精准有机肥施肥机的设计与试验.pdf

精准有机肥施肥机的设计与试验 郝延杰 王 成 吴爱兵 刘凯凯 樊 平 孙冬霞 滨州市农业机械化科学研究所 山东滨州 66 农业农村部南京农业机械化研究所 南京 滨州市农村能源工作站 山东滨州 66 摘 要 针对目前国内有机肥施肥机功能单一 撒施量和幅宽不可调节或调节范围小的现状 设计了一款精准有 机肥施肥机 实现了大块肥料的二次破碎后撒施 肥料均匀性好 采用机械传动和液压传动相结合 实现拖拉机 动力的合理使用 利用FPG 控制系统对输肥链板档位 肥门开度和肥料落点控制罩角度进行精准调节 实现了 撒施量和撒施幅宽的可变 同时可对料箱内运行状况 撒施情况等实时监控 试验结果表明 施肥机破碎度高 撒施均匀性好 实现了自动驾驶及撒施量和撒施幅宽的精准可变控制 撒施幅宽 m 撒施量 kg m 纵向施肥变异系数 施肥量变异系数 关键词 施肥机 FPG 大田试验 变异系数 中图分类号 S224 22 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2021 03 0087 08 0 引言 有机肥可以改良 培肥土壤 提高农产品质量 减 少环境污染 是化肥的最佳替代品 农业农村废弃物 肥料化利用是废弃物处理及资源再利用的首选方式 但其性状复杂多样 作业环境恶劣 机械化撒施成为 促进废弃物肥料化利用的关键 针对有机肥物理性状复杂的特点 国内外专家对 其撒施装备进行了一定的研究 法国格力格尔 贝 松公司的速尔齐DP P im 施肥机 离心圆盘式 作 业对象为流动性好的有机肥 但抛撒的肥料沿纵向和 横向方向分布不均 需要通过重叠作业来改善 法国 CUH 公司的P oTwin 侧式撒肥机 锤片式 属于 大型抛撒机 双搅龙式的输送装置和锤片式抛撒器具 有稳定抛撒效果 但功耗较高 在精准施肥方面 Hosseini等 采用SSC 作物定位管理 技术提高施 肥的精确度 s ol 等根据机具田间位置 通过改变旋 转轴的转速控制施肥量 国内有机肥施肥机施肥 品种较为单一 性能稳定性和工作效率有待提高 北 京市农机鉴定推广站研制了 F 型链耙刮板式 有机肥撒施机和 F 变量有机肥撒施机 6 收稿日期 基金项目 山东省重点研发计划项目 G C 6 山东省农机 装备研发创新计划项目 F 作者简介 郝延杰 男 山东禹城人 助理研究员 硕士 m il 6 6 qq com 通讯作者 孙冬霞 女 山东寿光人 副研究员 硕士 m il bzn sdx 6 com 上海世达尔现代农机有限公司生产了针对厩肥抛撒 的T S 型桨叶式施肥机 该机工作稳定 效率 高 但安全性差 高效 智能 变量是农业机械发展趋势 也是有机 肥施肥机发展方向 所设计的施肥机实现了肥料 的二次破碎后撒施 撒施均匀高效 运用FPG 控制技 术通过控制链板档位 控肥闸门开度和肥料落点位 置 实现了施肥量和撒施幅宽的精准可变控制 同时 实现了施肥机的自动驾驶 减轻了工作强度 1 整机结构及工作原理 1 1 整机结构 精准有机肥施肥机主要由输肥机构 控制终端和 肥箱等组成 如图 所示 传动轴 输肥机构 控制终端 肥箱 控肥闸门 6 肥料落点控制罩 螺旋破碎机构 撒施圆盘 减震系统 悬挂支架 图 整机示意图 Fig T e sc em tic of t e m c ine 1 2 工作原理 螺旋破碎机构和撒施圆盘采用机械传动 动力来 年 月 农机化研究 第 期 自拖拉机后输出轴 转速稳定 输肥机构 控肥闸门 肥料落点控制罩采用液压驱动 运动范围可调 肥量 调节通过FPG 程序模块控制输肥机构的链板运转速 度 控肥闸门开口大小配合实现无级精准调节 施肥 幅宽调节通过改变肥料落点控制罩角度的大小实现 施肥机工作原理 根据作业地域特点 肥料成分 作物类型确定需肥量 建立数据模型 将模型导入FP G 控制单元 