基于TRIZ理論的果樹(shù)深松施肥機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

楊濤，凌寧，李曉曉，吳柏強(qiáng)，張海燕，孫付春

(1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院,成都市,611130; 2.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,成都市,610106;3.成都海逸機(jī)電設(shè)備有限公司,成都市,610199)

0 引言

TRIZ是由阿奇舒勒在分析大量發(fā)明專利的基礎(chǔ)上提出的系統(tǒng)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法,至今已經(jīng)發(fā)展成為一套服務(wù)技術(shù)創(chuàng)新的成熟理論和方法體系,為創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題提供了系統(tǒng)的方法工具[1]。專家學(xué)者們利用TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),并就如何將TRIZ理論與農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)研發(fā)有效融合進(jìn)行了探索[2-3],目前,TRIZ理論已經(jīng)在農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)中發(fā)揮了重要作用。張毅等[4]運(yùn)用TRIZ理論沖突矛盾矩陣分析以及拋棄與修復(fù)的發(fā)明原理,完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果采摘收集一體化;桓源等[5]運(yùn)用矛盾沖突解決理論設(shè)計(jì)蘋(píng)果分揀套袋裝置,減輕果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度;李金鳳等[6]運(yùn)用TRIZ理論對(duì)豌豆割曬機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),取得較好的作業(yè)效果;付敏等[7]應(yīng)用物—場(chǎng)模型、技術(shù)矛盾、物理矛盾等TRIZ工具求解馬鈴薯薯土分離輸送裝置創(chuàng)新方案,設(shè)計(jì)一種具有雙抖動(dòng)單元和降運(yùn)抖動(dòng)篩面的薯土分離輸送裝置。由此,也掀起一場(chǎng)基于TRIZ理論的農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究熱潮,有效促進(jìn)了創(chuàng)新方法在中國(guó)的應(yīng)用與發(fā)展。

果樹(shù)施肥機(jī)械一直是果園機(jī)械研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向,常見(jiàn)的果園開(kāi)溝施肥機(jī)械施肥深度一般不會(huì)超過(guò)40 cm,而成齡果樹(shù)根系深度通常可達(dá)50～80 cm[8]。也就是說(shuō),傳統(tǒng)開(kāi)溝施肥機(jī)施肥深度相對(duì)較淺,不利于樹(shù)體的抗寒、抗旱、抗病蟲(chóng)害[9]。可見(jiàn),合理施肥可有效促進(jìn)土壤中水、肥、氣、熱的循環(huán),改良土壤環(huán)境。果樹(shù)生長(zhǎng)期深層土壤松土追肥對(duì)于提升果品產(chǎn)量與品質(zhì)有重要作用,已然成為果園土壤改良的必然發(fā)展趨勢(shì)[10]。當(dāng)前,在果樹(shù)深松施肥方面普遍采用人工挖坑作業(yè)或利用手持式鉆穴機(jī)鉆穴作業(yè),不僅作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,還帶來(lái)了較高的人工成本?？傮w上,還尤為欠缺高效率、低成本、易操作的果樹(shù)根部深層土壤松土施肥機(jī)械。基于此,本文運(yùn)用TRIZ理論提出果樹(shù)深松施肥創(chuàng)新方案,再基于“沖突解決原理”解決錘擊式打穴破土機(jī)構(gòu)中的矛盾沖突,并對(duì)深松施肥機(jī)氣爆發(fā)生裝置、精量施肥裝置等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì);最后采用數(shù)字模型仿真與樣機(jī)試驗(yàn)的方法,驗(yàn)證創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性,以期為果園深松施肥裝備研發(fā)提供設(shè)計(jì)思路與參考。

