一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置製造方法
2023-05-19 05:14:31
一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種將可溶性固體肥料或液體肥料與水配兌而成的肥液輸送到作物根部土壤的沃土裝置，特別涉及一種學習蚯蚓體表特徵結構的仿生水肥一體化沃土裝置。主要由鑽土部件(1)、注液連接部件(2)、水肥噴施部件(3)、彈簧軟管(4)、法蘭蓋(5)、彈簧立柱組件(6)和方鋼機架(7)組成，所述鑽土部件(1)位於裝置前段，注液連接部件(2)上端與水肥箱液體輸出總管連接，兩側端分別連接鑽土部件(1)和水肥噴施部件(3)，所述水肥噴施部件(3)至少2個，之間採用彈簧軟管4串聯，法蘭蓋(5)和彈簧立柱組件(6)安裝在最後一節水肥噴施部件(3)的尾端，彈簧立柱組件(6)與方鋼機架(7)通過U型卡子(8)連接。
【專利說明】一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及農業機械領域，具體涉及一種將可溶性固體肥料或液體肥料與水配兌而成的肥液輸送到作物根部土壤的沃土裝置，特別涉及一種學習蚯蚓體表特徵結構的仿生水肥一體化沃土裝置。
【背景技術】
[0002]耕地是經過人類開墾和世代培育，用於種植農作物並可連續耕耘的土地。由於長期存在重用輕養現象，造成耕地土壤肥力普遍呈下降趨勢，突出表現為耕層變淺、養分失衡、保水保肥和抗災能力降低等耕作土壤退化問題。土壤質量下降，需要肥沃土壤，增強肥力，培育植物壤土。為實現沃土效果，最理想的方法是肥沃植物根系所處的土層，減少肥料的固定、揮發和淋失，提高植物對養分的吸收率，形成上層 壤土提供植物生長養分，下層黏土起到保水、保肥作用的理想耕作土壤。
[0003]蚯蚓是典型的土壤洞穴動物。農業工程學者研究發現:蚯蚓沃土的重要機理是吞噬土壤後再將蚯蚓糞排洩到體外，形成富含有機肥料的植物壤土。同時，蚯蚓在土壤中運動形成蚓穴和蚓道，並在運動時不斷從背孔中分泌出粘性體液，順著體節的溝槽浸潤整個身體，形成一層液體保護膜，減小了運動阻力。蚯蚓運動分泌粘液使得蚓穴、蚓道周圍土壤的含水率較高，並呈疏鬆多孔的團粒結構。蚯蚓粘液主要成分為水和有機質，有機質中蛋白質和胺基酸佔絕大比例。蚯蚓粘液類似於液體肥料，在入滲至植株根系層後，養分比固體肥更容易被植物吸收，並促使植株苗期根系向土壤深部生長，提高植株吸收土壤水分能力和抗倒伏性能。粘液將土粒膠合成土壤微團聚體，保水透氣能力增強，產生了較好的沃土效果。同時，蚯蚓獨特的環狀結構具有良好的仿形特性，能夠有效克服土壤的高低起伏，體表幾何結構具有顯著的脫土效果，不會附著粘性土壤。
[0004]學習蚯蚓分泌粘液浸潤土壤的方式，可以做為播種和生長期間肥沃植物壤土的重要方法，增強水肥耦合程度，提高水肥利用率；仿照蚯蚓身體幾何結構特徵設計沃土裝置，可以在保證仿形特性和液體沃土質量的前提下，顯著提高裝置防粘和減阻能力，達到提高觸土部件節能增效的目的。因此，學習蚯蚓結構特徵研製一種水肥一體化沃土裝置，實現在耕層內均勻施用液體肥且裝置不粘附土壤，對於提高土壤肥力、降低沃土成本具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是:研製一種具有仿形和減粘降阻效果的水肥一體化沃土裝置，實現耕層土壤內均勻施用液體肥，起到深施沃土的效果。
