基于液壓驅動器的精準施肥控制裝置設計

鄭曉培,劉 旦,孫 磊,劉志鵬

(長春工程學院 工程訓練中心,長春 130012)

0 引言

設施農業是解決我國人多地少制約可持續發展問題的有效技術工程,在我國得到快速蓬勃發展,是農業發展的重點。然而設施農業的封閉性及施肥不合理等問題致使土壤缺乏效力,產量下降。因此平衡精準施肥是溫室農業的發展趨勢[1-3]。

國外已有成熟的施肥技術成果,如美國約翰迪爾公司氣吹式種肥車,日本TABATA公司的顆粒肥變量施肥機等,多使用GPS定位,激光雷達或激光掃描規劃路徑,并適量施肥。但成本高昂,不適用中國的小農經濟。近年來,國內取得部分研究成果在小范圍應用[4-6],但主力依然是人工作業,勞動強度大,施肥精度低,造成作物產量下降,利潤降低。

本文設計了一種基于壓電驅動器的精準施肥控制裝置,該裝置將壓電技術用于農作物精準施肥控制,具有精度高、響應快、工作穩定、壽命長、成本低等優點。實現了設施農業生產的自動與智能,減輕勞動強度,降低生產成本,提高作物產量,增加社會經濟效益。

1 施肥裝置的機械結構與原理

施肥裝置適用水肥一體化灌溉模式,結構如圖1所示,主要由控制模塊、驅動泵、換向閥、精密蓄能器、執行機構和排肥機構組成。其中驅動泵、自動換向閥、精密蓄能器和執行機構可統稱為壓電驅動器單元。該裝置采用液壓驅動,流體依次經過驅動泵、換向閥進入執行機構,推動其定向運動,將排肥機構中的肥料通過管道系統輸送到作物根部,為作物生長提供精準的營養物質。

圖1 施肥裝置的結構

2 施肥裝置的性能分析

若排肥機構與執行機構橫截面積相同,并忽略其摩擦阻力,施肥裝置的輸出速度v和功率P如式(1)、式(2)

(1)

(2)

其中

α=t1/t2

(3)

(4)

3 試驗結果及分析

壓電驅動器的介質、頻率、電壓和預加載壓力都會對水肥裝置的性能造成影響。為確定裝置的工作條件及工作性能,在不添加肥料,采用驅動介質為純凈水(氣體含量極低)時試驗。

如圖2所示,裝置的輸出隨電壓近似呈線性增加。經試驗過程驗證,超過150 V后,驅動泵損壞率增大。考慮裝置的工作能力和維修保養,確定電壓150 V。

在裝置無肥料、電壓150 V時,測定頻率對裝置的影響如圖3和圖4。在頻率50～200 Hz間,裝置的輸出性能不穩定且較低,頻率超過200 Hz后輸出速度和驅動力均呈直線上升,但輸出速度在頻率360 Hz處斷崖式下跌,之后緩慢上升。所以裝置的最佳驅動頻率為350 Hz。

圖2 施肥裝置工作電壓測試圖

施肥裝置施加內壓力可以將驅動介質進一步壓縮,減少裝置因為驅動介質的壓縮變形造成的能量損耗,從而提高輸出,提升裝置的載肥能力。圖5、圖6是裝置施加不同內壓力后的輸出狀況。裝置在內壓力低于0.04 MPa時,隨著施加壓力的增大,輸出速度逐漸增加;在0.04 MPa達到最大,此時輸出速度25.80 mm·s-1,推力72.6 N;內壓力高于0.04 MPa時,驅動介質壓縮到極限,過大的內壓力對裝置的運動產生阻礙,輸出開始逐漸下降。所以裝置的最佳施加內壓力為0.04 MPa。

圖3 施肥裝置工作速度-頻率測試圖

圖4 施肥裝置工作驅動力-頻率測試圖

對施肥裝置單側肥料箱分別添加重量0.5,1.0,1.3,1.5,2.0,2.5 kg的肥料,測試結果如圖7和圖8。裝置排肥速度隨肥料重量增加逐漸降低,至肥料重量2.5 kg時排肥速度趨于0。肥料重量0～0.5 kg,裝置的功率隨載肥重量增加迅速上升,在0.5～1 kg功率上升趨勢變緩,1～1.5 kg功率趨于穩定,隨后急速下降。因此,單側肥料重量1～1.5 kg時施肥裝置的性能較好,功率可達88～92 mW。

圖5 施肥裝置工作速度-施加壓力測

圖6 施肥裝置工作驅動力-施加壓力測試圖

圖7 施肥裝置工作速度-載重測試圖

圖8 施肥裝置工作功率-載重測試圖

該裝置與普遍使用自來水驅動的裝置(驅動介質氣體含量較高)對比(圖9)。該款施肥裝置的載肥能力提高了約3倍,輸出功率提升了約1.5倍。并且工作穩定性更強,工作效率更高。

圖9 施肥裝置工作性能對比圖

4 結論

為實現溫室農業的精準施肥,設計一種水肥一體化灌溉的施肥控制裝置。該裝置采用壓電液壓技術和雙肥料箱結構,采用純凈水驅動。

1)施肥裝置的工作條件為電壓150 V,頻率350 Hz,施加內壓力0.04 MPa;

2)單側肥料箱承載肥料重量在1～1.5 kg時,施肥裝置性能較好,功率可達到88～92 mW。

3)與采用自來水驅動的裝置相比,該施肥裝置的載肥能力提升了約3倍,輸出功率提升了1.517倍。具備更強的穩定性和更高的效率。