奚小波,張瑞宏,單 翔,金亦富,張劍峰
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3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
奚小波1,2,張瑞宏1※,單 翔1,金亦富1,張劍峰1
(1. 揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127; 2. 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院,揚(yáng)州 225127)
針對(duì)目前果園開(kāi)溝施肥存在的易傷樹(shù)木根系、耕作能耗大、施肥不均等問(wèn)題,該文研制了3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī),采用液力輔助氣鏟激振的鉆桿結(jié)構(gòu),建立液力輔助氣鏟鉆土的力學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,分析了鉆桿的土力學(xué)關(guān)系,優(yōu)化了鉆頭構(gòu)型參數(shù),優(yōu)化后的鉆頭錐角60°、鉆桿圓柱半徑12.5 mm;設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的經(jīng)濟(jì)型多旋鈕式開(kāi)關(guān)操控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)具手動(dòng)、自動(dòng)控制作業(yè),一鍵操作可完成鉆桿鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升四步操作;在SolidWorks軟件中建立了樣機(jī)模型,并完成了樣機(jī)的試制與田間試驗(yàn)工作。樣機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果表明,氣爆作用可在土體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)散,300 mm鉆深、0.8 MPa氣爆壓力下的土體最大裂隙寬約3~4 mm,裂隙擴(kuò)展擾動(dòng)半徑約400 mm;土壤在氣爆下發(fā)生擾動(dòng),擾動(dòng)系數(shù)達(dá)50.11%;液肥在注肥機(jī)構(gòu)作用下可在深土層中無(wú)堵塞噴射,并均勻擴(kuò)散;樣機(jī)操作簡(jiǎn)便,運(yùn)行穩(wěn)定,工作效率至少0.048 hm2/h,滿足果園施液肥農(nóng)藝要求,適用于果樹(shù)、園林、綠化地的施肥作業(yè)。
優(yōu)化;設(shè)計(jì);農(nóng)業(yè)機(jī)械;氣爆松土;注肥;氣鏟激振;液力輔助;PLC
目前,果園種植業(yè)已成為中國(guó)農(nóng)業(yè)種植的重要組成部分,據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示[1],2016年中國(guó)的果園種植面積已達(dá)1 536.71萬(wàn)hm2,水果總產(chǎn)量為2.75億t。在果園種植管理過(guò)程中,施肥作業(yè)至關(guān)重要,將會(huì)直接影響果實(shí)的品質(zhì)及產(chǎn)量,且決定著果樹(shù)發(fā)育生長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)[2]?,F(xiàn)有果樹(shù)施肥機(jī)械中,開(kāi)溝機(jī)械應(yīng)用最為廣泛,開(kāi)溝施肥一般是用開(kāi)溝機(jī)械先在果園行距間開(kāi)出一條寬30 cm、深30~50 cm溝槽,然后再進(jìn)行人工施肥及覆土[3]。經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展,果樹(shù)開(kāi)溝已歷經(jīng)了鏵式犁開(kāi)溝[4]、鏈刀式開(kāi)溝[5]、旋耕開(kāi)溝[6]、圓盤(pán)開(kāi)溝[7]、螺旋開(kāi)溝[8]等多種開(kāi)溝形式的變化。近年來(lái),具有開(kāi)溝、施肥聯(lián)合作業(yè)功能的機(jī)械得以研究與使用[9-12]。然而,開(kāi)溝作業(yè)仍存在不足,表現(xiàn)為耕作阻力大、易傷樹(shù)木根系,且肥料集中施加在溝槽內(nèi),擴(kuò)散不均,不利于果樹(shù)根系均衡吸收。
