果園螺旋式顆粒肥深施小車的設(shè)計(jì)

李希斌

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

林果業(yè)是我國(guó)重要的產(chǎn)業(yè)，無(wú)論是果樹的種植面積還是水果的產(chǎn)量在世界范圍內(nèi)都是名列前茅的[1-2]。 然而，我國(guó)的果園多為密植果園，由于果樹枝干茂盛且行距小，加上柱樁等空間的限制，導(dǎo)致大型施肥機(jī)具通過(guò)性差甚至無(wú)法進(jìn)入[3]；其次，我國(guó)果園施肥的機(jī)械化程度較低，多是人工挖穴施肥或者采用機(jī)械挖穴人工撒肥的方式[4-5]。這些方式顯然存在許多的弊端，一方面人力勞動(dòng)強(qiáng)度大，施肥效率低下；另一方面不能精確控制施肥量，容易造成肥料的浪費(fèi)以及土壤河流的污染[6]。

為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家們研制了開溝/挖穴機(jī)械輔助施肥，在開溝施肥機(jī)械方面則有圓盤式開溝機(jī)、犁鏵式開溝機(jī)和鏈?zhǔn)介_溝機(jī)3 種類型[7]。 然而，現(xiàn)有的果園施肥小型開溝機(jī)，雖然實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，但易損壞果樹水平根系，且效率較低；小開溝機(jī)因其固有的機(jī)械特性，開溝深度一般在150 mm 以下，深度不夠?qū)е骂w粒肥易揮發(fā)，利用率低且污染環(huán)境。相較開溝施肥方式，挖穴施肥則大大降低了對(duì)果樹根部的損害，有利于植物根部營(yíng)養(yǎng)的吸收。 在挖穴施肥機(jī)械方面有手提式、背負(fù)式以及懸掛式[8]。

然而，這些機(jī)械主要是完成挖穴作業(yè)，施肥和覆土還要依靠人工完成，功能單一，不能很好滿足果樹對(duì)施肥作業(yè)的要求。 為了解決這些問(wèn)題，近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者研制出了一批功能集成度較好的挖穴施肥機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)挖穴、施肥、覆土一體化作業(yè)，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了一款果園施肥機(jī)[9]。該機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制施肥量，可以根據(jù)果樹的生長(zhǎng)情況進(jìn)行定量施肥，有效地提高了肥料的利用率。 但仍存在以下問(wèn)題：一是該機(jī)沒(méi)有行走驅(qū)動(dòng)裝置，操作不便；二是升降平臺(tái)仍然需要人工操作，比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的張洪根據(jù)新疆密植果園的特點(diǎn)，研制了一款自走式密植果園挖穴施肥機(jī)[10]。 該機(jī)功能集成度高，整機(jī)尺寸小，作者對(duì)整車的行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制電路，使其能自由行駛在果園中進(jìn)行作業(yè)。 然而，該車升降系統(tǒng)采用碟剎制動(dòng)，該剎車片磨損較大可能需要頻繁更換，且碟剎的安全穩(wěn)定性較差，可能引發(fā)不必要的事故。 因此，迫切需要研究一款安全穩(wěn)定、林果園通過(guò)性好、可將顆粒肥深施又能保護(hù)植物水平根系的挖穴施肥機(jī)械。

1 果園深施肥小車結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理

1.1 施肥小車的整體結(jié)構(gòu)

在考慮到目前國(guó)內(nèi)的化肥使用情況及在化肥使用時(shí)存在的如工作繁重、效率低、化肥對(duì)環(huán)境的污染等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)了一種果園螺旋打孔高效深施肥小車，并使用Creo4.0 軟件進(jìn)行了三維建模及渲染，其模型效果圖如圖1 所示。

圖1 果園深施肥小車三維模型

本施肥小車主要用于作業(yè)面積不大，需要施肥的林地、果園等。 確定施肥機(jī)的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 果園深施肥小車主要性能參數(shù)

1.2 施肥小車的工作原理

果園深施肥小車的結(jié)構(gòu)由機(jī)架、 傳動(dòng)系統(tǒng)、 集土裝置、施肥裝置、升降裝置等組成。 首先，由駕駛員行駛小車至指定作業(yè)點(diǎn)，啟動(dòng)挖穴按鈕，此時(shí)挖穴汽油機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)變速箱降低輸出轉(zhuǎn)速，并通過(guò)與錐齒輪嚙合將拖拉機(jī)輸出軸的橫向傳動(dòng)變?yōu)榭v向傳動(dòng)，當(dāng)錐齒輪與升降軸下錐齒輪嚙合，升降桿高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)液壓泵工作，使液壓缸收縮并帶動(dòng)鉆頭下降，集土裝置隨鉆頭下降逐漸張開以收集拋出的土壤。 當(dāng)挖到設(shè)定的深度時(shí)，觸發(fā)底部的離合開關(guān)，鉆頭停止鉆坑，此時(shí)將錐齒輪換齒嚙合（換擋），螺旋鉆頭反轉(zhuǎn)，反向帶動(dòng)液壓泵工作，使液壓缸反向推出并帶動(dòng)鉆頭上升。 當(dāng)鉆頭被提到規(guī)定高度的同時(shí)，此時(shí)觸發(fā)排肥開關(guān)，排肥口打開，儲(chǔ)肥口同時(shí)關(guān)閉，肥料順著排肥管流入挖好的穴中。 施肥動(dòng)作完成后，鉆頭繼續(xù)上升，施肥開關(guān)被彈簧彈回，此時(shí)排肥口關(guān)閉，儲(chǔ)肥口開啟，為下一次施肥做準(zhǔn)備。 隨著螺旋鉆頭上升，帶動(dòng)集土裝置逐漸閉合并將抬升的土壤全部推入穴中。 當(dāng)螺旋鉆頭繼續(xù)升至最高點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)頂部的離合開關(guān)，鉆頭停止旋轉(zhuǎn)上升。隨后駕駛員行駛小車至下一施肥點(diǎn)，車尾的壓土裝置會(huì)將疏松的土壤壓實(shí)，挖穴施肥覆土過(guò)程至此結(jié)束。

