耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂全自動化一體機的設計

閆海敬 王志遠 王彥凱 趙鵬飛 李仰歡 闞遠

摘要：現有的傳統耕種機械普遍存在著環境適應能力差和工作效率低下等問題，而這些問題也嚴重影響到了耕種的工作效率和工作質量。為了克服現有技術的不足，設計了一款用 SolidWorks建模設計的一種耕地、插苗、澆水、施肥、隆埂全自動化一體機，該機構主要由機車、扎土裝置、施肥裝置、碾平裝置、澆灌裝置、插苗裝置、補苗裝置和安裝壟埂裝置等組成，能夠很好地實現耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂等過程的自動化，該機通過多個裝置協調運行使幼苗成活率更高，并且通過多次3Dmax 仿真實驗可以證明，使用此機器后插苗率可高達90%～95%，插苗基本不會存在漏苗脫耕的現象。使用此機器后即可一人一天種出50000顆樹苗，植樹效率大大提高。若以此機器代替傳統機器，能夠有效克服現有技術的不足，得到更完善的適應性和更好的經濟性。

關鍵詞：高效;農機;智能;適應性強;全自動

中圖分類號：TP24;S23???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：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

隨著我國農業經濟的不斷發展，機械代替人工耕作將成為發展趨勢。但傳統耕種機械普遍存在著的環境適應能力差和工作效率低下等問題[1]，為了克服現有的傳統耕種機存在的問題，本文設計的一種耕地插苗澆水施肥隆埂全自動化一體機。

隨著國家在西部地區相繼啟動實施了京津風沙源治理、天然林保護、退耕還林、退牧還草等一批重點生態建設工程[2]。小農經濟將不再是主流，通過人力進行農耕作業，其工作量多，時間長，勞動強度大，而且工作效率底，無法達到相應的作業質量，所以急需一種新型的用于農耕的自動化一體機來解決上述問題[3]。并且遙感監測20多年期間，我國耕地變化最顯著，其動態變化面積高于所有其他土地類型;耕地面積先增后減，呈現明顯的階段性特征，但是質量較好的傳統耕地、良田在減少[4]，需要良草、良木來涵養土地。而合理確定林草種植結構和種植方式則成為重點。現如今我國耕地變化最顯著，其動態變化面積高于所有其他土地類型。

為響應國家突出改革創新、推進全民共治等生態保護基本原則急需一款能耗低、效率高的、適用性廣、功能全面的自動化植樹機[5]。本文參考多個文獻專利，從中找到了啟發，運用多個結構相結合的機械原理，逐漸完善了機器的結構設計。本文研究設計的這一款具有耕地施肥、插苗、澆灌、壟埂全自動化一體的機器，能夠更好代替人工耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂，并且克服了現有耕地機器的不足，從而提高工作的效率。

1 整體結構及設計理念

插苗機的整體尺寸根據實際設計，充分考慮了耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂的功能的實現原理及現實表現，在多個裝置的協調運行使幼苗成活的功能需求下，構思并設計了具有耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂功能的綜合性高效插苗機的整體結構。

圖1所示為耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂全自動化一體機結構，主要有機車、扎土裝置、施肥裝置、碾平裝置、澆灌裝置、插苗裝置、補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苗裝置，補苗裝置的底部安裝壟埂裝置，插苗裝置設有插苗間距調節機構，插苗間距調節機構連接有豎直控桿和控深桿，控深桿與插苗動力凸輪連接，插苗動力凸輪設有與第一動力源上的蝸桿連接的蝸輪;插苗間距調節機構設有間隔分布的若干插苗器和直線導軌，若干插苗器之間設有擋板且若干插苗器通過彈簧連接，彈簧的端部設有液壓推桿，用以推動若干插苗器，從而調節若干插苗器之間的間距;若干插苗器的底部設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。獨特的插苗裝置則保證了幼苗能被間距合理和絕對垂直的插種;壟埂緊隨插苗之后，增加了幼苗與土壤的接觸;可控水箱調節下的澆水過程，更能滿足不同幼苗的澆灌量，補苗過程中，苗箱為幼苗提供了穩定的環境，大大減少了幼苗的損傷。該作品的多個裝置的協調運行使幼苗成活率更高。

1.機車 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.補苗裝置 8.壟埂裝置圖1 耕地施肥插苗澆灌壟埂全自動化一體機結構

2 機械結構設計

2.1 動力裝置

如圖2所示，動力裝置由發動機、底盤、大型橡膠輪胎、駕駛室組成。底盤包括傳動系統、轉向系統、制動系統。采用大馬力輪式四驅大型拖拉機牽引性更強，穩定性更加優良，適合各種惡劣環境下快速作業。

