耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂全自動(dòng)化一體機(jī)的設(shè)計(jì)

閆海敬 王志遠(yuǎn) 王彥凱 趙鵬飛 李仰歡 闞遠(yuǎn)

摘要：現(xiàn)有的傳統(tǒng)耕種機(jī)械普遍存在著環(huán)境適應(yīng)能力差和工作效率低下等問題，而這些問題也嚴(yán)重影響到了耕種的工作效率和工作質(zhì)量。為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一款用 SolidWorks建模設(shè)計(jì)的一種耕地、插苗、澆水、施肥、隆埂全自動(dòng)化一體機(jī)，該機(jī)構(gòu)主要由機(jī)車、扎土裝置、施肥裝置、碾平裝置、澆灌裝置、插苗裝置、補(bǔ)苗裝置和安裝壟埂裝置等組成，能夠很好地實(shí)現(xiàn)耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂等過程的自動(dòng)化，該機(jī)通過多個(gè)裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行使幼苗成活率更高，并且通過多次3Dmax 仿真實(shí)驗(yàn)可以證明，使用此機(jī)器后插苗率可高達(dá)90%～95%，插苗基本不會(huì)存在漏苗脫耕的現(xiàn)象。使用此機(jī)器后即可一人一天種出50000顆樹苗，植樹效率大大提高。若以此機(jī)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)器，能夠有效克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，得到更完善的適應(yīng)性和更好的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：高效;農(nóng)機(jī);智能;適應(yīng)性強(qiáng);全自動(dòng)

中圖分類號(hào)：TP24;S23???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0127-04

Design of Fully Automatic All-in-one Machine for Fertilizing， TransplantingSeedlings， Watering Ridges and Ridges on Cultivated Land

Yan Haijing ，Wang Zhiyuan ，Wang Yankai ，Zhao Pengfei ，Li Yanghuan ，Kan Yuan

（Department of Mechanical and Electrical Engineering， Binzhou University， Binzhou， Shandong 256600， China）

Abstract： The existing traditional farming machinery generally has some problems， such as poor environmental adaptability and low work efficiency， which also seriously affect the work efficiency and quality of farming. In order to overcome the shortcomings of the existing technology， a fully automatic one-piece machine for planting seedlings， watering， fertilizing and ridge raising of cultivated land based on SolidWorks modeling was designed. The mechanism is mainly composed of locomotive， soil cutting device， fertilizing device， flattening device， watering device， seedling inserting device， seedling supplement device and ridge installation device. The machine can well realize the automation of cultivated land， fertilization， seedling transplanting， irrigation， ridge and other processes. The coordinated operation of multiple devices makes the seedling survival rate higher. Moreover， it can be proved by several 3Dmax simulation experiments that the seedling transplanting rate can be as high as 90%～95% after using the machine， and there will be no phenomenon of missing seedlings and de tillage. After using the machine， 50000 saplings can be planted a day， and the tree planting efficiency is greatly improved. If the machine replaces the traditional machine， it can effectively overcome the shortcomings of the existing technology and obtain more perfect adaptability and better economy.

Key words： high efficiency; agricultural machinery; intelligence; strong adaptability; full automation

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)械代替人工耕作將成為發(fā)展趨勢(shì)。但傳統(tǒng)耕種機(jī)械普遍存在著的環(huán)境適應(yīng)能力差和工作效率低下等問題[1]，為了克服現(xiàn)有的傳統(tǒng)耕種機(jī)存在的問題，本文設(shè)計(jì)的一種耕地插苗澆水施肥隆埂全自動(dòng)化一體機(jī)。

隨著國家在西部地區(qū)相繼啟動(dòng)實(shí)施了京津風(fēng)沙源治理、天然林保護(hù)、退耕還林、退牧還草等一批重點(diǎn)生態(tài)建設(shè)工程[2]。小農(nóng)經(jīng)濟(jì)將不再是主流，通過人力進(jìn)行農(nóng)耕作業(yè)，其工作量多，時(shí)間長，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且工作效率底，無法達(dá)到相應(yīng)的作業(yè)質(zhì)量，所以急需一種新型的用于農(nóng)耕的自動(dòng)化一體機(jī)來解決上述問題[3]。并且遙感監(jiān)測(cè)20多年期間，我國耕地變化最顯著，其動(dòng)態(tài)變化面積高于所有其他土地類型;耕地面積先增后減，呈現(xiàn)明顯的階段性特征，但是質(zhì)量較好的傳統(tǒng)耕地、良田在減少[4]，需要良草、良木來涵養(yǎng)土地。而合理確定林草種植結(jié)構(gòu)和種植方式則成為重點(diǎn)。現(xiàn)如今我國耕地變化最顯著，其動(dòng)態(tài)變化面積高于所有其他土地類型。

