2F—2.0型葡萄施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

何興村　張魯云　鄭炫

摘要：針對(duì)葡萄等林果有機(jī)肥、廄肥的施用播撒，研制了一種實(shí)用施肥機(jī)械，系統(tǒng)介紹了整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理。樣機(jī)進(jìn)行了多輪實(shí)地測(cè)試，并對(duì)機(jī)具的運(yùn)行情況和施肥作業(yè)效果進(jìn)行了分析對(duì)比。田間試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)小于3.5%，施肥深度變異系數(shù)小于10.5%，開溝深度37 cm，培土高度合格率達(dá)到100%，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該型施肥機(jī)具有工作效率高、穩(wěn)定性好、故障率低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種適合于大規(guī)模推廣、性能優(yōu)良的有機(jī)肥料撒施作業(yè)機(jī)械。

關(guān)鍵詞：肥料撒施；葡萄；性能試驗(yàn)；對(duì)比分析

中圖分類號(hào)：S224.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）20-3932-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.034

Abstract： For grape and other agriculture fields， application of organic and manure fertilizer，developed a practical fertilizing machine，described the whole structure and working principle systematically. The experimental prototype have carried out several tests on the field，the operation of the machine and the effect of fertilization were analyzed and compared. The field test showed that the coefficient of variation in fertilization was less 3.5%，the coefficient of variation in fertilization depth was less 10.5%，trenching depth was 37 cm，the height of bank up with earth reached 100%，the indicators achieved the design requirments. Experiment proved that this type fertilizer applicator has many advantages，such as high efficiency，good stability，low failure rates and so on，the organic fertilizer application machinery is suitable for large-scale promotion and excellent performance.

Key words： fertilizer applicator； grape； performance test； comparative analysis

根據(jù)農(nóng)業(yè)部全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]，有機(jī)肥在肥料總投入量中的比例為1949年99.9%、1965年80.7%、1980年47.1%、1990年37.4%。《2004年中國(guó)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，截至2003年，全國(guó)有機(jī)肥施用量?jī)H占施肥總量的1/4左右，并且逐年下降。大量濫施化肥，致使植株根系能自由生長(zhǎng)的土層變淺[2]，生物質(zhì)活性和保墑、保肥能力降低，天然形成的良好土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，生成堅(jiān)硬的犁底層，土壤質(zhì)量下降。而撒施有機(jī)肥料，可以改善土體結(jié)構(gòu)，提高土壤蓄水保墑力，增強(qiáng)農(nóng)作物品質(zhì)，又減少了禽畜糞便、作物秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物對(duì)環(huán)境造成的污染。

新疆地處東經(jīng)73°40′～96°18′，北緯34°25′～48°10′，與美國(guó)加利福尼亞州、法國(guó)波爾多地區(qū)處于同一緯度，并稱為世界葡萄的三大天堂種植區(qū)。新疆生產(chǎn)的葡萄品相好、單產(chǎn)高、營(yíng)養(yǎng)豐富[3]，病蟲害少且較少使用農(nóng)藥化肥，純天然無污染，具有其他葡萄產(chǎn)區(qū)無可媲美的天然優(yōu)勢(shì)。2015年新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)葡萄總產(chǎn)量為86.72萬t[4]，同比增長(zhǎng)39%，生產(chǎn)葡萄原酒24萬t，葡萄酒加工業(yè)產(chǎn)值17億元，同比增長(zhǎng)38%，占新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)總產(chǎn)值的2.38%。

對(duì)葡萄施用有機(jī)肥和廄肥，可大大改善葡萄的色相、口感等品質(zhì)，達(dá)到綠色環(huán)保食品標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。科學(xué)合理施用肥料不僅可增產(chǎn)40%～60%[5]，而且可提高土壤肥力和優(yōu)化植物自然生長(zhǎng)環(huán)境。目前，新疆特色林果業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中施肥機(jī)械化水平較低，傳統(tǒng)的人力挖掘施肥方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了新疆葡萄產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求，研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、深施有機(jī)肥的施肥機(jī)械，成為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)葡萄種植業(yè)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所與石河子迪生科技有限公司，針對(duì)新疆兵團(tuán)葡萄種植業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，聯(lián)合研制開發(fā)成功2F-2.0型液壓翻轉(zhuǎn)葡萄施肥機(jī)。該型機(jī)經(jīng)過數(shù)次田間試驗(yàn)改進(jìn)，已經(jīng)小批量生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)[6]

