新型农家肥果园自动施肥机的设计与试验

　　摘要:为了解决含杂率高、含水率高的农家肥的施肥不均匀、利用率低等问题，研发了机、电、液一体化的集开沟、施肥与覆土功能于一体的新型果园自动农家肥施肥机。提出了并设计了双体独立铰笼分段配送机构，改变了配送原理;提出了深度可调偏置式开沟装置，可对开沟犁的维度进行调节，实现了施肥过程中故障的自修复控制和报警。该机操作简单，性价比高，适用于任意含水率的农家肥。多台施肥机实际作业效果表明:施肥效率可达0．400～0．534hm2/h，是人工效率的20～40倍，显著降低了作业成本，提高了劳动生产率。

　　关键词:果园自动施肥机;自动化控制;开沟;肥料输送系统

　　0引言

　　我国水果种植面积和产量均已居世界前列，2016年的果园种植面积已达1536．71万hm2，水果总产量达2．75亿t［1－2］。水果的产量和质量对果农来说是至关重要的，而施肥作业不仅会决定果树的生长发育，还会直接影响果实的质量及产量［3－5］。目前，我国果园施肥机械化和自动化水平均较低，严重制约了我国果园种植业的发展，因此研发适合我国实际情况的果园自动施肥机势在必行［6－7］。

　　1系统总体结构和技术参数

　　1．1系统总体结构

　　自动施肥机主要由机械部分、液压控制部分及电气控制部分组成。其中，机械部分主要通过轴的转动及链传动来实现动力传输，进而控制执行机构完成工作任务;液压部分主要由电磁换向阀、液压马达、各式液压泵及液压油管组成;电气控制部分主要由主控模块、测速模块、电磁阀控制模块及报警模块等组成。

　　1．2技术参数

　　根据目前果园种植的农艺技术特点，设计的自动施肥机机主要技术参数如表1所示。

　　2机械结构及工作原理

　　2．1机械结构

　　自动施肥机主要由主变速箱、双齿轮泵、摆线液压马达、农家肥仓、化肥仓、链轮、推动铲、液压缸、单铧犁、覆土圆盘及动力输入装置等部件组成，如图1、图2所示。

　　2．2工作原理

　　自动施肥机主要以施农家肥为主。为了满足农户及不同作业情况的需求，在机具后面设计了一个化肥仓，可以同时对化肥和农家肥进行混合施肥。机具通过悬挂架与55kW以上拖拉机配套连接，整机动力由拖拉机动力输出轴经万向节传递与机具的动力输入装置连接;主变速箱带动双齿轮泵转动产生液压源，利用液压源带动二级搅龙液压马达和电磁换向阀工作;电磁换向阀通过换向实现摆线液压马达的正转和反转，通过联轴器链轮变速机构驱动两个主螺旋搅龙输送机构。其中，农家肥输送系统采用双体独立铰笼分段配送机构，改变了配送原理，肥料输送均匀，可以两种或两种以上肥料同步混合，出肥量得到控制。机具尾部下方安装有可以拆卸的单铧犁进行开沟，工作时采用了深度可调偏置式开沟装置，实现了30cm深度范围内的自动调节。通过二级螺旋搅龙把肥料输送到开沟处，由可拆卸覆土圆盘进行覆土作业。在农家肥仓内的两边设计有推动铲，推动铲做往复运动，以防止农家肥产生悬料现象。整机的施肥量皆可通过调节肥料流量调节杆来控制。

　　3液压油路控制部分

　　3．1液压部分工作原理

　　机具在工作时，液压泵在主变速箱的传动下工作，液压泵将液压油油箱中的液压油经过过滤器、开关泵入减压阀中;电磁换向阀安装在减压阀后部，液压油经减压阀流经电磁换向阀分两路分别进入机具前部的摆线液压马达和后部的二级搅龙液压马达中，进而通过链传动将动力分别传输到主螺旋搅龙轴和二级螺旋搅龙轴上，从而控制搅龙转动，实现肥料输出。工作过程中，为防止旋转搅龙被有机肥中的异物堵塞，采取电磁换向阀实现油路的转换，进而实现搅龙的正反转。电磁换向阀在接收到增量编码器的反馈信号后，实现自动换向，使搅龙反转，将异物转出;异物排出后，再进行一次换向，机具继续正常工作。