[0006]本發明上述目的是通過選取農田耕層內廣泛分布的內層種蚯蚓——梯形流蚓(Aporrectodea trapezoides Duges, 1828),採用體視顯微鏡觀察並拍攝其在運動時體表結構照片，採用圖像處理軟體提取結構照片中梯形流蚓頭部、體節輪廓圖像並擬合幾何特徵曲線，採用三維建模及有限元優化設計等研究方法綜合實現的，結合【專利附圖】
【附圖說明】如下:[0007]所述一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，主要由鑽土部件1、注液連接部件2、水肥噴施部件3、彈簧軟管4、法蘭蓋5、彈簧立柱組件6和方鋼機架7組成。所述鑽土部件I位於裝置前段，注液連接部件2上端與水肥箱液體輸出總管連接，兩側端連接鑽土部件I和水肥噴施部件3，兩個水肥噴施部件3之間採用彈簧軟管4串聯，採用此連接方式整個裝置可以串聯多節水肥噴施部件，法蘭蓋5和彈簧立柱組件6安裝在最後一節水肥噴施部件的尾端，彈簧立柱組件6與方鋼機架7通過U型卡子8連接。
[0008]所述鑽土部件I具有曲線AB繞AO軸旋轉而成的錐形輪廓ABC，在觸土階段起到分離土壤的作用，其特徵在於:輪廓曲線AB是採用體視顯微鏡提取運動狀態下梯形流蚓的頭部圖像，並經圖像處理後產生的頭部輪廓數據點擬合而成。輪廓曲線AB為二次多項式曲線，其方程式為f (X) = Plx2+p2x+p3o其中:參數P1的取值範圍為-0.005至-0.003，參數p2的取值範圍為0.8至0.9，參數p3的取值範圍為1.2至1.5，X的取值範圍為-^?至150mm。
[0009]所述注液連接部件2為等徑異形三通，其特徵在於m端內徑與水肥噴施部件的內徑相等，T1端為實體，T2、T3端為連通的空管。T1端通過法蘭盤與鑽土部件I連接，並具有安裝彈簧立柱組件6的限位孔，T2端通過軟管與水肥箱液體出口連接，T3段通過法蘭盤與水肥噴施部件3連接。Τ2、Τ3端法蘭盤直徑與鑽土部件底面直徑BC以及水肥噴施部件外徑相等。
[0010]所述水肥噴施部件3為兩端由法蘭盤連接的管狀部件，其特徵在於:
[0011](I)管狀部件內徑為D1,外徑為D2,內逕取值範圍為50mm至200mm,內徑、外徑之比D1ID2為0.6至0.8。管狀部件兩端採用法蘭盤連接，法蘭盤直徑與外徑相同。
[0012](2)管狀部件表面具有仿蚯蚓體節表面幾何結構擬合的輪廓曲線DE，水肥噴施部件在土層中運動時，該輪廓 起到脫土、降阻作用。輪廓曲線DE的方程為傅立葉級數方程:f (X) = ao+apos (WxHb1Sin(Wx),其中:參數a0的取值範圍為6.0至6.2,參數B1的取值範圍為2.3至2.5，參數Id1的取值範圍為1.5至1.8，參數w的取值範圍為0.25至0.27，x的取值範圍為2.3mm至+ °°。
[0013](3)管狀部件表面輪廓DE兩波峰之間具有仿蚯蚓背孔結構設計的防堵噴孔，噴孔整體呈沉孔狀，能夠匯集帶有一定粘性的水肥液，並使水肥液順著波峰間的凹槽浸潤噴施部件周圍的土壤。噴孔上端為直徑Cl1的圓柱沉孔，噴孔下端為直徑d2的圓柱通孔；沉孔直徑Cl1與輪廓曲線DE波長b之比為0.4至0.8 ;沉孔深度h與輪廓曲線DE峰谷差m之比為
0.6至0.8 ;圓柱通孔與管狀部件內徑連通，通孔直徑d2與沉孔直徑Cl1之比為0.25至0.5 ;部件在土層中運動時，為減小液體噴施阻力並防止土粒堵塞通孔，圓柱通孔軸線與徑向具
有防堵偏角α，取值範圍為斤至
[0014]所述彈簧軟管4特徵在於:彈簧軟管4整體為內裝彈簧支撐的可伸縮橡膠波紋管，內徑與水肥噴施部件3內徑相同，兩端由法蘭盤連接水肥噴施部件3。將鑽土部件I至彈簧立柱組件6固定於機架7之後，彈簧軟管4在I方向不受拉力，當遇到地面凸起時，在J方向能夠產生彎曲變形，與彈簧立柱組件6配合，具備隨地表起伏的仿形功能。
