CN103999621B - 一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置 - Google Patents
一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种将可溶性固体肥料或液体肥料与水配兑而成的肥液输送到作物根部土壤的沃土装置，特别涉及一种学习蚯蚓体表特征结构的仿生水肥一体化沃土装置。主要由钻土部件(1)、注液连接部件(2)、水肥喷施部件(3)、弹簧软管(4)、法兰盖(5)、弹簧立柱组件(6)和方钢机架(7)组成，所述钻土部件(1)位于装置前段，注液连接部件(2)上端与水肥箱液体输出总管连接，两侧端分别连接钻土部件(1)和水肥喷施部件(3)，所述水肥喷施部件(3)至少2个，之间采用弹簧软管4串联，法兰盖(5)和弹簧立柱组件(6)安装在最后一节水肥喷施部件(3)的尾端，弹簧立柱组件(6)与方钢机架(7)通过U型卡子(8)连接。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械领域，具体涉及一种将可溶性固体肥料或液体肥料与水配兑而成的肥液输送到作物根部土壤的沃土装置，特别涉及一种学习蚯蚓体表特征结构的仿生水肥一体化沃土装置。
背景技术
耕地是经过人类开垦和世代培育，用于种植农作物并可连续耕耘的土地。由于长期存在重用轻养现象，造成耕地土壤肥力普遍呈下降趋势，突出表现为耕层变浅、养分失衡、保水保肥和抗灾能力降低等耕作土壤退化问题。土壤质量下降，需要肥沃土壤，增强肥力，培育植物壤土。为实现沃土效果，最理想的方法是肥沃植物根系所处的土层，减少肥料的固定、挥发和淋失，提高植物对养分的吸收率，形成上层壤土提供植物生长养分，下层黏土起到保水、保肥作用的理想耕作土壤。
蚯蚓是典型的土壤洞穴动物。农业工程学者研究发现：蚯蚓沃土的重要机理是吞噬土壤后再将蚯蚓粪排泄到体外，形成富含有机肥料的植物壤土。同时，蚯蚓在土壤中运动形成蚓穴和蚓道，并在运动时不断从背孔中分泌出粘性体液，顺着体节的沟槽浸润整个身体，形成一层液体保护膜，减小了运动阻力。蚯蚓运动分泌粘液使得蚓穴、蚓道周围土壤的含水率较高，并呈疏松多孔的团粒结构。蚯蚓粘液主要成分为水和有机质，有机质中蛋白质和氨基酸占绝大比例。蚯蚓粘液类似于液体肥料，在入渗至植株根系层后，养分比固体肥更容易被植物吸收，并促使植株苗期根系向土壤深部生长，提高植株吸收土壤水分能力和抗倒伏性能。粘液将土粒胶合成土壤微团聚体，保水透气能力增强，产生了较好的沃土效果。同时，蚯蚓独特的环状结构具有良好的仿形特性，能够有效克服土壤的高低起伏，体表几何结构具有显著的脱土效果，不会附着粘性土壤。
学习蚯蚓分泌粘液浸润土壤的方式，可以做为播种和生长期间肥沃植物壤土的重要方法，增强水肥耦合程度，提高水肥利用率；仿照蚯蚓身体几何结构特征设计沃土装置，可以在保证仿形特性和液体沃土质量的前提下，显著提高装置防粘和减阻能力，达到提高触土部件节能增效的目的。因此，学习蚯蚓结构特征研制一种水肥一体化沃土装置，实现在耕层内均匀施用液体肥且装置不粘附土壤，对于提高土壤肥力、降低沃土成本具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是：研制一种具有仿形和减粘降阻效果的水肥一体化沃土装置，实现耕层土壤内均匀施用液体肥，起到深施沃土的效果。
本发明上述目的是通过选取农田耕层内广泛分布的内层种蚯蚓——梯形流蚓(Aporrectodea trapezoides Dugès,1828)，采用体视显微镜观察并拍摄其在运动时体表结构照片，采用图像处理软件提取结构照片中梯形流蚓头部、体节轮廓图像并拟合几何特征曲线，采用三维建模及有限元优化设计等研究方法综合实现的，结合附图说明如下：
