張亞+劉繼展+詹國(guó)祥+唐善奇+陳紹平+馮上海+何增富+王芹

摘要： 針對(duì)現(xiàn)有果園管理機(jī)械功能單一、集成化和智能化水平較低的問(wèn)題，根據(jù)果園規(guī)格和作業(yè)要求開(kāi)發(fā)了一種智能型果園多功能管理機(jī)，采用履帶式無(wú)極變速底盤(pán)，裝配單圓盤(pán)式開(kāi)溝器、外槽輪式施肥裝置和新型雙擺彌霧系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)果園的開(kāi)溝、施肥、施藥多環(huán)節(jié)高效機(jī)械作業(yè)。設(shè)計(jì)了智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、施肥、施藥各功能啟/停的自動(dòng)化和快速一鍵切換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)果園復(fù)雜工況下的開(kāi)溝負(fù)荷反饋控制以及油量、藥量的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)警，保證多功能管理機(jī)作業(yè)的可靠性及便捷操作性。田間試驗(yàn)表明，管理機(jī)可實(shí)現(xiàn)50、40 cm寬深開(kāi)溝，施肥與施藥速度分別可達(dá)360 m/h和7.2 km/h，同時(shí)滿足了矮化密植模式下的行間作業(yè)要求，為實(shí)現(xiàn)果園的多環(huán)節(jié)高效機(jī)械作業(yè)提供了新型多功能一體裝備。

關(guān)鍵詞： 果園；智能；多功能管理機(jī)；設(shè)計(jì)；田間試驗(yàn)；開(kāi)溝；施肥；施藥

中圖分類號(hào)： S224 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0434-05

我國(guó)是世界最大的水果生產(chǎn)國(guó)，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果種植面積不斷擴(kuò)大，果園管理機(jī)械化的重要性日益顯著[1]。但是，我國(guó)目前果園管理機(jī)械化程度仍然較低，主要問(wèn)題體現(xiàn)在：首先，我國(guó)果園以矮化密植為主，果園規(guī)模小且缺乏規(guī)范性，造成國(guó)外的先進(jìn)大型機(jī)械難以應(yīng)用[2-4]；其次，目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的果園管理機(jī)械中多以手扶式中耕管理機(jī)械、手持式和背負(fù)式施藥機(jī)械等微小型機(jī)為主，作業(yè)效率低且操作強(qiáng)度大，且大多作業(yè)功能單一而利用效率極低[5]。因此，開(kāi)發(fā)適應(yīng)我國(guó)果園生產(chǎn)作業(yè)要求的高效多功能管理機(jī)械已成為現(xiàn)實(shí)緊迫需求。

部分現(xiàn)有果園機(jī)械可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，如可以實(shí)現(xiàn)松土、培土、起壟、旋耕等多功能的1YG系列果園微耕機(jī)等，主要用于土地整理，無(wú)法滿足各類果園排水、埋施有機(jī)肥所需的寬深開(kāi)溝要求，更不具備施藥、施肥等功能；而市場(chǎng)現(xiàn)有的TG系列、DWG系列等果園多功能管理機(jī)，通過(guò)底盤(pán)附加不同機(jī)具實(shí)現(xiàn)剪枝、噴藥、施肥、采摘、運(yùn)輸?shù)裙δ?，其底盤(pán)主要起各類機(jī)具的攜帶與運(yùn)輸作用，需由人工完成機(jī)具更換與操作，整機(jī)集成度低，操作復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大而作業(yè)效率受到影響[6-7]。

本研究針對(duì)果園管理中寬深開(kāi)溝、施肥、施藥等勞動(dòng)強(qiáng)度大的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)果園規(guī)格和作業(yè)要求進(jìn)行多功能高度集成與智能化的管理機(jī)設(shè)計(jì)，從而為實(shí)現(xiàn)果園多環(huán)節(jié)高效機(jī)械作業(yè)提供新型多功能一體裝備。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1.1 果園規(guī)格 目前我國(guó)果園多采用低矮密植型種植模式，根據(jù)2013年11月江蘇省句容市象山鎮(zhèn)龍山果園基地的調(diào)研可知，果樹(shù)行距和株距均為3～4 m，樹(shù)高2～2.5 m，冠層較厚，兩行果樹(shù)枝葉幾乎交接，造成果園密閉。

