張 軒，陳中武，李君略，何 林

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630）

0 引言

2021 年，我國的水果產(chǎn)量已達到了3.0 億t[1]。水果產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國繼糧食、蔬菜之后的第三大農(nóng)業(yè)種植產(chǎn)業(yè)，在推進我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)經(jīng)濟增長方式、提高農(nóng)民收入等方面發(fā)揮著重要作用[2]。

果園生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，開溝施肥的工作量占比很大[3-7]。一方面丘陵山區(qū)果園多是小戶單干承包作業(yè)，果園前期規(guī)劃差，大型作業(yè)機具進不去；另一方面我國小型開溝施肥裝備發(fā)展起步比較晚，發(fā)展不完善，普遍不能很好地適應(yīng)果園地形[8-10]。目前我國果園開溝施肥作業(yè)仍以人工作業(yè)為主，人工作業(yè)效率很低，人工成本很高，亟需經(jīng)濟適用的果園開溝施肥裝備。

我國目前的果園開溝施肥裝備主要有電動果園開溝施肥機和燃油果園開溝施肥機。電動果園開溝施肥機采用電力作為動力，可以加載自主導航和遙控功能，機器小巧，操作方便。但是，因為目前電池容量限制，該類機器普遍存在動力不足、開挖深度和寬度不夠的問題，不能適應(yīng)目前主流的果園開溝施肥作業(yè)需求。燃油果園開溝施肥機一般采用柴油機作為動力，配套機械變速箱。但是，該類機器一般體積較大且要求近身操作，在果園樹枝交錯、垂枝較多的環(huán)境下通過性能差，并且操作人員容易被樹枝劃傷，不太適用于果園開溝施肥作業(yè)需求。

本文研究的果園遙控開溝施肥機采用36 kW 柴油發(fā)動機作為動力源，行走采用履帶液壓電控驅(qū)動。該機既具備充足的動力，提高了機器在丘陵果園的通過性能，還可以實現(xiàn)遠程遙控，改善工作人員的作業(yè)環(huán)境；而且，基于現(xiàn)有的遙控技術(shù)還可增加感應(yīng)雷達、視覺傳感器等裝置實現(xiàn)避障、路徑規(guī)劃以及作業(yè)的決策分析等功能，為開溝施肥機的智能化打下基礎(chǔ)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

果園遙控開溝施肥機主要用于果園追肥，可以一次性完成開溝、施肥、覆土作業(yè)，整機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。整機由發(fā)動機、行走底盤、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、開溝部件、施肥部件和覆土板等部件組成，主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。其中液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由變量串泵、齒輪泵、液壓馬達、電控閥、油缸、液壓油箱和液壓油散熱器等組成。電控系統(tǒng)主要由手持遙控器、車載控制盒、控制電機、角度傳感器、電磁離合器、電磁閥、電控油門和電池等組成。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 果園遙控開溝施肥機整體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

果園遙控開溝施肥機由36 kW、2 400 r/min 的柴油機輸出動力，通過分動箱實現(xiàn)行走動力和作業(yè)動力的分配。一方面分動箱輸出一路動力給變量串泵，通過2 個電機可控制變量串泵的流量輸出來分別驅(qū)動兩個液壓馬達，從而實現(xiàn)果園遙控開溝施肥機的前進、后退和轉(zhuǎn)向，齒輪泵既是補油泵也是作業(yè)部件的動力源，通過電磁閥推動液壓油缸伸縮，實現(xiàn)開溝、施肥部件的升降；另一方面分動箱另一路動力通過皮帶傳動，在電磁離合器的控制下，通過作業(yè)變速箱將動力傳遞給開溝作業(yè)刀具，從而實現(xiàn)果園遙控開溝施肥機的開溝作業(yè)，同時作業(yè)變速箱通過鏈傳動將一部分動力傳遞給施肥部件，實現(xiàn)果園遙控開溝施肥機的施肥作業(yè)。開溝刀甩出的土在覆土板的阻擋下回填到溝里，實現(xiàn)覆土作業(yè)。相關(guān)傳動關(guān)系如圖2所示。

圖2 果園遙控開溝施肥機傳動示意圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 開溝部件設(shè)計

