山區烤煙液肥深施機的設計

周茂茜，李家春，田 莉，張賓賓，張 雷

(貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025)

0 引言

烤煙是我國經濟作物中一項重要的農產品，是卷煙生產的主要原料，也是我國出口的大宗農產品之一。目前，國內農機市場中糧食類農作物的機械自動化程度較高，但與烤煙生產配套的機械設備有待發展。其中，液肥是烤煙生長的關鍵，不合理的施用引起的資源浪費、效率低下及環境污染等問題越來越受到重視。所以，在保證煙葉質量的同時，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%，產量占全國的13.0%[2]，規模較大；但機械化施肥水平不高，煙草施肥環節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致煙草作物燒苗或營養缺失，肥效利用率低，長期會導致土壤肥力失衡和土壤板結[3]。液肥淺施常導致化肥揮發、肥效利用率低，不利于作物根系對養分的吸收，達不到增產增收的效果[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，一直是困擾山區烤煙施肥的一個重大問題。為此，針對山區復雜地形下的烤煙施肥，研制了一款山區烤煙液肥深施機，以末端施肥槍對烤煙進行分株施肥，且可根據田間目標烤煙的具體位置及高度進行調節。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

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施肥且背負壓力對勞動力有要求，所以在背負式噴肥器結構基礎上進行了改進。該液肥深施機主要由肥液供給裝置、田間自適應調節裝置和施肥裝置組成，如圖1所示。

1.四驅農用車 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 9.施肥槍 10.繞管機圖1 山區烤煙液肥深施機結構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；田間自適應調節裝置由自動回收絞盤、調節吊桿、轉動機構及三腳架等組成；施肥裝置主要由變量控制系統和施肥槍組成。

山區烤煙液肥深施機主要技術參數如表1所示。

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

1.2 工作原理

山區烤煙液肥深施機由四驅農用車提供動力，施肥時，農用車停至田間路上，肥液供給裝置設在四驅農用車廂內；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。農用車駕駛室上方設有太陽能板，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，原理如圖2所示。作業時，肥液隨輸肥軟管經繞管機拖至田間自適應調節裝置上，實現遠距離輸肥；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，經外力輕拉可自動收縮，繃緊軟管。施肥裝置依然設有溢流閥、電磁比例調節閥及定量齒輪泵，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的順暢。施肥裝置控制系統背負于施肥人員腰部，手持施肥槍進行分株施肥。施肥時，由電磁比例調節閥進行流量的調節，施肥人員只需操作界面上的控制按鈕預設流量及施肥槍上的施肥開關進行施肥，流量達到預設流量施肥槍自動關閉，最終實現精準變量施肥。

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

2 關鍵部件設計

2.1 肥液供給裝置

肥液供給裝置是本機的起始輸肥裝置，隨四驅農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，按照煙農施肥經驗整理得容量需2 000L，罐中液肥雜質易沉淀，故需要攪拌功能。傳統攪拌方式均采用電機攪拌，通常在施肥作業連續進行時采用；本機針對山區烤煙分株施肥，工作有間歇期，故設計了一種新型攪拌方式—泄壓回路攪拌法。工作時，設備液泵持續不斷工作，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。肥液供給裝置和農用車裝配結構建模如圖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 肥液供給裝置結構設計

肥液供給裝置的輸送管道由Y型過濾器、手動閥、電磁閥、液泵及轉接接頭組成。其中，Y型過濾器輸送有雜質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，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。輸肥裝置結構如圖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 肥液供給裝置結構Fig.4 Structure of fertilizer conveying device

2.1.2 輸肥裝置主要參數設計

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

管內允許流體流速是計算管徑的重要參數，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，管道內徑計算公式為

式中d—管徑(mm)；

q—流經管路最大流量(L/min)；

v—管路允許流速(m/s)。

本設備采用流量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力共同決定。因壁厚過小管道安全性降低，過大設備成本和質量隨之增大，所以要合理設計管道壁厚[7]。管道壁厚計算公式為

式中δ—金屬管壁厚(mm)；

d—管路內徑(mm)；

p—管內最高工作壓力(MPa)。

本設備液肥具有一定的酸堿性，故選用管路材質為304不銹鋼材質，管路內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 田間自適應調節裝置

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，施肥作業要求如下：①在施肥范圍內保證輸肥軟管不能壓塌煙葉；②可在該裝置方圓50m范圍內全方位施肥；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—田間自適應調節裝置進行設計，結構簡圖如圖5所示。主要由三腳架、轉動機構、自動回收絞盤及可調節吊桿等組成。其中，選用自動回收絞盤軟管經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，根據田間試驗，三腳架高度設計為1.5m；且中間的立柱設有一組插銷孔，可通過U型插銷進行該裝置0.5m范圍內的高度調節，避免輸肥管起始高度較低導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.轉動機構 8.三腳架 9.立柱圖5 田間自適應調節裝置結構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)處轉動機構如圖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動效果；施肥槍可隨施肥人員圍繞田間自適應調節裝置360°轉動實現成片區施肥。

該裝置中B(見圖5)處的可調節吊桿由支撐板、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動機構上，支撐板的頭部為圓盤形結構，支撐板的頭部圓周上有3組定位孔，在固定滑槽上設有與定位孔對應的銷釘孔，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處轉動機構Fig.7 Rotating mechanism at point A