1.1.2 作業(yè)參數(shù) （1）開(kāi)溝尺寸。管理機(jī)主要作業(yè)于成齡果園，在果樹(shù)行間行進(jìn)開(kāi)溝，完成溝內(nèi)施肥，根據(jù)農(nóng)藝要求，開(kāi)溝寬度達(dá)到40～50 cm，深度達(dá)到40 cm[8]?，F(xiàn)有果園開(kāi)溝機(jī)的開(kāi)溝尺寸一般為寬度20～35 cm，深度10～30 cm，無(wú)法滿足果園作業(yè)需要，一些機(jī)型較大的機(jī)械開(kāi)溝尺寸能達(dá)到要求，但不能滿足其種植空間環(huán)境特殊性。（2）肥量。經(jīng)過(guò)江蘇省句容市象山鎮(zhèn)龍山果園基地等落葉果樹(shù)（蘋(píng)果、葡萄等）果園調(diào)研可得，基肥秋季8月下旬至9月上中旬施入，以農(nóng)家肥為主，混加少量的氮素化肥，同時(shí)每年追肥1～3次，分別以氮肥、磷鉀肥、鉀肥為主。綜合各個(gè)時(shí)期施肥方式，估算果園施肥量為1 500～6 000 kg/hm2。（3）藥量。調(diào)研可知，果園采用機(jī)動(dòng)高壓噴霧器，一般在果樹(shù)的生長(zhǎng)季節(jié)，正常情況下，果園的施藥液量在2 250 kg/hm2左右，全年用藥7～9次。

1.2 設(shè)計(jì)要求

1.2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 通常開(kāi)溝機(jī)、施肥機(jī)與施藥機(jī)均由發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)車身行走的同時(shí)，通過(guò)后軸輸出為作業(yè)裝置提供動(dòng)力。開(kāi)溝施肥機(jī)則通過(guò)開(kāi)溝器地輪來(lái)帶動(dòng)排肥器實(shí)現(xiàn)同步開(kāi)溝施肥作業(yè)。對(duì)于該果園多功能管理機(jī)，需要實(shí)現(xiàn)50 cm×40 cm寬深開(kāi)溝的同時(shí)，完成果園開(kāi)溝、施肥與施藥的多功能作業(yè)，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有裝備的簡(jiǎn)單組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，而必須在考慮整機(jī)動(dòng)力與傳動(dòng)方案的同時(shí)，滿足寬深開(kāi)溝的大動(dòng)力與多功能模塊的車身布局需要，從而有效控制車身尺寸以保證行間狹小冠層封閉空間的通過(guò)性。

1.2.2 監(jiān)測(cè)控制 與單一作業(yè)機(jī)具不同，一定的自動(dòng)化水平是滿足多功能作業(yè)的客觀需要。首先，果農(nóng)在駕駛作業(yè)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能啟停和切換，操縱困難且容易產(chǎn)生誤操作；其次，果農(nóng)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜果園土壤條件下寬深開(kāi)溝作業(yè)的載荷波動(dòng)、積累、突變和藥量、油量變化的實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理，從而導(dǎo)致意外停機(jī)和機(jī)器損傷，嚴(yán)重影響多功能管理機(jī)的作業(yè)可靠性與效率。因此，實(shí)現(xiàn)油量、藥量和開(kāi)溝負(fù)荷的監(jiān)控與響應(yīng)，以及多功能的快速簡(jiǎn)單切換，是提高多功能管理機(jī)性能及操作性的保證。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 作業(yè)部件設(shè)計(jì)

2.1.1 開(kāi)溝器 為提高生產(chǎn)率，開(kāi)溝裝置采用單圓盤(pán)式并實(shí)行一次成型作業(yè)。開(kāi)溝裝置主要由懸掛架組合、中間齒輪箱總成、刀軸組合等組成（圖1）。

如圖1，開(kāi)溝器下刀深度受到圓盤(pán)尺寸、開(kāi)溝旋切刀尺寸、側(cè)邊齒輪箱尺寸和三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)共同限制：

