葡萄開溝施肥機(jī)的設(shè)計(jì)

劉偉

摘要：施肥是葡萄生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)之一，因其季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，亟需實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)。研究設(shè)計(jì)一種葡萄開溝施肥機(jī)，介紹機(jī)具的總體方案與結(jié)構(gòu)，闡述各主要部件的設(shè)計(jì)，并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)具性能與作業(yè)效果。結(jié)果表明，該機(jī)具可以較好地滿足葡萄開溝施肥的需求。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；葡萄；開溝；施肥；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S224.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）12-0026-03

葡萄是我國(guó)主要的水果品種，遼寧省是全國(guó)葡萄主產(chǎn)地之一。目前，隨著人們生活水平的提高，市場(chǎng)對(duì)葡萄品質(zhì)的要求也越來越高，葡萄生產(chǎn)上普遍通過增加有機(jī)肥使用量來提升葡萄品質(zhì)。葡萄生長(zhǎng)旺盛，結(jié)果量大，對(duì)土壤養(yǎng)分的需求也較多，肥料需量大。在葡萄生產(chǎn)中，基肥施加是葡萄園施肥中最重要的一環(huán)，一般秋天施入，從葡萄采收后到土壤封凍前進(jìn)行，667 m2施肥量達(dá)5 000～6 000 kg。該項(xiàng)作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多而復(fù)雜、農(nóng)藝要求嚴(yán)格，因現(xiàn)有的葡萄園空間有限，大功率拖拉機(jī)無法進(jìn)入作業(yè)，目前多以人工操作為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、質(zhì)量差、費(fèi)用高，不能滿足葡萄規(guī)?；a(chǎn)經(jīng)營(yíng)的需要。因此，對(duì)葡萄園開溝施肥機(jī)械的研發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 葡萄開溝施肥機(jī)方案研究

由于葡萄籬架低矮，空間有限，大功率拖拉機(jī)無法進(jìn)入作業(yè)，所以機(jī)具的設(shè)計(jì)必須適于小動(dòng)力拖拉機(jī)配套。為此，利用已有的旋耕機(jī)作業(yè)原理來研究開溝施肥機(jī)。旋耕機(jī)是利用旋耕刀滑切土壤完成整地的，按照刀軸回轉(zhuǎn)方向可分為正旋和逆旋。正旋即刀輥的旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，旋耕刀由地表向下切土，刀輥切土的反作用力與拖拉機(jī)前進(jìn)方向相同，因而有利于機(jī)組在潮濕土壤上作業(yè)；逆旋為刀輥旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，旋耕刀由已切土壤中入土，從底部向上切土，所需切削力小，有利于在較硬土壤上作業(yè)，且會(huì)有較多的土塊向前方拋擲。基于對(duì)旋耕機(jī)作業(yè)的分析，考慮到葡萄開溝的實(shí)際情況，確定采用逆旋作業(yè)方式設(shè)計(jì)開溝機(jī)。

2 葡萄開溝施肥機(jī)整體設(shè)計(jì)

葡萄開溝施肥機(jī)主要由開溝裝置和排肥裝置組成（如圖1所示），排肥裝置安裝在開溝裝置的機(jī)架上，兩部分聯(lián)動(dòng)。

本機(jī)具適合與29.4 kW（40馬力）及以下小輪胎拖拉機(jī)配套使用。工作時(shí)，機(jī)具的機(jī)架懸掛于拖拉機(jī)后部的三點(diǎn)懸掛架上，通過拖拉機(jī)牽引前進(jìn)；機(jī)具的變速箱通過萬向節(jié)傳動(dòng)軸與拖拉機(jī)后輸出軸相連接，接收拖拉機(jī)動(dòng)力輸出，完成開溝施肥作業(yè)。

2.1 開溝裝置研究

開溝裝置主要由懸掛架、變速箱、鏈傳動(dòng)、開溝刀盤等組成（如圖2所示）。

開溝裝置與配套拖拉機(jī)的連接方式選用三點(diǎn)懸掛式，能與多種型號(hào)拖拉機(jī)配套，且掛接方便。工作時(shí)，開溝裝置懸掛在拖拉機(jī)上，由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)；機(jī)具所需動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)傳動(dòng)軸傳遞至機(jī)具變速箱輸入軸，經(jīng)變速箱變速和改變力矩方向后，通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，完成開溝作業(yè)。

2.2 排肥裝置研究

排肥裝置主要由肥箱、攪拌器和螺旋排肥器組成。由于葡萄基肥量很大，所以肥箱設(shè)計(jì)的尺寸也比較大，避免反復(fù)上肥造成工作不便。這就要求肥箱具有一定的強(qiáng)度，為此增加了加強(qiáng)筋來保證肥箱不變形。葡萄的基肥基本上是有機(jī)肥，散落性不良，為此增加了攪拌器。攪拌器由軸和固定于軸上的鋼筋構(gòu)成，工作時(shí)，軸在鏈傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)軸上鋼筋在肥箱內(nèi)旋轉(zhuǎn)，反復(fù)攪動(dòng)肥箱內(nèi)的有機(jī)肥，破壞其張力，保證其順利下落。開溝裝置在拖拉機(jī)一側(cè)，其開出的溝也在拖拉機(jī)一側(cè)，故排肥裝置設(shè)計(jì)為螺旋推送排肥器。這種型式的排肥器不僅易于排出散落性不良的物料，還能很好地把物料推送到肥箱一側(cè)排出、落入溝內(nèi)。

3 主要部件設(shè)計(jì)

