劉彪 肖宏儒 宋志禹

摘要：果園施肥是果園種植中的一個(gè)重要作業(yè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的果園施肥機(jī)械大多都是針對(duì)顆粒肥的，只有部分施肥機(jī)械可以施有機(jī)肥，但施肥深度達(dá)不到要求或需要人工覆土，勞動(dòng)量大。針對(duì)這種情況，研究一種果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī);介紹該施肥機(jī)的機(jī)械組成、工作原理并分析旋切施肥部件作業(yè)時(shí)的力學(xué)性能，建立相關(guān)力學(xué)方程，進(jìn)行定性分析;確定前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、施肥深度為主要影響因素，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和優(yōu)化，得出因素水平的最優(yōu)參數(shù)組合，即前進(jìn)速度為0.1 m/s、刀軸轉(zhuǎn)速為250 r/min、施肥深度為20 cm，此時(shí)功率為1.75 kW，土壤和肥料混合均勻性差異系數(shù)為20.31%，碎土率為81.36%。結(jié)果僅對(duì)果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)作業(yè)提供參考。

關(guān)鍵詞：果園機(jī)械;旋切施肥;力學(xué)性能;試驗(yàn)分析;優(yōu)化

中圖分類號(hào)： S224.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2019）01-0230-07

隨著生活水平的提高，人們對(duì)水果的需求也越來(lái)越大。我國(guó)果園種植面積也在不斷增加，目前已成為世界上果園種植面積最大的國(guó)家。果園施肥技術(shù)是影響水果品質(zhì)和產(chǎn)量的重要因素之一[1]。目前我國(guó)的果園施肥機(jī)械類型主要有果園開(kāi)溝施肥機(jī)和果園挖穴施肥機(jī)，這2種類型的果園施肥機(jī)主要是針對(duì)顆粒肥的，不適用有機(jī)肥（如廄肥等）的機(jī)械化施肥。同時(shí)，根據(jù)果園施肥的深度要求，施肥深度應(yīng)該位于 20～40 cm范圍內(nèi)且深度越高一般肥料的利用率越高[2-5]。施肥深度過(guò)低不利于肥料的吸收利用，施肥深度過(guò)高也會(huì)造成肥料的利用率低，達(dá)不到經(jīng)濟(jì)作物種植的要求?，F(xiàn)有的集施肥、覆土于一體的果園施肥機(jī)施肥深度達(dá)不到 40 cm，滿足不了果園施肥深度的要求，降低了肥料的利用率。為了提高肥料的利用率，增加果樹(shù)的產(chǎn)量和質(zhì)量以及機(jī)械化施有機(jī)肥（如廄肥等）的果園施肥機(jī)械，本研究設(shè)計(jì)了一種果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)，分析了旋切變深施肥機(jī)力學(xué)特性，并進(jìn)行試驗(yàn)。

1 有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)主要由機(jī)架、液壓缸、前旋切機(jī)構(gòu)、后旋切機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)箱、施肥部件以及變速箱等部分組成。輸入動(dòng)力傳給變速箱后，經(jīng)過(guò)變速箱的分流，一部分傳遞給前旋切刀軸，另一部分傳遞給后輸入軸，后輸入軸與鏈輪傳動(dòng)箱前端相連，鏈輪傳動(dòng)箱后端與后旋切刀軸相連，液壓缸通過(guò)鉸鏈固定在機(jī)架和鏈輪傳動(dòng)箱上，旋切機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓缸的調(diào)節(jié)作用來(lái)控制后旋切刀軸，實(shí)現(xiàn)對(duì)果園施肥深度的調(diào)節(jié)。