式中：R為單圓盤(pán)開(kāi)溝器刀刃回轉(zhuǎn)半徑，cm；R1為圓盤(pán)半徑，cm；L為旋切刀軸向伸出長(zhǎng)度，cm；h2為開(kāi)溝刀盤(pán)軸心最低下刀離地高度，受側(cè)邊齒輪箱殼體寬度的限制，h2≥10 cm；h為開(kāi)溝深度，據(jù)設(shè)計(jì)要求，h≥40 cm；h2′為開(kāi)溝刀盤(pán)軸心最低抬升離地高度，cm；h1為刀刃的安全抬升離地高度，20 cm；R2為刀盤(pán)軸心與懸掛擺動(dòng)支點(diǎn)距離，cm；θ為開(kāi)溝刀盤(pán)抬升的擺動(dòng)角度，rad，同時(shí)受液壓懸掛三點(diǎn)系統(tǒng)參數(shù)、底盤(pán)后輸出軸與開(kāi)溝器輸入軸間許可傳動(dòng)角度的限制。

為實(shí)現(xiàn)40 cm的開(kāi)溝深度要求，根據(jù)式（1）分析計(jì)算，最終設(shè)計(jì)圓盤(pán)半徑R1=38 cm，并選擇國(guó)標(biāo)IT245型旋耕彎刀作為開(kāi)溝刀片，刀輥回轉(zhuǎn)半徑為245 cm。刀盤(pán)兩側(cè)各安裝5把刀，兩側(cè)旋切刀按旋向相反的兩錐狀螺旋線排列，間隔錯(cuò)開(kāi)，整個(gè)寬度方向依次切削，以保證開(kāi)溝寬度和溝型要求。

2.1.2 施肥裝置 排肥器性能的好壞直接影響到排肥裝置的工作質(zhì)量。綜合考慮排肥均勻性和排肥量，選擇外槽輪式排肥器（圖2-a）。施肥裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是參數(shù)的優(yōu)化。溝內(nèi)施肥時(shí)排肥器所需排肥量為[9]：

（2）

式中：[q]為溝內(nèi)施肥所需排肥量，kg/min；Q為單位面積果園的施肥量，kg/m2；v為底盤(pán)的行進(jìn)速度，m/s；x為果樹(shù)的行距，m，調(diào)研得到的果樹(shù)行距約為4 m；z為排肥器個(gè)數(shù)，個(gè)，z=1。

據(jù)式（2）求得溝內(nèi)施肥時(shí)排肥器所需排肥量為 20～60 kg/min。

而外槽輪式排肥器的排肥量為[10]：

式中：q為排肥器的排肥量，kg/min；D為外槽輪的直徑，cm；L為槽輪的有效工作長(zhǎng)度，cm；γ為肥料密度，常用復(fù)合肥密度范圍是0.840～1.01 g/cm3；α為槽內(nèi)化肥充滿系數(shù)，取0.7；n為排肥器的轉(zhuǎn)速，r/min；f為每個(gè)凹槽的端面積，cm2；t為槽輪凹槽的節(jié)距，cm；λ為帶動(dòng)層厚度，與排肥軸轉(zhuǎn)速有關(guān)，取 0.05 cm。其中凹槽端面積f和節(jié)距t由凹槽個(gè)數(shù)、深度及槽輪直徑D所決定。

由式（2）（3）知，溝內(nèi)施肥量是否得到滿足，取決于外槽輪式排肥器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、排肥器轉(zhuǎn)速和底盤(pán)行進(jìn)速度的共同限制。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)：開(kāi)溝施肥200 m/h、單施肥速度360 m/h和開(kāi)溝寬度與肥料流動(dòng)性等實(shí)際因素，由式（2）（3）進(jìn)行規(guī)劃求解并取整，設(shè)計(jì)結(jié)果為：轉(zhuǎn)速n=60 r/min，槽輪有效工作長(zhǎng)度L=30 cm，槽輪直徑D=18 cm，凹槽個(gè)數(shù)與深度分別為5個(gè)和2.5 cm。