[0015]所述法蘭蓋5特徵在於:法蘭蓋5由法蘭盤5-1和固定板5-2焊接而成，法蘭盤5-1用於封堵水肥噴施部件3，固定板5-2具有限位孔，用於固定彈簧立柱組件6。
[0016]所述彈簧立柱組件6特徵在於:彈簧立柱組件6由支撐板6-1、立柱6-2、彈簧6-3、螺紋導杆6-4、螺帽6-5、墊圈6-6組成，彈簧立柱組件6與方鋼機架7通過U型卡子8連接。將鑽土部件I至彈簧立柱組件6固定於機架7之後，當遇到地面凸起時，整個部件將通過注液連接部件2的T1端限位孔和法蘭蓋固定板5-2的限位孔沿螺紋導杆6-4向J方向運動，彈簧隨之產生壓縮變形，使整個部件具備仿形能力，與彈簧軟管4配合，水肥噴施部件3單體也具備仿形能力。
[0017]所述鑽土部件1、水肥噴施部件3採用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料製成。
[0018]本發明的技術效果是:
[0019]在拖拉機的牽引下，本發明的機架7前方配置除草鏟或開溝器，在地表開出具有一定深度的溝槽。鑽土部件I錐形輪廓隨之切入、分離土壤，提高裝置入土性能；鑽土部件I採用疏水材料超高分子量聚乙烯(UHMWPE)加工而成，具有防粘減阻的效果。注液連接部件2通過限位孔與彈簧立柱組件6相連接，T1端和T3端分別連接鑽土部件I和水肥噴施部件3 ;水肥箱中的液體通過T2端進入水肥噴施部件3中。水肥液由水肥噴施部件3的防堵噴孔流出，經傅立葉曲線輪廓導流之後浸潤周圍土壤，產生沃土效果；水肥噴施部件3同樣採用UHMWPE加工而成，輪廓曲線減少了部件與土壤的實際接觸面積，並且水肥液不斷流出後充盈輪廓曲線的溝槽，在裝置與土壤之間形成「水膜」，因此有效降低了部件與土壤之間的粘附力和摩擦阻力；水肥噴施部件3通過彈簧軟管4串聯，其尾端採用法蘭蓋5封堵並通過限位孔連接彈簧立柱組件，最終實現與機架的連接。按上述方式連接，彈簧軟管4在I方向不受到拉力，可以有效保護軟管壽命；當水肥噴施部件3在土層中運動遇到凸包，即在J方向受力時，作為彈性連接部件的彈簧軟管4隨之產生彎曲變形，同時彈簧立柱組件6中的彈簧產生壓縮變形，實現單個水肥噴施部件仿形功能，減少地表起伏對噴施穩定性的影響。在本發明後方配置排種器、覆 土器和鎮壓輪，通過聯合作業實現開溝、除草、沃土、播種、覆土、鎮壓等操作，調控春播和春夏作物生長期間水肥供應，提高水肥利用率。可根據行距要求在機架上連接多個本發明，實現一機多行同時作業，提高沃土效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1 (a)是具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置示意圖；
[0021]圖1(b)是圖1(a)的半剖視圖。
[0022]圖2是鑽土部件示意圖。
[0023]圖3(a)是注液連接部件示意圖；
[0024]圖3 (b)是圖3 (a)的半剖視圖。
[0025]圖4(a)是水肥噴施部件示意圖；
[0026]圖4(b)是圖4(a)的半剖視圖。
[0027]圖4(c)是防堵噴孔結構(圖4(b) F處局部放大圖)。
[0028]圖5(a)是法蘭蓋不意圖；
[0029]圖5(b)是圖5(a)的左視圖；
[0030]圖5 (C)是圖5 (a)的俯視圖。
[0031 ]圖6是彈簧立柱組件示意圖。
[0032]圖7是3個具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置與主機架裝配示意圖。
