張宏建 徐春保 劉雙喜,3 江 浩 張成福 王金星,3

(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.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018； 4.高密市益豐機(jī)械有限公司， 高密 261500)

0 引言

果樹(shù)施肥是果樹(shù)生產(chǎn)中的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，施肥質(zhì)量直接影響果樹(shù)養(yǎng)分的吸收，合理施肥是保證果樹(shù)豐產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)的重要舉措[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)果樹(shù)施肥普遍存在重視化肥而忽視有機(jī)肥的現(xiàn)象，導(dǎo)致土壤板結(jié)和肥力下降，嚴(yán)重影響了果園生產(chǎn)能力的提高和生產(chǎn)體系的良性發(fā)展[3]。相關(guān)研究表明，有機(jī)肥與化肥混施比單施有機(jī)肥或化肥的效果顯著，可以提高果實(shí)產(chǎn)量、單果質(zhì)量及糖酸比，改善果實(shí)的外觀品質(zhì)[4-6]。我國(guó)果園開(kāi)溝施肥作業(yè)主要依靠人工完成，其作業(yè)強(qiáng)度大、效率低、標(biāo)準(zhǔn)不穩(wěn)定，機(jī)械化開(kāi)溝施肥作業(yè)是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵，也是我國(guó)果園未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)[7]。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)果園施肥機(jī)械的研究起步較早，對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)和農(nóng)藝要求相結(jié)合的概念更為完善，而且標(biāo)準(zhǔn)化建園、規(guī)范化管理的程度較高，現(xiàn)階段其施肥機(jī)械產(chǎn)品更專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化[8]。國(guó)外開(kāi)溝施肥機(jī)經(jīng)歷了鏵式犁、旋轉(zhuǎn)式開(kāi)溝機(jī)、鏈?zhǔn)介_(kāi)溝機(jī)的發(fā)展過(guò)程[9-13]。國(guó)內(nèi)果園開(kāi)溝施肥機(jī)械研制起步較晚，主要采用旋轉(zhuǎn)式開(kāi)溝施肥機(jī)作業(yè)[14]。王京風(fēng)[15]研制了果園微型開(kāi)溝施肥機(jī)，該機(jī)高度低、通過(guò)性好，可在狹窄的果園實(shí)現(xiàn)低速開(kāi)溝作業(yè)；何義川等[16]研制了2FK-40型果園開(kāi)溝施肥機(jī)，該機(jī)與拖拉機(jī)配套使用，可一次完成偏置開(kāi)溝、施肥、覆土作業(yè)；王攀[17]研制了立式果園開(kāi)溝施肥機(jī)，以組合立式旋轉(zhuǎn)刀具搭配清溝犁為開(kāi)溝器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、施肥兩項(xiàng)作業(yè)；趙明輝[18]研制了果園立式旋耕開(kāi)溝施肥機(jī)，該機(jī)可實(shí)現(xiàn)曲線開(kāi)溝、對(duì)靶施肥。

綜合國(guó)內(nèi)外研究成果可知，國(guó)內(nèi)開(kāi)溝施肥機(jī)多為單行作業(yè)、單施有機(jī)肥或化肥，且缺乏開(kāi)溝深度智能調(diào)節(jié)裝置，開(kāi)溝施肥效率低、效果差；國(guó)外開(kāi)溝施肥裝備較為先進(jìn)，但多采用單工序作業(yè)，其價(jià)格昂貴、專用性強(qiáng)，且與國(guó)內(nèi)果園栽植標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，不適用于我國(guó)果園作業(yè)。為此，本文設(shè)計(jì)一種開(kāi)溝深度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)，可自動(dòng)混施有機(jī)肥和化肥，以提高果樹(shù)開(kāi)溝施肥的效率和施肥效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 果園開(kāi)溝施肥農(nóng)藝要求

目前，渤海灣、西北黃土高原等地區(qū)新建的現(xiàn)代化果園多采用矮砧密植的種植模式，如圖1所示?，F(xiàn)代化果園行距Lr在3.5～4.0 m之間，株距Lc在1～1.2 m之間，密度為0.24～0.33株/m2。果樹(shù)多采用高紡錘樹(shù)形的修剪方式，行間作業(yè)空間大，適宜機(jī)械作業(yè)[19]。為了促進(jìn)果樹(shù)的長(zhǎng)梢、開(kāi)花及結(jié)果，一般秋季在果樹(shù)樹(shù)冠外緣的正下方進(jìn)行開(kāi)溝深施基肥作業(yè)，其中開(kāi)溝寬度w在20～40 cm，開(kāi)溝深度h在20～40 cm，有機(jī)肥施肥量0.75～2.25 kg/m2，化肥施肥量0.52～0.67 kg/m2[20-21]。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

