朱新華 趙懷松 伏勝康 李旭東 郭文川 張李嫻

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西楊凌 712100;2.四川航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院,成都 610100)

0 引言

施用有機(jī)肥是果園生產(chǎn)管理中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤結(jié)構(gòu)及理化性狀,進(jìn)而提高果品品質(zhì)和產(chǎn)量[1-2]。目前,獼猴桃等藤本類果樹建園時(shí)均采用藤架式結(jié)構(gòu)[3]。果園生產(chǎn)管理機(jī)械必須在藤架下作業(yè),可通行空間狹小,對(duì)施肥機(jī)的外形尺寸和整機(jī)動(dòng)力均有一定限制。基于此,獼猴桃等藤架式果園有機(jī)肥施肥主要有兩種方式:一種是小型撒肥機(jī)全園撒施配合小型旋耕機(jī)淺旋的分段式方式,新西蘭、日本獼猴桃果園甚至僅將有機(jī)肥拋撒在全園地表[4]。該方式肥料裸露,肥效低,環(huán)境污染大;另一種是采用小型開溝機(jī)開溝,然后人工撒肥入溝并覆土填埋。然而,果園有機(jī)肥施肥量高達(dá)45 t/hm2[5],人工作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大,且肥料集中在溝底,不利于果樹根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用[6]。因此,基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合創(chuàng)新獼猴桃果園有機(jī)肥施肥工藝并研制施肥裝備具有重要意義。

開溝施肥是果園常見的有機(jī)肥施肥方式之一。其特點(diǎn)是施肥深度大(300～500 mm),近根施肥易于果樹吸收,肥料利用率高,且具有松土和修剪根系的作用[7]。但其施肥深度過深,肥料過于集中,不符合獼猴桃果樹根系淺層分布的生長(zhǎng)特點(diǎn),不利于根系對(duì)養(yǎng)分的吸收。開溝、施肥、覆土過程功耗大[8-9],要求一體化施肥機(jī)配套動(dòng)力高。同時(shí),有機(jī)肥施肥體量大,要求施肥機(jī)肥箱容積大。因此,開溝施肥方式和設(shè)備受到藤架式果園狹小空間結(jié)構(gòu)的限制。如何降低施肥功耗并提高有機(jī)肥施肥效率(肥箱容積大、作業(yè)速度高),實(shí)現(xiàn)獼猴桃等藤架式果園精準(zhǔn)施肥是亟待解決的問題。

近年來,果園施肥裝備研發(fā)主要集中在撒肥機(jī)和開溝施肥一體化施肥機(jī)方面。離心圓盤式有機(jī)肥撒肥機(jī)[10-13]可完成果園顆粒肥撒施,施肥均勻、效率高,但肥料浪費(fèi)嚴(yán)重、肥效低。ZHANG等[8]研制的自動(dòng)調(diào)節(jié)深度式果園雙行開溝施肥機(jī)以及WAN等[14]研制的果園有機(jī)肥開溝施肥機(jī)均具備一體化開溝、施肥、覆土等功能,但整機(jī)尺寸過大(4 030 mm×2 470 mm×2 150 mm)、肥箱容積過小(0.4 m3),無法在獼猴桃等藤架式果園作業(yè)。因此,目前兼顧大裝載量的小型高效有機(jī)肥施肥機(jī)未見相關(guān)研究報(bào)道。

綜上所述,開溝施肥工藝存在機(jī)械作業(yè)功耗大、肥料分布不利于獼猴桃根系吸收養(yǎng)分等缺點(diǎn)。現(xiàn)有施肥裝備難以適應(yīng)獼猴桃等藤架式果園有機(jī)肥高效精準(zhǔn)施肥要求。因此,本研究基于獼猴桃果園施肥農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合分析,提出一種獼猴桃果園免開溝施肥方法。在此基礎(chǔ)上研制有機(jī)肥免開溝施肥機(jī),并通過田間試驗(yàn)評(píng)價(jià)作業(yè)效果。