開溝部件是開溝施肥機的主要執(zhí)行部件，開溝部件的設(shè)計直接影響機器的作業(yè)性能。本文研究的開溝部件采用圓盤式結(jié)構(gòu)，圓盤式開溝機在工作過程中具有散土均勻、工作效率高等優(yōu)點，在果園、葡萄園等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11-13]。圓盤開溝部件主要由作業(yè)變速箱、刀盤和開溝刀等組成，如圖3 所示。

圖3 果園遙控開溝施肥機開溝部件結(jié)構(gòu)示意圖

本文研究的果園遙控開溝施肥機的開溝部件采用反轉(zhuǎn)方式開溝作業(yè)，即機器前進時開溝施肥機驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)方向與刀盤的旋轉(zhuǎn)方向相反。反轉(zhuǎn)開溝能以較低的刀盤轉(zhuǎn)速獲得較高的切土速度，有利于土壤破碎[14]。為保證機器開溝作業(yè)的穩(wěn)定性，在作業(yè)變速箱兩側(cè)鏡像對稱安裝左右開溝刀盤，并于刀盤兩側(cè)交錯安裝8 把杯型彎刀。每側(cè)4 把開溝刀沿刀盤圓周90°依次排列。

刀盤圓周速度（即刀片端點線速度）、刀盤最大回轉(zhuǎn)直徑、刀盤轉(zhuǎn)速、刀片形式及數(shù)量等是直接影響開溝部件作業(yè)性能的基本參數(shù)。

刀盤直徑和刀盤轉(zhuǎn)速是圓盤式開溝機的重要設(shè)計參數(shù)，它對開溝機的拋土、功耗、傳動形式及結(jié)構(gòu)尺寸等有著重要影響[15]。

根據(jù)丘陵果園條溝施肥的農(nóng)藝要求，最大開溝深度H為350 mm，開溝深度與開溝刀直徑（開溝刀的最大回轉(zhuǎn)直徑）的關(guān)系為

式中：

D——開溝刀直徑，mm；

H——最大開溝深度，mm；

D0——開溝刀盤直徑，mm；

δ0——開溝刀具有效長度，mm。

根據(jù)式（1），代入最大開溝深度H=350 mm，開溝刀具有效長度δ0=98.5 mm，得到開溝刀盤直徑D0取值范圍為223～293 mm。結(jié)合切土、銑削功耗表現(xiàn)與加工工藝，確定開溝刀盤直徑D0為243 mm，開溝刀直徑D為440 mm。

按照雙圓盤式開溝裝置在破土、刨土的過程中，其刀片端點的線速度不低于6.5 m/s 確定刀盤最低設(shè)計轉(zhuǎn)速[16]。根據(jù)圓周線速度和轉(zhuǎn)速的關(guān)系

式中：

umin——切土刀刀片線速度最小值，m/s；

R——開溝刀最大半徑，m；

nmin——刀盤最低設(shè)計轉(zhuǎn)速，rad/s。

將相關(guān)參數(shù)umin=6.5 m/s，R=D/2=0.22 m 代入式（3），得到刀盤最低設(shè)計轉(zhuǎn)速nmin為283 r/min。

另根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊中銑拋盤上同一圓周上切土刀的數(shù)量Z由每把刀的進給量確定的關(guān)系

式中：

vm——機器作業(yè)前進速度，m/s；

n——銑拋盤轉(zhuǎn)速，r/min；

Z——銑拋盤上切土刀數(shù)量；

c——切土刀的進給量，mm，粘重土取c=3.5～5.0 mm，沙壤土取c=7.5～9.0 mm；一次成溝的取小值。

根據(jù)南方丘陵果園土壤偏粘重土的實際情況，取切土刀的進給量c=4 mm，將機器最大設(shè)計作業(yè)前進速度vmax=1 km/h=0.28 m/s、Z=8 代入（4）式，得到刀盤最大設(shè)計轉(zhuǎn)速nmax為520 r/min。結(jié)合南方丘陵果園實際情況選取機器最優(yōu)作業(yè)速度vm為800 m/h 和切土刀進給量c=4 mm 等得到刀盤轉(zhuǎn)速n為416 r/min。

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計

果園遙控開溝施肥機的液壓系統(tǒng)原理如圖4 所示，液壓油路主要分為2 部分。第1 部分油路主要由齒輪泵、三位四通電磁閥和液壓油缸組成。齒輪泵提供液壓動力，通過三位四通閥控制液壓油缸的伸縮，以此控制開溝施肥部件的升降；第2 部分油路主要由變量串泵和2 個液壓馬達組成。串泵中的每個泵與一個液壓馬達構(gòu)成獨立的閉式回路，可獨立驅(qū)動每個液壓馬達的正反轉(zhuǎn)，進而分別驅(qū)動2 個驅(qū)動輪以實現(xiàn)開溝施肥機的前進、后退和轉(zhuǎn)向。齒輪泵同時作為補油泵為2個閉式回路補充冷油。