為提高作業(yè)效率，結(jié)合果樹(shù)的矮砧密植種植模式，設(shè)計(jì)果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由機(jī)架、肥箱、開(kāi)溝裝置、排肥裝置、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。為減少粉塵等外界環(huán)境因素對(duì)系統(tǒng)的影響，將控制系統(tǒng)集成于控制箱中，并在作業(yè)時(shí)將其安裝在駕駛室內(nèi)。

1.3 工作原理

開(kāi)溝施肥作業(yè)前，根據(jù)果園種植行距及果樹(shù)生長(zhǎng)狀態(tài)，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整左、右開(kāi)溝裝置之間的開(kāi)溝距離及排肥口的開(kāi)度，并預(yù)設(shè)開(kāi)溝深度范圍。開(kāi)溝施肥作業(yè)時(shí)，果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)在拖拉機(jī)的牽引下前進(jìn)，開(kāi)溝刀切削入土并將土拋起，有機(jī)肥、化肥分別由排肥刮板及肥料螺旋輸送器排出，經(jīng)輸肥傳送帶和導(dǎo)肥板落入所開(kāi)溝槽，同時(shí)覆土罩殼將開(kāi)溝刀拋起的土擋住，使其回落至所開(kāi)溝槽內(nèi)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、有機(jī)肥與化肥混施、覆土一體化作業(yè)。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

拖拉機(jī)的部分動(dòng)力傳遞至輸肥傳動(dòng)箱，帶動(dòng)輸肥傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)輸肥作業(yè)，其他動(dòng)力傳遞至主傳動(dòng)箱。主傳動(dòng)箱的部分動(dòng)力由輸出軸Ⅰ、Ⅱ傳遞至開(kāi)溝傳動(dòng)箱，帶動(dòng)開(kāi)溝刀旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝作業(yè)；其他動(dòng)力由主傳動(dòng)箱輸出軸Ⅲ傳遞至排肥傳動(dòng)箱，帶動(dòng)排肥刮板及肥料螺旋輸送器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)排肥作業(yè)。動(dòng)力傳動(dòng)路線如圖3所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 開(kāi)溝裝置

開(kāi)溝裝置主要由開(kāi)溝傳動(dòng)箱、開(kāi)溝刀盤(pán)及開(kāi)溝刀構(gòu)成，如圖4所示。開(kāi)溝裝置采用雙圓盤(pán)式開(kāi)溝器，以反轉(zhuǎn)的方式開(kāi)溝作業(yè)，形成橫截面呈梯形的溝槽。開(kāi)溝刀為杯型彎刀，通過(guò)螺栓交錯(cuò)安裝在開(kāi)溝刀盤(pán)的兩側(cè)，每側(cè)4把開(kāi)溝刀，沿刀盤(pán)圓周方向呈90°均勻排列。

刀盤(pán)直徑是圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)的一項(xiàng)重要設(shè)計(jì)參數(shù)，它對(duì)開(kāi)溝機(jī)的拋土、功耗、傳動(dòng)形式及結(jié)構(gòu)尺寸等有重要影響[22]。刀盤(pán)直徑影響開(kāi)溝刀的切削弧長(zhǎng)，進(jìn)而影響切土功耗與銑切功耗。刀盤(pán)直徑與切削弧長(zhǎng)關(guān)系式為

(1)

式中B——切削弧長(zhǎng)，mm

θ——土壤的撕裂線傾角，(°)

R0——刀盤(pán)半徑，mm

D0——刀盤(pán)直徑，mm

δ0——開(kāi)溝刀工作長(zhǎng)度，mm

由式(1)可知，切削弧長(zhǎng)B與刀盤(pán)直徑D0成正比。刀盤(pán)直徑增大，切削弧長(zhǎng)增大，開(kāi)溝刀切土輪廓曲率減小，切土功耗降低，但銑切功耗增加。合適的刀盤(pán)直徑可以降低切土功耗和銑切功耗。刀盤(pán)直徑與理論開(kāi)溝深度關(guān)系式為

