適于果園深施有機肥開溝裝置設計

戚江濤，蒙賀偉，李成松，坎 雜，馬 晨，路士興

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監獄，山東 濰坊 261011)

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適于果園深施有機肥開溝裝置設計

戚江濤1，蒙賀偉1，李成松1，坎 雜1，馬 晨1，路士興2

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監獄，山東 濰坊 261011)

在果園的管理過程中，合理施肥是增加土壤肥力、提高水果產量及品質的重要基礎，而開溝是施肥作業實施的必要前提。為此，綜合考慮新疆果園種植模式特點，針對果園施肥過程中人工進行開溝作業存在的勞動強度大、作業效率低等問題，設計了一種開溝裝置，其主要由機架、刀盤總成、導流罩及傳動系統等組成，實現了果園施肥作業過程中的機械化開溝。田間試驗表明：該機具作業速度1.6km/h，開溝深度410mm，開溝寬度280mm，生產率0.6hm2/h，具有結構簡單、性能穩定、制造成本低及開溝質量好等特點。

果園；施肥；開溝

0 引言

新疆獨特的光熱和水土等自然環境非常適宜葡萄、紅棗等水果的種植，生產的水果具有口感好、品質佳、營養豐富及經濟效益好等特點[1-2]。2014年，新疆兵團葡萄種植面積4.8萬hm2，紅棗的種植面積10.9萬hm2[3]，尤其是隨著農業產業結構的不斷調整，新疆特色水果的種植面積不斷增大，不僅促進了水果產業的快速發展，而且增加了種植戶的經濟收入。合理的果園施肥能夠提高水果產量，也可以改善土壤肥力和增加環境效益。施肥種類主要是無機肥和有機肥，前者主要以化肥為主，具有肥效快特點，但長期使用存在土壤肥力及果實品質下降等問題[4-5]。目前，有機肥的使用較為廣泛，在施肥過程中開溝作業是重要的工作環節，傳統的人工開溝存在著勞動強度大、作業效率低、生產成本高等問題[6]，因而機械化開溝作業已經成為規模果園施肥作業過程中的必然趨勢。

目前，針對果園開溝作業技術開展研究的主要有：胡佳佳等人[7]對果園開溝施肥機的開溝刀的結構參數和安裝排列方式進行了改進；葉強等人[8]計制造了一種驅動型葡萄園小型開溝機；李杰銀[9]針對3GK-300型果園開溝機整機和工作性能進行了實驗分析；張園[10]設計了一種小型自走式果園開溝機；阿布里孜巴斯提等人[11]研制了1K-40型偏置式果園開溝機；郭建等人[12]對開溝機的機架和開溝器立柱等進行了力學分析和優化；王鵬飛等人[13]設計了一種果園開溝機超低速傳動系統；何義川等人[14]設計置進行了設計分析。以上研究對開溝機整機和關鍵部件進行了設計與分析，但部分裝備依然存在著動力損耗大、開溝質量不佳等問題。因此，在以上研究基礎上，綜合考慮新疆兵團葡萄、紅棗等水果種植模式，設計研制了一種適于果園深施有機肥開溝裝置，在實現開溝作業機械化的基礎上達到符合深施有機肥作業條件的開溝效果。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

該開溝裝置主要由機架、刀盤總成、導流罩及傳動系統等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

該機在果園中工作時，由拖拉機通過后置三點懸掛牽引前進。工作過程中，啟動拖拉機，將擋位掛至爬行擋，拖拉機后輸出軸輸出動力，經萬向軸及開溝機變速箱帶動刀盤轉動；當刀盤轉速達到額定值時，駕駛員根據開溝深度要求控制液壓系統降下機架，直至達到所需開溝深度；如需開溝至最大深度，可將油缸完全縮放到底。此時，開溝刀與土壤接觸進行開溝作業，3種開溝刀A、B、C依次循環逐層切削土壤，被切削的土壤隨著刀盤旋轉拋起至導流罩內側，在導流罩的作用下落至開好溝的兩側；為了防止部分被拋起的土落入溝內影響開溝效果，在機架后側安裝了清溝犁進行二次開溝，從而完成開溝作業。

