祝勇仁

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)系，杭州 310053)

果園開溝深施肥機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

祝勇仁

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械技術(shù)系，杭州 310053)

為提高果園開溝深施肥的生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，開發(fā)了由中大型柴油機(jī)作為動(dòng)力輸出的集開溝、施肥、覆土于一體的開溝深施肥機(jī)，提高了開溝深施肥的機(jī)械化程度。采用變速箱對(duì)來自柴油機(jī)的動(dòng)力輸出進(jìn)行分配，變速箱與行走輪帶傳動(dòng)連接，與開溝裝置和施肥裝置鏈傳動(dòng)連接。開溝裝置前端設(shè)置的破土鏟能有效降低開溝阻力，減少溝底回土。采用彎曲傾斜安裝的刀片可降低入土阻力，實(shí)現(xiàn)開溝功能，利于向外拋土。施肥裝置設(shè)有入料破碎器和下料粉碎器，能有效分解受潮結(jié)塊的化肥，使下料更均勻。覆土鏟在機(jī)器行走過程中實(shí)現(xiàn)覆土功能，上下升降固定地輪和覆土鏟的拉桿可調(diào)節(jié)開溝的深淺。該裝置具有溝型規(guī)范、拋土均勻、回土平整、開溝深淺可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，在降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)大大提升了果農(nóng)的生產(chǎn)效率。

果園；開溝；施肥

0 引言

國民生活水平的不斷提高使得水果已經(jīng)成為大眾繼糧食、蔬菜后的第三大農(nóng)作物。我國水果種植的面積和產(chǎn)量目前均居世界前列，隨著林果種植面積的不斷擴(kuò)大，對(duì)林果種植機(jī)械化的需求也日益突顯。目前，果園開溝、深施肥機(jī)機(jī)械化水平還較低，而施肥工序作為提高果園產(chǎn)量和水果的品質(zhì)顯得非常重要。目前，開溝施肥工作幾乎全由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重制約了果園生產(chǎn)的規(guī)?；l(fā)展。為提高開溝深施肥的效率，迫切要求通過機(jī)械化來替代繁重的體力勞動(dòng)[1]。國內(nèi)外有關(guān)果園開溝深施肥方面的機(jī)具仍然比較匱乏，相關(guān)的研究設(shè)計(jì)不多[2]，因而開發(fā)果園開溝深施肥機(jī)就顯得非常迫切 。為此，設(shè)計(jì)了一款柴油機(jī)帶動(dòng)的適合果園深施肥的自走式開溝機(jī)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

果園開溝深施肥機(jī)工作流程分三個(gè)步驟，即開溝、施肥、覆土[3]，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 開溝深施肥機(jī)工作原理

該開溝深施肥機(jī)利用開溝機(jī)的開溝功能、施肥箱的排肥功能和覆土鏟的回填土功實(shí)現(xiàn)整個(gè)開溝深施肥的全程自動(dòng)化作業(yè)。該機(jī)具采用柴油機(jī)作為動(dòng)力輸出，大大減輕了田間勞作的強(qiáng)動(dòng)力消耗。柴油機(jī)與變速箱是帶傳動(dòng)，變速箱內(nèi)的動(dòng)力通過齒輪傳動(dòng)。其中，一部分動(dòng)力通過鏈傳動(dòng)輸出到施肥箱，帶動(dòng)施肥箱進(jìn)行排肥；一部分通過鏈傳動(dòng)傳輸?shù)窖b有開溝裝置的軸上，帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)開溝器的旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)開溝過程；剩余的動(dòng)力則通過帶傳動(dòng)傳輸?shù)窖b有行走輪的軸上，帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)行走輪行進(jìn)，使得開溝深施肥機(jī)前行，完成開溝施肥動(dòng)作，懸掛在開溝深施肥機(jī)尾部的覆土鏟，在開溝深施肥機(jī)行走的過程中實(shí)現(xiàn)均勻覆土的功能。