另外,果園地因常年不翻耕,土壤較板結(jié),不利于天然降水的貯存,致使土內(nèi)上下水氣熱得不到貫通,土壤毛細(xì)管破損,養(yǎng)分輸送能力下降,土壤生物及有機(jī)質(zhì)驟減,果樹(shù)根系生長(zhǎng)受阻[13-14]。因此,果園土壤深松十分必要,雖然開(kāi)溝作業(yè)也有松土效果,但開(kāi)溝幅寬小,對(duì)土壤擾動(dòng)程度低,深松效果不明顯。針對(duì)上述開(kāi)溝施肥工藝的不足,國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始將氣爆作用引入深松施肥機(jī)械中,并做了相關(guān)研究工作。左勝甲[15]開(kāi)展了氣壓深松特性研究,通過(guò)對(duì)耕地內(nèi)部連續(xù)注入高壓氣體,對(duì)耕地實(shí)現(xiàn)了氣壓深松作業(yè)。李霞等[16]研制了一種氣動(dòng)深松施肥機(jī),在深松鏟柄及鏟尖處添加通氣孔,作業(yè)時(shí)利用空壓機(jī)通入高壓氣,氣流直通犁底層,達(dá)到疏松土壤、改善土壤孔隙度的目的,并能擴(kuò)大深松區(qū)域。鄭傳剛等[17]研制了一種果園深層土壤輸氧松土施肥機(jī),該機(jī)型通過(guò)向深層土壤輸送高壓空氣,完成向深部土壤輸氧并松土,通過(guò)松土在土壤深層形成孔洞,供液態(tài)肥灌入,但該機(jī)型中的松土與施肥仍然是獨(dú)立操控作業(yè),效率較低。竇傳峰[18]設(shè)計(jì)了一種果樹(shù)深層松土施肥機(jī),將高氣壓松土與注肥結(jié)合,利用高壓氣流沖擊深層土壤,然后注液肥,但該機(jī)型仍為人工手持操作,自動(dòng)化控制程度低,勞動(dòng)負(fù)荷較大。
本文設(shè)計(jì)了一種果園氣爆松土注肥機(jī),采用液力輔助氣鏟激振結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)快速鉆土及回升,采用PLC系統(tǒng)提高整機(jī)控制程度,減輕人工操作負(fù)擔(dān),提高機(jī)具作業(yè)效率,對(duì)機(jī)具的松土注肥效果進(jìn)行了試驗(yàn)分析,并測(cè)試了機(jī)具的田間作業(yè)效率。
3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)主要由機(jī)架、空壓機(jī)、液壓站、液泵、電動(dòng)推桿、液肥箱、儲(chǔ)氣罐、擺臂、氣鏟、液壓桿、鉆桿、懸掛架、動(dòng)力輸入裝置等部件組成,圖1為機(jī)具在SolidWorks軟件中的三維模型結(jié)構(gòu)。該機(jī)具的型號(hào)含義參照文獻(xiàn)[19]:3—田間管理和植保機(jī)械代碼,SF—施肥,BQ—爆氣,500—最大施肥深度(mm)。機(jī)具通過(guò)懸掛架與拖拉機(jī)配套連接,整機(jī)動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬(wàn)向節(jié)傳遞與機(jī)具的動(dòng)力輸入裝置連接;動(dòng)力輸入裝置通過(guò)皮帶連接空壓機(jī),驅(qū)動(dòng)空壓機(jī)工作,供氣鏟鉆土及氣爆松土使用;電動(dòng)推桿由拖拉機(jī)電源驅(qū)動(dòng),并與擺臂連接構(gòu)成擺桿機(jī)構(gòu),可無(wú)級(jí)快速調(diào)節(jié)施肥位置;擺臂上固連液壓缸,液壓活塞桿外端安有氣鏟,氣鏟下端固接鉆桿,通過(guò)氣鏟激振并在液力輔助下實(shí)現(xiàn)鉆桿的鉆土及回升;施肥箱置于機(jī)架的后上端,由液泵完成液肥的注射,液泵通過(guò)皮帶與機(jī)具動(dòng)力輸入裝置連接。另外,機(jī)具中還包含空氣、液肥管路,整機(jī)控制由PLC控制系統(tǒng)完成。
1.空壓機(jī) 2.液壓站 3.液泵 4.機(jī)架 5.電動(dòng)推桿 6.液肥箱 7.氣鏟 8.液壓桿 9.鉆桿 10.動(dòng)力輸入裝置 11.懸掛架 12.擺臂 13.儲(chǔ)氣罐
圖2為3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)的氣液管路布置圖,機(jī)具左右兩側(cè)各有一個(gè)可獨(dú)立控制的氣爆松土注肥機(jī)構(gòu),機(jī)具中的氣液管路由PLC控制電磁閥實(shí)現(xiàn)通斷,2個(gè)松土注肥機(jī)構(gòu)可單獨(dú)作業(yè)亦可同步作業(yè)。
氣路控制將儲(chǔ)氣罐中的高壓氣體經(jīng)五通管分至左右兩側(cè)氣鏟與鉆桿。電磁閥LV4、RV4分別安置在左、右氣鏟的氣路上,機(jī)具需氣鏟激振鉆土?xí)r,電磁閥開(kāi)啟,高壓氣注入,驅(qū)動(dòng)氣鏟工作。電磁閥LV5、RV5分別安置在左、右鉆桿的氣路上,機(jī)具需要?dú)獗赏習(xí)r,電磁閥開(kāi)啟,高壓氣注入,完成松土。另外,鉆桿回升時(shí),在鉆桿中通入氣流,可減小回升阻力。在鉆桿與電磁閥間的氣路上設(shè)有單向閥,以防止液肥進(jìn)入氣管,起保護(hù)氣路作用。
