本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置
本专利技术涉及农业机械领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是: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。本专利技术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 Duges, 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I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I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I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) = Plx2+p2x+p3o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m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I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。Τ2、Τ3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:(I)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D1ID2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。(2)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) = ao+apos (WxHb1Sin(Wx),其中:参数a0的取值范围为6.0至6.2,参数B1的取值范围为2.3至2.5，参数Id1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+ °°。(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Cl1的圆柱沉孔，喷孔下端为直径d2的圆柱通孔；沉孔直径Cl1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Cl1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，取值范围为斤至所述弹簧软管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I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I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。本专利技术的技术效果是:在拖拉机的牵引下，本专利技术的机架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I锥形轮廓随之切入、分离土壤，提高装置入土性能；钻土部件I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I和水肥喷施部件3 ;水肥箱中的液体通过T2端进入水本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
2014.04.16 CN 201410153330.41.一种具有仿生结构的水肥一体化沃土装置，主要由钻土部件(I)、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(I)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(I)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⑶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(I)表面具有曲线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，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) = Plx2+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或2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，I\、T2、Td^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(I)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。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SD1，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)=ao+apos (WxHb1Sin(Wx),其中:参数a0的取值范围为6....
【专利技术属性】
技术研发人员：佟金，张东光，马云海，陈玉香，许顺，王庆洲，常志勇，李默，郭丽，周江，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22
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