適于果園深施有機(jī)肥開溝裝置設(shè)計(jì)

戚江濤，蒙賀偉，李成松，坎 雜，馬 晨，路士興

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監(jiān)獄，山東 濰坊 261011)

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適于果園深施有機(jī)肥開溝裝置設(shè)計(jì)

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(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.山東省濰坊監(jiān)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(chǎn)量及品質(zhì)的重要基礎(chǔ)，而開溝是施肥作業(yè)實(shí)施的必要前提。為此，綜合考慮新疆果園種植模式特點(diǎn)，針對(duì)果園施肥過程中人工進(jìn)行開溝作業(yè)存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問題，設(shè)計(jì)了一種開溝裝置，其主要由機(jī)架、刀盤總成、導(dǎo)流罩及傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)了果園施肥作業(yè)過程中的機(jī)械化開溝。田間試驗(yàn)表明：該機(jī)具作業(yè)速度1.6km/h，開溝深度410mm，開溝寬度280mm，生產(chǎn)率0.6hm2/h，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、制造成本低及開溝質(zhì)量好等特點(diǎn)。

果園；施肥；開溝

0 引言

新疆獨(dú)特的光熱和水土等自然環(huán)境非常適宜葡萄、紅棗等水果的種植，生產(chǎn)的水果具有口感好、品質(zhì)佳、營養(yǎng)豐富及經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)[1-2]。2014年，新疆兵團(tuán)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(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，新疆特色水果的種植面積不斷增大，不僅促進(jìn)了水果產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，而且增加了種植戶的經(jīng)濟(jì)收入。合理的果園施肥能夠提高水果產(chǎn)量，也可以改善土壤肥力和增加環(huán)境效益。施肥種類主要是無機(jī)肥和有機(jī)肥，前者主要以化肥為主，具有肥效快特點(diǎn)，但長期使用存在土壤肥力及果實(shí)品質(zhì)下降等問題[4-5]。目前，有機(jī)肥的使用較為廣泛，在施肥過程中開溝作業(yè)是重要的工作環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的人工開溝存在著勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、生產(chǎn)成本高等問題[6]，因而機(jī)械化開溝作業(yè)已經(jīng)成為規(guī)模果園施肥作業(yè)過程中的必然趨勢。

目前，針對(duì)果園開溝作業(yè)技術(shù)開展研究的主要有：胡佳佳等人[7]對(duì)果園開溝施肥機(jī)的開溝刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)和安裝排列方式進(jìn)行了改進(jìn)；葉強(qiáng)等人[8]計(jì)制造了一種驅(qū)動(dòng)型葡萄園小型開溝機(jī)；李杰銀[9]針對(duì)3GK-300型果園開溝機(jī)整機(jī)和工作性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析；張園[10]設(shè)計(jì)了一種小型自走式果園開溝機(jī)；阿布里孜巴斯提等人[11]研制了1K-40型偏置式果園開溝機(jī)；郭建等人[12]對(duì)開溝機(jī)的機(jī)架和開溝器立柱等進(jìn)行了力學(xué)分析和優(yōu)化；王鵬飛等人[13]設(shè)計(jì)了一種果園開溝機(jī)超低速傳動(dòng)系統(tǒng)；何義川等人[14]設(shè)計(jì)置進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。以上研究對(duì)開溝機(jī)整機(jī)和關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，但部分裝備依然存在著動(dòng)力損耗大、開溝質(zhì)量不佳等問題。因此，在以上研究基礎(chǔ)上，綜合考慮新疆兵團(tuán)葡萄、紅棗等水果種植模式，設(shè)計(jì)研制了一種適于果園深施有機(jī)肥開溝裝置，在實(shí)現(xiàn)開溝作業(yè)機(jī)械化的基礎(chǔ)上達(dá)到符合深施有機(jī)肥作業(yè)條件的開溝效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

該開溝裝置主要由機(jī)架、刀盤總成、導(dǎo)流罩及傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

該機(jī)在果園中工作時(shí)，由拖拉機(jī)通過后置三點(diǎn)懸掛牽引前進(jìn)。工作過程中，啟動(dòng)拖拉機(jī)，將擋位掛至爬行擋，拖拉機(jī)后輸出軸輸出動(dòng)力，經(jīng)萬向軸及開溝機(jī)變速箱帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時(shí)，駕駛員根據(jù)開溝深度要求控制液壓系統(tǒng)降下機(jī)架，直至達(dá)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(shí)，開溝刀與土壤接觸進(jìn)行開溝作業(yè)，3種開溝刀A、B、C依次循環(huán)逐層切削土壤，被切削的土壤隨著刀盤旋轉(zhuǎn)拋起至導(dǎo)流罩內(nèi)側(cè)，在導(dǎo)流罩的作用下落至開好溝的兩側(cè)；為了防止部分被拋起的土落入溝內(nèi)影響開溝效果，在機(jī)架后側(cè)安裝了清溝犁進(jìn)行二次開溝，從而完成開溝作業(yè)。

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(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)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(jī)和拖拉機(jī)相連接部分，為了保證連接的穩(wěn)定性和可靠性，采用了傳統(tǒng)的三點(diǎn)懸掛方式。

