大寬幅對行施肥施藥車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陸榮超 ，奚小波 ,3，陶德清 ，吳 飛 ，張劍峰 ，金亦富 ,3，龔俊杰 ，張瑞宏 ,3

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院/江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)工程中心，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州225300；3.南京沃楊機(jī)械科技有限公司，南京 211200；4.無錫卡爾曼導(dǎo)航技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214000）

我國是農(nóng)業(yè)大國，以稻谷小麥玉米為主的糧食作物播種面積超過1.12億hm2，2016年全國糧食產(chǎn)量達(dá)6.16億t[1-2]。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，化肥對糧食產(chǎn)量的綜合貢獻(xiàn)率達(dá)50%～60%，我國則是世界上化肥生產(chǎn)量和施用量最大的國家，但一直存在化肥施用粗放、養(yǎng)分不均衡等問題，導(dǎo)致肥料利用率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重和土壤品質(zhì)下降[3-6]。受病蟲害影響，全國農(nóng)藥制劑使用量超過100萬t[7]。在防治病蟲害時(shí)，由于手動和機(jī)動彌霧器等小型施藥機(jī)械在我國大量使用[8]，其作業(yè)精度差且成霧藥滴直徑大，藥滴易從葉片表面滾落，導(dǎo)致農(nóng)藥利用率僅為30%～35%，近70%農(nóng)藥流失，造成環(huán)境污染，嚴(yán)重制約了我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[9-10]。

隨著農(nóng)村勞動力不斷涌入城市[11]，專門從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人員越來越少，勞動成本在不斷攀升，人們對高效率施肥施藥技術(shù)與裝備的需求越來越高。王榮等[12]設(shè)計(jì)了自平衡精量施肥施藥植保機(jī)，通過氣流輸送顆粒狀肥料，工作幅寬可在2～16m調(diào)節(jié)。王佳文等[13]設(shè)計(jì)了自動調(diào)平噴桿式噴藥機(jī)，利用彈簧和阻尼器調(diào)平噴桿，可實(shí)現(xiàn)寬幅工作。陳書法等[14]研發(fā)了一種水田高地隙自走式變量撒肥機(jī)，設(shè)計(jì)了高地隙專用底盤、撒肥盤及排肥口調(diào)節(jié)裝置，可滿足水田變量撒肥工作要求。陳雄飛等[15]設(shè)計(jì)2BDF-3.0型同步深施肥水稻穴直播機(jī)，可一次性完成開溝、起壟、播種、深施肥、覆土蓋肥等工序。目前，國內(nèi)施肥施藥的技術(shù)研究多集中于精準(zhǔn)施藥和精量施肥，現(xiàn)有的植保機(jī)械主要存在施肥幅寬小、大幅寬施藥裝備滿撒利用率低等問題，且施肥施藥功能集成使用較少，需分時(shí)作業(yè)和分機(jī)具作業(yè)，增加了作業(yè)成本，作業(yè)效率提高十分有限。本研究提出了對行距離及作業(yè)高度可調(diào)、施肥施藥集成化同步作業(yè)的大寬幅對行施肥施藥車的設(shè)計(jì)，并試制了樣機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

圖1 機(jī)體結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure diagram of the machin

大寬幅對行施肥施藥車主要由拖拉機(jī)、發(fā)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、肥料箱、藥液箱、鋤草部件、噴霧機(jī)構(gòu)、液壓缸、傳感器、液壓系統(tǒng)等組成（圖1）。發(fā)電機(jī)與拖拉機(jī)動力輸出軸采用皮帶傳動，拖拉機(jī)啟動時(shí)可驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，為液壓泵、風(fēng)機(jī)、車身控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)供電。整機(jī)配置3組施肥施藥機(jī)構(gòu)，其中一組固定于拖拉機(jī)后部，另兩組分別置于車身兩側(cè)，并可通過液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)收攏。施肥施藥機(jī)構(gòu)高度通過拖拉機(jī)懸架調(diào)節(jié)，并通過縱向液壓缸實(shí)現(xiàn)作業(yè)高度的微量精調(diào)。橫向液壓缸用于調(diào)節(jié)各施肥施藥機(jī)構(gòu)的水平位置，實(shí)現(xiàn)噴頭、鋤草部件和施肥管與作物的距離調(diào)節(jié)。機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 大幅寬拓展作業(yè)機(jī)構(gòu)

