CN201450743U - 仿生深松变量施肥机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种仿生深松变量施肥机，属于农业机械范畴。方管双梁框架式机架(2)包括前梁和后梁，支撑地轮(1)、仿生减阻深松器(6)、施肥装置(4)、划印器(5)和智能变量施肥控制系统安装在前梁上；平行四杆机构式浮动起垄支架(8)、齿翼式垄作起垄器(11)、固定支架(12)和镇压器(13)安装在后梁上；深松器(6)包括仿生减阻铲柄和双翼铲尖，仿生减阻铲柄具有双抛物线耦合形前导曲线。

Description

仿生深松变量施肥机

技术领域

本实用新型涉及一种仿生深松变量施肥机，属于农业耕作机具。

背景技术

深松作业是田间作业中单位耕作宽度能耗最大的操作之一，深松作业动力主要消耗于工作部件对土壤的切割与挤压作用。深松机具的松土方式主要有挤压松土和振动松土两种形式。机械式深松犁由犁体切割土壤而达到深松的目的。振动式深松机由拖拉机动力输出轴驱动偏心振子使犁产生振动，以减少工作阻力。国外采用的新型深松机具主要有弯腿犁、振动深松机和主被动联合耕作机3种。我国研制的深松机具有以下几种类型：单柱凿铲式、倒梯形全方位式、可调翼铲式、旋耕式和振动式等。生产中使用的机具多为复式作业机具。

传统间隔深松机的主要土壤加工部件是有刃口的铲柄和安装在其下端的深松铲。对于耕深为20～40cm的深松作业，铲柄是其耕作阻力的主要来源。为减轻耕作部件的工作阻力，有人研究了振动式深松部件的工作性能，但振动系统使机具结构复杂，造价也相应提高。国家标准推荐的深松铲柄刃口是R257及R284的圆弧构成的曲线，生产中还有直线、折线构成的刃口线。如果能在保证土壤深松质量的前提下提高其减阻性能，对于节约能耗、降低配套动力的配置水平以及扩大深松耕作技术的应用范围具有重要的意义。

常规施肥是在一次作业前进行一次施肥量调整，整块地、甚至整个作业季节均采用一个固定施肥量。而农田土壤营养成份存在差异性，不同地块、同一地块的不同位置土壤营养含量不一致，同一位置土壤在不同季节也存在不同的差异特性。因此定量施肥造成肥料浪费与土壤环境的污染。

发明内容

为解决深松、施肥作业中存在的能耗大、化肥利用率低的问题，本实用新型提供一种仿生深松变量施肥机。采用仿生减租深松部件和智能变量施肥系统，实现根据土壤营养信息变量施肥，提高机具的综合利用率。

本实用新型的上述目的可通过以下技术方案这样实现，结合附图说明如下。

一种仿生深松变量施肥机，包括橡胶支撑轮1、方管双梁框架式机架2、施肥装置4、划印器5、深松器6、平行四杆机构式浮动起垄支架8、齿翼式垄作起垄器11、镇压器13、仿形轮14和智能变量施肥控制系统，所述的方管双梁框架式机架2包括前梁和后梁，支撑地轮1、仿生减阻深松器6、施肥装置4、划印器5和智能变量施肥控制系统安装在前梁上；所述的平行四杆机构式浮动起垄支架8、齿翼式垄作起垄器11、固定支架12和仿生柔性镇压器13安装在后梁上；所述的深松器6包括仿生减阻铲柄和双翼铲尖，仿生减阻铲柄具有双抛物线耦合形前导曲线。仿形轮(14)通过平行四杆机构式浮动起垄支架(8)安装在机架(2)后梁上。

所述的智能控制变量施肥系统包括液压马达3、电液比例调速阀9、滤油器7、排肥装置4和智能变量施肥控制器，智能变量施肥控制器根据施肥决策确定的施肥量、机器位置和作业速度输出控制信号，实时调节电液比例调速阀9输出流量，调整液压马达3或步进电机的转速，改变施肥装置4的工作速度.