D0+2δ0=(1.2～1.4)H

(2)

式中H——理論開(kāi)溝深度，mm

根據(jù)果園開(kāi)溝施肥的農(nóng)藝要求，預(yù)設(shè)開(kāi)溝深度為400 mm，考慮地面平整度的影響，設(shè)計(jì)理論開(kāi)溝深度H為420 mm，開(kāi)溝刀工作長(zhǎng)度δ0為122 mm。根據(jù)式(2)確定刀盤(pán)直徑D0的取值范圍為260～344 mm。

刀盤(pán)直徑影響開(kāi)溝機(jī)作業(yè)時(shí)的扭矩不均勻系數(shù)[23-24]。刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I和扭矩不均勻系數(shù)μ關(guān)系式為

I=ΔE/(μω)

(3)

式中 ΔE——?jiǎng)幽茏兓?，J

ω——刀盤(pán)角速度，rad/s

由于旋轉(zhuǎn)部件的質(zhì)量主要集中在刀盤(pán)和開(kāi)溝刀上，故將刀盤(pán)定義為飛輪機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I為

(4)

式中Mp——刀盤(pán)質(zhì)量，kg

由式(3)、(4)可知，刀盤(pán)直徑D0與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I成正比，與扭矩不均勻系數(shù)μ成反比。增大刀盤(pán)直徑，可減小開(kāi)溝作業(yè)過(guò)程中扭矩的變化量，降低整機(jī)功耗，提高作業(yè)質(zhì)量。結(jié)合刀盤(pán)直徑對(duì)扭矩不均勻系數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸的影響，在刀盤(pán)直徑的取值范圍內(nèi)，適當(dāng)增大刀盤(pán)直徑，確定開(kāi)溝刀盤(pán)直徑D0為320 mm。

開(kāi)溝裝置中開(kāi)溝部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響整機(jī)作業(yè)性能，尤其是開(kāi)溝刀的切土速度對(duì)開(kāi)溝刀銑切及拋撒土壤形狀產(chǎn)生重要影響。開(kāi)溝刀的運(yùn)動(dòng)方式是隨著整機(jī)前進(jìn)的直線運(yùn)動(dòng)和繞刀盤(pán)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。設(shè)開(kāi)溝刀片端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡上任一點(diǎn)的坐標(biāo)為F(x，y)，取開(kāi)溝刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，垂直向下為y軸正方向，如圖5所示。

點(diǎn)F(x，y)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(5)

式中R1——開(kāi)溝刀端點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m

vm——拖拉機(jī)前進(jìn)速度，m/s

t——開(kāi)溝刀運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

對(duì)式(5)中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t求導(dǎo)，得到點(diǎn)F(x，y)在x、y軸方向的速度為

(6)

式中vx——F在x方向分速度，m/s

vy——F在y方向分速度，m/s

開(kāi)溝刀片端點(diǎn)的絕對(duì)速度為

(7)

vFmin=ωR1-vm

(8)

(9)

(10)

式中vFmin——開(kāi)溝刀最小速度，m/s

n0——開(kāi)溝刀轉(zhuǎn)速，r/min

雙圓盤(pán)式開(kāi)溝裝置在破土、刨土的過(guò)程中，其刀片端點(diǎn)的絕對(duì)速度不低于6.5 m/s[25]。整個(gè)開(kāi)溝刀盤(pán)圓周速度相等，以圓周上任一點(diǎn)為基準(zhǔn)，根據(jù)式(10)得到開(kāi)溝刀最小理論轉(zhuǎn)速為230 r/min。

2.2 化肥排肥裝置

化肥排肥裝置采用螺旋式排肥器，主要由化肥箱、進(jìn)肥口、排肥軸、排肥螺旋和排肥槽構(gòu)成，如圖6所示。其中，左、右兩側(cè)的排肥螺旋結(jié)構(gòu)均為對(duì)稱式設(shè)計(jì)。

螺旋式排肥器的單圈排肥量是衡量排肥裝置排肥性能的一個(gè)重要指標(biāo)，其大小直接決定了排肥裝置的總排肥量、排肥均勻性及排肥穩(wěn)定性[26]。在不考慮軸向阻力及轉(zhuǎn)速影響時(shí)，單圈排肥量q為

(11)

(12)

ht=(D1-d1)/2

(13)