排肥裝置由直流減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)總成如圖2-b所示。

2.1.3 施藥系統(tǒng) 由于多功能管理機(jī)的后軸動(dòng)力與后部空間為開(kāi)溝器所占用，目前果園機(jī)械施藥的主要裝備側(cè)向風(fēng)送噴霧機(jī)所需的巨大動(dòng)力和傳動(dòng)方式、以及噴霧機(jī)與藥箱所需占據(jù)的龐大空間（功耗達(dá)數(shù)十千瓦，重量達(dá)200～800 kg）均無(wú)法適應(yīng)多功能管理機(jī)的需要。因此提出并開(kāi)發(fā)了雙擺彌霧式施藥裝置（圖3），以受到果農(nóng)廣泛歡迎的手持式小型軸流彌霧機(jī)為基礎(chǔ)，由平面雙曲柄-空間擺桿機(jī)構(gòu)模擬果農(nóng)對(duì)噴管的搖動(dòng)，以彌補(bǔ)其噴幅偏小的不足，來(lái)實(shí)現(xiàn)藥液對(duì)雙側(cè)果樹(shù)冠層的均勻噴施覆蓋。該裝置中由0.09 kW直流減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)雙彌霧機(jī)噴管的搖動(dòng)，并由軸流發(fā)動(dòng)機(jī)完成彌霧噴施，而無(wú)需底盤(pán)動(dòng)力的傳動(dòng)輸入，其功耗、重量和藥液耗量均僅為側(cè)向風(fēng)送果園噴霧機(jī)的1/5～1/20，從而有效解決了各功能模塊一體布置的空間與傳動(dòng)協(xié)調(diào)問(wèn)題[11]。

2.2 底盤(pán)設(shè)計(jì)

2.2.1 整機(jī)動(dòng)力與傳動(dòng)結(jié)構(gòu) （1）50 cm×40 cm寬深開(kāi)溝的底盤(pán)與開(kāi)溝器載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施肥與施藥作業(yè)，同時(shí)寬深開(kāi)溝的作業(yè)速度較低，由地輪驅(qū)動(dòng)無(wú)法滿足均勻施肥和較大施肥量的需要，且果園生產(chǎn)中存在開(kāi)溝后填入秸稈進(jìn)而施加無(wú)機(jī)肥的間隔作業(yè)需要。因此，由主發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)底盤(pán)行進(jìn)與開(kāi)溝作業(yè)，而施肥與施藥裝置則分別由電動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，從而大大簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜性，并實(shí)現(xiàn)各功能的獨(dú)立作業(yè)性和保證施肥量。（2）為提高在復(fù)雜果園土壤條件下的著地力并適應(yīng)其載荷變化，進(jìn)而為開(kāi)溝載荷復(fù)雜變化的自動(dòng)響應(yīng)提供可控性，采用了履帶式底盤(pán)，橫置主發(fā)動(dòng)機(jī)分別經(jīng)HST液壓無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)和變速箱傳遞給底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)輪軸、經(jīng)換向器與萬(wàn)向節(jié)后軸輸出至開(kāi)溝器主軸，帶動(dòng)底盤(pán)行走與開(kāi)溝作業(yè)。

2.2.2 開(kāi)溝功率估算 單圓盤(pán)開(kāi)溝裝置所需驅(qū)動(dòng)功率為[12]：

式中：P1為開(kāi)溝機(jī)所需驅(qū)動(dòng)功率，kW；KN為綜合比阻，KN=KgK1K2K3K4，Kg為土壤堅(jiān)實(shí)度，K1為耕深修正系數(shù)，K2為土壤含水率修正系數(shù)，K3為植被修正系數(shù)，K4為作業(yè)方式修正系數(shù)，據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[13]，Kg=25.5～35.7 N/cm2，K1=1.0，K2=0.92，K3=1.1，K4=0.66，可得KN=175～246 N/cm2；a為溝槽上口寬度，設(shè)計(jì)要求a≥50 cm；b為溝槽下底寬度，設(shè)計(jì)要求b≥38 cm；v為開(kāi)溝作業(yè)速度，設(shè)計(jì)寬深開(kāi)溝速度v≥200 m/h；η1為發(fā)動(dòng)機(jī)到開(kāi)溝軸的傳動(dòng)效率，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)至開(kāi)溝軸傳動(dòng)路線中各級(jí)傳動(dòng)效率[14]計(jì)算得到傳動(dòng)總效率η1=0.81。