1.機(jī)架 2.柴油發(fā)動(dòng)機(jī) 3.變速箱 4.固定架 5.施肥箱 6.扶手 7.曲柄螺栓 8.拉桿 9.地輪 10.覆土鏟 11.C型擋板 12.開溝裝置 13.破土鏟 14.行走輪圖1 果園開溝深施肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of orchard’s machine with ditching and deep fertilizing

1.3 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)傳動(dòng)設(shè)計(jì)以柴油機(jī)作為動(dòng)力輸出，變速箱以齒輪傳動(dòng)作為動(dòng)力分配系統(tǒng)。由于帶傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方便，因此通過帶傳動(dòng)動(dòng)力輸出到行走輪可以實(shí)現(xiàn)行走平穩(wěn)[4]；而鏈傳動(dòng)的效率高，且對(duì)安裝和制造的精度要求不高，因此開溝裝置和施肥箱采用鏈傳動(dòng)[5]。機(jī)具行走過程中，鏈傳動(dòng)帶動(dòng)開溝裝置完成開溝，同時(shí)帶動(dòng)施肥箱入料破碎器，入料破碎器與施肥箱上的鏈輪同軸安裝，該軸通過齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)下料粉碎器，能使肥料在下落的過程中加速，均勻落下，實(shí)現(xiàn)深施肥。傳動(dòng)方案如下圖2所示。

1.變速箱 2.帶輪(連柴油發(fā)動(dòng)機(jī)) 3.鏈輪(連施肥箱) 4.鏈輪(連開溝裝置) 5.帶輪(連行走輪) 6.機(jī)架圖2 變速箱傳動(dòng)方案Fig.2 Transmission scheme of gearbox

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)如下：

柴油機(jī)的輸出功率/kW：45;

輸出轉(zhuǎn)速/r·min-1：2200;

行走輪轉(zhuǎn)速/r·min-1：43;

行走輪直徑/mm： 700;

開溝器轉(zhuǎn)速/r·min-1：230;

最大開溝深度/mm：500;

溝寬：320mm。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 開溝器設(shè)計(jì)

果園開溝施肥一般是先用開溝機(jī)在果園內(nèi)順著果樹行向，每行開一條深、寬均為300～500mm的長形溝，然后人工進(jìn)行施肥、覆土[6]。國內(nèi)開溝機(jī)大多是單側(cè)開溝，作業(yè)效率較低，與中大型拖拉機(jī)配套的開溝機(jī)較少[7]。大多數(shù)的雙側(cè)懸掛式開溝機(jī)存在溝底殘留土帶的缺點(diǎn)[8],為此設(shè)計(jì)開溝機(jī)和施肥機(jī)相結(jié)合，一次性完成開溝、施肥、覆土的全程機(jī)械化新型開溝深施肥機(jī)，并與大中功率輪式拖拉機(jī)配套使用，實(shí)現(xiàn)雙側(cè)開溝、溝型規(guī)范、拋土均勻、回土平整、開溝深淺可調(diào)等功能，對(duì)其它農(nóng)業(yè)生產(chǎn)開溝作業(yè)，也是一種較為理想的開溝施肥設(shè)備。

設(shè)計(jì)果園開溝機(jī)參考圖1(去掉5、11)，在行走輪的后方安裝有破土鏟，破土鏟的底端設(shè)有一排尖齒狀結(jié)構(gòu)，目的是在開溝前先行破土，切斷土壤下的植物根系，減輕開溝阻力。開溝裝置如圖3所示。

1.轉(zhuǎn)動(dòng)座 2.旋耕刀 3.刀把 4.刀片 5.鏈輪架圖3 開溝裝置Fig.3 Ditching device

開溝裝置包括固定在機(jī)架底部的固定架、轉(zhuǎn)動(dòng)連接在固定架底部的轉(zhuǎn)動(dòng)座，轉(zhuǎn)動(dòng)座兩側(cè)間隔固定有旋耕刀，破土鏟的寬度需略大于兩側(cè)旋耕刀片間距，目的是使開溝后中間不形成凸起的溝土。旋耕刀由刀把與刀片組成，兩者成一定的角度θ(4°～8°)傾斜焊接而成，目的是便于向兩邊拋土；刀片設(shè)計(jì)成圓弧形彎曲的結(jié)構(gòu)，有滑切作用，不易纏草，具有松碎土壤的能力，這種形狀能夠保持適度的滑切角，可能減輕刀片入土阻力，有利于切割入土，減少對(duì)刀片的損傷，提高了刀片的使用壽命[9]。旋耕刀切土示意圖如圖4所示。

