CN103657916B - 一种气力式农业物料变量播撒系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种气力式农业物料变量播撒系统及方法，其系统包括机架、物料盛放箱、物料变量控制模块、气力输送模块、播撒承载桁架和播撒器，机架与动力底盘相连接，物料盛放箱设于机架上，物料盛放箱与物料变量控制模块相连接，物料变量控制模块通过气力输送模块与安装于播撒承载桁架上的播撒器连接；其方法是农业物料从物料盛放箱进入，然后通过物料变量控制模块对其流量控制，再通过气力输送模块送至播撒器，由播撒器播撒至农田目标作业区域。本发明可以同时实现农业物料沿机组前进方向及幅宽方向的变量投入，可提高农业资源的利用率，减少对环境的污染，同时，单次作业的覆盖范围宽，作业效率高。

Description

一种气力式农业物料变量播撒系统及方法

技术领域

本发明涉及农业机械中的物料播撒技术领域，特别涉及一种气力式农业物料变量播撒系统及方法。

背景技术

农业物料（包括种子、肥料、除草剂、农药及生物调节剂等）的精准管理和使用是保证作物优质高产和保护农业生态环境的重要手段之一。例如：目前在我国农村大部地区，由于缺乏对作物营养状态信息的科学了解，不能做到按需施肥，导致氮肥与磷肥的当季利用率分别只有30%～35%和15%～20%左右，而发达国家氮肥利用率可达50%～60%，欧盟国家的氮肥利用率高达70%～80%。据统计，我国耕地施用化肥用量已达到397.5kg/hm²(26.5公斤/亩)，而世界平均水平和美国平均施用化肥量都小于150kg/hm²(10公斤/亩)，相比之下，我国亩化肥施用量高出1.6倍。我国现在的化肥施用量居世界首位，全世界生产化肥的27.5%被我国施用。近10年来，我国化肥施用量增长了2.6倍，肥料的报酬率由1980年的1：16，下降到1：2以下，氮素损失45%，相当于年损失尿素2000万吨，是50个大型的尿素化肥厂的年生产量，折合人民币380亿元。化肥利用率不高不仅造成了经济上的巨大损失，而且带来了严重的地下水污染。因此，在作物生产中，进行农业物料的精准施用，提高农业物料的资源利用率以及作业效率，意义重大。

精准农业是20世纪90年代初发展起来的一门新兴的跨学科综合技术，它能以最节省的投入达到同等或更高的效益，并改善环境，高效利用农业资源，取得较高的经济效益、社会效益和生态效益，已引起全世界的广泛关注。目前，精准农业在发达国家发展十分迅速，是农业可持续发展的重要途径之一。但在开展精准农业实践的过程中，仍有许多瓶颈性的关键技术问题尚未解决。精准农业的本质是基于农田小区内作物生长环境和产量差异性进行变量管理，要实现这种变量管理，进行按需用种、按需施肥、按需喷药、按需灌水，一靠及时准确地掌握作物-农田环境系统的时空变异信息，二靠先进适用的高效精准作业机械。

由于缺乏先进适用的高效精准作业机械，影响了精准农业技术思想的大规模推广和普及。目前，适用于颗粒状农业物料高效精准施用的农业机械主要包括两种形式：（1）在作物播种作业阶段，主要通过外槽轮、型孔轮或勺式等分施机构进行物料施用量的控制，物料依靠重力自由落体播撒进入农田作业目标区域，但该方式受分施机构的限制，单次作业幅宽有限，若要提高作业幅宽，则机组的尺寸将大幅增加，此外，机器制造时各分施机构间的间距固定，用户在使用中很难灵活调整；（2）在作物生长中期田间管理阶段，几乎所有的变量撒施机械都是采用圆盘离心式抛撒机构，该方式的显著特点是工作效率高，但在抛撒过程中均匀性较难控制，而且只能在沿机组前进方向上实现变量控制，控制难度大，价格高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种撒播量可精确控制、效率高的气力式农业物料变量播撒系统。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述系统实现的气力式农业物料变量播撒方法。

