山區(qū)烤煙液肥深施機的設(shè)計

周茂茜，李家春，田 莉，張賓賓，張 雷

(貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550025)

0 引言

烤煙是我國經(jīng)濟作物中一項重要的農(nóng)產(chǎn)品，是卷煙生產(chǎn)的主要原料，也是我國出口的大宗農(nóng)產(chǎn)品之一。目前，國內(nèi)農(nóng)機市場中糧食類農(nóng)作物的機械自動化程度較高，但與烤煙生產(chǎn)配套的機械設(shè)備有待發(fā)展。其中，液肥是烤煙生長的關(guān)鍵，不合理的施用引起的資源浪費、效率低下及環(huán)境污染等問題越來越受到重視。所以，在保證煙葉質(zhì)量的同時，如何提高液肥施用效率是當下一項重要課題[1]。

作為烤煙主要產(chǎn)地之一的貴州省，種植面積為18.3萬hm2，占全國種植面積的14.9%，產(chǎn)量占全國的13.0%[2]，規(guī)模較大；但機械化施肥水平不高，煙草施肥環(huán)節(jié)常常由人工施肥或簡單機械施肥，施肥方式的粗放和施肥量的不均常常導(dǎo)致煙草作物燒苗或營養(yǎng)缺失，肥效利用率低，長期會導(dǎo)致土壤肥力失衡和土壤板結(jié)[3]。液肥淺施常導(dǎo)致化肥揮發(fā)、肥效利用率低，不利于作物根系對養(yǎng)分的吸收，達不到增產(chǎn)增收的效果[4]。貴州屬于喀斯特地形，各地海拔高低不一，地貌復(fù)雜，山嶺崎嶇， 溝谷縱橫交錯，坡陡谷深，平地少[5]，且缺乏合適的烤煙液肥深施裝置，一直是困擾山區(qū)烤煙施肥的一個重大問題。為此，針對山區(qū)復(fù)雜地形下的烤煙施肥，研制了一款山區(qū)烤煙液肥深施機，以末端施肥槍對烤煙進行分株施肥，且可根據(jù)田間目標烤煙的具體位置及高度進行調(diào)節(jié)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

目前，田間施用液肥時常用的背負式噴肥器，因容積太小不便于成片區(qū)施肥且背負壓力對勞動力有要求，所以在背負式噴肥器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了改進。該液肥深施機主要由肥液供給裝置、田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置和施肥裝置組成，如圖1所示。

1.四驅(qū)農(nóng)用車 2.太陽能板 3.儲肥罐 4.自動回收絞盤 5.吊桿 6.滑輪 7.輸肥軟管 8.變量控制系統(tǒng) 9.施肥槍 10.繞管機圖1 山區(qū)烤煙液肥深施機結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of deep application machine for flue-cured tobacco fertilizer in mountainous area

其中，肥液供給裝置由儲肥罐、過濾器、手動閥、電磁閥、輸液管路及液泵等部件組成；田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置由自動回收絞盤、調(diào)節(jié)吊桿、轉(zhuǎn)動機構(gòu)及三腳架等組成；施肥裝置主要由變量控制系統(tǒng)和施肥槍組成。

山區(qū)烤煙液肥深施機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 山區(qū)烤煙液肥深施機主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of deep application machine for flue-cured tobacco liquid fertilizer in mountainous area

1.2 工作原理

山區(qū)烤煙液肥深施機由四驅(qū)農(nóng)用車提供動力，施肥時，農(nóng)用車停至田間路上，肥液供給裝置設(shè)在四驅(qū)農(nóng)用車廂內(nèi)；其液泵將罐中肥液依次通過Y型過濾器、手動閥、電磁閥吸入三通管，三通管一出口接輸肥軟管，另一出口通過溢流閥接泄壓回路。農(nóng)用車駕駛室上方設(shè)有太陽能板，為肥液供給裝置提供總動力。