1.轉動機構 2.支撐板 3.固定滑槽 4.定位孔 5.轉軸 6.U型插銷 7.銷釘 8.吊桿圖8 B處可調節吊桿結構Fig.8 The derrick structure can be adjusted at point B

裝置桿件結構材料均采用鋁合金-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定性。其中，吊桿可調節自身角度，調節角度為30°、45°、60°，根據實際施肥范圍決定輸肥軟管起始高度調節吊桿角度，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調節裝置的受力桿，根據田間試驗及優化設計，吊桿長5.6m；采用中空結構,厚度2mm。施肥作業時從前端的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。

吊桿的強度分析應建立在極限位置處方圓50m內，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。吊桿將角度調節至30°、45°、60°，實驗結果如表2所示。其應力、應變及整體變形云圖如圖9～圖11所示。

表2 調節吊桿實驗數據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，故僅需將調節至30°吊桿的三維模型導入ANSYS Workbench中進行靜應力分析。由圖9可知：最大應力58.63MPa出現在U型銷與固定滑槽相連接處，小于160MPa；由第四強度理論可知，吊桿強度滿足設計要求，且有足夠的應力儲備，所以設計是安全可靠的[8]。

圖9 等效應力云圖Fig.9 The cloud map of equivalent stress

圖10 等效應變云圖Fig.10 The equivalent strain cloud diagram

從圖10和圖11可知：吊桿最大應變量出現位置與最大應力出現位置相同，最大應變值為0.000 84，應變量較?。徽w最大變形出現吊桿末端，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構設計要求。

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，最終實現烤煙增產。施肥裝置由電磁比例調節閥、溢流閥、定量齒輪泵及施肥槍組成，其結構簡圖如圖2中施肥裝置系統所示。

槍結構主要由手持槍把、手動開關、按鈕開關、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 4.手動開關 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 施肥槍結構圖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]，施肥深度設計根據烤煙要求最高可達0.2m。其中，施肥槍上的按鈕是施肥控制系統電磁閥的通電開關，即施肥開關，施肥人員開啟施肥開關后，控制系統在流量傳感器采集到預設流量后自動斷電，電磁閥關閉，實現變量施肥。施肥槍上的手動開關可在控制系統出現故障時進行機械施肥，最終實現施肥槍的手動和自動施肥。

3 控制系統設計

為實現施肥槍變量施肥，變量控制系統背負在施肥人員腰部，通過施肥槍上的施肥開關按鈕即可進行施肥動作。該控制系統以單片機為控制單元，以電磁比例調節閥為執行元件[10]。通過設置單片機的PWM控制寄存器產生脈沖可調的PWM波，對電磁比例調節閥的輸入電壓進行脈沖調制；因電壓不同，電磁閥開度不同，流量輸出也就不同，最終實現流量調節。單片機通過流量傳感器采集實際流量信號,根據該信號在其內部采用數字PID算法對PWM控制寄存器的值進行修改,從而實現精準變量控制[11]。

本系統選用的單片機模塊是STC89C52RC芯片，是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8kB字節系統可編程Flash存儲器。控制部分主要完成電磁比例閥的驅動，由鍵盤輸入預設施肥量且通過LCD的顯示；執行部分完成電磁比例閥的調節，可接收經單片機D/A轉換后的電壓信號[12]?？刂葡到y硬件組成如圖13所示。

圖13 硬件系統組成框圖Fig.13 Hardware system composition block diagram

該控制器的軟件程序由C語言編寫，并應用德國Keil公司開發的Keil uVision5軟件對程序進行編譯，程序流程如圖 14所示[13]。控制過程僅需施肥前進行流量調節，按鈕操作并通過LCD屏顯示預設流量值；然后，按施肥槍開關按鈕給電磁比例調節閥通電，直至流量傳感器檢測且通過PID算法修正流量達到預設流量值，系統自動關閉，從而實現精準變量施肥。

圖14 控制系統流程圖Fig.14 Flow chart of control system

4 試驗結果

山區烤煙液肥深施機開始工作時，肥液供給裝置停至貴州山區田間路上，田間自適應調節裝置通過鉆地螺栓將之固定于地里，施肥控制系統背負于腰間，手持施肥槍進行施肥作業。根據煙農經驗及貴州省煙草科學研究院所給數據，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，在按鈕操作界面中預設施肥量后，啟動電磁比例調節閥和齒輪定量泵，測量實際施肥量，設定5組預設值，每組預設值對應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。試驗結果與分析如表3所示。

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

續表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設計合理，可滿足山區復雜地貌的烤煙施肥。其產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節閥動作滯后。

5 結論

1)設計了山區烤煙液肥深施機，可在山區復雜地形田間方圓50m范圍內進行施肥。針對受力桿件—吊桿進行靜應力分析得知，桿件強度設計安全可靠，剛度滿足結構設計要求。

2)該液肥深施機可在作業過程中根據所需施肥量進行預設調節，達到了液肥精準變量施肥的目的。

3)試驗結果表明：該液肥深施機及其控制系統設計合理，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%，低于煙草行業規定的8%。