液壓系統(tǒng)中的系統(tǒng)工作壓力、液壓馬達和液壓泵的選擇等是液壓系統(tǒng)的主要設(shè)計內(nèi)容。參考泵和馬達的選用手冊以及本機的工作環(huán)境選定液壓系統(tǒng)的工作壓力為18 MPa。

驅(qū)動輪的扭矩和轉(zhuǎn)速計算需要分作業(yè)和轉(zhuǎn)場2種情況。開溝施肥機作業(yè)時，驅(qū)動輪的扭矩和轉(zhuǎn)速與履帶行走提供的最大牽引力和機器行走速度有如下關(guān)系

式中：

M——驅(qū)動輪驅(qū)動扭矩，N · m；

F——機器履帶行走能夠提供的最大牽引力，N；

R——履帶驅(qū)動輪的節(jié)圓半徑，m；

n——驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，r/min；

v——機器作業(yè)行走速度，m/h。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊中拖拉機的牽引附著性能確定履帶行走能夠提供的最大牽引力為

式中：

W——機器滿載質(zhì)量，N；

φ——履帶行走地面附著系數(shù)。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊中履帶行走地面附著系數(shù)的取值范圍，取φ=1.2。（其中荒地地面附著系數(shù)取值范圍最大，取值范圍為1.0～1.2）。

將機器滿載質(zhì)量W=1 200×9.8=11 760 N、履帶驅(qū)動輪的節(jié)圓半徑R=0.115 m、機器作業(yè)行走速度v=（400～1 000）m/h 代入（7）式，得到機器履帶行走能夠提供的最大牽引力F為14 112 N，作業(yè)行走所需驅(qū)動力矩（單邊）M為811.44 N · m，作業(yè)時驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速范圍n為9.23～23.07 r/min。

機器轉(zhuǎn)場時主要克服滾動摩擦阻力前進，根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊取φ=0.18（泥沼地0.18，為各種地面的最大值），將轉(zhuǎn)場最高速度v=6 000 m/h 代入（5）、（6）、（7）式，得到機器轉(zhuǎn)場行走所需驅(qū)動輪力矩（雙邊）M為243.43 N · m，轉(zhuǎn)場驅(qū)動輪最大轉(zhuǎn)速n為138.40 r/min。

液壓馬達的排量跟驅(qū)動輪扭矩和系統(tǒng)工作壓力e有如下關(guān)系

式中：

q——液壓馬達排量，mL/r；

M——驅(qū)動輪驅(qū)動扭矩，N · m；

p——液壓系統(tǒng)工作壓力，MPa。

將液壓系統(tǒng)工作壓力p=18 Mpa、作業(yè)時單個驅(qū)動輪驅(qū)動扭矩M=811.44 N · m、轉(zhuǎn)場時單個驅(qū)動輪驅(qū)動扭矩M=243.43 N · m（極端單邊轉(zhuǎn)向）代入（8）式，可得作業(yè)時所需馬達排量q為283.25 mL/r，轉(zhuǎn)場時所需馬達排量q為84.97 mL/r。選定排量q為315 mL/r 的定量擺線馬達，由（8）式的推導公式可得馬達的最大扭矩M為902.41 N · m，可以滿足機器最大驅(qū)動扭矩要求。

液壓馬達和液壓泵的排量與流量和轉(zhuǎn)速存在如下關(guān)系

式中：

q——排量，mL/r；

Q——流量，mL/min；

n——轉(zhuǎn)速，r/min；

η——容積效率，取值0.9。

根據(jù)（10）式，代入液壓馬達排量q為315 mL/r，轉(zhuǎn)場驅(qū)動輪最大轉(zhuǎn)速n為138.40 r/min，得到液壓馬達轉(zhuǎn)場所需流量Q為48 440 mL/min，液壓泵的流量與液壓馬達的流量相等，將液壓泵流量Q為48 440 mL/min、液壓泵輸入轉(zhuǎn)速2 400 r/min 代入（9）式，得到液壓泵的排量q為18.17 mL/r。選定排量q為21 mL/r 的變量柱塞串泵，由（10）式的推導公式可得驅(qū)動輪的最大轉(zhuǎn)速n為177.78 r/min，根據(jù)（6）式得到最高機器轉(zhuǎn)場速度為7.7 km/h，滿足機器轉(zhuǎn)場設(shè)計速度對液壓泵的排量要求。

