專利名稱：仿生深松變量施肥機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種仿生深松變量施肥機(jī)，屬于農(nóng)業(yè)耕作機(jī)具。
背景技術(shù)：
深松作業(yè)是田間作業(yè)中單位耕作寬度能耗最大的操作之一，深松作業(yè)動力主要消 耗于工作部件對土壤的切割與擠壓作用。深松機(jī)具的松土方式主要有擠壓松土和振動松土 兩種形式。機(jī)械式深松犁由犁體切割土壤而達(dá)到深松的目的。振動式深松機(jī)由拖拉機(jī)動力 輸出軸驅(qū)動偏心振子使犁產(chǎn)生振動，以減少工作阻力。國外采用的新型深松機(jī)具主要有彎 腿犁、振動深松機(jī)和主被動聯(lián)合耕作機(jī)3種。我國研制的深松機(jī)具有以下幾種類型單柱鑿 鏟式、倒梯形全方位式、可調(diào)翼鏟式、旋耕式和振動式等。生產(chǎn)中使用的機(jī)具多為復(fù)式作業(yè) 機(jī)具。 傳統(tǒng)間隔深松機(jī)的主要土壤加工部件是有刃口的鏟柄和安裝在其下端的深松鏟。 對于耕深為20 40cm的深松作業(yè)，鏟柄是其耕作阻力的主要來源。為減輕耕作部件的工 作阻力，有人研究了振動式深松部件的工作性能，但振動系統(tǒng)使機(jī)具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價也相應(yīng) 提高。國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的深松鏟柄刃口是R257及R284的圓弧構(gòu)成的曲線，生產(chǎn)中還有直線、 折線構(gòu)成的刃口線。如果能在保證土壤深松質(zhì)量的前提下提高其減阻性能，對于節(jié)約能耗、 降低配套動力的配置水平以及擴(kuò)大深松耕作技術(shù)的應(yīng)用范圍具有重要的意義。 常規(guī)施肥是在一次作業(yè)前進(jìn)行一次施肥量調(diào)整，整塊地、甚至整個作業(yè)季節(jié)均采 用一個固定施肥量。而農(nóng)田土壤營養(yǎng)成份存在差異性，不同地塊、同一地塊的不同位置土壤 營養(yǎng)含量不一致，同一位置土壤在不同季節(jié)也存在不同的差異特性。因此定量施肥造成肥 料浪費(fèi)與土壤環(huán)境的污染。

發(fā)明內(nèi)容為解決深松、施肥作業(yè)中存在的能耗大、化肥利用率低的問題，本實用新型提供一 種仿生深松變量施肥機(jī)。采用仿生減租深松部件和智能變量施肥系統(tǒng)，實現(xiàn)根據(jù)土壤營養(yǎng) 信息變量施肥，提高機(jī)具的綜合利用率。 本實用新型的上述目的可通過以下技術(shù)方案這樣實現(xiàn)，結(jié)合附圖說明如下。 —種仿生深松變量施肥機(jī)，包括橡膠支撐輪1、方管雙梁框架式機(jī)架2、施肥裝置 4 、劃印器5 、深松器6 、平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架8 、齒翼式壟作起壟器11 、鎮(zhèn)壓器13 、仿 形輪14和智能變量施肥控制系統(tǒng)，所述的方管雙梁框架式機(jī)架2包括前梁和后梁，支撐地 輪1、仿生減阻深松器6、施肥裝置4、劃印器5和智能變量施肥控制系統(tǒng)安裝在前梁上；所 述的平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架8、齒翼式壟作起壟器11、固定支架12和仿生柔性鎮(zhèn)壓 器13安裝在后梁上；所述的深松器6包括仿生減阻鏟柄和雙翼鏟尖，仿生減阻鏟柄具有雙 拋物線耦合形前導(dǎo)曲線。仿形輪(14)通過平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架(8)安裝在機(jī)架 (2)后梁上。 