1 果樹(shù)施肥存在的問(wèn)題與TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

1.1 果樹(shù)施肥存在的主要問(wèn)題

果園施肥存在的主要問(wèn)題有:(1)我國(guó)果園大多位于丘陵地區(qū),地形地貌復(fù)雜多變,要求施肥機(jī)械小巧靈活,不利于機(jī)械化的發(fā)展;(2)現(xiàn)有果樹(shù)施肥機(jī)械存在開(kāi)溝深度淺,肥料都在土壤上層,使果樹(shù)根部得不到良好的養(yǎng)分,而開(kāi)溝過(guò)深容易傷害到樹(shù)根,進(jìn)而影響到水果產(chǎn)量與品質(zhì);(3)長(zhǎng)期使用化肥導(dǎo)致果園土壤出現(xiàn)板結(jié)現(xiàn)象,而且土壤長(zhǎng)期未松動(dòng)堅(jiān)實(shí)度較大,土壤生物與有機(jī)質(zhì)驟減,不利于果樹(shù)根部呼吸與營(yíng)養(yǎng)吸收;(4)未出現(xiàn)成熟的果園松土施肥機(jī)械應(yīng)用案例,傳統(tǒng)的手持式鉆穴機(jī)或錘擊式的打穴機(jī)構(gòu)均存在噪聲較大、用戶體驗(yàn)差等不足。總體上來(lái)看,果樹(shù)人工施肥效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大;傳統(tǒng)開(kāi)溝施肥機(jī)開(kāi)溝深度淺、易損傷果樹(shù)根系;長(zhǎng)期不當(dāng)施肥已造成土壤板結(jié),影響果樹(shù)生長(zhǎng)等問(wèn)題。由此,需要在保證作業(yè)效率與不傷害果樹(shù)根系的同時(shí),一次性完成松動(dòng)土壤與施肥。

1.2 TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)基本流程

對(duì)具體的待解決研發(fā)問(wèn)題,TRIZ解決問(wèn)題的流程可分為問(wèn)題描述、分析問(wèn)題、確定解題方向、解決方案與方案評(píng)價(jià)幾個(gè)過(guò)程,如圖1所示。

圖1 基于TRIZ的創(chuàng)新方案求解流程

1) 問(wèn)題描述:描述系統(tǒng)功能、工作原理、存在的問(wèn)題以及解決問(wèn)題的限制條件等。

2) 分析問(wèn)題:采用功能分析、因果分析、資源分析、根源分析、魚(yú)骨分析等問(wèn)題分析工具,分析問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因,找出解決問(wèn)題的切入點(diǎn),明確解決問(wèn)題可利用的資源。

3) 確定解題方向:應(yīng)用最終理想解(Ideal Final Result,IFR)、技術(shù)進(jìn)化法則、九屏幕法等方法確定問(wèn)題的解決方向。

4) 解決問(wèn)題:應(yīng)用沖突矛盾解決理論、39個(gè)工程參數(shù)、40個(gè)發(fā)明原理、STC算子等工具進(jìn)行方案求解。

5) 方案評(píng)價(jià):依托相關(guān)仿真分析技術(shù)手段,從可行性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性等方面對(duì)概念方案進(jìn)行評(píng)價(jià),篩選出最終實(shí)施方案。

2 深松施肥機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

2.1 應(yīng)用TRIZ思維問(wèn)題求解

一方面,需要將一定量的肥料直接輸送到果樹(shù)根部,即施肥深度≥400 mm;另一方面,希望從土壤內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)力,迫使土壤松動(dòng)或表面出現(xiàn)明顯裂紋。針對(duì)上述問(wèn)題,應(yīng)用TRIZ工具中的最終理想解法與小人法對(duì)深松施肥機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.1 基于最終理想解的問(wèn)題求解

最終理想解法(IFR)是在系統(tǒng)最小程度改變的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)最大程度的自服務(wù)。依據(jù)IFR解題的流程設(shè)計(jì)深松施肥解決方案如下。

1) 設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是什么?肥料能夠送入到土壤深處;對(duì)土壤施加一個(gè)自下而上的力,迫使土壤松動(dòng)或產(chǎn)生較為明顯裂紋。

2) 最終理想解是什么?在不損害果樹(shù)根系或少破壞表層土壤的情況下,肥料能夠自動(dòng)地進(jìn)入到土壤深處被果樹(shù)根部吸收;從土壤內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)力,來(lái)松動(dòng)土壤。

3) 達(dá)到理想解的障礙是什么?肥料本身不具備運(yùn)動(dòng)能力,表層土壤會(huì)阻礙肥料的運(yùn)動(dòng),致使肥料無(wú)法直接到達(dá)果樹(shù)根部;機(jī)械手段難以從土壤內(nèi)部施加力,以松動(dòng)土壤。