所述的镇压器13通过固定支架12安装在机架2的后梁上，镇压器13主要由镇压辊、摆动支杆、压力弹簧和调节导杆组成，镇压辊由辊体与辊体外圆表面的橡胶外套构成，橡胶外套为一圆柱形套筒。

本实用新型具有以下积极效果：

(1)该机联合作业，深松、施肥、起垄和镇压四道工序一次完成，具有一机多用、通用性强的特点，做到省时、节能，有利于抗旱保墒。

(2)该机深松铲和垄作犁入土性能好，深松器阻力小，降低能耗。镇压器镇压和碎土性能好。

(3)由智能变量施肥系统实现的对不同土壤变量施肥，使施肥量精确合理，可有效避免因过量施肥造成的环境污染和浪费，提高肥料利用率10％-30％，从而降低生产成本，提高粮食产量。

附图说明

图1仿生减阻深松铲柄。

图2电液比例阀控马达速度控制系统简图。

图3控制系统元件组成图。

图4本实用新型整体示意图。

图5本实用新型整体俯视图。

图6支撑地轮支座简图。

图7仿生深松器结构图。

图8平行四杆仿形机构与起垄铲示意图。

图9镇压器组合示意图。

图中：1.橡胶支撑地轮、2.方管双梁框架式机架、3.液压马达、4.施肥装置、5.划印器、6.深松器、7.滤油器、8.平行四杆机构式浮动起垄支架、9.比例调速阀、10.浮动支架、11.齿翼式起垄器、12.固定架、13.镇压器、14.仿形轮、15.踏板、16.仿生柔性镇压辊、17.地轮支座固定孔、18.地轮支座、19.地轮支座调节孔20.深松铲支座、21.施肥管、22.摆动支杆、23.压力弹簧和24.调节导杆。

具体实施方式

本实用新型的具体内容结合附图作进一步说明。

本实用新型的核心工作部件采用仿生减阻深松铲柄及智能控制变量施肥系统。其结构具有以下特征：

1.深松器6包括仿生减阻铲柄和双翼铲尖，仿生减阻铲柄根据仿生学研究成果设计，具有双抛物线耦合形仿生前导曲线(已获得发明专利)。

深松铲作业时的工作阻力、松土范围、碎土性能等除受铲尖作用效果影响外，明显受深松铲柄的结构形式影响；通过合理的结构设计，特别是深松铲柄触土曲面的几何结构设计，能够降低深松作业的工作阻力，提高其节能性能.在保证要求的深松质量前提下，改进深松铲柄结构设计是方便而有效的提高其节能性能方法.传统的深松铲柄一般采用直线、折线或圆弧过渡段结构连接深松铲尖和机架，机具的土壤耕作阻力居高不下.研究发现，自然界中的某些土壤洞穴动物如小家鼠、田鼠、蝼蛄、蜣螂、穿山甲等进化出了发达的挖掘足，挖掘足逐步形成了具有特定曲率的弯曲形状，具有非常强的挖掘洞穴的本领，表现出优良的减阻功能，这为改进深松部件触土表面几何形状，优化其在切削过程中的力学性能提供了仿生研究和设计的基础.

通过对田鼠、穿山甲、蝼蛄等土壤动物进行在体、离体动态脱附行为进行试验研究，找出其阻力小、不沾土、土壤扰动量小等生物减粘降阻机理，并据此选取深松铲柄的结构参数和材质。选择具有优良挖掘减阻功能的达乌尔黄鼠(一种田鼠)为研究对象，对其爪趾形态特征-特别是爪趾纵剖面轮廓线几何特征进行观察分析，研究了其曲率变化的基本规律。结果表明这种动物挖掘足爪趾内轮廓线(爪趾触土面准线)为变曲率曲线，变化规律可近似看作两条抛物线的耦合，该爪趾内轮廓线的曲率变化趋势线由爪趾尖端至爪趾体呈现两次明显的波动特征。试验表明仿生减阻深松铲柄比传统的铲柄可减少牵引力3～8％。

借助田鼠爪趾弯曲轮廓形状的测试结果，设计了仿生减阻深松铲柄结构。参阅图1所示，该铲柄由机架连接段H、铲柄工作段PQ、MN和铲尖连接段R组成。在内准线PQ的前部设有具有60°刃角的刃口，刃口前轮廓线与铲柄工作段内准线PQ平行，铲尖连接段R的铲尖安装平面与水平面夹角W为20°。其特征在于：铲柄前伸量L与耕深D的比值L/D＝0.68～0.95；以内准线PQ的上端点P为坐标原点，PQ曲线的凹向水平向前为x轴正向、y轴正向为铅垂向上建立坐标系，铲柄工作段的内准线PQ和铲柄工作段的外准线MN分别按如下两个曲线方程确定：