式中D1——螺旋式排肥器外徑，mm

d1——螺旋式排肥器內(nèi)徑，mm

S1——螺距，mm

bt——螺牙平均厚度，mm

ht——螺牙深度，mm

Lt——螺牙平均長(zhǎng)度，mm

ρc——化肥容重，g/mm3

φ——螺旋式排肥器填充系數(shù)

由式(11)可知，螺旋式排肥器的單圈排肥量q與D1、d1、S1、bt、ρc、φ有關(guān)。通過(guò)改變螺旋式排肥器D1、d1、S1等參數(shù)可以調(diào)整單圈排肥量。在整個(gè)排肥過(guò)程中，螺旋式排肥器的外徑與排肥量存在關(guān)系

(14)

(15)

式中Qc——化肥排肥量，t/h

A——物料綜合特性系數(shù)

K——物料綜合系數(shù)

c——螺距與直徑的比例系數(shù)

λ——物料的單位容積質(zhì)量，t/m3

ε——傾斜輸送系數(shù)

施肥機(jī)在連續(xù)施肥作業(yè)的情況下，施肥量為

Q=vmg/s

(16)

式中Q——施肥量，t/h

g——前進(jìn)一定距離的施肥量，t

s——前進(jìn)距離，m

根據(jù)果樹(shù)開(kāi)溝施肥的農(nóng)藝要求，果樹(shù)所需化肥取0.60 kg/m2，株數(shù)取0.30株/m2，單株果樹(shù)所需化肥為2 kg，株距為1～1.2 m，單株果樹(shù)單側(cè)化肥施肥量取1 kg/m，施肥機(jī)的前進(jìn)速度取800 m/h，根據(jù)式(16)得到施肥量Q為0.8 t/h，即Qc為0.8 t/h。結(jié)合化肥的特性參數(shù)，確定化肥的填充系數(shù)φ為0.25，綜合系數(shù)K為0.063 2，綜合特性系數(shù)A為28，單位容積質(zhì)量λ為1.25 t/m3，螺距與直徑的比例系數(shù)c為1，傾斜輸送系數(shù)ε為1。將各參數(shù)代入式(14)、(15)，得到排肥螺旋的外徑為92 mm。由于螺旋葉片的直徑通常設(shè)計(jì)成標(biāo)準(zhǔn)系列，最終確定螺旋葉片外徑D1為100 mm，螺距S1=0.8D1=80 mm，排肥螺旋的內(nèi)徑d1=0.3D1=30 mm，螺牙平均厚度bt為2 mm，將D1、d1、S1、bt、S1、φ等代入式(11)～(13)，得到單圈排肥量為173.8 g。

排肥裝置在輸送化肥過(guò)程中，化肥由于受旋轉(zhuǎn)螺旋的影響，其運(yùn)動(dòng)并非是單純的沿軸線作直線運(yùn)動(dòng)，而是在一復(fù)合運(yùn)動(dòng)中沿螺旋軸運(yùn)動(dòng)。設(shè)螺旋輸送器的螺旋為標(biāo)準(zhǔn)的等螺距等直徑的單頭螺旋，當(dāng)螺旋面的升角為展開(kāi)的狀態(tài)時(shí)，螺旋線用一條斜直線來(lái)表示。以距離螺旋軸線e處的物料顆粒E作為研究對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。當(dāng)螺旋繞軸回轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)物料顆粒E的實(shí)際速度ve進(jìn)行分解，得到E自O(shè)點(diǎn)移動(dòng)的軸向速度v1和圓周速度v2，如圖7所示。其中，v1促進(jìn)化肥的軸向輸送，而v2阻礙化肥的軸向輸送。由于v2在螺旋葉片的半徑范圍內(nèi)是變化的，導(dǎo)致化肥在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在排肥螺旋外層產(chǎn)生一個(gè)附加的肥料流。當(dāng)螺旋軸超過(guò)一定轉(zhuǎn)速時(shí)，附加的肥料流顯著影響肥料運(yùn)動(dòng)，肥料作垂直于輸送方向的翻滾，而不作軸向的輸送運(yùn)動(dòng)。在滿足施肥量的前提下，此時(shí)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與排肥螺旋外徑、施肥量之間存在關(guān)系

(17)

(18)

根據(jù)式(17)、(18)，確定旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速范圍為55 r/min≤n≤88 r/min。綜合施肥量、螺旋式排肥器外徑和肥料特性參數(shù)，確定旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n為70 r/min。