4) 出現(xiàn)這種障礙的原因是什么?要求提高深松施肥效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度而不肆意破壞表層土壤,不傷害果樹(shù)根部。

5) 不出現(xiàn)這種障礙的原因是什么?肥料借助外力直接輸送到土壤深處。

6) 創(chuàng)造這些條件時(shí)可用的資源是什么?肥料、機(jī)械場(chǎng)、重力場(chǎng)、氣動(dòng)場(chǎng)等。

顯然,根據(jù)可利用的資源中的重力場(chǎng)與機(jī)械場(chǎng),提出概念方案1:預(yù)先設(shè)置施肥管道,肥料可以依靠自身重力,通過(guò)相應(yīng)的施肥管道進(jìn)入到土壤深處。

2.1.2 基于聰明小人法的問(wèn)題求解

概念方案1雖然部分解決了肥料直接送入到土壤深處問(wèn)題,但是土壤從內(nèi)部松動(dòng)問(wèn)題還未有良好解決方案,而且對(duì)于黏重肥料易造成管道堵塞、妨礙肥料吸收等問(wèn)題。進(jìn)一步地使用一組能運(yùn)動(dòng)的小人來(lái)代表問(wèn)題模型,即小人法進(jìn)行問(wèn)題求解。聰明小人法(Smart Little People,SLP)是指當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的部分物體不能實(shí)現(xiàn)必要的功能和任務(wù)時(shí),就用多個(gè)小人分別代表這些物體,而不同小人表示執(zhí)行不同的功能或具有不同的矛盾,重新組合這些小人,使它們能夠發(fā)揮作用,執(zhí)行必要的功能[11-12]。

1) 建立問(wèn)題模型。用不同形狀的小人表示各系統(tǒng)組件,構(gòu)建問(wèn)題模型,如圖2所示。肥料小人在沿施肥管道向土壤深處跑去。該方案還存在問(wèn)題描述:肥料小人易造成擁堵且無(wú)法松動(dòng)土壤。原因1:沒(méi)有其他小人來(lái)組織肥料小人運(yùn)動(dòng);原因2:肥料小人力氣較小,推不動(dòng)四周土壤。

圖2 問(wèn)題模型

2) 建立目標(biāo)模型。增加輸送小人,將肥料小人沿管道運(yùn)送土壤深處;同時(shí)輸送小人在管道出口處進(jìn)入土壤向四周擴(kuò)散,松動(dòng)土壤。

3) 建立方案模型。根據(jù)目標(biāo)模型提出方案模型,如圖3所示。增加了輸送小人,將肥料小人沿管道運(yùn)送土壤深處;同時(shí)輸送小人在管道出口處進(jìn)入土壤向四周擴(kuò)散,松動(dòng)土壤。

圖3 方案模型圖

2.2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

果樹(shù)深松施肥方案既需要完成施肥,又要完成深層土壤松土的任務(wù)。根據(jù)TRIZ理論分析得出直接施肥到土壤內(nèi)部的果樹(shù)深松施肥概念方案2,如圖4所示。

圖4 果樹(shù)深松施肥概念設(shè)計(jì)方案

首先,使用一根空心的管狀物(插管),豎直向下插入土壤指定深度;然后,使用空壓機(jī)將一定壓力的空氣從該管狀物內(nèi)部噴入土壤深處,形成氣體爆炸以達(dá)到松土的目的;最后,將固體肥料沿著相同的路徑噴入土壤深處,以達(dá)到深施的目的。另外,在高壓氣流的作用下也可有效防止肥料堵塞的情況。肥料直接施在果樹(shù)根部,有效防止了肥料的流失,同時(shí)高壓氣流也使得深層土壤松軟,有利于果樹(shù)根部吸收。由此,可認(rèn)為該設(shè)計(jì)方案是有效、可行的,能夠解決現(xiàn)有施肥機(jī)械施肥深度淺、土壤板結(jié)等問(wèn)題。

3 深松施肥機(jī)關(guān)鍵部件創(chuàng)新設(shè)計(jì)