利用装载机将肥料装入施肥机 在控制 终端输入施肥量 控肥闸门会打开一定高度 输肥机 构开始工作将肥料向后输送 双螺旋破碎机构旋转 叶片将肥料进行第一次破碎 抛撒并将其一部分输送 到辊中间抛出 此时控制罩已按实际所需幅宽打开一 定角度 抛出的肥料撞击到肥料落点控制罩进行二次 撞击破碎并下落 下落到旋转的撒施圆盘后被抛出 控制罩角度的可调改变了肥料在圆盘的初始半径 进 而调整了幅宽 拖拉机上安装北斗导航定位系统 实 现了拖拉机的自动驾驶 并可实时将所在位置发送到 控制终端 与控肥闸门安装的位移传感器 输肥链板 的转速传感器和肥料落点控制罩的角度传感器实现 闭环控制 实现不同地块的按需 按幅施肥 达到精准 定量施肥的目的 在料箱内部安装的摄像头可观察 链板运行情况 在后方安装的摄像头实现了撒施情况 的实时监控 2 主要部件设计 2 1 控制系统选型 施肥机控制终端系统由嵌入式作业控制终端 FPG 芯片 触摸屏 数据采集模块 位移传感器 转 速传感器 角度传感器 开关控制模块 以及液压电磁 阀组成 实现了不同施肥量 不同幅宽的调整 控制 系统方案如图 所示 实际控制系统界面如图 所示 图 控制系统方案图 Fig T e di g m of cont ol system sc eme 图 实际控制系统界面 Fig T e inte f ce of ctu l cont ol system 显示屏为嵌入式一体化控制屏 屏幕尺寸为 寸 主频 GHz 内存为 具有 数据存储 可 满足施肥机使用要求 数据采集模块采用了舟正科 技D Q 6 可实现工业级 通道模拟量采集 采 样率高达 Hz 同时 内置看门狗 永不死机 保证施 肥过程中信号采集的稳定性 继电器控制板具有 路 P 型光电输入和 路继电器输出 每路都有常开 常闭和公共端 个端子 电源 通讯均隔离 具有超强 抗干扰能力 链板转速的检测采用C 6传感器 量程可调 精度为 级 支持RS 接口和 odbus RTU协 议 可设置成上下限报警输出 用于链板拥堵报警 肥门开度的检测利用了德格斯的D 系列拉线位移传 感器 工作可靠 安装简单 肥料落点控制罩开合角 度检测采用了功耗低 性能好的H S T双轴数字输 出型倾角传感器来实现 量程 内部采用欧洲原 装进口的 S倾角测量单元 内置工业标准 CU 单元 集成先进的滤波算法 保证每个模块性能具有 出色的一致性 2 2 料箱 料箱尺寸 结构取决于装载量 肥料特性和输送 方式等 有机肥湿度 粘度较大 将料箱设计顶大底 小的形状 斜面与水平面的夹角为6 大于肥料休止 角 料箱下部进行了折弯处理 按地块长度6 m 有 效撒肥幅宽 m 施肥量按每公顷 kg计算 加 次 肥料可满足进行 个往返的撒肥量要求 V m 乡间道路的宽度一般为 m 为保证在乡间道路的 行驶安全 设计最大宽度为 m 长度为 m 在装 载量满足要求的情况下 尽量减小料箱侧壁的高度 以便于肥料的装载 料箱总高度为 m 料箱内部截 面示意图如图 所示 容积计算公式为 年 月 农机化研究 第 期 V Qm xBL 式中 Qm x 施肥量 kg m B 施肥幅宽 m L 撒施距离 m 充满系数 肥料密度 kg m 图 料箱截面示意图 Fig T e section di g m of m te i l box 2 3 输肥机构 由于有机肥性状复杂 输肥机构要具有结构简 单 输送能力大 运行可靠等特点 选择刮板式输送方 式 主要由驱动机构 张紧装置 牵引链及刮板等部分 组成 如图 所示 刮板间隔为 6 mm 个数为 个 链条选用 高强度圆环链的双链形式 图 输肥机构 Fig Fe tilize delive y mec nism 链条工作过程中主要承受来自物料重力和刮板链 条自身重力所产生的摩擦力 需要对其进行强度校 核 本设计为水平输送 输送阻力受力如图6所示 图6 输送阻力受力图 Fig 6 T