)由噴桿裝置、藥箱及肥箱等組成，如圖2所示。精量施藥施肥控制系統(tǒng)由GPS系統(tǒng)、單片機(jī)、傳感器、精量施肥組件及氣力輸送等組成。高地隙底盤動力系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、液壓傳動機(jī)構(gòu)、變速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、底盤機(jī)架及車輪等組成。

1.噴桿系統(tǒng) 2.底盤動力系統(tǒng) 3.藥箱 4.駕駛室 5.精量施藥施肥控制系統(tǒng) 6.肥料箱

主要技術(shù)參數(shù)：

驅(qū)動方式：四輪驅(qū)動

噴幅/m：2～6

作業(yè)速度/km·h-1：3～7

作業(yè)高度/m：0.5～1

發(fā)動機(jī)/kW：16

藥箱容積/L：600

1.伸縮機(jī)構(gòu) 2.折疊機(jī)構(gòu) 3.自平衡機(jī)構(gòu) 4.彈性緩沖機(jī)構(gòu)

1.2 工作原理及工作過程

自平衡植保機(jī)在田間用于施藥施肥作業(yè)時，控制器根據(jù)GPS位置信號和傳感器速度信號控制噴灑量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，同時利用高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流，配以機(jī)械式排肥器與噴頭、可折疊伸縮的噴桿，大幅寬、高效率地均勻精量施藥、施肥[4]。

2 主要工作部件設(shè)計

2.1 自平衡折疊伸縮式施藥施肥系統(tǒng)

植保機(jī)在其前端設(shè)有施藥施肥裝置，包括藥管、肥桿、支承桿、伸縮機(jī)構(gòu)、折疊機(jī)構(gòu)、自平衡機(jī)構(gòu)、彈性緩沖機(jī)構(gòu)等。

2.1.1 伸縮機(jī)構(gòu)

側(cè)噴肥管、側(cè)置中間噴肥管的管端通過可分開的錐形端口連接并連通，機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)置在側(cè)置中間噴肥管支承板上，由電機(jī)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)及鏈條傳動裝置等組成；電機(jī)固定連接在側(cè)置中間噴肥管支承板上，與齒輪傳動機(jī)構(gòu)的主動齒輪驅(qū)動軸連接，齒輪傳動機(jī)構(gòu)的從動齒輪驅(qū)動軸與鏈條傳動裝置驅(qū)動軸連接；鏈條傳動裝置的鏈條與側(cè)噴肥管支承桿連接，可驅(qū)動側(cè)噴肥管支承桿橫向滑動。需要縮短噴肥管時，只要將側(cè)置中間噴肥管向上移動，側(cè)噴肥管向中間噴肥管移動，極方便連續(xù)地縮短噴肥管長度[5]。伸縮機(jī)構(gòu)如圖3所示。

2.1.2 折疊機(jī)構(gòu)和彈性緩沖機(jī)構(gòu)

連接座豎置的卡口與中置管道支承桿銷軸鉸連接，平置的卡口與側(cè)置支承桿銷軸鉸連接。這樣，側(cè)置管道支承桿在驅(qū)動裝置驅(qū)動下不僅可以實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動，且可以實(shí)現(xiàn)垂直面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。這種植保機(jī)管道支承桿能在施肥時展開，行走或存放時折疊，解決了現(xiàn)有管道支承桿的植保施藥施肥機(jī)行走不便、易損壞，存放需要較大空間等問題[6]。

1.側(cè)噴肥管 2.側(cè)置中間噴肥管 3.噴肥管支撐桿 4.機(jī)械驅(qū)動裝置 5.齒輪傳動 6.鏈傳動

連接板之間設(shè)有彈性拉緊機(jī)構(gòu)，通過拉力彈簧拉緊左置管道支承桿、右置管道支承桿，保證了管道支承桿工作的可靠性又起到緩沖作用，有效保護(hù)管道支承桿[7]，如圖4所示。

2.1.3 自平衡機(jī)構(gòu)

第1連桿、第2連桿、支架及管道支承桿構(gòu)成鉸連接的扁等腰梯形四連桿機(jī)構(gòu)，如果植保噴藥噴肥機(jī)在高低不平的路上或農(nóng)田中行走，機(jī)架會傾斜。此時，依據(jù)杠桿原理，對于相對支點(diǎn)受載對稱，且懸臂結(jié)構(gòu)亦對稱的自平衡機(jī)構(gòu)在自重作用下擺動，自動調(diào)整到基本水平狀態(tài)；同時，設(shè)置防止管道支承桿擺動的防擺動裝置，且在只需半幅工作時可根據(jù)工作需要將管道支承桿固定，防止其擺動[8]。自平衡機(jī)構(gòu)如圖5所示。

