多功能果園田間管理機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

林悅香,尚書(shū)旗,王東偉,遇海濤,張成福

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109;2.高密市益鋒機(jī)械有限公司,山東 高密 261501)

0 引言

我國(guó)農(nóng)作物的栽培面積接近1.4億hm2,其中果樹(shù)栽種面積約占6%,果樹(shù)種植面積和水果產(chǎn)量已經(jīng)躍居世界第一。果樹(shù)栽培面積和產(chǎn)量排在前列的有廣東、山東和河北等省份,大宗果樹(shù)種類主要是蘋(píng)果、柑橘和梨[1]?，F(xiàn)在我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展比較迅速,而果樹(shù)又是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的作物,這就要求果園生產(chǎn)需要高度機(jī)械化,特別是管理環(huán)節(jié)多樣,亟需一種集多功能于一身的果園管理機(jī)來(lái)滿足大型果園機(jī)械化生產(chǎn)[2-4]。本機(jī)依據(jù)不同果園的土壤差異和不同品種果樹(shù)的栽植方式差異,為解決果園中肥料深施等多過(guò)程集成作業(yè)中存在的機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)難題[5],設(shè)計(jì)了斜置支撐與V型雙圓盤(pán)組合升降式開(kāi)溝機(jī)構(gòu)及顆粒與粉狀肥料定向兼施、塊狀有機(jī)肥開(kāi)溝深施等關(guān)鍵部件,集定向開(kāi)溝施肥自動(dòng)回填、單獨(dú)寬深開(kāi)溝等多功能于一體,彌補(bǔ)了業(yè)內(nèi)的空缺。

早在20世紀(jì),國(guó)外就進(jìn)行了果園開(kāi)溝施肥機(jī)的研究,曾運(yùn)用以鏵式犁為主要部件的開(kāi)溝機(jī),其開(kāi)溝深度為30～50cm,構(gòu)造簡(jiǎn)單、速度快、效率高,但不適合在較硬的土地里進(jìn)行作業(yè)活動(dòng),且開(kāi)出的溝非常不規(guī)則,只依附拖拉機(jī)的牽引力,功率損耗極大。后期,隨著大功率拖拉機(jī)的出現(xiàn),旋轉(zhuǎn)式開(kāi)溝機(jī)已有生產(chǎn),開(kāi)溝深度較大,所需的牽引力較小、適應(yīng)性強(qiáng),能夠打碎土塊,所開(kāi)溝形穩(wěn)定規(guī)則[6]。目前,日本、德國(guó)和美國(guó)等,果園管理專用機(jī)械化水平達(dá)100%,但引進(jìn)國(guó)外機(jī)械存在與國(guó)內(nèi)的種植模式不適應(yīng)且成本較高[7-8]等問(wèn)題。

我國(guó)傳統(tǒng)的果園種植形式是以喬化果園為主,空間狹小,大型拖拉機(jī)和農(nóng)機(jī)無(wú)法進(jìn)入,通過(guò)性差[9],而如果開(kāi)溝施肥等環(huán)節(jié)全部人工實(shí)現(xiàn),則存在用工短缺、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低[10-11]等缺點(diǎn)。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的1KL-100型立式螺旋開(kāi)溝機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在旱田及水田地中挖溝[12]。云南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的1KS-22型雙軸開(kāi)溝機(jī)可同時(shí)完成切土和拋土,從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝[13]。新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的LK-40型偏置式果園開(kāi)溝機(jī)用于果園施肥開(kāi)溝、種樹(shù)開(kāi)溝[14-18]。但是,以上設(shè)備都存在機(jī)型較大、通過(guò)性較差的問(wèn)題,因此研發(fā)這樣一款多功能果園管理機(jī),是十分必要的,既能用于現(xiàn)代模式的寬行密植果園,又能用于目前占比較大(80%～85%)的傳統(tǒng)喬化果園。

1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

自走式多功能管理機(jī)主要包括動(dòng)力裝置、施肥裝置、開(kāi)溝裝置、傳動(dòng)裝置和行走裝置等,依靠機(jī)械傳動(dòng)及液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各種動(dòng)作,如圖1所示。