所述的智能控制變量施肥系統(tǒng)包括液壓馬達(dá)3、電液比例調(diào)速閥9、濾油器7、排肥裝置4和智能變量施肥控制器，智能變量施肥控制器根據(jù)施肥決策確定的施肥量、機(jī)器位置和作業(yè)速度輸出控制信號，實時調(diào)節(jié)電液比例調(diào)速閥9輸出流量，調(diào)整液壓馬達(dá)3或步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變施肥裝置4的工作速度。 所述的鎮(zhèn)壓器13通過固定支架12安裝在機(jī)架2的后梁上，鎮(zhèn)壓器13主要由鎮(zhèn)壓
輥、擺動支桿、壓力彈簧和調(diào)節(jié)導(dǎo)桿組成，鎮(zhèn)壓輥由輥體與輥體外圓表面的橡膠外套構(gòu)成，
橡膠外套為一圓柱形套筒。 本實用新型具有以下積極效果 (1)該機(jī)聯(lián)合作業(yè)，深松、施肥、起壟和鎮(zhèn)壓四道工序一次完成，具有一機(jī)多用、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，做到省時、節(jié)能，有利于抗旱保墑。 (2)該機(jī)深松鏟和壟作犁入土性能好，深松器阻力小，降低能耗。鎮(zhèn)壓器鎮(zhèn)壓和碎土性能好。 (3)由智能變量施肥系統(tǒng)實現(xiàn)的對不同土壤變量施肥，使施肥量精確合理，可有效避免因過量施肥造成的環(huán)境污染和浪費(fèi)，提高肥料利用率10% _30%，從而降低生產(chǎn)成本，
提高糧食產(chǎn)量。

圖1仿生減阻深松鏟柄。 圖2電液比例閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)簡圖。 圖3控制系統(tǒng)元件組成圖。 圖4本實用新型整體示意圖。 圖5本實用新型整體俯視圖。 圖6支撐地輪支座簡圖。 圖7仿生深松器結(jié)構(gòu)圖。 圖8平行四桿仿形機(jī)構(gòu)與起壟鏟示意圖。 圖9鎮(zhèn)壓器組合示意圖。 圖中1.橡膠支撐地輪、2.方管雙梁框架式機(jī)架、3.液壓馬達(dá)、4.施肥裝置、5.劃印器、6.深松器、7.濾油器、8.平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架、9.比例調(diào)速閥、10.浮動支架、11.齒翼式起壟器、12.固定架、13.鎮(zhèn)壓器、14.仿形輪、15.踏板、16.仿生柔性鎮(zhèn)壓輥、17.地輪支座固定孔、18.地輪支座、19.地輪支座調(diào)節(jié)孔20.深松鏟支座、21.施肥管、22.擺動支桿、23.壓力彈簧和24.調(diào)節(jié)導(dǎo)桿。
具體實施方式本實用新型的具體內(nèi)容結(jié)合附圖作進(jìn)一步說明。 本實用新型的核心工作部件采用仿生減阻深松鏟柄及智能控制變量施肥系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)具有以下特征 1.深松器6包括仿生減阻鏟柄和雙翼鏟尖，仿生減阻鏟柄根據(jù)仿生學(xué)研究成果設(shè)計，具有雙拋物線耦合形仿生前導(dǎo)曲線(已獲得發(fā)明專利)。 深松鏟作業(yè)時的工作阻力、松土范圍、碎土性能等除受鏟尖作用效果影響外，明顯受深松鏟柄的結(jié)構(gòu)形式影響；通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是深松鏟柄觸土曲面的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠降低深松作業(yè)的工作阻力，提高其節(jié)能性能。