2 果園深施肥小車關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 挖穴覆土裝置的設(shè)計(jì)

挖穴覆土裝置由負(fù)責(zé)挖穴的螺旋鉆頭以及收集土壤的集土箱兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 挖穴集土裝置示意圖

施肥小車挖穴螺旋式鉆頭的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。 集土箱與鉆頭底部通過(guò)固定桿相連接，使集土箱和螺旋鉆頭產(chǎn)生同步位移，用連桿將集土箱連接在螺旋鉆頭上，箱底通過(guò)鉸鏈連接，使得集土箱呈水平開合運(yùn)動(dòng)達(dá)到集土與覆土的目的。

表2 螺旋鉆頭參數(shù)表

圖3 挖穴施肥原理示意圖

挖穴集土裝置的工作過(guò)程如圖3 所示。螺旋鉆頭4 在液壓升降桿的帶動(dòng)下下降，鉆軸固定桿5 隨同鉆軸向下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鉸鏈帶動(dòng)推拉桿3 向下運(yùn)動(dòng)，并迫使推拉桿下端連接的集土箱6 沿著收集板1 上的槽向外滑動(dòng)，使土壤收集箱6 呈左右張開，挖穴拋出的土壤（黑色實(shí)心圓圈表示）在土壤收集板1 上方不斷被收集。 挖穴結(jié)束后，鉆頭的螺旋葉片帶土上升，并在鉆頭離開土面以后觸發(fā)施肥開關(guān)施顆粒肥（白色空心圓圈表示）。 固定桿5 跟隨鉆軸4 上升，迫使推拉桿3 拉動(dòng)集土箱6 向穴內(nèi)推土，部分粘結(jié)在土壤收集板1 的土塊也會(huì)被滑動(dòng)推土板2 刮落，從而較好地解決了粘性較大土壤粘結(jié)的問(wèn)題。

2.2 施肥裝置的設(shè)計(jì)

挖穴動(dòng)作結(jié)束后，鉆頭的螺旋葉片帶土上升，并在鉆頭離開土面以后觸發(fā)施肥開關(guān)施顆粒肥。 施肥裝置的結(jié)構(gòu)如圖4 所示，肥料箱通過(guò)螺栓安裝在機(jī)架的施肥機(jī)構(gòu)支架上，量筒的上下兩端焊有端板，每個(gè)端板由兩塊平板焊接而成，兩塊平板中間有縫隙，量筒的一端焊接在肥料箱下方，另一端與施肥管相連，上舌板與下舌板為聯(lián)動(dòng)式舌板，分別插入量筒上下兩端板的縫隙中。

上、下舌板同時(shí)動(dòng)作，共同構(gòu)成聯(lián)動(dòng)式施肥的工作裝置，它們的區(qū)別在于上、下舌板上通孔的位置不同，兩個(gè)舌板上的通孔在水平面上的投影為兩個(gè)相切的圓，這樣可以使肥料箱與量筒、 量筒與施肥管之間其中一個(gè)連通時(shí)另一個(gè)斷開，肥料箱與施肥管不直接連通，保證每次的施肥量等于量筒的體積，使施肥順利進(jìn)行。

圖4 施肥裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 施肥裝置工作原理示意圖

該裝置的工作原理如圖5 所示。 當(dāng)聯(lián)動(dòng)式舌板處于初始位置時(shí)，肥料箱與量筒相連通，量筒與施肥管斷開，肥料流入量筒中儲(chǔ)存?zhèn)溆?；隨著螺旋鉆頭上升，帶動(dòng)推桿擠壓開關(guān)時(shí)，量筒逐漸與肥料箱斷開，與施肥管相連通，儲(chǔ)存在量筒中的肥料落入挖好的穴中，完成施肥過(guò)程。 由于聯(lián)動(dòng)式舌板的聯(lián)動(dòng)作用，使得每次的施肥量是確定的；當(dāng)推桿繼續(xù)上升離開擋板后，彈簧將擋板推回原位，量筒與肥料箱相連通，與施肥管斷開，肥料箱中的肥料流入量筒中，用于下一次施肥。

3 結(jié)論

本文確定了挖穴施肥機(jī)的總體方案，利用Creo4.0 設(shè)計(jì)并建立果園挖穴施肥覆土一體機(jī)各主要機(jī)構(gòu)的三維模型并進(jìn)行虛擬裝配，并對(duì)施肥機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1）設(shè)計(jì)了一種新型的挖穴覆土裝置，該裝置的收集器能隨著鉆頭的運(yùn)動(dòng)而水平張開合攏，施肥結(jié)束后能將收集的土壤推回挖好的穴中，特設(shè)計(jì)滑動(dòng)推土板，解決了土壤粘結(jié)在桶壁的問(wèn)題。

2）設(shè)計(jì)上下舌板聯(lián)動(dòng)式排肥裝置，該裝置結(jié)合安裝在升降導(dǎo)軌上的推輪，可以在鉆頭上升的同時(shí)觸發(fā)施肥動(dòng)作。 上下舌板同時(shí)動(dòng)作，在一個(gè)工作周期內(nèi)同時(shí)完成儲(chǔ)肥和施肥動(dòng)作。