苑 進(jìn) 尹然光 劉 功 劉雪美,3 毛志泉

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018； 4.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院， 泰安 271018)

0 引言

果樹土壤連作導(dǎo)致毒素積累、有害菌蟲增多，果園果樹重茬、換茬等栽培面臨的土傳病害問題日益突出。微生物菌肥可改善土壤結(jié)構(gòu)、防治土傳病害、提高果樹品質(zhì)。果樹施肥[1]以傳統(tǒng)的挖坑—施肥—掩土和開溝—撒肥—覆土兩種施肥方式為主，兩者均難以使土壤與肥料充分混合，易導(dǎo)致施肥不均、肥料利用率較低甚至出現(xiàn)燒苗現(xiàn)象。

為提高菌肥效果，在果樹栽植前，樹穴土須施入菌肥并與其摻混均勻，以確保形成環(huán)繞樹苗一定體積的菌群，從而改善土壤質(zhì)量，提高果樹成活率及產(chǎn)量品質(zhì)[2]。目前果樹栽植中，挖坑、混肥、回填和灌溉等栽植環(huán)節(jié)分離，混肥質(zhì)量差，作業(yè)機(jī)具僅能實(shí)現(xiàn)挖坑作業(yè)，功能單一，肥料計(jì)量、混肥和回填均由人工完成，作業(yè)效率低，勞作強(qiáng)度大，土肥摻混均勻度不穩(wěn)定，不能滿足農(nóng)藝要求。菌肥與土壤的混料設(shè)備研究尚未見報(bào)道[3-5]。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種集自走、挖坑、排肥、混肥、回填和澆灌于一體的果樹栽植智能作業(yè)機(jī)[6]，并開發(fā)與機(jī)器相配套的栽植作業(yè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)過程的連續(xù)作業(yè)，提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。利用離散元軟件EDEM分析土壤和菌肥摻混作業(yè)的動(dòng)態(tài)特性[7-8]，評(píng)價(jià)摻混均勻度，優(yōu)化最佳摻混作業(yè)參數(shù)，在肥少土多情況下提高摻混均勻度。進(jìn)行樣機(jī)田間試驗(yàn)，驗(yàn)證整機(jī)作業(yè)性能和摻混作業(yè)性能，以期解決土壤連作障礙，提高菌肥利用率，確保果樹成活率及栽植品質(zhì)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及主要性能參數(shù)

樣機(jī)主要由挖坑混肥回填裝置、雙四邊形舉升裝置、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)和栽植作業(yè)控制系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)果樹單次栽植過程中挖坑、排肥、混肥、回填和澆灌的自動(dòng)化作業(yè)，栽植作業(yè)選用液壓動(dòng)力，單次栽植作業(yè)總時(shí)間在3 min以內(nèi)，作業(yè)深度為0～400 mm可調(diào)，作業(yè)直徑為500 mm，摻混均勻度變異系數(shù)不超過16%，實(shí)現(xiàn)均勻混料，樣機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。原位混肥挖坑回填一體化果樹栽植機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)見表1。

表1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)Tab.1 Main structural parameters and working parameters

1.2 工作原理

轉(zhuǎn)向換擋操控臺(tái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器轉(zhuǎn)向及行進(jìn)，到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)后將擋位掛至空擋，機(jī)器具有兩種栽植模式：手動(dòng)作業(yè)和自動(dòng)作業(yè)，自動(dòng)作業(yè)模式應(yīng)用較多。

進(jìn)行原位栽植作業(yè)時(shí)，雙四邊形舉升裝置在同步舉升油缸帶動(dòng)下使外套筒底部鋸齒插入土壤中以減小挖坑混肥回填裝置作業(yè)時(shí)的擺動(dòng)，菌肥經(jīng)斜槽式外槽輪排肥機(jī)構(gòu)排至內(nèi)外套筒內(nèi)落至地面；垂直升降油缸快速收縮使聯(lián)合作業(yè)鉆頭頂端插入地面以減少鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的振動(dòng)，考慮到挖坑阻力，垂直升降油缸依據(jù)監(jiān)測(cè)油壓表征的作業(yè)負(fù)載進(jìn)行收縮，挖坑電機(jī)啟動(dòng)，聯(lián)合作業(yè)鉆頭底部的挖坑升土螺旋用于挖坑升土，上部的混肥螺旋用于土壤和菌肥的摻混作業(yè)；下挖到目標(biāo)深度時(shí)進(jìn)行一定時(shí)間的充分摻混作業(yè)，摻混完成后，垂直升降油缸帶動(dòng)聯(lián)合作業(yè)鉆頭提升至回填作業(yè)位置，同步舉升油缸收縮使導(dǎo)流管道夾持樹苗的位置恰好位于樹穴中間，放上樹苗并提升擋板，進(jìn)行土壤和菌肥的回填澆灌作業(yè)；至此，完成單次果樹栽植過程中挖坑、排肥、混肥、回填和澆灌的自動(dòng)化作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 挖坑混肥回填裝置設(shè)計(jì)