1 基于農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合的免開溝施肥方法

1.1 獼猴桃果園施肥農(nóng)藝農(nóng)機(jī)融合分析

獼猴桃種植多采用藤架式結(jié)構(gòu),其典型結(jié)構(gòu)是“T”形架[15]。果樹行距為3.0～5.0 m,株距為4.5～5.0 m,藤架高度為1.6～2.5 m[16]。獼猴桃果樹具有肉質(zhì)根系,主根少,須根發(fā)達(dá)而稠密,對(duì)土壤透水性、透氣性有較高要求[17-18]。根系分布淺,0～400 mm土層中根系數(shù)量占總根量的86%以上,其中0～200 mm土層中根系數(shù)量占比達(dá)54.8%[19]。傳統(tǒng)的深溝施肥會(huì)影響果樹對(duì)養(yǎng)分的吸收,降低肥效,也不利于提高根區(qū)土壤的透水性和透氣性。同時(shí),由于肉質(zhì)根系含有大量水分,對(duì)高鹽環(huán)境極為敏感,大量、集中施肥也會(huì)造成“燒根”現(xiàn)象。因此,獼猴桃果園有機(jī)肥施肥的合理方法是肥-土淺層混合分布。

獼猴桃等藤架式果園空間對(duì)施肥機(jī)械的外形尺寸限制苛刻,但獼猴桃果園的有機(jī)肥施肥量高達(dá)45 t/hm2[5],這要求施肥機(jī)械具有足夠的肥料運(yùn)載能力。為了提高作業(yè)效率,肥箱容積應(yīng)不小于1.0 m3。獼猴桃等藤架式果園空間也對(duì)施肥機(jī)的動(dòng)力配置構(gòu)成約束,多數(shù)果園允許通行的拖拉機(jī)動(dòng)力不超過40 kW[20]。然而,傳統(tǒng)的開溝施肥機(jī)械中,開溝和覆土作業(yè)功率消耗占到總功率的70%以上[21],且機(jī)具前進(jìn)速度越大,開溝功耗占比越大。因此,開溝施肥方式不適于獼猴桃等藤架式果園有機(jī)肥施肥,應(yīng)提出新型機(jī)械化方法以克服果園空間對(duì)施肥機(jī)外形尺寸、動(dòng)力配置和肥箱容積的限制,并提高肥效。

1.2 獼猴桃果園免開溝施肥工藝與機(jī)械化方法

基于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合,本文提出一種獼猴桃果園有機(jī)肥免開溝施肥新工藝。如圖1所示,將有機(jī)肥沿樹行側(cè)根邊際線鋪撒于地表,并同步旋埋。施肥過程不開溝,肥料在土層深0～150 mm內(nèi)分布,條帶寬度約400 mm,肥-土混合分布,地表不露肥。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是:肥層接近根系,有利于養(yǎng)分吸收和改善根區(qū)土壤結(jié)構(gòu)。通過逐年施肥累積,形成深度約200 mm的基質(zhì)層;免開溝施肥可大大減小開溝和覆土功耗;肥-土混合且地表不露肥可提高土壤孔隙率,減少養(yǎng)分損失,提高肥效。圖1展示了開溝施肥與免開溝施肥工藝。

圖1 獼猴桃果園施肥技術(shù)示意圖

免開溝施肥工藝的機(jī)械作業(yè)方法如圖2所示。施肥機(jī)沿樹行行進(jìn),撒肥裝置沿果樹根系邊緣線外側(cè)將有機(jī)肥均勻鋪撒,形成條狀肥帶;混肥裝置將肥料旋切入土,與土壤混合;混肥刀帶動(dòng)少量土粒后拋,將肥-土混合層覆蓋,使表層不露肥。該方法中,施肥、混肥、覆土全過程一體化完成。施肥深度可調(diào),且可根據(jù)地形調(diào)整混肥裝置傾角,適應(yīng)地形。

圖2 獼猴桃果園有機(jī)肥免開溝機(jī)械化施肥原理圖

與開溝施肥相比,免開溝施肥減少土壤擾動(dòng)功耗,以克服獼猴桃等藤架式果園狹小空間對(duì)動(dòng)力配置的限制。同時(shí)實(shí)現(xiàn)肥-土全層混合,避免有機(jī)肥集中分布于溝底,以提高肥效。