1.2 整機(jī)工作原理

傳統(tǒng)的果園施肥機(jī)械主要為開(kāi)溝施肥機(jī)，施肥方式一般為開(kāi)溝-施肥-覆土，而開(kāi)溝施肥機(jī)主要存在的缺點(diǎn)為所施肥料種類大多為顆粒肥，不能進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)，施入土壤后的肥料主要位于所開(kāi)溝槽的底部，不能布滿所開(kāi)溝槽的整個(gè)空間范圍，降低了肥料的利用率。有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)在果園進(jìn)行作業(yè)時(shí)，動(dòng)力機(jī)輸出軸輸出的動(dòng)力傳遞給旋切施肥機(jī)的輸入軸，經(jīng)過(guò)旋切施肥機(jī)的輸入軸再傳遞給變速箱，經(jīng)過(guò)變速箱的分流，一部分動(dòng)力傳遞給前旋切刀軸，另一部分動(dòng)力通過(guò)其他方式傳遞給后旋切刀軸，通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)后旋切刀軸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)果園施肥深度的調(diào)節(jié)，該機(jī)在對(duì)果園施肥時(shí)，前旋切刀先對(duì)土壤進(jìn)行旋切，后旋切刀在前旋切刀的基礎(chǔ)上再對(duì)果園土壤進(jìn)行旋切，經(jīng)過(guò)前后2旋切刀對(duì)土壤的分層旋切，進(jìn)而達(dá)到果農(nóng)對(duì)果園施肥深度的要求。該機(jī)作業(yè)時(shí)，前后2組旋切刀軸的轉(zhuǎn)向相反，前旋切刀軸正轉(zhuǎn)，把位于土壤表層的肥料拌于土壤底層，后旋切刀軸反轉(zhuǎn)，在前旋切刀軸旋切的基礎(chǔ)上把肥料進(jìn)一步施于更深處，同時(shí)使肥料與土壤混合均勻，以提高肥料的利用率。主要參數(shù)如表1所示。

2 旋切部件切削力學(xué)模型建立及阻力因素分析

果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)作業(yè)時(shí)，前、后2組旋切刀軸同時(shí)進(jìn)行工作，輸入動(dòng)力傳遞給變速箱后，經(jīng)過(guò)變速箱的分流，一部分傳遞給前旋切刀軸，另一部分傳遞給后旋切刀軸，前旋切刀軸正轉(zhuǎn)，后旋切刀軸反轉(zhuǎn)，在2組旋切刀軸的共同作用下完成可調(diào)深度的旋切施肥作業(yè)，該機(jī)動(dòng)力的傳遞路線如圖2所示。因此在對(duì)旋切刀軸進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)分別對(duì)前、后旋切刀軸進(jìn)行力學(xué)分析。

2.1 前旋切刀軸力學(xué)分析

如圖3所示，前旋切刀軸上的刀在作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)?shù)肚腥胪寥乐袝r(shí)會(huì)受到土壤對(duì)刀片的阻力作用，此阻力產(chǎn)生的力矩與前旋切刀軸上的驅(qū)動(dòng)力矩大小相等，方向相反。由于有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)作業(yè)時(shí)前旋切刀軸正轉(zhuǎn)，因此以順時(shí)針?lè)较驅(qū)π械遁S進(jìn)行受力分析。為了便于力學(xué)分析和計(jì)算，以刀軸軸心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，刀與土壤作用時(shí)切削點(diǎn)受到的土壤阻力為F，將阻力F分別沿著直角坐標(biāo)系的x、y軸進(jìn)行分解，得到土壤阻力F在x、y軸方向上的分力F2、F1。用力學(xué)的等效原則，把力F1、F2向直角坐標(biāo)系的原點(diǎn)O等效，得到力F1′、F2′，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)阻力矩T，力的大小和方向與等效前力的大小和方向一樣。

2.3 旋切部件阻力因素分析

通過(guò)“2.1”“2.2”節(jié)的分析可知，果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)作業(yè)時(shí)，施肥深度、刀片數(shù)量、傳動(dòng)比以及土壤特性等情況都會(huì)影響土壤阻力的大小。果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)作業(yè)時(shí)，前、后2組旋切施肥部件同時(shí)進(jìn)行旋切施肥作業(yè)，機(jī)器工作過(guò)程中遇到的阻力主要為刀片與土壤相互作用過(guò)程中產(chǎn)生的土壤阻力。該機(jī)與傳統(tǒng)的果園施肥機(jī)械相比有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）在施肥深度和寬度相同的情況下，由于該機(jī)采用前、后2組刀軸在不同施肥深度范圍內(nèi)共同作業(yè)，從而避免了因施肥深度增加而土壤阻力急劇增大的情況。（2）該機(jī)前、后2組旋切施肥部件轉(zhuǎn)向相反，作業(yè)時(shí)前旋切刀軸正轉(zhuǎn)，把位于土壤表層的肥料拌于土壤底層，后旋切刀軸反轉(zhuǎn)，在前旋切刀軸旋切的基礎(chǔ)上把肥料進(jìn)一步施于更深處，同時(shí)使肥料與土壤混合均勻，可提高肥料的利用率。（3）該機(jī)作業(yè)時(shí)可以根據(jù)需要對(duì)施肥深度進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大施肥深度可達(dá)40 cm。

3 主要部件設(shè)計(jì)

