新型農(nóng)家肥果園自動施肥機的設(shè)計與試驗

　　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、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農(nóng)家肥施肥機。提出了并設(shè)計了雙體獨立鉸籠分段配送機構(gòu)，改變了配送原理;提出了深度可調(diào)偏置式開溝裝置，可對開溝犁的維度進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了施肥過程中故障的自修復(fù)控制和報警。該機操作簡單，性價比高，適用于任意含水率的農(nóng)家肥。多臺施肥機實際作業(yè)效果表明:施肥效率可達0．400～0．534hm2/h，是人工效率的20～40倍，顯著降低了作業(yè)成本，提高了勞動生產(chǎn)率。

　　關(guān)鍵詞:果園自動施肥機;自動化控制;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1536．71萬hm2，水果總產(chǎn)量達2．75億t［1－2］。水果的產(chǎn)量和質(zhì)量對果農(nóng)來說是至關(guān)重要的，而施肥作業(yè)不僅會決定果樹的生長發(fā)育，還會直接影響果實的質(zhì)量及產(chǎn)量［3－5］。目前，我國果園施肥機械化和自動化水平均較低，嚴重制約了我國果園種植業(yè)的發(fā)展，因此研發(fā)適合我國實際情況的果園自動施肥機勢在必行［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)

　　自動施肥機主要由機械部分、液壓控制部分及電氣控制部分組成。其中，機械部分主要通過軸的轉(zhuǎn)動及鏈傳動來實現(xiàn)動力傳輸，進而控制執(zhí)行機構(gòu)完成工作任務(wù);液壓部分主要由電磁換向閥、液壓馬達、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、測速模塊、電磁閥控制模塊及報警模塊等組成。

　　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，設(shè)計的自動施肥機機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

　　2機械結(jié)構(gòu)及工作原理

　　2．1機械結(jié)構(gòu)

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

　　2．2工作原理

　　自動施肥機主要以施農(nóng)家肥為主。為了滿足農(nóng)戶及不同作業(yè)情況的需求，在機具后面設(shè)計了一個化肥倉，可以同時對化肥和農(nóng)家肥進行混合施肥。機具通過懸掛架與55kW以上拖拉機配套連接，整機動力由拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)傳遞與機具的動力輸入裝置連接;主變速箱帶動雙齒輪泵轉(zhuǎn)動產(chǎn)生液壓源，利用液壓源帶動二級攪龍液壓馬達和電磁換向閥工作;電磁換向閥通過換向?qū)崿F(xiàn)擺線液壓馬達的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器鏈輪變速機構(gòu)驅(qū)動兩個主螺旋攪龍輸送機構(gòu)。其中，農(nóng)家肥輸送系統(tǒng)采用雙體獨立鉸籠分段配送機構(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。機具尾部下方安裝有可以拆卸的單鏵犁進行開溝，工作時采用了深度可調(diào)偏置式開溝裝置，實現(xiàn)了30cm深度范圍內(nèi)的自動調(diào)節(jié)。通過二級螺旋攪龍把肥料輸送到開溝處，由可拆卸覆土圓盤進行覆土作業(yè)。在農(nóng)家肥倉內(nèi)的兩邊設(shè)計有推動鏟，推動鏟做往復(fù)運動，以防止農(nóng)家肥產(chǎn)生懸料現(xiàn)象。整機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

　　機具在工作時，液壓泵在主變速箱的傳動下工作，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入機具前部的擺線液壓馬達和后部的二級攪龍液壓馬達中，進而通過鏈傳動將動力分別傳輸?shù)街髀菪龜圐堓S和二級螺旋攪龍軸上，從而控制攪龍轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)肥料輸出。工作過程中，為防止旋轉(zhuǎn)攪龍被有機肥中的異物堵塞，采取電磁換向閥實現(xiàn)油路的轉(zhuǎn)換，進而實現(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后，實現(xiàn)自動換向，使攪龍反轉(zhuǎn)，將異物轉(zhuǎn)出;異物排出后，再進行一次換向，機具繼續(xù)正常工作。

　　3．2整機液壓油路布局

　　圖3為自動施肥機的液壓油路布局圖，機具中的液壓管路由單片機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、測速電路、報警電路及供電電路等。其工作原理為:利用單片機內(nèi)部兩個精確到微秒的定時計數(shù)器統(tǒng)計1個周期內(nèi)的脈沖數(shù)，進而轉(zhuǎn)換成一級攪龍的速度和動力輸出軸的速度;利用一級攪龍的速度和動力輸出軸的速度判定有機肥倉內(nèi)是否有雜物卡住一級攪龍，進而對電磁閥進行換向控制，在無法排除故障時進行故障報警。

　　4．2硬件系統(tǒng)

　　4．2．1主控模塊考慮到農(nóng)業(yè)機械的經(jīng)濟性、可靠性的需求，主控CPU采用抗干擾能力強、可靠性高、低功耗的AVＲ系列的ATmega16_DIP40［21－22］。該單片機不用外擴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［23］。另外，該單片機內(nèi)部集成兩個定時計數(shù)器和電平轉(zhuǎn)換電路，就能實現(xiàn)對動力輸出軸和一級攪龍速度的測量。主控模塊包括單片機、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)攪龍被異物卡住時進行反向旋轉(zhuǎn)從而將異物反向旋出，當(dāng)攪龍被卡住而停止轉(zhuǎn)動時單片機控制電磁閥實現(xiàn)換向，如圖4所示。

　　EL817光耦的作用是將單片機的輸入信號轉(zhuǎn)換成光信號再轉(zhuǎn)換成電信號，將單片機與繼電器進行隔離。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

　　5．1試驗過程

　　為適應(yīng)果園施肥的實際需要，動力系統(tǒng)選用扭矩儲備系數(shù)大、強勁有力、操作輕便靈活、安全可靠的海山HS554輪式拖拉機，配套動力55kW。試驗前，先通過牽引銷將施肥機與拖拉機連接，連接施肥機油缸與液壓，保證各處無滲漏;然后，啟動拖拉機，空車試驗底盤油缸提升、下降及推動鏟往復(fù)運動情況，保證各運動自如，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)試好的施肥機開到試驗田里，初步試驗幾次，確定開溝深度，試驗好后，開始作業(yè)。

　　5．2試驗結(jié)果

　　所設(shè)計的自動施肥機適用于沙壤土、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)家肥含水率對施肥速率影響的試驗數(shù)據(jù)。

　　6結(jié)論

　　本文研發(fā)了機、電、液一體化的自動施肥機。針對目前我國還沒有對任意含水率的農(nóng)家肥進行施肥的機械，該施肥機實現(xiàn)了對任意含水率農(nóng)家肥的均勻施肥，并可進行拋灑施肥或者混合施肥，做到一機多用。同時，該施肥機實現(xiàn)了故障的自動檢測、報警和自修復(fù)控制。試驗結(jié)果表明:該自動施肥機不僅能廣泛用于現(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。下一步的研究重點是實現(xiàn)施肥的智能化和無人化。

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《新型農(nóng)家肥果園自動施肥機的設(shè)計與試驗》

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