免開溝施肥工藝對(duì)施肥機(jī)的技術(shù)要求如表1所示。

表1 獼猴桃果園有機(jī)肥施肥機(jī)設(shè)計(jì)要求

免開溝施肥機(jī)設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題是:降低混肥裝置功耗,混肥刀能夠?qū)⒎柿闲腩A(yù)定的分布深度,實(shí)現(xiàn)肥-土全層混合,并將少量土壤顆粒后拋覆土,避免地表露肥;非工作時(shí),混肥裝置翻轉(zhuǎn)回收,提高果園通過性能;由于是單邊側(cè)向施肥,必須解決機(jī)身抗扭轉(zhuǎn)問題;合理利用有限空間,提高肥箱容積。

2 免開溝施肥機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 施肥機(jī)方案評(píng)價(jià)

如圖3所示,施肥機(jī)方案包括拖拉機(jī)牽引式、農(nóng)用運(yùn)輸車式、履帶自走式3種。狹小空間(特別是高度方向)對(duì)施肥機(jī)尺寸與動(dòng)力的限制以及施肥作業(yè)效率等因素是免開溝有機(jī)肥施肥機(jī)方案評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。綜合評(píng)價(jià)如表2所示。

表2 施肥機(jī)車體方案評(píng)價(jià)

圖3 施肥機(jī)方案示意圖

拖拉機(jī)牽引式方案整機(jī)高度低,載肥量大,動(dòng)力相對(duì)充足。操作簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性高,成本低,且通用性強(qiáng),容易推廣。因此,選擇該方案作為有機(jī)肥免開溝施肥機(jī)整機(jī)方案。

2.2 施肥機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

有機(jī)肥免開溝施肥機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。主要由低矮側(cè)座拖拉機(jī)、施肥拖車、肥箱、排肥裝置、拋肥裝置、混肥裝置、抗扭裝置、卷軸裝置、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。刮板式拋肥裝置固定在肥箱后部?；旆恃b置的主體是一個(gè)刀輥,通過機(jī)架安裝在拋肥裝置后部。在非作業(yè)側(cè)安裝抗扭裝置,以保持車身平衡。卷軸裝置在非作業(yè)狀態(tài)時(shí)收回混肥裝置和抗扭裝置至收放架上。施肥機(jī)的功率消耗包括整機(jī)牽引功耗,排肥、拋肥、混肥功耗,最低配套功率應(yīng)大于21.4 kW。為確保施肥機(jī)穩(wěn)定工作,選擇配套功率37.5 kW。由于藤架對(duì)施肥機(jī)的高度限制,拖拉機(jī)選擇低矮側(cè)座拖拉機(jī),駕駛座椅離地高度0.6 m。整機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為3.7 m×1.5 m×1.6 m,肥箱容積為1.2 m3。施肥深度150 mm,排肥量2.5～6.5 kg/s,施肥效率0.2～1.2 hm2/h。

圖4 獼猴桃果園有機(jī)肥免開溝施肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

施肥作業(yè)時(shí),施肥拖車在拖拉機(jī)的牽引下前進(jìn)。操縱手柄控制卷軸裝置使混肥裝置和抗扭裝置同步旋降入土。有機(jī)肥由排肥裝置與拋肥裝置排出,經(jīng)拋肥口落在靠近樹行側(cè)邊地表,鋪撒成一定寬度和厚度的肥帶。同時(shí),混肥裝置將肥料旋切,埋入一定深度的土層并與土壤混合。刀輥帶動(dòng)少量土粒后拋,覆蓋肥-土混合層,使地表不露肥。施肥結(jié)束后,啟動(dòng)卷軸裝置使混肥裝置和抗扭裝置同步收回。施肥過程中,施肥量、施肥深度可調(diào)。此外,刀輥主軸轉(zhuǎn)角可調(diào),以適應(yīng)地表傾斜。該機(jī)也可用于其它果園的深溝施肥。作業(yè)時(shí),拋肥裝置將肥料經(jīng)拋肥口施入開好的條溝,混肥裝置完成混肥和覆土作業(yè)。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

免開溝施肥機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)與機(jī)械傳動(dòng)組合形式。其中,拋肥裝置通過鏈傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng);排肥裝置、混肥裝置、卷軸裝置均由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),通過液壓控制元件靈活調(diào)整作業(yè)參數(shù)。傳動(dòng)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 拋肥裝置設(shè)計(jì)