1.中置管道支承桿 2.豎直卡口 3.連接座 4.水平卡口 5.側(cè)置管道支承桿 6.支承桿 7.驅(qū)動裝置 8.彈簧

1.植保機(jī)機(jī)架 2.平衡連桿機(jī)構(gòu) 3.防擺動裝置

2.2 精量施藥施肥控制系統(tǒng)

2.2.1 GPS系統(tǒng)和機(jī)載控制終端

植保機(jī)設(shè)有GPS系統(tǒng)和機(jī)載控制終端，如圖6所示。作業(yè)過程中,該機(jī)通過GPS定位，對行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)不重施或漏施藥肥；根據(jù)采集的機(jī)具速度,系統(tǒng)自動計算施藥施肥量，通過控制藥液的流量閥控制施藥量，通過送料量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中容留槽的容留量控制施肥量，使其與車速波動相匹配以達(dá)到精確施藥施肥的目的。整個系統(tǒng)由單片機(jī)、傳感器、觸摸屏、信號放大電路，以及液壓系統(tǒng)組成。

圖6 植保機(jī)控制系統(tǒng)

2.2.2 精量排肥組件設(shè)計

精量排肥組件由肥料存放箱、噴桿、導(dǎo)料筒、傳動機(jī)構(gòu)、精量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、支承板、送風(fēng)管、鼓風(fēng)機(jī)，以及噴嘴自動啟閉機(jī)構(gòu)等組成，如圖7所示。施肥動力由獨(dú)立鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)力提供，不受植保機(jī)行走速度的影響，施肥均勻；控制系統(tǒng)控制送料量精量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的滑套相對傳動軸的軸向移動，調(diào)節(jié)軸套，滑套上的卡爪在軸向凹槽中滑動，使軸向凹槽左端形成可調(diào)節(jié)容量的肥料容留槽，從而準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)排肥量[9]。

1.噴桿 2.肥料存放箱 3.導(dǎo)料筒 4.精量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 5.鼓風(fēng)機(jī) 6.送風(fēng)管 7.支承板

2.2.3 氣力輸送系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計

精量排肥組件裝置是精量施肥技術(shù)應(yīng)用的載體，氣力輸送是實(shí)現(xiàn)精量施肥的重要環(huán)節(jié)[10]。本施肥裝置氣力輸送采用正壓壓送式氣力輸送系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時，肥料經(jīng)肥料存放箱、導(dǎo)料筒、精量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)落至風(fēng)送肥桿，鼓風(fēng)機(jī)將一定壓力的壓縮空氣通入風(fēng)送肥桿，壓縮空氣與肥料混合并沿肥桿流動；沿氣流流動方向上設(shè)置了一系列的具有分離器的噴嘴，含肥料的氣流沖擊一排排分離體，一部分肥料因撞擊在分離體上而改變運(yùn)動方向，得以從主氣流中分離出來從噴嘴落入田間；含有一部分肥料的主氣流則繞過分離體繼續(xù)向前流動，直至經(jīng)過多個分離體最終從噴嘴落入田間。

2.2.3.1 風(fēng)機(jī)選型

肥料氣力輸送系統(tǒng)主要是通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流攜帶肥料，所以風(fēng)機(jī)的選型至關(guān)重要。

1)空氣流量。為了保證肥料不堵塞管道，選擇物料和空氣的混合濃度比為0.6[11]，則

Q=W/3.6μγ

(1)

其中，Q為空氣流量(m3/s)；W為輸送系統(tǒng)生產(chǎn)率(t/h)；γ為空氣容重，取1.2kg/m3；μ為混合濃度比。

植保機(jī)最大作業(yè)效率4hm2/h，施肥量375kg/ hm2，則生產(chǎn)率為1.5t/h，代入式(1)得：空氣流量Q為

578.7 m3/h。

2)輸送氣速。常用的復(fù)合肥，一般為粒徑4mm，密度1 100kg/m3的球形顆粒，依據(jù)CDfRef2法，取雷諾數(shù)2 754[17]，計算出肥料顆粒的自由沉降速度為10.33m/s；輸送肥料的氣流速度一般取(1.5～2.5)倍的顆粒沉降速度，所以輸送氣速為20.66 m/s。

3)輸送管內(nèi)徑。輸送管內(nèi)徑可由空氣消耗量和輸送氣速共同決定[17]，內(nèi)徑為

(2)

計算可得噴桿內(nèi)徑為99.6mm，因適當(dāng)減小管徑有助于增速減堵，所以取管徑為80mm。

4)風(fēng)壓。本系統(tǒng)中主要考慮沿程壓損和局部壓損，系統(tǒng)總壓損為

(3)

其中，μ為固氣質(zhì)量比,無量綱；K=υα/υ,為終極固體顆粒流速與終極氣體流速之比,無量綱;λ為純空氣流摩擦阻力系數(shù),無量綱;ζ為局部阻力系數(shù),無量綱;L為直管長度(m);d為直管管徑(m);ρ為空氣密度(kg/m3);υ為斷面平均流速(m/s)。計算可得：Δp=889.4Pa。