目前常用的開溝方式有靴式、鏈刀式、圓盤刀式等，自2014年起，對(duì)以上3種開溝方式做了試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行了多次實(shí)地測(cè)試，如圖1～圖3所示。

經(jīng)實(shí)地試驗(yàn)測(cè)試比較分析，3種開溝方式分別有以下優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果如表1所示。

為滿足不同土壤類型、種植模式、用戶需求，3種開溝裝置經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)比較分析，權(quán)衡利弊，樣機(jī)分為鏈刀式施肥機(jī)和靴式施肥機(jī)兩種形式如圖4、圖5所示，兩種施肥機(jī)在試驗(yàn)過程中運(yùn)行平穩(wěn)，工作正常，證明了設(shè)計(jì)理論的可靠性。

1.2 工作原理[7]endprint

施肥機(jī)與拖拉機(jī)半懸掛連接，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)齒輪箱，帶動(dòng)傳動(dòng)軸與開溝器轉(zhuǎn)動(dòng)，開始開溝。同時(shí)，主動(dòng)力軸通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和離合器帶動(dòng)絞龍旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)肥料出肥，肥料通過肥箱側(cè)面的出肥槽孔排入溝底，隨后覆土裝置進(jìn)行覆土。

1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)

2F-2.0型液壓翻轉(zhuǎn)葡萄施肥機(jī)與45 kW拖拉機(jī)配套使用，肥箱載肥量1.5 t，能夠一次性完成開溝、施肥、覆土作業(yè)。該型機(jī)既能施農(nóng)家肥、化肥，又可施復(fù)合肥料，有效提高肥料利用率，可廣泛應(yīng)用于葡萄、果園、苗圃、設(shè)施農(nóng)業(yè)的肥料撒施作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架是承載肥料重量的主體裝置，機(jī)架的設(shè)計(jì)尺寸直接關(guān)系到肥箱的容積和肥料的重量。為了能夠保證機(jī)具在施肥作業(yè)時(shí)平穩(wěn)行走，機(jī)架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。機(jī)架與肥箱采用螺釘連接，便于拆卸維修。機(jī)體各部分配置的原則是[8]：在便于制作維修的前提下整體簡(jiǎn)潔緊湊，保證整個(gè)施肥機(jī)的重心在整機(jī)上方1/3左右。

2.2 肥箱

肥箱體積大小的確定[9]，應(yīng)與耕地面積和肥料排放量相適應(yīng)，體積過小影響工作效率，過大則會(huì)增加拖拉機(jī)牽引阻力并影響施肥機(jī)行走穩(wěn)定性。此外[10，11]，還應(yīng)考慮地形、坡度、肥料顆粒形狀和流動(dòng)性等各種因素，因此肥箱體積由下式計(jì)算所得：

2.3 靴式開溝器[12]

實(shí)地試驗(yàn)中靴式開溝器不易入土，牽引阻力較大，不太適用于農(nóng)家肥，更適用于復(fù)合肥料的播施。制造工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，可根據(jù)實(shí)際情況確定開溝器尺寸大小，適用于松軟的沙質(zhì)土壤。最終確定：鏟面升角α=30°，鏟尖張角γ=40°，翻土角β=50°，入土隙角ε=7°～9°。

2.4 鏈刀式開溝器

鏈刀式開溝器主要由機(jī)架、傳動(dòng)帶、鏈刀等部件組成，對(duì)不同的土壤有較強(qiáng)的適應(yīng)性。實(shí)地試驗(yàn)中鏈刀式開溝器切削土壤速度快，是圓盤刀的3倍以上，工作效率高，可與一般普通拖拉機(jī)的行進(jìn)速度匹配。但機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，行走速度由以下因素決定：

2.5 傳動(dòng)裝置

傳動(dòng)系統(tǒng)主要由行走輪、齒輪箱、離合器、鏈輪、鏈條、傳動(dòng)軸等組成，排肥器的轉(zhuǎn)速與施肥機(jī)前進(jìn)速度同步，保證排肥量均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)速度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)即走即施（行走地輪轉(zhuǎn)動(dòng)即開始肥料撒施作業(yè)）。

2.6 施肥裝置

施肥系統(tǒng)由肥箱、絞龍、排肥控制器、排肥孔、施肥管、四連桿機(jī)構(gòu)等組成，通過控制排肥裝置排出可控定量的肥料。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用經(jīng)堆肥發(fā)酵30 d左右的腐熟禽類糞便，顆粒直徑為2.0～60.0 mm，含水量小于70%。

