藥林桃，羅 翔，曹曉林*，曾傳佳，吳羅發(fā)，劉 洋，陳 盾，黃小紅

（1.江西省農業(yè)科學院 農業(yè)工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省智能農機裝備工程技術中心，江西 南昌 330200；3. 吉水縣農業(yè)產業(yè)發(fā)展中心，江西 吉水 331600）

果業(yè)在江西的種植業(yè)中，是僅次于水稻、蔬菜的第三大產業(yè)，2019年種植面積達42萬hm2［1］，主要以臍橙、蜜桔、甜柚等柑橘為主。江西果業(yè)種植基本上在低山丘陵地區(qū)，地勢起伏不平，不適宜大型機械作業(yè)，大多生產作業(yè)以人工操作為主［2］，生產效率低。果園開溝施肥是促進果樹生長發(fā)育的有效措施［3-4］，目前，丘陵山區(qū)果園缺乏與之相配套的果園開溝施肥機具，大多以表面撒施或葉面噴施為主，達不到較好的施肥效果，而表面施肥易造成肥料的嚴重流失；部分果農采用小型果園開溝機或挖掘機開溝，進行人工施肥覆土，作業(yè)強度大、效率低。

針對果園機械開溝施肥作業(yè)的需要，歐美等發(fā)達國家的果園采用標準化規(guī)模種植，行間寬敞，果園開溝、施肥機以大中型復合作業(yè)機具為主［5］；而丘陵山區(qū)果園果樹密植、行間通過性差，不適宜大型農機具作業(yè)。國內也相繼研發(fā)了果園施肥機具，夏瑞花等［6］研發(fā)設計了2FPG-40 型葡萄開溝施肥機，通過拖拉機牽引并提供動力，能夠一次實現(xiàn)開溝、施肥與覆土的聯(lián)合作業(yè)。洛陽市瑪斯特拖拉機有限責任公司［7］生產的1GZ-120多功能自走式旋耕機配備了動力為20 kW的柴油機，可以完成開溝、施肥等作業(yè)。但這些機具體積和重量比較大，僅適宜在低等坡度果園作業(yè)，而江西果業(yè)種植基本上在低山丘陵地區(qū)，果園坡度比較大，以贛南臍橙為例，坡度15°以上的果園約占總種植面積的33.6%［8］，更適宜小型農機具作業(yè)。

江西省農科院農業(yè)工程研究所根據(jù)丘陵果園地形和生產的特點，開展了果園機械化開溝、施肥覆土分段式生產模式的研究，并研發(fā)了2FF-100丘陵果園施肥覆土機。

1 果園施肥覆土機的設計

1.1 整機結構

2FF-100丘陵果園施肥覆土機主要結構由動力裝置、傳動系統(tǒng)、操縱裝置、施肥裝置、覆土裝置組成，其結構如圖1所示。施肥裝置在機具的前端，包括肥箱、外槽輪式排肥器、排肥軸；覆土裝置包括2個左（右）螺旋攪攏、主軸；主軸與排肥軸采用皮帶輪連接，機具作業(yè)時，動力由變速箱傳送到旋轉主軸，主軸通過皮帶傳動帶動肥箱底部的排肥器轉動；肥料進入排肥器，落入開好的施肥溝內，主軸上安裝的螺旋攪攏在前進的同時，將溝兩側的浮土絞入溝內，完成覆土作業(yè)。

圖1 施肥覆土機結構圖

目前，果園開溝機開出的施肥溝深度為20～40 cm，寬度30 cm左右，拋土寬度1 m左右。根據(jù)溝形和地形特點，2FF-100丘陵果園施肥覆土機選用170F風冷汽油發(fā)動機，凈重40 kg，覆土寬度1 m，機具行走速度0.2～1.0 m/s。

1.2 排肥器設計

2FF-100丘陵果園施肥覆土機采用外槽輪式排肥器，主要包括行星輪、肥量調節(jié)口、導肥板、排肥底座等零部件，通過改變肥量調節(jié)口大小和行星輪轉動速度調整施肥量［9-10］。2FF-100丘陵果園施肥覆土機既可施顆粒狀肥料也可施粉狀有機肥，同時施肥量可調。根據(jù)江西臍橙種植特點，開溝施肥量為有機肥2.5~5.5 kg/株、復合肥0.25~0.5 kg/株［11］，在果樹的行間或株間開溝、施肥、回土填平。臍橙園的行距和株距略有差異，一般株距為3~4 m，行距為4~5 m，根據(jù)臍橙種植農藝特點，機具排肥量應達到0.3~1.0 kg/m。

圖2 外槽輪式排肥器

影響外槽輪排肥器施肥量的因素主要為槽輪轉速和槽輪長度。其中，對于固定的外槽輪式排肥器，槽輪的長度為固定值。根據(jù)農業(yè)機械學設計手冊［12］中外槽輪排種器的排量計算公式，計算單位圓周內排肥量，公式為：

