行道树打孔施肥喷药一体机设计

王 岳，闫利文

(天津职业技术师范大学，天津 300222)

0 引 言

天津滨海重盐碱地区的自然条件表现为“三高一低”，土壤粘紧，通透性差，质地板结，排水不畅，属重度盐渍土和盐土，植物的立地条件恶劣。行道树四周为盐碱土且根系生长空间狭小，容易造成营养失衡，进而导致行道树弱势及衰亡。通过深入调查，决定采用打孔施肥的方式解决该问题[1-2]。

在国内外行道树打孔施肥方面，只存在一些简单的打孔机械，具体操作还是需要大量人力操作。在当前人力缺乏，人力成本加大的今天，需要大量人力劳动，但是工作效率不高，经济效益低下[3-4]。基于现状开发一款自动化程度高的打孔施肥喷药一体机，用于解决依靠人员使用简单设备进行相关的园林养护，效率低，安全性差的问题，实现自动化，高效园林养护的目的。

1 设计目标

开发一套自动化程度高的打孔施肥喷药一体机，以期达到如下目标：

(1) 该施肥车自带两个水箱，可实现施肥和喷药两种功能的转换。

(2) 施肥机构可实现旋转和平移运动，调整钻头打孔的位置。

(3) 施肥量的大小由水泵定量控制，并且参数可调整。

(4) 钻头由液压马达保护，旋转速度可调，且钻头抱死时可出现报警信息。

(5) 配备电缆探测传感器，当钻孔附近位置有光缆或电缆时就会发出警报。

(6) 喷药管的高度可以调整，喷药管可伸进洞口，实现精准喷药。

(7) 施肥车在行进过程中，钻孔机构可以收缩，降低整车的高度，能避免与障碍物的触碰。

2 总体设计

2.1 设计思路

为实现上述预期目标，设备主体分为两大部分，分别负责打孔和施肥过程。设备整体安装在小型车辆上以便于实现设备的快速移动，减少工作人员的负担、提高工作效率。在打孔施肥的工作过程中需要做到施肥的精准定位，采用旋转机构控制以便实现精准定位。

根据项目要求，打孔深度最大为80 cm且能适应各种性质土壤性质。通过对比各类动力设备以及一些农业设备的相关资料，最终选定以液压马达来驱动钻头。钻头设备采用可伸缩的机构进行固定支承，以减小设备的整体高度，并且可以适当地进行角度旋转，以适应不同地形。根据项目要求，肥料为液体状态，故使用水箱承载肥料。使用螺旋输送泵输送肥料，经导管输送至施肥机构。设备下部设有回转机构，以便实现施肥精准定位。设备主要有车体、液压系统、PLC控制系统、钻孔装置、施肥装置等组成。采用触控屏人机界面，简化操作流程提高工作效率[5-9]。

2.2 液压系统

液压系统由油泵、油泵电机、油箱、控制阀、液压缸、液压马达和油管等组成。为适应不同的地理情况，要求钻头的转速可调，因此液压马达有调速功能。调速阀控制的调速回路能够完全满足要求且系统成本适中。本系统采用由调速阀和定量马达组成的阀控马达调速方案。通过液压缸控制伸缩机构将打孔机构移动到预定位置，两个液压缸共同控制钻头行程，在手动模式中可以根据需求控制钻孔深度。

2.3 控制系统

控制系统由PLC、触摸屏、编码器、步进电机驱动器等组成。电控系统选择PLC与触摸屏结合的方案，触摸屏可以设置PID参数，然后将指令发送到PLC。PLC 接收到指令后，根据自身的存储器的执行命令，进而对下场的电动阀或电磁阀进行控制[11-13]。

电气控制原理如图1所示。

图1 电气控制原理图

采用西门子200PLC作控制器，有数字量和模拟量输入和输出接口，可靠性强，可以满足控制要求。换向阀和水泵电机的控制信号为模拟信号，而液压缸和液压马达等液压系统为数字信号。在调整喷头的位置时，由控制器发出一定数量的脉冲来控制步进电机转动的角度，从而可以实现精确定位。采用触摸屏人机界面，触摸屏上有控制各个动作的按钮。可以设置施肥量的大小，钻头的速度，以及显示各种施肥机的各种状态和报警信号等。