[0033]圖中:1.鑽土部件；2.注液連接部件；3.水肥噴施部件；4.彈簧軟管；5.法蘭蓋，5-1.法蘭盤,5-2.固定板；6.彈簧立柱組件,6-1.支撐板,6-2.立柱,6-3.彈簧,6-4.螺紋導杆，6-5.螺帽，6-6.墊圈；7.方鋼機架；8.U型卡子。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖所示實施例進一步說明本發明的具體內容，本發明的非限定實施例如下:
[0035]實施例1:
[0036]本例的具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置參閱圖1至圖6。本例的裝置特點是:取水肥噴施部件內徑D1 = 50mm,內徑與外徑之比D1 = D2 = 0.625，則外徑D2的取值為80mm。鑽土部件輪廓曲線AB的方程式為y = -0.005x2+0.8x+1.2，x的取值範圍限定為_9.44mm至80mm，此時錐體底面直徑BC與水肥噴施部件外徑D2相等BC = 80mm ;水肥噴施部件輪廓曲線DE方程式為y = 6+2.3cos (0.25x) +1.5sin (0.25x)，可知該曲線波長b為25.13mm,取10個波長作為水肥噴施部件單體長度，X的取值範圍限定為2.31mm至253.61mm ;取沉孔直徑(I1與波長b之比d^b = 0.4,則沉孔直徑(I1為IOmm ;該曲線峰谷差m為5.49mm,取沉孔深度h與峰谷差m之比h:m = 0.6，則沉孔深度h為3.3mm ;取通孔直徑d2與沉孔直徑(I1之比C^d1 = 0.25，則噴孔下端圓柱通孔直徑d2為5mm ;圓柱通孔與管狀部件內徑連通，取圓
柱通孔軸線與徑向防堵偏角《 = &。鑽土部件和水肥噴施部件均由疏水材料UHMWPE製成，
並由注液連接部件相連，水肥噴施部件之間通過彈簧軟管連接，彈簧立柱組件分別安裝於注液連接部件和尾端法蘭蓋的限位孔內，方鋼機架通過U型卡子與彈簧立柱組件相連固定整個沃土裝置，彈簧軟管與 彈簧立柱組件相配合在豎直方向起到仿形作用。
[0037]實施例2:
[0038]本例的具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置參閱圖2、圖4(b)和圖4(c)。本例所述的裝置與實施例1不同的是:取水肥噴施部件內徑D1 = 100mm,內徑與外徑之比D1 = D2 = 0.67，則外徑D2的取值為150mm。鑽土部件輪廓曲線AB的方程式為y=-0.004x2+0.85x+l.35，X的取值範圍限定為-30.68mm至106.25mm，此時錐體底面直徑BC與水肥噴施部件外徑D2相等BC = 150mm ;水肥噴施部件輪廓曲線DE方程式為y = 6.15+2? 4cos(0.26x)+l.67sin(0.26x)，可知該曲線波長b為24.16mm，取10個波長作為水肥噴施部件單體長度，X的取值範圍限定為2.34mm至243.94mm ;取沉孔直徑(I1與波長b之比d1:b=0.62，則沉孔直徑Cl1為15mm ;該曲線峰谷差m為5.85mm,取沉孔深度h與峰谷差m之比h:m = 0.7，則沉孔深度h為4mm ;取通孔直徑d2與沉孔直徑(I1之比(I2Id1 = 0.4，則噴孔下端圓柱通孔直徑d2為6_ ;圓柱通孔與管狀部件內徑連通，取圓柱通孔軸線與徑向防堵偏
角α 。其餘未述之處與實施例1中所述相同。
[0039]實施例3:
