果園自動開溝施肥機的設計

劉方平，賀曉華，蘇 磊

（柳州職業技術學院 機電工程學院，廣西壯族自治區 柳州 545000）

我國果園面積和產量居世界首位，且近10年來仍在不斷增長。隨著我國經濟的發展，人們生活水平不斷提高，人們對水果的需求從質和量上都提出了新的要求。果樹的種植和管理需要投入大量的勞動力，而隨著工業化和城鎮化的不斷推進，大量勞動力流向第二產業、第三產業，使得果園生產的勞動力嚴重不足，生產與管理成本上升，嚴重制約了果品產業的發展。因此，實現果園種植與管理的機械化、自動化成為解決勞動力不足問題的關鍵。

果樹施肥是果樹種植中的重要環節，合理施肥能夠大大提高果品產量和質量。我國幅員遼闊，果園的環境、地勢、土壤等都存在較大的差異，在平原地區，果園機械化、自動化程度較高，而丘陵山區受到地勢地貌的限制，大多數的施肥作業還需人工輔助完成，對于深施填埋施肥而言，開溝、施肥、覆土等一系列過程都需要大量的勞動力，工作強度大，效率低，施肥量不易把控，造成肥料浪費、果品質量差異大、生產成本提高等后果。因此，針對山地丘陵地區的果園施肥作業研發全過程機械化、自動化設備具有重要意義。

1 國內外研究現狀

國外對施肥機械研究得比較早，20 世紀70 年代，基本實現了果園施肥作業的全過程機械化。在此基礎上，近年來歐美等發達國家正在向智能化、自動化方向發展，利用各類傳感器、智能處理系統、神經網絡等先進方法，實現了精量施肥、自動配肥、精準施肥、自動避讓等功能。國外施肥機械具有專業化、系列化、標準化、多樣化等特點，但大多體型龐大，不適合山地丘陵作業。

我國施肥機械研究較晚，國內高校和科研機構進行了大量研究，研制出了一些適用于山地丘陵地區作業的施肥機械，其中一些機型已投入使用。例如，金華市農業機械研究所的張加清等研制出1KF-20 型開溝深施肥機，能夠同時實現開溝、施肥、覆土作業，結構簡單，效率高。西北農林科技大學的韓冰、劉斐等設計一種果園挖坑施肥機，實現了鉆孔、施肥、覆土一體化作業，在挖坑的同時實現了肥料與土壤的有效混合，提高了肥料利用率。浙江機電職業技術學院祝勇仁設計的果園開溝深施肥機，可以完成開溝、施肥、覆土一體化作業，具有拋土均勻、溝型規范、開溝深度可調等優點，大大提高了生產效率。孫興祚等針對新疆果園種植，設計完成了一種集輸肥裝置、施肥裝置、液壓驅動裝置、料箱及機架等為一體的有機肥條施機，能夠將有機肥均勻條施在果樹根側，解決了人工深施有機肥存在的勞動強度大、效率低等問題。

果園施肥機械的不斷研發，逐步解放了生產力，降低了果農的勞動強度，提高了施肥效率和質量。但是，目前的施肥機械仍然存在不足之處，需要逐步完善[9-11]。智能化、自動化程度低。大多數機械需要果農輔助作業，需要進一步研發出集避障、開溝、精準精量施肥、覆土于一體的，適用于丘陵山地的施肥機械。果園施肥機械的通用性不強。缺少適用于不同地形、不同果樹、不同肥料類型的通用型施肥機械。排肥量小。不能兼顧小量施肥和大量施肥，排肥時容易結塊、堵塞，影響排肥均勻性。開溝刀具磨損快，能源利用率低。針對現有階段施肥機械的不足之處，設計一種開溝施肥覆土一體機，集開溝、施肥、覆土、夯實功能于一體，實現果園施肥的自動化，提高施肥效率和肥料的利用率，大大降低果農的勞動強度，降低人力成本。

2 整體方案設計

2.1 總體結構設計

如圖1 所示，該自動化施肥機主要由開溝機構、肥料箱、排肥裝置、覆土結構、機架、夯土裝置、液壓驅動系統組成。開溝機構包括開溝機架組件和開溝犁；肥料箱安裝在機架上，肥料箱的肥料出口下方連接有排肥筒，排肥筒上方設置有排肥護料板；排肥箱內設有強制排肥裝置，與夯土輪軸通過帶傳動機構連接；覆土結構由2塊覆土側板組成，活動連接在機架的兩側；液壓驅動系統包括液壓泵、換向閥、液壓鎖、液壓缸等；該自動化施肥機能實現開溝、施肥、覆土、夯實一體化施肥作業。

