一种遥控式葡萄园一体化施肥机的设计.docx

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一种遥控式葡萄园一体化施肥机的设计

一种遥控式葡萄园一体化施肥机的设计

摘要

葡萄施肥是葡萄保质增产的一项必须的园艺制作工艺。

目前,我国多数葡萄园施肥仍采用人工作业，劳动强度大、工作效率低、施肥效果差，并且随着劳动力成本的不断提高和农村青壮年外出打工造成的劳动力短缺，葡萄园施肥机械化的需求越来越迫切。

葡萄园施肥的方式有两种：

地表施肥和深埋施肥。

但是由于葡萄园内部空间小，大棚葡萄园内部空间更小，而我国现有的施肥机多是与大型拖拉机配套，体积大，无法在现有狭窄的葡萄园内进行深埋施肥作业,除此之外，市场上还没有专门对葡萄园进行地表施肥的施肥机。

所以研制一台能在葡萄园内进行开沟、施肥、覆土、压实一体化作业的深埋施肥机，兼有地表施肥的功能，具有重要的现实意义。

针对目前我国葡萄农业的发展现状，设计了遥控式葡萄园一体化施肥机，施肥机主要由肥料箱、支架、丝杠、安装底板、动力系统、驱动系统、链条传动系统、转向系统、开沟系统、出肥系统、远程控制系统等组成。

通过利用三维软件Solidworks对各个零部件进行三维模拟，最后完成整个施肥机装配；通过理论计算，对各个零部件进行选型和参数设计。

关键词：

葡萄园；遥控式；地表施肥；深埋施肥；一体化作业

Abstract

Fertilizationisamusthorticulturalworkproceduresinvineyardsthatcanincreasesyieldandquality.Atpresent,themajorityoffertilizationisstillinmanualcompletioninChina,strenuosity,lowefficiency,pooreffectandalongwithrisinglaborcostsandtheshortageofyounglabor,thedemandformechanizationofvineyardsfertilizationisgrowingmoreandmoreintense.Therearetwofertilizationways:

surfacefertilizationanddeep-lyingfertilization.However,thespaceislittleinvineyards,anditissmalleringrapegreenhousegraden.Mostoffertilizationmachinesareworkingwithlargetractors;theyaretoolargetoworkinnarrowvineyards.Inaddition,themarkethasnofertilizationmachinesthatarespecificallyforsurfacefertilization.Sowedesignaremotelycontrolledintegrationoperationfertilizationmachine,withtheditching,fertilizing,earthingcompactingfunction,combiningwithsurfacefertilizationfunction:

ithasgreatrealsignificance.

Inthelightofcurrentdevelopmentofdomesticgrapefarmingandproduction,wedesignaremotelycontrolledintegrationoperationfertilizationmachine.Fertilizationmachinemaincontainsfertilizercanhold,.leadscrew,mountingplate,dynamicalsystem,drivingsystem,chaintransmissionsystem,steeringsystem,ditchingsystem,fertilizerdischargesystem,remotelycontrolledsystemandsoon.Byusingthree-dimensionalsoftwareSolidworks,wesimulationeverypartoffertilizationmachine.Atlast,wecompletethewholemachineryassembly.Throughtheoreticalcalculation,wecompletetheselectionoffertilizationmachinepartsandparametersdesign.Keywords:

vineyards;remotelycontrolled;surfacefertilization;deep-lyingfertilization;integrationoperation

第1章绪论

1.1课题背景

伴随着我国在新世纪产业结构的调整和优化，特色农业己成为农民致富增收的一条重要途径。

而由于目前葡萄的种植模式，生长期、成熟期内的葡萄施肥机械化水平较低。

根据实地考察，葡萄园的株距为20-25厘米左右，行距1-1.2米左右，且多为架式种植，这种种植模式在唐山地区占总种植面积的70%以上。

由于行距小，大型开沟机、与大型开沟及配套的微型施肥机及中型施肥机在葡萄园内都不能正常作业。

伴随现代科学技术的发展，化学肥料的运用也越来越广泛。

由于我国现代化农业起步较晚，农业机械化水平还不高，目前还没有专门对通道狭窄低矮的葡萄园进行开沟深埋施肥的施肥机。

改革开放以来中国快速发展，农业机械化水平有很大提高。

在新世纪，国内相关科学技术研究院、大学和企业围绕葡萄生产机械化开展了与葡萄机械相关的一些技术研究与产品开发，一些葡萄主产地己开始采用了已经上市的一些葡专用机械，用于葡萄生产过程中个别环节。