液路控制將液箱內(nèi)的液肥通過(guò)液泵增壓進(jìn)行注射,液肥經(jīng)四通管分至3個(gè)電磁閥管路,并在電磁閥的控制下實(shí)現(xiàn)液肥在箱內(nèi)的循環(huán)及在土體中的注射。為防止粘度、濃度較大的液肥沉積造成液路堵塞,機(jī)具不注肥時(shí),電磁閥V7開(kāi)啟,電磁閥LV6、RV6閉合,液肥通過(guò)液泵在箱內(nèi)循環(huán),且箱內(nèi)設(shè)有攪拌裝置,可將液肥充分?jǐn)噭?。機(jī)具注肥時(shí),電磁閥V7閉合,電磁閥LV6、RV6開(kāi)啟。
1.左氣鏟 2.右氣鏟 3.電磁閥LV4 4.電磁閥RV4 5.電磁閥LV5 6.電磁閥RV5 7.五通管 8.儲(chǔ)氣罐 9.空壓機(jī) 10.液肥箱 11.液泵 12.電磁閥LV6 13.四通管 14.電磁閥RV6 15.電磁閥V7 16.左鉆桿 17.右鉆桿 18.單向閥1 19.單向閥2
3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)工作時(shí),首先啟動(dòng)空壓機(jī)制得高壓氣,然后開(kāi)啟電動(dòng)推桿將擺臂調(diào)至合適的施肥位置,接著開(kāi)啟氣鏟激振并在液力輔助下鉆土(圖3a);當(dāng)鉆桿達(dá)到施肥深度時(shí)進(jìn)行氣爆松土,并在土體內(nèi)形成裂隙(圖3b),裂隙可為液肥注射提供空間,并能促進(jìn)土壤內(nèi)部空氣流動(dòng),利于根系生長(zhǎng);松土完畢后進(jìn)行注液肥,液肥在液泵作用下均勻彌散于土壤裂隙中(圖3c);注肥完成后,先通入稍許氣流以減小鉆桿與濕土體間的粘阻力,然后液壓桿伸張使鉆桿回升(圖3d)。
圖3 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)工作過(guò)程示意圖
針對(duì)目前果園低矮種植的農(nóng)藝技術(shù)特點(diǎn),設(shè)計(jì)確定的氣爆松土注肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
圖4為松土注肥機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖,其主要由擺臂、單活桿塞液壓缸、氣鏟、鉆桿等組成。液壓缸固接在擺臂架上,氣鏟下端固接鉆桿,氣鏟鉆桿結(jié)構(gòu)通過(guò)支架與活塞桿頂端固接,鉆桿通過(guò)氣鏟激振及在液壓力的輔助下完成鉆土及回升。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的最大鉆土深度為500 mm,可滿足絕大多數(shù)果樹(shù)對(duì)施肥深度的要求。
圖4 松土注肥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
松土注肥機(jī)構(gòu)鉆土的受力情況如圖5所示,其在系統(tǒng)外力(氣鏟激振力與液壓桿助力)作用下克服土壤阻力鉆土,所受土壤阻力包含2個(gè)部分,一是鉆頭錐面因土壤擠壓形成的阻力,二是鉆桿柱面因土壤擠壓形成的阻力。
在距土面下深處的鉆桿柱面上取微單元d,則該微單元的表面積d為
據(jù)朗金土壓力理論[20],微單元d所受的正壓力dp可表示為
式中0為靜止土壓力系數(shù);為土壤重度,kN/m3。
注:pu為作用在鉆頭錐面的正壓力,kPa;Fμ為作用在鉆頭錐面的摩擦力,kN;ps為作用在鉆桿柱面的正壓力,kPa;Fs為作用在鉆桿柱面的摩擦力,kN;P為作用在鉆桿上的總外力,kN;2α為鉆頭錐角,(°);R為鉆桿圓柱半徑,mm;h為鉆土深度,mm;z為土面以下深度,mm。
則微單元s所受摩擦力的dF可表示為
式中為鉆頭與土壤的相對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)。
所以鉆桿柱面所受土壤摩擦力F可表示為
對(duì)于鉆頭錐面而言,其所受的土壤摩擦力F可表示為
對(duì)于鉆頭錐面所受的正壓力p,其求解計(jì)算方法可參照文獻(xiàn)[21],經(jīng)計(jì)算,其可表示為
為使氣爆松土注肥機(jī)可以克服所有阻力鉆土,系統(tǒng)外力需滿足以下條件
根據(jù)松土注肥機(jī)構(gòu)鉆土力學(xué)分析結(jié)果可知,鉆桿所需的系統(tǒng)外力與鉆頭構(gòu)型參數(shù)及鉆深相關(guān),特別是鉆桿圓柱半徑及鉆頭錐角2,為此需對(duì)鉆頭構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)涉及的鉆桿及土壤參數(shù)進(jìn)行擬定(表2)[22-23]。
將表1中的參數(shù)代入公式(7)后整理得
表2 鉆桿及土壤參數(shù)
根據(jù)機(jī)具工作原理,鉆桿運(yùn)動(dòng)為單自由度系統(tǒng)的非線性受迫振動(dòng),建立液力輔助氣鏟鉆土動(dòng)力學(xué)模型如圖6所示。
圖6 液力輔助氣鏟鉆土動(dòng)力學(xué)模型
由達(dá)朗貝爾原理,系統(tǒng)在垂直方向的運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為[24]
