董劍豪，劉曉麗，畢新勝※，劉新州，顏曉龍，李姝卓

（1．石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2．阿拉爾潤(rùn)農(nóng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技有限公司）

0 引言

現(xiàn)有的施肥方式主要有人工施肥和機(jī)械施肥，人工施肥通常是“憑經(jīng)驗(yàn)施肥”，需要人工挖溝，施肥，填土等作業(yè)環(huán)節(jié)，效率低，往往造成施肥精準(zhǔn)度差，化肥多、有機(jī)肥少，氮肥多、鉀肥少，三要素肥多、微量元素少，氮、磷、鉀不平衡。在有一定種植規(guī)模的農(nóng)田條溝施肥，采用高效機(jī)械化作業(yè)[1-3]，更有利于肥料中的有機(jī)成分在耕地里發(fā)揮作用，以達(dá)到耕地的營(yíng)養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)。文中涉及了一款適合不同行距和不同施肥深度的施肥機(jī)，一次完成有機(jī)肥和化肥的層間施肥。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

有機(jī)肥、化肥開(kāi)溝施肥一體機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1。有機(jī)肥料箱1 和化肥料箱13 構(gòu)成肥料儲(chǔ)存箱，有機(jī)肥料箱設(shè)有支撐裝置，并且在下方設(shè)有刮板式肥料輸送鏈，在有機(jī)肥料箱里提供了有機(jī)肥料。施肥箱上設(shè)有第一施肥口和第二施肥口、施肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)板和施肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸；施肥口調(diào)整板設(shè)置在下方。驅(qū)動(dòng)輪4 和提升液壓缸5 安裝在框架的底部。有機(jī)肥料施肥機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)單面和雙面施肥以及施肥寬度的調(diào)節(jié)。有機(jī)肥料的溝深可用有機(jī)肥肥料箱輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸調(diào)節(jié)或手動(dòng)調(diào)節(jié)化肥深度，以滿足不同施肥深度的需要[4]。肥第一覆土輪9.化肥第一開(kāi)溝器10.化肥第一覆土板11.化肥第一輸肥管12.有機(jī)肥第一施肥馬達(dá)13.化肥料箱14.有機(jī)肥第二施肥馬達(dá)15.化肥第二覆土板16.化肥第二開(kāi)溝器17.化肥第二輸肥管18.有機(jī)肥第二覆土輪19.化肥肥料箱第一出肥口20.有機(jī)肥肥料箱刮板式輸肥鏈條21.有機(jī)肥肥料箱支撐裝置22.有機(jī)肥第一施肥帶23.有機(jī)肥第二施肥帶

施肥機(jī)構(gòu)的兩端安裝有開(kāi)溝覆土裝置，其主要由化肥第一開(kāi)溝器、有機(jī)肥第一開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)液壓油缸、有機(jī)肥肥料箱輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)板、有機(jī)肥肥料箱輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸、有機(jī)肥第一施肥擋板、有機(jī)肥第二覆土輪構(gòu)成，其主要作用是根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，完成不同的開(kāi)溝需求。

1.2 液壓系統(tǒng)工作原理

有機(jī)肥-化肥開(kāi)溝施肥一體機(jī)液壓系統(tǒng)工作原理如圖2，有機(jī)肥施肥液壓回路、有機(jī)肥輸肥液壓回路、化肥施肥液壓回路、有機(jī)肥肥箱輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓回路、化肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓回路和一體機(jī)底盤升降液壓回路組成液壓控制系統(tǒng)。有機(jī)肥輸肥液壓回路中輸肥通過(guò)換向閥來(lái)控制輸肥液壓馬達(dá)的開(kāi)啟與關(guān)閉，換向閥處于右位時(shí)，有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成對(duì)有機(jī)肥的攪拌。當(dāng)換向閥處于中位時(shí)，有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)停止工作，不能進(jìn)行對(duì)有機(jī)肥的攪拌。當(dāng)換向閥處于左位時(shí)，有機(jī)肥輸肥液壓馬達(dá)容易出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象，因此設(shè)置單向閥，阻止其發(fā)生倒轉(zhuǎn)。有機(jī)肥施肥量受施肥裝置施肥軸的轉(zhuǎn)速影響，且轉(zhuǎn)速高與施肥量成正比關(guān)系，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)流閥進(jìn)而改變馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，調(diào)控播肥量。有機(jī)肥施肥液壓回路和化肥施肥液壓回路的工作原理同上述有機(jī)肥輸肥液壓回路相似。

開(kāi)溝器的開(kāi)溝深度通過(guò)提升液壓缸進(jìn)行調(diào)節(jié)，換向閥控制提升液壓缸的升降。換向閥處于右位時(shí)，提升液壓缸處于上升狀態(tài)，開(kāi)溝器的開(kāi)溝深度加深。換向閥處于中位時(shí)，提升液壓缸停止上升，開(kāi)溝器的開(kāi)溝深度保持不變，換向閥處于左位時(shí)，提升液壓缸處于下降狀態(tài)，開(kāi)溝器的開(kāi)溝深度降低。液壓鎖的設(shè)置可以保證在液壓回路不工作時(shí)使一體機(jī)的開(kāi)溝深度不變，有機(jī)肥和化肥肥箱輸肥口開(kāi)度的調(diào)節(jié)也通過(guò)液壓油缸的升降高度一并調(diào)節(jié)，其方法與開(kāi)溝器的開(kāi)溝深度類似。