挖坑混肥回填裝置通過雙四邊形舉升裝置固定在履帶移動(dòng)平臺(tái)上，主要由挖坑混肥聯(lián)合作業(yè)鉆頭、斜槽式外槽輪排肥機(jī)構(gòu)、垂直升降機(jī)構(gòu)和回填澆灌機(jī)構(gòu)組成，完成栽植作業(yè)過程中的挖坑、排肥、混肥、回填和澆灌等作業(yè)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1.1挖坑混肥聯(lián)合作業(yè)鉆頭

作業(yè)鉆頭采用變螺旋鉆頭(圖3a)，挖坑和混肥作業(yè)同步進(jìn)行，提高作業(yè)效率，鉆尖為錐形麻花鉆，利于鉆尖進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，采用雙切削刀片減小刀片受力。鉆頭底部鉆尖垂直插入土壤中減小底部振動(dòng)，鉆頭頂部與挖坑電機(jī)輸出軸聯(lián)接關(guān)系如圖3b所示，軸套座和內(nèi)筒固定在垂直升降機(jī)架上，挖坑電機(jī)與軸套座固定，連接軸與鉆頭通過螺栓固定，連接軸將挖坑電機(jī)動(dòng)力傳遞給作業(yè)鉆頭，并在限位軸承的固定下減小鉆頭頂部振動(dòng)。

聯(lián)合作業(yè)鉆頭在挖坑馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行切土、升土和摻混作業(yè)，其主要輸出4個(gè)扭矩：切削刀片切削扭矩Mx、鉆尖定位扭矩Md、挖坑升土螺旋升土扭矩Ms[9]、混肥螺旋混肥扭矩Mh，進(jìn)行挖坑混肥作業(yè)時(shí)，鉆頭扭矩不斷變化，挖坑作業(yè)接近臨界深度時(shí)所需扭矩最大，最大阻力矩為

M=Mx+Md+Ms+Mh

(1)

(2)

Md=(q2+k2s)D2

(3)

式中i——切削刀片數(shù)，取2

q1——普通土壤切削阻力系數(shù)，取1.4×103N/m

ψ——切削阻力與水平面夾角，取45°

k1——土壤切應(yīng)力變形阻力系數(shù)，取1.7×103N/m

δ——螺旋升角，取20°

φ——鉆尖入土角，取30°

r0——挖坑升土螺旋葉片半徑，mm

r1——螺桿半徑，mm

q2——載荷系數(shù)，取2.2×103N/m

k2——壓力系數(shù)，取7.8×104N/m

s——進(jìn)給量，取0.02 m/r

D——鉆尖旋轉(zhuǎn)直徑，mm

聯(lián)合作業(yè)鉆頭應(yīng)具有使切削土壤順利上升的扭矩，挖坑升土螺旋的升土扭矩為

Ms=(5～7)Mx

(4)

最大混肥扭矩處于挖坑作業(yè)完畢、進(jìn)行充分摻混作業(yè)時(shí)，將土肥混合物簡化為一個(gè)空心圓柱，其內(nèi)徑為螺桿外徑，空心圓柱外徑為挖坑升土螺旋直徑，土肥混合物質(zhì)量為

m=mt+mf=πR2hρb+mf

(5)

式中ρb——土壤容重，取1.340 g/mm3

R——樹穴半徑，mm

h——樹穴深度，mm

mt——土壤質(zhì)量，g

mf——菌肥質(zhì)量，g

按照聯(lián)合作業(yè)鉆頭以最快速度1.5 s到達(dá)250 r/min計(jì)算，混肥螺旋的混肥扭矩為

(6)

式中 Δn——鉆頭轉(zhuǎn)速增量，r/min

Δt——鉆頭轉(zhuǎn)速增量所需時(shí)間，s

由式(1)得到聯(lián)合作業(yè)鉆頭最大阻力矩為242.802 N·m。

根據(jù)挖坑升土理論，為保證聯(lián)合作業(yè)鉆頭順利升土，轉(zhuǎn)速n必須大于土壤堵塞臨界轉(zhuǎn)速nk，即

(7)

(8)

式中φ1——土壤與鋼摩擦角，取31°

f——土壤內(nèi)摩擦因數(shù)，取1

ε——挖坑升土螺旋半徑處質(zhì)點(diǎn)速度與水平面夾角，(°)

將上述系數(shù)代入式(7)，計(jì)算得到土壤堵塞臨界轉(zhuǎn)速nk為95.89 r/min，為保證順利升土，取n=1.5nk=143.84 r/min，取整為150 r/min。