在保證要求的深松質(zhì)量前提下，改進(jìn)深松鏟柄結(jié)構(gòu)設(shè)計是方便而有效的提高其節(jié)能性能方法。傳統(tǒng)的深松鏟柄一般采用直線、折線或圓弧過渡段結(jié)構(gòu)連接深松鏟尖和機(jī)架，機(jī)具的土壤耕作阻力居高不下。研究發(fā)現(xiàn)，自然界中的某些土壤洞穴動物如小家鼠、田鼠、螻蛄、蜣螂、穿山甲等進(jìn)化出了發(fā)達(dá)的挖掘足，挖掘足逐步形成了具有特定曲率的彎曲形狀，具有非常強(qiáng)的挖掘洞穴的本領(lǐng)，表現(xiàn)出優(yōu)良的減阻功能，這為改進(jìn)深松部件觸土表面幾何形狀，優(yōu)化其在切削過程中的力學(xué)性能提供了仿生研究和設(shè)計的基礎(chǔ)。 通過對田鼠、穿山甲、螻蛄等土壤動物進(jìn)行在體、離體動態(tài)脫附行為進(jìn)行試驗研究，找出其阻力小、不沾土、土壤擾動量小等生物減粘降阻機(jī)理，并據(jù)此選取深松鏟柄的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材質(zhì)。選擇具有優(yōu)良挖掘減阻功能的達(dá)烏爾黃鼠(一種田鼠)為研究對象，對其爪趾形態(tài)特征-特別是爪趾縱剖面輪廓線幾何特征進(jìn)行觀察分析，研究了其曲率變化的基本規(guī)律。結(jié)果表明這種動物挖掘足爪趾內(nèi)輪廓線(爪趾觸土面準(zhǔn)線)為變曲率曲線，變化規(guī)律可近似看作兩條拋物線的耦合，該爪趾內(nèi)輪廓線的曲率變化趨勢線由爪趾尖端至爪趾體呈現(xiàn)兩次明顯的波動特征。試驗表明仿生減阻深松鏟柄比傳統(tǒng)的鏟柄可減少牽引力3 8%。 借助田鼠爪趾彎曲輪廓形狀的測試結(jié)果，設(shè)計了仿生減阻深松鏟柄結(jié)構(gòu)。參閱圖1所示，該鏟柄由機(jī)架連接段H、鏟柄工作段PQ、MN和鏟尖連接段R組成。在內(nèi)準(zhǔn)線PQ的前部設(shè)有具有60。刃角的刃口，刃口前輪廓線與鏟柄工作段內(nèi)準(zhǔn)線PQ平行，鏟尖連接段R的鏟尖安裝平面與水平面夾角W為20。。其特征在于鏟柄前伸量L與耕深D的比值L/D二0. 68 0. 95 ;以內(nèi)準(zhǔn)線PQ的上端點(diǎn)P為坐標(biāo)原點(diǎn)，PQ曲線的凹向水平向前為x軸正向、y軸正向為鉛垂向上建立坐標(biāo)系，鏟柄工作段的內(nèi)準(zhǔn)線PQ和鏟柄工作段的外準(zhǔn)線MN分別按如下兩個曲線方程確定力=/JDf —144421^3 /1>！2十13.8507;!q2 /￡\ -5J984x〗； 》，2 = —4.136212x1 /《+ 5.5387Mx22 /￡>! — 2.519441% — 0.7012I7A; 式中A為內(nèi)準(zhǔn)線PQ的垂向高度；x取值范圍滿足0《Xl《0. 647831D丄
和-0. 188855Di《x2《0. 606158D工。 仿生減阻深松鏟柄由ZG45鑄造而成，通過控制以上結(jié)構(gòu)參數(shù)實現(xiàn)減小土壤耕作阻力的效果。 2.智能控制變量施肥系統(tǒng)采用電液比例調(diào)速閥和液壓馬達(dá)，結(jié)合PLC控制器高速、安全、穩(wěn)定、能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)建液壓傳動調(diào)速系統(tǒng)，進(jìn)行硬件設(shè)計和軟件開發(fā)，適應(yīng)農(nóng)田作業(yè)環(huán)境的變量施肥無級調(diào)速要求。 