葡萄秧越冬埋秧机，解决了我国北方，例如山东、河北和东北地区，葡萄秧越冬埋土作业的困难，提高了生产效率，减轻了劳动强度，节省了投入，继而又出现了改良版，以适应在各样式的葡萄园内进行埋土作业，但是在除杂草、中耕松土、开沟深埋施肥、地表施肥、灌溉等葡萄园管理作业方面，在葡萄修剪、整形、收获等复杂作业环节上还是缺少相应的机械，在这些领域的研究和开发也投入不足，与欧美等发达国家成熟的葡萄生产全程机械化存在很大的差距。

葡萄园内过道本身比较狭窄，加上葡萄花芽长成支干至7到8个叶，长约60厘米时，支干横七竖八，通道就会更加狭窄。

有的葡萄秧会种在大棚内，通道狭窄的情况就会更加严峻；基于以上的情况，大中型机械都不太有可能进入葡萄园、大棚葡萄园内进行施肥。

开沟深埋施肥的一般流程：

开沟、施肥、覆土、压实，以上四个环节都是由人工进行的。

很多深埋施肥机都是大型机械，很难在葡萄园狭小的空间内进行作业，较小的施肥机只能完成开沟、施肥流程，最后的覆土和压实流程还是要人工完成；用大型机械进行开沟施肥，出土量会很大，再由人工进行覆土，无疑将会加大人工覆土、压实作业的困难，除此大型机械都是人工操纵，操作复杂，需要对人进行专业的操作训练，并且也存在着不便于维护的特点，在施肥过程中，由于工作环境的复杂情况，如果发生大型施肥机抛锚的情况，机械结构的复杂，会使维修时间很长，有时不得中断施肥作业，这就造成了资源的浪费，同时也会使施肥的效果大打折扣，由于大型机械的笨重特点，机械轮胎对葡萄园内的土质有较大伤害，轮胎的大压强会压实葡萄园内松软的土壤，长此以往伤害会逐渐加深，以后会很难恢复。

葡萄除了深埋施肥这种方式以外，还存在着地表施肥的情况。

目前，在农业机械领域还没有专门对通道狭窄低矮的葡萄园进行地表施肥的施肥机。

在现实生活中，一般都会采用人工施肥的方式。

地表施肥操作简单，劳动强度较小，但是这种施肥方式存在着肥料流失大、肥料利用率不高和施肥质量得不到保证等缺点，使农民朋友浪费大量的资源，现在已经逐渐被淘汰。

人工施肥存在着诸多的缺点，然而它有着一个深埋施肥不可比拟的优点：

葡萄秧吸收肥料快，见效快。

在葡萄的成熟期，葡萄的成熟是一个渐进的过程，采摘期一般达到5天到45天，在葡萄进行上色、增糖的过程中，对水肥的需求不是很大，反而对肥料的持续供应要求较高。

在葡萄的成熟期，如果出现水肥供应不足的情况，会使葡萄的品质出现质的变化，有“好果”变“废果”。

加上北方的秋天以晴天少雨为主，在葡萄的成熟期进行深埋施肥，再浇水，由于葡萄秧的根系大多都在地表5厘米以上，甚至是在地表层，而深埋施肥的开沟深度在10到15厘米以上，这样葡萄秧对肥料的吸收会很缓慢，不及在成熟期进行地表施肥再烧水使葡萄对肥料的吸收快。