2.3 有機(jī)肥排肥裝置

有機(jī)肥排肥裝置主要由排肥鏈輪、O型鏈及排肥刮板構(gòu)成，如圖8所示。O型鏈平行安裝在排肥鏈輪上，2條O型鏈之間焊接排肥刮板，且排肥刮板沿O型鏈轉(zhuǎn)動(dòng)方向均勻、等間距分布。

刮板式排肥器是連續(xù)排肥設(shè)備，輸送能力是其最重要的工作參數(shù)[27]。刮板式排肥器的排肥量Qo為

Qo=3 600F0vcρoφ=3 600B1hbηkβvcρo

(19)

式中vc——鏈條運(yùn)動(dòng)速度，m/s

B1——機(jī)槽寬度，m

F0——有機(jī)肥內(nèi)摩擦力

hb——料槽工作部分高度，m

ρo——物料堆積密度，t/m3

kβ——傾角系數(shù)η——輸送效率

由式(19)可知，在其他參數(shù)確定的情況下，鏈條運(yùn)動(dòng)速度越大，排肥量Qo越大。但隨著vc增大，輸送效率η降低，能耗增加，鏈條磨損加劇。正常作業(yè)時(shí)，vc的取值范圍為0.08～1.0 m/s，結(jié)合肥料特性參數(shù)，確定鏈條運(yùn)動(dòng)速度vc為0.1 m/s[28]。根據(jù)果樹(shù)開(kāi)溝施肥的農(nóng)藝要求，果樹(shù)所需有機(jī)肥取2.25 kg/m2，株數(shù)取0.30株/m2，單株果樹(shù)所需有機(jī)肥為7.5 kg，株距為1～1.2 m，單株果樹(shù)單側(cè)有機(jī)肥施肥量取3.75 kg/m，施肥機(jī)的行駛速度取800 m/h，根據(jù)式(16)得到施肥量為3.0 t/h。有機(jī)肥排肥裝置水平布置，傾角系數(shù)kβ為1.0，機(jī)槽寬度B1為0.6 m，輸送效率為0.5，有機(jī)肥堆積密度ρo為0.8 t/m3，將各參數(shù)代入式(19)，確定排肥口高度不小于35 mm。根據(jù)排肥口高度，選擇邊寬為30 mm等邊角鋼作為排肥刮板。有機(jī)肥排肥裝置工作時(shí)，兩相鄰排肥刮板及其間有機(jī)肥構(gòu)成牽引層。牽引層肥料受到刮板在運(yùn)動(dòng)方向的推力，在肥箱底部以一定速度滑動(dòng)，同時(shí)又通過(guò)層間的內(nèi)摩擦作用而帶動(dòng)上層有機(jī)肥運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上層肥料高度小于其臨界值時(shí)，上層肥料全部隨牽引層及刮板一起運(yùn)動(dòng)。為保證上層肥料全部順利排出，有機(jī)肥排肥口的高度應(yīng)小于其臨界值，取兩相鄰刮板間的上層肥料作為一個(gè)單元體進(jìn)行受力分析，如圖9所示。

上層肥料受到內(nèi)摩擦力f1和外摩擦力f2的作用。上層肥料與牽引層之間產(chǎn)生內(nèi)摩擦力f1使肥料運(yùn)動(dòng)，肥料與機(jī)槽兩側(cè)壁之間產(chǎn)生外摩擦力f2阻礙肥料運(yùn)動(dòng)，其值分別為

f1=μ1N1=μ1abhaδ

(20)

(21)

式中μ1——內(nèi)摩擦因數(shù)

N1——兩層肥料間的壓力，N

μ2——外摩擦因數(shù)

N2——單側(cè)壓力，N

ha——上層肥料高度，m

δ——散密度，t/m3

γ——側(cè)壓系數(shù)a——刮板間距，m

b——刮板長(zhǎng)度，m

當(dāng)牽引層肥料對(duì)其上層肥料的內(nèi)摩擦力不小于上層肥料與機(jī)槽壁之間的外摩擦力，即f1≥f2時(shí)，上層肥料隨刮板向前運(yùn)動(dòng)，由此可得

ha≤μ1b/(μ2γ)

(22)