大幅寬施肥施藥作業(yè)可有效提高作業(yè)效率，減少機(jī)具在田間行走次數(shù)，降低對土質(zhì)和作物的破壞。研究設(shè)計(jì)的施肥施藥車，通過分組集成化設(shè)計(jì)，將作業(yè)執(zhí)行終端分為3組，左側(cè)和右側(cè)施肥施藥機(jī)構(gòu)分別與中間施肥施藥機(jī)構(gòu)相鉸接。作業(yè)時(shí)，左右兩側(cè)施肥施藥機(jī)構(gòu)在拓展液壓缸的驅(qū)動下完全展開，最大展開角度90°，展開后的整機(jī)作業(yè)幅寬達(dá)7.5m，最大作業(yè)行數(shù)為30行。完成作業(yè)后，左右兩側(cè)的施肥施藥機(jī)構(gòu)可收攏至車身兩側(cè)，便于機(jī)具道路行走、運(yùn)輸及存放。作業(yè)幅寬伸展原理如圖2。

2.2 對行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

對行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)施肥施藥噴頭與作物間距離調(diào)整的關(guān)鍵。本研究采用肥藥施用執(zhí)行終端對行距離可調(diào)的設(shè)計(jì)方法，調(diào)節(jié)原理為：每組施肥施藥機(jī)構(gòu)安裝10組噴霧機(jī)構(gòu)、鋤草部件和電動施肥器，鋤草部件安裝在套筒，噴霧機(jī)構(gòu)安裝在連接管，套筒則通過一個(gè)連接滑座與橫向液壓缸相連，田間作業(yè)需調(diào)節(jié)施肥管、噴霧機(jī)構(gòu)及鋤草部件與作物行的距離時(shí)，控制橫向液壓缸的伸長量即可實(shí)現(xiàn)對行距離的調(diào)整，調(diào)節(jié)范圍為0～140mm（圖3）。

圖2 作業(yè)幅寬拓展原理圖Figure 2 Picture of stretching working width

圖3 對行距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Figure 3 Picture of adjusting distance between mechanism and row

2.3 噴霧作業(yè)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為適應(yīng)不同作物在不同生長階段的不同作業(yè)高度需要，本研究設(shè)計(jì)了一種噴霧作業(yè)高度可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) （圖4）。通過三點(diǎn)懸掛對施藥高度進(jìn)行第1次粗調(diào)，機(jī)架下端距地高度1.4～1.7m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；根據(jù)作物生長高度，在下田作業(yè)前，可通過手動轉(zhuǎn)動角度調(diào)節(jié)盤，調(diào)整噴霧機(jī)構(gòu)的高度和角度，進(jìn)行第2次粗調(diào)，此時(shí)噴霧機(jī)構(gòu)高度調(diào)節(jié)范圍為0～0.5m，角度可調(diào)范圍為0～60°；機(jī)具作業(yè)時(shí)，通過控制縱向液壓缸的活塞桿伸長量調(diào)節(jié)噴霧機(jī)構(gòu)距地高度，高度調(diào)節(jié)范圍為0～0.3m，為第3次精調(diào)。3組高度調(diào)節(jié)方式相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)構(gòu)距地高度0.1～1.2m范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可滿足不同施藥高度需要。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 液壓系統(tǒng)原理

液壓系統(tǒng)由齒輪泵、油箱、電磁閥、溢流閥、單向閥、背壓閥、液壓缸、壓力表、油管等組成，由控制系統(tǒng)控制各電磁閥工作，實(shí)現(xiàn)整機(jī)作業(yè)幅寬拓展、對行距離調(diào)節(jié)和作業(yè)高度調(diào)節(jié)等功能。液壓系統(tǒng)原理如圖5。

3.2 液壓系統(tǒng)計(jì)算

縱向液壓缸上調(diào)高度時(shí)承受三組施肥施藥機(jī)構(gòu)及肥藥重量，此時(shí)系統(tǒng)負(fù)載最大，根據(jù)系統(tǒng)最大負(fù)載和調(diào)節(jié)速度計(jì)算泵和液壓缸等元件的基本參數(shù)。初選縱向液壓缸的工作壓力為p1=50×105Pa，取無桿腔有效面積A1等于有桿腔有效面積A2的兩倍，即A1=2A2。為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，液壓缸的回油路上裝有背壓閥，初選背壓 pb=10×105Pa，調(diào)節(jié)速度統(tǒng)一取用 vw=0.05m·s-1。