式（1）中：q為排肥量（g/r）；d為外槽輪外徑（cm）；L為槽輪的有效工作長度（cm）；γ為肥料堆積密度（g/cm3）； a0為槽內肥料充滿系數(shù)；fq為單個凹槽截面積（cm2）；t為槽輪凹槽節(jié)距（cm），，z為槽數(shù)；λ為帶動層特性系數(shù)。

單株果樹施肥量Qz=2.5~5.5 kg，機具行走速度取vm=0.3 m/s，設計槽輪轉速n=1.5 r/s，肥料堆積密度為γ=0.9 g/cm3，槽輪外徑取d=5.8 cm，工作長度L=9.4 cm，槽數(shù)為z=6，按照肥料特性由農業(yè)機械設計手冊［12］查得a0=0.9，λ=0.5，計算得到外槽輪排肥器fq=1.84 cm2，排肥器參數(shù)見表1。

表1 外槽輪排肥器參數(shù)

將所得參數(shù)代入排肥量計算結果得q=170 g/r，按果園株行距為3 m×4 m計算，單株果樹施肥量為5.1 kg，滿足施肥量設計需求。

1.3 螺旋覆土攪攏設計

開溝后，溝內土壤拋灑在兩側，本文設計的覆土回填裝置在動力輸出軸的帶動下，兩側攪攏同時旋轉，左右兩側攪攏的螺旋葉片螺旋線方向相反，可將拋出的散土從兩側往中間輸送。螺旋葉片采用鋼板沖壓制成，并與攪攏軸焊接為一體，攪攏軸與主軸采用方軸連接、插銷固定，方便拆卸，結構如圖3所示。

圖3 覆土回填裝置結構圖

1.3.1 螺旋葉片設計 螺旋葉片直徑是施肥覆土機的重要參數(shù)，直接關系到機具的作業(yè)質量和結構尺寸。一般根據(jù)螺旋輸送量、輸送物料類型、結構和布置形式確定螺旋葉片直徑。臍橙園土壤容重［13］約為1.3 t/m3，根據(jù)溝形可以計算出拋出土壤重量約為Wt=100 kg/m，設機具行走速度vm=0.3 m/s，螺旋葉片單側平均土壤輸送量Q=54 t/h。

計算螺旋攪攏直徑［14-15］，公式為：

使K=(1/47K1A)2/5，轉化為常用的經驗公式（3）：

其中：Q為施肥覆土機覆土量（t/h）；D為攪攏葉片旋轉直徑（m）；K1為螺距和葉片直徑比例系數(shù)；ψ為填充系數(shù)；γ為土壤容重（t/m3）；ε為傾斜輸送系數(shù)；A為物料綜合特性系數(shù)；K為物料特性系數(shù)。

已知單側螺旋攪攏覆土量Q=54 t/h，γ=1.3 t/m3，查閱設計手冊［16-17］可知：K=0.0558，ψ=0.5，傾斜度為0，ε=1，γ=1.3 t/m3，代入公式（2）和公式（3）得到：D=0.326 m。

螺旋葉片直徑一般按照標準值制作，故取D=400 mm。

螺旋攪攏螺距不但能決定螺旋攪攏升角，而且決定物料在一定填充系數(shù)下的滑移面，因此，螺旋攪攏螺距的大小將直接決定物料的輸送過程。螺距的計算公式為：

標準輸送螺旋通常為 K=0.8~1.0；當傾斜布置或輸送物料流動性差時，K≤0.8；當水平布置時，K=0.8~1.0，為達到較好的輸送土壤效果，取螺距S=D=400 mm。

螺旋攪攏軸直徑大小取決于螺距的大小，兩者結合決定螺旋攪攏升角，所以應該正確設計軸徑與螺距之間的關系。螺旋攪攏心軸計算公式［15］為：

根據(jù)設計手冊取Kd=0.2，得到內徑為d=80 mm。由于開溝器開溝拋起土壤最大寬度為1 m，土壤主要集中在施肥溝兩側的土堆里，兩螺旋攪攏螺距為0.4 m，安裝在離合器輸出軸兩側，相距約為0.2 m，螺旋攪攏葉片數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單側螺旋攪攏葉片數(shù)據(jù)

1.3.2 螺旋攪攏轉速的確定 土壤是通過螺旋攪攏輸送到溝內，螺旋攪攏轉速的大小關系到輸送效率及行走速度，螺旋轉速太低，則輸送量不大；若轉速過高，物料受過大的切向力而被拋起，輸送能力下降而且磨損增加，因此，螺旋軸轉速不能超過某一極限。螺旋軸的極限轉速經驗公式［18-20］為：

式（6）中，KL為物料綜合特性系數(shù)，取KL=76，求得螺旋攪攏極限轉速nmax=120 r/min。

1.3.3 圓盤裝置 施肥覆土機作業(yè)時，螺旋攪攏葉片做隨軸心轉動的旋轉運動，圓盤可起到擋土功能，同時驅動機具前進方向為直線運動，圓盤上任意一點的絕對速度是由旋轉運動與直線運動合成的。其運動軌跡屬于擺線軌跡特征。以旋轉中心為原點建立坐標系，x軸方向為機組前進方向，y軸垂直向下，設定裝置前進速度為vm，旋轉軸旋轉角速度為ω，在圓盤上取點A，開始時所取點位于前方水平位置與x軸正向重合，如圖4所示［17-18］。