變量施肥工作過程首先，PLC控制器根據(jù)GPS信號采集機(jī)具作業(yè)位置、行進(jìn)速度和當(dāng)前位置施肥決策信息；然后根據(jù)當(dāng)前位置施肥量和機(jī)具速度實時計算和控制電液比例調(diào)速閥開度，調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)和排肥器轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到根據(jù)不同位置土壤條件進(jìn)行自動變量施肥的目的。 1)變量施肥控制系統(tǒng) 變量施肥控制系統(tǒng)主要由比例放大器、電液比例閥、液壓馬達(dá)、濾油器組成。其原理參閱圖2所示，通過改變電液比例閥回油和出油的比例關(guān)系來改變通過液壓馬達(dá)的流量，控制施肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作速度，從而實現(xiàn)液壓系統(tǒng)調(diào)速。[0038] 控制器輸入的速度指令由電壓信號給出。系統(tǒng)輸入速度指令電壓與輸出速度反饋電壓之間的電壓差即速度差通過比例放大器放大，經(jīng)電液比例調(diào)速閥轉(zhuǎn)換并輸出液壓能，帶動液壓馬達(dá)，驅(qū)動負(fù)載向著消除速度偏差的方向偏轉(zhuǎn)。比較器用來測量輸入速度和輸出速度間的速度差。輸出速度由反饋轉(zhuǎn)速傳感器測得，再反饋至主信道。當(dāng)轉(zhuǎn)速傳感器速度信號與輸入指令一致時，按輸入電壓指令給定的規(guī)律變化。[0039] 2)液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)動力源采用拖拉機(jī)自帶的液壓泵，能量控制裝置是電液比例調(diào)速閥，能量輸出裝置(即執(zhí)行機(jī)構(gòu))是液壓馬達(dá)。參閱圖3，根據(jù)控制要求，由液壓泵輸出的高壓油經(jīng)濾油器在調(diào)速閥內(nèi)分為兩路一路由P2 口通往液壓馬達(dá)用于驅(qū)動排肥器；另一路由T 口流回油箱。兩路流量的大小由比例閥控制。第一路&輸出與PLC控制器供給電信號成正比，供給信號越大P2 口開度越大，液壓馬達(dá)流量和轉(zhuǎn)速也越大，相應(yīng)的T 口開度和回流油液流量也越小；反之，則比例閥開口和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速反向變化。 系統(tǒng)壓力由負(fù)載決定負(fù)載越大系統(tǒng)壓力越大。液壓系統(tǒng)最高工作壓力由液壓元件承受壓力決定。本系統(tǒng)壓力由比例調(diào)速閥和手控溢流閥共同調(diào)定，形成二級壓力保護(hù)體制，通過設(shè)定調(diào)速閥中溢流壓力和先導(dǎo)閥頂端彈簧壓力共同調(diào)定液壓系統(tǒng)最高壓力。為了保護(hù)液壓馬達(dá)和液壓泵，使先導(dǎo)閥彈簧處于適度緊張的條件下設(shè)定壓力閥輸入電流為0. 69A，系統(tǒng)壓力在達(dá)到10MPa時調(diào)速閥便完全溢流回油使系統(tǒng)壓力為零。[0042] 3)液壓馬達(dá) 液壓馬達(dá)是把液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的部件，根據(jù)液壓馬達(dá)結(jié)構(gòu)可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式等。在選擇液壓馬達(dá)時主要考慮的是其排量、壓力和扭矩與系統(tǒng)的匹配。本系統(tǒng)配套動力采用80馬力以上拖拉機(jī)，如天拖約翰迪爾TN804型拖拉機(jī)，其液壓泵額定壓力為15MP。正常工作條件下，排肥器最大扭矩為10N.M，常用施肥轉(zhuǎn)速是10-120r/min，大小鏈輪半徑比為3 : l故扭矩比為l : 3，液壓系統(tǒng)建立的壓力為10/3N.M，設(shè)計安全系數(shù)為2，所以采用額定壓力為10Mp的液壓馬達(dá)。