果園變距雙行開溝機設計及應用

李武德，曾伯勝

（1.廣西包裝食品塑料機械產品質量監測站，廣西 南寧530007；2.廣西農業機械研究院有限公司，廣西 南寧530007）

0 引言

我國是水果生產大國，水果種植面積和水果產量均居世界首位[1]。近幾年，隨著國家脫貧攻堅規劃和鄉村振興戰略的實施，我區農村經濟作物的種植規模迅速發展，水果產業成為農民的首選發展項目，果樹種植面積迅速擴張，隨之而來的是果樹田間管理問題突出。果樹施肥是一項較為關鍵的園藝作業環節素[2]，是保證果樹良好生長和果實豐收保證，施肥是影響果實產量和品質的重要因素[3]。根據果樹各物候期的需肥特點，全年宜分花期、花候、花芽分化期前、果實生產期4次補給肥料，目前市場上缺少可靠高效的施肥開溝機，果園開溝主要依靠人工作業，勞動強度大、工作效率低[4]，對于大面積種植的果園，在短時間內靠人工挖溝、挖坑完成，困難非常大，且隨著農村青壯年勞力的短缺和勞動力成本的不斷提高，作業成本巨大。目前，國內果園作業機具功能單一或適應性差，無法滿足果園大規模機械化開溝施肥作業和短時間內完成的農藝需求。針對這一現狀，筆者通過走訪調研，大、中規模果樹種植戶普遍采用的“條狀溝施”施肥方式，即在果樹行邊沿樹冠下方開溝施肥，具有能實現高效、快速完成施肥的特點。因此，筆者設計、試制了一種變距雙行開溝機并投入大型果場使用，效果良好。

1 設計依據

（1）柑橙果樹種植行距7 m，株距3 m。

（2）開溝施肥采用條狀溝施，即在樹冠垂直投影的外緣，與樹行同方向挖條形溝。

（3）為提高作業效率和充分利用拖拉機的有效功率，采用雙行同時開溝。

（4）果樹有于年份不同，品種及長勢差異，行距間樹冠的距離有所不同，采用雙行開溝部件距離應可調，以適應不同地塊作業。

（5）樹種、土質、管理水平等，根系深淺不一，應設置深度調節裝置，保證開溝深度在根系深度范圍內。

2 主要技術方案及結構原理

果園變距雙行開溝機由懸掛式機架、左右液壓油缸、左右四連桿機構、左右鏵式開溝犁等組成（如圖1）。左右鏵式開溝犁通過左右四連桿機構與懸掛式機架連接，左右液壓油缸用于調節左右鏵式開溝犁的距離，在調節不同距離時，左右鏵式開溝犁始終與前進方向一致。

圖1 果園變距雙行開溝機結構組成

果園變距雙行開溝機懸掛于輪式拖拉機上，拖拉機可在兩行果樹之間行走，機手可根據果樹行距及果樹大小情況通過調節液壓油缸的伸出長度調整連桿機構的角度，從而改變左右鏵式開溝犁的距離，開溝的深淺可通過調節限深裝置來實現，調整好開溝距離和深度后，即可進行開溝作業。

3 主要技術參數

果園變距雙行開溝機的主要技術參數詳見表1。

表1 果園變距雙行開溝機主要技術參數

4 主要結構設計

4.1 懸掛式機架及變距機構

果園變距雙行開溝機與拖拉機懸掛系統連接的機架為標準三點懸掛式機架，機架左右設計兩個連桿連接口，連桿機構活動連接于機架兩側，左右鏵式開溝犁固定于左右連桿機構外端連桿上，連桿機構的角度可以在一定范圍內擺動，液壓油缸與連桿機構活動連接，通過改變液壓油缸伸出長度可調整連桿機構的角度。

左右液壓油缸的進出油口與拖拉機的液壓輸出進出口連接，在拖拉機上可通過操作液壓控制閥，實現左右液壓油缸伸縮，從而改變左右連桿機構的角度，使得固定在左右連桿機構外端連桿的左右鏵式開溝犁之間的距離變化。液壓油缸活塞桿伸出到最大行程時，左右鏵式開溝犁之間的距離為最大值，反之為最小，左右鏵式開溝犁之間的距離設計值為2 600～4 200 mm，在該范圍內可調節到任意距離。采用平行四邊形的四連桿機構能保證鏵式開溝犁在變距過程中，犁尖方向始終不變，犁鏵方向角不變，保證鏵式開溝犁的開溝、翻土碎土性能優良。

4.2 液壓油缸的主要參數設計

4.2.1 油缸行程的設計

根據果園變距雙行開溝機的設計要求及技術方案，左右鏵式開溝犁之間的距離設計值為2 600～4 200 mm，可得支撐油缸的長度為1 090～1 665 mm，即油缸行程為575 mm。