由式（4）計(jì)算得到開(kāi)溝裝置所需的驅(qū)動(dòng)功率約為 21～29 kW。

2.2.3 行走功率估算 履帶行走裝置所需驅(qū)動(dòng)功率由下式得到：

式中：P2為行走裝置所需驅(qū)動(dòng)功率，kW；F為最大牽引力，N；v2為空載前進(jìn)速度，根據(jù)設(shè)計(jì)要求v2≥0.5 m/s；η2為履帶行走裝置效率，η2=0.8～0.85；η3為發(fā)動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)至驅(qū)動(dòng)輪傳動(dòng)路線中各級(jí)傳動(dòng)方式的效率[14]計(jì)算得η3=0.7。其中最大牽引力由整機(jī)重力進(jìn)行估算[15]：

由式（5）、式（6）計(jì)算得到履帶行走裝置所需的驅(qū)動(dòng)功率約為13～16 kW。

2.2.4 整機(jī)布局與底盤(pán)結(jié)構(gòu) 根據(jù)整機(jī)功率需要，選擇額定功率52 kW、額定轉(zhuǎn)速為2700 r/min的常柴4L88型發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力。管理機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，為縮短機(jī)身長(zhǎng)度和簡(jiǎn)化傳動(dòng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)橫置于機(jī)身前側(cè)，換向器安裝在座椅后方并將動(dòng)力傳遞至液壓懸掛系統(tǒng)，液壓懸掛系統(tǒng)的輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與開(kāi)溝器輸入軸聯(lián)接；施藥裝置沿行進(jìn)方向安裝于液壓懸掛系統(tǒng)一側(cè)，從而盡可能縮短機(jī)身長(zhǎng)度，減小轉(zhuǎn)彎半徑。

通過(guò)行進(jìn)、開(kāi)溝載荷測(cè)算和機(jī)身的布局優(yōu)化，果園多功能管理機(jī)的機(jī)身高度和寬度分別控制在190 cm和180 cm，從而滿足了果園行間通過(guò)性的要求。未懸掛開(kāi)溝器的機(jī)身長(zhǎng)度亦控制在225 cm，但由于單元盤(pán)開(kāi)溝器對(duì)懸掛及下刀空間尺寸的需要，整機(jī)長(zhǎng)度仍達(dá)到了420 cm。

3 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、施肥、施藥各功能啟/停的快速一鍵啟停切換，有效簡(jiǎn)化操控流程和降低操控難度；

（2）實(shí)現(xiàn)復(fù)雜果園地形與作業(yè)狀態(tài)下的真實(shí)油量和藥量準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警；

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜果園土壤條件下開(kāi)溝作業(yè)載荷的波動(dòng)、

積累與突變等不同變化規(guī)律的分級(jí)自動(dòng)響應(yīng)。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)多功能果園管理機(jī)的智能監(jiān)控目標(biāo)與簡(jiǎn)便操作的實(shí)際需求，采用觸摸屏式監(jiān)控結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

3.2.1 負(fù)荷反饋調(diào)控子系統(tǒng) 為簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)矩測(cè)量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，通過(guò)霍爾速度傳感器測(cè)量開(kāi)溝軸的速度間接反映轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在液壓無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)的調(diào)速手柄轉(zhuǎn)軸位置安裝步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，根據(jù)反饋信號(hào)改變變量泵斜盤(pán)轉(zhuǎn)角，從而調(diào)節(jié)行進(jìn)速度。同時(shí)，在后輸出軸的前端安裝電磁離合器，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝器與主發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的接通與切斷。

3.2.2 施藥與施肥啟停子系統(tǒng) 在手持式金亮6HYC-80D型彌霧機(jī)上進(jìn)行自動(dòng)啟停改造，分別由微型隔膜泵進(jìn)行脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)供油、由繼電器進(jìn)行可控觸點(diǎn)吸合打火、并由振動(dòng)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的判斷，進(jìn)而由電磁閥進(jìn)行供藥控制，由直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)彌霧機(jī)擺動(dòng)的可控啟停。同時(shí)，由直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)排肥器運(yùn)轉(zhuǎn)的啟?？刂?。