借助TRIZ理論設(shè)計(jì)的果樹(shù)深松施肥創(chuàng)新方案(圖4),深松施肥機(jī)首先需要打穴破土,接著精量取肥,然后高壓空氣將定量肥料輸送到果樹(shù)根系并依靠高壓空氣釋放過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)松動(dòng)土壤,從而完成一次深松施肥作業(yè)。那么,深松施肥機(jī)的核心部件由打穴施肥裝置、氣爆松土裝置與精量排肥器構(gòu)成,以實(shí)現(xiàn)果樹(shù)定點(diǎn)打穴、松土、施肥等功能。

3.1 打穴機(jī)構(gòu)分析

根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案,打穴是深松施肥的關(guān)鍵。通常需要較大的力,才能夠?qū)⒉鍡U插入硬質(zhì)土壤,同時(shí)還要插桿始終保持垂直狀態(tài)打入和拔出土壤。果樹(shù)根部土壤常年未翻動(dòng),堅(jiān)實(shí)度較大,傳統(tǒng)的錘擊式破土裝置不僅存在破土困難的問(wèn)題,還存在噪聲大、效率低的不足。于是,借助TRIZ矛盾沖突解決理論,對(duì)深松施肥機(jī)打穴破土機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.1.1 應(yīng)用TIRZ的問(wèn)題求解

根據(jù)計(jì)算沖突理論明確改善和惡化要素,將其轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ理論中的39個(gè)通用工程參數(shù),然后查閱技術(shù)矛盾沖突矩陣找出相應(yīng)的發(fā)明原理解決技術(shù)沖突。打穴破土機(jī)構(gòu)需要改進(jìn)自動(dòng)化程度低、效率低、噪聲大等不足,但是隨之而來(lái)的是使得施肥機(jī)尺寸變大、裝置復(fù)雜程度增加。應(yīng)用TRIZ理論的創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程,將矛盾歸納為:NO.-11應(yīng)力或壓力(將錘擊的間歇力改變?yōu)槌掷m(xù)施加的連續(xù)力)、NO.-36裝置復(fù)雜度與NO.-12形狀、NO.-36裝置復(fù)雜程度之間的矛盾。利用TRIZ沖突矩陣定位交叉單元,確定發(fā)明原理,如表1所示。

對(duì)查詢到的發(fā)明原理進(jìn)行分析,了解各發(fā)明原理的具體描述,結(jié)合打穴破土機(jī)構(gòu)篩選出有價(jià)值的發(fā)明原理,如表2所示。參考發(fā)明原理NO.-19周期性作用、NO.-29氣壓和液壓結(jié)構(gòu)提供的思路,改變打穴破土機(jī)構(gòu)的受力方式,使用液壓缸設(shè)計(jì)多連桿打穴破土機(jī)構(gòu)替代傳統(tǒng)錘擊式打穴破土機(jī)構(gòu),不僅能夠提升自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率,還可以降低機(jī)器作業(yè)時(shí)的噪聲。

表2 有價(jià)值的發(fā)明原理釋義與應(yīng)用

3.1.2 多連桿打穴破土機(jī)構(gòu)分析

由此,采用多連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了打穴機(jī)構(gòu),由液壓缸、搖臂、升降臂、插桿、滑軌等部件構(gòu)成,液壓缸運(yùn)動(dòng)改變了BC桿的長(zhǎng)度進(jìn)而在CE桿的作用下迫使EF桿豎直向下運(yùn)動(dòng)以插入土壤中,如圖5所示。液壓油缸為原動(dòng)件,其活塞桿伸縮過(guò)程中帶動(dòng)油缸BC、搖臂AD分別繞B點(diǎn)、A點(diǎn)做定軸轉(zhuǎn)動(dòng),連桿CDE繞支點(diǎn)D運(yùn)動(dòng),插桿EF在導(dǎo)軌的作用下在豎直方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖5 打穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