因此在有氣鏟的鉆桿系統(tǒng)在垂直方向的運(yùn)動(dòng)微分方程可簡(jiǎn)化為
氣鏟對(duì)鉆桿的作用力0,實(shí)為氣鏟后氣室壓力P作用在鉆桿端面的力。韓幫軍等[25]采用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法利用MATLAB對(duì)氣鏟氣室壓力作了研究,這里對(duì)其結(jié)論進(jìn)行簡(jiǎn)化處理利用,則0可表示為
式中Pmax為氣鏟后氣室峰值壓力,為1.14倍的氣鏟工作進(jìn)氣壓力,MPa;Pmin為氣鏟后氣室谷值壓力,為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,MPa;為氣鏟沖擊頻率,Hz。
記1=(Pmax+Pmin)/2、2=(Pmax-Pmin)/2,則微分方程(11)可改寫(xiě)成
求得微分方程(13)的解為
由標(biāo)準(zhǔn)JB/T 8412-2016[26]可知,氣鏟的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收氣壓為0.63 MPa,則Pmax為0.72 MPa,1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為0.10 MPa,則1為0.41 MPa、2為0.31 MPa。鉆桿總質(zhì)量2約2.43 kg。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中各型氣鏟技術(shù)參數(shù),求得各型氣鏟的鉆桿系統(tǒng)在液力輔助下的沖擊行程如表3所示。由表3可知,C7型氣鏟的沖擊行程為100.04 mm,顯著大于其他型氣鏟,且其沖擊頻率低,運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定;同時(shí)C7型氣鏟沖擊能也最大,利于深層鉆土。故選取C7型氣鏟作為鉆桿激振器。另外,氣鏟的使用對(duì)松土注肥機(jī)構(gòu)也有保護(hù)作用,作業(yè)中遇及小的磚石,氣鏟可將其沖擊碎,若遇及大磚石,氣鏟的減震彈簧可緩解沖擊力,操作者發(fā)現(xiàn)鉆桿難以下鉆時(shí),可重新更換作業(yè)位置。
表3 松土注肥機(jī)構(gòu)的氣鏟類型及其對(duì)應(yīng)的沖擊行程
該松土注肥機(jī)構(gòu)通過(guò)鉆桿擠壓土層深鉆,在土體中氣爆松土并注肥,該工藝與傳統(tǒng)開(kāi)溝、深松、施肥、覆土工藝相比,具有耕作阻力小、作業(yè)能耗小、施肥均勻、不破壞土層結(jié)構(gòu)、不傷樹(shù)木根系等優(yōu)勢(shì)。
PLC控制系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要是電磁閥、電動(dòng)推桿、控制器等??紤]到農(nóng)業(yè)機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性,為降低機(jī)具生產(chǎn)成本,系統(tǒng)控制操作終端采用旋鈕式控制終端。根據(jù)機(jī)具工作原理,PLC控制器選用14輸入/10輸出的西門(mén)子CPU224(6ES7 214-1BD2323-0XB0),再配合使用4輸入/4輸出西門(mén)子EM223(6ES7 223-1BF22-0XA0)擴(kuò)展模塊,以滿足18輸入/13輸出的接線需要。電磁閥選用2W-15DC型,額定電壓12 V,最大壓力1.0 MPa,可滿足氣液通斷的控制要求。為實(shí)現(xiàn)左右擺臂伸張與縮回的往復(fù)動(dòng)作,電動(dòng)推桿行程300 mm,最大推力400 N,系統(tǒng)選用迅馳CNXCI XC800A型電動(dòng)推桿,其參數(shù)為:額定電壓DC 12 V,最大行程300 mm,額定速度48 mm/s,額定扭矩2 N·m,額定轉(zhuǎn)速100 r/min,額定功率60 W,最大推力400 N。系統(tǒng)硬件配置如表4所示。
表4 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)控制系統(tǒng)硬件配置
PLC控制器接線如圖7a所示,為多旋鈕開(kāi)關(guān)控制設(shè)計(jì),為方便用戶使用及樣機(jī)試驗(yàn)調(diào)試,該控制系統(tǒng)設(shè)置了手動(dòng)與自動(dòng)控制方式自由切換功能。手動(dòng)方式下,需用戶根據(jù)實(shí)際作業(yè)流程自行調(diào)整功能部件的工作狀態(tài),該方式可方便用戶及時(shí)調(diào)整方案;自動(dòng)方式下,用戶可根據(jù)實(shí)際作業(yè)需要進(jìn)行左右擺臂的一鍵式自動(dòng)化作業(yè),一鍵操作完成鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升四步操作,簡(jiǎn)單快捷。系統(tǒng)控制柜面板如圖7b所示。