2.2 技術參數

根據現階段果園施肥現狀，及果園種植特點，自動化施肥機的主要技術參數如表1所示。

表1 果園一體化施肥機結構示意圖Tab.1 The main technical parameters of automatic fertilizer applicator

3 主要結構設計及工作原理

3.1 開溝機構

現階段的開溝方式主要分為鏵式犁、旋轉滾刀、鏈式開溝刀具，綜合從開溝效率、能耗、刀具的磨損、溝型特點、結構復雜性考慮，選擇鏵式犁開溝，能在滿足開溝要求的情況下提高開溝效率，減小能耗，降低結構復雜程度，節約成本。開溝機構由開溝機架組件、開溝犁、液壓缸I、液壓缸II組成。開溝機架組件由上開溝臂、下開溝臂、開溝連桿組成，通過4 個鉸鏈副安裝在牽引機上，利用平行四邊形結構，保證開溝犁在工作狀態中始終平行于牽引裝置的連接部分，向下的破土力作用在牽引機上，具有更大的破土能力。開溝深度由液壓缸II 控制，可滿足0～400 mm 的不同開溝深度需求，其一端固定在牽引機上，由牽引機輸出液壓力。開溝犁寬度為200 mm，其工作狀態和準備狀態的切換由液壓缸I 控制。開溝過程為，先通過液壓缸II 調節需要開溝的深度，再控制液壓缸I 使開溝犁達到工作狀態。圖2為開溝機構結構圖。

圖2 開溝機構結構Fig.2 The structural diagram of the ditching mechanism

3.2 覆土結構

如圖1 所示，覆土結構由2 塊對稱分布的覆土側板組成，2 塊覆土側板由前至后呈“八”字設置在機架上，能將開溝帶出的蓬松土壤帶回溝中，再由夯土輪夯實土壤。覆土側板的抬起和放下動作由圓弧形伸縮鉸鏈控制，當不需要進行覆土作業時，通過圓弧形伸縮鉸鏈將覆土側板抬起，具體結構及位置見圖1。圓弧形伸縮鉸鏈結構見圖3，包括中空的圓弧形外套體、圓弧板、上定位銷孔、下定位銷孔。不需要覆土作業時，定位銷插入下定位銷孔內，使覆土側板抬起，與水平呈45°角，覆土側板離地間隙大；工作狀態時，定位銷插入上定位銷孔內，圓弧板將覆土側板放下，與地面呈90°角，離地間隙小。

圖3 圓弧形伸縮鉸鏈結構Fig.3 The structure of the circular and curved telescopic hinge

3.3 強制排肥裝置

強制排肥裝置包括肥料箱、傳動機構、強制排肥機構。如圖4所示，該結構能保證肥料順重力落入攪龍槽，攪龍槽內安裝有對稱分布于排料筒兩側的攪龍結構，且攪龍方向相反布置，由攪龍強制順排料筒定量排出，根據果園施肥要求，設計肥料箱容積為4 m3。動力由夯土輪經皮帶傳動機構傳送至攪龍，攪龍的轉動速度隨機械運動速度的改變而改變，通過調節帶輪傳動的傳動比，可實現各類果園的不同施肥量要求。

圖4 強制排肥裝置Fig.4 The device for forcing the discharge of fertilizer

4 結語

針對目前果園生產中勞動力缺乏、生產與管理成本過高的問題，設計了一種集開溝、施肥、覆土、夯實功能于一體的果園自動化施肥機，能實現開溝寬度為200 mm，開溝深度在0～400 mm 范圍內可調，采用對稱式的雙攪龍強制排肥，能有效防止料塊堆積，能適應化肥、農家肥、混合肥料等不同形式的肥料，并且排肥量可調節，可實現定量施肥。該自動化施肥機能提高果園施肥的自動化程度，提高施肥效率和肥料的利用率，降低果農的勞動強度，降低人力成本。對后續進行樣機試制及田間試驗提供理論依據。