圖4 旋耕刀切土示意圖Fig.4 Structure of rotary blade

彎刀側(cè)刃曲線采用公式為

R=R0+Kφ

式中R—側(cè)刃上任一點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑；

R0—側(cè)刃初始半徑；

K—常數(shù)；

φ—位置度(極角)。

考慮到土地表面不平整等因素，要使旋耕刀切土?xí)r刀背不產(chǎn)生推土現(xiàn)象,則R應(yīng)滿足的條件為

式中 R—旋耕刀旋轉(zhuǎn)半徑；

H—旋耕深。

R越大，說明刀軸離地表距離越大,此時(shí)雖然機(jī)器的通過性提高了，但過大易導(dǎo)致旋耕刀的強(qiáng)度降低，會(huì)使機(jī)架尺寸變大[10]?？紤]果園開溝施肥的實(shí)際農(nóng)藝要求,應(yīng)在保證開溝深度的前提下適當(dāng)加大旋耕刀的回轉(zhuǎn)半徑,增加刀軸離地間隙。

常見的單圓盤開溝器存在側(cè)壓大、溝底不平等問題，設(shè)計(jì)的新的雙側(cè)開溝器基本解決了該問題。通過調(diào)整左右兩側(cè)旋耕刀組的距離L，可以實(shí)現(xiàn)雙行開溝，提高了開溝效率。當(dāng)L足夠小時(shí)(≤50mm),位于開溝器前的破土鏟先行破土，實(shí)踐應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)單行開溝，刀片的傾斜安裝使得旋轉(zhuǎn)時(shí)的可以實(shí)現(xiàn)向外拋土，防止溝中間形成回土凸尖。

肥溝的寬度為

K=2B+L

其中，B為單側(cè)刀切出的溝寬。設(shè)刀片寬W(如圖3)，則B=Wsinθ。

開溝機(jī)由變速箱內(nèi)的齒輪帶動(dòng)鏈輪軸傳動(dòng)。旋耕刀軸傳動(dòng)采用中間傳動(dòng)，由于鏈傳動(dòng)相對(duì)齒輪傳動(dòng)成本較低且操作簡單，同時(shí)結(jié)合開溝機(jī)的工作原理，選用中間鏈傳動(dòng)更合理[11]。開溝裝置后方的機(jī)架上安裝有覆土鏟，覆土鏟通過拉桿安裝在機(jī)架后端，并在拉桿上固定有地輪，通過圖1的曲柄螺栓調(diào)節(jié)拉桿的上移或下降來調(diào)節(jié)開溝的深淺。

2.2 施肥箱設(shè)計(jì)

在農(nóng)藝上，深施肥不但能提高肥效和節(jié)約肥料，還能促進(jìn)作物根系往下生長，有利于果樹增強(qiáng)抗旱、抗倒伏能力。深施肥箱作為開溝機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)開溝深施肥全程自動(dòng)化機(jī)械作業(yè)過程中的排肥機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到深施肥的成功與否。根據(jù)現(xiàn)有的情況看，目前的施肥箱對(duì)施肥量大小的控制，應(yīng)用連續(xù)無間隙調(diào)節(jié)的少。在潮濕天氣，受潮的化肥容易結(jié)塊，導(dǎo)致施肥過程中產(chǎn)生堵塞，使得排肥量不均勻，且僅靠化肥本身的質(zhì)量進(jìn)行自由下落的施肥過程對(duì)果園深施肥的效果不理想?，F(xiàn)有的裝置以施肥箱下加可調(diào)節(jié)的排肥口結(jié)構(gòu)居多，深施肥效果不夠理想。