在西門(mén)子STEP 7 Micro-WIN操作平臺(tái)上進(jìn)行PLC程序開(kāi)發(fā),采用梯形圖編程語(yǔ)言,系統(tǒng)控制程序流程如圖8所示。該控制系統(tǒng)的主要功能是對(duì)氣液管路及液壓油路上的電磁閥進(jìn)行開(kāi)閉控制,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路、液路中流體的通斷控制,以及液壓桿伸縮運(yùn)動(dòng)的控制,并按照機(jī)具工作原理中的作業(yè)流程執(zhí)行,從而完成氣爆松土液肥注射作業(yè)任務(wù)。
圖8 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)控制程序流程圖
為適應(yīng)氣爆松土注肥機(jī)在果園間行駛便捷,動(dòng)力系統(tǒng)選用底盤(pán)低、寬度小的黃海金馬404D型園藝拖拉機(jī),配套動(dòng)力29.4 kW。空壓機(jī)選用羅翔W-1.0/8型,排氣量1 m3/min,滿載氣壓0.8 MPa,并在空壓機(jī)出氣口后裝220 mm×300 mm儲(chǔ)氣罐,單次松土通氣量為0.01 m3,爆氣氣壓0.4~0.8 MPa可調(diào)(低于0.4 MPa,土體幾乎無(wú)擾動(dòng))。液泵選用G25-2型單螺桿泵,額定轉(zhuǎn)速960 r/min,額定壓力1.2 MPa,額定流量2 m3/h(即0.56 L/s),允許顆粒直徑2 mm。試驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示。
圖9 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)
試驗(yàn)在揚(yáng)州市江都區(qū)七里鎮(zhèn)進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)間為2017年8月28日,試驗(yàn)地為標(biāo)準(zhǔn)化種植梨園,行距4 m,株距3 m,最低枝杈高約1.4 m。試驗(yàn)地土壤緊平均硬度4.35 MPa,土壤含水量13.5%,室外溫度32 ℃。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶對(duì)梨園施肥作業(yè)要求,對(duì)其進(jìn)行松土注肥作業(yè),肥料采用有機(jī)顆粒肥料,粒徑0.8~1.5 mm,配水混合使用,肥水濃度350 g/L,注肥深度50 cm,單次注肥量1 L,單棵樹(shù)注肥2次,分2行注射。試驗(yàn)對(duì)氣爆松土后的土體內(nèi)部變化、土壤擾動(dòng)系數(shù)及土內(nèi)注肥效果進(jìn)行了分析,并對(duì)機(jī)具的工作效率進(jìn)行了測(cè)試。
試驗(yàn)氣爆深度為300 mm,為直接觀察氣爆后土體內(nèi)部發(fā)生的變化情況,采用1 200 mm×1 000 mm×3 mm鋼性插板(圖10a)對(duì)土體進(jìn)行橫截處理,并將鋼板一側(cè)土體剖除,露出土體截面形貌,如圖10b所示。氣爆后的土體內(nèi)部發(fā)生了裂隙,由于該梨園地長(zhǎng)年不翻耕,土體較板結(jié),氣爆后的土體最大裂隙寬度約3~4 mm。同時(shí),裂隙從氣爆中心沿徑向向外擴(kuò)展,裂隙擴(kuò)展擾動(dòng)半徑約400 mm;另外在縱向上,氣爆作用也使得土體向上抬升,說(shuō)明氣爆后氣流會(huì)將從土表往外滲漏,從而起到對(duì)土體的擾動(dòng)疏松作用,達(dá)到深松土壤的目的。
圖10 氣爆松土后土體的橫截處理及截面形貌
根據(jù)Murdoch L C等的土體氣力劈裂裂隙擴(kuò)展模型(圖11a),氣爆土體裂隙擴(kuò)展有如下方程關(guān)系[27]
式中()為距氣爆中心處的裂隙寬度,mm;為氣爆中心處的裂隙寬度,mm;R為裂隙半徑,400 mm;為氣爆壓力,0.8 MPa;為氣爆深度,300 mm;為土體彈性模量,緊砂土為80 MPa。
注:為氣爆中心處的裂隙寬度,mm;為裂隙擴(kuò)展距氣爆中心的距離,mm;()為距氣爆中心處的裂隙寬度,mm;R為裂隙半徑,mm;為氣爆深度,mm。
Note:is the width of soil fracture at the gas explosion centre, mm;is the distance from the gas explosion center, mm;() is the width of soil fracture atdistance from the gas explosion center, mm;Ris the radius of soil fracture, mm;is the gas explosion depth, mm.