e fo ce of conveying esist nce 已知刮板的规格和数量 通过查表和计算可得 输送长度为 m时 刮板和圆环链的总质量m 为 kg 当料箱满载时 体积为 m 肥料的堆积密 度为 kg m 则输送装置上有机肥的总质量m 为 m V 式中 物料堆积密度 kg m V 满载时的物料体积 m 刮板输送装置基本运行阻力为 Wf m f m f g 式中 Wf 刮板输送装置的基本运行阻力 m 刮板链条总质量 kg m 满载时输送装置上的物料质量 kg f 物料与底板的摩擦因数 f 刮板链条与底板摩擦因数 已知刮板链条总质量m 为 kg 肥料总质量m 为 kg 计算得Wf 6k 刮板输送装置的总阻力为W 即 W wfWf 式中 wf 附加阻力系数 所以 刮板输送最大阻力为 k 安全系数为 K SPiS m 6 式中 链条负荷不均匀系数 Sp 链条破断拉力 k i 链条股数 Sm 承受最大牵引力 k 链条破断拉力 6k 股数为 承受最大牵引 力为 k 计算得安全系数为 满足强度要求 2 4 螺旋破碎机构 螺旋破碎机构既可起到输送肥料的目的 也可对 肥料进行一次破碎 因此 在每一个辊上有对向焊接 的两组旋向朝里的叶片 同时在叶片上安装了破碎 头 输送过程可对肥料进行第一次破碎 叶片选用 6 n钢材料 厚度为6mm 安装辊材料为Q 破 碎头和轴头材料为 钢 如图 所示 螺旋叶片 破碎头 图 螺旋破碎辊 Fig T e elic l c us ing oll 破碎头角度 排列方式及其间距对肥料破碎均匀 年 月 农机化研究 第 期 性及安装辊的动平衡有着直接的影响 为了减轻 整机振动 提高一次破碎度 将破碎头进行延叶片进 行螺旋排列 轴向方向绕圆周均匀排列 如图 所 示 并根据式 6 式 确定了叶片螺旋直径 mm 和螺距 mm 图 破碎头轴向分布图 Fig T e xi l dist ibution of c us ing e d Q Ck D ns 6 ns nm x E D S k D 式中 Q 输送量 m C 输送机修正系数 k 螺距系数 堆积密度 kg m 输送机填充系数 D 螺旋直径 m ns 螺旋转速 min nm x 最大许用转速 min E 物料综合特征系数 S 螺距 m 2 5 撒施圆盘 当撞击到控制罩内壁的肥料落到圆盘上时 在圆 盘旋转产生的离心力 肥料和圆盘间的摩擦力等力的 作用下 肥料会在圆盘及沿拨肥叶片上滑动或滚动 最终通过叶片抛撒出去 假设作业过程中圆盘旋 转角速度 保持恒定不变 忽略肥料间相互作用力和 落到圆盘产生的反弹力 以一个颗粒质量为m肥料 颗粒为研究对象 在离心力作用下沿撒肥盘的拨肥叶 片向外运动 如图 所示 颗粒主要受摩擦力 惯性力 重力 离心力和科里 奥利力作用 当肥料颗粒落到以角速度 旋转的 圆盘上时 颗粒离圆盘圆心o距离为r 圆盘半径为 R 当肥料颗粒运动到距离圆心o为rm时 假设肥料颗 粒运动距离dr 时间dt 由牛顿定律可得 F Fce Ff Fce Ff Ff m r m drdt m g 式中 F 该肥料颗粒所受合力 Fce 肥料颗粒所受离心力 Ff 肥料颗粒所受摩擦力 Ff 肥料与叶片的摩擦力 Ff 肥料与圆盘的摩擦力 摩擦因数 拨肥叶片 肥料落入圆盘区域 肥料颗粒 r 初始半径 mm R 圆盘半径 mm 脱离角 d V 离开圆盘时速度 m s T 颗粒运动到距圆盘中心r所用时间 s r T时刻颗粒距圆盘中心的距离 mm 图 肥料颗粒在圆盘运动分析 Fig T e n lysis of movement of fe tilize p ticles in disk 对公式进行化简 得到肥料颗粒离开圆盘时的绝 对速度为 v vt R 可见 颗粒离开速度与肥料落点初始半径 圆盘 速度 颗粒与圆盘的摩擦力及圆盘直径有着直接的关 系 为提高转速稳定性 工作可靠性 设计圆盘动力 