[0040]本例的具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置參閱圖2、圖4(b)、圖4(c)和圖7。本例所述的裝置與實施例1和實施例2不同的是:取水肥噴施部件內徑D1 = 200mm，取內徑與外徑之KD1 = D2 = 0.8，則外徑D2的取值為250mm。鑽土部件輪廓曲線AB的方程式為y = -0.003x2+0.9x+1.5, X的取值範圍限定為-54.12mm至150mm，此時錐體底面直徑BC與水肥噴施部件外徑D2相等BC = 250mm ;水肥噴施部件輪廓曲線DE方程式為y =6.2+2.5cos(0.27x)+l.8sin(0.27x)，可知該曲線波長b為23.27mm,取10個波長作為水肥噴施部件單體長度，X的取值範圍限定為2.31mm至235.0lmm ;取沉孔直徑(I1與波長b之比d1:b = 0.77，則沉孔直徑Cl1為18mm;該曲線峰谷差m為6.16mm，取沉孔深度h與峰谷差m之比h:m = 0.8,則沉孔深度h為5mm ;取通孔直徑d2與沉孔直徑(I1之比(I2Zd1 = 0.5,則噴孔下端圓柱通孔直徑d2為9_ ;圓柱通孔與管狀部件內徑連通，取圓柱通孔軸線與徑向防
堵偏角根據行距要求，在主機架上連接3個本發明，實現一機多行同時作業。其餘
未述之處與實施例 1和實施例2中所述相同。
【權利要求】
1.一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，主要由鑽土部件(I)、注液連接部件(2)、水肥噴施部件(3)、彈簧軟管(4)、法蘭蓋(5)、彈簧立柱組件(6)和方鋼機架(7)組成，其特徵在於: 所述鑽土部件(I)位於裝置前段，注液連接部件(2)上端與水肥箱液體輸出總管連接，兩側端分別連接鑽土部件(I)和水肥噴施部件(3)，所述水肥噴施部件(3)至少2個，之間採用彈簧軟管4串聯，法蘭蓋(5)和彈簧立柱組件(6)安裝在最後一節水肥噴施部件(3)的尾端，彈簧立柱組件(6)與方鋼機架(7)通過U型卡子⑶連接。
2.根據權利要求1所述的一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，其特徵在於: 所述鑽土部件(I)表面具有曲線AB繞AO軸旋轉而成的錐形輪廓ABC，在觸土階段起到 分離土壤的作用，所述輪廓曲線AB是採用體視顯微鏡提取運動狀態下梯形流蚓的頭部圖像，並經圖像處理後產生的頭部輪廓數據點擬合而成，輪廓曲線AB為二次多項式曲線，其方程式為f(x) = Plx2+P2x+P3，其中:參數P1的取值範圍為-0.005至-0.003，參數p2的取值範圍為0.8至0.9，參數p3的取值範圍為1.2至1.5，X的取值範圍為-^?至150mm。
3.根據權利要求1或2所述的一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，其特徵在於: 所述注液連接部件(2)為等徑異形三通，I\、T2、Td^內徑與水肥噴施部件的內徑相等，T1端為實體，T2, T3端為連通的空管，T1端通過法蘭盤與鑽土部件(I)連接，並具有安裝彈簧立柱組件(6)的限位孔，T2端通過軟管與水肥箱液體出口連接，T3段通過法蘭盤與水肥噴施部件(3)連接，T2, T3端法蘭盤直徑與鑽土部件底面直徑BC以及水肥噴施部件外徑相等。
