基于液压驱动器的精准施肥控制装置设计_郑晓培.pdf

6农机使用与维修2023 年第 5 期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)摘要:为实现温室农业的精准施肥，设计了一种基于压电驱动器的施肥控制装置。该装置采用压电液压驱动和双肥料箱施肥，适用水肥一体化灌溉模式。确定了装置的工作条件、输出功率和载肥能力。当驱动介质气体含量极低时，工作条件为电压 150 V，频率350 Hz，施加内压力 0.04 MPa。肥料重量 1 1.5 kg 时，施肥装置的功率基本稳定，最高达 92 mW。与驱动介质气体含量较多时对比，装置的载肥能力提升 3 倍，功率提升 1.517 倍，具备更强的稳定性和工作效率。关键词:农业;精准施肥;水肥一体;液压控制中图分类号:S232.3文献标识码:Adoi:1014031/j cnki njwx202305002esearch on Accurate Fertilization Control Device Based on Hydraulic ActuatorZHENG Xiaopei，LIU Dan，SUN Lei，LIU Zhipeng(Changchun Institute of Technology，Engineering Training Center，Changchun 130012，China)Abstract:In order to achieve accurate fertilization in greenhouse agriculture，a fertilizer control device based on piezoe-lectric actuator was studied The device adopts piezoelectric hydraulic drive and double fertilizer boxes for fertilization，which is suitable for the integrated irrigation mode of water and fertilizer The working conditions，output power and fer-tilizer carrying capacity of the device were determined When the gas content of the driving medium is extremely low，theworking conditions are voltage 150V，frequency 350Hz and loading pressure 0.04MPa When the weight of fertilizer is1kg 1.5kg，the power of the fertilizer application device is basically stable，and the maximum power is 92mW Com-pared with when the gas content of the driving medium with a large amount，the fertilizer carrying capacity of the fertilizerapplication device is increased by 3 times，and the power is increased by 1.517 times，and the device has stronger sta-bility and working efficiencyKey words:agriculture;accurate fertilization;integration of water and fertilizer;hydraulic contro基金项目:吉 林 省 教 育 厅 科 学 技 术 研 究 项 目(JJKH20210680KJ);吉林省科技发展计划项目(20200402116 NC);长春工程学院学校科技基金项目(320210005)作者简介:郑晓培(1986)，女，河南漯河人，硕士，讲师，研究方向为农机化、压电控制技术。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。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2023 年第 5 期农机使用与维修7图 1施肥装置的结构(1)、式(2)v=qAc=3Nd31vq4fU2h2pAc1 Fl+FfF()b(1)P=vFl=3Nd31vq4fU2h2pAc1 Fl+FfF()bFl(2)其中v=(1+)3(1 2)2 4(1+)(1+3)=sE11Em(1 2p)/(1 2m)=t1/t2式中:q为驱动泵阀片流量系数;f 为频率，Hz;N 为驱动泵腔体数目;d31为压电晶片直径，m;为泵腔半径，m;hp为泵腔体高度，m;U 为工作电压，V;F1为排肥机构肥料承载量，kg;Ff为执行机构总摩擦力，N;Ac为执行机构的横截面面积，m2;Fb为截止力，N;sE11为压电陶瓷的弹性柔顺常数;Em为金属基板的弹性模量;p为压电陶瓷的泊松比;m为金属基板的泊松比;t1为金属基板的厚度，m;t2为压电陶瓷的厚度，m。当施肥装置的功率达到峰值时，其肥料承载量F*l和流出速度 v*达到最佳值F*l=Fl，max2=Fb2(1 FfFb)(3)v*=vmax2=3Nd31vq4fU4h2pAc(1 FfFb)(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。图 2施肥装置工作电压测试图在装置无肥料、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 3施肥装置工作速度 频率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 mms1，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。对施肥装置单侧肥料箱分别添加重量 0.5，8农机使用与维修2023 年第 5 期图 4施肥装置工作驱动力 频率测试图图 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 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1.5 kg 时 施 肥 装 置 的 性 能 较 好，功 率 可 达88 92 mW。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2023 年第 5 期农机使用与维修94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。参考文献:1 白由路 同效施肥技术研究的现状与展望 J 中国农业科学，2018，51(11):2116 2125 2 王子辉，刀剑，吴建，等 精准施药、肥、水的环境效益与展望 J 山东农业科学，2019，51(7):156 160 3 田娜，杨晓文，单东林，等 我国数字农业现状与展望 J 中国农机化学报，2019，40(4):210 213 4 孙春静，何箐民，滕文建，等 小麦精准施肥播种装置现状研究 J 中国农机化学报，2019，40(7):30 34 5 戴有华，史修坤 茶园深松施肥机的设计与分析 J 中国农机化学报，2018，39(3):26 30 6 王向阳，吴雪璐，刘晓丽，等 果园有机肥开沟施肥机液压系统设计与仿真J 中国农机化学报，2018，39(11):22 27，33(03)基于可扩展遮阳棚结构的复合温室大棚设计王东1，杨杰2，高强1(1 重庆工贸职业技术学院 智能制造学院，重庆 408000;2 重庆工贸职业技术学院 人工智能学院，重庆 408000)摘要:温室大棚能提供作物最佳的生长环境，但温室大棚存在前期建设成本高、不易扩展和整体控制系统复杂等问题。因此，提出一种基于可扩展遮阳棚结构搭配风机和湿帘的复合温室大棚建设方案，实现了温室大棚横向纵向可自由扩展的功能，降低制造难度和控制系统的复杂度。经实践验证，该温室大棚能快速调节内部温湿度，可扩展的遮阳棚运行平稳，具有较好的应用价值。关键词:温室大棚;可扩展;复合;温湿度中图分类号:S625.1文献标识码:Adoi:1014031/j cnki njwx202305003Composite Greenhouse Design based on an Extensible Awning StructureWANG Dong1，YANG Jie2，GAO Qiang1(1 School of intelligent manufacturing，Chongqing Industry Trade Polytechnic，Chongqing 408000，China;2 School ofArtificial Intelligence，Chongqing Industry Trade Polytechnic，Chongqing 408000，China)Abstract:The greenhouse can provide the best growing environment for crops，but the greenhouse is expensive to buildand not easily extend To address the problem，a composite greenhouse construction solution based on an extensible awn-ing structure with fans and wet curtains is proposed The solution can achieve the function of the greenhouse being freelyextendable horizontally and vertically，reducing the difficulty of manufacturing and the complexity of the control systemThe real world test demonstrated that the greenhouse can quickly regulate internal temperature and humidity and thatthe extendable awning operates smoothly，so the proposed design provides better practical valueKey words:greenhouse;extensibility;composition;temperature humidity基金项目:重 庆 市 教 委 科 学 技 术 研 究 项 目(KJZD K201903601)作者简介:王东(1981)，男，重庆人，硕士，副教授，工程师，研究方向为机电一体化技术应用、物联网技术应用等。通信作者:杨杰(1989)，男，重庆人，博士，副教授，研究方向为人工智能技术应用。0引言反季作物备受人们喜爱，但传统种植方式无法满足要求，而温室大棚能创造出适合作物生长的最佳环境，且不受季节、地域限制，有利于提高作物产量。近年来使用温室大棚种植反季花卉、蔬菜等越来越多，因此对温室大棚的需求也越来越大，对促进国民经济的快速发展起到了非常重要的作用1。温室大棚是利用保温材料将某一空间密封形成封