該液肥深施機終端用流量可采集的小桶模擬施肥槍作業(yè)，原理如圖2所示。作業(yè)時，肥液隨輸肥軟管經(jīng)繞管機拖至田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置上，實現(xiàn)遠距離輸肥；輸肥軟管通過寶塔式接頭連接自動回收絞盤，絞盤輸肥軟管末端經(jīng)吊桿上的一組輸肥管限位器與施肥人員手中施肥裝置連接，換壟施肥時自動回收絞盤軟管，經(jīng)外力輕拉可自動收縮，繃緊軟管。施肥裝置依然設(shè)有溢流閥、電磁比例調(diào)節(jié)閥及定量齒輪泵，避免遠距離輸肥時前端的相同管道器件動作滯后，保證遠距離施肥作業(yè)的順暢。施肥裝置控制系統(tǒng)背負于施肥人員腰部，手持施肥槍進行分株施肥。施肥時，由電磁比例調(diào)節(jié)閥進行流量的調(diào)節(jié)，施肥人員只需操作界面上的控制按鈕預(yù)設(shè)流量及施肥槍上的施肥開關(guān)進行施肥，流量達到預(yù)設(shè)流量施肥槍自動關(guān)閉，最終實現(xiàn)精準變量施肥。

圖2 施肥工作原理簡圖Fig.2 The working principle of fertilization

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 肥液供給裝置

肥液供給裝置是本機的起始輸肥裝置，隨四驅(qū)農(nóng)用車停至煙地田間路上，由儲肥罐、輸送管道及泄壓回路組成。其中，儲肥罐呈圓柱形，按照煙農(nóng)施肥經(jīng)驗整理得容量需2 000L，罐中液肥雜質(zhì)易沉淀，故需要攪拌功能。傳統(tǒng)攪拌方式均采用電機攪拌，通常在施肥作業(yè)連續(xù)進行時采用；本機針對山區(qū)烤煙分株施肥，工作有間歇期，故設(shè)計了一種新型攪拌方式—泄壓回路攪拌法。工作時，設(shè)備液泵持續(xù)不斷工作，前端施肥間歇工作；因間歇期管路壓力明顯增大，溢流閥便開始工作，回路開始泄壓，肥液再次回到儲肥罐，起到攪拌肥液的作用。肥液供給裝置和農(nóng)用車裝配結(jié)構(gòu)建模如圖3所示。

圖3 肥液供給裝置三維建模Fig.3 The three-dimensional modeling of fertilizer and liquid supply device

2.1.1 肥液供給裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

肥液供給裝置的輸送管道由Y型過濾器、手動閥、電磁閥、液泵及轉(zhuǎn)接接頭組成。其中，Y型過濾器輸送有雜質(zhì)的液體必需的一種過濾裝置，一般置于液體入口端，過濾掉液體中的雜質(zhì)，起到保護閥門、泵等管路器件的作用。在儲肥罐與泵之間依次連接手動閥和電磁閥，手動閥便于設(shè)備維修時使用，電磁閥的通斷滿足施肥人員肥液的間歇需求。輸肥裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.Y型過濾器 2.手動閥 3.電磁閥 4.液泵 5.三通管 6.回路溢流閥 7.儲肥罐圖4 肥液供給裝置結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of fertilizer conveying device

2.1.2 輸肥裝置主要參數(shù)設(shè)計

輸送管道是輸肥裝置設(shè)計的核心部分，而設(shè)計管路的基礎(chǔ)是要確定管徑和壁厚的兩個基本參數(shù)。其中，管徑主要由管內(nèi)流體的流量和流速同時決定：管徑太大，設(shè)備質(zhì)量和成本隨之加大；管徑太小容易引起管內(nèi)流速增大，升溫快，能損快，最終產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，引起流體泄漏、管道震動和噪聲等問題[6]。

管內(nèi)允許流體流速是計算管徑的重要參數(shù)，在壓力管路中，一般取ν=2～7m/s。壓力較高或者管道較短時取大值，壓力較低或者管道較長時取小值。因本機液泵的壓力較高且輸送管道較短，故取肥液流速為5m/s，管道內(nèi)徑計算公式為

式中d—管徑(mm)；

q—流經(jīng)管路最大流量(L/min)；

v—管路允許流速(m/s)。

本設(shè)備采用流量1 560L/h的液泵，分別將管路允許流速和管路最大流量帶入上述公式，且按有關(guān)標準圓整可得管徑d=15mm。

對于金屬管件，還要按受拉伸壁筒公式計算壁厚，管道壁厚由管徑、最大工作壓力和管道許用應(yīng)力共同決定。因壁厚過小管道安全性降低，過大設(shè)備成本和質(zhì)量隨之增大，所以要合理設(shè)計管道壁厚[7]。管道壁厚計算公式為