2 液壓系統(tǒng)建模與仿真分析

2.1 液壓系統(tǒng)建模

本文通過(guò)AMESim 液壓仿真軟件，搭建有機(jī)肥-化肥開(kāi)溝施肥一體機(jī)的液壓仿真系統(tǒng)模型，液壓系統(tǒng)工作壓力為10 MPa、提升液壓缸徑為63 mm，桿徑45 mm，最大行程630 mm、有機(jī)肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)缸徑為50 mm，桿徑36 mm，最大行程400 mm、化肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸經(jīng)40 mm，桿徑28mm，最大行程400 mm、有機(jī)肥輸肥馬達(dá)額定排量240 ml/r 以及有機(jī)肥左右施肥液壓馬達(dá)和負(fù)載模型等[5-8]（圖3）。

2.2 仿真數(shù)據(jù)分析

2.2.1 提升液壓缸仿真分析

如圖4、5 為仿真后的提升液壓缸的速度與活塞位移曲線變化圖，底盤在升降過(guò)程中，前3 s 秒速度雖然略有波動(dòng)，但在系統(tǒng)運(yùn)行后的3～11 s 之間，提升液壓缸以0．06 m/s 的速度進(jìn)行平穩(wěn)的運(yùn)行，提升液壓缸上升速度為0．06 m/s，高度為0．63 m 時(shí)，底盤上升到最高位置。在11～16 s 內(nèi)，提升液壓缸處于底盤升降的最高位置，此時(shí)由于雙向液壓鎖的作用，液壓油缸高度保持不變且不會(huì)因外力作用或液壓管路的泄漏發(fā)生移動(dòng)。在16～26s 內(nèi)，提升液壓缸從最高位置0．63 m 處下降至0 m 處，此時(shí)液壓油缸的移動(dòng)速度維持在0．06 m/s。根據(jù)圖4、5 的仿真數(shù)據(jù)顯示，提升液壓缸的同步性效果非常好，兩個(gè)液壓油缸能夠完全的進(jìn)行同步升降，同時(shí)也保證有機(jī)肥-化肥開(kāi)溝施肥一體機(jī)底盤升降作業(yè)過(guò)程平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2.2 化肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸仿真分析

如圖6、7 為仿真后的化肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸的速度、活塞位移曲線變化圖。在0～4 s 內(nèi)，液壓油缸的上升速度瞬間增大至0．11 m/s，在4 s 后，此時(shí)液壓油缸上升到最高位置0．04 m 處，在第4 s 時(shí)，液壓油缸的上降速度突然增大，隨后下降到0 m/s，造成此現(xiàn)象的原因是換向閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。在0～4 s 時(shí)間內(nèi)，輸肥口開(kāi)啟到最大值。在5 s 時(shí)，液壓油缸的下降速度瞬間增大至0．08 m/s。在運(yùn)行5 s 后，化肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸由最高點(diǎn)0．4 m 處降低至0 m 處。10～30 s 內(nèi)，往復(fù)的進(jìn)行周期性工作，在此工作狀況下活塞的位移和運(yùn)動(dòng)速度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 有機(jī)肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸仿真分析

如圖8、9 為仿真后的有機(jī)肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸的速度、活塞位移曲線變化圖。在液壓回路開(kāi)啟的瞬間，液壓油缸的上升速度瞬間增大至0．07 m/s，之后在0～6 s 內(nèi)以0．07 m/s 的速度穩(wěn)定工作。在6 s之后，此時(shí)液壓油缸上升到最高位置0．04 m 處。在6～10 s 時(shí)，換向閥處于中位，液壓油缸的上升速度在第6 s 時(shí)突變降至0 m/s，此時(shí)有機(jī)肥輸肥口的開(kāi)度不變。在10～18．5 s 內(nèi)，液壓油缸以0．05 m/s 的速度使有機(jī)肥輸肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)液壓油缸從最大位置下降至最低位置（關(guān)閉），且在第18 s 時(shí)，液壓油缸的運(yùn)行速度瞬間降至0 m/s。在18～20 s 內(nèi)，有機(jī)肥輸肥口處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)以0～20 s 為一個(gè)周期往復(fù)作業(yè)，在此工作狀況下活塞的位移和運(yùn)動(dòng)速度均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)

2019 年4 月，樣機(jī)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第1 師5團(tuán)1 連某試驗(yàn)場(chǎng)地完成了作業(yè)速度為2．5 km/h，標(biāo)定開(kāi)溝深度為400 mm 時(shí)的田間作業(yè)，10 次試驗(yàn)結(jié)果的平均值為：實(shí)際開(kāi)溝深度為399．08 mm，其與標(biāo)定值得誤差為0．23%，有機(jī)肥施肥深度為397．21 mm，化肥施肥深度為395．17 mm。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，即使作業(yè)地表不平整，開(kāi)溝器實(shí)測(cè)開(kāi)溝深度與標(biāo)定的開(kāi)溝深度有較小波動(dòng)，在該范圍下仍可達(dá)到預(yù)期的農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

結(jié)合有機(jī)肥、化肥開(kāi)溝施肥一體機(jī)的作業(yè)要求，本文完成了整機(jī)液壓系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)和仿真分析并通過(guò)田間試驗(yàn)表明：實(shí)際開(kāi)溝深度的平均值為399．08 mm，其與標(biāo)定值得誤差為0．23 %，有機(jī)肥施肥深度平均值為397．21 mm，化肥施肥深度平均值為395．17 mm，整機(jī)性能和液壓控制系統(tǒng)均可滿足操作條件并具有穩(wěn)定的性能。