蕉園自走式壓穴施肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊 洲，張卓偉，李 君，金莫輝，孫健峰

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

香蕉是我國5大經(jīng)濟(jì)糧食作物之一，主要產(chǎn)區(qū)分布在云南、海南、廣西、廣東和福建等省份。2014年，我國香蕉種植面積為39.55萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)到1 179.19萬t，總產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界第二位[1]。香蕉施肥主要采用撒施肥、穴施肥、溝施肥、噴灌及滴灌等方式[2-8]。其中，噴灌與滴灌主要用于施用液體肥料。撒施肥容易造成肥料的浪費(fèi)，受降雨天氣的影響[9]；溝施肥作業(yè)效率高，但容易破壞香蕉根系致其發(fā)病，不利于香蕉的長期生長[10～12]；穴施肥作業(yè)靈活，對(duì)香蕉根系影響小，易于實(shí)現(xiàn)科學(xué)施肥。目前，我國蕉園的穴施肥機(jī)械基本是便攜式穴施機(jī)，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大[5]，因此開發(fā)一種適合蕉園穴施肥的高效作業(yè)機(jī)械，對(duì)于推動(dòng)我國香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。本文基于可變位、變深、變量施肥的設(shè)計(jì)要求，采用壓穴施肥的作業(yè)方式，對(duì)蕉園自走式壓穴施肥機(jī)的關(guān)鍵部件和液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過開展壓穴性能試驗(yàn)和排肥穩(wěn)定性研究，并進(jìn)行主要作業(yè)參數(shù)和試驗(yàn)指標(biāo)之間的多元回歸分析，以期為蕉園變量穴施肥作業(yè)提供參考依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

蕉園自走式壓穴施肥機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)架、電控箱、液壓系統(tǒng)、壓穴機(jī)構(gòu)及施肥機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。工作時(shí)，控制電控箱驅(qū)動(dòng)蕉園自走式壓穴施肥機(jī)行駛至作業(yè)位置，進(jìn)行壓穴施肥作業(yè)；在此過程中，控制系統(tǒng)控制壓穴機(jī)構(gòu)與施肥機(jī)構(gòu)實(shí)施變深、變位、變量施肥。

蕉園種植的窄行1.2～2.0m，寬行約4m，株距1.8～2.5m ，施肥深度200～400mm[10-11,13]。為保證施肥機(jī)在蕉園的通過性，施肥機(jī)縱向和側(cè)向外形尺寸應(yīng)小于1.2m，結(jié)合施肥農(nóng)藝的要求確定施肥機(jī)的壓穴深度應(yīng)在0～400mm區(qū)間可調(diào)[3-4,9-10]。設(shè)計(jì)的蕉園自走式壓穴施肥機(jī)主要參數(shù)，如表1所示。

表1 施肥機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of fertilizer applicator

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 壓穴機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)變深與變位施肥功能，將壓穴部件設(shè)計(jì)成具有垂直和水平方向二自由度平移運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

1.壓頭 2.轉(zhuǎn)接螺母 3.液壓馬達(dá) 4.液壓缸 5.雙向絲桿 6.皮帶 7.滾動(dòng)軸承圖2 壓穴機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of punching mechanism

壓頭與液壓缸通過轉(zhuǎn)接螺母連接，兩液壓缸通過螺釘分別固定在雙向絲杠的兩個(gè)絲桿螺母上，液壓馬達(dá)與雙向絲杠通過帶傳動(dòng)連接。液壓缸驅(qū)動(dòng)壓頭在垂直方向上實(shí)現(xiàn)變深的壓穴運(yùn)動(dòng)，而雙向絲杠可實(shí)現(xiàn)壓頭在水平方向的變位。香蕉最大單次施肥量為2.0kg/株[3-5,10-11]，肥料顆粒密度在900～1 200g/cm3區(qū)間?；谙憬对耘嗄Ｊ教卣?、施肥農(nóng)藝技術(shù)要求及施肥機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，確定壓頭直徑范圍為30～50mm，長度取400mm。

2.2 施肥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

施肥機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)精量施肥的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。施肥箱固定于機(jī)架，電機(jī)通過轉(zhuǎn)軸連接外槽輪排肥器，施肥管連接施肥套筒與外槽輪排肥器。在施肥作業(yè)時(shí)，電機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)的壓穴深度，實(shí)施定量排肥的精準(zhǔn)控制。

根據(jù)排肥原理，外槽輪每轉(zhuǎn)的排肥量q1按下式計(jì)算，即

(1)

式中d—外槽輪外徑(cm)；

L—槽輪的有效工作長度(cm)；

γ—肥料密度(g/cm3)；

α0—槽內(nèi)肥料充滿系數(shù)；

fq—單個(gè)凹槽的截面積(cm2)；

t—槽輪凹槽節(jié)距(cm)，t=πd/z，z為槽數(shù)。

λ—帶動(dòng)層特性系數(shù)。

fq可由槽輪的幾何圖形求得，如圖3(b)所示。圓弧形凹槽截面積計(jì)算式為

(2)