除此之外，深埋施肥方式的施肥量较大，远超出葡萄的需求，而地表施肥方式的施肥量可以控制在很小的量，可以减少总的化肥量，减轻农民朋友的负担：

这样地表施肥方式在葡萄成熟期的效果将会优于深埋施肥方式。

葡萄秧的枝干生长方向基本不会受人为的控制，方向性有点杂乱无章。

当葡萄秧枝干长到7至8片叶时，就会进行摘顶处理，使葡萄秧吸收的肥料尽可能多的流向葡萄果。

而由于目前葡萄园的种植模式，在葡萄整个的生长期间葡萄园机械化水平较低，有的地区甚至没有与葡萄园相配套的机械。

据实地调查发现，由于行距较小，使得牵引式打药机、有机肥深施开沟机及小型葡萄园管理机都不能正常作业。

新种植的葡萄园行距稍有增加，葡萄园机械的通过性比老式的葡萄园好了一些。

葡萄园种植模式延用传统模式，架式和棚式；架式可以使得牵引式打药机、有机肥深施开沟机及小型葡萄园管理机能够正常作业，但篷式葡萄园不利于机具通过通道作业，尤其在结果以后，葡萄果对枝干的有下拉的作用，也会影响机具的通过性。

目前市场上的葡萄园机械，大多都是人工驾驶作业，但这些机械体积普遍较大，在葡萄园中行驶通过性差，而在葡萄的管理上，施肥是一项作业量大、劳动强度大的作业，另外在狭窄地段，山区梯田，大棚内开沟作业时，大型拖拉机不能进入，人工开沟劳动强度大，效率低。

1.2研究意义

葡萄，一种浆果，是世界上分布最广泛的水果之一，人类在很早以前就开始栽培这种果树，其浆果多为圆形或椭圆，色泽随品种而异。

其营养价值很高，可制成葡萄汁、葡萄干和葡萄酒，粒大、皮薄、汁少、味美，皮肉易分离,味道酸甜可口，耐贮运的欧亚种葡萄又称为提子，一般成簇生长，有黄绿色、红色、黑蓝色或紫色，果肉外有层薄皮，皮外有薄霜，有些品种无籽。

葡萄既可做水果生食，也可酿酒或制作葡萄干，此外还可用做装饰。

葡萄因颜色鲜艳、味道鲜美，具有很高的营养价值，被人们称为“水晶明珠”。

葡萄富含镁、维生素C和铁，有一定的药用价值，是重要的滋补品。

因此，多食用葡萄，饮用葡萄汁和适量葡萄酒，有益于防治贫血、肝炎等疾病。

葡萄的含糖量中一半是果糖，果糖不经过胃腺就可被人体直接吸收，因此，葡萄及其产品对预防糖尿病有重要意义。

目前，在我国大面积栽种的葡萄是巨峰。

巨峰葡萄具有草莓香味，在山东、河北等华北平原地区广泛种植。

4月中旬萌芽，5月末开花，7月下旬果实成熟。

采用日光栽培，8月下旬、9月上旬即可成熟上市。

巨峰葡萄晶莹剔透，些里透红，以其粒大，色艳、汁多、味美、具芳香味著称。

在整个生长期，葡萄栽培实施套袋技术，袋为白色微透明纸质袋，避免了各种污染，保证果实无公害，具有较强的市场竞争优势。

葡萄己成为我国发展速度最快的果树种类之一。

据联合国粮农数据统计，2008年世界葡萄栽培面积约740.81公顷，总产量约为6770.85万吨；我国葡萄栽培面积约43.83万公顷，居世界第5位，总产量约728万吨，仅次于意大利，鲜食葡萄产量更是高居世界第一位。

葡萄是我国水果生产和农业生产的重要产业，20世纪80年代以来，我国实行改革开放政策，农业结构进行调整和葡萄酿酒业的发展，促使葡萄种植开始以空前速度迅猛发展。

由于葡萄具有生态适应性强、结果早、易丰产、经济效益高等优点，通过种植葡萄促进了农民增收和农村发展。

但与之不相适应的是葡萄种植生产管理过程中的低机械化程度，直接影响到农民种植葡萄的积极性。

多年来，国内有关科研院所和企业围绕葡萄生产机械化也开展了一些技术研究与产品开发，但主要还集中在开沟种植、埋藤、旋耕除草、培垄施肥、旋耕松土、病虫害防治等田间作业，在深埋式施肥一体化的研发还很少。