圖11 氣爆松土的裂隙擴(kuò)展模型及土體擾動(dòng)示意圖
Fig.11 Soil fracture extension model and soil perturbation diagram by gas explosion subsoiling
根據(jù)公式(15)求得氣爆中心處的理論裂隙寬度為3.6 mm,這與實(shí)際最大裂寬度相符。對(duì)于氣爆后土體擾動(dòng)特性,可借鑒鏟式深松后的土壤擾動(dòng)分析方法,采用土壤擾動(dòng)系數(shù)表示[28],則有
式中為深松前地表線與實(shí)際深松地底線間的土方,m3;為深松前地表線與理論深松地底線間的土方,m3。
根據(jù)Murdoch L C理論模型,高壓氣流在噴口中心使土體沿徑向劈裂,并向外輻射,形成以最大劈裂半徑R為半徑的球體擾動(dòng)區(qū)(圖11b),因此公式(16)可寫(xiě)成
將R=0.4 m,=0.3 m代入上式求得土壤擾動(dòng)系數(shù)為50.11%。一般傳統(tǒng)鏟式深松作業(yè)后的土壤擾動(dòng)系數(shù)約為45%[29],因此采用氣爆松土工藝對(duì)土壤的擾動(dòng)效果好,且不破壞土層結(jié)構(gòu),對(duì)樹(shù)木根系傷害小,利于根系生長(zhǎng)。
試驗(yàn)在剖面注射孔向外平移10 cm繼續(xù)鉆孔深至500 mm并注肥(圖12),以觀測(cè)高壓作用下的液態(tài)有機(jī)肥在土體中的擴(kuò)散情況,從圖中飛濺的液珠可以看出,在1.2 MPa的液力條件下,液肥在500 mm深土層中可從注射機(jī)構(gòu)中無(wú)堵塞地在土內(nèi)擴(kuò)散,且擴(kuò)散均勻,能滿足果園液肥注射的作業(yè)要求。
圖12 高壓注液肥效果
試驗(yàn)在梨園地進(jìn)行,機(jī)具在梨園行距中間行駛作業(yè),根據(jù)樹(shù)根生長(zhǎng)特點(diǎn),松土注肥點(diǎn)位于行距內(nèi)兩樹(shù)連線上距離樹(shù)樁約1 m處,在完成一行距的作業(yè)后,機(jī)具轉(zhuǎn)至鄰行繼續(xù)作業(yè),這樣每棵樹(shù)的松土施肥點(diǎn)為2個(gè),以確保施肥的均勻性。機(jī)具作業(yè)時(shí),左、右松土注肥機(jī)構(gòu)同時(shí)工作,記兩機(jī)構(gòu)同時(shí)完成鉆土、松土、注肥、回桿四步工序?yàn)橐唤M試驗(yàn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),在施肥深度50 cm、單機(jī)構(gòu)注肥量1 L/次的情況下,機(jī)具完成30組試驗(yàn)所需時(shí)間為30 min,其中,機(jī)具完成四步工序約50 s/次,拖拉機(jī)啟停約10 s/次。經(jīng)計(jì)算,上述條件下的機(jī)具工作效率為0.048 hm2/h。根據(jù)施肥工藝的不同,機(jī)具工作效率也不同,若單顆樹(shù)僅需一個(gè)施肥點(diǎn)或施肥深度小于50 cm,其工作效率將提高,所以本機(jī)具的作業(yè)效率至少0.048 hm2/h。
1)本文所設(shè)計(jì)的3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī),實(shí)現(xiàn)了果園松土、注肥聯(lián)合作業(yè),滿足果園種植農(nóng)藝要求。改變傳統(tǒng)先開(kāi)溝、后倒肥、再覆土的作業(yè)方式,機(jī)具松土、注肥一次作業(yè),使果園常年不翻耕的板土得到深松,增加土壤透氣性,降低土層結(jié)構(gòu)破壞的程度,對(duì)樹(shù)木根系無(wú)傷害,注肥無(wú)堵塞,擴(kuò)散均勻,利于果樹(shù)生長(zhǎng)。
2)提出氣爆松土注肥的作業(yè)方式,采用液力輔助氣鏟激振的鉆桿結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)鉆桿的快速鉆土及回升。建立了液力輔助氣鏟鉆土的力學(xué)模型,優(yōu)化了鉆頭構(gòu)型參數(shù)及氣鏟選型,優(yōu)化后的鉆頭錐角為60°、鉆桿圓柱半徑為12.5 mm、氣鏟選用C7型。優(yōu)化結(jié)果為鉆土機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。
3)機(jī)具采用基于PLC控制的多旋鈕開(kāi)關(guān)操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了機(jī)具的手動(dòng)、自動(dòng)控制作業(yè),一鍵操作可完成鉆桿鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升四步操作,簡(jiǎn)單快捷,機(jī)具作業(yè)效率至少0.048 hm2/h。
4)氣爆作用在土體內(nèi)產(chǎn)生裂隙并擴(kuò)散,300 mm鉆深、0.8 MPa氣爆壓力下的土體最大裂隙寬約3~4 mm,裂隙擴(kuò)展擾動(dòng)半徑約400 mm,土壤在氣爆下發(fā)生擾動(dòng),擾動(dòng)系數(shù)達(dá)50.11%,優(yōu)于鏟式深松,深松效果顯著。
[1] 農(nóng)業(yè)部. 2016年我國(guó)水果行業(yè)產(chǎn)量、消費(fèi)量以及供需平衡表預(yù)測(cè)[EB/OL]. 2016-09-16[2016-09-16]. http://www. chinaidr.com/news/2016-09/103777.html.
[2] Sanders K F. Orange harvesting systems review[J]. Biosystems Engineering, 2005, 90(2): 115-125.
[3] 劉彪,肖宏儒,宋志禹,等. 果園施肥機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(11):263-268.
Liu Biao, Xiao Hongru, Song Zhiyu, et al. Present state and trends of fertilizing machine in orchard[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(11): 263-268. (in Chinese with English abstract)
[4] 王旭東,邱立春,王瑞麗,等. 1LQ-40型開(kāi)溝扶壟犁性能試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(7):170-172.
Wang Xudong, Qiu Lichun, Wang Ruili, et al. The performance of 1LQ-40 ditch and furrow plough test and research[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(7): 170-172. (in Chinese with English abstract)
[5] 劉迎春,楊有剛. 鏈刀前置后傾式開(kāi)溝機(jī)的平衡理論[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(10):70-72.