2.1.2垂直升降機(jī)構(gòu)

垂直升降機(jī)構(gòu)保證挖坑混肥聯(lián)合作業(yè)鉆頭在提升和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)過程中始終垂直地面，垂直升降油缸底端固定在雙四邊形舉升機(jī)架上(圖4)，頂端固定在垂直升降機(jī)架上，垂直升降油缸伸縮帶動(dòng)垂直升降機(jī)架沿升降滑軌組垂直升降；升降滑軌組包括滑塊、滑軌和支架，滑塊與垂直升降機(jī)架焊接在一起，滑軌固定于上下端的支架之間，支架焊接在雙四邊形舉升機(jī)架上；垂直升降機(jī)架焊接在4個(gè)滑塊上，以減少滑軌的變形，是挖坑電機(jī)和內(nèi)套筒的固定載體，垂直升降機(jī)架的升降可以實(shí)現(xiàn)挖坑混肥聯(lián)合作業(yè)鉆頭的提升和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；雙四邊形舉升機(jī)架平行固定于雙四邊形舉升裝置兩側(cè)的豎直連桿上，保證滑軌相對(duì)于地面的垂直度，通過對(duì)雙四邊形舉升機(jī)架的移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)挖坑混肥回填裝置的運(yùn)動(dòng)。

2.1.3回填澆灌機(jī)構(gòu)

內(nèi)套筒與外套筒同心配合形成摻混腔(圖2)，將挖坑作業(yè)原本應(yīng)拋擲坑外的土壤進(jìn)行回收，并為摻混作業(yè)提供密閉空間；導(dǎo)流管道始端焊接在外套筒外部，聯(lián)接摻混腔與外界，通過擋板進(jìn)行隔離，擋板提升至最大限度時(shí)會(huì)觸發(fā)接近開關(guān)傳感器，單片機(jī)根據(jù)接近開關(guān)高低電平狀態(tài)控制繼電器通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵及挖坑電機(jī)的運(yùn)行控制。

回填作業(yè)時(shí)，挖坑升土螺旋對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)流管道，其中心槽中央在雙四邊形舉升裝置的精準(zhǔn)提升作用下對(duì)準(zhǔn)樹穴中心，放置樹苗并提升擋板，土肥混合物在聯(lián)合作業(yè)鉆頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下由于離心力經(jīng)過導(dǎo)流管道回填至樹穴中，同時(shí)水泵將藥箱中供給菌肥活性的液態(tài)有機(jī)肥經(jīng)管道運(yùn)送至樹穴中，在后續(xù)果樹生長中，菌肥改善土壤環(huán)境，有機(jī)肥為菌肥提供活力及養(yǎng)分。

如圖5所示，A點(diǎn)為樹穴中心點(diǎn)，即樹苗放置點(diǎn)，B點(diǎn)為外套筒中心點(diǎn)，進(jìn)行挖坑混肥作業(yè)時(shí)，B點(diǎn)與A點(diǎn)重合，進(jìn)行回填作業(yè)時(shí)，B點(diǎn)處于圖示位置。為完成原位挖坑、混肥和回填作業(yè)，需確定A、B兩點(diǎn)之間的距離，以確定挖坑混肥回填裝置平行地面的移動(dòng)距離，根據(jù)樹穴直徑與樹苗放置點(diǎn)至外套筒距離，取點(diǎn)A、B之間距離為320 mm。

2.2 雙四邊形舉升裝置設(shè)計(jì)

雙四邊形舉升裝置(圖6)利用平行四邊形對(duì)邊始終平行的特性保證挖坑混肥回填裝置始終與地面保持垂直，提高挖坑作業(yè)精度。

同步舉升油缸兩端分別固定在上平行連桿和履帶移動(dòng)平臺(tái)上，油缸伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)雙四邊形舉升機(jī)架沿?cái)[線升降，實(shí)現(xiàn)整個(gè)挖坑混肥回填裝置的擺線運(yùn)動(dòng)，滿足原位作業(yè)對(duì)水平位移需求；上平行連桿和下平行連桿是連接豎直連桿和固定連桿的中間連桿，共同形成平行四邊形；豎直連桿固定于雙四邊形舉升機(jī)架，固定連桿豎直固定于履帶移動(dòng)平臺(tái)。

雙四邊形舉升裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)器原位栽植作業(yè)，相比豎直位移，水平位移的確定更重要，應(yīng)確保樹苗放置點(diǎn)位于樹穴中心處，運(yùn)動(dòng)位移僅與平行連桿長度及運(yùn)動(dòng)角相關(guān)(圖7)，其關(guān)系為

(9)