长期以来，葡萄的深埋施肥作业，一直以人工开沟为主，即使有机械作业，部分环节还是需要人工去完成。

每年葡萄除施有机肥外，还要追加3-5次的化肥。

繁重的人工作业，不仅占用了大量劳动力，增加了生产成本，而且施肥质量难以保证，影响葡萄品质。

落后的施肥方式己经成为了阻碍整个葡萄产业发展的瓶颈，满足不了葡萄产业快速迅猛发展的需要，甚至是拖慢了葡萄产业的快速发展。

基于此，农民有着实现深埋施肥和地表施肥机械化作业的强烈愿望。

针对上述情况，研制出葡萄园化肥深施机械对于促进规模化种植葡萄，促进葡萄产业的发展，具有重要的现实意义。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外葡萄的发展

在国外，葡萄园采用统一的篱壁架，实行宽行栽植，采用统一的规范化的修枝整形方法，树干直立，枝蔓绑缚方向一致，成为实现葡萄园高度机械化的关键。

近年来，许多国家一直在寻求易于实现葡萄园全面机械化的葡萄植株整形方法，有些方法己得到了广泛的推广和应用，效果极其显著。

这些适宜机械化作业的植株整形为葡萄机械创造了良好的条件，可以使葡萄专用机械趋向标准化、通用化，以减少机型，便于不同地区的使用。

欧美国家对葡萄园施肥相当重视，固体厩肥多经过处理，以液态施用较多，施用的方法多与施液态氨肥相同，采用注入法施人葡萄植株两侧。

有些施肥机装在高架底盘上，可同时施两行或四行。

他们也将剪下的葡萄枝条同时切碎埋人行间作为肥料。

苏联很早使用了YOM-50型及近年来生产的YX-2型固体厩肥施肥机施用厩肥，这种施肥机将肥料装入可自动倾斜的肥箱料内，肥料靠自重流到固定肥料箱的输送链上，通过输送链的输送落入开沟器开的沟内，并用覆土镇压器覆土。

YX-2型与YOM-50型所不同的是输送链耙安置在肥料上面，随着肥料的减少，链耙自动降落，这样传送消耗的功率可以减少。

化肥多采用中耕施肥机施用，可同时施两行，每行距葡萄植株30cm处。

施肥刀多为凿式或靴式。

液氨施用得也非常普遍，除采用注入法施用外，也有采用深沟施肥法，用施肥刀开40-50cm深沟施入肥料。

有些国家还采用灌溉施肥法，在葡萄园内地下铺设了管道，结合喷灌和滴灌，将肥料事先注入过滤器内，随水一起流到地里。

1.3.2国内葡萄的发展

近些年来，随着中国创造口号的提出，中国在机械领域的创新进入了快车道。

大量的农用机械也如雨后春笋般地涌现出来。

目前，中国制造的各种机械风靡全球。

但是，主流的施肥机还是由拖拉机驱动。

由于大型拖拉机自重很大，加上其他开沟和施肥的设备，重量远超2吨。

过沉的重量将会使葡萄园内的松软土壤无法承受，过大的压强将会使葡萄园内产生拖拉机车辙印，严重时会影响葡萄园在雨季时的排水。

如果多次进行施肥，对葡萄园内的土进行压实，会严重影响葡萄的生长：

使葡萄秧吸收水肥变得困难，由于供气量的不足，对葡萄秧的呼吸作用造成影响，最终会影响葡萄的果品和色相。

多年来，我国的葡萄园施肥主要有以下几种方法：

（1）开沟深埋施肥（图1.1、图1.2）。

开沟深埋施肥需要经过人工开沟、施肥、覆土、压实四个流程，需要投入大量的劳动力，并且生产效率低下、施肥质量差。

（2）地表施肥。

人工将肥料撒于葡萄渠中，然后通过及时浇水，使肥料随着水下渗。

地表施肥会使大量的化学肥料长期残留于地表，如果浇水不及时，施肥效果几乎为零。

通过浇水使肥料下渗，不仅污算环境，使肥料大量流失，还有可能污染地下水，为有害物提供温床，滋生霜霉病、白腐病、炭疽病等葡萄园常见病害，引来大量苍蝇繁殖，加速病菌的传播蔓延。

（3）大型机械施肥。

上世纪，我国在引进国外技术的基础上，开始研制符合中国国情的葡萄园化肥深施机。

为解决人工施肥的高强度劳动，己有专用的葡萄施肥开沟机进入葡萄园内工作，代表机型有山东省高唐县广源机械有限公司研制的葡萄园施肥开（挖）沟机（图1.3），该配套拖拉机功率18.3-70kW，工作速度50-600m/h，油缸压16MPa，开沟宽度效率很高，是人工的30-100倍。