3.2.3 液位監(jiān)測(cè)子系統(tǒng) 由主發(fā)動(dòng)機(jī)和彌霧機(jī)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，該多功能管理機(jī)上分別布置了54 L柴油油箱和20 L汽油油箱，2個(gè)油箱同350 L藥箱均分別由WMY型擴(kuò)散硅液位傳感器（測(cè)量深度范圍0～60 cm，測(cè)量精度0.5%）實(shí)現(xiàn)油量與藥量的連續(xù)監(jiān)測(cè)。

3.2.4 單片機(jī)與觸摸屏 多功能果園管理機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)需滿足開(kāi)溝軸轉(zhuǎn)速、行走速度、油箱液位和藥箱液位與彌霧機(jī)振動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)的采集，和電磁閥、隔膜泵、HST調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)、排肥電動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)等多類執(zhí)行對(duì)象的控制。根據(jù)智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和輸入/輸出類型復(fù)雜、數(shù)量多的特點(diǎn)，選擇AVR單片機(jī)系列中具有豐富的外設(shè)資源和串行通信接口的Atmega128單片機(jī)和LAVI777A觸摸屏，并采用MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)二者的通信。

3.3 控制流程與功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì) 管理機(jī)由單人駕駛并完成多功能作業(yè)，因而監(jiān)控與操控的人機(jī)界面必須足夠簡(jiǎn)明便捷。如圖6所示，人機(jī)界面由油箱與主/副油箱的液量柱和各功能的啟停鍵所構(gòu)成。人機(jī)界面設(shè)計(jì)采用維控中文組態(tài)軟件Levi Studio工程編輯器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并利用Levi Studio軟件完成編程。

3.3.2 開(kāi)溝負(fù)荷反饋與分級(jí)響應(yīng)控制 負(fù)荷反饋控制根據(jù)監(jiān)測(cè)的開(kāi)溝軸轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，識(shí)別其不同的開(kāi)溝載荷特性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分級(jí)響應(yīng)（圖7）。

（1）過(guò)載調(diào)控。當(dāng)開(kāi)溝轉(zhuǎn)速穩(wěn)定值低于根據(jù)傳動(dòng)計(jì)算得到的理論轉(zhuǎn)速時(shí)，表明處于過(guò)載開(kāi)溝作業(yè)狀態(tài)，則通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以減小HST變量泵的容積，從而降低行走速度，使開(kāi)溝作業(yè)載荷減小直至穩(wěn)定于理論值。

（2）防堵調(diào)控。當(dāng)出現(xiàn)開(kāi)溝轉(zhuǎn)速持續(xù)下降趨勢(shì)，表明開(kāi)溝器出現(xiàn)由于排土不暢或雜草纏繞等造成的堵塞，則通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)降低行進(jìn)速度，直至開(kāi)溝轉(zhuǎn)速重新穩(wěn)定于理論值，從而避免堵死停機(jī)。

（3）安全保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)開(kāi)溝轉(zhuǎn)速的快速急劇下降，意味著開(kāi)溝過(guò)程中遇到樹(shù)根甚至石塊等障礙物，則電磁離合器迅速切斷開(kāi)溝器的動(dòng)力輸入并進(jìn)行報(bào)警，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和開(kāi)溝器的安全保護(hù)。

3.3.3 液量監(jiān)控預(yù)警 針對(duì)果園作業(yè)中復(fù)雜的地面坡度、速度變化、地面性質(zhì)變化、坑洞與障礙物干擾等多種工況干擾，通過(guò)對(duì)液位原始測(cè)量信號(hào)的“坡度校正+低通濾波+中值濾波”進(jìn)行復(fù)合濾波處理，提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的液量信息，以防止提供錯(cuò)誤信息和發(fā)生誤報(bào)警。當(dāng)液量低于20%時(shí)，液量柱變黃預(yù)警；當(dāng)液量低于10%時(shí)液量柱變紅并聲音報(bào)警，提示駕駛?cè)藛T停止施藥作業(yè)；當(dāng)液量低于5%時(shí)，施藥系統(tǒng)自動(dòng)停止作業(yè)。

4 田間試驗(yàn)

4.1 樣機(jī)開(kāi)發(fā)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果，成功開(kāi)發(fā)了智能型果園多功能管理機(jī)樣機(jī)，其主要尺寸參數(shù)如表1所示。