拋肥裝置采用刮板式結(jié)構(gòu),主要由鏈條、刮板、鏈輪、擋肥板和拋肥槽構(gòu)成,如圖6a所示。其中,擋肥板伸出距離可調(diào)。

圖6 拋肥裝置示意圖

拋肥距離為拋肥裝置的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù),其影響施肥機(jī)對(duì)不同行距果園的適應(yīng)性。如圖6b所示,忽略空氣阻力,肥料拋出后其水平方向位移、豎直方向位移分別為

l=vt

(1)

(2)

(3)

式中l(wèi)——水平方向位移,m

v——鏈條速度,m/s

t——肥料飛行時(shí)間,s

h——豎直方向位移,m

g——重力加速度,取9.8 m/s2

z——鏈輪齒數(shù)

n——鏈輪轉(zhuǎn)速,r/min

p——鏈條節(jié)距,mm

為保證擋肥板起到調(diào)節(jié)拋肥距離的作用,肥料運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)與擋肥板相交。即,當(dāng)肥料豎直方向位移h不大于擋肥板高度a時(shí),肥料水平方向位移l應(yīng)大于等于擋肥板伸出距離b(即拋肥距離),由此得

(4)

根據(jù)鏈輪鏈條結(jié)構(gòu),鏈輪齒數(shù)z為9,鏈條節(jié)距p為44.45 mm。擋肥板高度a取0.3 m,擋肥板伸出距離b在0.2～0.5 m范圍內(nèi)可調(diào)。根據(jù)式(4),擋肥板能夠調(diào)節(jié)拋肥距離的條件為n≥312 r/min?？紤]速度損失,鏈輪轉(zhuǎn)速n取350 r/min。

3.2 混肥裝置設(shè)計(jì)

3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

混肥裝置是免開溝施肥機(jī)的核心部件,主要由刀輥、罩殼、平土拖板、限深輪和混肥架組成,如圖7a所示。刀輥橫向安裝于混肥架底端。其右側(cè)安裝有限深輪。罩殼置于混肥架內(nèi)側(cè)、刀輥上方。平土拖板置于罩殼后端,并與其鉸接。刀輥上安裝有4組交錯(cuò)排列的旋耕刀,同組4把刀之間沿刀盤圓周方向呈90°均勻排列。旋耕刀結(jié)構(gòu)如圖7b所示。根據(jù)施肥深度,選用PⅡ180型旋耕刀,回轉(zhuǎn)半徑為180 mm。作業(yè)過程中,旋耕刀將有機(jī)肥旋切入土,并帶入不同深度與土壤混合。旋耕刀過最低點(diǎn)后,將土粒(此時(shí)大部分肥料顆粒已脫離旋耕刀)向后拋出,對(duì)肥-土混合層覆蓋。同時(shí),平土拖板將兩側(cè)浮土刮撥至肥-土混合層表面,進(jìn)一步對(duì)其覆蓋。

圖7 混肥裝置示意圖

3.2.2混肥過程仿真試驗(yàn)

基于離散元仿真對(duì)刀輥的作業(yè)效果進(jìn)行分析。在EDEM軟件中建立1.5 m×0.6 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬×高)土槽模型和1.5 m×0.3 m(長(zhǎng)×寬)有機(jī)肥條帶模型(設(shè)定施肥量為5.0 kg/m),并將刀輥、罩殼三維模型導(dǎo)入,如圖8所示。

陜西等獼猴桃主產(chǎn)區(qū)果園土壤類型多屬于粘壤土,土壤顆粒凝結(jié)成土壤團(tuán)聚體,其平均粒徑約3.4 mm[22];有機(jī)肥料(標(biāo)準(zhǔn)NY/T 525—2021)是目前獼猴桃果園常施用有機(jī)肥,其平均粒徑約0.8 mm[23]。根據(jù)文獻(xiàn)[24],將土壤與有機(jī)肥顆粒粒徑均按照相同比例放大5倍,分別設(shè)置為17 mm和4 mm。土壤顆粒間選用Bonding接觸模型,其法向與切向剛度系數(shù)均設(shè)置為5×107N/m3[25],法向與切向臨界粘結(jié)應(yīng)力均設(shè)置為30 000 Pa[26];有機(jī)肥顆粒間選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型,其Surface Energy設(shè)置為0.045 J/m2[27]。其余參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[25-28],如表3所示。仿真中刀輥入土深度為150 mm,罩殼跟隨刀輥同步前進(jìn)。仿真步長(zhǎng)設(shè)定為3.4×10-5s,數(shù)據(jù)保存間隔為0.01 s,仿真網(wǎng)格為3.5倍顆粒半徑,仿真總時(shí)長(zhǎng)為6 s。