所述一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，主要由钻土部件1、注液连接部件2、水肥喷施部件3、弹簧软管4、法兰盖5、弹簧立柱组件6和方钢机架7组成。所述钻土部件1位于装置前段，注液连接部件2上端与水肥箱液体输出总管连接，两侧端连接钻土部件1和水肥喷施部件3，两个水肥喷施部件3之间采用弹簧软管4串联，采用此连接方式整个装置可以串联多节水肥喷施部件，法兰盖5和弹簧立柱组件6安装在最后一节水肥喷施部件的尾端，弹簧立柱组件6与方钢机架7通过U型卡子8连接。
所述钻土部件1具有曲线AB绕AO轴旋转而成的锥形轮廓ABC，在触土阶段起到分离土壤的作用，其特征在于：轮廓曲线AB是采用体视显微镜提取运动状态下梯形流蚓的头部图像，并经图像处理后产生的头部轮廓数据点拟合而成。轮廓曲线AB为二次多项式曲线，其方程式为f(x)＝p1x2+p2x+p3。其中：参数p1的取值范围为-0.005至-0.003，参数p2的取值范围为0.8至0.9，参数p3的取值范围为1.2至1.5，x的取值范围为-∞至150mm。
所述注液连接部件2为等径异形三通，其特征在于：T1、T2、T3端内径与水肥喷施部件的内径相等，T1端为实体，T2、T3端为连通的空管。T1端通过法兰盘与钻土部件1连接，并具有安装弹簧立柱组件6的限位孔，T2端通过软管与水肥箱液体出口连接，T3段通过法兰盘与水肥喷施部件3连接。T2、T3端法兰盘直径与钻土部件底面直径BC以及水肥喷施部件外径相等。
所述水肥喷施部件3为两端由法兰盘连接的管状部件，其特征在于：
(1)管状部件内径为D1，外径为D2，内径取值范围为50mm至200mm，内径、外径之比D1:D2为0.6至0.8。管状部件两端采用法兰盘连接，法兰盘直径与外径相同。
所述注液连接部件2为等径异形三通，端部接头分别为T1、T2、T3。其特征在于：T1、T2、T3端内径与水肥喷施部件的内径相等，T1端为实体，T2、T3端为连通的空管。T1端通过法兰盘与钻土部件1连接，并具有安装弹簧立柱组件6的限位孔，T2端通过第一软管与水肥箱液体出口连接，T3段通过法兰盘与水肥喷施部件3连接。T2、T3端法兰盘直径与钻土部件底面直径BC以及水肥喷施部件外径相等。
(3)管状部件表面轮廓DE两波峰之间具有仿蚯蚓背孔结构设计的防堵喷孔，喷孔整 体呈沉孔状，能够汇集带有一定粘性的水肥液，并使水肥液顺着波峰间的凹槽浸润喷施部件周围的土壤。喷孔上端为直径d1的圆柱沉孔，喷孔下端为直径d2的圆柱通孔；沉孔直径d1与轮廓曲线DE波长b之比为0.4至0.8；沉孔深度h与轮廓曲线DE峰谷差m之比为0.6至0.8；圆柱通孔与管状部件内径连通，通孔直径d2与沉孔直径d1之比为0.25至0.5；部件在土层中运动时，为减小液体喷施阻力并防止土粒堵塞通孔，圆柱通孔轴线与径向具有防堵偏角α，取值范围为至
所述弹簧软管4特征在于：弹簧软管4整体为内装弹簧支撑的可伸缩橡胶波纹管，内径与水肥喷施部件3内径相同，两端由法兰盘连接水肥喷施部件3。将钻土部件1至弹簧立柱组件6固定于机架7之后，弹簧软管4在I方向不受拉力，当遇到地面凸起时，在J方向能够产生弯曲变形，与弹簧立柱组件6配合，具备随地表起伏的仿形功能。
所述法兰盖5特征在于：法兰盖5由法兰盘5-1和固定板5-2焊接而成，法兰盘5-1用于封堵水肥喷施部件3，固定板5-2具有限位孔，用于固定弹簧立柱组件6。
所述弹簧立柱组件6特征在于：弹簧立柱组件6由支撑板6-1、立柱6-2、弹簧6-3、螺纹导杆6-4、螺帽6-5、垫圈6-6组成，弹簧立柱组件6与方钢机架7通过U型卡子8连接。将钻土部件1至弹簧立柱组件6固定于机架7之后，当遇到地面凸起时，整个部件将通过注液连接部件2的T1端限位孔和法兰盖固定板5-2的限位孔沿螺纹导杆6-4向J方向运动，弹簧随之产生压缩变形，使整个部件具备仿形能力，与弹簧软管4配合，水肥喷施部件3单体也具备仿形能力。
所述钻土部件1、水肥喷施部件3采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料制成。
本发明的技术效果是：