[0044] 4)調(diào)速閥 閥控系統(tǒng)中液壓閥主要采用普通液壓閥、電液比例閥和電液伺服閥。根據(jù)實際需要，選擇比例電液壓力流量控制閥。 3.鎮(zhèn)壓器主要由鎮(zhèn)壓輥、擺動支桿、壓力彈簧和調(diào)節(jié)導(dǎo)桿組成。鎮(zhèn)壓輥由輥體與橡膠外套構(gòu)成。橡膠外套為一圓柱形橡膠套筒。鎮(zhèn)壓輥使作業(yè)后的土壤外形規(guī)整、硬度均勻。[0047] 下面以與44. 1 58. 8kW履帶、66. 5 88. 2kW四輪驅(qū)動拖拉機(jī)配套的4行仿生深松變量施肥機(jī)(參閱圖4、5)為例作進(jìn)一步說明本實用新型的實施過程。該機(jī)，包括橡膠支撐輪1、方管雙梁框架式機(jī)架2、液壓馬達(dá)3、施肥裝置4、劃印器5、深松器6、濾油器7、平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架8、比例調(diào)速閥9、齒翼式11、鎮(zhèn)壓器13、仿形輪14、踏板15、鎮(zhèn)壓輥16和智能變量施肥控制系統(tǒng)等。該機(jī)可一次完成深松、深施肥、起壟和鎮(zhèn)壓等項作業(yè)。[0048] 由80X80X8方鋼管焊接而成的雙梁框架式機(jī)架2包括前梁和后梁，前梁安裝支撐地輪1、深松器6、施肥裝置4、劃印器5、懸掛架和變量施肥控制部件等，后梁安裝平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架8、齒翼式起壟鏟11、固定支架12和鎮(zhèn)壓器13等。方管雙梁框架式機(jī)架由一對橡膠支撐輪作支撐。機(jī)架上裝有仿生減阻深松鏟，工作深度可在18-35cm之間調(diào)節(jié)。[0049] 參閱圖6，橡膠支撐地輪通過支撐地輪支座18固定在機(jī)架2前梁上，支撐地輪支臂可繞地輪支座固定孔17轉(zhuǎn)動，通過連接與固定孔同心的弧形分布的不同調(diào)節(jié)孔19調(diào)節(jié)機(jī)架高度，也可起到調(diào)節(jié)深松作業(yè)深度的作用。 參閱圖7，深松部件6固定在機(jī)架2前梁上如果5行壟溝深松，應(yīng)為5組深松部件，最外側(cè)2組可固定在機(jī)架后梁上。該部件的主體深松鏟采用仿生減阻深松鏟柄，鏟柄后側(cè)可施肥導(dǎo)管可連接施肥管21。通過調(diào)節(jié)深松鏟柄在深松鏟支座20固定庫中的上下位置實現(xiàn)深松深度精確調(diào)整。 參閱圖8，齒翼式壟作起壟伊(壟臺深松為5組，壟溝深松為4組)通過活動梁10
與平行四桿仿形機(jī)構(gòu)固定在機(jī)架2后梁上，其起壟高度為12-20cm。作業(yè)時，仿形輪14隨
地面起伏而運(yùn)動，平行四桿機(jī)構(gòu)使活動梁10上下運(yùn)動，保證起壟深度隨地面起伏而保持穩(wěn)
定。犁體工作深度可通過調(diào)節(jié)仿形輪14和起壟鏟11安裝高度來調(diào)整。 參閱圖9，鎮(zhèn)壓器13通過固定支架12安裝在機(jī)架2后梁上，主要由鎮(zhèn)壓輥16、擺
動支桿22、壓力彈簧23和調(diào)節(jié)導(dǎo)桿24組成。鎮(zhèn)壓輥由輥體與輥體外圓表面的橡膠外套構(gòu)
成，橡膠外套為一圓柱形套筒。鎮(zhèn)壓輥使輾壓后的土壤外形規(guī)整，硬度均勻。 參閱圖3，智能控制變量施肥系統(tǒng)由控制柜(安裝在拖拉機(jī)上)、液壓馬達(dá)3、電液
比例調(diào)速閥9、濾油器7、排肥裝置4和智能變量施肥控制器等組成。作業(yè)時由拖拉機(jī)的齒