图1.1

图1.2

图1.3

1.3.3我国目前市场上主流葡萄园施肥机一览

图1.4

图1.4所示施肥机为与开沟机械配套的撒肥机，由开沟机械牵引，最终的覆土、压实过程再由人工进行，表1.1为具体参数。

表1.1

型号

重量

生产单位

装肥容量

160型

20

南宫市金丰机械制造有限公司

100kg

图1.5

图1.5所示施肥机由人工驱动，施肥效率低，劳动强度较大，表1.2为具体参数。

表1.2

型号

重量

外形尺寸

施肥深度

生产单位

QFJ20-I

18

1200

400

上海杰魁森实业有限公司

图1.6

图1.6所示施肥机为开沟、撒肥施肥机，由人手扶操纵，表1.3为具体参数。

表1.3

型号

重量

外形尺寸

施肥深度

生产单位

SF170F

60kg

1600×650mm

20mm

河北沃能机械设备制造有限公司

图1.7

图1.7所示为开沟机，需要与施肥设备配套才能达到施肥的目的，通过人手扶操作，表1.4为具体参数。

表1.4

重量

耕宽

耕深

生产单位

150-300kg

150-300mm

120kg

山东曲阜鲁轩机械厂

图1.8

图1.8所示施肥机为开沟、打农药机械，由人手扶操纵，表1.5为具体参数。

表1.5

型号

驱动方式

生产单位

HBJX-10

柴油机

曲阜宏博机械

图1.9

图1.9所示为开沟、施肥机械，由柴油机驱动，人手扶操纵,表1.6为具体参数。

表1.6

型号

重量

耕深

生产单位

HXSH-35

150kg

12月25日

宏鑫机械

1.4论文主要内容

基于上述所述内容，本论文主要研究设计了一种能在狭窄的葡萄园内进行深埋施肥的一体化施肥机：

它能够在狭窄的露天葡萄园内、大棚葡萄园内进行开沟、施肥、覆土、压实一体化深埋施肥作业，还能进行地表施肥，一举两得。

为了减少人的劳动量，施肥机由发动机驱动，由远程遥控装置控制施肥机的转向和离合器的“离”和“合”；转向系统动力由步进电机提供，转向系统原理为双摇杆机构；施肥机的出肥方式为螺旋轴旋转出肥，这样就可以保证出肥的连续性和定量性；施肥机的压实轮上有弹簧，可以根据实际情况自动调节高度，提高压实的质量；施肥机开沟由开沟刀具完成，动力由发动机驱动，开沟刀具上有瓦盖，可以防止泥土飞溅；施肥机肥料箱上装有耳板，可以调节肥料箱与机架的相对位置，施肥机的动力系统也可以移动位置，进而调节链条的张进度。

遥控式葡萄园一体化施肥机具有结构简单、体积小、安全可靠、实用性强的优点，具有远程控制功能，能够在空间狭小的葡萄园内通过远程遥控器自动完成开沟、施肥、覆土和压实全流程作业，，还可以完成地表施肥，一机两用。

施肥机机械化程度高、劳动强度低、维护和操作均简单，可确保施肥质量和肥料利用率，对葡萄农业的发展具有很重要的影响。

第2章方案设计

2.1施肥机的总体设计

施肥机由肥料箱、支架、丝杠、安装底板、动力系统、驱动系统、链条传动系统、转向系统、开沟系统、出肥系统、远程控制系统等组成，动力系统有汽油发动机、离合器、减速器，驱动系统有后轮驱动轴和后轮，链条传动系统有链盒、链条、链轮，转向系统有连杆、摇杆、摇杆驱动杆、步进电机、转向前轮，开沟系统有开沟刀具驱动轴、开沟刀具、瓦盖，出肥系统有梯形螺纹拨肥轴、出肥口、肥量调节器、鼓风机，远程控制系统有遥控器、远程控制接收电路、解码电路、驱动控制电路，电源。