$y_1=5.3074{x_1}^4/D_1^3-14.4421{x_1}^3/D_1^2+13.8507{x_1}^2/D_1-5.8984x_1;$

$y_2=-4.136212x_2^3/D_1^2+5.538781x_2^2/D_1-2.519441x_2-0.701217D_1;$

式中：D₁为内准线PQ的垂向高度；x取值范围满足0≤x₁≤0.647831D₁和-0.188855D₁≤x₂≤0.606158D₁。

仿生减阻深松铲柄由ZG45铸造而成，通过控制以上结构参数实现减小土壤耕作阻力的效果。

2.智能控制变量施肥系统采用电液比例调速阀和液压马达，结合PLC控制器高速、安全、稳定、能适应恶劣工作环境的优点构建液压传动调速系统，进行硬件设计和软件开发，适应农田作业环境的变量施肥无级调速要求。

变量施肥工作过程：首先，PLC控制器根据GPS信号采集机具作业位置、行进速度和当前位置施肥决策信息；然后根据当前位置施肥量和机具速度实时计算和控制电液比例调速阀开度，调节液压马达和排肥器转速，从而达到根据不同位置土壤条件进行自动变量施肥的目的。

1)变量施肥控制系统

变量施肥控制系统主要由比例放大器、电液比例阀、液压马达、滤油器组成。其原理参阅图2所示，通过改变电液比例阀回油和出油的比例关系来改变通过液压马达的流量，控制施肥执行机构工作速度，从而实现液压系统调速。

控制器输入的速度指令由电压信号给出。系统输入速度指令电压与输出速度反馈电压之间的电压差即速度差通过比例放大器放大，经电液比例调速阀转换并输出液压能，带动液压马达，驱动负载向着消除速度偏差的方向偏转。比较器用来测量输入速度和输出速度间的速度差。输出速度由反馈转速传感器测得，再反馈至主信道。当转速传感器速度信号与输入指令一致时，按输入电压指令给定的规律变化。

2)液压系统

液压系统动力源采用拖拉机自带的液压泵，能量控制装置是电液比例调速阀，能量输出装置(即执行机构)是液压马达。参阅图3，根据控制要求，由液压泵输出的高压油经滤油器在调速阀内分为两路：一路由P₂口通往液压马达用于驱动排肥器；另一路由T口流回油箱。两路流量的大小由比例阀控制。第一路P₂输出与PLC控制器供给电信号成正比，供给信号越大P₂口开度越大，液压马达流量和转速也越大，相应的T口开度和回流油液流量也越小；反之，则比例阀开口和液压马达转速反向变化。

系统压力由负载决定：负载越大系统压力越大。液压系统最高工作压力由液压元件承受压力决定。本系统压力由比例调速阀和手控溢流阀共同调定，形成二级压力保护体制，通过设定调速阀中溢流压力和先导阀顶端弹簧压力共同调定液压系统最高压力。为了保护液压马达和液压泵，使先导阀弹簧处于适度紧张的条件下设定压力阀输入电流为0.69A，系统压力在达到10MPa时调速阀便完全溢流回油使系统压力为零。

3)液压马达

液压马达是把液压能转换为机械能的部件，根据液压马达结构可以分为齿轮式、叶片式、柱塞式等。在选择液压马达时主要考虑的是其排量、压力和扭矩与系统的匹配。本系统配套动力采用80马力以上拖拉机，如天拖约翰迪尔TN804型拖拉机，其液压泵额定压力为15MP。正常工作条件下，排肥器最大扭矩为10N.M，常用施肥转速是10-120r/min，大小链轮半径比为3∶1故扭矩比为1∶3，液压系统建立的压力为10/3N.M，设计安全系数为2，所以采用额定压力为10Mp的液压马达。

4)调速阀

阀控系统中液压阀主要采用普通液压阀、电液比例阀和电液伺服阀。根据实际需要，选择比例电液压力流量控制阀。

3.镇压器主要由镇压辊、摆动支杆、压力弹簧和调节导杆组成。镇压辊由辊体与橡胶外套构成。橡胶外套为一圆柱形橡胶套筒。镇压辊使作业后的土壤外形规整、硬度均匀。

下面以与44.1～58.8kW履带、66.5～88.2kW四轮驱动拖拉机配套的4行仿生深松变量施肥机(参阅图4、5)为例作进一步说明本实用新型的实施过程。该机，包括橡胶支撑轮1、方管双梁框架式机架2、液压马达3、施肥装置4、划印器5、深松器6、滤油器7、平行四杆机构式浮动起垄支架8、比例调速阀9、齿翼式11、镇压器13、仿形轮14、踏板15、镇压辊16和智能变量施肥控制系统等。该机可一次完成深松、深施肥、起垄和镇压等项作业。

