深施型斜置式液肥穴施肥装置机理分析与试验研究

摘要

液态肥穴深施是一项利用施肥机具将液态肥料精准定量的穴深施于作物根部附近土壤内的施肥技术，可有效提高肥料利用率，促进作物吸收，减少肥料有效成分的挥发和流失，提高作物产量。据最新相关政策表明，在保证化肥、农药使用量实现“零增长”目标的情况下，提高使用效率与减少使用总量是持续推进农业投入品减量的必要条件，以期提高农业发展质量。 深施型液态穴施肥机主要由扎穴机构和分配器两个关键部件组成，目前研制的扎穴机构均采用“正置式扎穴”设计思路，作业时易与作物茎叶发生碰撞，对作物造成一定程度的机械损伤且扎穴轨迹形态不理想;同时分配器仅可实现扎穴机构单侧喷肥，施肥效率低。 综合上述问题，本文对液态肥穴深施技术进行深入研究。根据作物中耕时期施肥农艺要求，提出采用参数反求方法设计斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构;运用K-H型差动轮系传动原理设计差动式双向供肥分配装置，分别对其进行机理分析、结构设计以及机构性能研究与探索，主要内容如下: (1)构建斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构参数反求函数关系式 根据扎穴机构参数反求设计思路，运用三次拉格朗日曲线高精度拟合技术，构型喷肥针轨迹形态;通过改变轨迹上若干型值点坐标建立不同喷肥针轨迹的理论模型;根据理论分析获得机构的运动学模型。最终构建扎穴机构的参数反求函数关系式。 (2)开发扎穴机构运动学仿真软件与优化分析 基于MATLAB GUI开发平台，编写扎穴机构运动学仿真软件。以喷肥针满足高入出土垂直姿态以及小穴口宽度为优化目标，分别探索不同型值点和斜置角度对穴口和喷肥针入出土姿态的影响变化规律。凭借人机交互界面，得到各个非规则齿轮节曲线数据点、喷肥针长度与齿轮中心距等参数;借助非规则齿轮齿廓辅助设计软件，获得各个非规则齿轮齿廓模型图。 (3)差动式双向供肥分配装置结构参数设计与机理分析 基于K-H型差动轮系传动原理，采用双行星轮-内齿圈组合机构设计差动式双向供肥分配装置。为保证与扎穴机构同步工作，确定装置中行星轮与内齿圈齿数以及行星架角速度与内齿圈角速度之比;根据喷肥针入出土精准定量喷肥特性，基于Visual Basic6.0开发平台，构建装置中的空间凸轮轮廓曲线。对差动式双向供肥分配装置进行仿真分析，获得行星轮即进肥软管接口运动轨迹，明确扎穴机构和分配装置连接软管运动过程中不干涉机理。 (4)扎穴机构性能分析与台架试验 通过高速摄像试验，获取扎穴机构在不同斜置角度下的喷肥针轨迹形态，分析斜置角度与轨迹之间的影响变化规律。试验结果表明，随着机构斜置角度的增大，喷肥针入出土角度逐渐减小，验证斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构设计的正确性;通过扎穴性能与作物损伤试验，以工作转速、前进速度以和斜置角度为影响因素，穴口宽度、穴距与作物损伤率为影响指标，建立指标与因素之间的数学模型与变化关系曲线图。运用Design-Expert8.0.6软件对机构的穴口宽度、穴距与作物损伤率进行优化，即当工作转速、前进速度和斜置角度分别为75.0r/min、0.48m/s和23.3°时，扎穴机构性能最优，穴口宽度、穴距和作物损伤率分别为40.2mm、220mm和0.33％。验证扎穴机构设计的合理性。 (5)分配装置性能分析与台架试验 以液肥泵压力为影响因素，施肥量为影响指标，获得施肥量与液肥泵压力之间函数关系式，预测在农艺要求施肥量下的液肥泵压力;通过测量在一定时间内的施肥量，根据伯努利方程，计算三个不同水平压力下的液肥能量损失值分别为9.0、12.6、15.0m，分析液肥能量损失机理。验证差动式双向供肥分配装置具有高效率喷肥功能。 (6)穴施肥装置田间性能试验 田间性能试验表明，穴施肥装置作业时，穴口宽度、穴距和作物损伤率平均值为42.7mm、212.3mm和0.48％。在田间作业时，扎穴机构的斜置结构形式减少了与作物的机械接触和碰撞，作物损伤率小;喷肥针入出土垂直姿态较高，垄面上穴口小;在一定液肥泵压力下，液肥管路系统并无泄露与堵塞现象，验证了优化结果的正确性。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的和意义

1．2 国内外液态施肥机研究现状

1．3 国内外扎穴机构研究现状

1．4 国内外分配器研究现状

1．5 研究内容和技术路线

1．5．1 研究内容

1．5．2 技术路线

2 斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构参数反求设计

2．1 斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构设计方法和工作原理

2．2 基于三次拉格朗日曲线参数反求喷肥针尖相对运动轨迹

2．3 非规则齿轮行星系参数反求设计

2．3．1 非规则齿轮行星系传动及节曲线计算

2．3．2 非规则齿轮传动最大压力角计算

2．4 斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构运动学模型建立

2．4．1 位移模型

2．4．2 速度模型

2．4．3 加速度模型

2．5 本章小结

3 斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构运动学仿真软件开发

3．1 参数反求设计与运动学仿真软件编写

3．2 参数反求设计与运动学仿真软件功能介绍

3．2．1 曲线拟合模块

3．2．2 动态仿真模块

3．2．3 运动学分析模块

3．3 主要型值点对穴口大小与斜置角度对喷肥针轨迹影响分析

3．3．1 主要型值点对穴口大小影响分析

3．3．2 斜置角度对轨迹的影响分析

3．4 非规则齿轮齿廓设计

3．5 本章小结

4 差动式双向供肥分配装置设计与机理分析

4．1 装置组成与工作原理

4．1．1 扎穴机构喷肥针进肥软管接口运动特性分析

4．1．2 双行星轮-内齿圈组合机构与空间凸轮应用分析

4．1．3 结构组成与工作原理

4．2 双行星轮-内齿圈组合机构设计

4．2．1 传动比设计

4．2．2 行星轮出肥软管接口与轮齿运动轨迹分析

4．2．3 行星轮出肥软管接口运动仿真分析

4．3 空间凸轮设计与仿真

4．3．1 凸轮运动角确定

4．3．2 凸轮廓线设计

4．3．3 凸轮组合部件仿真与分析

4．4 本章小节

5 斜置式非规则齿轮行星系扎穴机构台架性能试验

5．1 试验台搭建及测试方法

5．1．1 试验材料

5．1．2 试验设备

5．1．3 试验方法

5．1．4 评价指标

5．2 扎穴与作物损伤试验

5．2．1 单因素试验

5．2．2 多因素试验

5．3 高速摄像试验

5．3．1 试验结果

5．3．2 试验分析

5．4 本章小结

6 差动式双向供肥分配装置性能试验

6．1 试验设备与方法

6．2 防缠绕性能试验

6．3 喷肥性能试验

6．3．1 单因素试验

6．3．2 节约能量试验

6．4 本章小结

7 穴施肥装置设计与田间试验

7．1 穴施肥装置工作原理与技术参数

7．2 穴施肥装置各部件选型

7．3 田间性能试验

7．3．1 试验地点及条件

7．3．2 试验设备及方法

7．3．3 试验结果及分析

7．4 本章小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文