4.2 果園試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)條件 2014年11月23日，在鎮(zhèn)江市京口區(qū)瑞京園桃園基地由江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)鑒定（圖8）。桃園土壤為黏土，坡度約10°，地面有部分雜草覆蓋。0～40 cm土壤平均含水率為26.8 %，平均堅(jiān)實(shí)度為16.53 kg/cm3。果樹(shù)行距6 m，株距平均為3.5 m，平均果樹(shù)高度2.5 m。

4.2.2 性能與參數(shù) 試驗(yàn)表明，該管理機(jī)的高度和寬度能滿足行間作業(yè)要求，具有良好的通過(guò)性，但懸掛開(kāi)溝器時(shí)機(jī)身較長(zhǎng)，換行轉(zhuǎn)彎較為困難；在果園坡度變化、地面不平、速度時(shí)變的復(fù)雜工況下，液量監(jiān)控波動(dòng)小，報(bào)警響應(yīng)準(zhǔn)確；機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)各功能的一鍵啟停切換與自變速控制功能。試驗(yàn)鑒定結(jié)果如表2所示，樣機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）根據(jù)果園規(guī)格及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了開(kāi)溝、施肥、施藥多功能一體式果園管理機(jī)，機(jī)身高度和寬度分別控制在190 cm和180 cm，從而滿足果園低矮種植模式下的行間作業(yè)要求。

（2）設(shè)計(jì)了觸摸屏式智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多功能一鍵啟/停切換、復(fù)雜工況下的開(kāi)溝自變速控制與液量準(zhǔn)確監(jiān)控的分級(jí)響應(yīng)，保證了多功能管理機(jī)作業(yè)的可靠性及便捷操作性。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)通過(guò)性較好，在實(shí)際果園條件下順利實(shí)現(xiàn)了一鍵啟停、液量監(jiān)控與自變速控制功能，滿足了開(kāi)溝、施藥、施肥的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為果園作業(yè)提供了新型多功能一體裝備。

（4）受限于寬深開(kāi)溝要求和單圓盤(pán)式開(kāi)溝結(jié)構(gòu)，懸掛開(kāi)溝器后機(jī)身仍然偏長(zhǎng)，有待進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]常有宏，呂曉蘭，藺 經(jīng)，等. 我國(guó)果園機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展思路[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（6）：21-26.

[2]Sanders K F. Orange harvesting systems review[J]. Biosystems Engineering，2005，90（2）：115-125.

[3]Bodin A. Development of a tracked vehicle to study the influence of vehicle parameters on tractive performance in soft terrain[J]. Journal of Terramechanics，1999，36（3）： 167-181.

[4]楊學(xué)軍，嚴(yán)荷榮，徐賽章，等. 植保機(jī)械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（6）：129-131，137.

[5]王海波，劉鳳之，王孝娣，等. 我國(guó)果園機(jī)械研發(fā)與應(yīng)用概述[J]. 果樹(shù)學(xué)報(bào)，2013，30（1）：165-170.

[6]閆國(guó)琦，張鐵民，徐相華，等. 我國(guó)微耕機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（25）：11137-11139，11148.

[7]李 倩，宋月鵬，高東升，等. 我國(guó)果園管理機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2012（2）：1-3，7.

[8]王晶晶，王文斌，羅 微，等. 南方長(zhǎng)期作物配方施肥技術(shù)的問(wèn)題與對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（9）：220-225.

[9]張書(shū)慧，馬成林，杜巧玲，等. 精確農(nóng)業(yè)自動(dòng)變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（1）：113-116.

[10]劉成蓮. 2BMF-5型免耕施肥播種機(jī)排種（肥）箱的設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2008（12）：20-21.

[11]劉繼展，王 芹，詹國(guó)祥，等. 果園雙擺彌霧施藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（12）：109-116.

[12]陳玉侖，丁為民，汪小旵，等. 稻麥聯(lián)合收獲開(kāi)溝埋草多功能一體機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（8）：62-66.

[13]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：上[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：237-238.

[14]邱宣懷，郭可謙，吳宗澤，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 4版. 北京：高等教育出版社，2004：251.

[15]張玉川，蔡 禺. 進(jìn)口液壓挖掘機(jī)國(guó)產(chǎn)化改造[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，1999：60.