式中δ—金屬管壁厚(mm)；

d—管路內(nèi)徑(mm)；

p—管內(nèi)最高工作壓力(MPa)。

本設(shè)備液肥具有一定的酸堿性，故選用管路材質(zhì)為304不銹鋼材質(zhì)，管路內(nèi)徑和最大工作壓力已知，將以上條件代入公式可得管道壁厚δ=1.642mm，根據(jù)國標選擇壁厚2.5mm，管道元件通徑和管道壁厚由此確定。

2.2 田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置

施肥裝置在田中通過加長輸肥軟管與肥液供給裝置連接進行施肥，施肥作業(yè)要求如下：①在施肥范圍內(nèi)保證輸肥軟管不能壓塌煙葉；②可在該裝置方圓50m范圍內(nèi)全方位施肥；③田間輸肥軟管長度可伸縮。為滿足上述要求，對本機核心部件—田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。主要由三腳架、轉(zhuǎn)動機構(gòu)、自動回收絞盤及可調(diào)節(jié)吊桿等組成。其中，選用自動回收絞盤軟管經(jīng)外力輕拉可自動收縮，繃緊軟管。自動回收絞盤如圖6所示。為使該裝置在田間穩(wěn)定固定，在三腳架的下端焊接有支撐腳，支撐腳與土壤間用鉆地螺栓連接，根據(jù)田間試驗，三腳架高度設(shè)計為1.5m；且中間的立柱設(shè)有一組插銷孔，可通過U型插銷進行該裝置0.5m范圍內(nèi)的高度調(diào)節(jié)，避免輸肥管起始高度較低導(dǎo)致遠距離施肥時輸肥軟管壓塌煙葉。

1.輸肥軟管 2.定滑輪限位器 3.吊桿 4.固定滑槽 5.自動回收絞盤 6. 支撐板 7.轉(zhuǎn)動機構(gòu) 8.三腳架 9.立柱圖5 田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of field adaptive adjustment device

圖6 自動回收絞盤Fig.6 Automatic recovery capstan

該裝置中A(見圖5)處轉(zhuǎn)動機構(gòu)如圖7所示。其包括與立柱頂端連接為一體的臺階軸，在臺階軸上由下至上依次套有推力球軸承、支撐框架及圓錐滾子軸承，且圓錐滾子軸承的外圈與支撐框架內(nèi)的軸承套筒過盈配合，支撐板固定安裝在支撐框架的頂部；通過推力球軸承和圓錐滾子軸承的組合，起到承載力作用的同時保證轉(zhuǎn)動效果；施肥槍可隨施肥人員圍繞田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置360°轉(zhuǎn)動實現(xiàn)成片區(qū)施肥。

該裝置中B(見圖5)處的可調(diào)節(jié)吊桿由支撐板、固定滑槽、吊桿等組成，如圖8所示。其中，支撐板通過螺栓固定在轉(zhuǎn)動機構(gòu)上，支撐板的頭部為圓盤形結(jié)構(gòu)，支撐板的頭部圓周上有3組定位孔，在固定滑槽上設(shè)有與定位孔對應(yīng)的銷釘孔，銷釘穿過定位孔和銷釘孔后將固定滑槽與支撐板固定連接。

1.立柱 2.推力球軸承 3.臺階軸 4.支撐框架 5.圓錐滾子軸承 6.軸承套筒圖7 A處轉(zhuǎn)動機構(gòu)Fig.7 Rotating mechanism at point A

1.轉(zhuǎn)動機構(gòu) 2.支撐板 3.固定滑槽 4.定位孔 5.轉(zhuǎn)軸 6.U型插銷 7.銷釘 8.吊桿圖8 B處可調(diào)節(jié)吊桿結(jié)構(gòu)Fig.8 The derrick structure can be adjusted at point B