根據(jù)文獻(xiàn)[29]，確定內(nèi)摩擦因數(shù)μ1為0.16、外摩擦因數(shù)μ2為0.54、側(cè)壓系數(shù)γ為0.43、刮板長(zhǎng)度b為600 mm，根據(jù)式(22)，結(jié)合有機(jī)肥的肥料特性確定ha≤400 mm，在滿足施肥量的前提下，排肥口高度設(shè)計(jì)為100 mm。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)溝深度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

開(kāi)溝刀自入土切削至溝底，開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)過(guò)程如圖10所示。

開(kāi)溝器由位置①旋轉(zhuǎn)至位置②的過(guò)程中，設(shè)輸入軸中心為M，開(kāi)溝刀盤(pán)中心為N，MN兩點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)。當(dāng)開(kāi)溝器在位置①時(shí)，開(kāi)溝刀剛接觸地面，輸入軸中心M距地面的高度為H1，M距開(kāi)溝刀盤(pán)中心N的垂直距離為h1，MN與過(guò)輸入軸中心M的水平線P所呈夾角為θ1；當(dāng)開(kāi)溝器旋轉(zhuǎn)至位置②時(shí)，輸入軸中心M與溝底的距離為H2，M與開(kāi)溝刀盤(pán)中心N的垂直距離為h2，MN與過(guò)輸入軸中心M的水平線P所呈夾角為θ2，開(kāi)溝深度為

hd=H2-H1

(23)

由圖10可知，開(kāi)溝器由位置①旋轉(zhuǎn)至位置②的過(guò)程中，H1與h1、r、L、θ1以及H2與h2、r、L、θ2存在以下幾何關(guān)系

(24)

式中r——N與開(kāi)溝刀切土點(diǎn)的垂直距離，mm

將式(24)代入式(23)可得開(kāi)溝深度的動(dòng)態(tài)函數(shù)為

hd=H2-H1=h2-h1=L(sinθ2-sinθ1)

(25)

果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)的開(kāi)溝深度自動(dòng)調(diào)節(jié)原理如圖11所示。首先，根據(jù)果樹(shù)樹(shù)齡及營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，結(jié)合園藝要求設(shè)定開(kāi)溝深度范圍。其次，當(dāng)開(kāi)溝刀剛接觸地面時(shí)，角度傳感器返回傾角θ1；繼續(xù)開(kāi)溝作業(yè)的過(guò)程中，角度傳感器實(shí)時(shí)返回傾角θ2，單片機(jī)根據(jù)式(25)計(jì)算實(shí)時(shí)開(kāi)溝深度。最后，單片機(jī)判斷實(shí)時(shí)開(kāi)溝深度是否在預(yù)設(shè)開(kāi)溝深度范圍內(nèi)，進(jìn)而通過(guò)繼電器、電磁閥控制液壓缸的伸縮，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝深度的增大或減小。

3.2 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)作為果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)的控制核心，主要由硬件和軟件組成，實(shí)現(xiàn)角度和位移傳感器的信息采集、通信、存儲(chǔ)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制以及人機(jī)交互界面顯示，控制系統(tǒng)如圖12所示?？刂葡到y(tǒng)程序采用C語(yǔ)言在Keil uVision5開(kāi)發(fā)環(huán)境中編寫(xiě)，由主程序調(diào)用若干相應(yīng)的模塊子程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)開(kāi)溝施肥的控制過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)為核心元件，主要由電源、穩(wěn)壓模塊、傳感器模塊、執(zhí)行模塊、繼電器模塊、通訊模塊及人機(jī)交互模塊等組成，通過(guò)485通訊傳輸作業(yè)數(shù)據(jù)。電源為風(fēng)帆有限責(zé)任公司生產(chǎn)的24 V、36 A·h鉛蓄電池，為整個(gè)控制系統(tǒng)獨(dú)立供電，通過(guò)穩(wěn)壓模塊分配到不同的用電元件，避免外在因素干擾。傳感器模塊由角度傳感器和位移傳感器構(gòu)成，其中左、右角度傳感器選用青島有田測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CQ-400D型動(dòng)態(tài)抗震型傾角傳感器，工作電壓為DC12V，單軸測(cè)量范圍為±90°，測(cè)量精度為0.1°，用于實(shí)時(shí)測(cè)量開(kāi)溝深度；左、右位移傳感器選用深圳淞研精工科技有限公司生產(chǎn)的KTC-300型拉桿式直線位移傳感器，工作電壓為DC12V，量程0～300 mm，線性精度為0.01 mm，用于測(cè)量開(kāi)溝距離。執(zhí)行模塊由電動(dòng)推桿和液壓缸構(gòu)成，其中電動(dòng)推桿分別選用廈門(mén)一摳能源技術(shù)有限公司生產(chǎn)的tg型和wxtg型電動(dòng)推桿，工作電壓為DC12V，行程分別為200、100 mm，用于調(diào)節(jié)有機(jī)肥箱和化肥箱的開(kāi)口，控制施肥量。人機(jī)交互模塊主要由機(jī)載顯示器構(gòu)成，用于顯示實(shí)時(shí)指標(biāo)信息和監(jiān)測(cè)作業(yè)狀態(tài)。