3.1 旋切刀軸

果園旋切施肥機(jī)在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，前、后2組旋切刀軸同時(shí)工作，旋切刀軸所受的力是旋切刀所受力的合成。旋切刀軸有實(shí)心和空心2種形式，在實(shí)際應(yīng)用中常選用空心刀軸，因此本研究旋切刀的刀軸采用空心形式。前旋切刀軸的動(dòng)力通過(guò)變速箱的輸出動(dòng)力得到，通過(guò)軸承固定在機(jī)架上，完成對(duì)淺層土壤的旋切作業(yè)。后旋切刀軸的動(dòng)力通過(guò)鏈輪傳動(dòng)箱中的鏈輪獲得，并將其通過(guò)軸承與鏈輪傳動(dòng)箱相連，完成對(duì)深層土壤的旋切作業(yè)。在前、后2組旋切刀軸的共同作用下，完成對(duì)果樹(shù)的施肥。

3.2 液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

在對(duì)果園施肥時(shí)，由于后旋切刀軸的旋切深度可調(diào)，因此對(duì)后旋切刀軸采用液壓缸進(jìn)行旋切深度調(diào)控。選擇符合要求的液壓缸，將其一端通過(guò)鉸鏈固定在機(jī)架上，另一端通過(guò)鉸鏈與鏈輪箱相連。液壓缸的液壓油路與拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行連接，工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)來(lái)控制后旋切刀軸的旋切施肥深度。

4 試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

由于在田間作業(yè)時(shí)不易于測(cè)量刀軸轉(zhuǎn)速和功率等相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，因此本試驗(yàn)于江蘇大學(xué)土壤試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行。如圖6所示，該土槽長(zhǎng)度為17 m，寬度為2 m，土槽內(nèi)的土壤從果園中獲取。試驗(yàn)前對(duì)土槽內(nèi)土壤進(jìn)行整理：（1）每次試驗(yàn)前都要翻土，敲碎板結(jié)的土塊，均勻適量灑水;（2）將土壤進(jìn)行分層壓實(shí);（3）灑水、壓實(shí)后的土壤放置約1 d，使土壤中水分均勻滲透。試驗(yàn)時(shí)測(cè)得土壤的平均含水率約為24%。依據(jù)GB/T 20346.1—2006《施肥機(jī)械 試驗(yàn)方法》、GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件 測(cè)定方法的一般規(guī)定》等相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和JB/T 9803.2—1999《耕整機(jī) 試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)功率、土壤和肥料混合的均勻性差異系數(shù)、碎土率等試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)及其測(cè)試方法

4.2.1 功率 本試驗(yàn)通過(guò)安裝的傳感器來(lái)測(cè)量相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和扭矩，再根據(jù)功率與轉(zhuǎn)速和扭矩之間的關(guān)系式間接測(cè)出所需功率的大小。功率計(jì)算公式為P=T×n9 550。

4.3.1 數(shù)據(jù)處理 該試驗(yàn)采用SAS 9.4軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析 由表3可知，以功率作為試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，各試驗(yàn)因素水平的較優(yōu)組合為A1B3C1，各因素作用的影響順序?yàn)榍斑M(jìn)速度>施肥深度>刀軸轉(zhuǎn)速;以土壤和肥料的混合均勻性變異系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，各試驗(yàn)因素水平的較優(yōu)組合為A1B3C3，各因素作用的影響順序?yàn)橐郧斑M(jìn)速度>刀軸轉(zhuǎn)速>施肥深度;以碎土率作為試驗(yàn)指標(biāo)時(shí)，各試驗(yàn)因素水平的較優(yōu)組合為A1B3C3，各因素作用的影響順序?yàn)橐郧斑M(jìn)速度>刀軸轉(zhuǎn)速>施肥深度。

5 討論

果園的施肥方式主要有開(kāi)溝施肥和挖穴施肥，即由施肥機(jī)進(jìn)行開(kāi)溝和挖穴，人工在所開(kāi)的溝槽或穴內(nèi)進(jìn)行施肥，然后再由人工進(jìn)行埋土，加大了勞動(dòng)強(qiáng)度以及人工成本。雖然也有部分施肥機(jī)可以對(duì)果園機(jī)械化施肥，但大多是針對(duì)顆粒肥的機(jī)械化施肥，不能施像廄肥這樣的有機(jī)肥。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)不僅可以進(jìn)行機(jī)械化施肥，也可以對(duì)果園進(jìn)行廄肥的機(jī)械化施肥。該機(jī)在試驗(yàn)時(shí)僅考慮了前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速、施肥深度對(duì)指標(biāo)影響的大小，并沒(méi)有考慮土壤平整度以及土壤類型對(duì)指標(biāo)的影響情況。因此，本試驗(yàn)的研究結(jié)論僅在特定的土壤含水率、土壤平整度以及堅(jiān)實(shí)度條件下適用，對(duì)于其他土壤特征形式仍需要更加深入的研究和分析。