裝置桿件結(jié)構(gòu)材料均采用鋁合金-5A06鋁板進行加工制造，為Al-Mg系防銹鋁,具有較高的強度和腐蝕穩(wěn)定性。其中，吊桿可調(diào)節(jié)自身角度，調(diào)節(jié)角度為30°、45°、60°，根據(jù)實際施肥范圍決定輸肥軟管起始高度調(diào)節(jié)吊桿角度，避免在施肥過程中輸肥軟管因重力作用壓塌煙葉。吊桿是整個田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置的受力桿，根據(jù)田間試驗及優(yōu)化設(shè)計，吊桿長5.6m；采用中空結(jié)構(gòu),厚度2mm。施肥作業(yè)時從前端的20kg的自動回收絞盤拉出輸肥軟管，穿過吊桿上的一組定滑輪限位器(均勻分布6個)直至拉至地面與施肥裝置連接進行施肥，施肥過程吊桿前端承受絞盤壓力，末端承受軟管拉力，故需對吊桿進行強度分析。

吊桿的強度分析應(yīng)建立在極限位置處方圓50m內(nèi)，故將施肥槍帶動輸肥軟管拉至水平距離離該裝置25m處進行吊桿末端受力的測定試驗。吊桿將角度調(diào)節(jié)至30°、45°、60°，實驗結(jié)果如表2所示。其應(yīng)力、應(yīng)變及整體變形云圖如圖9～圖11所示。

表2 調(diào)節(jié)吊桿實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of adjusting derrick

由表2可知：末端滑輪處所受拉力最大為60N，故僅需將調(diào)節(jié)至30°吊桿的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行靜應(yīng)力分析。由圖9可知：最大應(yīng)力58.63MPa出現(xiàn)在U型銷與固定滑槽相連接處，小于160MPa；由第四強度理論可知，吊桿強度滿足設(shè)計要求，且有足夠的應(yīng)力儲備，所以設(shè)計是安全可靠的[8]。

圖9 等效應(yīng)力云圖Fig.9 The cloud map of equivalent stress

圖10 等效應(yīng)變云圖Fig.10 The equivalent strain cloud diagram

從圖10和圖11可知：吊桿最大應(yīng)變量出現(xiàn)位置與最大應(yīng)力出現(xiàn)位置相同，最大應(yīng)變值為0.000 84，應(yīng)變量較?。徽w最大變形出現(xiàn)吊桿末端，最大變形值為78.01mm，可知吊桿整體變形量較小，其剛度滿足靜力作用下結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

圖11 整體變形云圖Fig.11 The overall deformation cloud map

2.3 施肥裝置設(shè)計

深根施肥的常見機械方式主要是刨坑施肥，容易對毛細根系造成損傷，而毛細根系則是作物吸收養(yǎng)分的主要部分，所以采用施肥槍深根施肥，可保證整個施肥過程中的肥液集中且位置恰當，最終實現(xiàn)烤煙增產(chǎn)。施肥裝置由電磁比例調(diào)節(jié)閥、溢流閥、定量齒輪泵及施肥槍組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2中施肥裝置系統(tǒng)所示。

槍結(jié)構(gòu)主要由手持槍把、手動開關(guān)、按鈕開關(guān)、施力手柄、槍桿、施力腳柄、槍尖及噴水孔組成，施肥槍總高1.08m，如圖12所示。

1.輸肥軟管接頭 2.槍把 3.按鈕開關(guān) 4.手動開關(guān) 5.施力手柄 6.流量傳感器 7.槍把 8.施力腳柄 9.槍頭 10.噴肥孔 11. 槍尖圖12 施肥槍結(jié)構(gòu)圖Fig.12 The fertilizer gun structure drawing

槍把頂端有與輸肥管接頭相連的螺栓，槍尖處有一組噴肥孔(4個)，加力腳柄處可加力且可限制施肥深度[9]，施肥深度設(shè)計根據(jù)烤煙要求最高可達0.2m。其中，施肥槍上的按鈕是施肥控制系統(tǒng)電磁閥的通電開關(guān)，即施肥開關(guān)，施肥人員開啟施肥開關(guān)后，控制系統(tǒng)在流量傳感器采集到預(yù)設(shè)流量后自動斷電，電磁閥關(guān)閉，實現(xiàn)變量施肥。施肥槍上的手動開關(guān)可在控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時進行機械施肥，最終實現(xiàn)施肥槍的手動和自動施肥。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)施肥槍變量施肥，變量控制系統(tǒng)背負在施肥人員腰部，通過施肥槍上的施肥開關(guān)按鈕即可進行施肥動作。該控制系統(tǒng)以單片機為控制單元，以電磁比例調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行元件[10]。通過設(shè)置單片機的PWM控制寄存器產(chǎn)生脈沖可調(diào)的PWM波，對電磁比例調(diào)節(jié)閥的輸入電壓進行脈沖調(diào)制；因電壓不同，電磁閥開度不同，流量輸出也就不同，最終實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。單片機通過流量傳感器采集實際流量信號,根據(jù)該信號在其內(nèi)部采用數(shù)字PID算法對PWM控制寄存器的值進行修改,從而實現(xiàn)精準變量控制[11]。