来自拖拉机后输出轴 圆盘直径根据经验设计为 mm 如图 所示 拨肥叶片可偏心 多角度安装 并在受力较大的叶片外侧后焊接了两个立板用来加 强支撑防止变形过大 2 6 肥料落点控制罩 通过肥料落点控制罩可以改变肥料下落到撒施圆 盘的位置 改变了初始半径 进而改变颗粒离开圆盘 时绝对速度 最终改变撒施幅宽 如图 所示 初始 角度为 时 肥料正好落在圆盘中央 随着角度不断 年 月 农机化研究 第 期 变化 肥料在圆盘的初始半径也在变化 当开启角度 达到 时 肥料落点已达到圆盘边缘 在此过程中 由式 可知 肥料颗粒离开圆盘的绝对速度会逐渐 减小 撒施幅宽也会减小 可通过试验验证 图 撒施圆盘三维图 Fig T e d m p of sp e ding disk 图 肥料落点控制罩 Fig T e fe tilize d op cont ol ood 3 试验 3 1 试验条件 精准施肥机试验在山东省无棣牧禾农机服务专业 合作联合社进行 试验场地为水泥地 地面较平整 风 速 m s 湿度 所用肥料为发酵牛粪 容重为 6 g cm 利用料盘摆成 横 纵的形状 沿车头前 进方向 横向料盘间间距为 mm 纵向料盘间间距 为 mm 动力设备为安装了北斗导航的约翰迪尔 拖拉机 速度为中速 档 速度稳定后匀速通过 料盘 3 2 影响因素 设计中 因变量有施肥量和施肥幅宽两个 影响 因变量的因素中 定量因素有两个 撒施圆盘转速为 min 螺旋辊转速为 min 自变量因素有 个 分别为链板档位 6 档 控肥闸门开度 6 cm 肥料落点控制罩开启角度 采用此参数进行了正交试验 试验数据如表 所 示 去掉 组异常数据 表 正交试验数据表 T ble O t ogon l test d t s eet 序号因变量 自变量 档位开度 cm角度 结果 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 6 6 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 年 月 农机化研究 第 期 续表 序号因变量 自变量 档位开度 cm角度 结果 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 6 施肥量 kg m 施肥幅宽 m 6 6 6 通过对数据的初步分析可得 随着控肥闸门开度 加大 施肥量和幅宽均呈增大趋势 控肥闸门开度越 大 单位时间内运输的肥料越多 施肥量也就越大 同 时 在单位面积上累积的肥料越多 有效幅宽随之增 大 随着链板档位加大 幅宽有变大趋势 施肥量增加 链板档位数值越大 输送速度越快 引起施肥量增加 而幅宽与施肥量有正相关关系 所以幅宽有加大趋势 随肥料落点控制罩角度增加 施肥量变化不明显 施肥 幅宽减小 因为在其他条件固定下 施肥量只随控肥 闸门开度的加大而增加趋势明显 随着肥料落点控制 罩角度的加大 肥料落点从圆盘中央向边缘移动 当角 度为 时 肥料会落在圆盘边缘上 肥料在圆盘上运 动时间减少 离开圆盘时的速度减小 幅宽减小 这与 式 一致 当控肥闸门开度再增大 大部分肥料将落 不到圆盘上 只有在螺旋辊下方 由链板输送过来的小 部分肥料落在圆盘上 导致有效幅宽进一步减小 3 3 横向 纵向变异系数 在表 随机选取 个试验 计算横向 纵向变异系 数 有效幅宽内的横向和纵向变异系数为 CV S X S n n i Xi X X n n i xi 式中 CV 变异系数 S 标准差 X 平均施肥量 kg Xi 料盘中肥料质量 kg n 料盘数量 由此求得 横向变异系数为 纵向变异系数 为 小于GB T 规定的 高于 国家标准对应技术指标要求 横向变异系数反映了肥料在横向的分布情况 最 佳分布应呈正态分布 即施肥机中间料盘质量最大 越远离施肥机 料盘质量越小 且以施肥机中轴线对 