表3 仿真參數(shù)

刀輥仿真過程如圖9所示。3.50 s時(shí)(圖9a),刀輥開始旋切有機(jī)肥;3.67 s時(shí)(圖9b),有機(jī)肥與土壤在刀輥?zhàn)饔孟禄旌?3.88 s時(shí)(圖9c),少量土壤顆粒隨刀輥向后拋出,碰撞罩殼后留在地表,覆蓋肥-土混合層;在4.40～5.00 s(圖9d、9e),刀輥持續(xù)作業(yè),完成混肥、埋肥;5.70 s時(shí)(圖9f),刀輥?zhàn)鳂I(yè)結(jié)束,有機(jī)肥被埋入土壤,且與土壤混合。

圖9 仿真過程

沿刀輥前進(jìn)方向,選取有效試驗(yàn)距離為1.0 m,每0.1 m為一段,共10段?；旆市Ч鐖D10所示。以0～0.01 m作為表層土壤,定義表層土壤中有機(jī)肥顆粒數(shù)占全層有機(jī)肥總顆粒數(shù)的百分比為露肥率。并以露肥率、有機(jī)肥顆粒最大分布深度和功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo),確定刀輥?zhàn)鳂I(yè)過程中的最優(yōu)刀機(jī)速比(刀輥線速度與前進(jìn)速度比值)。

圖10 混肥效果示意圖

根據(jù)仿真試驗(yàn),最優(yōu)刀機(jī)速比為32。在刀輥線速度為5.47 m/s(轉(zhuǎn)速290 r/min)、前進(jìn)速度為0.17 m/s時(shí),有機(jī)肥顆粒最大分布深度平均值為(160±7) mm,相對(duì)設(shè)定施肥深度150 mm的最大誤差為6.53%;露肥率小于等于4.62%;混肥裝置平均功耗為4.5 kW。

3.3 抗扭裝置設(shè)計(jì)

施肥機(jī)上設(shè)置抗扭裝置以平衡混肥裝置產(chǎn)生的扭矩?？古ぱb置由2個(gè)抗扭輪和抗扭輪架構(gòu)成,如圖11所示。

圖11 抗扭裝置示意圖

假定施肥機(jī)勻速前進(jìn),拖拉機(jī)與施肥拖車縱軸線重疊。對(duì)施肥拖車在水平面上進(jìn)行受力分析,如圖12所示。

圖12 施肥拖車受力分析

建立施肥拖車受力平衡方程

(5)

式中 ∑Fx、∑Fy——施肥拖車分別沿x、y方向所受合力,N

∑MA——施肥拖車上點(diǎn)A所受合力矩,N·m

F1——拖拉機(jī)對(duì)施肥拖車的牽引力,N

F2、F3——地面分別對(duì)左、右車輪側(cè)向力,N

F4、F5——混肥裝置分別沿y、x方向工作阻力,N

F6——土壤對(duì)抗扭裝置作用力,N

f1、f2——左、右輪胎分別與土壤摩擦力,N

f3——抗扭裝置與土壤的摩擦力,N

d1、d2——左、右輪胎分別到車身縱軸線距離,m

d3——左、右輪胎連線到混肥裝置、抗扭裝置連線的距離,m

d4、d5——混肥裝置、抗扭裝置分別到車身縱軸線距離,m

假定d1=d2,f1=f2。根據(jù)式(5),施肥拖車不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的臨界條件為

F4d4-F5d3=F6d3-f3d5

(6)

其中

f3=μGk

(7)

式中μ——抗扭裝置與土壤的動(dòng)摩擦因數(shù),取0.05

Gk——抗扭裝置重力,N

根據(jù)莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則,在土壤不發(fā)生破壞情況下,其對(duì)抗扭裝置作用力F6應(yīng)小于土壤抗剪力,即

(8)

式中c——土壤粘聚力,Pa

φ——土壤內(nèi)部摩擦角,(°)