式中L1——水平位移，mm

H1——豎直位移，mm

b——平行連桿長度，mm

α——平行連桿與水平線的最小夾角，取20°

β——運(yùn)動(dòng)角，取55°

根據(jù)A、B兩點(diǎn)之間距離確定水平位移L1=320 mm，根據(jù)式(9)計(jì)算得到b=470.58 mm，H1=293.64 mm。

根據(jù)余弦定理，油缸在挖坑混肥狀態(tài)時(shí)的總長計(jì)算式為

(10)

油缸在回填狀態(tài)時(shí)的總長計(jì)算式為

(11)

式中c——履帶移動(dòng)平臺(tái)連接桿桿長，取500 mm

e1——上平行連桿與履帶移動(dòng)平臺(tái)連接桿挖坑混肥狀態(tài)的夾角，取160°

e2——上平行連桿與履帶移動(dòng)平臺(tái)連接桿回填狀態(tài)的夾角，取105°

2.3 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器動(dòng)力的來源，以及進(jìn)行動(dòng)力分配(圖8)，其主要包括行進(jìn)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)子系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力軸經(jīng)帶輪組分別將動(dòng)力傳遞給變速箱總成和液壓泵，機(jī)器行進(jìn)和栽植作業(yè)分開進(jìn)行。

行進(jìn)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器行進(jìn)及轉(zhuǎn)向，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)帶傳遞到變速箱總成輸入軸，輸出軸聯(lián)接履帶移動(dòng)平臺(tái)主動(dòng)輪，通過換擋實(shí)現(xiàn)機(jī)器不同行進(jìn)速度和行進(jìn)方向。變速箱總成采用成熟的手扶式拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)，通過手動(dòng)觸發(fā)剎車線控制兩側(cè)離合，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)動(dòng)力傳遞的控制，同時(shí)通過觸發(fā)剎車油路啟動(dòng)單側(cè)剎車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

液壓傳動(dòng)子系統(tǒng)油路結(jié)構(gòu)如圖9所示，2個(gè)三位四通電磁換向閥，換向閥1實(shí)現(xiàn)同步舉升油缸伸縮，當(dāng)兩側(cè)電磁閥不通電時(shí)，換向閥處于中位機(jī)能，P口封閉，油液回油箱，同步舉升油缸利用雙向液壓鎖保持活塞鎖住不動(dòng)，當(dāng)左側(cè)電磁閥通電時(shí)，P口與B口相通進(jìn)油，右側(cè)單向閥打開，控制油口打開左側(cè)單向閥，A口與T口相通實(shí)現(xiàn)回油，同步舉升油缸收縮，當(dāng)右側(cè)電磁閥通電時(shí)，P口與A口相通進(jìn)油，左側(cè)單向閥打開，控制油口打開右側(cè)單向閥，B口與T口相通實(shí)現(xiàn)回油，同步舉升油缸伸展。換向閥2同理。

二位四通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)挖坑電機(jī)的單向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)右側(cè)電磁閥不通電時(shí)，油液經(jīng)P口至T口回油箱，當(dāng)右側(cè)電磁閥通電時(shí)，油液經(jīng)P口至A口實(shí)現(xiàn)對(duì)挖坑電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

3 栽植作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件及電路設(shè)計(jì)

栽植作業(yè)控制系統(tǒng)硬件主要包括STM32單片機(jī)、繼電器組、多路電磁換向閥、行程開關(guān)組、按鍵組、壓力變送器、溫度變送器、槽型光電開關(guān)、OLED顯示屏和接近開關(guān)傳感器(圖10)。

繼電器組中的電機(jī)繼電器和垂直升降繼電器分別在回填和挖坑進(jìn)給作業(yè)中頻繁通斷，故采用固態(tài)繼電器，其余繼電器從經(jīng)濟(jì)性考慮采用電磁繼電器；多路電磁換向閥包含電機(jī)電磁閥、垂直升降電磁閥、同步升降電磁閥，根據(jù)作業(yè)狀態(tài)切換中位機(jī)能控制電機(jī)啟停及3個(gè)油缸的伸縮；行程開關(guān)組含有5個(gè)，用于檢測(cè)挖坑混肥回填裝置各部件的行程信息，單片機(jī)根據(jù)行程信息控制機(jī)器進(jìn)行相應(yīng)作業(yè)；按鍵組檢測(cè)外界操作信息，包括復(fù)位按鍵、一鍵作業(yè)按鍵、電機(jī)啟停按鍵、同步上升按鍵、同步下降按鍵、垂直上升按鍵和垂直下降按鍵；OLED顯示屏實(shí)時(shí)顯示溫度、壓力和轉(zhuǎn)速等信息，分別通過壓力變送器、溫度變送器和槽型光電開關(guān)采集，散熱風(fēng)扇根據(jù)油溫由散熱繼電器控制開啟狀態(tài)；接近開關(guān)傳感器檢測(cè)到擋板時(shí)傳遞回填澆灌信息給單片機(jī)，控制挖坑電機(jī)及水泵開啟。