最大負(fù)載：

圖4 高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Figure 4 Height adjustment mechanism

式中：M1為單組施肥施藥機(jī)構(gòu)質(zhì)量 （300kg）；Mf為單個(gè)肥料箱滿載質(zhì)量 （150kg）；Mp為單個(gè)藥液箱滿載質(zhì)量（100kg）；g 為重力加速度（9.8N·kg-1）。算得 F 為16.5kN。

無桿腔有效面積：

計(jì)算得：A1=36.7cm2；則液壓缸內(nèi)徑D=6.84cm；活塞桿直徑d=0.707 D=4.8cm

按GB/T2348-1993圓整后得：D=8cm，d=5cm，為小尺寸液壓缸，因此負(fù)載較小的拓展液壓缸及橫向液壓缸也采用該型號液壓缸。按標(biāo)準(zhǔn)直徑計(jì)算得：A1=50.3cm2，A2=19.6cm2，則液壓缸最大進(jìn)口流量：

高度上調(diào)時(shí)泵的最大流量：

圖5 液壓系統(tǒng)原理Figure 5 Principle of hydraulic system

當(dāng)3只橫向液壓缸調(diào)節(jié)對行距離時(shí)，泵的流量達(dá)到最大，即：

式中：K為泄漏系數(shù)，一般為1.1～1.3，本研究取1.3；Σqmax為同時(shí)動作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值；qy為溢流閥的最小溢流量，取 2.5L·min-1。 計(jì)算得：qp1=22.1L·min-1；qp=61.4L·min-1。

液壓缸的實(shí)際壓力：

式中：pj為液壓缸的實(shí)際工作壓力(Pa)；ΣΔp為進(jìn)油路總壓力損失，取5×105Pa；pp為泵的最高工作壓力；pr為泵的額定壓力。計(jì)算得 pj=36.9×105Pa；pp=41.9×105Pa；pr=52.4×105Pa。據(jù)此選用 KCB-83.3型齒輪泵，該泵排油壓力 0.5MPa，額定轉(zhuǎn)速 1420r·min-1。

驅(qū)動電機(jī)功率：

式中：η為齒輪泵效率，一般為0.93～0.98，研究取0.93。計(jì)算得P=1.66kW。據(jù)此選用Y90L-2型異步電機(jī)，電動機(jī)功率2.2kW，額定轉(zhuǎn)速2840r·min-1，配減速器使用。

4 風(fēng)送噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 單噴頭風(fēng)量確定

本研究采用下傾式風(fēng)送噴霧[16-18]，風(fēng)送式噴霧在輔助氣流的作用下，可增加作物苗間的擾動，提高霧滴的穿透能力和藥液的覆蓋率，改善噴霧效果[19]。本研究采用空間置換原則，計(jì)算單個(gè)噴頭混合霧氣的流量和流速，即噴出空氣體積應(yīng)當(dāng)能夠完全置換靶標(biāo)物所占空間的體積。施藥示意圖如圖6。

圖6 施藥示意圖Figure 6 Picture of pesticides spraying

式中：Vtar為目標(biāo)施藥覆蓋空間體積（m3）；Vact為單噴藥機(jī)構(gòu)輸出空氣體積（m3）；ξ1為體積置換率，ξ1≥1；vt為理想氣流平均到靶速度，取2m·s-1；L1為噴藥機(jī)構(gòu)與靶標(biāo)作物叢水平距離，取260mm；L2為到靶直線距離（mm）；α為噴頭下傾角，取45°；θ為2倍射流擴(kuò)散角，與噴口斷面形狀和紊流程度有關(guān)，取29°；v1為機(jī)具行走速度（m·s-1）；v2為噴頭出口處平均風(fēng)速（m·s-1）；R1為理想噴氣到靶錐體末端半徑（mm）；R2為噴頭半徑，取30mm；t為單位時(shí)間（s）；vm為到靶射流核心速度，vm值越大，有利于增加作物葉片間的擾動量，使藥滴覆蓋葉片背部（m·s-1）；a為噴頭出口處的紊流系數(shù)，取0.076。

將取值代入式 （7） 中計(jì)算得：v2=35.56m·s-1；Vtar=0.00793m3·s-1；Vact=0.1006m3·s-1；vm=22.59 m·s-1；ξ1=12.69＞1，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 風(fēng)送系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