S——抗扭裝置切土面積,m2

根據(jù)抗扭裝置的結(jié)構(gòu),其切土面積S可表示為

(9)

式中r1——抗扭輪外圓半徑,m

r2——抗扭輪內(nèi)圓半徑,m

聯(lián)立式(6)～(8),可得施肥拖車在抗扭裝置作用下不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的條件為

(10)

根據(jù)施肥拖車結(jié)構(gòu),d3取1.5 m,d4取1.0 m,d5取0.2 m,抗扭裝置重力Gk取200 N。土壤粘聚力c取41 701 Pa,土壤內(nèi)部摩擦角φ取24.42°。混肥裝置工作阻力與前進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速、混肥深度呈正相關(guān)[29]。離散元仿真表明,當(dāng)混肥裝置前進(jìn)速度為0.7 m/s,刀輥轉(zhuǎn)速為350 r/min,混肥深度為150 mm時(shí)(其余參數(shù)設(shè)定如上所示),混肥裝置工作阻力F4、F5分別為559.0、-184.4 N,此時(shí),施肥拖車點(diǎn)A所受最大扭矩max(F4d4-F5d3)為835.6 N·m。聯(lián)立式(9)、(10),并考慮到不同土壤的抗剪力差異較大,抗扭輪外圓半徑r1取0.15 m,內(nèi)圓半徑r2取0.08 m。

3.4 卷軸裝置設(shè)計(jì)

卷軸裝置同步收放混肥裝置和抗扭裝置如圖13所示。主要由擺動(dòng)缸、鋼索、絞盤組成。混肥裝置、絞盤固連在擺動(dòng)缸上,由擺動(dòng)缸帶動(dòng)回轉(zhuǎn),絞盤與抗扭裝置由鋼索經(jīng)導(dǎo)向環(huán)連接。擺動(dòng)缸旋轉(zhuǎn)軸與施肥機(jī)前進(jìn)方向一致,回轉(zhuǎn)角度在0°～180°可調(diào),回轉(zhuǎn)角速度由液壓系統(tǒng)Ⅰ調(diào)節(jié)。

施肥作業(yè)時(shí),液壓系統(tǒng)Ⅰ控制擺動(dòng)缸轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)角度使混肥裝置適應(yīng)地形作業(yè),如圖14a和圖14b所示;在非作業(yè)狀態(tài)時(shí),卷軸裝置同步收回混肥裝置與抗扭裝置至車身內(nèi)側(cè),以提高整機(jī)轉(zhuǎn)彎和道路行駛性能,避免刮傷果樹,如圖14c所示。

卷軸裝置工作原理如圖15所示。設(shè)絞盤由B旋轉(zhuǎn)至B′的回轉(zhuǎn)中心為O,鋼索回轉(zhuǎn)中心為C,鋼索與抗扭裝置連接點(diǎn)為D,抗扭裝置回轉(zhuǎn)中心為H。當(dāng)絞盤在B位置時(shí),抗扭裝置在位置Ⅰ,CD兩點(diǎn)間鋼索長(zhǎng)度為L(zhǎng),CH與HD間夾角為β1;當(dāng)絞盤旋轉(zhuǎn)至B′位置時(shí),抗扭裝置旋轉(zhuǎn)至位置Ⅱ,即抗扭輪入土,CD兩點(diǎn)間鋼索伸長(zhǎng)為L(zhǎng)′,CH與HD間夾角變?yōu)棣?。

圖15 卷軸裝置工作示意圖

由圖15可知,抗扭裝置由位置Ⅰ旋轉(zhuǎn)至位置Ⅱ的過程中,存在幾何關(guān)系

(11)

其中

(12)

(13)

式中r3——絞盤半徑,mm

θ——絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度,(°)

d6——CH兩點(diǎn)間距離,mm

d7——HD兩點(diǎn)間距離,mm

由式(11)～(13)可得絞盤半徑r3與d6、d7、β1、β2、θ的關(guān)系為

(14)

根據(jù)抗扭裝置的安裝位置以及混肥裝置的調(diào)節(jié)需求,CH間距d6取100 mm,HD間距d7取400 mm,CH與HD間夾角β1取13°,β2取153°,絞盤轉(zhuǎn)動(dòng)角θ取180°。根據(jù)式(14),確定絞盤半徑r3為68 mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)位于陜西省楊凌區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)站。土質(zhì)為粘壤土,土壤緊實(shí)度為5 680 kPa,濕基含水率為12.13%,密度為1 237 kg/m3。有機(jī)肥購自陜西睿浩生物有限公司,含水率為43.17%,平均密度為550 kg/m3。