電磁閥線圈通電狀態(tài)由繼電器控制，需要4個(gè)電磁閥對(duì)同步舉升油缸和垂直升降油缸的伸縮進(jìn)行控制，其必須同分流電磁閥組成串聯(lián)關(guān)系，其工作電路如圖11所示，利用4個(gè)整流二極管消除單個(gè)繼電器導(dǎo)通時(shí)對(duì)其他線路的影響。

3.2 自動(dòng)栽植作業(yè)控制流程

自動(dòng)栽植作業(yè)子系統(tǒng)是進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)模式的運(yùn)行載體，將檢測(cè)到的挖坑混肥回填裝置各部件的行程信息傳遞給單片機(jī)控制器，由單片機(jī)根據(jù)作業(yè)流程控制繼電器組觸發(fā)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)各油缸及挖坑電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，行程信息通過行程開關(guān)組及接近開關(guān)傳感器獲取。

行程開關(guān)組包括上行程開關(guān)、中行程開關(guān)、下行程開關(guān)、同步下降行程開關(guān)和同步上升行程開關(guān)，傳感器1～6布置位置如圖12所示。

“一鍵作業(yè)按鍵”觸發(fā)后，機(jī)器進(jìn)入自動(dòng)栽植作業(yè)模式：同步降繼電器閉合使同步下降行程開關(guān)被固定連桿觸發(fā)后斷開，外套筒底端貼合地面；斜槽式外槽輪排肥機(jī)構(gòu)進(jìn)行定量排肥后自動(dòng)關(guān)閉，期間垂直降繼電器閉合使滑塊觸發(fā)中行程開關(guān)后斷開，鉆尖插入土壤中固定聯(lián)合作業(yè)鉆頭底部；電機(jī)繼電器閉合進(jìn)行挖坑作業(yè)，同時(shí)垂直降繼電器根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的PWM信號(hào)快速切換通斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓力反饋下的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；滑塊觸發(fā)下行程開關(guān)后，垂直降繼電器斷開，電機(jī)繼電器持續(xù)閉合進(jìn)行定時(shí)摻混作業(yè)； 摻混時(shí)間到達(dá)后，電機(jī)繼電器斷開，垂直升繼電器閉合，當(dāng)滑塊觸碰到上行程開關(guān)后垂直升繼電器閉合，挖坑升土螺旋對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)流管道；同步升繼電器閉合，當(dāng)雙四邊形舉升機(jī)架觸碰到同步上升行程開關(guān)后，同步升繼電器斷開，導(dǎo)流管道中心槽中央對(duì)準(zhǔn)樹穴中心；提升擋板觸發(fā)接近開關(guān)傳感器1并放入樹苗，電機(jī)繼電器和水泵繼電器閉合進(jìn)行回填澆灌作業(yè)，聯(lián)合作業(yè)鉆頭底部處于懸空狀態(tài)，為減小土壤拋出時(shí)鉆頭旋轉(zhuǎn)對(duì)外套筒的碰撞及振動(dòng)，電機(jī)繼電器閉合方式為間斷式閉合；回填完畢后放下?lián)醢?，接近開關(guān)傳感器1處于懸空狀態(tài)，電機(jī)繼電器和水泵繼電器斷開，自動(dòng)栽植作業(yè)子系統(tǒng)完成單次自動(dòng)栽植作業(yè)。

3.3 壓力反饋控制

挖坑進(jìn)給量過大會(huì)導(dǎo)致鉆頭阻力矩變大、發(fā)動(dòng)機(jī)死機(jī)及系統(tǒng)壓力升高，從而造成內(nèi)泄漏增加，影響液壓系統(tǒng)正常運(yùn)行[10]。采用型號(hào)為HH316的壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)油壓，其輸出電壓為0～5 V，單片機(jī)ADC模塊的最高承受電壓為3.3 V，將輸出電壓采用分壓的方式再接入ADC模塊。

壓力反饋?zhàn)酉到y(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)油壓調(diào)控使挖坑進(jìn)給量隨挖坑深度增加而減小，進(jìn)給量由垂直降繼電器控制，其通斷時(shí)間決定進(jìn)給量。將PID 控制算法引入挖坑進(jìn)給作業(yè)中，實(shí)時(shí)調(diào)控最優(yōu)工作壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的閉環(huán)控制，利用PID將目標(biāo)壓力與采集到的系統(tǒng)壓力比對(duì)后，向單片機(jī)反饋不同占空比的PWM控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直降繼電器的反饋控制，從而智能調(diào)節(jié)挖坑進(jìn)給量，PID反饋控制方案如圖13所示。