Liu Yingchun, Yang Yougang. Equilibrium theory of chain ditcher with sloping from ahead to behind and preceding cutter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2005, 36(10): 70-72. (in Chinese with English abstract)
[6] 葉強(qiáng),謝方平,孫松林,等. 葡萄園反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開(kāi)溝機(jī)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(3):9-15.
Ye Qiang, Xie Fangping, Sun Songlin, et al. Development of vineyard ditcher with reversal twin rotary tillage wheels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 9-15. (in Chinese with English abstract)
[7] 康建明,李樹(shù)君,楊學(xué)軍,等. 圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)作業(yè)功耗分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(13):8-15.
Kang Jianming, Li Shujun, Yang Xuejun, et al. Experimental verification and simulation analysis on power consumption of disc type ditcher[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(13): 8-15. (in Chinese with English abstract)
[8] 張泉泉,李萍萍,朱長(zhǎng)順,等. 立式螺旋開(kāi)溝器土槽試驗(yàn)裝置[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014,32(8):725-729.
Zhang Quanquan, Li Pingping, Zhu Changshun, et al. Soil-bin test device of vertical spiral opener[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2014, 32(8): 725-729. (in Chinese with English abstract)
[9] 肖宏儒,趙映,丁文芹,等. 1KS60-35X型果園雙螺旋開(kāi)溝施肥機(jī)刀軸設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(10):32-39.
Xiao Hongru, Zhao Ying, Ding Wenqin, et al. Design and experiment on blade shaft of 1KS60-35X type orchard double-helix trenching and fertilization machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 32-39. (in Chinese with English abstract)
[10] 馬晨,蒙賀偉,坎雜,等. 果園有機(jī)肥深施圓盤(pán)開(kāi)溝機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(10):12-17.
Ma Chen, Meng Hewei, Kan Za, et al. The research current situation and development countermeasure of the orchard organic fertilizer deep application of disc ditching machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(10): 12-17. (in Chinese with English abstract)
[11] 劉雙喜,張宏建,王金星,等. 果園開(kāi)溝施肥機(jī)導(dǎo)肥機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2017,38(7):45-53.
Liu Shuangxi, Zhang Hongjian, Wang Jinxing, et al. Optimization design of fertilizer-guiding mechanism for orchard ditching and fertilizing machine[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(7): 45-53. (in Chinese with English abstract)
[12] 康建明,李樹(shù)君,楊學(xué)軍,等. 密植果園開(kāi)溝施肥機(jī)開(kāi)溝刀片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2017,48(2):68-74.
Kang Jianming, Li Shujun, Yang Xuejun, et al. Design and experiment of ditching blade installed in close planting orchard ditching machinery[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(2): 68-74. (in Chinese with English abstract)
[13] 高茂盛,薛少平,廖允成,等. 手扶拖拉機(jī)專用深松機(jī)果園試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(10):35-39,62.
Gao Maosheng, Xue Shaoping, Liao Yuncheng, et al. Experiment of subsoiling technique in apple orchard[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(10): 35-39, 62. (in Chinese with English abstract)
[14] 高茂盛,溫曉霞,黃金輝,等. 耕作方式和秸稈覆蓋對(duì)渭北蘋(píng)果園土壤保蓄水性能及酶活性的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,14(4):91-97.
Gao Maosheng, Wen Xiaoxia, Huang Jinhui, et al. Effect of stubble mulch and tillage managements on apple orchard soil moisture reserves and soil enzyme activity in the Weibei Plateau[J]. Journal of China Agricultural University, 2009, 14(4): 91-97. (in Chinese with English abstract)
[15] 左勝甲. 氣壓深松特性及技術(shù)的試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.
Zuo Shengjia. Experimental Study on the Characteristic and Technology of Air-pressure Subsoiling[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)
[16] 李霞,湯明軍,王維新,等. 氣動(dòng)深松施肥機(jī):201521057267.0[P]. 2016-05-18.
[17] 鄭傳剛,王志民. 一種果園深層土壤輸氧松土施肥機(jī)及其使用方法:201510392179.4[P]. 2015-07-03.
[18] 竇傳峰. 一種深層松土施肥機(jī):201120276900.0[P]. 2012-03-28.
[19] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 農(nóng)機(jī)具產(chǎn)品型號(hào)編制規(guī)則:JB/T 8574-2013[S]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.
[20] 袁聚云,錢(qián)建國(guó),張宏鳴,等. 土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M]. 北京:人民交通出版社,2001.
[21] 劉杰. 沖擊式月壤剖面貫入器潛入負(fù)載特性研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.
Liu Jie. Research on Penetrating Load Characteristics of Hammer-driven Penetrator for Lunar Exploration[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2016. (in Chinese withEnglish abstract)
[22] 余友泰,蔣建鵬. 土壤、作物種實(shí)和各種脫出物對(duì)鋼板、鑄鐵、和木板等的摩擦系數(shù)的測(cè)定[J]. 東北農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1957(1):1-11.