為改進(jìn)上述施肥中產(chǎn)生的問題，設(shè)計(jì)了用于果園開溝機(jī)上的深施肥裝置，裝置由兩部分組成，即上部的施肥箱和下部的支撐施肥箱的支撐架。施肥箱包括上部分的儲(chǔ)肥箱和下部分的下料箱，下料箱的中部安裝有控制肥料下降通斷的抽板，抽板上方的下料箱內(nèi)安裝有入料破碎器，抽板下方的下料箱內(nèi)安裝有下料粉碎器，如圖5所示。

1.施肥箱支撐架 2.機(jī)架 3.下料箱下部 4.下料破碎器 5.下料箱 6.下料箱上部 7.入料破碎器 8.儲(chǔ)肥箱 9.蓋板 10.鎖扣 11.抽板 12.施肥量調(diào)節(jié)拉板 13.曲柄螺栓 14.拉手 15.從動(dòng)輪(齒輪) 16.主動(dòng)輪(齒輪) 17.鏈輪圖5 施肥箱與支架Fig.5 The fertilization box and holder

其中,機(jī)架、入料破碎器和下料粉碎器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖6 機(jī)架、入料破碎器和下料粉碎器結(jié)構(gòu)(數(shù)字代碼同圖5)Fig.6 Machine frame, structure of knapper and pulverizer

施肥箱下部傾斜固定在施肥箱支撐架上，通過施肥量調(diào)節(jié)拉板實(shí)現(xiàn)施肥量大小的連續(xù)無間隙調(diào)節(jié)，拉板由曲柄螺栓固定，易于操作。蓋板與儲(chǔ)肥箱活頁連接，防止施肥或運(yùn)輸過程中化肥的散落。儲(chǔ)肥箱上大下小，下料箱內(nèi)部垂直利于化肥利用自身的質(zhì)量自由下滑，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料。入料破碎器設(shè)置在儲(chǔ)肥箱與下料箱的連接處，布置交錯(cuò)的切割片，由鏈輪帶動(dòng)，由變速箱的鏈傳動(dòng)輸入動(dòng)力。下料粉碎器和入料破碎器通過齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力由與入料破碎器同軸的鏈輪帶動(dòng)。入料破碎器設(shè)計(jì)成扁長方體結(jié)構(gòu)，正反兩面布有交錯(cuò)斜放的切割片。工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)的切割片對(duì)化肥產(chǎn)生切割破碎作用，使得受潮結(jié)塊的化肥在下料時(shí)被分割成小碎塊；同時(shí)入料破碎器的扁長方體結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)的過程中還產(chǎn)生拍打的效果，使得分割后的碎塊進(jìn)一步散裂；斜設(shè)置的切割片在旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)入料的化肥產(chǎn)生旋壓，與內(nèi)壁和入料破碎器長方體板形成擠壓的效果，有效分解了散裂的大塊化肥，這種攪拌運(yùn)動(dòng)也加大了下料的速度，有利于深施肥。進(jìn)入下料箱的化肥具有較高的速度，在落到下方的下料粉碎器時(shí)被高速旋轉(zhuǎn)的下料粉碎器再次粉碎，通過C型擋板排入開出的溝中。經(jīng)過二次破碎的化肥能使的下料更均勻，同時(shí)下落的化肥在兩次旋轉(zhuǎn)中速度有所增加，有利于深施肥。

2.3 覆土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

覆土就是把開溝拋灑在兩邊的松土再次填回溝中，覆蓋化肥。覆土結(jié)構(gòu)懸掛在開溝深施肥機(jī)的尾部，設(shè)計(jì)的覆土結(jié)構(gòu)包括覆土鏟及地輪，兩者固定在拉桿上，地輪上端軸與固定架孔采用軸承過盈配合，可實(shí)現(xiàn)地輪的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)[10]。開溝深施肥機(jī)由行走輪帶動(dòng)前行時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)均勻覆土功能，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.地輪 2.軸承 3.覆土鏟 4.行走輪圖7 覆土結(jié)構(gòu)和行走輪Fig.7 Structure of covering soil and road wheel

3 試驗(yàn)與結(jié)果

果園開溝深施肥機(jī)的試驗(yàn)在一種植桔、梨等果樹的果園進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于平原區(qū)，質(zhì)地為壤土；年均降水量850mm左右；土壤含水率為9.4%(0～25cm)、12.3%(25～50cm)；堅(jiān)實(shí)度為246.5×104Pa；尿素施肥，施肥量為256kg/hm2。