遥控式深埋施肥机的动力来源于动力系统，汽油发动机通过离合器为减速器提供动力，减速器输出轴装有多个链轮，通过链条传动系统将动力传递给出肥系统和驱动系统，出肥系统通过链条传动系统驱动开沟系统；动力系统安装在安装底板上，可以调节与安装底板的相对位置，这样可以调节链条的张紧度。

肥料箱的底部开设有孔，安装有出肥系统中的出肥口，肥料箱的内部设置有出肥系统的梯形螺纹拨肥轴，肥料箱底部有托板，放置出肥系统中的鼓风机；肥料箱上有耳板，通过螺栓安装在机架上，耳板上开有槽口，可以适当调节肥料箱与机架的相对位置，进而调节链条传动系统中的链条张紧度。

施肥机支架固定并由支架承托肥料箱，依次在支架底部设置有动力系统、链条传动系统、转向系统、开沟系统、出肥系统、远程控制系统，转向系统和驱动后轮安装在施肥机的最下方，用于支撑施肥机前进。

丝杠将转向系统与支架相连，丝杠用于调节转向系统中转向前轮落地地面与支架的距离、调节开沟刀具与地面的距离、以及调节开沟刀具在非工作状态离开地面。

安装底板在支架的后、下位置，安装底板的底面设置有覆土器和压实轮，安装底板的顶面有动力系统以及与动力系统中的离合器和转向系统中的步进电机均相连的远程控制系统，覆土器为开口朝向开沟方向的弯弧形刮土板，压实轮上设置有弹簧、用于根据实际工作情况调节压实轮与地面的距离，使把覆土压到合适的程度。

动力系统中的发动机通过离合器与减速器输入端相连，离合器为电磁离合器，常“离”，可以通过远程控制实现离合器的“离”和“合”，离合器的控制通过继电器与远程控制系统相连，达到低压电路控制高压电路的目的。

驱动系统安装在机架的最下方，驱动后轮轴通过链条传动系统与动力系统中的减速器相连，驱动施肥机前进。

链条传动系统用于各个系统动力传输的连接，链轮和链条外有链盒，用于保护链轮和链条能够在平稳状态下运行。

转向系统的连杆的两端均连接有摇杆，摇杆驱动杆的一端与连杆相连、另一端连接安装有转向前轮摇杆，当人通过远程控制装置发出转向信号时，远程控制系统控制转向系统中的步进电机转动，使摇杆驱动杆“伸”或“缩”，进而使摇杆转动，转向前轮也会相应转过相同的角度，实现转向。

开沟系统中的开沟驱动轴通过链条传动系统与出肥系统中的梯形螺纹拨肥轴相连，通过驱动开沟驱动轴使开沟刀具绕开沟驱动轴旋转，实现开沟功能，开沟刀具的外围设置有瓦盖、用于防止开沟出的土壤飞溅，瓦盖通过安装板固定于支架。

出肥系统中的梯形螺纹拨肥轴通过链条传动系统与动力系统相连，螺旋型的拨肥轴定速转动的情况下可以将肥料均匀地从肥料箱中旋出，从而排除了肥料自重对出肥量的影响，出肥口设置有肥量调节器，肥量调节器为闸板，闸板与出肥口垂直相交，通过调整肥量调节器，达到调节施肥量的目的，鼓风机用于地表施肥时使用，将肥料吹散，均匀地撒入葡萄渠中。

远程控制系统包括用于远程控制施肥机、遥控器和远程控制接收电路进行无线通讯，同时远程控制装置用于遥控离合器，动力系统通过链条传动系统驱动开沟刀具、螺纹拨肥轴和驱动后轮实现同步开沟、施肥和行走；步进电机与远程控制装置相连，通过接收远程控制装置的控制信号驱动摇杆转动后带动转向轮转向。

开沟刀具、出肥口、覆土器和压实轮同轴依次排列，开沟驱动轴、螺纹拨肥轴、后轮驱动轴和减速器的输出轴均安装有链轮。

当进行深埋施肥方式作业时，关闭鼓风机，旋转丝杠，调节开沟系统与地面到合适距离，调整肥量调节器使出肥量达到要求，由动力系统提供源动力，驱动施肥机前进、开沟系统进行开沟、出肥系统将肥料从肥料箱中均匀旋出，肥料由出肥