本系統(tǒng)選用的單片機模塊是STC89C52RC芯片，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8kB字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。控制部分主要完成電磁比例閥的驅(qū)動，由鍵盤輸入預(yù)設(shè)施肥量且通過LCD的顯示；執(zhí)行部分完成電磁比例閥的調(diào)節(jié)，可接收經(jīng)單片機D/A轉(zhuǎn)換后的電壓信號[12]?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖13所示。

圖13 硬件系統(tǒng)組成框圖Fig.13 Hardware system composition block diagram

該控制器的軟件程序由C語言編寫，并應(yīng)用德國Keil公司開發(fā)的Keil uVision5軟件對程序進行編譯，程序流程如圖 14所示[13]?？刂七^程僅需施肥前進行流量調(diào)節(jié)，按鈕操作并通過LCD屏顯示預(yù)設(shè)流量值；然后，按施肥槍開關(guān)按鈕給電磁比例調(diào)節(jié)閥通電，直至流量傳感器檢測且通過PID算法修正流量達到預(yù)設(shè)流量值，系統(tǒng)自動關(guān)閉，從而實現(xiàn)精準變量施肥。

圖14 控制系統(tǒng)流程圖Fig.14 Flow chart of control system

4 試驗結(jié)果

山區(qū)烤煙液肥深施機開始工作時，肥液供給裝置停至貴州山區(qū)田間路上，田間自適應(yīng)調(diào)節(jié)裝置通過鉆地螺栓將之固定于地里，施肥控制系統(tǒng)背負于腰間，手持施肥槍進行施肥作業(yè)。根據(jù)煙農(nóng)經(jīng)驗及貴州省煙草科學(xué)研究院所給數(shù)據(jù)，烤煙生長期所需肥料最低需要50mL/株，最高需要250mL/株，施肥量根據(jù)生長期不同，所需肥料也不同。本試驗采用容量為250mL的量筒測量噴肥量，施肥槍將液肥噴施至量筒內(nèi)，在按鈕操作界面中預(yù)設(shè)施肥量后，啟動電磁比例調(diào)節(jié)閥和齒輪定量泵，測量實際施肥量，設(shè)定5組預(yù)設(shè)值，每組預(yù)設(shè)值對應(yīng)的實際施肥量均采集3次取平均值，測得施肥量偏差及施肥精度。試驗結(jié)果與分析如表3所示。

表3 施肥槍實驗結(jié)果與分析Table 3 Results and analysis of fertilizer gun experiments

續(xù)表3

從表中3可看出：施肥精度最高可達97.7%，最低可達95.3%。這表明施肥槍控制系統(tǒng)設(shè)計合理，可滿足山區(qū)復(fù)雜地貌的烤煙施肥。其產(chǎn)生誤差的主要原因是長距離輸肥的管路器件及電磁比例調(diào)節(jié)閥動作滯后。

5 結(jié)論

1)設(shè)計了山區(qū)烤煙液肥深施機，可在山區(qū)復(fù)雜地形田間方圓50m范圍內(nèi)進行施肥。針對受力桿件—吊桿進行靜應(yīng)力分析得知，桿件強度設(shè)計安全可靠，剛度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。

2)該液肥深施機可在作業(yè)過程中根據(jù)所需施肥量進行預(yù)設(shè)調(diào)節(jié)，達到了液肥精準變量施肥的目的。

3)試驗結(jié)果表明：該液肥深施機及其控制系統(tǒng)設(shè)計合理，施肥精度最高可達97.7%，最低可達95.3%，施肥量最大誤差為4.7%，低于煙草行業(yè)規(guī)定的8%。