1.施肥箱 2.排肥器 3.開(kāi)溝機(jī)罩殼 4.開(kāi)溝刀 5.開(kāi)溝刀安裝座 6.傳動(dòng)箱 7.傳動(dòng)箱 8.油缸 9.機(jī)架 10.驅(qū)動(dòng)輪 11.變速箱 12.傳動(dòng)鏈 13.支撐輪 14.動(dòng)力輸出箱 15.燃油箱 16.柴油機(jī)總成 17.履帶 18.導(dǎo)向輪 19.罩殼圖1 多功能田園管理機(jī)(開(kāi)溝施肥回填狀態(tài))結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Sructure diagram of the multifunctional orchard and field management machine (ditching fertilization and backfill)

1)選擇4缸柴油機(jī)為整機(jī)主要?jiǎng)恿υ?輔以液壓裝置完成機(jī)具的升降作業(yè)功能。

2)施肥裝置:設(shè)計(jì)絞龍排肥器強(qiáng)制推進(jìn)施肥,通過(guò)改變絞龍排肥器的轉(zhuǎn)速和排肥器進(jìn)肥口的大小控制施肥量,以解決傳統(tǒng)的外槽輪式排肥器對(duì)粉狀肥料無(wú)法正常施肥的技術(shù)難題[19-21]。

3)開(kāi)溝裝置:利用斜置支撐與V型雙圓盤(pán)組合升降式的開(kāi)溝機(jī)構(gòu)。在傳動(dòng)箱輸出軸的兩端,安裝雙圓盤(pán)開(kāi)溝刀,使其在工作過(guò)程中成V型狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng),能用較小直徑的圓盤(pán)刀實(shí)現(xiàn)寬深開(kāi)溝,開(kāi)溝深度達(dá)30～40cm。

4)傳動(dòng)裝置:使用變速齒輪箱將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳遞給行走裝置和開(kāi)溝施肥裝置,開(kāi)溝裝置與變速齒輪箱之間用齒輪箱傳動(dòng)[22],可靠耐用。

5)行走裝置:采用履帶行走機(jī)構(gòu),可以在泥濘的果園田間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走,對(duì)土壤壓強(qiáng)小,附著性能好,在土壤潮濕及松軟地帶有較好的通過(guò)性能,牽引效率高[23-24]。

1.2 動(dòng)力選型計(jì)算

1.2.1 牽引功率計(jì)算

行走裝置所需牽引功率應(yīng)滿足以下要求,即

(1)

式中P行—行走裝置所需牽引功率(kW);

F驅(qū)—行走機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力(kN);

v—行走速度(km/h);

η1—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)效率;

η2—行走裝置效率。

行走時(shí),裝置會(huì)受到內(nèi)部阻力和外部阻力,外部阻力F1可以用機(jī)器的重力G和外部滾動(dòng)系數(shù)乘積表示,即

F1=Gf1

(2)

其中,f1取決于工作環(huán)境,工作環(huán)境為果園和田間(多為黃土和黏土),則f1=0.07。

內(nèi)部阻力F2是零件內(nèi)部的滾動(dòng)摩擦阻力,即

F2=Gf2

(3)

其中,f1一般取值為0.05～0.07,取f2=0.06。

整機(jī)質(zhì)量1 300kg,行進(jìn)速度取理論中間值3.8km/h, 那么驅(qū)動(dòng)力可帶入計(jì)算,即

F驅(qū)=F1+F2=G(f1+f2)

(4)

另取η1=0.95,η2=0.90,則行走所需牽引功率為

(5)

1.2.2 開(kāi)溝施肥裝置功率計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求,工作場(chǎng)合為農(nóng)田和果園,開(kāi)溝施肥裝置功率P為[25]

P開(kāi)溝=1×10-5Kλ·h·v·B

(6)

其中,Kλ為開(kāi)溝比阻(N/cm2)。

Kλ=KgK1K2K3K4

(7)

式中Kg—土壤堅(jiān)實(shí)度(N/cm2);

K1—溝深修正系數(shù);

K2—土壤含水率修正系數(shù);

K3—枝干落葉植被修正系數(shù);

K4—作業(yè)方式修正系數(shù)[25];

h—開(kāi)溝深度(mm);

v—前進(jìn)速度(m/s);

B—開(kāi)溝寬度(mm)。

根據(jù)實(shí)際要求,h= 350mm,v=0.42m/s,B=250mm;農(nóng)業(yè)機(jī)械手冊(cè)Kg=120N/cm2,K1=1.0,K2=0.95,K3=1.2,K4=0.48。將數(shù)值帶入公式,則P開(kāi)溝=24.1kW。