為響應(yīng)國家突出改革創(chuàng)新、推進(jìn)全民共治等生態(tài)保護(hù)基本原則急需一款能耗低、效率高的、適用性廣、功能全面的自動(dòng)化植樹機(jī)[5]。本文參考多個(gè)文獻(xiàn)專利，從中找到了啟發(fā)，運(yùn)用多個(gè)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的機(jī)械原理，逐漸完善了機(jī)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文研究設(shè)計(jì)的這一款具有耕地施肥、插苗、澆灌、壟埂全自動(dòng)化一體的機(jī)器，能夠更好代替人工耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂，并且克服了現(xiàn)有耕地機(jī)器的不足，從而提高工作的效率。

1 整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念

插苗機(jī)的整體尺寸根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)，充分考慮了耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂的功能的實(shí)現(xiàn)原理及現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)，在多個(gè)裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行使幼苗成活的功能需求下，構(gòu)思并設(shè)計(jì)了具有耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂功能的綜合性高效插苗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。

圖1所示為耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂全自動(dòng)化一體機(jī)結(jié)構(gòu)，主要有機(jī)車、扎土裝置、施肥裝置、碾平裝置、澆灌裝置、插苗裝置、補(bǔ)苗裝置和安裝壟埂裝置等裝置組成。其中碾平裝置的頂部安裝有澆灌裝置，澆灌裝置連接插苗裝置和補(bǔ)苗裝置，補(bǔ)苗裝置的底部安裝壟埂裝置，插苗裝置設(shè)有插苗間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，插苗間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)連接有豎直控桿和控深桿，控深桿與插苗動(dòng)力凸輪連接，插苗動(dòng)力凸輪設(shè)有與第一動(dòng)力源上的蝸桿連接的蝸輪;插苗間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)有間隔分布的若干插苗器和直線導(dǎo)軌，若干插苗器之間設(shè)有擋板且若干插苗器通過彈簧連接，彈簧的端部設(shè)有液壓推桿，用以推動(dòng)若干插苗器，從而調(diào)節(jié)若干插苗器之間的間距;若干插苗器的底部設(shè)有沖擊板和控制抓手，以使控制抓手打開沖擊板，將幼苗放入土壤中。獨(dú)特的插苗裝置則保證了幼苗能被間距合理和絕對(duì)垂直的插種;壟埂緊隨插苗之后，增加了幼苗與土壤的接觸;可控水箱調(diào)節(jié)下的澆水過程，更能滿足不同幼苗的澆灌量，補(bǔ)苗過程中，苗箱為幼苗提供了穩(wěn)定的環(huán)境，大大減少了幼苗的損傷。該作品的多個(gè)裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行使幼苗成活率更高。

1.機(jī)車 2.扎土裝置 3.深耕施肥裝置 4.碾平裝置

5.澆灌裝置 6.插苗裝置 7.補(bǔ)苗裝置 8.壟埂裝置圖1 耕地施肥插苗澆灌壟埂全自動(dòng)化一體機(jī)結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力裝置

如圖2所示，動(dòng)力裝置由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、大型橡膠輪胎、駕駛室組成。底盤包括傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)。采用大馬力輪式四驅(qū)大型拖拉機(jī)牽引性更強(qiáng)，穩(wěn)定性更加優(yōu)良，適合各種惡劣環(huán)境下快速作業(yè)。

2.2 扎土裝置

如圖3所示，扎土裝置設(shè)有連接件以及安裝于連接件底部的第一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，第一曲柄搖桿機(jī)構(gòu)上安裝有扎土刀，連接件還安裝有深耕施肥裝置，深耕施肥裝置設(shè)有土深器以及與土深器連接的仿生鏟[6]，仿生鏟的頂部設(shè)有施肥機(jī)構(gòu)，且施肥機(jī)構(gòu)連接于連接件上。深耕機(jī)的掘土原理則是模仿人掘土的形態(tài)，將耕輪掘土更改為鏟式掘土，鏟子則是模仿人類手掌。鏟式掘土利用很小的重力來進(jìn)行工作，動(dòng)力來源是確定一個(gè)圓和一個(gè)圓弧和一條直線來構(gòu)成的，其動(dòng)力本身來自馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)力，節(jié)省了大部分不需要的重力，避免對(duì)土地造成二次傷害。

2.3 深耕施肥裝置

如圖4所示，所述仿生鏟設(shè)有第一連接端和第二連接端，第一連接端與土深器連接，第二連接端與連接件的轉(zhuǎn)軸連接，以使土深器和連接件的轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)仿生鏟進(jìn)行耕地作業(yè)[7]。

2.4 碾平裝置

如圖5所示，碾平裝置采用了滾筒式設(shè)計(jì)，利用滾筒的特性不斷滾動(dòng)來達(dá)到碾平的目的，裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)為實(shí)心，通過增加裝置自身重量來碾碎土塊。且此裝置能夠通過自身滾筒的大面積支撐為機(jī)器的運(yùn)行提供穩(wěn)定支撐并起到保護(hù)作用。為后續(xù)的插苗提供良好的平整地面環(huán)境。