本发明的技术方案为：一种气力式农业物料变量播撒系统，包括机架、物料盛放箱、物料变量控制模块、气力输送模块、播撒承载桁架和播撒器，机架与动力底盘相连接，物料盛放箱设于机架上，物料盛放箱与物料变量控制模块相连接，物料变量控制模块通过气力输送模块与安装于播撒承载桁架上的播撒器连接。待播撒的农业物料从物料盛放箱进入播撒系统，然后通过物料变量控制模块对其流量进行控制，再送入气力输送模块，采用气力输送的方式将物料输送至安装于播撒承载桁架上的各播撒器，物料通过播撒器的播撒作用进入农田目标作业区域。

所述物料盛放箱顶部设有至少一个方形斗，方形斗底部的出口处设有开关控制板，开关控制板下方设有物料导流板。根据播撒作业的实际需要，各个方形斗带有独立的盛放空间，使各个方形斗可分别盛放不同类型的物料。其中，开关控制板用于初步控制物料的总流量，物料导流板可使物料按照设定的路径被导入物料变量控制模块中。

所述物料导流板上设有至少一个物料出口；物料变量控制模块包括流量调节阀、排料轮和排料三通管；排料三通管具有物料入口、气力入口和两相流混合出口；排料三通管的物料入口与物料导流板的物料出口连接，排料三通管的物料入口上设置流量调节阀和排料轮；物料导流板的物料出口、排料三通管、流量调节阀和排料轮的数量一一对应。其中，流量调节阀用于精确调节进入排料轮的物料流量，排料轮在外部驱动力的作用下，通过旋转进一步控制农业物料的流向和流量，物料入口与排料轮连接，气力入口与气力输送模块中的分流气腔出风口密封连接，两相流混合出口与气力输送模块中的管道密封连接；在排料轮的作用下，物料进入排料三通管后，在气力输送模块的高速气流作用下形成两相流，然后加速从两相流混合出口喷出，进入管道。

所述气力输送模块包括鼓风机、分流气腔和管道，鼓风机的输出端与分流气腔相连通，分流气腔的出风口与排料三通管的气力入口密封连接，管道一端与排料三通管的两相流混合出口密封连接，管道另一端与播撒器连接；分流气腔上的出风口数量与排料三通管的数量一一对应。其中，鼓风机用于产生高速气流，分流气腔用于气力分流，管道用于两相流导向；分流气腔具有气力入口和气力分流出口（即分流气腔的出风口），气力入口与鼓风机的输出端密封连接，气力分流出口与排料三通管的气力入口密封连接；管道具有管道入口和管道出口，管道入口与排料三通管的两相流混合出口密封连接，用于将加速后的两相流物料运送到播撒的目标区域，管道出口与播撒器连接。

所述气力输送模块有两组，两个分流气腔交错分布于物料盛放箱下方，分别为机架两侧的管道提供气源。

所述鼓风机和排料轮的外部驱动方式为液压驱动式、电力驱动式或机械传动式。

所述播撒器固定安装于播撒承载桁架上，播撒器与气力输送模块中的管道一一对应连接；播撒器为叶轮结构或平板结构。其中，当播撒器为叶轮结构时，叶轮在管道出口中喷出气流的作用下旋转，在离心力的作用下将物料播撒在周边农田区域；当播撒器为平板结构时，管道出口中喷出物料撞击在平板上，自然散开后播撒在周边农田区域。

所述播撒承载桁架为可折叠式的支架，机架两侧分别设置播撒承载桁架，可以折叠方便道路运输；物料变量控制模块和物料气力输送模块均为两套，且与播撒承载桁架一一对应。

本发明通过上述系统实现一种气力式农业物料变量播撒方法，包括如下步骤：

（1）农业物料装入方形斗后，流经方形斗下方出口处的开关控制板，开关控制板通过控制出口的大小对农业物料的总流量进行初步控制，随后，农业物料按照物料导流板设定的路径被导入物料变量控制模块；