噴霧時(shí)霧滴直徑通常在100μm以下，且藥液流量小，霧滴對空間流場分布影響可忽略。因此，本研究將風(fēng)送噴霧簡化為單相流場。在Solidworks中建立風(fēng)送噴霧系統(tǒng)模型，研究管道內(nèi)部流場分布。將模型導(dǎo)入Ansys中抽取流體域，使用Fluent仿真，在Fluent Meshing環(huán)境下劃分Polyhedra多面體網(wǎng)格，5個(gè)出氣噴頭設(shè)置為壓力出口，出口處表壓力為0Pa，進(jìn)氣口邊界條件采用質(zhì)量流。根據(jù)單噴藥頭輸出空氣體積，計(jì)算得無耗損理想狀態(tài)下的進(jìn)氣流量為0.6125kg·s-1，將理想進(jìn)氣流量乘以2，初定進(jìn)氣流量變化區(qū)間為 0.6125～1.225kg·s-1，采用二分法分割得到各進(jìn)氣速率值并作為入口邊界條件。

圖7和圖8為風(fēng)送系統(tǒng)的仿真結(jié)果，可以看出5個(gè)噴頭的出口流量分布相對均衡，計(jì)算得到最佳進(jìn)氣速率為 0.9kg·s-1，平均出口流量為 0.1267kg·s-1。受管道長度和彎角影響，輸氣管1，5的管道流阻較大，出口流量略低于平均出口流量，偏差分別為6.6%和3.7%，偏差較小，對風(fēng)送系統(tǒng)的整體影響可忽略，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)仿真結(jié)果，換算得到風(fēng)機(jī)流量約為2650m3·h-1。進(jìn)、出氣口流量和端面處的平均流速如表2。

圖7 速度流線Figure 7 Picture of velocity streamline

圖8 出口速度分布Figure 8 Distribution of outlet velocity

表2 進(jìn)、出氣口流量和平均流速Table 2 Flow and average flow velocity of inlet and outlet

5 基于PLC的施肥施藥車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 系統(tǒng)組成及工作原理

PLC控制系統(tǒng)由軟件和硬件組成，硬件主要包含控制模塊、執(zhí)行模塊、驅(qū)動模塊、傳感器和電路保護(hù)元件等。控制模塊的核心控制器采用西門子S7-200PLC，包括CPU、模擬量模塊和開關(guān)量模塊；執(zhí)行模塊包括風(fēng)機(jī)、各路電磁繼電器、各路電磁閥、電動施肥器；驅(qū)動模塊包括液壓泵、液壓缸、輸出轉(zhuǎn)臂、電機(jī)；傳感器模塊包括距離傳感器、角度傳感器、速度傳感器和液位傳感器。控制系統(tǒng)整體方案如圖9。

控制系統(tǒng)的輸入信號23個(gè)，輸出信號18個(gè)；輸入信號包括傳感器信號、對行距離調(diào)節(jié)信號、高度調(diào)節(jié)信號、限位開關(guān)和啟停開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)對左右施肥施藥機(jī)構(gòu)展開角度、作業(yè)高度、藥液儲量和車輛行走速度的監(jiān)測，為完成對行距離調(diào)節(jié)、藥液泵、風(fēng)機(jī)和電動施肥器的啟停提供控制依據(jù)。輸出信號則由各路電磁繼電器等組成。系統(tǒng)的I/O端口定義如表3。

圖9 控制系統(tǒng)組成Figure 9 Control system

表3 系統(tǒng)的I/O定義Table 3 Definition of I/O for PLC

5.2 控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)具開始作業(yè)前，控制程序初始化，拓展液壓缸驅(qū)動左右側(cè)的施肥施藥機(jī)構(gòu)展開，同時(shí)角度傳感器將轉(zhuǎn)角信息輸入到PLC控制器中，機(jī)構(gòu)完全展開后，控制器發(fā)出指令控制拓展液壓缸停止動作；系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，將與機(jī)架相連的3組施藥機(jī)構(gòu)放至工作高度；距離傳感器檢測距地高度，系統(tǒng)控制高度液壓缸微調(diào)作業(yè)高度；高度調(diào)節(jié)后，通過橫向液壓缸調(diào)整噴藥機(jī)構(gòu)、鋤草部件與作物間距；風(fēng)機(jī)接通電源，開始工作；速度傳感器將機(jī)具行走速度信號輸入控制器中；機(jī)具行走時(shí)，系統(tǒng)控制電動施肥器和藥液泵接通電源，開始作業(yè)?？刂屏鞒倘鐖D10。

