基于液压驱动器的精准施肥控制装置设计

郑晓培,刘 旦,孙 磊,刘志鹏

(长春工程学院 工程训练中心,长春 130012)

0 引言

设施农业是解决我国人多地少制约可持续发展问题的有效技术工程,在我国得到快速蓬勃发展,是农业发展的重点。然而设施农业的封闭性及施肥不合理等问题致使土壤缺乏效力,产量下降。因此平衡精准施肥是温室农业的发展趋势[1-3]。

国外已有成熟的施肥技术成果,如美国约翰迪尔公司气吹式种肥车,日本TABATA公司的颗粒肥变量施肥机等,多使用GPS定位,激光雷达或激光扫描规划路径,并适量施肥。但成本高昂,不适用中国的小农经济。近年来,国内取得部分研究成果在小范围应用[4-6],但主力依然是人工作业,劳动强度大,施肥精度低,造成作物产量下降,利润降低。

本文设计了一种基于压电驱动器的精准施肥控制装置,该装置将压电技术用于农作物精准施肥控制,具有精度高、响应快、工作稳定、寿命长、成本低等优点。实现了设施农业生产的自动与智能,减轻劳动强度,降低生产成本,提高作物产量,增加社会经济效益。

1 施肥装置的机械结构与原理

施肥装置适用水肥一体化灌溉模式,结构如图1所示,主要由控制模块、驱动泵、换向阀、精密蓄能器、执行机构和排肥机构组成。其中驱动泵、自动换向阀、精密蓄能器和执行机构可统称为压电驱动器单元。该装置采用液压驱动,流体依次经过驱动泵、换向阀进入执行机构,推动其定向运动,将排肥机构中的肥料通过管道系统输送到作物根部,为作物生长提供精准的营养物质。

图1 施肥装置的结构

2 施肥装置的性能分析

若排肥机构与执行机构横截面积相同,并忽略其摩擦阻力,施肥装置的输出速度v和功率P如式(1)、式(2)

(1)

(2)

其中

α=t1/t2

(3)

(4)

3 试验结果及分析

压电驱动器的介质、频率、电压和预加载压力都会对水肥装置的性能造成影响。为确定装置的工作条件及工作性能,在不添加肥料,采用驱动介质为纯净水(气体含量极低)时试验。

如图2所示,装置的输出随电压近似呈线性增加。经试验过程验证,超过150 V后,驱动泵损坏率增大。考虑装置的工作能力和维修保养,确定电压150 V。

在装置无肥料、电压150 V时,测定频率对装置的影响如图3和图4。在频率50～200 Hz间,装置的输出性能不稳定且较低,频率超过200 Hz后输出速度和驱动力均呈直线上升,但输出速度在频率360 Hz处断崖式下跌,之后缓慢上升。所以装置的最佳驱动频率为350 Hz。

图2 施肥装置工作电压测试图

施肥装置施加内压力可以将驱动介质进一步压缩,减少装置因为驱动介质的压缩变形造成的能量损耗,从而提高输出,提升装置的载肥能力。图5、图6是装置施加不同内压力后的输出状况。装置在内压力低于0.04 MPa时,随着施加压力的增大,输出速度逐渐增加;在0.04 MPa达到最大,此时输出速度25.80 mm·s-1,推力72.6 N;内压力高于0.04 MPa时,驱动介质压缩到极限,过大的内压力对装置的运动产生阻碍,输出开始逐渐下降。所以装置的最佳施加内压力为0.04 MPa。

图3 施肥装置工作速度-频率测试图

图4 施肥装置工作驱动力-频率测试图

对施肥装置单侧肥料箱分别添加重量0.5,1.0,1.3,1.5,2.0,2.5 kg的肥料,测试结果如图7和图8。装置排肥速度随肥料重量增加逐渐降低,至肥料重量2.5 kg时排肥速度趋于0。肥料重量0～0.5 kg,装置的功率随载肥重量增加迅速上升,在0.5～1 kg功率上升趋势变缓,1～1.5 kg功率趋于稳定,随后急速下降。因此,单侧肥料重量1～1.5 kg时施肥装置的性能较好,功率可达88～92 mW。

图5 施肥装置工作速度-施加压力测

图6 施肥装置工作驱动力-施加压力测试图

图7 施肥装置工作速度-载重测试图

图8 施肥装置工作功率-载重测试图

该装置与普遍使用自来水驱动的装置(驱动介质气体含量较高)对比(图9)。该款施肥装置的载肥能力提高了约3倍,输出功率提升了约1.5倍。并且工作稳定性更强,工作效率更高。

图9 施肥装置工作性能对比图

4 结论

为实现温室农业的精准施肥,设计一种水肥一体化灌溉的施肥控制装置。该装置采用压电液压技术和双肥料箱结构,采用纯净水驱动。

1)施肥装置的工作条件为电压150 V,频率350 Hz,施加内压力0.04 MPa;

2)单侧肥料箱承载肥料重量在1～1.5 kg时,施肥装置性能较好,功率可达到88～92 mW。

3)与采用自来水驱动的装置相比,该施肥装置的载肥能力提升了约3倍,输出功率提升了1.517倍。具备更强的稳定性和更高的效率。