（2）农业物料进入物料变量控制模块后，首先由流量调节阀精确调节进入排料轮的农业物料流量，排料轮在外部驱动力的作用下通过旋转进一步控制农业物料的流向和流量；

（3）经过物料变量控制模块进行流量控制后的农业物料进入排料三通管的物料入口；

（4）气力输送模块中鼓风机产生的高速气流经分流气腔的出风口进入排料三通管的气力入口，高速气流在排料三通管中与农业物料混合后形成两相流，并加速从两相流混合出口喷出，进入管道；

（5）两相流经管道的导引，抵达安装于播撒承载桁架上的播撒器，在播撒器的离散作用下将农业物料撒播到农田目标作业区域。

所述农业物料为具有流动性的农业物料，可为种子、肥料、除草剂、农药或生物调节剂。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）本气力式农业物料变量播撒系统不同于传统播撒方式，农业物料在气力输送模块的高速气流作用下形成两相流，再输送至安装于播撒承载桁架上相应的播撒器进行播撒，不仅结构简单轻便，而且通过桁架的形式能有效增加单次作业的幅宽。

（2）通过在机架两侧分别设置播撒承载桁架，并对应设置两套相对独立的物料变量控制模块和气力输送模块，拓宽了单次作业的覆盖宽度，采用对称分布的桁架，单次施肥的覆盖面积增大，大幅提高了施肥作业的效率；此外，通过调整安装于播撒承载桁架上的播撒器的位置，普通用户可以很容易实现播撒行间距的调整，以适应不同作物、不同种植农艺的需求。

（3）物料盛放箱方形斗底部的出口处设有开关控制板，可初步控制物料的总流量；随后，流量调节阀、排料轮可对物料流量进一步进行精确控制；而且流量调节阀、排料轮、排料三通管、运送两相流物料的管道及播撒器的数量一一对应，从而不仅可以实现沿机组前进方向的变量控制，而且可以实现作业幅宽方向上各作业行上播撒量的单独变量控制，与已有变量作业方式相比，变量作业控制精度更高。

（4）通过上述系统及方法，进行农业物料的精准变量控制，实现农业资源的按需施用，在保持产量不降低的情况下，大幅农业资源的有效利用率，不仅减少浪费降低了农业生产成本，同时也可减少对环境的污染。

附图说明

图1为气力式农业物料变量播撒系统的整体结构示意图。

图2为物料盛放箱、物料变量控制模块和气力输送模块安装于机架上的结构示意图。

图3为物料盛放箱内的物料流向示意图。

图4为物料变量控制模块的结构示意图。

图5为气力输送模块中鼓风机与分流气腔连接的结构示意图。

图6为物料变量控制模块各组成部件的结构示意图。

各图中，1为机架；2为物料盛放箱；2-1为方形斗；2-2为物料出口；2-3为物料导流板；2-4为开关控制板；3为播撒承载桁架；4为播撒器；5为动力底盘；6为流量调节阀；7为排料轮；8为排料三通管；8-1为物料入口；8-2为气力入口；8-3为两相流混合出口；9为鼓风机；10为分流气腔；10-1为分流气腔的出风口；11为管道。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种气力式农业物料变量播撒系统，如图1或图2所示，包括机架1、物料盛放箱2、物料变量控制模块、气力输送模块、播撒承载桁架3和播撒器4，机架与动力底盘5相连接，本实施例中动力底盘为拖拉机，物料盛放箱设于机架上，物料盛放箱与物料变量控制模块相连接，物料变量控制模块通过气力输送模块与安装于播撒承载桁架3上的播撒器4连接。待播撒的物料从物料盛放箱进入播撒系统，然后通过物料变量控制模块对其流量进行控制，再送入气力输送模块，采用气力输送的方式将物料输送至安装于播撒承载桁架上的各播撒器，物料通过播撒器的播撒作用进入农田目标作业区域。

如图2或图3所示，物料盛放箱2顶部并列设有两个方形斗2-1，根据播撒作业的实际需要，2个方形斗可分别盛放不同类型的物料；若只需要播撒一种物料，物料盛放箱顶部也可只设置一个方形斗，并对应设置一个物料盛放空间。各方形斗底部的出口处设有开关控制板2-4，开关控制板下方设有物料导流板2-3。其中，开关控制板用于初步控制物料的流量，物料导流板可使物料按照设定的路径被导入物料变量控制模块中，各物料盛放空间内，物料的流向如图3中的箭头所示。

