李 娟,何曉寧,王東偉,尚書旗,張玉潔,常增村,鄒 明

(1.青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2.榮成市順達車業(yè)有限公司,山東 威海 264300)

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1 536.71萬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]。

眾所周知,在果樹生長的不同階段,都要依據(jù)果樹生長發(fā)育態(tài)勢進行施肥、追肥作業(yè)?；屎陀袡C肥是最常見的兩類肥料。國外對施肥機械研究得較早,在20世紀初期歐美發(fā)達國家對施肥機械就有所研究,到20世紀70年代歐美發(fā)達國家在施肥作業(yè)方面基本實現(xiàn)了全過程機械化作業(yè)[8-9]。相比較歐美發(fā)達國家,我國對施肥機械的研究就比較落后。對于化肥施肥,施肥機械主要有撒肥機械、施種肥機械、施追肥機械和施肥播種機械等[10-11]。目前,化學施肥成果較多:董可宏[12]等設(shè)計了SF-100擺動式顆粒肥料拋撒肥,解決了施肥機械容易產(chǎn)生堵塞、架空及撒施不均勻等問題,適用于中小面積水稻種植戶;胡紅[13]等設(shè)計了玉米行間定點扎穴深施追肥機,解決了玉米中后期追肥困難的問題,提高了工作效率和地表肥料的利用率;王曉東[14]等設(shè)計了2BF-1型自走式小型播種施肥機,解決了廣大山區(qū)農(nóng)民對自帶動力播種機的需求。

對于有機肥,有液態(tài)和固態(tài)兩種物理形態(tài),我國施用的有機肥主要是農(nóng)家肥[15]。我國對有機肥施肥機械的研究較晚,目前我國通常還是主要采用人工手動施肥,施肥機械類型大都以撒肥機械[16]為主。對于撒肥機械,張義勝[17]等設(shè)計了2XDF150型小型地表肥料撒肥機,其撒肥效率高、拋灑均勻,適用于山區(qū)和丘陵地區(qū)有機肥的撒肥;潘世強[18]等分析研究的有機肥撒肥機的水平單圓盤式撒施器對固態(tài)有機肥有較好的適用性,撒施均勻性好;吳寧[19]開發(fā)研究的2F50有機肥撒施機對有機肥含水率在20%～45%的情況下撒施效果良好;吳愛兵[20]等研制了有機肥施肥機,但對于含雜率高、濕度高的有機肥撒施效果不是很好?？偟膩碚f,我國研究的有機肥拋撒施肥機對粉狀、含水率低有機肥有較好的拋撒效果,對含水率較高的有機肥的撒肥性能較差。為了解決含雜率高、含水率高的農(nóng)家肥施肥不均勻問題,筆者自主研發(fā)了集耕地、施肥功能于一體的新型自動施肥機,實現(xiàn)了對含雜率高、不同含水率的農(nóng)家肥的均勻施肥,能夠滿足果園農(nóng)藝要求,以及不同階段施肥、追肥作業(yè)的需求,推動了果園施肥機械的機械化和自動化。

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;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。

表1 自動施肥機主要技術(shù)參數(shù)

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。

1.增量編碼器1 2.主變速箱機構(gòu) 3.雙齒輪泵 4.擺線液壓馬達 5.增量編碼器2 6.主螺旋攪龍鏈輪 7.蓄電池 8.二級攪龍液壓馬達 9.二級螺旋攪龍傳動鏈輪 10.二級螺旋攪龍 11.動力輸送機構(gòu) 12.化肥倉 13.推動鏟 14.主螺旋攪龍 15.推動鏟液壓缸 16.液壓油油箱 17.電磁換向閥

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、晶振電路及復位電路等。

4.2.2 電磁閥控制模塊

電磁閥控制模塊用于當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。

圖4 自動施肥機電磁閥換向電路圖

4.2.3 測速模塊

測速電路用于檢測設(shè)備動力輸出軸和一級攪龍的轉(zhuǎn)速,如圖5所示。光電編碼器選用了IHA8030編碼器,其參數(shù)為額定電壓12V,分辨率100PPR,抗震等級5g,輸出信號為差分信號,有效保證了工作時的抗干擾性。光電編碼器輸出的差分信號經(jīng)過DS90C032B芯片轉(zhuǎn)換為單端信號直接輸入給單片機。該測速模塊外圍電路具有簡單、抗干擾性強的特點,實現(xiàn)了在復雜工況下對速度的測量。

圖5 自動施肥機測速電路圖

4.2.4 其它模塊

報警模塊用于故障無法自動排除時的聲音報警。其中,S8050起到開關(guān)的作用,經(jīng)過下拉電阻,使蜂鳴器的輸入引腳保持在低電平,當單片機輸出高電平時S8050導通使蜂鳴器發(fā)出報警聲音提醒司機。

穩(wěn)壓電源模塊的主要功能是產(chǎn)生能夠持續(xù)為單片機供電的穩(wěn)壓電源。將蓄電池12V電壓經(jīng)過濾波之后接入LM2596S芯片輸出5V電壓,經(jīng)過濾波電容和電感的作用使輸出波紋減小,得到穩(wěn)定的5V電壓,可輸出電流為3A,滿足了為單片機供電的需求。

4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包含了系統(tǒng)初始化、定時、測速、電磁閥換向、報警等,采用C語言編程。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

圖6 自動施肥機控制程序流程圖

5 田間試驗

5.1 試驗過程

為適應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)。

試驗在榮成市果寶悅園種植基地進行,試驗時間為2018年4月12日。試驗基地是標準化種植蘋果園,行距4m,株距80～100cm,蘋果種植基地總面積42hm2,試驗施肥作業(yè)面積14 hm2。試驗時,機具在蘋果園行距中間行駛作業(yè),根據(jù)樹根生長特點,施肥機施肥在距離樹樁50～60cm處完成1個行距的作業(yè)后機具轉(zhuǎn)至鄰行繼續(xù)作業(yè)。根據(jù)當?shù)剞r(nóng)戶對蘋果園施肥作業(yè)要求,本次試驗對果園進行開溝覆土施肥作業(yè),肥料是當?shù)剞r(nóng)戶存儲下來的農(nóng)家肥,并對機具的工作效率及機具性能進行了測試。自動施肥機試驗樣機如圖7所示。

圖7 自動施肥機試驗樣機

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)。

表2 開溝深度影響施肥速率表

表3 農(nóng)家肥含水率影響施肥速率表

試驗結(jié)果表明:①整機不受農(nóng)家肥含水率的影響,且施肥較為均勻,能充分發(fā)揮整機自動化效率高的優(yōu)勢;②1臺施肥機每小時能夠完成0.400～0.534hm2的施肥作業(yè),而在人工施肥的情況下8～10個作業(yè)人員每小時僅能夠完成0.334～0.400hm2的施肥作業(yè)。也就是說,單位時間內(nèi)利用自動施肥機施肥比人工施肥工作效率提高了20～40倍。

圖8 自動施肥機施肥作業(yè)圖

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。