單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)壓力計(jì)算得到PID值，由PID值計(jì)算出PWM占空比，在挖坑作業(yè)過程中，PWM頻率越大，周期越短，不利于繼電器執(zhí)行PWM信號(hào)，將PWM周期延長設(shè)置為1 s，繼電器執(zhí)行周期內(nèi)的PWM占空比實(shí)現(xiàn)進(jìn)給量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

4 土肥摻混模型建立與離散元仿真分析

4.1 土肥摻混模型建立

4.1.1離散元參數(shù)設(shè)定

采用離散元法(DEM)對(duì)聯(lián)合作業(yè)機(jī)摻混作業(yè)區(qū)進(jìn)行建模分析[11]，在實(shí)際試驗(yàn)中考慮到菌肥和土壤之間存在黏性力作用，選取Hertz-Mindlin with JKR黏性力模型作為顆粒間接觸模型并進(jìn)行相關(guān)研究，仿真參數(shù)設(shè)定如表2所示[12-14]。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

4.1.2物理模型建立

為便于觀察土壤和菌肥的摻混過程及顆粒分布，建立兩種顆粒工廠，根據(jù)實(shí)際栽植作業(yè)中菌肥的排肥結(jié)果，設(shè)置土壤顆粒落在土地模型里，菌肥顆粒落在土壤顆粒的上方，并將樣機(jī)模型進(jìn)行簡化，以更好地表征土肥的摻混過程(圖14)。

機(jī)器于初始位置時(shí)，刀片距地面150 mm，且此處是挖坑升土螺旋進(jìn)行回填作業(yè)的位置，設(shè)置外套筒和聯(lián)合作業(yè)鉆頭進(jìn)行下移運(yùn)動(dòng)，當(dāng)切削刀片恰好接觸地面時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)定位鉆頭插入土壤中。

4.2 土肥摻混過程模擬及機(jī)理分析

4.2.1土肥摻混過程模擬

根據(jù)作業(yè)要求，挖坑進(jìn)給速度為0.02 m/s，20 s完成挖坑作業(yè)。設(shè)置內(nèi)套筒下移速度為0.02 m/s，聯(lián)合作業(yè)鉆頭下移速度為0.02 m/s，添加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為150 r/min形成挖坑進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。從圖15可以看出，由于混肥螺旋及挖坑升土螺旋的共同作用，土壤和菌肥已經(jīng)具備一定程度的摻混均勻度。后續(xù)分別設(shè)置鉆頭轉(zhuǎn)速為150、200、250 r/min，各進(jìn)行40 s的摻混作業(yè)。

均勻摻混是在挖坑作業(yè)和摻混作業(yè)的共同作業(yè)下實(shí)現(xiàn)，挖坑作業(yè)使土肥混合物具備一定的均勻度，摻混作業(yè)使土肥混合物均勻摻混，26 s時(shí)摻混模型內(nèi)部顆粒在轉(zhuǎn)速150、200、250 r/min下的動(dòng)能對(duì)比如圖16所示。

不同轉(zhuǎn)速下，螺旋葉片旋轉(zhuǎn)將動(dòng)能傳遞給顆粒，內(nèi)部靠近混肥螺旋葉片處動(dòng)能較大，其摻混運(yùn)動(dòng)較快，內(nèi)外套筒邊緣處動(dòng)能較小，摻混運(yùn)動(dòng)較慢；土肥混合物在摻混腔中所占體積不同，轉(zhuǎn)速越快使顆粒具有越大的動(dòng)能，顆粒間的運(yùn)動(dòng)越劇烈，產(chǎn)生的間隙越大，所占體積越大，達(dá)到摻混均勻所需時(shí)間越短，由圖16可得250 r/min為最佳理論摻混轉(zhuǎn)速。

同一轉(zhuǎn)速下，摻混腔內(nèi)部和邊緣處菌肥分布狀態(tài)不同，摻混腔內(nèi)部靠近螺旋葉片，接收動(dòng)能較大，顆粒具有動(dòng)能也較大，較邊緣處易達(dá)到摻混均勻。

4.2.2土肥摻混機(jī)理分析

在摻混腔內(nèi)，不同顆粒群在重力、混肥螺旋葉片攪拌的作用下被分散，顆粒之間相互運(yùn)動(dòng)，逐步實(shí)現(xiàn)不同顆粒的均勻混合。根據(jù)Lacey混合機(jī)理，摻混作業(yè)過程大致可以分為3個(gè)階段：對(duì)流、剪切和擴(kuò)散，這3個(gè)階段通常在物料混合過程中同時(shí)進(jìn)行[15-17]，菌肥與土壤在摻混腔的混合方式描述如下：