　　3．2整机液压油路布局

　　图3为自动施肥机的液压油路布局图，机具中的液压管路由单片机控制电磁换向阀换向。

　　4电气控制部分

　　4．1系统组成

　　电气控制部分包括硬件系统及软件系统两部分。其中，硬件系统主要包括主控电路、电磁阀控制电路、测速电路、报警电路及供电电路等。其工作原理为:利用单片机内部两个精确到微秒的定时计数器统计1个周期内的脉冲数，进而转换成一级搅龙的速度和动力输出轴的速度;利用一级搅龙的速度和动力输出轴的速度判定有机肥仓内是否有杂物卡住一级搅龙，进而对电磁阀进行换向控制，在无法排除故障时进行故障报警。

　　4．2硬件系统

　　4．2．1主控模块考虑到农业机械的经济性、可靠性的需求，主控CPU采用抗干扰能力强、可靠性高、低功耗的AVＲ系列的ATmega16_DIP40［21－22］。该单片机不用外扩ＲOM和ＲAM就能满足该系统的系统代码需求，简化了外围电路的设计［23］。另外，该单片机内部集成两个定时计数器和电平转换电路，就能实现对动力输出轴和一级搅龙速度的测量。主控模块包括单片机、供电电路、晶振电路及复位电路等。

　　4．2．2电磁阀控制模块电磁阀控制模块用于当搅龙被异物卡住时进行反向旋转从而将异物反向旋出，当搅龙被卡住而停止转动时单片机控制电磁阀实现换向，如图4所示。

　　EL817光耦的作用是将单片机的输入信号转换成光信号再转换成电信号，将单片机与继电器进行隔离。S8050为NPN型三极管，在此电路中工作在开关状态，从而控制继电器线圈的通断;1N4007为续流二极管，用于消耗继电器线圈产生的电流防止烧毁三极管。

　　5田间试验

　　5．1试验过程

　　为适应果园施肥的实际需要，动力系统选用扭矩储备系数大、强劲有力、操作轻便灵活、安全可靠的海山HS554轮式拖拉机，配套动力55kW。试验前，先通过牵引销将施肥机与拖拉机连接，连接施肥机油缸与液压，保证各处无渗漏;然后，启动拖拉机，空车试验底盘油缸提升、下降及推动铲往复运动情况，保证各运动自如，无卡滞现象，并将底盘提升到最高位置;最后，将单铧犁加装到犁横梁处，并插上穿销;将调试好的施肥机开到试验田里，初步试验几次，确定开沟深度，试验好后，开始作业。

　　5．2试验结果

　　所设计的自动施肥机适用于沙壤土、丘陵地、黑土地等，可广泛用于现代果园施肥。表2、表3为开沟深度及农家肥含水率对施肥速率影响的试验数据。

　　6结论

　　本文研发了机、电、液一体化的自动施肥机。针对目前我国还没有对任意含水率的农家肥进行施肥的机械，该施肥机实现了对任意含水率农家肥的均匀施肥，并可进行抛洒施肥或者混合施肥，做到一机多用。同时，该施肥机实现了故障的自动检测、报警和自修复控制。试验结果表明:该自动施肥机不仅能广泛用于现代果园施肥，还可用于西洋参、玉米、花生、小麦等大片农作物的耕地施肥。下一步的研究重点是实现施肥的智能化和无人化。

　　参考文献:

　　［1］杨志勇．果园机械化施肥技术的应用与探讨［J］．农业科技与信息，2017(22):45－46．

　　［2］孙平平，王文辉．2016/2017年世界苹果、梨、葡萄、桃及樱桃产量、市场及贸易情况［J］．中国果树，2017(2):91－100．

　　［3］Zygmunt，Stanislw，Grzyb，etal．Effectoffertilizationinorganicnurseryforlatergrowthandfruitingofappletreesintheorchard［J］．ChineseBulletinofLifeSciences，2015，9(4):159－165．

　　［4］常有宏，吕晓兰，蔺经，等．我国果园机械化现状与发展思路［J］．中国农机化学报，2013，34(6):21－26．

　　［5］陆祖昌．我国果园机械化现状与发展思路探析［J］．低碳世界，2015(22):314－315

《新型农家肥果园自动施肥机的设计与试验》

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