有机肥、化肥开沟施肥一体机的仿真与试验

董剑豪，刘晓丽，毕新胜※，刘新州，颜晓龙，李姝卓

（1．石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2．阿拉尔润农现代农业科技有限公司）

0 引言

现有的施肥方式主要有人工施肥和机械施肥，人工施肥通常是“凭经验施肥”，需要人工挖沟，施肥，填土等作业环节，效率低，往往造成施肥精准度差，化肥多、有机肥少，氮肥多、钾肥少，三要素肥多、微量元素少，氮、磷、钾不平衡。在有一定种植规模的农田条沟施肥，采用高效机械化作业[1-3]，更有利于肥料中的有机成分在耕地里发挥作用，以达到耕地的营养标准。文中涉及了一款适合不同行距和不同施肥深度的施肥机，一次完成有机肥和化肥的层间施肥。

1 结构及工作原理

1.1 总体结构与工作原理

有机肥、化肥开沟施肥一体机总体结构设计如图1。有机肥料箱1 和化肥料箱13 构成肥料储存箱，有机肥料箱设有支撑装置，并且在下方设有刮板式肥料输送链，在有机肥料箱里提供了有机肥料。施肥箱上设有第一施肥口和第二施肥口、施肥口开度调节板和施肥口开度调节液压油缸；施肥口调整板设置在下方。驱动轮4 和提升液压缸5 安装在框架的底部。有机肥料施肥机构通过液压马达实现单面和双面施肥以及施肥宽度的调节。有机肥料的沟深可用有机肥肥料箱输肥口开度调节液压油缸调节或手动调节化肥深度，以满足不同施肥深度的需要[4]。肥第一覆土轮9.化肥第一开沟器10.化肥第一覆土板11.化肥第一输肥管12.有机肥第一施肥马达13.化肥料箱14.有机肥第二施肥马达15.化肥第二覆土板16.化肥第二开沟器17.化肥第二输肥管18.有机肥第二覆土轮19.化肥肥料箱第一出肥口20.有机肥肥料箱刮板式输肥链条21.有机肥肥料箱支撑装置22.有机肥第一施肥带23.有机肥第二施肥带

施肥机构的两端安装有开沟覆土装置，其主要由化肥第一开沟器、有机肥第一开沟深度调节液压油缸、有机肥肥料箱输肥口开度调节板、有机肥肥料箱输肥口开度调节液压油缸、有机肥第一施肥挡板、有机肥第二覆土轮构成，其主要作用是根据实际作业情况，完成不同的开沟需求。

1.2 液压系统工作原理

有机肥-化肥开沟施肥一体机液压系统工作原理如图2，有机肥施肥液压回路、有机肥输肥液压回路、化肥施肥液压回路、有机肥肥箱输肥口开度调节液压回路、化肥输肥口开度调节液压回路和一体机底盘升降液压回路组成液压控制系统。有机肥输肥液压回路中输肥通过换向阀来控制输肥液压马达的开启与关闭，换向阀处于右位时，有机肥输肥液压马达转动，完成对有机肥的搅拌。当换向阀处于中位时，有机肥输肥液压马达停止工作，不能进行对有机肥的搅拌。当换向阀处于左位时，有机肥输肥液压马达容易出现倒转现象，因此设置单向阀，阻止其发生倒转。有机肥施肥量受施肥装置施肥轴的转速影响，且转速高与施肥量成正比关系，因此可以通过调节流阀进而改变马达的转动速度，调控播肥量。有机肥施肥液压回路和化肥施肥液压回路的工作原理同上述有机肥输肥液压回路相似。

开沟器的开沟深度通过提升液压缸进行调节，换向阀控制提升液压缸的升降。换向阀处于右位时，提升液压缸处于上升状态，开沟器的开沟深度加深。换向阀处于中位时，提升液压缸停止上升，开沟器的开沟深度保持不变，换向阀处于左位时，提升液压缸处于下降状态，开沟器的开沟深度降低。液压锁的设置可以保证在液压回路不工作时使一体机的开沟深度不变，有机肥和化肥肥箱输肥口开度的调节也通过液压油缸的升降高度一并调节，其方法与开沟器的开沟深度类似。