綜合牽引功率與開(kāi)溝施肥功率,選擇配套動(dòng)力為大于26kW的柴油機(jī)。

1.3 工作原理

多功能果園田間管理機(jī)主要包括行走模塊、開(kāi)溝回填模塊、施肥模塊及單獨(dú)開(kāi)溝等模塊。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力通過(guò)齒輪變速箱變速后分別傳遞到行走模塊和開(kāi)溝施肥等模塊。行走模塊采用履帶式行走裝置,避免輪式行走裝置在低矮的果園中通過(guò)性較差問(wèn)題。本機(jī)單條履帶的牽引力便可達(dá)到整機(jī)質(zhì)量的30%～40%,當(dāng)單條履帶停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)最小轉(zhuǎn)彎半徑,轉(zhuǎn)彎較輪式更為靈活。

開(kāi)溝裝置動(dòng)力傳遞采用齒輪傳動(dòng),傳動(dòng)可靠,避免了在惡劣工作環(huán)境中皮帶傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)故障頻發(fā)問(wèn)題。開(kāi)溝刀具使用圓盤(pán)刀,利用斜置支撐與V型雙圓盤(pán)組合升降式開(kāi)溝機(jī)構(gòu),在傳動(dòng)箱輸出軸的兩端安裝雙圓盤(pán)開(kāi)溝刀,用球籠軸承將輸出軸和外殼連接,使其在工作過(guò)程中成V形狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)用較小直徑的圓盤(pán)刀實(shí)現(xiàn)寬深開(kāi)溝。

施肥裝置采用絞龍裝置排肥,可以有效簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),并實(shí)現(xiàn)顆粒肥和粉狀肥兼施問(wèn)題。通過(guò)更換尾部的裝置可以實(shí)現(xiàn)多功能集于一身,達(dá)到快速切換工作狀態(tài)的要求。

1.4 設(shè)計(jì)參數(shù)

本機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與性能指標(biāo),如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)與性能指標(biāo)Table 1 Design parameters and performance indicators

2 開(kāi)溝模塊的設(shè)計(jì)

現(xiàn)在果園機(jī)械難以實(shí)現(xiàn)塊狀有機(jī)肥的深施,開(kāi)發(fā)單獨(dú)開(kāi)溝裝置(見(jiàn)圖2),以便實(shí)現(xiàn)寬深開(kāi)溝,施用大塊有機(jī)肥,提高果品產(chǎn)量。

1.動(dòng)力輸入軸 2.錐齒輪 3.傳動(dòng)箱主軸 4.齒輪箱 5.齒輪軸 6.開(kāi)溝刀 7.連接螺栓 8.軸承 9.軸承座 10.小齒輪 11.大齒輪 12.開(kāi)溝刀軸圖2 單獨(dú)開(kāi)溝裝置Fig.2 Individual trenching module

開(kāi)溝裝置主要由齒輪箱、刀盤(pán)組成,通過(guò)齒輪箱傳動(dòng),并通過(guò)輸出軸帶動(dòng)開(kāi)溝刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),開(kāi)溝刀盤(pán)上的刀具隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),各個(gè)刀片依次切割土壤。由于刀具有一定的弧度,使得被切割土壤拋至溝的兩側(cè),達(dá)到開(kāi)溝的目的。開(kāi)溝裝置采用斜置支撐從而實(shí)現(xiàn)V形轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)可以用較小的刀盤(pán)直徑開(kāi)出更寬更深的溝槽。

2.1 刀具設(shè)計(jì)

由于斜置支撐的存在,開(kāi)溝裝置可以實(shí)現(xiàn)V形轉(zhuǎn)動(dòng),無(wú)需較大的刀具彎角便可實(shí)現(xiàn)將溝內(nèi)挖出的土拋至溝的兩側(cè),防止其回填。

根據(jù)GB/T699-1999技術(shù)條件,應(yīng)選用65Mn鋼以達(dá)到開(kāi)溝的強(qiáng)度等要求,切削刃須進(jìn)行淬火處理,刃口曲線形狀誤差不大于3mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 斜置支撐設(shè)計(jì)

通過(guò)斜置支撐(見(jiàn)圖3),實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝裝置V形轉(zhuǎn)動(dòng)。在斜置支撐上套有軸承,實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)和刀具繞斜置支撐轉(zhuǎn)動(dòng),使得刀具可以做V形轉(zhuǎn)動(dòng),用較小的直徑便實(shí)現(xiàn)寬深開(kāi)溝,達(dá)到要求的開(kāi)溝深度和寬度。