4.2.2 油缸受力分析

根據果園變距雙行開溝機的設計要求及技術方案，可形成機構受力簡圖，果園變距雙行開溝機右側受力簡圖如圖2所示。

圖2 果園變距雙行開溝機機構受力簡圖

連桿DC可繞D轉動，鏵式開溝犁作用力加載于C點，液壓油缸AB支座為A點，與連桿連接于B點，連桿DC與液壓油缸AB夾角為α，從受力簡圖可知，為了保證果園變距雙行開溝犁正常工作，其油缸支撐力應滿足：

式中：F—液壓油缸支撐力；

Fa—鏵式開溝犁的開溝作用力；

L1—液壓油缸支撐點至活動點D的距離；

L2—鏵式開溝犁的作用力受力點至活動點D的距離。

本果園變距雙行開溝機配套動力為約翰迪爾1204A輪式拖拉機，最大牽引力為39 kN，液壓系統輸出壓力最大為16 MPa/cm2。根據圖2，鏵式開溝犁所受阻力應與拖拉機牽引力相等，即右側鏵式開溝犁受力應等于拖拉機牽引力的一半（即19.5 kN）。根據式（2）計算液壓油缸支撐力F：

根據設計圖知：L1=550 mm，L2=1 135 mm，α =33.4°，由式（3）可得液壓油缸支撐力F≥73 165 N。4.2.3油缸缸徑計算

開溝犁配套約翰迪爾1204 A輪式拖拉機液壓系統輸出額定壓力為16 MPa/cm2，在實際工作中，為保證液壓系統工作可靠和安全，設定液壓油缸工作壓力為10 MPa/cm2，安全系數取2.5，液壓油缸參數應滿足下式：

式中：F—液壓油缸支撐力；

p—液壓油缸工作壓力；

d—液壓油缸缸筒內徑。

根據式（4），可得p≥ 76 mm。根據液壓油缸缸筒內徑標準尺寸，選著液壓油缸內徑為80 mm。

5 試驗及應用

果園變距雙行開溝機試制成功后，已投放在利添生物科技發展（合浦）有限公司位于廣西北海市烏家鎮的7萬畝柑橘果業基地實地應用，如圖3和圖4所示。

圖3 果園變距雙行開溝機作業

圖4 完成施肥覆土作業后效果圖

配套約翰迪爾1204A輪式拖拉機進行作業，柑橘種植行距7 m、株距3 m，作業地行間樹冠距離約3.8 m。根據柑橘施肥農藝要求，雙行開溝距離設置為3.9 m，經測定，開溝深度平均值312 mm，作業平均速度6.54 km/h，即純工作時間作業效率可達4.5 hm2/h，平均油耗1.8 L/hm2。開溝作業滿足柑橘施肥的農藝要求，獲得柑橘種植業主的好評。

6 作業效益分析

利添生物科技發展（合浦）有限公司為亞洲果業控股有限公司在中國大陸的附屬機構，擁有廣西合浦、江西信豐、湖南永州3大柑橘種植基地，廣西合浦的果業基地位于廣西北海市合浦縣烏家鎮，種植區面積約7萬畝（4 667 hm2），以往苦于無適用于大面積作業的開溝施肥機械，需要雇傭人工進行分段開溝、施肥作業，每株果樹的開溝作業成本為0.75元，每人每天可為約200株果樹挖溝，而且還常常難以請到作業工人，不能保證按時完成開溝施肥作業。

使用果園變距雙行開溝機進行開溝作業，經測定，每天作業8 h，可開溝30 hm2，約完成14 400株果樹的開溝作業。雇傭約翰迪爾1204 A拖拉機的成本為 600元/天，油耗（8 h）64.8 L，按 7元/L 計，折合453.6元，每天開溝總成本1 053.6元，每株果樹開溝費用為0.07元，每株果樹節約費用0.68元。

在利添生物科技發展（合浦）有限公司廣西合浦的果業基地，使用三臺果園變距雙行開溝可在50個工作日完成全部4 667 hm2柑橘果樹的開溝作業，一臺機相當于100個勞動力的開溝作業量，節約作業成本約150萬元，有效降低了作業成本，解決了以往開溝施肥滯后，影響果樹生長的問題。使用果園變距雙行開溝機，既能將肥料施入深層土壤中，又有利于肥料效果的有效發揮，還能使挖溝部位的土壤疏松有利果樹生長和水果產量提高。

7 結論與展望

果園變距雙行開溝機的研制及使用表明，其開溝距離調整簡便，開溝深度及寬度穩定，作業效率高，對促進大、中型果樹種植園開溝施肥作業機械化、降低作業成本具有重大意義。

本設計的果園變距雙行開溝機還可以方便地作如下拓展：

（1）在果園變距雙行開溝機上進一步配置肥料箱及施肥裝置，可實現開溝、施肥聯合作業。

（2）在鏵式開溝犁后方設計配置覆土裝置，在開溝、施肥后能將翻出泥土回填，實現開溝、施肥、覆土一體化聯合作業。

（3）鏵式開溝犁犁尖處容易磨損，進一步考慮加裝一個尖套使用，提高耐磨性，更換便捷。