称分布 由图 可知 在不同条件下 个试验的横 向料盘质量分布都服从正态分布函数 这与实际作业 情况一致 符合统计学规律 实际操作中会通过两次 叠加作业进行施肥 纵向分布系数反映的是在延施 肥机前进方向上 肥料的撒施均匀情况 数值越小 说 明肥料的破碎率越高 同时说明施肥机工作平稳可 靠 没有出现停顿等异常情况 纵向料盘质量分布在 去除异常数据情况下 质量上下变化范围小 说明撒 施较均匀 可用施肥量变异系数进一步验证 各料盘 内肥料质量情况如表 所示 横向料盘质量分布 b 纵向料盘质量分布 图 料盘质量分布 Fig te i l t y qu lity dist ibution 年 月 农机化研究 第 期 表 各料盘内肥料质量 T ble Qu lity of fe tilize in e c t y kg 序号横向 纵向 纵 纵 纵 纵 纵 纵6纵 纵 纵 纵 纵 纵 纵 横 6 6 横 6 6 6 横 6 6 6 6 横 横 6 横6 6 横 6 横 6 横 6 横 6 横 6 6 横 6 横6 6 6 6 横 6 6 横 6 6 横 横 6 6 横 6 6 横 6 横6 6 横 6 6 3 4 施肥量变异系数 施肥量变异系数表现为肥料撒施的均匀性 变异 系数越小 说明在一定面积上撒施越均匀 施肥机作 业越平稳 现将控肥闸门开到一定角度 其他条件不 变 记录一定时间内的撒施量 并计算每公顷的施肥 量变异系数 试验数据如表 所示 由表 可知 当控肥闸门打开距离为 cm时 每 公顷的施肥量变异系数为 当控肥闸门打开距 离为 cm时 变异系数为 两次的平均变异系 数为 说明施肥机运行平稳可靠 撒施均匀性 好 表 撒施量 T ble mount of b o dc sting 开度 cm 时间 s 初始值 kg 结束值 kg 施肥量 kg 相同时间施肥量 kg 标准 6 6 年 月 农机化研究 第 期 续表 开度 cm 时间 s 初始值 kg 结束值 kg 施肥量 kg 相同时间施肥量 kg 标准 6 4 结论 精准有机肥施肥机实现了肥料的二次破碎后 撒施作业 并实现了拖拉机机械动力和液压动力的合 理分配使用 施肥机利用FPG 控制系统通过对输肥链板 控肥闸门和肥料落点控制罩的精准调节实现了施肥 量和幅宽的调整 并可对料箱及撒施情况实时监控 结合北斗导航实现了无人驾驶 减轻了劳动强度 试验结果表明 施肥机撒施幅宽范围为 m 撒施量 kg m 纵向施肥变异系数为 每公顷的施肥量变异系数为 达到国家 相应标准 可应用于实际撒施作业 参考文献 田慎重 郭洪海 姚利 等 中国种养业废弃物肥料化利用 发展分析 J 农业工程学报 S 李波 田耘 有机肥撒施机的研究现状与应用前景 J 农 机化研究 6 6 王飞 国外撒肥机发展概况 J 农业工程 6 6 HOSS S ccu cy of two types of fe tilize te cont ol systems in v i ble te fe tilize pplic to J dv nces in nvi onment l Biology 6 s ol n RF D b sed v i ble te tec nology fe tilize p plic to fo t ee c ops J Jou n l of pplied Sciences 6 6 王晨 车载有机肥捡拾装置研究 D 哈尔滨 东北农业 大学 6 C tt H ss n S m n et l i ble te sp e de fo e l time spot pplic tion of g nul fe tilize in wild blue be y J Compute s nd lect onics in g icultu e 陈海霞 有机肥抛撒机设计与试验 J 农村牧区机械化 6 马标 吴爱兵 