2.4 控制界面设计

控制界面分为三个功能区域。首先是模式切换区域，可将工作模式在手动控制与自动控制间进行切换。其次为设备调整区域，有平移机构、旋转机构、施肥机构和打孔机构的相关控制按键。最后为参数区域，有系统内相关参数设置以及报警信息[14]。

人机交互设备采用触摸屏，并使用组态进行编辑。在触摸屏上可显示系统内的相关参数，且可对一些参数进行设置，以便于操作人员控制设备以及实现设备故障可视化。一些功能控制采用按键形式控制，以防因为操作人员的错误触碰而导致危险发生。

2.5 结构设计

以轻卡为车体将整套装置全部放置在车的后板上，在车体内安装有PLC触摸屏及按钮控制装置和电器柜等。肥料箱放置在焊接的肥料箱支架上，肥料箱支架通过螺丝连接车体上，肥料箱支架之间留有间隙，可以放置各种工具。车载配重自动调整装置安装在铁轨上运动，铁轨安装在车体上，车载配重自动调整装置通过固定在车体上的钢丝和滑轮组成一个运动链，与平移机构连接，形成一个相反的运动关系，给车体进行配重，防止车辆发生倾覆或侧翻。

用于肥料输送的螺旋输送泵安装在车体前部靠近肥料箱的位置，肥料中转箱安装在钻头支架上。

平移机构在铁轨上运动，铁轨固定在车体上，液压缸安装在平移机构上，给平移机构提供动力。

旋转机构安装在平移机构上，旋转机构通过安装在平移机构上的液压马达驱动齿轮，齿轮带动固定在旋转机构上的齿圈使旋转机构转动。

3 工作过程

施肥机到达目标位置后，点按按钮，施肥机主体部分开始旋转。有两个按钮，分别控制主体部分的旋转和平面移动，以便调整到最佳的施肥位置。施肥过程分为手动和自动两种工作模式。

手动模式：施肥机每进行一个动作都需要按动一个按钮。首先按下钻孔按钮，液压马达带动钻头开始旋转。然后再按下钻头下降按钮，液压马达带动钻头开始下钻，到达预定钻孔深度后，按钮钻头上升按钮，钻头提起。钻孔工作过程完成。然后按喷药按钮，旋转移动结构像左移动一定距离，使肥料管移动到孔上方，再按动施肥按钮，油缸带动伸缩管向下移动，当药管到距地面一定距离，水泵启动，开始施肥，施肥时间可以根据实际情况自行设定。施肥时间到后，水泵停止运转，油缸带动伸缩管向上移动，药管到达指定高度后，一个施肥过程结束。

自动模式：当钻头移动到位后，按下施肥按钮，整个施肥机会按照设定的程序完成一整套动作，不需操作员再反复操作，提高了劳动效率。

在施肥过程中肥料箱中的肥料靠重力作用落入螺旋输送泵中，经螺旋输送泵送至肥料中转箱中，旋转机构旋转一定角度，安装在钻头支架上的液压缸带动与其相连接的施肥伸缩管移动到打好的钻孔正上方，向下移动一定距离。安装在钻头支架上的步进电机带动与它连接的叶片转动，转动一定圈数，将定量的肥料输送到前面已经打好的孔里。

完成所有打孔与施肥任务后液压油完全收回，此时钻头支架基本成60°。通过旋转液压马达驱动齿轮，齿轮带带动齿圈使旋转机构旋转90°，使钻头支架与车体平行，此状态为车闲时的或道路上行驶的状态。设计成品如图2所示。

图2 成品展示图

4 结 语

根据设计方案，已完成设备的组装和试运行，并投入到实际使用中，预期目标基本达成。使用车辆搭载设备增强其机动性能，节省了设备搬运的时间，提高整体的工作效率。简化操作流程，降低操作人员的技术要求，便于操作。采用双肥料箱设计，可搭载两种肥料并以一定比例施肥以满足多种对象的需求，从而有效地提高资源的利用率，也可实现施肥和喷药两种功能之间的转换。