摘要:為了解決含雜率高、含水率高的農(nóng)家肥的施肥不均勻、利用率低等問題，研發(fā)了機(jī)、電、液一體化的集開溝、施肥與覆土功能于一體的新型果園自動(dòng)農(nóng)家肥施肥機(jī)。提出了并設(shè)計(jì)了雙體獨(dú)立鉸籠分段配送機(jī)構(gòu)，改變了配送原理;提出了深度可調(diào)偏置式開溝裝置，可對(duì)開溝犁的維度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了施肥過程中故障的自修復(fù)控制和報(bào)警。該機(jī)操作簡單，性價(jià)比高，適用于任意含水率的農(nóng)家肥。多臺(tái)施肥機(jī)實(shí)際作業(yè)效果表明:施肥效率可達(dá)0．400～0．534hm2/h，是人工效率的20～40倍，顯著降低了作業(yè)成本，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。

　　關(guān)鍵詞:果園自動(dòng)施肥機(jī);自動(dòng)化控制;開溝;肥料輸送系統(tǒng)

　　0引言

　　我國水果種植面積和產(chǎn)量均已居世界前列，2016年的果園種植面積已達(dá)1536．71萬hm2，水果總產(chǎn)量達(dá)2．75億t［1－2］。水果的產(chǎn)量和質(zhì)量對(duì)果農(nóng)來說是至關(guān)重要的，而施肥作業(yè)不僅會(huì)決定果樹的生長發(fā)育，還會(huì)直接影響果實(shí)的質(zhì)量及產(chǎn)量［3－5］。目前，我國果園施肥機(jī)械化和自動(dòng)化水平均較低，嚴(yán)重制約了我國果園種植業(yè)的發(fā)展，因此研發(fā)適合我國實(shí)際情況的果園自動(dòng)施肥機(jī)勢(shì)在必行［6－7］。

　　1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)

　　1．1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　自動(dòng)施肥機(jī)主要由機(jī)械部分、液壓控制部分及電氣控制部分組成。其中，機(jī)械部分主要通過軸的轉(zhuǎn)動(dòng)及鏈傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成工作任務(wù);液壓部分主要由電磁換向閥、液壓馬達(dá)、各式液壓泵及液壓油管組成;電氣控制部分主要由主控模塊、測(cè)速模塊、電磁閥控制模塊及報(bào)警模塊等組成。

　　1．2技術(shù)參數(shù)

　　根據(jù)目前果園種植的農(nóng)藝技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的自動(dòng)施肥機(jī)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　2機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

　　2．1機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　自動(dòng)施肥機(jī)主要由主變速箱、雙齒輪泵、擺線液壓馬達(dá)、農(nóng)家肥倉、化肥倉、鏈輪、推動(dòng)鏟、液壓缸、單鏵犁、覆土圓盤及動(dòng)力輸入裝置等部件組成，如圖1、圖2所示。

　　2．2工作原理

　　自動(dòng)施肥機(jī)主要以施農(nóng)家肥為主。為了滿足農(nóng)戶及不同作業(yè)情況的需求，在機(jī)具后面設(shè)計(jì)了一個(gè)化肥倉，可以同時(shí)對(duì)化肥和農(nóng)家肥進(jìn)行混合施肥。機(jī)具通過懸掛架與55kW以上拖拉機(jī)配套連接，整機(jī)動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)傳遞與機(jī)具的動(dòng)力輸入裝置連接;主變速箱帶動(dòng)雙齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生液壓源，利用液壓源帶動(dòng)二級(jí)攪龍液壓馬達(dá)和電磁換向閥工作;電磁換向閥通過換向?qū)崿F(xiàn)擺線液壓馬達(dá)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器鏈輪變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)主螺旋攪龍輸送機(jī)構(gòu)。其中，農(nóng)家肥輸送系統(tǒng)采用雙體獨(dú)立鉸籠分段配送機(jī)構(gòu)，改變了配送原理，肥料輸送均勻，可以兩種或兩種以上肥料同步混合，出肥量得到控制。機(jī)具尾部下方安裝有可以拆卸的單鏵犁進(jìn)行開溝，工作時(shí)采用了深度可調(diào)偏置式開溝裝置，實(shí)現(xiàn)了30cm深度范圍內(nèi)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過二級(jí)螺旋攪龍把肥料輸送到開溝處，由可拆卸覆土圓盤進(jìn)行覆土作業(yè)。在農(nóng)家肥倉內(nèi)的兩邊設(shè)計(jì)有推動(dòng)鏟，推動(dòng)鏟做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以防止農(nóng)家肥產(chǎn)生懸料現(xiàn)象。整機(jī)的施肥量皆可通過調(diào)節(jié)肥料流量調(diào)節(jié)桿來控制。