2.5 澆灌裝置

如圖6所示，所述澆灌裝置設(shè)有第二動(dòng)力源、鼓風(fēng)箱、第二曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、輸氣通道、儲(chǔ)水箱和出水口[8]，輸氣管道的端部設(shè)有鼓氣開關(guān)，且鼓氣開關(guān)位于鼓風(fēng)箱內(nèi)，鼓風(fēng)動(dòng)力電機(jī)帶動(dòng)鼓風(fēng)板的上下移動(dòng)，控制通氣開關(guān)運(yùn)作機(jī)構(gòu)內(nèi)控制板的開合，鼓風(fēng)板的上移帶動(dòng)兩側(cè)通氣開關(guān)向內(nèi)開合，輸氣通道處鼓氣開關(guān)閉合;鼓風(fēng)板下移時(shí)兩側(cè)通氣開關(guān)閉合，輸氣通道處鼓氣開關(guān)開合，將氣體壓入儲(chǔ)水箱，使水規(guī)律的通過出水口流出。第二動(dòng)力源通過帶動(dòng)第二曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的控制鼓風(fēng)箱內(nèi)的鼓風(fēng)板的升降，將空氣從輸氣通道間斷擠入底部的儲(chǔ)水箱內(nèi)，水從出水口噴出[9-10]。從而進(jìn)行覆蓋式噴灑，使其更好地浸潤土體。

2.6 插苗裝置

如圖7所示，補(bǔ)苗裝置設(shè)有裝載箱以及位于裝載箱底部的履帶和撥桿，裝載箱連接有絲杠，絲杠的一端連接有第三動(dòng)力源，以使裝載箱通過絲杠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[11]，裝載箱的底部設(shè)有出苗口，裝載箱通過絲杠運(yùn)動(dòng)，使得裝載箱內(nèi)的幼苗從裝載箱內(nèi)滑入到出苗口，幼苗通過履帶滑到撥桿處，從而通過撥桿將幼苗撥入到插苗器內(nèi)。補(bǔ)苗裝置由上方的裝載箱和下方的履帶以及撥桿組成。幼苗插種時(shí)裝載箱在絲桿的帶動(dòng)下向前平移，將幼苗從補(bǔ)苗口滑出并使幼苗進(jìn)入履帶，再由履帶將幼苗傳至履帶前端然后再由撥片裝置依次將幼苗撥入插苗裝置上方接口，最后由插苗裝置將幼苗根部插入土中，完成插種。其中4 m3容量的龐大裝載箱可一次性讓機(jī)器攜帶大量幼苗，無需頻繁補(bǔ)添幼苗。

2.7 壟埂裝置

如圖8所示，所述壟埂裝置設(shè)有埂深控制機(jī)構(gòu)、埂型控制機(jī)構(gòu)和鏟子，埂深控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)鏟子的彎度，埂型控制機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)鏟子的端部的上下的角度來實(shí)現(xiàn)壟埂的效果。

3 控制系統(tǒng)

為使機(jī)器各機(jī)構(gòu)能夠合理順暢地工作，該機(jī)器以機(jī)電一體化為基礎(chǔ)，通過控制系統(tǒng)對(duì)耕地施肥插苗澆灌壟埂一體機(jī)進(jìn)行集成控制，實(shí)現(xiàn)耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂等種植工藝的自動(dòng)化。本研究所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)以 PLC16F877A單片機(jī)為控制核心，外置 HEDL5540編碼器，同時(shí)采用 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、降壓模塊等電器元件進(jìn)行輔助，實(shí)現(xiàn)耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂等功能[12]。

4 虛擬樣機(jī)建模仿真實(shí)驗(yàn)

依據(jù)如上設(shè)計(jì)對(duì)模型進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模仿真實(shí)驗(yàn)。如圖9所示，結(jié)果表明，該機(jī)器能夠順利實(shí)現(xiàn)耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂的功能。多個(gè)裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行使幼苗成活率更高。耕地與施肥同時(shí)進(jìn)行，讓肥料均勻的分布于土壤中;碾平則為后續(xù)的插苗過程提供較為平整的土壤環(huán)境。插苗率可高達(dá)90%～95%。插苗基本不會(huì)存在漏苗脫耕的現(xiàn)象。使用此機(jī)器后即可一人一天種出50000顆樹苗，植樹效率大大提高。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的耕地施肥插苗澆灌壟埂全自動(dòng)化一體機(jī)可自動(dòng)連續(xù)實(shí)現(xiàn)耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂的功能。既節(jié)省了能源，又提高了效率，將燃料的利用率和人工效率提升到最大。因?yàn)樽詣?dòng)農(nóng)機(jī)功能的特性，其擁有廣闊的市場，其靈活性強(qiáng)，可以很好的適用于各類環(huán)境下種植各類幼苗，不受地域環(huán)境限制。可適用于京津風(fēng)沙源治理、天然林保護(hù)、退耕還林、退牧還草等惡劣環(huán)境下工作，也可適用于城市綠化，如綠化帶、公園植樹綠化。在種植綠化作業(yè)中，耕地施肥插苗澆灌壟埂全自動(dòng)化一體機(jī)具有傳統(tǒng)種植插苗技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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第一作者簡介：閆海敬（1987-），女，碩士，講師，研究領(lǐng)域?yàn)榈孛孳囕v控制。

（編輯：刁少華）