3.3 控制終端軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面主要由登錄系統(tǒng)界面、參數(shù)設(shè)定界面及工作監(jiān)測(cè)界面構(gòu)成，實(shí)時(shí)顯示指標(biāo)信息和監(jiān)測(cè)作業(yè)狀態(tài)，如圖13所示。首先開(kāi)啟觸摸屏，進(jìn)入登錄系統(tǒng)界面；根據(jù)果園種植行距及果樹(shù)生長(zhǎng)狀態(tài)，在參數(shù)設(shè)定界面調(diào)整左、右開(kāi)溝裝置之間的開(kāi)溝距離及排肥口的開(kāi)度，并預(yù)設(shè)開(kāi)溝深度范圍，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕進(jìn)入工作監(jiān)測(cè)界面；開(kāi)溝施肥作業(yè)時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)開(kāi)溝深度范圍自動(dòng)調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度，工作監(jiān)測(cè)界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前開(kāi)溝深度，點(diǎn)擊OFF按鈕停止作業(yè)。

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件及方法

性能試驗(yàn)于2019年12月在高密市益豐機(jī)械有限公司試驗(yàn)基地進(jìn)行，天氣晴，氣溫-4～3℃，西南風(fēng)，風(fēng)速小于2 km/h，空氣相對(duì)濕度64%，試驗(yàn)地土質(zhì)為壤土，絕對(duì)含水率16.7%，地面相對(duì)平整，面積約650 m2。試驗(yàn)所用化肥為史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的球狀復(fù)合肥，含水率1.12%，顆粒平均直徑為4.19 mm；所用有機(jī)肥分別為濰坊和信生物科技有限公司生產(chǎn)的球狀有機(jī)肥、柱狀有機(jī)肥和粉狀有機(jī)肥，其中球狀有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于45%、含水率8.25%，柱狀有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于75%、含水率16.23%，粉狀有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于50%、含水率22.74%。測(cè)試方法及指標(biāo)參照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》及NY/T 740—2003、NY/T 1003—2006規(guī)定的開(kāi)溝、施肥機(jī)械作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法。圖14為果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)性能試驗(yàn)場(chǎng)景。

4.2 開(kāi)溝試驗(yàn)

測(cè)試果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)的3個(gè)開(kāi)溝作業(yè)行程，每一行程雙行作業(yè)，單行工作長(zhǎng)度為50 m，其中，測(cè)定區(qū)長(zhǎng)度為30 m，兩端預(yù)備區(qū)長(zhǎng)度為10 m，沿行程方向每行等間距選取5個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，共測(cè)30處。在不同的開(kāi)溝行程中，通過(guò)控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)左、右兩側(cè)溝的開(kāi)溝深度范圍。測(cè)試前清除溝底及拋落在溝旁的土塊，然后在原地表與兩溝壁交線之間放一直尺，測(cè)量溝底中心點(diǎn)到直尺的距離作為測(cè)量點(diǎn)的開(kāi)溝深度。單個(gè)作業(yè)行程下，所有測(cè)量點(diǎn)測(cè)試完成后，計(jì)算平均開(kāi)溝深度及開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表2所示，各行程下不同測(cè)量點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖15所示。

表2 開(kāi)溝試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Ditching test results

開(kāi)溝試驗(yàn)結(jié)果表明，不同行程下，果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)左、右兩側(cè)平均開(kāi)溝深度均在預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)；同一行程下，左、右兩側(cè)開(kāi)溝深度差異不大，最大不超過(guò)18 mm；在所有行程中，開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)較高，大于等于94.76%，評(píng)價(jià)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)定對(duì)開(kāi)溝機(jī)械的作業(yè)要求。

4.3 施肥試驗(yàn)