6 結(jié)論

分析了果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)作業(yè)時(shí)的力學(xué)性能，根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系建立了驅(qū)動(dòng)力與土壤阻力之間的關(guān)系，并建立了驅(qū)動(dòng)力矩與阻力矩的力學(xué)方程，找出了在作業(yè)過(guò)程中影響土壤阻力大小的相關(guān)因素。

果園有機(jī)肥旋切變深施肥機(jī)集旋切-施肥-覆土于一體，降低了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，改變了傳統(tǒng)果園的施肥方式;同時(shí)，不僅施肥量可以根據(jù)果園的需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，施肥深度也可根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)且最大施肥深度可達(dá)40 cm。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，在施肥作業(yè)的過(guò)程中影響綜合指標(biāo)的因素按照試驗(yàn)分析的結(jié)果排序?yàn)榍斑M(jìn)速度>刀軸轉(zhuǎn)速>施肥深度，相關(guān)因素各水平的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C1，即前進(jìn)速度為0.1 m/s，刀軸轉(zhuǎn)速為250 r/min，施肥深度為20 cm，此時(shí)功率為1.75 kW，土壤和肥料混合均勻性變異系數(shù)為20.31%，碎土率為81.36%。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建剛，侯宗海，董元華. 豐縣果樹(shù)施肥的現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及建議[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，26（11）：79-81，86.

[2]平吉成，陳 宇. 寧夏引黃灌區(qū)果園施肥針對(duì)性和施肥深度問(wèn)題調(diào)查分析[J]. 北方園藝，2000（2）：28-29.

[3]郭文龍，郭俊煒，黨菊香. 基于果園土壤肥力評(píng)價(jià)和測(cè)土施肥的土樣采集適宜深度的研究[J]. 陜西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007（4）：63-64.

[4]劉 彪，肖宏儒，宋志禹，等. 果園施肥機(jī)械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（11）：263-268.

[5]趙 娜，劉全清，陳延軍，等. 曲周縣蘋果園施肥現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013（1）：41-42.

[6]奚小波，繆 宏，趙 荔，等. 大耕深旋耕刀激光沖擊強(qiáng)化殘余應(yīng)力研究[J]. 高壓物理學(xué)報(bào)，2015，29（1）：52-58.

[7]趙亞祥. 旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)其作業(yè)性能的影響研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[8]張孝安. 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：237.

[9]王建定，桑正中，陳翠英，等. 臥式旋耕機(jī)刀軸扭矩及其波形推斷[J]. 江蘇工學(xué)院學(xué)報(bào)，1986，7（3）：63-70.

[10]賀小偉. 高茬秸稈旋耕翻埋功耗檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[11]吳建民，陶菊春. 用綜合加權(quán)評(píng)分法優(yōu)化鉆井泥漿配方的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（2）：45-48.

[12]方延旭，楊培嶺，宋素蘭，等. 灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)健康二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（11）：199-205.

[13]于昭洋，胡志超，王海鷗，等. 大蒜果秧分離試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（16）：7-15.

[14]麻芳蘭，何玉林，李尚平，等. 甘蔗收獲機(jī)切割性能的模糊綜合評(píng)價(jià)與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（12）：79-82.

[15]吳德林，周云飛. 高速銑削切削參數(shù)的模糊正交優(yōu)化方法[J]. 機(jī)械工程師，2008（8）：91-93.

[16]張國(guó)鳳，胡群威. 基于滿意度原理的旋轉(zhuǎn)式分插機(jī)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（9）：22-28.

[17]陳 魁. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005：72-128.

[18]高化猛，陶辰立，石 磊. SAS環(huán)境的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與檢驗(yàn)[J]. 軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，27（6）：4-7.

[19]翁何霞，張慶遠(yuǎn). 在正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)中SAS編程處理的應(yīng)用[J]. 中國(guó)醫(yī)院藥學(xué)雜志，2008，28（4）：326-327.

[20]李成松，高振江，坎 雜，等. 釀酒葡萄果-蒂振動(dòng)分離試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（9）：39-44.曹燕篆，王小娟，袁旭峰，等. 利用廢紙產(chǎn)纖維素酶復(fù)合菌系的篩選及性質(zhì)研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（1）：237-241.