2.3 施肥部件設(shè)計

施肥部件采用螺旋排肥的方式，主要由肥料箱、輸肥攪龍鏈輪、輸肥攪龍和輸肥槽等構(gòu)成，如圖5所示。其中肥料箱底部開口可調(diào)，肥料從肥料箱落到輸肥攪龍箱內(nèi)，輸肥攪龍在輸肥攪龍鏈輪的帶動下單向轉(zhuǎn)動，帶動肥料落到輸肥槽內(nèi)，從而完成施肥作業(yè)。

螺旋排肥裝置的單圈排肥量是衡量排肥性能的重要指標，其大小直接決定了螺旋排肥裝置的總排肥量、排肥均勻性及穩(wěn)定性[17]。一般情況下，單圈排肥量q為

式中：

D——螺旋排肥器大徑，mm；

d——螺旋排肥器小徑，mm；

S——螺距，mm；

bt——螺牙平均厚度，mm；

ht——螺牙深度，mm；

Lt——螺牙平均長度，mm；

ρc——肥料容重，g/mm3；

φ——螺旋排肥器填充系數(shù)。

根據(jù)上式可知，螺旋排肥器的單圈排肥量大小與D、d、S、bt、ρc以及φ這些因素都有關(guān)系，通過改變螺旋排肥裝置的D、d、S等參數(shù)就可以對單圈排肥量的大小進行調(diào)整。在排肥過程中，螺旋排肥器的大徑與排肥總量存在如下關(guān)系

式中：

Qc——肥料排肥總量，t/h；

A——肥料綜合特性系數(shù)；

K——肥料綜合系數(shù)；

c——螺距與直徑比例系數(shù)；

λ——肥料的單位容積質(zhì)量，t/m3；

ε——傾斜輸送系數(shù)。在滿足施肥量的前提下，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與排肥螺旋大徑、施肥量之間存在如下關(guān)系

式中：

D——螺旋式排肥器大徑，m。

綜合施肥量、螺旋排肥器大徑和肥料特性等參數(shù)，可以確定旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

果園遙控開溝施肥機電控系統(tǒng)原理如圖6 所示，主要由手持遙控器、機載控制器、角度傳感器、控制電機、電磁離合器、電磁閥、電源等零部件組成?？刂葡到y(tǒng)分為手持遙控器、機載控制器和執(zhí)行部件三大部分。手持遙控器主要由操作手柄、控制電路和無線發(fā)射模塊組成。手持遙控器可以通過無線信號發(fā)射模塊發(fā)出開溝施肥機加減速、油門控制、開溝部件的升降、作業(yè)離合器的斷開閉合的控制信號。

圖6 果園遙控開溝施肥機控制系統(tǒng)框架圖

機載控制器主要由STM32F103 系列單片機、穩(wěn)壓電路、繼電器電路、無線信號接收模塊等組成。機載控制器通過無線信號接收模塊接收到遙控器的發(fā)射信號，并將相關(guān)控制信號傳遞給單片機進行處理。單片機通過繼電器驅(qū)動模塊實現(xiàn)控制電機的轉(zhuǎn)動、停止，電磁離合器的閉合、斷開，電磁閥的吸合與斷開。機載控制器中的單片機系統(tǒng)在控制兩個控制電機的轉(zhuǎn)動和停止時，同時能夠分別收到安裝在控制電機上的角度傳感器對電機軸偏轉(zhuǎn)角度的反饋信號，通過角度傳感器的實時反饋來精準控制兩個電機的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)開溝施肥機的精確行走。

執(zhí)行機構(gòu)中電機選用工作電壓12 V 的直流無刷電機，電磁離合器主要參數(shù)為電壓24 V，扭矩320 N · m，電磁閥工作電壓為12 V。