(1)對(duì)流混合

挖坑作業(yè)過程中，菌肥顆粒群和切削的土壤顆粒群在挖坑升土螺旋的螺旋運(yùn)動(dòng)下逐步上升，并受到挖坑升土螺旋施加的作用力而產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)路徑，形成顆粒對(duì)流現(xiàn)象(圖17a)，對(duì)流混合表征為大顆粒群體的相對(duì)移動(dòng)，主要發(fā)生在摻混過程初期，可以改善摻混區(qū)內(nèi)不同顆粒的分布均勻性，并增加各類型顆粒之間的接觸面積。

(2)剪切混合

處于對(duì)流狀態(tài)的不同顆粒群受到螺旋葉片的剪切作用，顆粒間發(fā)生滑動(dòng)摩擦，部分顆粒速度變大，顆粒間接觸面積擴(kuò)大，使團(tuán)聚的顆粒群打散進(jìn)行混合，進(jìn)一步提升土肥混合物的摻混均勻度(圖17b)，剪切混合主要由外部剪切引起，主要發(fā)生在摻混過程中期。

(3)擴(kuò)散混合

擴(kuò)散混合是菌肥和土壤顆粒間的相互融合(圖18)，是單顆粒小規(guī)模、小區(qū)域內(nèi)的自由運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步促進(jìn)顆粒表面間的相互融合，擴(kuò)散混合通過螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，主要發(fā)生在摻混過程后期。

菌肥和土壤在這 3 種混合方式下進(jìn)行摻混作業(yè)，土肥的混合機(jī)理即在對(duì)流、剪切和擴(kuò)散混合的共同作用下實(shí)現(xiàn)顆粒間的摻混均勻。

4.3 土肥摻混均勻度分析

設(shè)置聯(lián)合作業(yè)鉆頭和內(nèi)套筒進(jìn)行線性提升，使挖坑升土螺旋對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)流管道始端。在EDEM中，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理將土地模型進(jìn)行移動(dòng)，根據(jù)舉升位移計(jì)算結(jié)果，將土地水平移動(dòng)320 mm，豎直移動(dòng)293.64 mm，導(dǎo)流管道放置樹苗處恰好位于樹穴中心上方，回填作業(yè)完畢后可以看到有部分顆粒黏結(jié)在摻混模型上(圖19)，符合回填作業(yè)的實(shí)際情況。

將回填作業(yè)后樹穴外的土肥混合物進(jìn)行處理，如圖20所示，可看到菌肥于樹穴中均勻散布。

分別于150、250、350 mm(上、中、下層)3個(gè)深度對(duì)土肥混合物進(jìn)行摻混均勻度分析，設(shè)置15個(gè)55 mm×52 mm×56 mm的子方格布置在3個(gè)深度處，用于對(duì)應(yīng)后續(xù)田間土肥摻混性能試驗(yàn)，方格采樣位置如圖21所示。利用EDEM軟件后處理統(tǒng)計(jì)每一個(gè)子方格中菌肥顆粒數(shù)量，采用RSD法對(duì)土肥混合物的摻混均勻度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[18-20]?；旌腺|(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為摻混均勻度，摻混均勻度以變異系數(shù)表示[21-23]，摻混均勻度變異系數(shù)越小，摻混越均勻，變異系數(shù)大于10%而小于20%時(shí)混合質(zhì)量可接受,變異系數(shù)大于20%時(shí)混合質(zhì)量較差需改進(jìn)[24-25]，變異系數(shù)定義為

(12)

其中

(13)

式中Ci——每個(gè)子網(wǎng)格中的菌肥密度，粒/mm3

n——子網(wǎng)格數(shù)量，取15

σ——網(wǎng)格中菌肥密度標(biāo)準(zhǔn)差

對(duì)轉(zhuǎn)速為150、200、250 r/min的摻混仿真模擬結(jié)果分別進(jìn)行方格內(nèi)采樣，統(tǒng)計(jì)方格中菌肥顆粒數(shù)量，計(jì)算摻混作業(yè)完畢時(shí)的摻混均勻度變異系數(shù)(圖22)。

對(duì)轉(zhuǎn)速250 r/min進(jìn)行摻混作業(yè)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，摻混時(shí)間總長為40 s，間隔2 s即進(jìn)行回填作業(yè)，采用方格采樣不同摻混時(shí)間的菌肥顆粒數(shù)量，并計(jì)算其摻混均勻度變異系數(shù)(圖23)。

由上述仿真結(jié)果得知，摻混作業(yè)完畢后，不同轉(zhuǎn)速、不同深度的摻混均勻度變異系數(shù)差異不大，維持在14%左右，轉(zhuǎn)速高會(huì)提前實(shí)現(xiàn)摻混均勻；隨摻混時(shí)間增長，摻混均勻度逐漸升高，均勻摻混速率逐漸降低，在14 s達(dá)到摻混均勻度上限，摻混均勻度隨時(shí)間增長均在閾值上下波動(dòng)，表明顆粒混合基本達(dá)到平衡，并會(huì)出現(xiàn)均勻度下降現(xiàn)象，稱為過度混合；為節(jié)省摻混時(shí)間，并保證摻混質(zhì)量，選取轉(zhuǎn)速為250 r/min、摻混時(shí)間為14 s作為最佳理論摻混作業(yè)參數(shù)。