圖10 控制程序流程圖Figure 10 Flow chart of control program

6 樣機(jī)試驗(yàn)

6.1 試驗(yàn)的基本條件

為驗(yàn)證機(jī)具設(shè)計(jì)的可行性，試制了大寬幅對行施肥施藥車樣機(jī)，動力系統(tǒng)選用黃海金馬404D型拖拉機(jī)，為滿足小行距和高地隙行走作業(yè)需要，采用大直徑窄寬度的鋼性輪。樣機(jī)在揚(yáng)州市江都區(qū)進(jìn)行調(diào)試試驗(yàn)，包括田間行走、幅寬拓展、作業(yè)高度調(diào)節(jié)、對行距離調(diào)節(jié)，采用華誼PM6252風(fēng)速儀對風(fēng)送噴霧系統(tǒng)施藥噴頭的出口風(fēng)速進(jìn)行測算，參考到靶直線距離L2的計(jì)算值，本研究采集距施藥噴頭中心40cm處的射流核心速度，樣機(jī)如圖11。

6.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的機(jī)具各調(diào)節(jié)動作運(yùn)行平穩(wěn)正常，由于兩根拓展液壓缸的進(jìn)油口為同一管道，受初始啟動力不同的影響，左、右側(cè)的施肥施藥組件在達(dá)到完全展開狀態(tài)的時(shí)間略有偏差。風(fēng)送噴霧系統(tǒng)施藥噴頭的出口風(fēng)速分布如表4。

各施藥噴頭的距出氣口中心40cm處的射流核心速度均值為18.56m·s-1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.087，各出氣口氣流速度分布均勻，該速度有利于藥液霧滴在作物葉片上沉積[20]。

圖11 試制樣機(jī)Figure 11 Prototype test

表4 距施藥噴頭中心40 cm處的射流核心速度分布Table 4 Jet core velocity distribution at a distance of 40 cm from the center of the application nozzle /m·s-1

7 討論與結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的施肥施藥車采用對行施肥方式，通過對行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)作物根區(qū)的準(zhǔn)確施肥，與傳統(tǒng)條施、撒施的施肥方式相比，有效提高了作業(yè)精準(zhǔn)度。同時(shí)，通過株間化學(xué)除草、行間機(jī)械除草相結(jié)合的方式，大幅減少農(nóng)藥用量，節(jié)約農(nóng)本。另外，通過拓展寬拓展作業(yè)機(jī)構(gòu)，最大作業(yè)幅寬可達(dá)7.5m，并將施肥施藥環(huán)節(jié)相結(jié)合，集成化程度高，與傳統(tǒng)施肥機(jī)具相比，提高作業(yè)效率3倍以上。因而，該大寬幅對行施肥施藥車具有較好的應(yīng)用前景。

本研究設(shè)計(jì)了一種大寬幅對行施肥施藥車，采用幅寬拓展機(jī)構(gòu)，最大作業(yè)幅寬為7.5m，可同時(shí)對30行農(nóng)作物進(jìn)行施肥施藥；采用對行調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)施肥施藥噴頭與作物間的距離在0～140mm內(nèi)可調(diào)；采用高度可調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)施藥噴頭距地高度在0.1～1.2m內(nèi)可調(diào)，滿足不同施藥高度需要；設(shè)計(jì)了液壓驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)具的作業(yè)幅寬、對行距離和高度的調(diào)節(jié)均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動；施藥采用下傾式風(fēng)送噴霧，利用氣流增加作物間的擾動量，提高藥液霧滴的穿透力和覆蓋率，并對風(fēng)送噴霧的流場進(jìn)行了仿真分析，確定最佳進(jìn)氣速率為0.9kg·s-1；設(shè)計(jì)了基于PLC的控制系統(tǒng)，提高了機(jī)具的自動化程度。試制了大寬幅精準(zhǔn)對行施肥施藥車樣機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，大寬幅對行施肥施藥車各調(diào)節(jié)動作運(yùn)行正常，施藥噴頭距出氣口中心40cm處的射流核心速度均值為18.56m·s-1，標(biāo)準(zhǔn)差為0.087，氣流速度分布均勻，機(jī)具設(shè)計(jì)合理。