輪泵驅(qū)動液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動。智能變量施肥控制器根據(jù)施肥決策確定的施肥量、機(jī)器位置和作
業(yè)速度輸出控制信號，實時調(diào)節(jié)電液比例調(diào)速閥9輸出流量，調(diào)整液壓馬達(dá)3或步進(jìn)電機(jī)的
轉(zhuǎn)速，改變排肥裝置4的工作速度，排肥量與排肥軸的轉(zhuǎn)速成正比，從而達(dá)到根據(jù)土壤營養(yǎng)
需求實時調(diào)整施肥量的目的。 液壓泵輸出壓力為15MPa、液壓馬達(dá)允許承受尖峰壓力為lOMPa。 BYLZ型比例電液壓力流量控制閥參閱圖3，用兩路電信號分別控制液壓系統(tǒng)的壓力和比例閥流量，它以很小的壓差追蹤負(fù)載壓力，控制泵壓力，是一種節(jié)能型閥。
權(quán)利要求一種仿生深松變量施肥機(jī)，包括橡膠支撐輪(1)、方管雙梁框架式機(jī)架(2)、施肥裝置(4)、劃印器(5)、深松器(6)、平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架(8)、齒翼式壟作起壟器(11)、鎮(zhèn)壓器(13)、仿形輪(14)和智能變量施肥控制系統(tǒng)，其特征是所述的方管雙梁框架式機(jī)架(2)包括前梁和后梁，支撐地輪(1)、仿生減阻深松器(6)、施肥裝置(4)、劃印器(5)和智能變量施肥控制系統(tǒng)安裝在前梁上；所述的平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架(8)、齒翼式壟作起壟器(11)、固定支架(12)和鎮(zhèn)壓器(13)安裝在后梁上；所述的深松器(6)包括仿生減阻鏟柄和雙翼鏟尖，仿生減阻鏟柄具有雙拋物線耦合形前導(dǎo)曲線，仿形輪(14)通過平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架(8)安裝在機(jī)架(2)后梁上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生深松變量施肥機(jī)，其特征是所述的智能控制變量施肥系統(tǒng)包括液壓馬達(dá)(3)、電液比例調(diào)速閥(9)、濾油器(7)、排肥裝置(4)和智能變量施肥控制器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種仿生深松變量施肥機(jī)，其特征是所述的鎮(zhèn)壓器(13)通過固定支架(12)安裝在機(jī)架(2)的后梁上，鎮(zhèn)壓器(13)主要由鎮(zhèn)壓輥、擺動支桿、壓力彈簧和調(diào)節(jié)導(dǎo)桿組成，鎮(zhèn)壓輥由輥體與輥體外圓表面的橡膠外套構(gòu)成，橡膠外套為一圓柱形套筒。
專利摘要本實用新型涉及一種仿生深松變量施肥機(jī)，屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械范疇。方管雙梁框架式機(jī)架(2)包括前梁和后梁，支撐地輪(1)、仿生減阻深松器(6)、施肥裝置(4)、劃印器(5)和智能變量施肥控制系統(tǒng)安裝在前梁上；平行四桿機(jī)構(gòu)式浮動起壟支架(8)、齒翼式壟作起壟器(11)、固定支架(12)和鎮(zhèn)壓器(13)安裝在后梁上；深松器(6)包括仿生減阻鏟柄和雙翼鏟尖，仿生減阻鏟柄具有雙拋物線耦合形前導(dǎo)曲線。
文檔編號A01B29/02GK201450743SQ2009200934
公開日2010年5月12日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者佟金, 吳華, 孫裕晶, 張丁佟, 張書慧, 牛序堂, 譚宏杰, 賈洪雷, 趙文罡, 馬云海, 黃東巖 申請人:吉林大學(xué)