在拖拉机的牵引下，本发明的机架7前方配置除草铲或开沟器，在地表开出具有一定深度的沟槽。钻土部件1锥形轮廓随之切入、分离土壤，提高装置入土性能；钻土部件1采用疏水材料超高分子量聚乙烯(UHMWPE)加工而成，具有防粘减阻的效果。注液连接部件2通过限位孔与弹簧立柱组件6相连接，T1端和T3端分别连接钻土部件1和水肥喷施部件3；水肥箱中的液体通过T2端进入水肥喷施部件3中。水肥液由水肥喷施部件3的防堵喷孔流出，经傅里叶曲线轮廓导流之后浸润周围土壤，产生沃土效果；水肥喷施部件3同样采用UHMWPE加工而成，轮廓曲线减少了部件与土壤的实际接触面积，并且水肥液不断流出后充盈轮廓曲线的沟槽，在装置与土壤之间形成“水膜”，因此有效降低了部件与土壤之间的粘附力和摩擦阻力；水肥喷施部件3通过弹簧软管4串联，其尾端采用法兰盖5封堵并通过限位孔连接弹簧立柱组件，最终实现与机架的连接。按上述方式连接，弹簧软管4在I方向 不受到拉力，可以有效保护软管寿命；当水肥喷施部件3在土层中运动遇到凸包，即在J方向受力时，作为弹性连接部件的弹簧软管4随之产生弯曲变形，同时弹簧立柱组件6中的弹簧产生压缩变形，实现单个水肥喷施部件仿形功能，减少地表起伏对喷施稳定性的影响。在本发明后方配置排种器、覆土器和镇压轮，通过联合作业实现开沟、除草、沃土、播种、覆土、镇压等操作，调控春播和春夏作物生长期间水肥供应，提高水肥利用率。可根据行距要求在机架上连接多个本发明，实现一机多行同时作业，提高沃土效率。
附图说明
图1(a)是具有仿生结构的水肥一体化沃土装置示意图；
图1(b)是图1(a)的半剖视图。
图2是钻土部件示意图。
图3(a)是注液连接部件示意图；
图3(b)是图3(a)的半剖视图。
图4(a)是水肥喷施部件示意图；
图4(b)是图4(a)的半剖视图。
图4(c)是防堵喷孔结构(图4(b)F处局部放大图)。
图5(a)是法兰盖示意图；
图5(b)是图5(a)的左视图；
图5(c)是图5(a)的俯视图。
图6是弹簧立柱组件示意图。
图7是3个具有仿生结构的水肥一体化沃土装置与主机架装配示意图。
图中：1.钻土部件；2.注液连接部件；3.水肥喷施部件；4.弹簧软管；5.法兰盖，5-1.法兰盘，5-2.固定板；6.弹簧立柱组件，6-1.支撑板，6-2.立柱，6-3.弹簧，6-4.螺纹导杆，6-5.螺帽，6-6.垫圈；7.方钢机架；8.U型卡子。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容，本发明的非限定实施例如下：
实施例1：
本例的具有仿生结构的水肥一体化沃土装置参阅图1至图6。本例的装置特点是：取水肥喷施部件内径D1＝50mm，内径与外径之比D1:D2＝0.625，则外径D2的取值为80mm。钻土部件轮廓曲线AB的方程式为y＝-0.005x2+0.8x+1.2，x的取值范围限定为-9.44mm至80mm，此时锥体底面直径BC与水肥喷施部件外径D2相等BC＝80mm；水肥喷施部件轮廓 曲线DE方程式为y＝6+2.3cos(0.25x)+1.5sin(0.25x)，可知该曲线波长b为25.13mm，取10个波长作为水肥喷施部件单体长度，x的取值范围限定为2.31mm至253.61mm；取沉孔直径d1与波长b之比d1:b＝0.4，则沉孔直径d1为10mm；该曲线峰谷差m为5.49mm，取沉孔深度h与峰谷差m之比h:m＝0.6，则沉孔深度h为3.3mm；取通孔直径d2与沉孔直径d1之比d2:d1＝0.25，则喷孔下端圆柱通孔直径d2为5mm；圆柱通孔与管状部件内径连通，取圆柱通孔轴线与径向防堵偏角钻土部件和水肥喷施部件均由疏水材料UHMWPE制成，并由注液连接部件相连，水肥喷施部件之间通过弹簧软管连接，弹簧立柱组件分别安装于注液连接部件和尾端法兰盖的限位孔内，方钢机架通过U型卡子与弹簧立柱组件相连固定整个沃土装置，弹簧软管与弹簧立柱组件相配合在竖直方向起到仿形作用。
实施例2：