本機(jī)具的開溝深淺可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，根據(jù)調(diào)整開溝深度后進(jìn)行的開溝施肥效果如表1所示。試驗(yàn)表明：該機(jī)開溝施肥可滿足果園農(nóng)藝要求，其中開溝深度的合格率和變異系數(shù)略好于開溝寬度。其原因在于旋耕刀在破土?xí)r由于植物根系、摩擦力及土壤土質(zhì)的影響，溝壁不夠平整所致。開溝寬度比設(shè)計(jì)值略小，是由于溝上的拋土重壓導(dǎo)致溝壁滑移產(chǎn)生的。表1表明：施肥量大于實(shí)際設(shè)計(jì)值，原因是土地的不平整導(dǎo)致機(jī)具行走時(shí)產(chǎn)生異常顛簸，導(dǎo)致排肥速度加速所致。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，機(jī)具在120m的行程內(nèi)未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，撒肥均勻，回土平整，較好地滿足了果園開溝深施肥的農(nóng)藝要求。

表1 果園開溝深施肥機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

Table1Experimentalperformanceresultsoftheorchard’smachinewithditchinganddeepfertilizing

測(cè)試項(xiàng)目實(shí)測(cè)值(平均值)合格率/%標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)/%開溝深度/mm45297.35.271.17開溝寬度mm31895.83.871.22施肥量/kg·hm-226496.95.662.14撒肥均勻回土平整

4 結(jié)論

針對(duì)果園人工開溝深施肥勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的現(xiàn)狀，開發(fā)了由中大型柴油機(jī)作為動(dòng)力輸出的集開溝、施肥、覆土于一體的開溝深施肥機(jī)，具有機(jī)械化程度高、溝壁整齊、溝底不留回土及開溝深淺可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，有效提升了果農(nóng)的生產(chǎn)效率。作為改進(jìn)，下一步可以在開溝裝置上進(jìn)行優(yōu)化，通過更換不同寬度轉(zhuǎn)動(dòng)座，配合使用不同寬度、高度的旋耕刀，即可實(shí)現(xiàn)溝寬、溝深的自由調(diào)節(jié)；另外，還可以在機(jī)架上設(shè)置座墊，操作人員可坐在座墊上進(jìn)行開溝操作，降低開溝的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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[11] 祝勇仁.果園開溝深施肥機(jī)：中國,ZL2015 1 0103489.X[P].2016-07-06.

Design of Orchard’s Machine Structure with Ditching and Deep Fertilizing

Zhu Yongren

(Department of mechanical technology，Zhejiang Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Hangzhou 310053,China)

To improve the production efficiency of orchard’s machine structure with ditching and deep fertilizing, reduce the labor intensity, the machine was developed , which was powered by the large diesel engine integrated of ditching, fertilizing and filling the soils . It improved the mechanization degree of deep furrow and fertilization. The power output from the diesel engine was distributed by gearbox which connects road wheel by belting leather transmission , fertilizing device by chain link. The groundbreaking shovel , at furrowing front-end, could effectively reduce trenching resistance, reduce soils back to groove. The bend blade with inclined installation could reduce the grave resistance, finished trenching function and threw soils outward. Fertilizer device was equipped with the material crushing and blanking pieces, which could decompose damp agglomerate fertilizer effectively, made the material evenly. Shovel turned the soils back to groove when machine is walking ahead. It could realize the depth of the ditch by lifting up and down rod fixed wheel and the shovel. It realizes the groove type specification and uniform soil, and trenching depth is adjustable. Not only reduces the labor intensity but also greatly enhanced the production efficiency of fruit farmers.

orchard; ditching; fertilizing

2016-10-09

專利項(xiàng)目：果園開溝深施肥機(jī)(ZL 2015 10103489.X,2016-07-06)

祝勇仁(1976-)，男，浙江江山人，副教授，(E-mail)zyr76@126.com。

S224.22

A

1003-188X(2017)12-0102-05