綜上所述，適用的風(fēng)機(jī)風(fēng)量為578.7 m3/h，全壓為889.4Pa。

2.2.3.2 分離器設(shè)計

依據(jù)植株的間距大小在噴桿上以一定間距設(shè)置噴嘴，采用擾流撞擊式分離器將肥料均勻排出?，F(xiàn)有研究成果表明[12]：擾流撞擊式分離器分離效率與流動速度、折轉(zhuǎn)半徑、阻擋件的數(shù)量、長度、間距，以及阻擋件外形有關(guān)。本研究通過施肥試驗(yàn)，調(diào)整分離器阻擋器的高度以控制每個噴嘴排肥的均勻性。

3 性能測試試驗(yàn)

整機(jī)性能檢測采用場地試驗(yàn)和田間試驗(yàn)兩種方式結(jié)合進(jìn)行[13]。

3.1 場地自平衡試驗(yàn)

試驗(yàn)場地100m×100m平整水泥地面。在試驗(yàn)場地設(shè)置一段左右高低差分別為0.1、0.15m的路面，當(dāng)植保機(jī)以正常作業(yè)速度通過該路段時，動態(tài)比較噴桿左右兩端最遠(yuǎn)處和平衡位置的高度差，如圖8所示。試驗(yàn)表明：在自平衡機(jī)構(gòu)的作用下，車輪經(jīng)過不平路面時，噴桿能很快地自動調(diào)節(jié)接近到水平狀態(tài)。

圖8 場地自平衡試驗(yàn)

3.2 場地精量施藥施肥試驗(yàn)

3.2.1 噴嘴排量一致性試驗(yàn)

試驗(yàn)前，先設(shè)定施肥幅寬分別為8、16m，根據(jù)理論車速1m/s，理論施肥量375kg/hm2,計算噴嘴在不同施肥時間下的施肥量。試驗(yàn)時，測量每個噴嘴在不同施肥幅寬，不同施肥時間下的施肥量(如圖9所示)。觀察噴嘴施肥最大誤差、平均施肥量、一致性變異系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖9 噴嘴排量一致性試驗(yàn)

表1 噴嘴排量一致性試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：在工作理論車速下，每個噴嘴在相應(yīng)施肥時間內(nèi)施肥量最大誤差均小于15%， 施肥量一致性變異系數(shù)均小于13%，滿足NYT1003-2006施肥機(jī)械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范的要求[14]。

3.2.2 場地施肥均勻性試驗(yàn)

在100m×100m的平整場地上進(jìn)行施肥試驗(yàn)，無風(fēng)，無雨，植保機(jī)分別以0.5m/s和1m/s作業(yè)速度通過該區(qū)域，觀察施肥均勻性。橫向，沿噴桿工作幅寬的1/4、1/2、3/4L處選3點(diǎn)為一組；縱向，距上一組4m處分別選擇第2組、第3組和第4組共12個點(diǎn)，并用1m×1m的收集框框取這12個區(qū)域肥料稱重，如圖10所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：植保機(jī)在不同的行進(jìn)速度下，對應(yīng)不同的排肥器轉(zhuǎn)速，施肥量變異系數(shù)均小于40%，滿足NYT1003-2006施肥機(jī)械質(zhì)量技術(shù)規(guī)范的要求。

圖10 場地施肥均勻性試驗(yàn)

表2 場地施肥均勻性試驗(yàn)結(jié)果

3.3 田間性能試驗(yàn)

田間試驗(yàn)地點(diǎn)：婁莊鎮(zhèn)先進(jìn)農(nóng)場(二分場)，試驗(yàn)面積15hm2，如圖11所示。田間試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

圖11 田間試驗(yàn)

表3 植保機(jī)田間試驗(yàn)效果

4 結(jié)論

1)采用自平衡可折疊可升縮的施藥施肥系統(tǒng)，增加了工作幅寬，提高了工作效率，并能有效解決植保機(jī)行走和存放不便的問題。

2)植保機(jī)以液壓傳動實(shí)現(xiàn)無級變速，變速均勻平穩(wěn)，單片機(jī)處理GPS位置信息和速度信息，控制送料量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，對行作業(yè)不重施或漏施藥肥，實(shí)現(xiàn)精量施肥施藥。

3)由傳統(tǒng)的離心式撒肥盤改進(jìn)為氣力輸送式可折疊噴桿，沿噴桿方向每隔一定距離設(shè)置噴嘴和分離器，增加了工作幅寬，且有效提高了施肥的均勻性。

4)場地和田間試驗(yàn)表明：植保機(jī)能在起伏不平的田地里工作時，基本保持平衡，底盤離地高度可達(dá)1 200mm，撒肥幅寬可在2～16m間連續(xù)調(diào)節(jié)，撒肥量均勻，作業(yè)效率達(dá)到4～5hm2/h。