适于果园深施有机肥开沟装置设计

戚江涛，蒙贺伟，李成松，坎 杂，马 晨，路士兴

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.山东省潍坊监狱，山东 潍坊 261011)



适于果园深施有机肥开沟装置设计

戚江涛1，蒙贺伟1，李成松1，坎 杂1，马 晨1，路士兴2

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.山东省潍坊监狱，山东 潍坊 261011)

在果园的管理过程中，合理施肥是增加土壤肥力、提高水果产量及品质的重要基础，而开沟是施肥作业实施的必要前提。为此，综合考虑新疆果园种植模式特点，针对果园施肥过程中人工进行开沟作业存在的劳动强度大、作业效率低等问题，设计了一种开沟装置，其主要由机架、刀盘总成、导流罩及传动系统等组成，实现了果园施肥作业过程中的机械化开沟。田间试验表明：该机具作业速度1.6km/h，开沟深度410mm，开沟宽度280mm，生产率0.6hm2/h，具有结构简单、性能稳定、制造成本低及开沟质量好等特点。

果园；施肥；开沟

0 引言

新疆独特的光热和水土等自然环境非常适宜葡萄、红枣等水果的种植，生产的水果具有口感好、品质佳、营养丰富及经济效益好等特点[1-2]。2014年，新疆兵团葡萄种植面积4.8万hm2，红枣的种植面积10.9万hm2[3]，尤其是随着农业产业结构的不断调整，新疆特色水果的种植面积不断增大，不仅促进了水果产业的快速发展，而且增加了种植户的经济收入。合理的果园施肥能够提高水果产量，也可以改善土壤肥力和增加环境效益。施肥种类主要是无机肥和有机肥，前者主要以化肥为主，具有肥效快特点，但长期使用存在土壤肥力及果实品质下降等问题[4-5]。目前，有机肥的使用较为广泛，在施肥过程中开沟作业是重要的工作环节，传统的人工开沟存在着劳动强度大、作业效率低、生产成本高等问题[6]，因而机械化开沟作业已经成为规模果园施肥作业过程中的必然趋势。

目前，针对果园开沟作业技术开展研究的主要有：胡佳佳等人[7]对果园开沟施肥机的开沟刀的结构参数和安装排列方式进行了改进；叶强等人[8]计制造了一种驱动型葡萄园小型开沟机；李杰银[9]针对3GK-300型果园开沟机整机和工作性能进行了实验分析；张园[10]设计了一种小型自走式果园开沟机；阿布里孜巴斯提等人[11]研制了1K-40型偏置式果园开沟机；郭建等人[12]对开沟机的机架和开沟器立柱等进行了力学分析和优化；王鹏飞等人[13]设计了一种果园开沟机超低速传动系统；何义川等人[14]设计置进行了设计分析。以上研究对开沟机整机和关键部件进行了设计与分析，但部分装备依然存在着动力损耗大、开沟质量不佳等问题。因此，在以上研究基础上，综合考虑新疆兵团葡萄、红枣等水果种植模式，设计研制了一种适于果园深施有机肥开沟装置，在实现开沟作业机械化的基础上达到符合深施有机肥作业条件的开沟效果。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

该开沟装置主要由机架、刀盘总成、导流罩及传动系统等组成，如图1所示。

1.2 工作原理

该机在果园中工作时，由拖拉机通过后置三点悬挂牵引前进。工作过程中，启动拖拉机，将挡位挂至爬行挡，拖拉机后输出轴输出动力，经万向轴及开沟机变速箱带动刀盘转动；当刀盘转速达到额定值时，驾驶员根据开沟深度要求控制液压系统降下机架，直至达到所需开沟深度；如需开沟至最大深度，可将油缸完全缩放到底。此时，开沟刀与土壤接触进行开沟作业，3种开沟刀A、B、C依次循环逐层切削土壤，被切削的土壤随着刀盘旋转抛起至导流罩内侧，在导流罩的作用下落至开好沟的两侧；为了防止部分被抛起的土落入沟内影响开沟效果，在机架后侧安装了清沟犁进行二次开沟，从而完成开沟作业。

1.刀盘 2.开沟刀A 3.开沟刀B 4.开沟刀C 5.牵引架

主要技术参数如表1所示。

表1 技术参数

2 关键零部件设计

2.1 机架设计

机架主要由悬挂总成、横梁及纵梁等组成，如图如图2所示。其中，悬挂总成是开沟机和拖拉机相连接部分，为了保证连接的稳定性和可靠性，采用了传统的三点悬挂方式。

工作过程中，通过操作拖拉机上的液压系统来控制机架垂直方向的升降，即控制开沟刀的工作深度。在机架的设计过程中，遵循选择合适的材料、良好的制造工艺、承载的零部件易安装和拆卸等原则，由横梁和纵梁组成了机体框架，用来安装和定位各零部件；在减轻整机质量、保证承载强度的前提下，机架材料选用50mm×50mm的方形钢管，连接方式为焊接。

图2 机架

2.2 刀盘总成的设计

刀盘总成主要由刀盘体及3种开沟刀A、B、C等组成，如图3所示。通过对比现有的整体盘式、链条式、螺旋铣刀式及犁铧式等刀盘形式的优缺点，最终确定整体盘式，具有刚性强度大、结构简单、易于加工及可靠性好等特点。