眾所周知,連桿機(jī)構(gòu)中桿件長(zhǎng)度是影響其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的關(guān)鍵,為驗(yàn)證打穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與機(jī)構(gòu)的可行性及打穴深度,就需要計(jì)算出各桿件的長(zhǎng)度。對(duì)打穴破土機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析發(fā)現(xiàn),各桿件的運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是由油缸活塞桿伸縮運(yùn)動(dòng)引起其他桿件轉(zhuǎn)角、位移等一系列的變化。由此,即可構(gòu)建相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系,利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。以機(jī)構(gòu)中A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),水平方向?yàn)閄軸,豎直方向?yàn)閅軸,由此構(gòu)建坐標(biāo)系。那么,A點(diǎn)為支撐點(diǎn)在Y軸上固定不動(dòng),水平位移為0,豎直方向上位移為離地高度H,即xA=0,xB=-LAB,yA=yB=H;插桿端點(diǎn)E、F的位移如式(1)和式(2)所示。

(1)

式中:xF——插桿端點(diǎn)F橫坐標(biāo),mm;

yF——插桿端點(diǎn)F縱坐標(biāo),mm;

d(t)——插桿端點(diǎn)F從地面開(kāi)始打入土壤的深度,mm;

H0——插桿離地距離,mm;

t——打穴入土?xí)r間,s;

S——支撐點(diǎn)A與插桿端點(diǎn)F的水平距離,mm。

(2)

式中:xE——插桿端點(diǎn)E橫坐標(biāo),mm;

yE——插桿端點(diǎn)E縱坐標(biāo),mm;

LEF——插桿EF的長(zhǎng)度,mm。

圖5中支撐點(diǎn)D、C的位移分別如式(3)和式(4)所示。

(3)

式中:xD——支撐桿AD端點(diǎn)D橫坐標(biāo),mm;

yD——支撐桿AD端點(diǎn)D縱坐標(biāo),mm;

LAD——支撐桿AD的長(zhǎng)度,mm;

φ2——支撐桿AD與水平方向上的夾角,tanφ2=(yD-H)/xD。

(4)

式中:xC——油缸端點(diǎn)C橫坐標(biāo),mm;

yC——油缸端點(diǎn)C縱坐標(biāo),mm;

LCD——連桿CD的長(zhǎng)度,mm;

φ3——連桿CD與水平方向上的夾角,tanφ3=H(t)/(S+xD)。

分別對(duì)式(1)～式(4)位移方程對(duì)時(shí)間求一階、二階導(dǎo)數(shù),即可得到圖5中點(diǎn)F、E、D、C的速度、加速度方程。

考慮到深松施肥機(jī)未作業(yè)時(shí)需要收起插桿以免碰撞到地面,打穴機(jī)構(gòu)需要安裝在履帶式底盤(pán)上以便于移動(dòng)作業(yè)。也就是說(shuō),深松施肥機(jī)插桿末端離地距離應(yīng)大于等于整機(jī)最小離地間隙。而且,成齡果樹(shù)根系發(fā)達(dá),要求打穴深度不小于400 mm。那么,根據(jù)多桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與深松施肥作業(yè)要求,明確優(yōu)化目標(biāo)主要有:(1)插桿最大位移由最大打穴深度與裝備最小離地間隙之和不超過(guò)600 mm;(2)插桿接觸地面時(shí),油缸擺動(dòng)到最大轉(zhuǎn)角處,即油缸C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最大水平位移處,此時(shí)打穴機(jī)構(gòu)安裝的最大水平距離不超過(guò)800 mm;(3)油缸活塞桿行程小于300 mm;(4)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無(wú)任何干涉現(xiàn)象。由此,構(gòu)建起多連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如式(5)所示。

(5)

式中:ts——開(kāi)始打穴的時(shí)刻,s;

tp——結(jié)束打穴的時(shí)刻,s;

tc——油缸C點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最大水平位移處的時(shí)刻,s;

xc——AB桿在水平方向上的投影長(zhǎng)度,mm;

LAB——桿件AB的長(zhǎng)度,mm;