物料导流板上设有至少一个物料出口2-2；如图4或图6所示，物料变量控制模块包括流量调节阀6、排料轮7和排料三通管8，排料三通管具有物料入口8-1、气力入口8-2和两相流混合出口8-3；排料三通管的物料入口与物料导流板的物料出口连接，排料三通管的物料入口上设置流量调节阀和排料轮；物料导流板的物料出口、排料三通管、流量调节阀和排料轮的数量一一对应。其中，流量调节阀用于精确调节进入排料轮的物料流量，在本实施例中，流量调节阀采用手动插片式进行流量调节。排料轮在外部驱动力的作用下，通过旋转进一步控制农业物料的流向和流量，物料入口与排料轮连接，气力入口与气力输送模块中的分流气腔出风口密封连接，两相流混合出口与气力输送模块中的管道密封连接；在排料轮的作用下，物料从物料入口进行排料三通管，在气力输送模块的高速气流作用下形成两相流，然后加速从两相流混合出口喷出，进入管道。

如图1或图5所示，气力输送模块包括鼓风机9、分流气腔10和管道11，鼓风机的输出端与分流气腔相连通，如图1或图3所示，分流气腔的出风口10-1与排料三通管的气力入口密封连接，管道一端与排料三通管的两相流混合出口密封连接，管道另一端与播撒器连接；分流气腔上的出风口数量与排料三通管的数量一一对应。其中，鼓风机用于产生高速气流，分流气腔用于气力分流，管道用于两相流导向；分流气腔具有气力入口和气力分流出口（即分流气腔的出风口），气力入口与鼓风机的输出端密封连接，气力分流出口与排料三通管的气力入口密封连接；管道具有管道入口和管道出口，管道入口与排料三通管的两相流混合出口密封连接，用于将加速后的两相流物料运送到播撒的目标区域，管道出口与播撒器连接。

气力输送模块有两组，两个分流气腔交错分布于物料盛放箱下方，分别为机架两侧的管道提供气源。

鼓风机和排料轮的外部驱动方式为液压驱动式、电力驱动式或机械传动式。

播撒器固定安装于播撒承载桁架上，播撒器与气力输送模块中的管道一一对应连接；播撒器为叶轮结构或平板结构。其中，当播撒器为叶轮结构时，叶轮在管道出口中喷出气流的作用下旋转，在离心力的作用下将物料播撒在周边农田区域；当播撒器为平板结构时，管道出口中喷出物料撞击在平板上，自然散开后播撒在周边农田区域。

播撒承载桁架为可折叠式的支架，机架两侧分别设置播撒承载桁架，可以折叠方便道路运输；物料变量控制模块和物料气力输送模块均为两套，且与播撒承载桁架一一对应。

本实施例通过上述系统可实现一种气力式农业物料变量播撒方法，包括如下步骤：

（1）农业物料装入方形斗后，流经方形斗下方出口处的开关控制板，开关控制板通过控制出口的大小对农业物料的总流量进行初步控制，随后，农业物料按照物料导流板设定的路径被导入物料变量控制模块；

（2）农业物料进入物料变量控制模块后，首先由流量调节阀精确调节进入排料轮的农业物料流量，排料轮在外部驱动力的作用下通过旋转进一步控制农业物料的流向和流量；

（3）经过物料变量控制模块进行流量控制后的农业物料进入排料三通管的物料入口；

（4）气力输送模块中鼓风机产生的高速气流经分流气腔的出风口进入排料三通管的气力入口，高速气流在排料三通管中与农业物料混合后形成两相流，并加速从两相流混合出口喷出，进入管道；

（5）两相流经管道的导引，抵达安装于播撒承载桁架上的播撒器，在播撒器的离散作用下将农业物料撒播到农田目标作业区域。

其中，农业物料为具有流动性的农业物料，可为种子、肥料、除草剂、农药或生物调节剂。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，包括机架（1）、物料盛放箱（2）、物料变量控制模块、气力输送模块、播撒承载桁架（3）和播撒器（4）；