在减小刀盘质量、降低整机功耗的前提下，将开沟刀盘加工成圆环状，刀盘直径为

D=(1.25～1.45)H

(1)

其中，D为刀盘直径(mm)；H为开沟深度(mm)。

根据果园施肥作业要求深度为400mm、宽度为250～300mm，依据公式(1)可得刀盘直径500～580mm，本设计的刀盘体直径选用540mm。

在减小刀盘质量、降低整机功耗的前提下，将开沟刀盘加工成圆环状,内环直径为400mm。开沟刀的合理结构形式、排列方式是提高开沟性能的重要因素，本设计完成的刀盘体可安装5组共计15把开沟刀(3种开沟刀A、B、C为1组)，开沟刀通过螺栓固定在刀盘体上，刀盘回转直径确定为1 100mm，每组开沟刀可开沟宽度为250mm。

为使开沟刀加工标准化、工作强度高、价格便宜及功耗较小，本设计开沟刀选用了弯刀结构形式，加工材料为60Si2Mn。根据现有刀盘工作参数，通过对比不同厚度开沟刀的质量、变形量等指标(即随着刀片厚度的增加，刀片质量会相应增大，但刀片工作时的变形量减小)，最终确定开沟刀的厚度为10mm。

该机通过采用3种不同结构参数(切土角、弯折角、弯曲半径参数不同)的刀具依次循环对土壤进行逐层切削开沟，避免了传统的单一开沟刀持续性磨损现象，不仅提高了刀具的使用寿命，还能降低开沟功耗、提高作业稳定性。

通过查阅机械设计手册可知：刀盘总成转速按公式(2)进行计算，开沟机刀盘总成线速度建议值为7～15m/s。

(2)

其中，n为转速(r/min)；V为线速度(m/s)；R为刀盘回转半径(mm)。

经计算，可得开沟刀盘转速范围为121～260r/min。为了保证生产率、开沟质量等指标，本设计确定刀盘总成转速230r/min。

图3 刀盘总成

2.3 导流罩的设计

导流罩主要由圆弧板、侧直板及固定安装板等组成，如图4所示。其主要作用是将被开沟刀抛起的土壤有规律地堆放在沟的两侧，防止土壤再次进入沟内，影响开沟质量，为后续的施肥作业奠定基础。

1.侧直板 2.圆弧板 3.固定安装板

开沟机工作过程中，开沟刀对土壤进行切削，被切削的土壤会随着开沟刀的旋转以一定的速度沿着开沟刀旋转的切线方向而被抛起，不能够达到在沟两侧堆放土壤的目的。为此，在土壤抛起的方向安装导流罩，从而使土壤以一定的入射角撞击在导流罩上，将土壤进一步破碎，破碎后的土壤以相似的反射角倾落至沟的两侧。

2.4 传动系统的设计

该机的动力源是拖拉机动力后输出轴，动力经过万向联轴器传递至变速箱总成(主要包括齿轮减速箱总成、锥齿轮箱总成，链轮箱总成等部分)的锥齿轮箱总成部分进行减速增扭并改变传动方向；接着传向链轮箱部分，经过链轮链条传动方式进行减速增扭将动力传递给开沟机刀盘总成，从而驱动刀盘总成转动，开沟刀对土壤进行切削。将拖拉机后输出轴设定标准转速为540r/min，开沟刀盘的转速为230r/min。为此，设计完成的传动系统的总传动比为2.3。传动流程示意图如图5所示。

图5 传动流程图

3 田间试验与结果

3.1 试验条件

2015年4月，在新疆生产建设兵团农八师143团对装备进行了田间性能试验，并委托新疆生产建设兵团农业机械检验测试中心对开沟性能进行了检测，对试验田地的地形、含水率、土壤坚实度、环境温度及风速等进行了测定，试验条件如表2所示。

表2 试验条件

3.2 试验结果

对开沟机的主要性能进行测定，结果如表3所示。

表3 试验结果

4 结论

1)研制完成了集机架、刀盘总成、导流罩及传动系统等为一体的开沟装置，能够有效完成兵团葡萄、红枣等的种植模式果园的开沟作业，解决了人工开沟作业存在的劳动强度大、作业效率低等问题，实现了果园开沟作业的机械化，为后续果园施用有机肥作业的顺利进行奠定了良好基础。研究成果可为后期进行开沟、施肥等作业为一体的机械装备的设计研制提供参考。

2)经新疆生产建设兵团农业机械检验测试中心检测结果表明：作业速度1.6km/h，开沟深度410mm，开沟宽度280mm，生产率0.6hm2/h。作业过程中，性能稳定，无故障发生现象，各项指标均符合设计要求。

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[2] 刘运超,余国新,闫艳燕.新疆红枣产业发展现状与对策研究[J]. 北方园艺,2013(18):165-169.

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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

国家自然科学基金项目(51505306)；新疆生产建设兵团工业科技攻关计划项目(2013BA009)

戚江涛(1990-),男，内蒙古赤峰人，实验师，(E-mail) qjt510014078@163.com。

蒙贺伟(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，硕士生导师，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S224.22

A

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