圖4 圓盤運動過程分析

設圓軸中心O為坐標原點，則OO1是刀盤軸中心在時間t內所行進的路程，即vmt，同時在時間t內螺旋攪攏旋轉角度為ωt，A點移動距離到A1點位置。點A 的運動軌跡參數(shù)方程如下所示：

式（7）中：R為選取 A 點的轉動半徑（mm）；vm為微耕機前進速度（m/s）；ω為螺旋攪攏旋轉角速度（rad/s）；t為時間（s）。

將公式（7）對時間t求導，得出點 A 處絕對速度在x軸方向與y軸方向的速度關系式：

點A處絕對速度v的計算公式如下：

點A處圓周線速度與機組前進速度的比值λ：

式（10）中：vr為刀盤上A點處的圓周運動線速度（m/s）；λ為速比。

微耕機前進速度vm=0.3~1.0 m/s，取螺旋攪攏慢速檔轉速為90 r/min，計算速比λmin=3.8＞1，即vr＞vm時，螺旋攪攏上任一點的運動軌跡均為余擺線運動，絕對運動的水平位移與機組前進方向相反，因此，能夠有效實現(xiàn)覆土作業(yè)。

2 田間試驗

2.1 試驗條件

試驗地點在江西省農業(yè)科學院高安基地臍橙果園，地形坡度20°，土壤類型為紅壤土，土壤堅實度為42.2 kPa，臍橙株行距為3.5 m×4 m；采用小型果園開溝機開溝，溝頂平均寬度為30 cm，平均深度為33 cm，拋灑平均寬度為100 cm；試驗用果園有機肥為粘粉狀，堆積密度為700 kg/m3；試驗顆粒狀肥料選用復合肥，平均顆粒直徑為3 mm，堆積密度為900 kg/m3。

2.2 試驗方法

施肥覆土機作業(yè)時共設高速檔和低速檔2個檔位，還可以通過油門大小調整機具作業(yè)速度。選取3個作業(yè)速度，每個速度進行5次重復試驗，測量覆土后的地面平整度、斷條率、施肥量和排肥均勻性變異系數(shù)［19-22］。

2.3 試驗結果

2.3.1 有機肥施肥試驗 施用有機肥的試驗結果如表3所示，可以看出覆土后地面平整度隨著作業(yè)速度的增加而變大，斷條率和排肥均勻性變異系數(shù)隨著作業(yè)速度的增加而變小。當作業(yè)速度為0.3 m/s時，斷條率和排肥均勻性變異系數(shù)顯著高于其他處理，而地面平整度顯著低于其他處理。同時，施肥量隨著作業(yè)速度的增加而變小，速度為0.3 m/s時，平均施肥量為0.65 kg/m，單株果樹施肥量為4.55 kg；當作業(yè)速度為0.5 m/s時，單株果樹施肥量為3.01 kg，基本滿足果樹施肥用量需求。施肥斷條率隨著速度的增大而減少，原因在于機具采用外槽輪式排肥器，肥箱內沒有設計攪拌裝置，有機肥濕度、黏性高，流動性差，作業(yè)速度較慢，機具振動幅度小，導致斷條率和排肥均勻性變異系數(shù)增大。

表3 施用果園有機肥試驗結果

2.3.2 顆粒狀肥料施肥試驗 調整好肥量調節(jié)口開展不同速度的顆粒復合肥施肥試驗，結果如表4所示?？梢钥闯鍪┓矢餐梁蟮孛嫫秸群团欧示鶆蛐宰儺愊禂?shù)隨著作業(yè)速度的增加而變大，斷條率均為0%，說明機具排肥均勻，施肥量穩(wěn)定，機具作業(yè)指標符合農藝要求。當作業(yè)速度為0.3 m/s時，地面平整度和排肥均勻性變異系數(shù)顯著低于其他處理，說明最佳作業(yè)速度為0.3 m/s。當作業(yè)速度達到0.8 m/s時，施肥量為0.31 kg/m，顯著低于其他2個處理，且覆土不均勻，地面平整度＞5 cm，不符合農藝規(guī)范。

表4 施用顆粒狀肥料試驗結果

3 結論

施肥覆土機安全穩(wěn)定，機體靈活，質量較輕，操作安全簡便，動力提供穩(wěn)定，螺旋攪攏覆土回填裝置可以達到很好的覆土回填效果，適宜山地丘陵果園施肥覆土作業(yè)。通過對比試驗可知，最佳作業(yè)速度為0.3 m/s，施肥顆粒狀肥料時排肥均勻，施肥量穩(wěn)定，滿足果園施肥農藝要求；在施用粘粉狀、團狀的有機肥料時，由于肥料濕度、粘度高，流動性差，會造成部分卡肥、積肥和堵肥現(xiàn)象，需在后續(xù)研究中進一步改進。