3 性能試驗

3.1 試驗條件及方法

性能試驗中的開溝試驗于2022 年11 月在廣州市黃埔區(qū)九龍鎮(zhèn)附近進行。試驗當天天氣陰，氣溫14～22℃，無風，空氣相對濕度82%，試驗地為壤土，絕對含水率19.1%，土壤堅實度1.8 MPa，土壤中不含有較大石塊。排肥試驗于2023 年1 月在廣州市九龍鎮(zhèn)廣東省弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司廠區(qū)進行。排肥試驗化肥為球狀顆粒復合肥，直徑為4 mm 左右，含水率1.22%。測試方法及指標參照農(nóng)機推廣鑒定大綱DT/T 241-2021《有機肥施肥機》、DT/T 174-2019《施肥機》、DT/T 089-2022《開溝機》等規(guī)定的開溝、施肥機械作業(yè)質(zhì)量評價試驗方法。果園遙控開溝施肥機性能試驗場景如圖7 所示。

圖7 果園遙控開溝施肥機性能試驗

3.2 開溝試驗

測量果園遙控開溝施肥機的2 個開溝作業(yè)行程。每個行程測試長度為20 m，并留有適當?shù)姆€(wěn)定區(qū)。性能測試時，相鄰行程間隔一定距離，保證測定不受干預(yù)。每個行程沿機組前進方向等間距測10 處，共測3 個行程。在原地表跨溝平放一直尺，以溝底中心點到直尺的距離作為該測量點開溝深度。通過測量點的開溝深度計算每個行程的開溝深度平均值，并計算開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)，測試和計算的結(jié)果如表2 所示。試驗結(jié)果顯示，果園遙控開溝施肥機實際開溝深度和開溝深度穩(wěn)定性能夠滿足農(nóng)機推廣鑒定大綱對開溝機械的作業(yè)要求。

表2 果園遙控開溝施肥機開溝性能試驗結(jié)果

3.3 排肥試驗

試驗時將開溝器、攪拌裝置升起，肥料箱內(nèi)的肥料應(yīng)大于箱內(nèi)容積的1/2，將肥料箱下料開口調(diào)到最大。施肥機排肥輪以與常用作業(yè)相同的速度驅(qū)動，取0.5 min 施肥機肥料排出的肥料，稱其質(zhì)量，測量精度為1 g，重復5 次。按標準差和穩(wěn)定性系數(shù)公式計算排肥量穩(wěn)定性的標準差和穩(wěn)定性系數(shù)，測量和計算結(jié)果如表3 所示。試驗結(jié)果顯示，果園遙控開溝施肥機實際排肥量與理論排肥量基本一致，排肥穩(wěn)定性滿足農(nóng)機推廣鑒定大綱對施肥機械的作業(yè)要求。

表3 果園遙控開溝施肥機排肥性能試驗結(jié)果

4 田間試驗

試驗地點：2023 年2 月，在廣州市從化區(qū)荔枝園進行試驗，田間試驗場景如圖8 所示。試驗條件：當天多云，氣溫15～21℃，無風，果園果樹行距為3.5 m，株距為2 m。試驗果園的土地較為平整，土壤為沙壤土并含少量泥黃土，土壤絕對含水率為12.5%。

圖8 果園遙控開溝施肥機田間試驗

試驗材料：球狀顆粒復合肥。試驗參數(shù)：果園遙控開溝施肥機以0.8 km/h 的速度進行開溝施肥作業(yè)，開溝深度范圍設(shè)定為（35±2）cm。

現(xiàn)場進行了3 個行程的開溝施肥覆土試驗，試驗結(jié)果如表4 所示。試驗結(jié)果表明，果園遙控開溝施肥機的開溝深度穩(wěn)定系數(shù)最小值為91.86%，相關(guān)指標符合農(nóng)機推廣鑒定大綱對開溝施肥機械的作業(yè)要求。

表4 果園遙控開溝施肥機開溝田間試驗結(jié)果

5 結(jié)論

1）設(shè)計了一種果園遙控開溝施肥機，可以一次性完成果園開溝、施肥和覆土作業(yè)。該機采用了履帶液壓電控驅(qū)動，不僅提高了機器在丘陵果園的通過性能，還實現(xiàn)了遠程遙控，改善了操作人員的作業(yè)環(huán)境。

2）性能試驗表明，果園遙控開溝施肥機各工作部件運行良好，開溝深度和施肥量符合設(shè)計要求，開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)≥96.56%，排肥穩(wěn)定性系數(shù)為90.38%，田間試驗開溝深度穩(wěn)定性≥91.86%。性能試驗和田間試驗結(jié)果表明該遙控開溝施肥機能夠滿足果園的開溝施肥要求。