3.2 試驗(yàn)場(chǎng)地與設(shè)備

機(jī)具性能數(shù)據(jù)測(cè)試試驗(yàn)于2014年6月，在新疆石河子地區(qū)149團(tuán)面積為33 hm2葡萄園中進(jìn)行。屬于典型的溫帶大陸性半干旱地區(qū)，年平均氣溫為6.5°～7.5°，年平均降水量約為147 mm，土質(zhì)為黏性沙壤土，含水率為6.85%，干物質(zhì)容積密度為1.5～1.8 g/cm3。配套動(dòng)力為雷沃604拖拉機(jī)，四輪驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率44.1 kW，標(biāo)準(zhǔn)牽引力12.0 kN，最大提升力8.9 kN。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算

變異系數(shù)是衡量施肥機(jī)作業(yè)性能的重要指標(biāo)[13]，可用來觀察變量波動(dòng)的幅度大小。變異系數(shù)越小的施肥機(jī)械，其施肥的均勻度越好，精度越高；反之，變異系數(shù)越大的其施肥均勻性越差，精度越低。

3.4 施肥機(jī)性能試驗(yàn)

試驗(yàn)依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20346.1-2006《施肥機(jī)械的試驗(yàn)方法》、GB/5667-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》并結(jié)合實(shí)際情況確定試驗(yàn)指標(biāo)[14]：排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)、施肥深度變異系數(shù)、開溝深度、培土高度合格率，田間實(shí)地測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

兩種形式的施肥機(jī)樣機(jī)在試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)大的故障，施肥作業(yè)正常，表明該型機(jī)在理論和設(shè)計(jì)上是切實(shí)可行的[15]。但在大面積工作中可靠性的問題就逐漸暴露出來了，60%的故障是由于焊接缺陷造成的；40%的故障是因?yàn)樗x用的軸承座結(jié)構(gòu)材質(zhì)強(qiáng)度問題造成的。針對(duì)鏈?zhǔn)介_溝機(jī)可靠性差的問題，著重在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面、焊接質(zhì)量和采用材料等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，理論與實(shí)際相結(jié)合，做到科學(xué)合理，逐步減少故障。

施肥機(jī)樣機(jī)于2014年分別在新疆石河子石總場(chǎng)果蔬公司五站、一四九團(tuán)和下野地試驗(yàn)站進(jìn)行過多次試驗(yàn)[16]，根據(jù)新疆葡萄種植業(yè)實(shí)際情況采取合理化建議措施，對(duì)樣機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次改進(jìn)，進(jìn)行了六輪樣機(jī)試制和試驗(yàn)，最終各項(xiàng)指數(shù)都達(dá)到了原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。最后機(jī)具定型為“2F-2.0型液壓翻轉(zhuǎn)葡萄施肥機(jī)”，其中，“2F”為施肥機(jī)械類別代號(hào)，“2.0”為作業(yè)幅寬2 m。

4 結(jié)論

目前，新疆地區(qū)特色林果業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度較低[17]，尚沒有比較成熟實(shí)用的深施廄肥的施肥機(jī)械。雖然農(nóng)機(jī)生產(chǎn)廠家研制相關(guān)樣機(jī)種類較多，但真正用于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品幾乎沒有。現(xiàn)有葡萄施肥機(jī)主要存在著肥箱容積小、負(fù)荷重、下肥困難、下肥量不足、動(dòng)力適應(yīng)性差等系列問題，不能滿足農(nóng)業(yè)技術(shù)要求。針對(duì)現(xiàn)有葡萄施肥機(jī)存在的問題，研制出一種能夠一次完成葡萄深施廄肥中的開溝、施肥、覆土工作。該施肥機(jī)與拖拉機(jī)半懸掛配套作業(yè)，肥箱帶有液壓翻轉(zhuǎn)裝置，強(qiáng)制肥料流動(dòng)下肥，可有效防止肥料架空。該型機(jī)既能施復(fù)合肥和化肥，又能施農(nóng)家肥，有效提高肥料利用率，減少養(yǎng)分散失和環(huán)境污染，同時(shí)，能夠避免空行程，提高效率，大大減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。2015年新疆地區(qū)各類葡萄種植面積已達(dá)15萬hm2[18]，一臺(tái)施肥機(jī)一個(gè)工作季可作業(yè)33 hm2，全疆需要葡萄施肥機(jī)4 500臺(tái)左右，推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉希峰，孫士明，錢曉輝，等.有機(jī)肥撒施機(jī)的種類與性能分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38（6）：259-263.endprint