工作過程中，通過操作拖拉機(jī)上的液壓系統(tǒng)來控制機(jī)架垂直方向的升降，即控制開溝刀的工作深度。在機(jī)架的設(shè)計(jì)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(jī)體框架，用來安裝和定位各零部件；在減輕整機(jī)質(zhì)量、保證承載強(qiáng)度的前提下，機(jī)架材料選用50mm×50mm的方形鋼管，連接方式為焊接。

圖2 機(jī)架

2.2 刀盤總成的設(shè)計(jì)

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(duì)比現(xiàn)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(yōu)缺點(diǎn)，最終確定整體盤式，具有剛性強(qiáng)度大、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工及可靠性好等特點(diǎn)。

在減小刀盤質(zhì)量、降低整機(jī)功耗的前提下，將開溝刀盤加工成圓環(huán)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(jù)果園施肥作業(yè)要求深度為400mm、寬度為250～300mm，依據(jù)公式(1)可得刀盤直徑500～580mm，本設(shè)計(jì)的刀盤體直徑選用540mm。

在減小刀盤質(zhì)量、降低整機(jī)功耗的前提下，將開溝刀盤加工成圓環(huán)狀,內(nèi)環(huán)直徑為400mm。開溝刀的合理結(jié)構(gòu)形式、排列方式是提高開溝性能的重要因素，本設(shè)計(jì)完成的刀盤體可安裝5組共計(jì)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)化、工作強(qiáng)度高、價(jià)格便宜及功耗較小，本設(shè)計(jì)開溝刀選用了彎刀結(jié)構(gòu)形式，加工材料為60Si2Mn。根據(jù)現(xiàn)有刀盤工作參數(shù)，通過對(duì)比不同厚度開溝刀的質(zhì)量、變形量等指標(biāo)(即隨著刀片厚度的增加，刀片質(zhì)量會(huì)相應(yīng)增大，但刀片工作時(shí)的變形量減小)，最終確定開溝刀的厚度為10mm。

該機(jī)通過采用3種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(切土角、彎折角、彎曲半徑參數(shù)不同)的刀具依次循環(huán)對(duì)土壤進(jìn)行逐層切削開溝，避免了傳統(tǒng)的單一開溝刀持續(xù)性磨損現(xiàn)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(yè)穩(wěn)定性。

通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：刀盤總成轉(zhuǎn)速按公式(2)進(jìn)行計(jì)算，開溝機(jī)刀盤總成線速度建議值為7～15m/s。

(2)

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

經(jīng)計(jì)算，可得開溝刀盤轉(zhuǎn)速范圍為121～260r/min。為了保證生產(chǎn)率、開溝質(zhì)量等指標(biāo)，本設(shè)計(jì)確定刀盤總成轉(zhuǎn)速230r/min。

圖3 刀盤總成

2.3 導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)

導(dǎo)流罩主要由圓弧板、側(cè)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(guī)律地堆放在溝的兩側(cè)，防止土壤再次進(jìn)入溝內(nèi)，影響開溝質(zhì)量，為后續(xù)的施肥作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

1.側(cè)直板 2.圓弧板 3.固定安裝板

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

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該機(jī)的動(dòng)力源是拖拉機(jī)動(dòng)力后輸出軸，動(dòng)力經(jīng)過萬向聯(lián)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(jìn)行減速增扭并改變傳動(dòng)方向；接著傳向鏈輪箱部分，經(jīng)過鏈輪鏈條傳動(dòng)方式進(jìn)行減速增扭將動(dòng)力傳遞給開溝機(jī)刀盤總成，從而驅(qū)動(dòng)刀盤總成轉(zhuǎn)動(dòng)，開溝刀對(duì)土壤進(jìn)行切削。將拖拉機(jī)后輸出軸設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為540r/min，開溝刀盤的轉(zhuǎn)速為230r/min。為此，設(shè)計(jì)完成的傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為2.3。傳動(dòng)流程示意圖如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)流程圖

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

2015年4月，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師143團(tuán)對(duì)裝備進(jìn)行了田間性能試驗(yàn)，并委托新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械檢驗(yàn)測試中心對(duì)開溝性能進(jìn)行了檢測，對(duì)試驗(yàn)田地的地形、含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度、環(huán)境溫度及風(fēng)速等進(jìn)行了測定，試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)開溝機(jī)的主要性能進(jìn)行測定，結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1)研制完成了集機(jī)架、刀盤總成、導(dǎo)流罩及傳動(dòng)系統(tǒng)等為一體的開溝裝置，能夠有效完成兵團(tuán)葡萄、紅棗等的種植模式果園的開溝作業(yè)，解決了人工開溝作業(yè)存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低等問題，實(shí)現(xiàn)了果園開溝作業(yè)的機(jī)械化，為后續(xù)果園施用有機(jī)肥作業(yè)的順利進(jìn)行奠定了良好基礎(chǔ)。研究成果可為后期進(jìn)行開溝、施肥等作業(yè)為一體的機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)研制提供參考。

2)經(jīng)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械檢驗(yàn)測試中心檢測結(jié)果表明：作業(yè)速度1.6km/h，開溝深度410mm，開溝寬度280mm，生產(chǎn)率0.6hm2/h。作業(yè)過程中，性能穩(wěn)定，無故障發(fā)生現(xiàn)象，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)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(xué)基金項(xiàng)目(51505306)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013BA009)

戚江濤(1990-),男，內(nèi)蒙古赤峰人，實(shí)驗(yàn)師，(E-mail) qjt510014078@163.com。

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

S224.22

A

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