1.刀盤 2.開溝刀A 3.開溝刀B 4.開溝刀C 5.牽引架

主要技術參數如表1所示。

表1 技術參數

2 關鍵零部件設計

2.1 機架設計

機架主要由懸掛總成、橫梁及縱梁等組成，如圖如圖2所示。其中，懸掛總成是開溝機和拖拉機相連接部分，為了保證連接的穩定性和可靠性，采用了傳統的三點懸掛方式。

工作過程中，通過操作拖拉機上的液壓系統來控制機架垂直方向的升降，即控制開溝刀的工作深度。在機架的設計過程中，遵循選擇合適的材料、良好的制造工藝、承載的零部件易安裝和拆卸等原則，由橫梁和縱梁組成了機體框架，用來安裝和定位各零部件；在減輕整機質量、保證承載強度的前提下，機架材料選用50mm×50mm的方形鋼管，連接方式為焊接。

圖2 機架

2.2 刀盤總成的設計

刀盤總成主要由刀盤體及3種開溝刀A、B、C等組成，如圖3所示。通過對比現有的整體盤式、鏈條式、螺旋銑刀式及犁鏵式等刀盤形式的優缺點，最終確定整體盤式，具有剛性強度大、結構簡單、易于加工及可靠性好等特點。

在減小刀盤質量、降低整機功耗的前提下，將開溝刀盤加工成圓環狀，刀盤直徑為

D=(1.25～1.45)H

(1)

其中，D為刀盤直徑(mm)；H為開溝深度(mm)。

根據果園施肥作業要求深度為400mm、寬度為250～300mm，依據公式(1)可得刀盤直徑500～580mm，本設計的刀盤體直徑選用540mm。

在減小刀盤質量、降低整機功耗的前提下，將開溝刀盤加工成圓環狀,內環直徑為400mm。開溝刀的合理結構形式、排列方式是提高開溝性能的重要因素，本設計完成的刀盤體可安裝5組共計15把開溝刀(3種開溝刀A、B、C為1組)，開溝刀通過螺栓固定在刀盤體上，刀盤回轉直徑確定為1 100mm，每組開溝刀可開溝寬度為250mm。

為使開溝刀加工標準化、工作強度高、價格便宜及功耗較小，本設計開溝刀選用了彎刀結構形式，加工材料為60Si2Mn。根據現有刀盤工作參數，通過對比不同厚度開溝刀的質量、變形量等指標(即隨著刀片厚度的增加，刀片質量會相應增大，但刀片工作時的變形量減小)，最終確定開溝刀的厚度為10mm。

該機通過采用3種不同結構參數(切土角、彎折角、彎曲半徑參數不同)的刀具依次循環對土壤進行逐層切削開溝，避免了傳統的單一開溝刀持續性磨損現象，不僅提高了刀具的使用壽命，還能降低開溝功耗、提高作業穩定性。

通過查閱機械設計手冊可知：刀盤總成轉速按公式(2)進行計算，開溝機刀盤總成線速度建議值為7～15m/s。

(2)

其中，n為轉速(r/min)；V為線速度(m/s)；R為刀盤回轉半徑(mm)。

經計算，可得開溝刀盤轉速范圍為121～260r/min。為了保證生產率、開溝質量等指標，本設計確定刀盤總成轉速230r/min。

圖3 刀盤總成

2.3 導流罩的設計

導流罩主要由圓弧板、側直板及固定安裝板等組成，如圖4所示。其主要作用是將被開溝刀拋起的土壤有規律地堆放在溝的兩側，防止土壤再次進入溝內，影響開溝質量，為后續的施肥作業奠定基礎。