根據(jù)施肥機(jī)0.15m/s的沉降速度、壓穴深度100～400mm、施肥機(jī)作業(yè)位置2～4個(gè)/株(即8～16個(gè)洞穴每株)，以及香蕉的養(yǎng)分需求[13，16,18]，結(jié)合外槽輪排肥器的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，代入式(1)計(jì)算。取外槽輪外徑d為61.6mm，槽數(shù)z為6，凹槽半徑為9～14mm，槽輪的有效工作長度L為63mm，電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速40～100r/min。

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)由液壓工作站及電控系統(tǒng)組成。液壓工作站的執(zhí)行元件有3個(gè)液壓馬達(dá)及2個(gè)液壓缸，每個(gè)執(zhí)行元件均可單獨(dú)工作。液壓回路如圖4(a)所示，參數(shù)如表2所示。電控系統(tǒng)如圖4(b)所示，核心控制器選用了三菱PLC Fx3U。系統(tǒng)通過觸摸屏進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，PLC根據(jù)給定的操縱指令和傳感器反饋信息，通過控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速、液壓比例換向閥電流及電磁閥通斷，實(shí)現(xiàn)施肥機(jī)進(jìn)退、液壓缸升降和雙向絲杠正反轉(zhuǎn)等功能。

1.施肥管 2.外槽輪排肥器 3.電機(jī) 4.施肥箱 5.液壓缸 6.施肥套筒 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 外槽輪凹槽斷面圖3 施肥機(jī)構(gòu)Fig.3 Fertilizing mechanism表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)Table 2 Parameters of hydraulic system

參數(shù)單位數(shù)值工作壓力MPa24流量m3/s24液壓缸活塞桿直徑mm18液壓缸最大下降速度m/s0.15油管直徑mm6油箱容積m30.05

1.發(fā)動(dòng)機(jī) 2.液壓油箱 3.液壓泵 4.溢流閥 5.兩位兩通電磁閥 6.兩位四通電磁閥 7.液壓馬達(dá) 8.液壓比例換向閥 9.液壓缸 (a) 液壓回路

(b) 電控系統(tǒng)圖4 液壓系統(tǒng)Fig.4 Hydraulic system

3 壓穴性能試驗(yàn)與排肥穩(wěn)定性試驗(yàn)

試驗(yàn)儀器與設(shè)備：土槽試驗(yàn)臺(tái)(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院試制)、拉壓力傳感器(北京龍鼎金陸測控技術(shù)有限公司LDCZL-Z型，500kg)、位移傳感器(北京龍鼎金陸測控技術(shù)有限公司LDPS-L型，0～2000模擬)、重量變送器(北京龍鼎金陸測控技術(shù)有限公司LDST-I(V)-SP型，0～10V)、數(shù)據(jù)采集卡(研華USB-4711A，100ks/s)、土壤硬度計(jì)(浙江托普儀器有限公司TYD-2型)、土壤濕度檢測儀(浙江托普儀器有限公司TZS型),以及夯實(shí)機(jī)(上海嘉本園林設(shè)備有限公司90T汽油嘉陵本田型)。蕉園自走式壓穴施肥機(jī)(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院試制)、電子天平(北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司ALC-210.3型)、非接觸式轉(zhuǎn)速計(jì)(東莞市耀鋒電子設(shè)備有限公司SM2234A型)、PVC管(φ80×500),以及收納盒(300×180×100)。

3.1 壓穴性能試驗(yàn)

施肥效率是衡量壓穴施肥機(jī)性能的重要指標(biāo)，施肥效率與峰值壓穴阻力密切相關(guān)，因此采用峰值壓穴阻力作為壓穴功耗的評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)化壓頭結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建多元線性回歸模型，為壓穴作業(yè)提供決策依據(jù)。試驗(yàn)測量方法：用土壤硬度計(jì)與土壤濕度檢測儀監(jiān)測土壤，翻整土槽試驗(yàn)臺(tái)中的土壤并用夯實(shí)機(jī)夯實(shí)多次，使土壤硬度在300～380N、含水率在20%～25%區(qū)間范圍內(nèi)；啟動(dòng)蕉園自走式壓穴施肥機(jī)進(jìn)行壓穴作業(yè)，通過上位機(jī)采集壓穴過程中的位移和壓力，每處理重復(fù)6次。

壓頭沉降過程的受力曲線如圖5所示。由圖5可知：壓穴過程中的壓穴阻力主要來自壓頭的端部壓力；端部壓力在初始階段與深度呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)端部壓力到一定值后趨于穩(wěn)定；壓穴過程初始階段，壓頭基本沒有摩擦阻力，但沉降一定深度后，摩擦阻力與深度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 壓頭沉降過程受力曲線Fig.5 Force curves of punching head in falling process

3.1.1 單因素試驗(yàn)

以壓穴阻力峰值為指標(biāo)對(duì)壓頭直徑進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)沉降速度0.15m/s，壓頭錐度40°。試驗(yàn)結(jié)果如圖6(a)所示。由圖6可以看出：峰值壓穴阻力與壓頭直徑呈正相關(guān)性。方差分析結(jié)果表明：壓頭直徑對(duì)壓穴阻力峰值有極顯著影響(sig.<0.01)。