2 液压系统建模与仿真分析

2.1 液压系统建模

本文通过AMESim 液压仿真软件，搭建有机肥-化肥开沟施肥一体机的液压仿真系统模型，液压系统工作压力为10 MPa、提升液压缸径为63 mm，杆径45 mm，最大行程630 mm、有机肥输肥口开度调节缸径为50 mm，杆径36 mm，最大行程400 mm、化肥输肥口开度调节液压油缸经40 mm，杆径28mm，最大行程400 mm、有机肥输肥马达额定排量240 ml/r 以及有机肥左右施肥液压马达和负载模型等[5-8]（图3）。

2.2 仿真数据分析

2.2.1 提升液压缸仿真分析

如图4、5 为仿真后的提升液压缸的速度与活塞位移曲线变化图，底盘在升降过程中，前3 s 秒速度虽然略有波动，但在系统运行后的3～11 s 之间，提升液压缸以0．06 m/s 的速度进行平稳的运行，提升液压缸上升速度为0．06 m/s，高度为0．63 m 时，底盘上升到最高位置。在11～16 s 内，提升液压缸处于底盘升降的最高位置，此时由于双向液压锁的作用，液压油缸高度保持不变且不会因外力作用或液压管路的泄漏发生移动。在16～26s 内，提升液压缸从最高位置0．63 m 处下降至0 m 处，此时液压油缸的移动速度维持在0．06 m/s。根据图4、5 的仿真数据显示，提升液压缸的同步性效果非常好，两个液压油缸能够完全的进行同步升降，同时也保证有机肥-化肥开沟施肥一体机底盘升降作业过程平稳运行。

2.2.2 化肥输肥口开度调节液压油缸仿真分析

如图6、7 为仿真后的化肥输肥口开度调节液压油缸的速度、活塞位移曲线变化图。在0～4 s 内，液压油缸的上升速度瞬间增大至0．11 m/s，在4 s 后，此时液压油缸上升到最高位置0．04 m 处，在第4 s 时，液压油缸的上降速度突然增大，随后下降到0 m/s，造成此现象的原因是换向阀的开启与关闭。在0～4 s 时间内，输肥口开启到最大值。在5 s 时，液压油缸的下降速度瞬间增大至0．08 m/s。在运行5 s 后，化肥输肥口开度调节液压油缸由最高点0．4 m 处降低至0 m 处。10～30 s 内，往复的进行周期性工作，在此工作状况下活塞的位移和运动速度均达到了设计要求。

2.2.3 有机肥输肥口开度调节液压油缸仿真分析

如图8、9 为仿真后的有机肥输肥口开度调节液压油缸的速度、活塞位移曲线变化图。在液压回路开启的瞬间，液压油缸的上升速度瞬间增大至0．07 m/s，之后在0～6 s 内以0．07 m/s 的速度稳定工作。在6 s之后，此时液压油缸上升到最高位置0．04 m 处。在6～10 s 时，换向阀处于中位，液压油缸的上升速度在第6 s 时突变降至0 m/s，此时有机肥输肥口的开度不变。在10～18．5 s 内，液压油缸以0．05 m/s 的速度使有机肥输肥口开度调节液压油缸从最大位置下降至最低位置（关闭），且在第18 s 时，液压油缸的运行速度瞬间降至0 m/s。在18～20 s 内，有机肥输肥口处于关闭状态，此时以0～20 s 为一个周期往复作业，在此工作状况下活塞的位移和运动速度均达到了设计要求。

3 试验

2019 年4 月，样机在新疆生产建设兵团第1 师5团1 连某试验场地完成了作业速度为2．5 km/h，标定开沟深度为400 mm 时的田间作业，10 次试验结果的平均值为：实际开沟深度为399．08 mm，其与标定值得误差为0．23%，有机肥施肥深度为397．21 mm，化肥施肥深度为395．17 mm。根据试验结果可知，即使作业地表不平整，开沟器实测开沟深度与标定的开沟深度有较小波动，在该范围下仍可达到预期的农艺要求。

4 结论

结合有机肥、化肥开沟施肥一体机的作业要求，本文完成了整机液压系统的研究设计和仿真分析并通过田间试验表明：实际开沟深度的平均值为399．08 mm，其与标定值得误差为0．23 %，有机肥施肥深度平均值为397．21 mm，化肥施肥深度平均值为395．17 mm，整机性能和液压控制系统均可满足操作条件并具有稳定的性能。