1.側直板 2.圓弧板 3.固定安裝板

開溝機工作過程中，開溝刀對土壤進行切削，被切削的土壤會隨著開溝刀的旋轉以一定的速度沿著開溝刀旋轉的切線方向而被拋起，不能夠達到在溝兩側堆放土壤的目的。為此，在土壤拋起的方向安裝導流罩，從而使土壤以一定的入射角撞擊在導流罩上，將土壤進一步破碎，破碎后的土壤以相似的反射角傾落至溝的兩側。

2.4 傳動系統的設計

該機的動力源是拖拉機動力后輸出軸，動力經過萬向聯軸器傳遞至變速箱總成(主要包括齒輪減速箱總成、錐齒輪箱總成，鏈輪箱總成等部分)的錐齒輪箱總成部分進行減速增扭并改變傳動方向；接著傳向鏈輪箱部分，經過鏈輪鏈條傳動方式進行減速增扭將動力傳遞給開溝機刀盤總成，從而驅動刀盤總成轉動，開溝刀對土壤進行切削。將拖拉機后輸出軸設定標準轉速為540r/min，開溝刀盤的轉速為230r/min。為此，設計完成的傳動系統的總傳動比為2.3。傳動流程示意圖如圖5所示。

圖5 傳動流程圖

3 田間試驗與結果

3.1 試驗條件

2015年4月，在新疆生產建設兵團農八師143團對裝備進行了田間性能試驗，并委托新疆生產建設兵團農業機械檢驗測試中心對開溝性能進行了檢測，對試驗田地的地形、含水率、土壤堅實度、環境溫度及風速等進行了測定，試驗條件如表2所示。

表2 試驗條件

3.2 試驗結果

對開溝機的主要性能進行測定，結果如表3所示。

表3 試驗結果

4 結論

1)研制完成了集機架、刀盤總成、導流罩及傳動系統等為一體的開溝裝置，能夠有效完成兵團葡萄、紅棗等的種植模式果園的開溝作業，解決了人工開溝作業存在的勞動強度大、作業效率低等問題，實現了果園開溝作業的機械化，為后續果園施用有機肥作業的順利進行奠定了良好基礎。研究成果可為后期進行開溝、施肥等作業為一體的機械裝備的設計研制提供參考。

2)經新疆生產建設兵團農業機械檢驗測試中心檢測結果表明：作業速度1.6km/h，開溝深度410mm，開溝寬度280mm，生產率0.6hm2/h。作業過程中，性能穩定，無故障發生現象，各項指標均符合設計要求。

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The Design and Development of Orchard Ditching Device Suitable for the Deep Application of Organic Fertilizer

Qi Jiangtao1, Meng Hewei1, Li Chengsong1, Kan Za1, Ma Chen1, Lu Shixing2

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China; 2.Shandong province's Weifang Prison, Weifang 261011, China)

In the process of management of the orchard, reasonable fertilization is an important basis for improving soil fertility, fruit yield and quality, Ditching is a necessary prerequisite for fertilization.In this paper,Considering the characteristics of Xinjiang orchard planting mode, aiming at the problems existing in ditching operation labor intensity and low efficiency operation of artificial orchard fertilization process, design a ditching device which is mainly composed of frame, cutter assembly, diversion cover and transmission system, it completed that mechanized ditching in the process of orchard fertilization.The field tests show that 1.6km/h of the operation speed,410mm of trenching depth,280mm of width,0.6hm2/h of productivity. This machine has the characteristics of simple structure, stable performance, low manufacturing cost, good ditching quality.

orchard; fertilizer; ditching

2016-09-28

國家自然科學基金項目(51505306)；新疆生產建設兵團工業科技攻關計劃項目(2013BA009)

戚江濤(1990-),男，內蒙古赤峰人，實驗師，(E-mail) qjt510014078@163.com。

蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士生導師，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S224.22

A

1003-188X(2017)10-0034-04