4.根據權利要求1所述的一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，其特徵在於: 所述水肥噴施部件(3)為兩端由法蘭盤連接的管狀部件，所述管狀部件內徑SD1，外徑為D2，內徑D1取值範圍為50mm至200mm，內徑、外徑之比D1 = D2為0.6至0.8，管狀部件兩端採用法蘭盤連接，法蘭盤直徑與外徑相同； 所述管狀部件表面具有仿蚯蚓體節表面幾何結構擬合的輪廓曲線DE，水肥噴施部件在土層中運動時，該輪廓起到脫土、降阻作用，輪廓曲線DE的方程為傅立葉級數方程:f (X)=ao+apos (WxHb1Sin(Wx),其中:參數a0的取值範圍為6.0至6.2,參數B1的取值範圍為2.3至2.5，參數Id1的取值範圍為1.5至1.8，參數w的取值範圍為0.25至0.27, x的取值範圍為 2.3mm 至 + 00 ; 所述管狀部件表面輪廓DE兩波峰之間具有仿蚯蚓背孔結構設計的防堵噴孔，噴孔整體呈沉孔狀，能夠匯集帶有一定粘性的水肥液，並使水肥液順著波峰間的凹槽浸潤噴施部件周圍的土壤，噴孔上端為直徑Cl1的圓柱沉孔，噴孔下端為直徑d2的圓柱通孔；沉孔直徑Cl1與輪廓曲線DE波長b之比為0.4至0.8 ;沉孔深度h與輪廓曲線DE峰谷差m之比為0.6至0.8 ;圓柱通孔與管狀部件內徑連通，通孔直徑d2與沉孔直徑Cl1之比為0.25至0.5 ;部件在土層中運動時，為減小液體噴施阻力並防止土粒堵塞通孔，圓柱通孔軸線與徑向具有防堵偏角α，取值範圍為至
5.根據權利要求1所述的一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，其特徵在於: 所述彈簧軟管(4)整體為內裝彈簧支撐的可伸縮橡膠波紋管，內徑與水肥噴施部件(3)內徑相同，兩端由法蘭盤連接水肥噴施部件(3)，將鑽土部件(I)至彈簧立柱組件(6)固定於方鋼機架(7)之後，彈簧軟管(4)在I方向即彈簧軟管軸向不受拉力，當遇到地面凸起時，在J方向即彈簧軟管徑向能夠產生彎曲變形，與彈簧立柱組件(6)配合，具備隨地表起伏的仿形作用。
6.根據權利要求1所述的一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，其特徵在於: 所述法蘭蓋(5)由法蘭盤(5-1)和固定板(5-2)焊接而成，法蘭盤(5-1)用於封堵水肥噴施部件(3)，固定板(5-2)具有限位孔，用於固定彈簧立柱組件(6)。
7.根據權利要求1所述的一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，其特徵在於: 所述彈簧立柱組件(6)由支撐板(6-1)、立柱(6-2)、彈簧(6-3)、螺紋導杆(6-4)、螺帽(6-5)和墊圈(6-6)組成，彈簧立柱組件(6)與方鋼機架(7)通過U型卡子(8)連接，將鑽土部件(I)至彈簧立柱組件(6)固定於方鋼機架(7)之後，當遇到地面凸起時，整個部件將通過注液連接部件⑵的T1端限位孔和法蘭蓋固定板(5-2)的限位孔沿螺紋導杆(6-4)向J方向即彈簧軟管徑向運動，彈簧出-3)隨之產生壓縮變形，使整個部件具備仿形能力，與彈簧軟管(4)配合，水肥噴施部件(3)單體也具備仿形能力。
8.根據權利要求1至7任一項數所述的一種具有仿生結構的水肥一體化沃土裝置，其特徵在於: 所述鑽土部件(I)、水肥噴施部件(3)採用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料製成。
【文檔編號】A01C23/02GK103999621SQ201410218957
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】佟金, 張東光, 馬雲海, 陳玉香, 許順, 王慶洲, 常志勇, 李默, 郭麗, 周江 申請人:吉林大學