測(cè)試果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)的3個(gè)施肥作業(yè)行程，每一行程雙行作業(yè)，測(cè)定區(qū)長(zhǎng)度和預(yù)備區(qū)長(zhǎng)度與開(kāi)溝試驗(yàn)一致，沿行程方向每行按10 cm長(zhǎng)度連續(xù)等分為30段作為測(cè)量區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，共測(cè)180處。在不同的施肥作業(yè)行程中，有機(jī)肥箱分別裝顆粒有機(jī)肥、柱狀有機(jī)肥、粉狀有機(jī)肥，化肥箱均裝顆粒復(fù)合肥，且肥箱中的肥料容量均大于肥箱總?cè)萘康?0%。試驗(yàn)時(shí)，在預(yù)備區(qū)將開(kāi)溝裝置升起，校準(zhǔn)整機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)，后以正常作業(yè)速度通過(guò)測(cè)定區(qū)。分別收集掉落在各小段內(nèi)的肥料，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩將有機(jī)肥及化肥分離，并通過(guò)電子天平稱量。單個(gè)作業(yè)行程下，所有測(cè)量區(qū)域測(cè)試完成后，再計(jì)算有機(jī)肥、化肥及整體的施肥均勻性系數(shù)，測(cè)試結(jié)果如表3所示，各行程下不同測(cè)量點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖16所示。

表3 施肥試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Fertilization test results %

施肥試驗(yàn)結(jié)果表明，同一行程下，左、右兩側(cè)施肥量差異不大，最大不超過(guò)20 g；肥料分布穩(wěn)定性較高，其中有機(jī)肥分布穩(wěn)定系數(shù)90.97%，化肥分布穩(wěn)定系數(shù)93.11%，混合肥分布穩(wěn)定系數(shù)93.45%，評(píng)價(jià)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)定對(duì)施肥機(jī)械的作業(yè)要求。

5 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)：2020年1月，在山東省臨沂市沂水恒和農(nóng)場(chǎng)20 hm2蘋(píng)果試驗(yàn)園試驗(yàn)，田間試驗(yàn)如圖17所示。

試驗(yàn)條件：天氣晴，氣溫-8～2℃，風(fēng)速小于2 km/h，果樹(shù)種植行距4 m，株距1.5 m，試驗(yàn)園的土地平整，土壤為沙壤土，含水率為12.1%。

試驗(yàn)材料：化肥為史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的球狀復(fù)合肥；有機(jī)肥為濰坊和信生物科技有限公司生產(chǎn)的球狀有機(jī)肥。

試驗(yàn)參數(shù)：拖拉機(jī)前進(jìn)速度為1.0 m/s，左、右兩側(cè)開(kāi)溝深度范圍均設(shè)定為(300±15)mm，有機(jī)肥排肥口寬度為5 cm，化肥箱開(kāi)口寬度為5 cm。

進(jìn)行3個(gè)行程的重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)的開(kāi)溝深度穩(wěn)定系數(shù)最大值為96.18%，最小值為95.18%；有機(jī)肥分布穩(wěn)定系數(shù)最大值為91.98%，最小值為91.44%；化肥分布穩(wěn)定系數(shù)最大值為92.80%，最小值為92.09%；混合肥分布穩(wěn)定系數(shù)最大值為94.12%，最小值為93.70%。評(píng)價(jià)指標(biāo)符合果樹(shù)開(kāi)溝施肥的技術(shù)要求。

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Field test results %

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種開(kāi)溝深度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)，可一次完成果園開(kāi)溝、有機(jī)肥與化肥混施、覆土作業(yè)。通過(guò)理論分析對(duì)開(kāi)溝裝置、排肥裝置和開(kāi)溝深度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建基于STM32F103的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)溝深度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了果樹(shù)開(kāi)溝施肥效率，解決了果樹(shù)無(wú)法混施有機(jī)肥與化肥的難題。

(2)性能試驗(yàn)表明，果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)各工作部件運(yùn)行穩(wěn)定，開(kāi)溝深度一致性較好，開(kāi)溝深度穩(wěn)定系數(shù)大于等于94.76%；田間試驗(yàn)表明，各肥料顆粒分布均勻，其中有機(jī)肥分布穩(wěn)定系數(shù)大于等于91.44%，化肥分布穩(wěn)定系數(shù)大于等于92.09%，混合肥分布穩(wěn)定系數(shù)大于等于93.70%，滿足果園生產(chǎn)要求。