圖3 斜置支撐Fig.3 Inclined support

3 開(kāi)溝施肥回填裝置設(shè)計(jì)

3.1 刀具設(shè)計(jì)

與單獨(dú)開(kāi)溝刀具不同,開(kāi)溝施肥回填裝置刀具采用彎刀[26],可以實(shí)現(xiàn)切土同時(shí)進(jìn)行回填的功能,保證裝置的有效性。因此,刀具采用65Mn鋼以達(dá)到開(kāi)溝的強(qiáng)度等要求,切削刃須進(jìn)行淬火處理,刃口曲線形狀誤差不能大于3mm,滿足要求。

3.2 施肥裝置設(shè)計(jì)

施肥裝置(見(jiàn)圖4)可以實(shí)現(xiàn)顆粒與粉狀肥兼施,通過(guò)絞龍裝置強(qiáng)制推進(jìn)排肥,解決了傳統(tǒng)的外槽輪排肥器對(duì)粉狀肥料無(wú)法正常排肥的技術(shù)難題,滿足了現(xiàn)代果園的工作要求,并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)絞龍裝置的轉(zhuǎn)速和改變上方進(jìn)肥口的大小來(lái)控制排肥量,滿足不同樹(shù)齡果樹(shù)需肥量不同的作業(yè)需要。

圖4 施肥裝置Fig.4 Fertilizing device

3.3 鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)

該傳動(dòng)輸出用作肥料排出裝置的驅(qū)動(dòng),所需力不需太大,所以鏈輪直徑無(wú)需過(guò)大[27]。齒輪箱中輸出為14齒,根據(jù)設(shè)計(jì)要求,施肥箱絞龍轉(zhuǎn)速約為200r/s,齒輪輸出轉(zhuǎn)速為395r/s左右,則絞龍連接鏈輪設(shè)計(jì)為28齒,傳動(dòng)比為i=Z2/Z1=28/14=2,絞龍轉(zhuǎn)速則為197.5r/s,滿足設(shè)計(jì)要求。

為保證鏈輪傳動(dòng)的有效性,在兩中間加裝傳動(dòng)鏈張緊輪,使鏈條保持一定的張緊度,以提高鏈傳動(dòng)的穩(wěn)定性。

3.4 螺旋排肥器設(shè)計(jì)

目前,已有果園機(jī)械的排肥裝置多為外槽輪式排肥裝置,主要依靠肥料自身的重力來(lái)實(shí)現(xiàn)排肥,會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,且通過(guò)調(diào)整外槽輪的工作長(zhǎng)度來(lái)改變排肥量,無(wú)法實(shí)現(xiàn)粉狀化肥排肥量的控制,輕則造成肥料撒漏損失,嚴(yán)重時(shí)過(guò)多的肥料集中于作物根部導(dǎo)致作物燒根[28]。

本設(shè)計(jì)采用螺旋排肥器,當(dāng)其沿軸向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),可以將內(nèi)部的肥料排向外部,在其上方用隔板控制肥料進(jìn)口的大小,防止過(guò)多肥料進(jìn)入而阻塞。這樣,可以有效解決顆粒狀肥料和粉狀肥料不能使用同一排肥器的問(wèn)題,同時(shí)有效控制排肥速率,節(jié)省肥料,使肥料達(dá)到充分的利用。

絞龍的輸送效率為

=0.167kg/s

(8)

式中λ—外殼與葉片間隙,λ=2.5mm;

D—外殼直徑,D=115mm ;

d—葉片直徑,d=110mm;

t—螺距,t=103mm;

n—轉(zhuǎn)速,n=200r/min;

Ψ—輸送肥料時(shí)的充滿系數(shù),Ψ=0.3;

y—輸送物料容量,y=900kg/m3;

C—輸送器的傾斜輸送系數(shù),C=1 。

該絞龍的設(shè)計(jì)中,肥料的輸出效率大于肥料的輸入效率,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 行走裝置設(shè)計(jì)

由于作業(yè)環(huán)境存在較狹小情況,選擇履帶式行走裝置(見(jiàn)圖5),可以實(shí)現(xiàn)最小1.8m半徑轉(zhuǎn)彎,可以很好解決傳統(tǒng)果園農(nóng)機(jī)無(wú)法入園作業(yè)問(wèn)題。