4.2 試驗(yàn)方法

以玉米籽粒作為標(biāo)記物,反映有機(jī)肥在土壤中的分布。試驗(yàn)前,將有機(jī)肥與玉米籽粒按質(zhì)量比例5∶1混合均勻。以施肥量5 kg/m開展免開溝施肥試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,施肥機(jī)以慢1擋(0.17 m/s)的車速前進(jìn),混肥裝置轉(zhuǎn)速為290 r/min。在最大設(shè)計(jì)施肥深度150 mm下試驗(yàn),單次作業(yè)長(zhǎng)度為20 m。試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。

(1)混肥裝置功耗計(jì)算:施肥過程中,采用液壓測(cè)試儀(CHPM480型,雷諾智能技術(shù)有限公司)采集混肥裝置液壓系統(tǒng)回路壓力和流量?；旆恃b置功耗計(jì)算式為

(15)

式中P——混肥裝置功耗,kW

p0——液壓系統(tǒng)回路壓力,MPa

q——液壓系統(tǒng)回路流量,L/min

η——液壓系統(tǒng)效率,取0.85

(2)露肥率統(tǒng)計(jì)與施肥深度測(cè)量:施肥作業(yè)后,按等距取樣法選取5個(gè)大小為30 cm×40 cm(長(zhǎng)×寬)的采樣區(qū)(深度200 mm),統(tǒng)計(jì)每個(gè)采樣區(qū)地表裸露及全層玉米籽粒數(shù)量。全層玉米籽粒數(shù)量統(tǒng)計(jì)時(shí),采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)土壤篩分,并人工揀選出玉米籽粒。同時(shí),測(cè)量施肥深度(玉米籽粒分布深度)。以地表裸露玉米籽粒數(shù)量占全層玉米籽粒數(shù)量的百分比作為露肥率,計(jì)算式為

(16)

式中δ——露肥率,%

k1——采樣區(qū)地表裸露玉米籽粒數(shù)量

k2——采樣區(qū)全層玉米籽粒數(shù)量

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

施肥機(jī)作業(yè)效果如圖16所示,肥料在施肥深度內(nèi)能夠全層混合。

圖16 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,實(shí)際施肥深度略大于設(shè)計(jì)施肥深度150 mm,相對(duì)誤差小于等于7.73%。實(shí)際露肥率小于等于5.56%?；旆恃b置平均功耗為4.7 kW,試驗(yàn)與仿真結(jié)果的誤差為4.3%,表明仿真結(jié)果可靠。綜合表明,施肥機(jī)具備良好的性能,滿足獼猴桃等藤架式果園施肥要求。

表4 施肥性能試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)基于獼猴桃果園空間結(jié)構(gòu)對(duì)施肥機(jī)械外形尺寸與動(dòng)力的約束,果樹根系分布淺(0～200 mm)的特點(diǎn),提出了一種獼猴桃果園機(jī)械化免開溝施肥方法,并研制了獼猴桃果園有機(jī)肥免開溝施肥機(jī),整機(jī)高度1.5 m,配套動(dòng)力37.5 kW,肥箱容積1.2 m3。

(2)免開溝施肥機(jī)由混肥裝置旋轉(zhuǎn)切土,實(shí)現(xiàn)肥-土混合以及混合層的土壤覆蓋,通過抗扭裝置平衡混肥裝置單側(cè)布置產(chǎn)生的扭矩,由卷軸裝置同步收放混肥與抗扭裝置,并根據(jù)地形調(diào)整混肥裝置傾角?；旆恃b置離散元仿真表明,最優(yōu)的刀機(jī)速比為32。

(3)田間試驗(yàn)表明,在最大設(shè)計(jì)施肥深度150 mm、施肥量5 kg/m工況下,肥-土全層混合,施肥深度的相對(duì)誤差小于等于7.73%,露肥率小于等于5.56%,混肥裝置平均功耗為4.7 kW,滿足獼猴桃等藤架式果園機(jī)械化有機(jī)肥施肥要求。