许斌星 等 多功能固体有机肥撒施机拨料 辊的设计及试验研究 J 农机化研究 6 贾洪雷 黄东岩 刘晓亮 耕作刀片在刀辊上的多头螺旋 线对称排列法 J 农业工程学报 6 张睿 王秀 孟志军 等 肥料抛撒机颗粒肥料抛撒运动 分析 J 农机化研究 吴辉 圆盘式施肥机抛撒试验系统开发与撒肥规律研究 D 保定 河北农业大学 Design and Test of Precise Organic Fertilizer Applicator H o n ie W ng C eng Wu ibing iu K ik i F n Ping Sun Dongxi Binz ou g icultu l c ine y Rese c nstitute Binz ou 66 C in n ing Rese c nstitute fo g icul tu l ec niz tion inist y of g icultu e n ing C in Binz ou Ru l ne gy Wo kst tion Binz ou 66 C in Abstract iming t t e cu ent situ tion of single function un d ust ble qu ntity nd widt of o g nic fe tilize pplic tion m c ine o sm ll d ustment nge p ecise o g nic fe tilize pplic tion m c ine w s designed T e fe tilize ppli c to c n e lize t e second c us ing of bulk fe tilize nd sp e d t e fe tilize evenly Using t e combin tion of mec ni c l t nsmission nd yd ulic t nsmission to e lize t e tion l use of t cto powe T e FPG cont ol system is used to p ecisely d ust t e st ll position of t e fe tilize c in bo d t e opening of t e fe tilize doo nd t e ngle of t e fe tilize d op point cont ol cove e lizing t e v i ble mount nd widt of fe tilize pplic tion nd t t e s me time e l time monito ing of t e ope tion st tus nd pplic tion st tus of t e m te i l box T e test esults s owed t t t e fe til ize pplic tion m c ine d ig c us ing deg ee nd good unifo mity nd e lized utom tic d iving nd ccu te v i ble cont ol of sp ying qu ntity nd widt T e sp ying widt nge w s m t e sp ying qu ntity w s kg m t e longitudin l fe tilize v i tion coefficient w s nd t e fe tilize v i tion coefficient w s Key words fe tilize m c ine FPG field test coefficient of v i tion 年 月 农机化研究 第 期