1. 導(dǎo)向輪 2.支撐輪 3.驅(qū)動(dòng)輪圖5 行走裝置總成Fig.5 Walking device assembly

行走裝置的動(dòng)力來(lái)源于固定在輸出軸的驅(qū)動(dòng)輪上,裝卡在履帶中的孔隙,帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)體的質(zhì)量要壓在支重輪上,支重輪起承重作用;導(dǎo)向輪承擔(dān)導(dǎo)向作用,防止履帶松動(dòng)和跑偏。

4.1 履帶寬度設(shè)計(jì)

履帶寬度為

式中M—整機(jī)質(zhì)量,M=1t。

因此,b=188～230mm,取履帶寬度為230mm,滿足要求。

4.2 履帶接地長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

履帶接地長(zhǎng)度計(jì)算公式為

(9)

式中G—設(shè)備總重量,G=1000×9.8=9 800N;

[q]—設(shè)備平均接地壓強(qiáng),查《工程機(jī)械底盤(pán)構(gòu)造與設(shè)計(jì)》可知,[q]=20kPa。

因此,L0=1.065m。本機(jī)有5個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,則平均每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪間隔267mm,滿足要求。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

為測(cè)試所制樣機(jī)性能,在山東省濰坊市高密市升恒莊村的農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了開(kāi)溝裝置和施肥裝置的試驗(yàn),如圖6、圖7示。試驗(yàn)田土壤樣本為棕色森林土。

圖6 開(kāi)溝裝置試驗(yàn)過(guò)程照片F(xiàn)ig.6 Photo of test the trenching device

圖7 開(kāi)溝施肥回填裝置試驗(yàn)過(guò)程照片F(xiàn)ig.7 Photo of test Ditching fertilization and backfill device

5.1 開(kāi)溝裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照相同的作業(yè)長(zhǎng)度、不同的作業(yè)檔位和不同的開(kāi)溝深度,進(jìn)行了開(kāi)溝數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,如表2所示。

表2 開(kāi)溝裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of test the trenching device

5.2 開(kāi)溝施肥回填裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)

按照相同的作業(yè)長(zhǎng)度、不同的作業(yè)檔位和不同的開(kāi)溝深度對(duì)回填的試驗(yàn)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,如表3所示。

表3 開(kāi)溝裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Data of ditching fertilization and backfill device

5.3 單獨(dú)開(kāi)溝裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:在最低檔時(shí),開(kāi)溝寬度頂部為(45±1)cm,底部為(30.5±1.5)cm,開(kāi)溝深度為(40±2)cm,平均前進(jìn)速度為308.57m/h,總體開(kāi)溝穩(wěn)定性大于95%,符合《DG-T 072-2016田園管理機(jī)》的標(biāo)準(zhǔn)要求的85%,合格;高檔位時(shí),開(kāi)溝深度需要適當(dāng)調(diào)淺,寬度隨之變窄,因?yàn)樵诟咚偾斑M(jìn)時(shí),開(kāi)溝裝置沒(méi)有充足的動(dòng)力供給,必須抬高裝置來(lái)滿足開(kāi)溝要求,開(kāi)溝的穩(wěn)定性也大于標(biāo)準(zhǔn)要求[29]85%,符合設(shè)計(jì)要求。

5.4 開(kāi)溝施肥裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:施肥深度和施肥量與行走速度成反比,當(dāng)速度低時(shí),可以將肥料施到更深處。計(jì)算得知總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤7.8%,符合《DG-T 072-2016田園管理機(jī)》[30]的標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得知,所設(shè)計(jì)樣機(jī)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。由于采用履帶行走,可以用于現(xiàn)代寬行矮砧密植果園,又可用于傳統(tǒng)喬化果園。本設(shè)計(jì)將果樹(shù)生產(chǎn)管理多環(huán)節(jié)所需機(jī)械作業(yè)過(guò)程集合到一臺(tái)機(jī)器上,提高了果園機(jī)械化水平更提高了作業(yè)效率,降低管理成本。樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了可以通用于粉狀肥料和顆粒肥料排出,解決了槽輪排肥機(jī)構(gòu)無(wú)法很好地將粉狀肥料排出的問(wèn)題。通過(guò)更換開(kāi)溝刀具,可以實(shí)現(xiàn)大塊有機(jī)肥寬深開(kāi)溝問(wèn)題,提高了肥料利用率,減少了人力的使用。