果园开沟深施肥机结构设计

祝勇仁

(浙江机电职业技术学院 机械技术系，杭州 310053)

果园开沟深施肥机结构设计

祝勇仁

(浙江机电职业技术学院 机械技术系，杭州 310053)

为提高果园开沟深施肥的生产效率、降低劳动强度，开发了由中大型柴油机作为动力输出的集开沟、施肥、覆土于一体的开沟深施肥机，提高了开沟深施肥的机械化程度。采用变速箱对来自柴油机的动力输出进行分配，变速箱与行走轮带传动连接，与开沟装置和施肥装置链传动连接。开沟装置前端设置的破土铲能有效降低开沟阻力，减少沟底回土。采用弯曲倾斜安装的刀片可降低入土阻力，实现开沟功能，利于向外抛土。施肥装置设有入料破碎器和下料粉碎器，能有效分解受潮结块的化肥，使下料更均匀。覆土铲在机器行走过程中实现覆土功能，上下升降固定地轮和覆土铲的拉杆可调节开沟的深浅。该装置具有沟型规范、抛土均匀、回土平整、开沟深浅可调等优点，在降低劳动强度的同时大大提升了果农的生产效率。

果园；开沟；施肥

0 引言

国民生活水平的不断提高使得水果已经成为大众继粮食、蔬菜后的第三大农作物。我国水果种植的面积和产量目前均居世界前列，随着林果种植面积的不断扩大，对林果种植机械化的需求也日益突显。目前，果园开沟、深施肥机机械化水平还较低，而施肥工序作为提高果园产量和水果的品质显得非常重要。目前，开沟施肥工作几乎全由人工完成，劳动强度大，生产效率低，严重制约了果园生产的规模化发展。为提高开沟深施肥的效率，迫切要求通过机械化来替代繁重的体力劳动[1]。国内外有关果园开沟深施肥方面的机具仍然比较匮乏，相关的研究设计不多[2]，因而开发果园开沟深施肥机就显得非常迫切 。为此，设计了一款柴油机带动的适合果园深施肥的自走式开沟机。

1 总体方案设计

1.1 总体结构设计

果园开沟深施肥机工作流程分三个步骤，即开沟、施肥、覆土[3]，设计结构如图1所示。

1.2 开沟深施肥机工作原理

该开沟深施肥机利用开沟机的开沟功能、施肥箱的排肥功能和覆土铲的回填土功实现整个开沟深施肥的全程自动化作业。该机具采用柴油机作为动力输出，大大减轻了田间劳作的强动力消耗。柴油机与变速箱是带传动，变速箱内的动力通过齿轮传动。其中，一部分动力通过链传动输出到施肥箱，带动施肥箱进行排肥；一部分通过链传动传输到装有开沟装置的轴上，带动轴转动从而带动开沟器的旋转，实现开沟过程；剩余的动力则通过带传动传输到装有行走轮的轴上，带动轴转动，进而带动行走轮行进，使得开沟深施肥机前行，完成开沟施肥动作，悬挂在开沟深施肥机尾部的覆土铲，在开沟深施肥机行走的过程中实现均匀覆土的功能。

1.机架 2.柴油发动机 3.变速箱 4.固定架 5.施肥箱 6.扶手 7.曲柄螺栓 8.拉杆 9.地轮 10.覆土铲 11.C型挡板 12.开沟装置 13.破土铲 14.行走轮图1 果园开沟深施肥机整体结构Fig.1 Structure of orchard’s machine with ditching and deep fertilizing

1.3 传动方案设计

整个传动设计以柴油机作为动力输出，变速箱以齿轮传动作为动力分配系统。由于带传动平稳，结构实现方便，因此通过带传动动力输出到行走轮可以实现行走平稳[4]；而链传动的效率高，且对安装和制造的精度要求不高，因此开沟装置和施肥箱采用链传动[5]。机具行走过程中，链传动带动开沟装置完成开沟，同时带动施肥箱入料破碎器，入料破碎器与施肥箱上的链轮同轴安装，该轴通过齿轮传动带动下料粉碎器，能使肥料在下落的过程中加速，均匀落下，实现深施肥。传动方案如下图2所示。

1.变速箱 2.带轮(连柴油发动机) 3.链轮(连施肥箱) 4.链轮(连开沟装置) 5.带轮(连行走轮) 6.机架图2 变速箱传动方案Fig.2 Transmission scheme of gearbox

传动机构参数如下：

柴油机的输出功率/kW：45;

输出转速/r·min-1：2200;

行走轮转速/r·min-1：43;

行走轮直径/mm： 700;

开沟器转速/r·min-1：230;

最大开沟深度/mm：500;