5 田間性能試驗(yàn)

5.1 整機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)

2019年7月13日在山東省臨沂市河?xùn)|區(qū)東方桂花園進(jìn)行整機(jī)作業(yè)性能試驗(yàn)(圖24)，土壤類型為砂壤土。挖坑樹穴形態(tài)規(guī)則，坑壁較為整潔，設(shè)計(jì)的錐形鉆尖具有良好定位功能，減小挖坑作業(yè)過程中聯(lián)合作業(yè)鉆頭的振動(dòng)，保證樹穴的豎直性。

在試驗(yàn)過程中，機(jī)器行進(jìn)及轉(zhuǎn)彎性能良好，并統(tǒng)計(jì)到自動(dòng)作業(yè)模式下栽植總時(shí)間在2.3 min左右，手動(dòng)作業(yè)模式下栽植總時(shí)間在3 min以內(nèi)，單次挖坑作業(yè)時(shí)間為22 s左右，自動(dòng)模式比手動(dòng)模式效率更高，對(duì)人員依賴程度小，栽植作業(yè)控制系統(tǒng)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)果樹栽植的自動(dòng)化連續(xù)作業(yè)。

5.2 土肥摻混性能試驗(yàn)

2019年12月13日在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新園進(jìn)行土肥摻混性能試驗(yàn)(圖25)，土壤質(zhì)地為砂壤土。菌肥于土壤中的均勻分布是機(jī)器均勻摻混性能的體現(xiàn)，根據(jù)果園對(duì)果樹的栽植要求：每棵果樹所需菌肥用量為1 kg，摻混均勻度變異系數(shù)不得超過20%。為便于菌肥和土壤的辨別，采用質(zhì)量相同的白色肥料代替菌肥進(jìn)行試驗(yàn)。

菌肥應(yīng)均勻分布于深400 mm、直徑500 mm的圓柱體空間內(nèi)，為便于摻混均勻度分析，分別在150、250、350 mm深度對(duì)回填土肥混合物進(jìn)行方格采樣，采樣盒為276 mm×165 mm×56 mm方格，準(zhǔn)備15個(gè)55 mm×52 mm×56 mm子方格，在手動(dòng)作業(yè)模式下，分別將方格于回填作業(yè)之前放入目標(biāo)深度，為減少鉆頭連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)內(nèi)外套筒的振動(dòng)，控制挖坑電機(jī)間斷回填，回填完畢后，用鐵掀將采樣盒分別取出。

由仿真分析可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為250 r/min、摻混時(shí)間為14 s時(shí)，既節(jié)省摻混時(shí)間，又能保證摻混質(zhì)量，土肥摻混性能試驗(yàn)采用上述參數(shù)，進(jìn)行10次作業(yè)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)不同深度每個(gè)采樣子方格中的菌肥個(gè)數(shù)，通過RSD法計(jì)算得到摻混均勻度變異系數(shù)如表3所示，變異系數(shù)均在16%以內(nèi)，土肥混合物的摻混均勻度符合果樹栽植農(nóng)藝要求。

表3 土肥混合物摻混均勻度變異系數(shù)Tab.3 Coefficient of variation of mixing uniformity of loam %

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的果樹栽植機(jī)實(shí)現(xiàn)了單次果樹栽植過程中挖坑、排肥、混肥、回填和澆灌的自動(dòng)化作業(yè)，作業(yè)總時(shí)間不超過3 min，作業(yè)深度為0～400 mm，作業(yè)直徑為500 mm，實(shí)現(xiàn)了均勻混料。

(2)建立了基于JKR接觸模型的土肥摻混模型，模擬分析菌肥和土壤于摻混腔中的摻混過程及機(jī)理，通過RSD法計(jì)算得到土肥混合物摻混均勻度變異系數(shù)為14%左右，選取轉(zhuǎn)速250 r/min、摻混時(shí)間14 s作為最佳理論摻混作業(yè)參數(shù)。

(3)設(shè)計(jì)的栽植作業(yè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化高效栽植作業(yè)，根據(jù)系統(tǒng)油壓調(diào)控垂直降繼電器執(zhí)行周期內(nèi)PWM占空比，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

(4)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了土肥摻混性能，樹穴上、中、下3層摻混均勻度變異系數(shù)均不超過16%，菌肥和土壤的摻混質(zhì)量符合果樹栽植農(nóng)藝要求。