2.2 扎土裝置

如圖3所示，扎土裝置設有連接件以及安裝于連接件底部的第一曲柄搖桿機構，第一曲柄搖桿機構上安裝有扎土刀，連接件還安裝有深耕施肥裝置，深耕施肥裝置設有土深器以及與土深器連接的仿生鏟[6]，仿生鏟的頂部設有施肥機構，且施肥機構連接于連接件上。深耕機的掘土原理則是模仿人掘土的形態，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行工作，動力來源是確定一個圓和一個圓弧和一條直線來構成的，其動力本身來自馬達的旋轉力，節省了大部分不需要的重力，避免對土地造成二次傷害。

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軸連接，以使土深器和連接件的轉軸帶動仿生鏟進行耕地作業[7]。

2.4 碾平裝置

如圖5所示，碾平裝置采用了滾筒式設計，利用滾筒的特性不斷滾動來達到碾平的目的，裝置內部設計為實心，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器的運行提供穩定支撐并起到保護作用。為后續的插苗提供良好的平整地面環境。

2.5 澆灌裝置

如圖6所示，所述澆灌裝置設有第二動力源、鼓風箱、第二曲柄搖桿機構、輸氣通道、儲水箱和出水口[8]，輸氣管道的端部設有鼓氣開關，且鼓氣開關位于鼓風箱內，鼓風動力電機帶動鼓風板的上下移動，控制通氣開關運作機構內控制板的開合，鼓風板的上移帶動兩側通氣開關向內開合，輸氣通道處鼓氣開關閉合;鼓風板下移時兩側通氣開關閉合，輸氣通道處鼓氣開關開合，將氣體壓入儲水箱，使水規律的通過出水口流出。第二動力源通過帶動第二曲柄搖桿機構的控制鼓風箱內的鼓風板的升降，將空氣從輸氣通道間斷擠入底部的儲水箱內，水從出水口噴出[9-10]。從而進行覆蓋式噴灑，使其更好地浸潤土體。

2.6 插苗裝置

如圖7所示，補苗裝置設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力源，以使裝載箱通過絲杠進行運動[11]，裝載箱的底部設有出苗口，裝載箱通過絲杠運動，使得裝載箱內的幼苗從裝載箱內滑入到出苗口，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。補苗裝置由上方的裝載箱和下方的履帶以及撥桿組成。幼苗插種時裝載箱在絲桿的帶動下向前平移，將幼苗從補苗口滑出并使幼苗進入履帶，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器攜帶大量幼苗，無需頻繁補添幼苗。

2.7 壟埂裝置

如圖8所示，所述壟埂裝置設有埂深控制機構、埂型控制機構和鏟子，埂深控制機構調節鏟子的彎度，埂型控制機構調節鏟子的端部的上下的角度來實現壟埂的效果。

3 控制系統

為使機器各機構能夠合理順暢地工作，該機器以機電一體化為基礎，通過控制系統對耕地施肥插苗澆灌壟埂一體機進行集成控制，實現耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂等種植工藝的自動化。本研究所設計的控制系統以 PLC16F877A單片機為控制核心，外置 HEDL5540編碼器，同時采用 L298N 電機驅動器、降壓模塊等電器元件進行輔助，實現耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂等功能[12]。

4 虛擬樣機建模仿真實驗

依據如上設計對模型進行虛擬樣機建模仿真實驗。如圖9所示，結果表明，該機器能夠順利實現耕地、施肥、插苗、澆灌及壟埂的功能。多個裝置的協調運行使幼苗成活率更高。耕地與施肥同時進行，讓肥料均勻的分布于土壤中;碾平則為后續的插苗過程提供較為平整的土壤環境。插苗率可高達90%～95%。插苗基本不會存在漏苗脫耕的現象。使用此機器后即可一人一天種出50000顆樹苗，植樹效率大大提高。

5 結束語

本文設計的耕地施肥插苗澆灌壟埂全自動化一體機可自動連續實現耕地、施肥、插苗、澆灌、壟埂的功能。既節省了能源，又提高了效率，將燃料的利用率和人工效率提升到最大。因為自動農機功能的特性，其擁有廣闊的市場，其靈活性強，可以很好的適用于各類環境下種植各類幼苗，不受地域環境限制。可適用于京津風沙源治理、天然林保護、退耕還林、退牧還草等惡劣環境下工作，也可適用于城市綠化，如綠化帶、公園植樹綠化。在種植綠化作業中，耕地施肥插苗澆灌壟埂全自動化一體機具有傳統種植插苗技術無可比擬的優勢，具有廣闊的應用前景。

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第一作者簡介：閆海敬（1987-），女，碩士，講師，研究領域為地面車輛控制。

（編輯：刁少華）