LBC——桿件BC的長(zhǎng)度,mm。

通過(guò)SolidWorks建模并做運(yùn)動(dòng)分析選擇滿足機(jī)構(gòu)要求的參數(shù)組合,明確各桿件的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)AB=260 mm、LBC=360～650 mm、LCD=320 mm、LAD=380 mm、LDE=560 mm、LEF=600 mm。另外,考慮到作業(yè)效率,要求單次作業(yè)(包括打穴入土、施肥、氣爆、提起作業(yè))時(shí)間小于40 s。那么,就必須在10 s內(nèi)完成打穴入土作業(yè),也就得到了液壓油缸伸長(zhǎng)到最大行程過(guò)程中的平均速度約為0.03 m/s。再考慮到整機(jī)系統(tǒng)的安全性,打穴油缸液壓回路最大壓力小于等于20 MPa。

3.2 氣爆松土裝置

氣爆松土裝置是將空氣進(jìn)行壓縮,產(chǎn)生一定的壓力以形成高速射流來(lái)產(chǎn)生爆破力,以達(dá)到松土的目的。氣爆松土關(guān)鍵在于利用高壓空氣瞬時(shí)膨脹做功,氣爆發(fā)生裝置如圖6所示。

圖6 氣爆發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)

通過(guò)空壓機(jī)將壓縮空氣注入高壓氣瓶?jī)?nèi),當(dāng)高壓瓶?jī)?nèi)達(dá)到一定壓力時(shí),自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén),完成充壓過(guò)程。工作時(shí),操作氣爆按鈕,放氣電磁閥打開(kāi),高壓氣體沿管道瞬間噴出,完成一次氣爆過(guò)程。高壓氣體膨脹過(guò)程會(huì)對(duì)周圍土壤產(chǎn)生劇烈的震動(dòng),從而松動(dòng)土壤。

顯然,出氣口的排氣沖擊力會(huì)直接影響到松土的效果與施肥的范圍。為提升深松施肥機(jī)的作業(yè)效果,就要確保高壓氣瓶排氣口具備較高的理論沖擊力。依據(jù)工程熱力學(xué)原理,忽略高壓氣瓶排氣過(guò)程中壓力變化,高壓氣瓶積蓄壓力能后絕熱放氣過(guò)程最大沖擊力與高壓氣瓶出口噴射速度分別如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

式中:D0——高壓氣瓶排氣口截面直徑,m;

P0——高壓氣瓶?jī)?nèi)壓力,Pa;

P——管道內(nèi)壓力,Pa;

k——空氣絕熱指數(shù),k=1.4;

ρ0——高壓氣瓶?jī)?nèi)空氣密度,kg/m3。

在常溫25 ℃條件下,計(jì)算出高壓氣瓶?jī)?nèi)空氣密度進(jìn)而得出氣流噴射速度v=500 m/s。再通過(guò)式(10)計(jì)算出理論上的最大沖擊力F=5 600 N?？紤]到噴射管道長(zhǎng)度以及彎道會(huì)對(duì)氣流產(chǎn)生較大衰減,要求高壓氣瓶排氣口的最大理論沖擊力大于6 000 N,才能保證插桿噴口對(duì)土壤有足夠的沖擊壓力,進(jìn)而保障了深松施肥機(jī)的作業(yè)效果。

3.3 精量施肥裝置

精量施肥技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)重要的組成部分。深松施肥機(jī)精量施肥裝置采用螺旋送料器,如圖7所示。由電機(jī)帶動(dòng)螺旋推桿轉(zhuǎn)動(dòng),肥料在螺旋軸的作用下逐步運(yùn)動(dòng)到出料口,經(jīng)單向閥暫存儲(chǔ)于計(jì)量室,高壓氣流流經(jīng)計(jì)量室時(shí),會(huì)把計(jì)量室中存儲(chǔ)的肥料運(yùn)送到土壤深處,從而完成一次施肥過(guò)程。計(jì)量室容積依據(jù)常見(jiàn)果樹(shù)需肥量和氣力輸送能力確定,計(jì)量室注滿肥料后即達(dá)到單次最大施肥量,查詢《粉粒體氣力輸送設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知,螺旋送料器的輸送量如式(8)所示。

圖7 螺旋送料結(jié)構(gòu)

Q=47D2Lsnρφψ

(8)

式中:Q——輸送量,t/h;

Ls——加料段螺距,m;

D——加料段螺旋直徑,mm;

n——螺旋軸轉(zhuǎn)速,r/min;