由80×80×8方钢管焊接而成的双梁框架式机架2包括前梁和后梁，前梁安装支撑地轮1、深松器6、施肥装置4、划印器5、悬挂架和变量施肥控制部件等，后梁安装平行四杆机构式浮动起垄支架8、齿翼式起垄铲11、固定支架12和镇压器13等。方管双梁框架式机架由一对橡胶支撑轮作支撑。机架上装有仿生减阻深松铲，工作深度可在18-35cm之间调节。

参阅图6，橡胶支撑地轮通过支撑地轮支座18固定在机架2前梁上，支撑地轮支臂可绕地轮支座固定孔17转动，通过连接与固定孔同心的弧形分布的不同调节孔19调节机架高度，也可起到调节深松作业深度的作用。

参阅图7，深松部件6固定在机架2前梁上如果5行垄沟深松，应为5组深松部件，最外侧2组可固定在机架后梁上。该部件的主体深松铲采用仿生减阻深松铲柄，铲柄后侧可施肥导管可连接施肥管21。通过调节深松铲柄在深松铲支座20固定库中的上下位置实现深松深度精确调整。

参阅图8，齿翼式垄作起垄铲(垄台深松为5组，垄沟深松为4组)通过活动梁10与平行四杆仿形机构固定在机架2后梁上，其起垄高度为12-20cm。作业时，仿形轮14随地面起伏而运动，平行四杆机构使活动梁10上下运动，保证起垄深度随地面起伏而保持稳定。犁体工作深度可通过调节仿形轮14和起垄铲11安装高度来调整。

参阅图9，镇压器13通过固定支架12安装在机架2后梁上，主要由镇压辊16、摆动支杆22、压力弹簧23和调节导杆24组成。镇压辊由辊体与辊体外圆表面的橡胶外套构成，橡胶外套为一圆柱形套筒。镇压辊使辗压后的土壤外形规整，硬度均匀。

参阅图3，智能控制变量施肥系统由控制柜(安装在拖拉机上)、液压马达3、电液比例调速阀9、滤油器7、排肥装置4和智能变量施肥控制器等组成。作业时由拖拉机的齿轮泵驱动液压马达转动。智能变量施肥控制器根据施肥决策确定的施肥量、机器位置和作业速度输出控制信号，实时调节电液比例调速阀9输出流量，调整液压马达3或步进电机的转速，改变排肥装置4的工作速度，排肥量与排肥轴的转速成正比，从而达到根据土壤营养需求实时调整施肥量的目的。

液压泵输出压力为15MPa、液压马达允许承受尖峰压力为10MPa。BYLZ型比例电液压力流量控制阀参阅图3，用两路电信号分别控制液压系统的压力和比例阀流量，它以很小的压差追踪负载压力，控制泵压力，是一种节能型阀。

Claims (3)

1.一种仿生深松变量施肥机，包括橡胶支撑轮(1)、方管双梁框架式机架(2)、施肥装置(4)、划印器(5)、深松器(6)、平行四杆机构式浮动起垄支架(8)、齿翼式垄作起垄器(11)、镇压器(13)、仿形轮(14)和智能变量施肥控制系统，其特征是所述的方管双梁框架式机架(2)包括前梁和后梁，支撑地轮(1)、仿生减阻深松器(6)、施肥装置(4)、划印器(5)和智能变量施肥控制系统安装在前梁上；所述的平行四杆机构式浮动起垄支架(8)、齿翼式垄作起垄器(11)、固定支架(12)和镇压器(13)安装在后梁上；所述的深松器(6)包括仿生减阻铲柄和双翼铲尖，仿生减阻铲柄具有双抛物线耦合形前导曲线，仿形轮(14)通过平行四杆机构式浮动起垄支架(8)安装在机架(2)后梁上。

2.根据权利要求1所述的一种仿生深松变量施肥机，其特征是所述的智能控制变量施肥系统包括液压马达(3)、电液比例调速阀(9)、滤油器(7)、排肥装置(4)和智能变量施肥控制器。

3.根据权利要求1所述的一种仿生深松变量施肥机，其特征是所述的镇压器(13)通过固定支架(12)安装在机架(2)的后梁上，镇压器(13)主要由镇压辊、摆动支杆、压力弹簧和调节导杆组成，镇压辊由辊体与辊体外圆表面的橡胶外套构成，橡胶外套为一圆柱形套筒。

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