沟宽：320mm。

2 关键部件设计

2.1 开沟器设计

果园开沟施肥一般是先用开沟机在果园内顺着果树行向，每行开一条深、宽均为300～500mm的长形沟，然后人工进行施肥、覆土[6]。国内开沟机大多是单侧开沟，作业效率较低，与中大型拖拉机配套的开沟机较少[7]。大多数的双侧悬挂式开沟机存在沟底残留土带的缺点[8],为此设计开沟机和施肥机相结合，一次性完成开沟、施肥、覆土的全程机械化新型开沟深施肥机，并与大中功率轮式拖拉机配套使用，实现双侧开沟、沟型规范、抛土均匀、回土平整、开沟深浅可调等功能，对其它农业生产开沟作业，也是一种较为理想的开沟施肥设备。

设计果园开沟机参考图1(去掉5、11)，在行走轮的后方安装有破土铲，破土铲的底端设有一排尖齿状结构，目的是在开沟前先行破土，切断土壤下的植物根系，减轻开沟阻力。开沟装置如图3所示。

1.转动座 2.旋耕刀 3.刀把 4.刀片 5.链轮架图3 开沟装置Fig.3 Ditching device

开沟装置包括固定在机架底部的固定架、转动连接在固定架底部的转动座，转动座两侧间隔固定有旋耕刀，破土铲的宽度需略大于两侧旋耕刀片间距，目的是使开沟后中间不形成凸起的沟土。旋耕刀由刀把与刀片组成，两者成一定的角度θ(4°～8°)倾斜焊接而成，目的是便于向两边抛土；刀片设计成圆弧形弯曲的结构，有滑切作用，不易缠草，具有松碎土壤的能力，这种形状能够保持适度的滑切角，可能减轻刀片入土阻力，有利于切割入土，减少对刀片的损伤，提高了刀片的使用寿命[9]。旋耕刀切土示意图如图4所示。

图4 旋耕刀切土示意图Fig.4 Structure of rotary blade

弯刀侧刃曲线采用公式为

R=R0+Kφ

式中R—侧刃上任一点的旋转半径；

R0—侧刃初始半径；

K—常数；

φ—位置度(极角)。

考虑到土地表面不平整等因素，要使旋耕刀切土时刀背不产生推土现象,则R应满足的条件为

式中 R—旋耕刀旋转半径；

H—旋耕深。

R越大，说明刀轴离地表距离越大,此时虽然机器的通过性提高了，但过大易导致旋耕刀的强度降低，会使机架尺寸变大[10]。考虑果园开沟施肥的实际农艺要求,应在保证开沟深度的前提下适当加大旋耕刀的回转半径,增加刀轴离地间隙。

常见的单圆盘开沟器存在侧压大、沟底不平等问题，设计的新的双侧开沟器基本解决了该问题。通过调整左右两侧旋耕刀组的距离L，可以实现双行开沟，提高了开沟效率。当L足够小时(≤50mm),位于开沟器前的破土铲先行破土，实践应用中可实现单行开沟，刀片的倾斜安装使得旋转时的可以实现向外抛土，防止沟中间形成回土凸尖。

肥沟的宽度为

K=2B+L

其中，B为单侧刀切出的沟宽。设刀片宽W(如图3)，则B=Wsinθ。

开沟机由变速箱内的齿轮带动链轮轴传动。旋耕刀轴传动采用中间传动，由于链传动相对齿轮传动成本较低且操作简单，同时结合开沟机的工作原理，选用中间链传动更合理[11]。开沟装置后方的机架上安装有覆土铲，覆土铲通过拉杆安装在机架后端，并在拉杆上固定有地轮，通过图1的曲柄螺栓调节拉杆的上移或下降来调节开沟的深浅。

2.2 施肥箱设计

在农艺上，深施肥不但能提高肥效和节约肥料，还能促进作物根系往下生长，有利于果树增强抗旱、抗倒伏能力。深施肥箱作为开沟机实现整个开沟深施肥全程自动化机械作业过程中的排肥机构，其设计的好坏直接关系到深施肥的成功与否。根据现有的情况看，目前的施肥箱对施肥量大小的控制，应用连续无间隙调节的少。在潮湿天气，受潮的化肥容易结块，导致施肥过程中产生堵塞，使得排肥量不均匀，且仅靠化肥本身的质量进行自由下落的施肥过程对果园深施肥的效果不理想。现有的装置以施肥箱下加可调节的排肥口结构居多，深施肥效果不够理想。

为改进上述施肥中产生的问题，设计了用于果园开沟机上的深施肥装置，装置由两部分组成，即上部的施肥箱和下部的支撑施肥箱的支撑架。施肥箱包括上部分的储肥箱和下部分的下料箱，下料箱的中部安装有控制肥料下降通断的抽板，抽板上方的下料箱内安装有入料破碎器，抽板下方的下料箱内安装有下料粉碎器，如图5所示。