φ——送料器傾斜時(shí)修正系數(shù);

ψ——物料填充系數(shù);

ρ——物料堆積密度,t/m3。

從式(4)可以看出,在物料、螺旋軸已經(jīng)確定的情況下,調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可改變螺旋送料器的輸送量。由此,即可依據(jù)果樹(shù)實(shí)際需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整施肥量,滿足果樹(shù)實(shí)際施肥量與用戶個(gè)性化需求。

4 方案評(píng)價(jià)與試驗(yàn)分析

對(duì)果樹(shù)深松施肥概念方案進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià),進(jìn)一步驗(yàn)證有效性。仿真分析與試驗(yàn)是最為常見(jiàn)的創(chuàng)新方案評(píng)價(jià)方法,仿真結(jié)果合理即可進(jìn)一步采用試驗(yàn)方法驗(yàn)證創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性[13-14]。為驗(yàn)證氣爆式果樹(shù)深松施肥機(jī)的作業(yè)效果,聯(lián)合成都某企業(yè)生產(chǎn)了樣機(jī)并在崇州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科技示范園內(nèi)梨樹(shù)種植區(qū)選取了10余棵梨樹(shù)作為試驗(yàn)對(duì)象。

試驗(yàn)需要記錄打穴深度,以驗(yàn)證施肥深度,保證肥料直接被輸送到果樹(shù)根部,減少流失;還需明確空氣壓力以驗(yàn)證土壤松動(dòng)效果。試驗(yàn)中,可以觀察插桿上的刻度記錄打穴深度從而得到施肥深度。要求每次打穴深度必須大于等于400 mm所在處的紅線。另外,結(jié)合園區(qū)果園土壤結(jié)構(gòu)、堅(jiān)實(shí)度等實(shí)際情況與空氣爆炸在土壤內(nèi)部形成的氣穴和土壤表面的裂紋等現(xiàn)象來(lái)看,以土壤表面是否出現(xiàn)兩道以上明顯可見(jiàn)裂紋或裂紋寬度大于等于4 mm來(lái)判定土壤是否松動(dòng)[8-9]。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)測(cè)試了樣機(jī)打穴深度、氣爆松土效果、施肥效果等,均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,基本滿足果樹(shù)深松施肥的要求。另外,試驗(yàn)中驗(yàn)證了深松施肥機(jī)在成都及周邊地區(qū)常見(jiàn)果園中作業(yè)時(shí)空氣壓力大于0.6 MPa即可取得較好的松土效果。

5 結(jié)論

1) 分析TRIZ理論解決工程問(wèn)題的具體流程,運(yùn)用IFR與SLP法提出了果樹(shù)深松施肥機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案,借助沖突矛盾矩陣解決錘擊式打穴破土系統(tǒng)技術(shù)矛盾,查詢沖突矛盾矩陣表,得到周期性、氣壓和液壓結(jié)構(gòu)兩個(gè)有價(jià)值的發(fā)明原理,基于此設(shè)計(jì)了多連桿打穴破土機(jī)構(gòu),較好地解決了傳統(tǒng)錘擊式打穴破土機(jī)構(gòu)效率低、人力勞動(dòng)強(qiáng)度大、噪聲大等不足。

2) 進(jìn)一步地完成了深松施肥機(jī)氣爆發(fā)生裝置、精量施肥裝置等關(guān)鍵部件詳細(xì)設(shè)計(jì)。深松施肥機(jī)可在免耕情況下一次性地完成松土、施肥作業(yè),大幅提升作業(yè)效率。通過(guò)建立SolidWorks三維數(shù)字模型仿真分析與樣機(jī)試驗(yàn)分析,以打穴深度≥400 mm、土壤表面明顯可見(jiàn)裂紋數(shù)量≥2道或裂紋寬度≥4 mm為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性與合理性。試驗(yàn)結(jié)果表明,深松施肥機(jī)在成都及周邊常見(jiàn)果園中作業(yè)時(shí)空氣壓力大于0.6 MPa即可實(shí)現(xiàn)較好的深松施肥效果。為果園深松施肥機(jī)械研發(fā)與土壤改良奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。