本例的具有仿生结构的水肥一体化沃土装置参阅图2、图4(b)和图4(c)。本例所述的装置与实施例1不同的是：取水肥喷施部件内径D1＝100mm，内径与外径之比D1:D2＝0.67，则外径D2的取值为150mm。钻土部件轮廓曲线AB的方程式为y＝-0.004x2+0.85x+1.35，x的取值范围限定为-30.68mm至106.25mm，此时锥体底面直径BC与水肥喷施部件外径D2相等BC＝150mm；水肥喷施部件轮廓曲线DE方程式为y＝6.15+2.4cos(0.26x)+1.67sin(0.26x)，可知该曲线波长b为24.16mm，取10个波长作为水肥喷施部件单体长度，x的取值范围限定为2.34mm至243.94mm；取沉孔直径d1与波长b之比d1:b＝0.62，则沉孔直径d1为15mm；该曲线峰谷差m为5.85mm，取沉孔深度h与峰谷差m之比h:m＝0.7，则沉孔深度h为4mm；取通孔直径d2与沉孔直径d1之比d2:d1＝0.4，则喷孔下端圆柱通孔直径d2为6mm；圆柱通孔与管状部件内径连通，取圆柱通孔轴线与径向防堵偏角其余未述之处与实施例1中所述相同。
实施例3：
本例的具有仿生结构的水肥一体化沃土装置参阅图2、图4(b)、图4(c)和图7。本例所述的装置与实施例1和实施例2不同的是：取水肥喷施部件内径D1＝200mm，取内径 与外径之比D1:D2＝0.8，则外径D2的取值为250mm。钻土部件轮廓曲线AB的方程式为y＝-0.003x2+0.9x+1.5，x的取值范围限定为-54.12mm至150mm，此时锥体底面直径BC与水肥喷施部件外径D2相等BC＝250mm；水肥喷施部件轮廓曲线DE方程式为y＝6.2+2.5cos(0.27x)+1.8sin(0.27x)，可知该曲线波长b为23.27mm，取10个波长作为水肥喷施部件单体长度，x的取值范围限定为2.31mm至235.01mm；取沉孔直径d1与波长b之比d1:b＝0.77，则沉孔直径d1为18mm；该曲线峰谷差m为6.16mm，取沉孔深度h与峰谷差m之比h:m＝0.8，则沉孔深度h为5mm；取通孔直径d2与沉孔直径d1之比d2:d1＝0.5，则喷孔下端圆柱通孔直径d2为9mm；圆柱通孔与管状部件内径连通，取圆柱通孔轴线与径向防堵偏角根据行距要求，在主机架上连接3个本发明，实现一机多行同时作业。其余未述之处与实施例1和实施例2中所述相同。
Claims (8)
1.一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，主要由钻土部件(1)、注液连接部件(2)、水肥喷施部件(3)、弹簧软管(4)、法兰盖(5)、弹簧立柱组件(6)和方钢机架(7)组成，其特征在于：
所述钻土部件(1)位于装置前段，注液连接部件(2)上端与水肥箱液体输出总管连接，两侧端分别连接钻土部件(1)和水肥喷施部件(3)，所述水肥喷施部件(3)至少2个，之间采用弹簧软管4串联，法兰盖(5)和弹簧立柱组件(6)安装在最后一节水肥喷施部件(3)的尾端，弹簧立柱组件(6)与方钢机架(7)通过U型卡子(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，其特征在于：
所述钻土部件(1)的外表面为圆锥曲面ABC，该圆锥曲面是由轮廓曲线AB绕中心轴AO旋转360°而成，该部件在触土阶段起到分离土壤的作用，所述轮廓曲线AB是采用体视显微镜提取运动状态下梯形流蚓的头部图像，并经图像处理后产生的头部轮廓数据点拟合而成，轮廓曲线AB为二次多项式曲线，其方程式为f(x)＝p1x2+p2x+p3，其中：参数p1的取值范围为-0.005至-0.003，参数p2的取值范围为0.8至0.9，参数p3的取值范围为1.2至1.5，x的取值范围为-∞至150mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，其特征在于：
