果園變距雙行開溝機(jī)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李武德，曾伯勝

（1.廣西包裝食品塑料機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)測(cè)站，廣西 南寧530007；2.廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司，廣西 南寧530007）

0 引言

我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，水果種植面積和水果產(chǎn)量均居世界首位[1]。近幾年，隨著國(guó)家脫貧攻堅(jiān)規(guī)劃和鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的實(shí)施，我區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)作物的種植規(guī)模迅速發(fā)展，水果產(chǎn)業(yè)成為農(nóng)民的首選發(fā)展項(xiàng)目，果樹種植面積迅速擴(kuò)張，隨之而來(lái)的是果樹田間管理問(wèn)題突出。果樹施肥是一項(xiàng)較為關(guān)鍵的園藝作業(yè)環(huán)節(jié)素[2]，是保證果樹良好生長(zhǎng)和果實(shí)豐收保證，施肥是影響果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素[3]。根據(jù)果樹各物候期的需肥特點(diǎn)，全年宜分花期、花候、花芽分化期前、果實(shí)生產(chǎn)期4次補(bǔ)給肥料，目前市場(chǎng)上缺少可靠高效的施肥開溝機(jī)，果園開溝主要依靠人工作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低[4]，對(duì)于大面積種植的果園，在短時(shí)間內(nèi)靠人工挖溝、挖坑完成，困難非常大，且隨著農(nóng)村青壯年勞力的短缺和勞動(dòng)力成本的不斷提高，作業(yè)成本巨大。目前，國(guó)內(nèi)果園作業(yè)機(jī)具功能單一或適應(yīng)性差，無(wú)法滿足果園大規(guī)模機(jī)械化開溝施肥作業(yè)和短時(shí)間內(nèi)完成的農(nóng)藝需求。針對(duì)這一現(xiàn)狀，筆者通過(guò)走訪調(diào)研，大、中規(guī)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(shí)現(xiàn)高效、快速完成施肥的特點(diǎn)。因此，筆者設(shè)計(jì)、試制了一種變距雙行開溝機(jī)并投入大型果場(chǎng)使用，效果良好。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

（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(yè)效率和充分利用拖拉機(jī)的有效功率，采用雙行同時(shí)開溝。

（4）果樹有于年份不同，品種及長(zhǎng)勢(shì)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(yīng)可調(diào)，以適應(yīng)不同地塊作業(yè)。

（5）樹種、土質(zhì)、管理水平等，根系深淺不一，應(yīng)設(shè)置深度調(diào)節(jié)裝置，保證開溝深度在根系深度范圍內(nèi)。

2 主要技術(shù)方案及結(jié)構(gòu)原理

果園變距雙行開溝機(jī)由懸掛式機(jī)架、左右液壓油缸、左右四連桿機(jī)構(gòu)、左右鏵式開溝犁等組成（如圖1）。左右鏵式開溝犁通過(guò)左右四連桿機(jī)構(gòu)與懸掛式機(jī)架連接，左右液壓油缸用于調(diào)節(jié)左右鏵式開溝犁的距離，在調(diào)節(jié)不同距離時(shí)，左右鏵式開溝犁始終與前進(jìn)方向一致。

圖1 果園變距雙行開溝機(jī)結(jié)構(gòu)組成

果園變距雙行開溝機(jī)懸掛于輪式拖拉機(jī)上，拖拉機(jī)可在兩行果樹之間行走，機(jī)手可根據(jù)果樹行距及果樹大小情況通過(guò)調(diào)節(jié)液壓油缸的伸出長(zhǎng)度調(diào)整連桿機(jī)構(gòu)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(guò)調(diào)節(jié)限深裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)整好開溝距離和深度后，即可進(jìn)行開溝作業(yè)。

3 主要技術(shù)參數(shù)

果園變距雙行開溝機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 果園變距雙行開溝機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 懸掛式機(jī)架及變距機(jī)構(gòu)

果園變距雙行開溝機(jī)與拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)連接的機(jī)架為標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)懸掛式機(jī)架，機(jī)架左右設(shè)計(jì)兩個(gè)連桿連接口，連桿機(jī)構(gòu)活動(dòng)連接于機(jī)架兩側(cè)，左右鏵式開溝犁固定于左右連桿機(jī)構(gòu)外端連桿上，連桿機(jī)構(gòu)的角度可以在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，液壓油缸與連桿機(jī)構(gòu)活動(dòng)連接，通過(guò)改變液壓油缸伸出長(zhǎng)度可調(diào)整連桿機(jī)構(gòu)的角度。

左右液壓油缸的進(jìn)出油口與拖拉機(jī)的液壓輸出進(jìn)出口連接，在拖拉機(jī)上可通過(guò)操作液壓控制閥，實(shí)現(xiàn)左右液壓油缸伸縮，從而改變左右連桿機(jī)構(gòu)的角度，使得固定在左右連桿機(jī)構(gòu)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(shí)，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(shè)計(jì)值為2 600～4 200 mm，在該范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)到任意距離。采用平行四邊形的四連桿機(jī)構(gòu)能保證鏵式開溝犁在變距過(guò)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(yōu)良。

4.2 液壓油缸的主要參數(shù)設(shè)計(jì)

4.2.1 油缸行程的設(shè)計(jì)

根據(jù)果園變距雙行開溝機(jī)的設(shè)計(jì)要求及技術(shù)方案，左右鏵式開溝犁之間的距離設(shè)計(jì)值為2 600～4 200 mm，可得支撐油缸的長(zhǎng)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(jù)果園變距雙行開溝機(jī)的設(shè)計(jì)要求及技術(shù)方案，可形成機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖，果園變距雙行開溝機(jī)右側(cè)受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 果園變距雙行開溝機(jī)機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖

連桿DC可繞D轉(zhuǎn)動(dòng)，鏵式開溝犁作用力加載于C點(diǎn)，液壓油缸AB支座為A點(diǎn)，與連桿連接于B點(diǎn)，連桿DC與液壓油缸AB夾角為α，從受力簡(jiǎn)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(yīng)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(diǎn)至活動(dòng)點(diǎn)D的距離；

L2—鏵式開溝犁的作用力受力點(diǎn)至活動(dòng)點(diǎn)D的距離。

本果園變距雙行開溝機(jī)配套動(dòng)力為約翰迪爾1204A輪式拖拉機(jī)，最大牽引力為39 kN，液壓系統(tǒng)輸出壓力最大為16 MPa/cm2。根據(jù)圖2，鏵式開溝犁所受阻力應(yīng)與拖拉機(jī)牽引力相等，即右側(cè)鏵式開溝犁受力應(yīng)等于拖拉機(jī)牽引力的一半（即19.5 kN）。根據(jù)式（2）計(jì)算液壓油缸支撐力F：

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)算

開溝犁配套約翰迪爾1204 A輪式拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)輸出額定壓力為16 MPa/cm2，在實(shí)際工作中，為保證液壓系統(tǒng)工作可靠和安全，設(shè)定液壓油缸工作壓力為10 MPa/cm2，安全系數(shù)取2.5，液壓油缸參數(shù)應(yīng)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(nèi)徑。

根據(jù)式（4），可得p≥ 76 mm。根據(jù)液壓油缸缸筒內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)尺寸，選著液壓油缸內(nèi)徑為80 mm。

5 試驗(yàn)及應(yīng)用

果園變距雙行開溝機(jī)試制成功后，已投放在利添生物科技發(fā)展（合浦）有限公司位于廣西北海市烏家鎮(zhèn)的7萬(wàn)畝柑橘果業(yè)基地實(shí)地應(yīng)用，如圖3和圖4所示。

圖3 果園變距雙行開溝機(jī)作業(yè)

圖4 完成施肥覆土作業(yè)后效果圖

配套約翰迪爾1204A輪式拖拉機(jī)進(jìn)行作業(yè)，柑橘種植行距7 m、株距3 m，作業(yè)地行間樹冠距離約3.8 m。根據(jù)柑橘施肥農(nóng)藝要求，雙行開溝距離設(shè)置為3.9 m，經(jīng)測(cè)定，開溝深度平均值312 mm，作業(yè)平均速度6.54 km/h，即純工作時(shí)間作業(yè)效率可達(dá)4.5 hm2/h，平均油耗1.8 L/hm2。開溝作業(yè)滿足柑橘施肥的農(nóng)藝要求，獲得柑橘種植業(yè)主的好評(píng)。

6 作業(yè)效益分析

利添生物科技發(fā)展（合浦）有限公司為亞洲果業(yè)控股有限公司在中國(guó)大陸的附屬機(jī)構(gòu)，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(yè)基地位于廣西北海市合浦縣烏家鎮(zhèn)，種植區(qū)面積約7萬(wàn)畝（4 667 hm2），以往苦于無(wú)適用于大面積作業(yè)的開溝施肥機(jī)械，需要雇傭人工進(jìn)行分段開溝、施肥作業(yè)，每株果樹的開溝作業(yè)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(qǐng)到作業(yè)工人，不能保證按時(shí)完成開溝施肥作業(yè)。

使用果園變距雙行開溝機(jī)進(jìn)行開溝作業(yè)，經(jīng)測(cè)定，每天作業(yè)8 h，可開溝30 hm2，約完成14 400株果樹的開溝作業(yè)。雇傭約翰迪爾1204 A拖拉機(jī)的成本為 600元/天，油耗（8 h）64.8 L，按 7元/L 計(jì)，折合453.6元，每天開溝總成本1 053.6元，每株果樹開溝費(fèi)用為0.07元，每株果樹節(jié)約費(fèi)用0.68元。

在利添生物科技發(fā)展（合浦）有限公司廣西合浦的果業(yè)基地，使用三臺(tái)果園變距雙行開溝可在50個(gè)工作日完成全部4 667 hm2柑橘果樹的開溝作業(yè)，一臺(tái)機(jī)相當(dāng)于100個(gè)勞動(dòng)力的開溝作業(yè)量，節(jié)約作業(yè)成本約150萬(wàn)元，有效降低了作業(yè)成本，解決了以往開溝施肥滯后，影響果樹生長(zhǎng)的問(wèn)題。使用果園變距雙行開溝機(jī)，既能將肥料施入深層土壤中，又有利于肥料效果的有效發(fā)揮，還能使挖溝部位的土壤疏松有利果樹生長(zhǎng)和水果產(chǎn)量提高。

7 結(jié)論與展望

果園變距雙行開溝機(jī)的研制及使用表明，其開溝距離調(diào)整簡(jiǎn)便，開溝深度及寬度穩(wěn)定，作業(yè)效率高，對(duì)促進(jìn)大、中型果樹種植園開溝施肥作業(yè)機(jī)械化、降低作業(yè)成本具有重大意義。

本設(shè)計(jì)的果園變距雙行開溝機(jī)還可以方便地作如下拓展：

（1）在果園變距雙行開溝機(jī)上進(jìn)一步配置肥料箱及施肥裝置，可實(shí)現(xiàn)開溝、施肥聯(lián)合作業(yè)。

（2）在鏵式開溝犁后方設(shè)計(jì)配置覆土裝置，在開溝、施肥后能將翻出泥土回填，實(shí)現(xiàn)開溝、施肥、覆土一體化聯(lián)合作業(yè)。

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