1.施肥箱支撑架 2.机架 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.储肥箱 9.盖板 10.锁扣 11.抽板 12.施肥量调节拉板 13.曲柄螺栓 14.拉手 15.从动轮(齿轮) 16.主动轮(齿轮) 17.链轮图5 施肥箱与支架Fig.5 The fertilization box and holder

其中,机架、入料破碎器和下料粉碎器的结构如图5所示。

图6 机架、入料破碎器和下料粉碎器结构(数字代码同图5)Fig.6 Machine frame, structure of knapper and pulverizer

施肥箱下部倾斜固定在施肥箱支撑架上，通过施肥量调节拉板实现施肥量大小的连续无间隙调节，拉板由曲柄螺栓固定，易于操作。盖板与储肥箱活页连接，防止施肥或运输过程中化肥的散落。储肥箱上大下小，下料箱内部垂直利于化肥利用自身的质量自由下滑，实现自动下料。入料破碎器设置在储肥箱与下料箱的连接处，布置交错的切割片，由链轮带动，由变速箱的链传动输入动力。下料粉碎器和入料破碎器通过齿轮啮合转动，动力由与入料破碎器同轴的链轮带动。入料破碎器设计成扁长方体结构，正反两面布有交错斜放的切割片。工作时，旋转的切割片对化肥产生切割破碎作用，使得受潮结块的化肥在下料时被分割成小碎块；同时入料破碎器的扁长方体结构在旋转的过程中还产生拍打的效果，使得分割后的碎块进一步散裂；斜设置的切割片在旋转过程中对入料的化肥产生旋压，与内壁和入料破碎器长方体板形成挤压的效果，有效分解了散裂的大块化肥，这种搅拌运动也加大了下料的速度，有利于深施肥。进入下料箱的化肥具有较高的速度，在落到下方的下料粉碎器时被高速旋转的下料粉碎器再次粉碎，通过C型挡板排入开出的沟中。经过二次破碎的化肥能使的下料更均匀，同时下落的化肥在两次旋转中速度有所增加，有利于深施肥。

2.3 覆土结构设计

覆土就是把开沟抛洒在两边的松土再次填回沟中，覆盖化肥。覆土结构悬挂在开沟深施肥机的尾部，设计的覆土结构包括覆土铲及地轮，两者固定在拉杆上，地轮上端轴与固定架孔采用轴承过盈配合，可实现地轮的灵活转动[10]。开沟深施肥机由行走轮带动前行时，可以实现均匀覆土功能，其结构如图7所示。

1.地轮 2.轴承 3.覆土铲 4.行走轮图7 覆土结构和行走轮Fig.7 Structure of covering soil and road wheel

3 试验与结果

果园开沟深施肥机的试验在一种植桔、梨等果树的果园进行。试验地属于平原区，质地为壤土；年均降水量850mm左右；土壤含水率为9.4%(0～25cm)、12.3%(25～50cm)；坚实度为246.5×104Pa；尿素施肥，施肥量为256kg/hm2。

本机具的开沟深浅可在一定范围内调整，根据调整开沟深度后进行的开沟施肥效果如表1所示。试验表明：该机开沟施肥可满足果园农艺要求，其中开沟深度的合格率和变异系数略好于开沟宽度。其原因在于旋耕刀在破土时由于植物根系、摩擦力及土壤土质的影响，沟壁不够平整所致。开沟宽度比设计值略小，是由于沟上的抛土重压导致沟壁滑移产生的。表1表明：施肥量大于实际设计值，原因是土地的不平整导致机具行走时产生异常颠簸，导致排肥速度加速所致。根据试验结果，机具在120m的行程内未出现堵塞现象，撒肥均匀，回土平整，较好地满足了果园开沟深施肥的农艺要求。

表1 果园开沟深施肥机试验性能结果

Table1Experimentalperformanceresultsoftheorchard’smachinewithditchinganddeepfertilizing

测试项目实测值(平均值)合格率/%标准差变异系数/%开沟深度/mm45297.35.271.17开沟宽度mm31895.83.871.22施肥量/kg·hm-226496.95.662.14撒肥均匀回土平整

4 结论

针对果园人工开沟深施肥劳动强度大、效率低的现状，开发了由中大型柴油机作为动力输出的集开沟、施肥、覆土于一体的开沟深施肥机，具有机械化程度高、沟壁整齐、沟底不留回土及开沟深浅可调等优点，有效提升了果农的生产效率。作为改进，下一步可以在开沟装置上进行优化，通过更换不同宽度转动座，配合使用不同宽度、高度的旋耕刀，即可实现沟宽、沟深的自由调节；另外，还可以在机架上设置座垫，操作人员可坐在座垫上进行开沟操作，降低开沟的劳动强度。

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[11] 祝勇仁.果园开沟深施肥机：中国,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

专利项目：果园开沟深施肥机(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