以壓穴阻力峰值為指標(biāo)對(duì)壓頭錐度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)沉降速度0.15m/s，壓頭直徑30mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖6(b)所示。由圖6可知：峰值壓穴阻力與壓頭錐度呈正相關(guān)性，減少錐度能有效降低施肥機(jī)作業(yè)能耗。方差分析結(jié)果表明：壓頭錐度對(duì)壓穴阻力峰值有極顯著影響(sig.<0.01)。

以壓穴阻力峰值為指標(biāo)對(duì)壓頭沉降速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)壓頭直徑30mm，壓頭錐度40°。試驗(yàn)結(jié)果如圖6(c)所示。方差分析結(jié)果表明壓頭沉降速度對(duì)壓穴阻力峰值無顯著影響(sig.>0.05)。

(a) 壓頭直徑

(b) 壓頭錐度

(c) 沉降速度圖6 峰值壓穴阻力單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Single factor test results of peak punching resistance

3.1.2 多元回歸試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：壓穴阻力峰值受壓頭直徑、壓頭錐度的影響極顯著，而壓頭沉降速度對(duì)峰值壓穴阻力無顯著影響；基于施肥效率最大化的要求，確定壓頭錐度40°和壓頭沉降速度0.15m/s為壓穴機(jī)構(gòu)的最佳參數(shù)組合。以峰值壓穴阻力y為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行回歸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 回歸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Regression test results

采用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，計(jì)算得峰值壓穴阻力在因素空間范圍內(nèi)的回歸方程,即

y=18.227x1+23.752x2-478.254

(3)

其中，x1為沉降深度(mm)；x2為壓頭直徑(mm)；相關(guān)系數(shù)R2=0.873。

實(shí)際施肥過程中，可根據(jù)香蕉植株的施肥量要求以及施肥機(jī)的載重狀況，由式(3)選定不同沉降深度和壓頭直徑組合，進(jìn)而完成變深、變位和變量施肥的參數(shù)組合決策。

3.2 排肥穩(wěn)定性試驗(yàn)

排肥穩(wěn)定性是衡量施肥機(jī)作業(yè)效果的重要指標(biāo)。排肥穩(wěn)定性試驗(yàn)采用排肥量的變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于描述在相同工作條件下排肥量的變異程度。試驗(yàn)方法：啟動(dòng)蕉園自走式壓穴施肥機(jī)進(jìn)行壓穴施肥作業(yè)，使壓穴機(jī)構(gòu)的壓頭下降直至穿過收納盒，施肥機(jī)構(gòu)的電機(jī)按預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速與時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)將定量的肥料排出并積于施肥套筒內(nèi)，壓穴壓頭抬起使肥料落入PVC管內(nèi)，如圖4所示。記錄落入PVC管內(nèi)肥料的質(zhì)量，每處理重復(fù)6次。

變異系數(shù)的計(jì)算公式為

(4)

其中，C.V為變異系數(shù)(%)；S為樣本施肥量標(biāo)準(zhǔn)差(g)；X為樣本施肥量平均值(g)。

1.液壓缸 2.肥料 3.壓穴壓頭 4.土壤 5.PVC管 6.收納盒 7.施肥套筒圖7 施肥試驗(yàn)原理圖Fig.7 Schematic diagram fertilizing test

由文獻(xiàn)[14-18]可知：外槽輪轉(zhuǎn)速、排肥量和螺旋升角均對(duì)排肥器的排肥變異系數(shù)有顯著影響。為研究施肥機(jī)的排肥穩(wěn)定性，進(jìn)行了三元一次回歸正交試驗(yàn)，試驗(yàn)的水平編碼表如表4所示，結(jié)果如表5所示。

用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，計(jì)算得施肥量變異系數(shù)的回歸方程為

y=5.907+1.3x2-6.35x3-0.625x1x2-

1.35x1x3-0.325x2x3

(5)

其中，x1為外槽輪轉(zhuǎn)速(r/min)；x2為施肥量(g)；x3為外槽輪螺旋升角(°)。

當(dāng)施肥量與外槽輪參數(shù)一定時(shí)，根據(jù)式(5)可確定施肥穩(wěn)定性最佳的電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而為施肥的決策提供參考。

表4 因素水平編碼表Table 4 Coding of factors and levels

表5 回歸試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 5 Scheme and results of regression test

4 結(jié)論

1)壓頭的直徑和錐度均對(duì)峰值壓穴阻力的影響極顯著，呈正相關(guān)關(guān)系，減少錐度能有效降低施肥機(jī)作業(yè)能耗。

2)峰值壓穴阻力與沉降深度、壓穴壓頭直徑之間的關(guān)系式為

y=18.227x1+23.752x2-478.254

3)施肥量變異系數(shù)與外槽輪轉(zhuǎn)速、外槽輪螺旋升角、施肥量之間的關(guān)系式為

y=5.907+1.3x2-6.35x3-0.625x1x2-

1.35x1x3-0.325x2x3