　　3液壓油路控制部分

　　3．1液壓部分工作原理

　　機(jī)具在工作時(shí)，液壓泵在主變速箱的傳動(dòng)下工作，液壓泵將液壓油油箱中的液壓油經(jīng)過過濾器、開關(guān)泵入減壓閥中;電磁換向閥安裝在減壓閥后部，液壓油經(jīng)減壓閥流經(jīng)電磁換向閥分兩路分別進(jìn)入機(jī)具前部的擺線液壓馬達(dá)和后部的二級(jí)攪龍液壓馬達(dá)中，進(jìn)而通過鏈傳動(dòng)將動(dòng)力分別傳輸?shù)街髀菪龜圐堓S和二級(jí)螺旋攪龍軸上，從而控制攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)肥料輸出。工作過程中，為防止旋轉(zhuǎn)攪龍被有機(jī)肥中的異物堵塞，采取電磁換向閥實(shí)現(xiàn)油路的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)攪龍的正反轉(zhuǎn)。電磁換向閥在接收到增量編碼器的反饋信號(hào)后，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向，使攪龍反轉(zhuǎn)，將異物轉(zhuǎn)出;異物排出后，再進(jìn)行一次換向，機(jī)具繼續(xù)正常工作。

　　3．2整機(jī)液壓油路布局

　　圖3為自動(dòng)施肥機(jī)的液壓油路布局圖，機(jī)具中的液壓管路由單片機(jī)控制電磁換向閥換向。

　　4電氣控制部分

　　4．1系統(tǒng)組成

　　電氣控制部分包括硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)兩部分。其中，硬件系統(tǒng)主要包括主控電路、電磁閥控制電路、測(cè)速電路、報(bào)警電路及供電電路等。其工作原理為:利用單片機(jī)內(nèi)部兩個(gè)精確到微秒的定時(shí)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)1個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成一級(jí)攪龍的速度和動(dòng)力輸出軸的速度;利用一級(jí)攪龍的速度和動(dòng)力輸出軸的速度判定有機(jī)肥倉內(nèi)是否有雜物卡住一級(jí)攪龍，進(jìn)而對(duì)電磁閥進(jìn)行換向控制，在無法排除故障時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警。

　　4．2硬件系統(tǒng)

　　4．2．1主控模塊考慮到農(nóng)業(yè)機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性、可靠性的需求，主控CPU采用抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、低功耗的AVＲ系列的ATmega16_DIP40［21－22］。該單片機(jī)不用外擴(kuò)ＲOM和ＲAM就能滿足該系統(tǒng)的系統(tǒng)代碼需求，簡化了外圍電路的設(shè)計(jì)［23］。另外，該單片機(jī)內(nèi)部集成兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器和電平轉(zhuǎn)換電路，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力輸出軸和一級(jí)攪龍速度的測(cè)量。主控模塊包括單片機(jī)、供電電路、晶振電路及復(fù)位電路等。

　　4．2．2電磁閥控制模塊電磁閥控制模塊用于當(dāng)攪龍被異物卡住時(shí)進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)從而將異物反向旋出，當(dāng)攪龍被卡住而停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)單片機(jī)控制電磁閥實(shí)現(xiàn)換向，如圖4所示。

　　EL817光耦的作用是將單片機(jī)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將單片機(jī)與繼電器進(jìn)行隔離。S8050為NPN型三極管，在此電路中工作在開關(guān)狀態(tài)，從而控制繼電器線圈的通斷;1N4007為續(xù)流二極管，用于消耗繼電器線圈產(chǎn)生的電流防止燒毀三極管。

　　5田間試驗(yàn)

　　5．1試驗(yàn)過程

　　為適應(yīng)果園施肥的實(shí)際需要，動(dòng)力系統(tǒng)選用扭矩儲(chǔ)備系數(shù)大、強(qiáng)勁有力、操作輕便靈活、安全可靠的海山HS554輪式拖拉機(jī)，配套動(dòng)力55kW。試驗(yàn)前，先通過牽引銷將施肥機(jī)與拖拉機(jī)連接，連接施肥機(jī)油缸與液壓，保證各處無滲漏;然后，啟動(dòng)拖拉機(jī)，空車試驗(yàn)底盤油缸提升、下降及推動(dòng)鏟往復(fù)運(yùn)動(dòng)情況，保證各運(yùn)動(dòng)自如，無卡滯現(xiàn)象，并將底盤提升到最高位置;最后，將單鏵犁加裝到犁橫梁處，并插上穿銷;將調(diào)試好的施肥機(jī)開到試驗(yàn)田里，初步試驗(yàn)幾次，確定開溝深度，試驗(yàn)好后，開始作業(yè)。

　　5．2試驗(yàn)結(jié)果

　　所設(shè)計(jì)的自動(dòng)施肥機(jī)適用于沙壤土、丘陵地、黑土地等，可廣泛用于現(xiàn)代果園施肥。表2、表3為開溝深度及農(nóng)家肥含水率對(duì)施肥速率影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　6結(jié)論

　　本文研發(fā)了機(jī)、電、液一體化的自動(dòng)施肥機(jī)。針對(duì)目前我國還沒有對(duì)任意含水率的農(nóng)家肥進(jìn)行施肥的機(jī)械，該施肥機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意含水率農(nóng)家肥的均勻施肥，并可進(jìn)行拋灑施肥或者混合施肥，做到一機(jī)多用。同時(shí)，該施肥機(jī)實(shí)現(xiàn)了故障的自動(dòng)檢測(cè)、報(bào)警和自修復(fù)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明:該自動(dòng)施肥機(jī)不僅能廣泛用于現(xiàn)代果園施肥，還可用于西洋參、玉米、花生、小麥等大片農(nóng)作物的耕地施肥。下一步的研究重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)施肥的智能化和無人化。

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