3.1 萬向節(jié)傳動(dòng)軸

開溝施肥機(jī)由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，由于地形變化、開溝土壤緊實(shí)度不同等因素，機(jī)具工作時(shí)是小浮動(dòng)擺動(dòng)的。為此，選用萬向節(jié)傳動(dòng)軸連接拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與開溝機(jī)動(dòng)力輸入軸。萬向節(jié)傳動(dòng)軸是實(shí)現(xiàn)變角度動(dòng)力傳遞的機(jī)件，它允許被連接的零件之間的夾角在一定范圍內(nèi)變化，可以滿足動(dòng)力傳遞、適應(yīng)拖拉機(jī)牽引機(jī)具運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的上下跳動(dòng)所造成的角度變化。選擇萬向節(jié)傳動(dòng)軸參數(shù)主要依據(jù)萬向節(jié)傳動(dòng)軸伸縮量與前后軸夾角大小和開溝機(jī)的通過性能來確定，要求工作時(shí)夾角不超過10°；工作部件提升時(shí)夾角不超過30°；萬向節(jié)傳動(dòng)軸的軸和軸套重疊量不小于40 mm。

3.2 開溝裝置懸掛架

葡萄施肥作業(yè)所開的溝與葡萄苗之間的距離一般保持在25～30 cm，所以在設(shè)計(jì)懸掛架時(shí)采用了偏置式，這樣能保證所開出的溝與葡萄苗之間留有距離。同時(shí)，為減輕拖拉機(jī)車轍對(duì)葡萄園的壓實(shí)，開溝位置選在拖拉機(jī)車轍處。由于開溝作業(yè)阻力大，肥箱及所載肥量大，對(duì)懸掛架強(qiáng)度要求較高，故機(jī)架采用方管焊接而成，所有受力部分增加加強(qiáng)筋，保證機(jī)架剛性要求。此外，懸掛架設(shè)計(jì)時(shí)需要注意，機(jī)具提升至最高位置（運(yùn)輸狀態(tài)）時(shí)，開溝機(jī)離地高度不小于250 mm，離去角不小于18°；還應(yīng)考慮在工作和運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)機(jī)架及開溝刀不碰到拖拉機(jī)。

3.3 開溝部件

由于葡萄園空間有限，大功率拖拉機(jī)無法進(jìn)入作業(yè)，所以機(jī)具的設(shè)計(jì)必須適合與小動(dòng)力拖拉機(jī)配套。這樣就否決了犁等開溝方式，只能依靠開溝刀滑切土壤，充分利用拖拉機(jī)的牽引力和動(dòng)力輸出，實(shí)現(xiàn)開溝作業(yè)?；谏鲜鲈?，開溝機(jī)可設(shè)計(jì)為臥式刀軸或立式刀軸的切土開溝機(jī)。臥式為開溝刀盤繞與地面平行的軸線水平旋轉(zhuǎn)切削土壤；立式為開溝刀盤繞與地面垂直或傾斜的軸線旋轉(zhuǎn)切土。本機(jī)具的設(shè)計(jì)思路是利用切土刀滑切土壤后，再利用切土刀的速度將切削下來土壤拋送出去，從而達(dá)到開溝的目的，故設(shè)計(jì)為臥式開溝裝置。開溝部件主要由切土刀和刀盤組成，切土刀通過螺栓固定在刀盤上兩側(cè)，如圖3所示。

切土刀由60Si2Mn鋼板制作，刀的前端為楔形結(jié)構(gòu)，磨有刃口，表面經(jīng)高頻淬火處理，保證了切削刃的硬度和耐磨性，使刃口鋒利，減小了切削土壤的阻力。切土刀通過螺栓安裝在刀盤上，其與土壤斷面有一定的切削角，這個(gè)切削角可以減小切土刀切削土壤的阻力。工作時(shí)，切土刀隨刀盤回轉(zhuǎn)，對(duì)土壤進(jìn)行切削，從而降低機(jī)具的功耗。切削刀可以拆卸、刃磨，保障切土刀刃口鋒利，減小切土阻力。切土刀兼有切土和拋土兩種作用。

切土刀的最大線速度在7～15 m/s范圍內(nèi)選取。取大值拋土距離較遠(yuǎn)而均勻，有利于切斷土壤中作物殘根，但功率消耗較大，生產(chǎn)效率低；在滿足拋土距離要求時(shí)，建議取小值。通過試驗(yàn)確定切土刀的最大線速度取為10 m/s。

4 主要技術(shù)參數(shù)

葡萄開溝施肥機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

5 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)于2014年11月在遼陽、撫順的試驗(yàn)田基地進(jìn)行。試驗(yàn)田土壤為輕壤土，土壤含水率為20%～30%，土質(zhì)疏松，試驗(yàn)對(duì)象為3～5 a期葡萄藤，配套動(dòng)力為29.4 kW小直徑輪胎拖拉機(jī)，作業(yè)速度為1.83 km/h。開溝一側(cè)距葡萄藤30 cm，開溝寬度30 cm，作業(yè)開溝深度為40 cm，667 m2施有機(jī)肥5 600 kg。

葡萄開溝施肥機(jī)作業(yè)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作、調(diào)整方便，適用性好，性能穩(wěn)定、可靠，作業(yè)時(shí)不易傷根，作業(yè)效率是人工開溝施肥作業(yè)的8～9倍。

6 結(jié)論

本課題研究的葡萄開溝施肥機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、適用性好、穩(wěn)定性好、操作方便、性能可靠等特點(diǎn)，其與配套的拖拉機(jī)一次進(jìn)地可完成開溝、施肥和覆土的聯(lián)合作業(yè)，施肥量可以調(diào)整，作業(yè)質(zhì)量好、效率高，可以較好地滿足葡萄開溝施肥的需求。

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