所述注液连接部件(2)为等径异形三通，T1、T2、T3为该部件的端部接头，其中，T1、T2、T3端内径与水肥喷施部件的内径相等，T1端为实体，T2、T3端为连通的空管，T1端通过法兰盘与钻土部件(1)连接，并具有安装弹簧立柱组件(6)的限位孔，T2端通过第一软管与水肥箱液体出口连接，T3段通过法兰盘与水肥喷施部件(3)连接，T2、T3端法兰盘直径与钻土部件底面直径BC以及水肥喷施部件外径相等。
4.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，其特征在于：
所述水肥喷施部件(3)为两端由法兰盘连接的管状部件，所述管状部件内径为D1，外径为D2，内径D1取值范围为50mm至200mm，内径、外径之比D1:D2为0.6至0.8，管状部件两端采用法兰盘连接，法兰盘直径与外径相同；
所述管状部件表面具有仿蚯蚓体节表面几何结构拟合的轮廓曲线DE，水肥喷施部件在土层中运动时，该轮廓起到脱土、降阻作用，轮廓曲线DE的方程为傅里叶级数方程：f(x)＝a0+a1cos(wx)+b1sin(wx)，其中：参数a0的取值范围为6.0至6.2，参数a1的取值范围为2.3至2.5，参数b1的取值范围为1.5至1.8，参数w的取值范围为0.25至0.27，x的取值范围为2.3mm至+∞；
所述管状部件表面轮廓DE两波峰之间具有仿蚯蚓背孔结构设计的防堵喷孔，喷孔整体呈沉孔状，能够汇集带有一定粘性的水肥液，并使水肥液顺着波峰间的凹槽浸润喷施部件周 围的土壤，喷孔上端为直径d1的圆柱沉孔，喷孔下端为直径d2的圆柱通孔；沉孔直径d1与轮廓曲线DE波长b之比为0.4至0.8；沉孔深度h与轮廓曲线DE峰谷差m之比为0.6至0.8；圆柱通孔与管状部件内径连通，通孔直径d2与沉孔直径d1之比为0.25至0.5；部件在土层中运动时，为减小液体喷施阻力并防止土粒堵塞通孔，圆柱通孔轴线与径向具有防堵偏角α，取值范围为至
5.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，其特征在于：
所述弹簧软管(4)整体为内装弹簧支撑的可伸缩橡胶波纹管，内径与水肥喷施部件(3)内径相同，两端由法兰盘连接水肥喷施部件(3)，将钻土部件(1)至弹簧立柱组件(6)固定于方钢机架(7)之后，弹簧软管(4)在I方向即弹簧软管轴向不受拉力，当遇到地面凸起时，在J方向即弹簧软管径向能够产生弯曲变形，与弹簧立柱组件(6)配合，具备随地表起伏的仿形作用。
6.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，其特征在于：
所述法兰盖(5)由法兰盘(5-1)和固定板(5-2)焊接而成，法兰盘(5-1)用于封堵水肥喷施部件(3)，固定板(5-2)具有限位孔，用于固定弹簧立柱组件(6)。
7.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，其特征在于：
所述弹簧立柱组件(6)由支撑板(6-1)、立柱(6-2)、弹簧(6-3)、螺纹导杆(6-4)、螺帽(6-5)和垫圈(6-6)组成，弹簧立柱组件(6)与方钢机架(7)通过U型卡子(8)连接，将钻土部件(1)至弹簧立柱组件(6)固定于方钢机架(7)之后，当遇到地面凸起时，整个部件将通过注液连接部件(2)的T1端限位孔和法兰盖固定板(5-2)的限位孔沿螺纹导杆(6-4)向J方向即弹簧软管径向运动，弹簧(6-3)随之产生压缩变形，使整个部件具备仿形能力，与弹簧软管(4)配合，水肥喷施部件(3)单体也具备仿形能力。
8.根据权利要求1至7任一项数所述的一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，其特征在于：
所述钻土部件(1)、水肥喷施部件(3)采用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料制成。
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