[23] 孫曉東,王丹. 土的粘聚力取值分析[J]. 遼寧建材,2010(3):39-41.
[24] 張義民. 機(jī)械振動(dòng)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2007.
[25] 韓幫軍,季馨. 基于MATLAB的風(fēng)鎬氣室壓力信號(hào)的計(jì)算機(jī)仿真[J]. 電子機(jī)械工程,2001,16(3):33-36.
Han Bangjun, Ji Xin. The computer simulation of the gas cabinet pressure of the air pick based on MATLAB[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2001, 16(3): 33-36. (in Chinese withEnglish abstract)
[26] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 氣鏟: JB/T 8412-2016[S]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2016.
[27] Murdoch L C, Slack W W. Forms of hydraulic fractures in shallow fine-grained formations[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002, 128(6): 479-487.
[28] 中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部. 深松整地聯(lián)合作業(yè)機(jī):JB/T 10295-2014[S]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.
[29] 陳興和,孫超,劉輝. 深松機(jī)主要作業(yè)質(zhì)量測(cè)試方法對(duì)比[J]. 農(nóng)業(yè)工程,2017,7(2):9-13.
Chen Xinghe, Sun Chao, Liu Hui. Comparative of main operation quality test methods for deep loosening machine[J]. Agricultural Engineering, 2017, 7(2): 9-13. (in Chinese withEnglish abstract)
Optimal design and experiment of 3SFBQ-500 type orchard gas explosion subsoiling and fertilizer injection machine
Xi Xiaobo1,2, Zhang Ruihong1※, Shan Xiang1, Jin Yifu1,Zhang Jianfeng1
(1.225127,; 2.,225127,)
At present in the orchard fertilization process, the most widely used method is ditching and fertilizing method. However, orchard ditching and fertilizing technology has a series of problems, such as easy damage to tree roots, high energy consumption and uneven fertilizing. Meanwhile, soil compaction frequently exists in orchard land due to no farming in long years, which is not beneficial for rainwater leakage and nutrient transport in soil, so there is a great need to develop a new kind of fertilization machine. In this context, a 3SFBQ-500 type gas explosion subsoiling and fertilizer injection machine was designed, which used high pressure gas to shock soil body and then injected fertilizer. The drill pipe mechanism with pneumatic chipping hammer excitation and hydraulic assistance was designed to drill the soil, and the maximum drilling depth reached 500 mm. The dynamical model and kinematical equation of soil drilling by pneumatic chipping hammer with hydraulic assistance were established, and force analysis of drill pipe during soil drilling process was performed. The drill bit structure parameters were optimized as taper angle of 60° and pipe radius of 12.5 mm. An economical multi-knob switch control system was made to improve the equipment automation degree and reduce the intensity of labor operations, which could make the machine operations controlled manually and automatically. The working processes of soil drilling, gas explosion subsoiling, liquid fertilizer injection and drill pipe rebound were completed in a key operation. Then the 3D (three-dimensional) model of the whole machine was established using SolidWorks software. On this foundation, the machine prototype was produced. Afterwards, field experiments were carried out, and the results showed that soil fractures were created by gas explosion. Under the condition of 0.8 MPa gas pressure and 300 mm drilling depth, the maximum breadth of fractures was about 3-4 mm, the extension disturbance radius of fractures about 400 mm. In addition, the soil perturbation happened after gas explosion, and the soil perturbation coefficient was 50.11%, which was calculated by gas-splitting soil fracture extension model of Murdoch L C. What was more, the liquid fertilizer was sprayed in deep soil with no stoppage and diffused uniformly in the role of high pressure pump. This new designed machine abandoned the traditional operation mode of first ditching, then fertilization, and then covering the soil, while adopted the new operation mode of gas explosion subsoiling and fertilizer injection. So the tree roots were not easily damaged and the fertilizer was evenly distributed, which was conducive to nutrient absorption of root in growth. The work efficiency was 0.048 hm2/h at least. What’s more, with simple operation and stable performance, the new designed machine can meet the agronomic requirements of orchard, garden and city greening fertilization.
optimization; design; agricultural machinery; gas explosion subsoiling; fertigation; pneumatic chipping hammer exciting; hydraulic boosting; PLC
10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.005
S224
A
1002-6819(2017)-24-0035-09
2017-09-08
2017-11-01
國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0700903),江蘇省農(nóng)機(jī)三新工程項(xiàng)目(NJ2017-11)
奚小波,男,江蘇大豐人,博士生,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究。Email:xxbctg@126.com
張瑞宏,男,江蘇江都人,教授,博導(dǎo),主要從事農(nóng)業(yè)工程及裝備研究。Email:zhang-rh@163.com
奚小波,張瑞宏,單 翔,金亦富,張劍峰. 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(24):35-43. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.005 http://www.tcsae.org
Xi Xiaobo, Zhang Ruihong, Shan Xiang, Jin Yifu, Zhang Jianfeng. Optimal design and experiment of 3SFBQ-500 type orchard gas explosion subsoiling and fertilizer injection machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 35-43. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.005 http://www.tcsae.org