物料盛放箱（2）具有至少一个方形斗（2-1）、物料导流板（2-3）和开关控制板（2-4），物料导流板（2-3）上设有至少一个物料出口（2-2）；

物料变量控制模块包括流量调节阀（6）、排料轮（7）和排料三通管（8），排料三通管（8）具有物料入口（8-1）、气力入口（8-2）和两相流混合出口（8-3）；

气力输送模块包括鼓风机（9）、分流气腔（10）和管道（11），分流气腔上设有至少一个出风口（10-1）；

机架与动力底盘（5）相连接，物料盛放箱（2）设于机架（1）上，物料盛放箱（2）与物料变量控制模块相连接，物料变量控制模块通过气力输送模块与安装于播撒承载桁架（3）上的播撒器（4）连接。

2.根据权利要求1所述一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，所述物料盛放箱（2）顶部设有至少一个方形斗（2-1），方形斗底部的出口处设有开关控制板（2-4），开关控制板（2-4）下方设有物料导流板（2-3）。

3.根据权利要求1所述一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，所述排料三通管的物料入口（8-1）与物料导流板的物料出口（2-2）连接，排料三通管的物料入口（8-1）上设置流量调节阀（6）和排料轮（7）；物料导流板的物料出口（2-2）、排料三通管（8）、流量调节阀（6）和排料轮（7）的数量一一对应。

4.根据权利要求1所述一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，所述鼓风机（9）的输出端与分流气腔（10）相连通，分流气腔的出风口（10-1）与排料三通管的气力入口（8-2）密封连接，管道（11）一端与排料三通管的两相流混合出口（8-3）密封连接，管道（11）另一端与播撒器（4）连接；分流气腔（10）上的出风口（10-1）数量与排料三通管（8）的数量一一对应。

5.根据权利要求1所述一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，所述气力输送模块有两组，两个分流气腔（10）交错分布于物料盛放箱（2）下方。

6.根据权利要求1所述一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，所述鼓风机（9）和排料轮（7）的外部驱动方式为液压驱动式、电力驱动式或机械传动式。

7.根据权利要求1所述一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，所述播撒器（4）固定安装于播撒承载桁架（3）上，播撒器（4）与气力输送模块中的管道（11）一一对应连接；播撒器（4）为叶轮结构或平板结构。

8.根据权利要求1所述一种气力式农业物料变量播撒系统，其特征在于，所述播撒承载桁架（3）为可折叠式的支架，机架两侧分别设置播撒承载桁架（3）；物料变量控制模块和物料气力输送模块均为两套，且与播撒承载桁架（3）一一对应。

9.一种气力式农业物料变量播撒方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）农业物料装入方形斗（2-1）后，流经方形斗下方出口处的开关控制板（2-4），开关控制板（2-4）通过控制出口的大小对农业物料的总流量进行初步控制，随后，农业物料按照物料导流板（2-3）设定的路径被导入物料变量控制模块；

（2）农业物料进入物料变量控制模块后，首先由流量调节阀（6）精确调节进入排料轮（7）的农业物料流量，排料轮（7）在外部驱动力的作用下通过旋转进一步控制农业物料的流向和流量；

（3）经过物料变量控制模块进行流量控制后的农业物料进入排料三通管（8）的物料入口（8-1）；

（4）气力输送模块中鼓风机（9）产生的高速气流经分流气腔的出风口（10-1）进入排料三通管的气力入口（8-2），高速气流在排料三通管（8）中与农业物料混合后形成两相流，并加速从两相流混合出口（8-3）喷出，进入管道（11）；

（5）两相流经管道（11）的导引，抵达安装于播撒承载桁架（3）上的播撒器（4），在播撒器（4）的离散作用下将农业物料撒播到农田目标作业区域。

10.根据权利要求9所述一种气力式农业物料变量播撒方法，其特征在于，所述农业物料为具有流动性的农业物料。