丘陵山區(qū)低矮樹型果園立式微耕機的設(shè)計與試驗

陳平錄，許 靜，翟因敏，劉木華

（1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江西 南昌 330045；2.江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，江西 南昌 330045）

1 引言

微耕機是一種主要用于丘陵山區(qū)小塊田作業(yè)的小型農(nóng)業(yè)耕作機械，以其靈活性強、質(zhì)量輕、適應(yīng)能力強等特點，能較好的解決大型機械在小田塊作業(yè)不便的問題，使得微耕機逐漸成為了較受廣大農(nóng)民用戶歡迎的農(nóng)業(yè)機械之一[1-5]，隨著國家農(nóng)機補貼政策的實施，微耕機在山地、丘陵等地區(qū)的需求量將進(jìn)一步增加[6]。我國是世界上果園種植面積最大的國家之一，而有大約2/3 的種植地點是分布在丘陵山區(qū)及高原地區(qū)，其中，低矮樹型占絕大部分。因此，微耕機具有較大的需求市場。但現(xiàn)有微耕機在針對丘陵山區(qū)低矮樹型果園作業(yè)時，還存在高度太高，無法進(jìn)入樹冠下作業(yè)區(qū)域；地勢起伏，耕深難以保持穩(wěn)定；無施肥機構(gòu)或施肥不均勻等問題，無法滿足該地區(qū)果園的作業(yè)要求。

國內(nèi)外學(xué)者及企業(yè)對丘陵山區(qū)果園用機械進(jìn)行不少研究，如氣爆松土注肥機[7]、液壓微耕機[8]、自走式茶園微耕機[9]田園作業(yè)的微耕機[10]以及振動式微耕機[11]等。目前市場上也有多種型號微耕機銷售，如重慶的合盛、鑫源、威馬等微耕機企業(yè)生產(chǎn)的1WG3.0型、95 型、WM610 型等機型，洛陽卓格哈斯生產(chǎn)的玉嬌龍微耕機、戰(zhàn)農(nóng)公司生產(chǎn)的多功能微耕機。但上述微耕機都難以同時做到在機型高度、耕深穩(wěn)定、施肥均勻三個方面滿足丘陵山區(qū)低矮樹型果園的作業(yè)要求。

因為丘陵山區(qū)果園樹型低矮，微耕機工作部件要伸入樹冠進(jìn)行松土施肥作業(yè)，同時，微耕機要能適應(yīng)丘陵山區(qū)地形調(diào)整耕深，保證施肥深度的一致性。因此，通過優(yōu)化減速器傳動結(jié)構(gòu)，降低微耕機前端高度；設(shè)計了一種耕深控制機構(gòu)與施肥機構(gòu)，保證耕深的穩(wěn)定性和施肥的均勻性。為評價所設(shè)計的微耕機性能，以碎土率、平均耕深、施肥均勻性為指標(biāo)，進(jìn)行試驗測定。

2 立式微耕機設(shè)計需求

以江西省撫州市的南豐蜜桔果園為例，通過多次實地調(diào)研，總結(jié)出了丘陵山區(qū)低矮樹型果園微耕機作業(yè)的具體設(shè)計需求如下：

（1）果樹樹型低矮，樹冠離地面高度一般在（400～500）mm 之間。微耕機工作部件要伸入樹冠進(jìn)行松土施肥作業(yè)，因此，微耕機前端高度應(yīng)小于400mm。

（2）南豐蜜桔果樹根須較淺，一般在土層100mm 左右即會存在果樹根須，且受丘陵山區(qū)地形坡度的影響，微耕機松土作業(yè)應(yīng)保持耕深100mm 較合適。

（3）根據(jù)果農(nóng)的經(jīng)驗，果樹的肥料施在地表以下100mm 左右，效果最佳。希望微耕機集松土、施肥功能于一身，松土的同時完成施肥作業(yè)，既保證了施肥的深度，又減少了田間作業(yè)強度。

3 立式微耕機設(shè)計

3.1 立式微耕機結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)設(shè)計要求，微耕機采用立式結(jié)構(gòu)，其工作原理圖，如圖1所示。由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、工作部件、耕深控制機構(gòu)、施肥機構(gòu)等部分組成。螺旋刀與減速器間設(shè)有耕深控制機構(gòu)。傳動系統(tǒng)由離合器、聯(lián)軸器、錐齒輪傳動及直齒輪傳動等組成；工作部件為螺旋刀；施肥機構(gòu)由肥料箱、施肥滾子及施肥鏈輪等組成。作業(yè)時，動力經(jīng)發(fā)動機、離合器、聯(lián)軸器、錐齒輪、直齒輪，最后傳遞至螺旋刀，螺旋刀切削并運送土壤，土壤在離心力作用下甩至擋泥板內(nèi)，土壤在自身重力作用下掉落地面，使土壤更細(xì)碎。整機主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

圖1 立式微耕機工作原理圖Fig.1 Working Principle of Vertical Micro-Cultivator

表1 立式微耕機技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical Parameters of Vertical Micro-Cultivator

3.2 微耕機關(guān)鍵部件設(shè)計

螺旋刀、減速器、耕深控制機構(gòu)與施肥機構(gòu)是實現(xiàn)微耕機松土作業(yè)、耕深穩(wěn)定及均勻施肥功能的重要機構(gòu)，其中螺旋刀的設(shè)計過程參考相關(guān)文獻(xiàn)[12-14]。減速器采用三輸出軸結(jié)構(gòu)，各輸出軸間相互平行，將輸出軸投影在其周向平面內(nèi)，則其軸心線的投影點分別位于等邊三角形的三個頂點處，該結(jié)構(gòu)布置方式下，有利于在輸出軸間放置錐齒輪傳動，使錐齒輪傳動處于直齒輪傳動下方位置，極大的降低了減速器高度。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速與螺旋刀轉(zhuǎn)速間的關(guān)系，減速器設(shè)計傳動比取為10。

3.2.1 耕深控制機構(gòu)

在丘陵山區(qū)作業(yè)時，傳統(tǒng)限深輪機構(gòu)在刀輥軸向方向很難保持耕深穩(wěn)定，需要設(shè)計一種耕深控制機構(gòu)，使得三個螺旋刀具能夠在高度方向上相互獨立，保證山地起伏地面的耕深穩(wěn)定。設(shè)計了一種壓縮彈簧控制伸縮軸機構(gòu)，通過彈簧伸縮變化來保持耕深穩(wěn)定。

（1）耕深控制機構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理

耕深控制機構(gòu)原理，螺旋刀軸套筒軸7 安裝在減速器輸出管軸6 內(nèi)，兩者采用間隙配合，兩軸上均有鍵槽，并通過滑動滾珠5 進(jìn)行徑向固定，減速器輸出管軸6 內(nèi)鍵槽較長，作為滑道使用，螺旋刀軸套筒軸7 可在減速器輸出管軸6 內(nèi)做軸向滑動；在減速器輸出管軸6 內(nèi)，放置一個壓縮彈簧4，彈簧兩端分別頂緊在螺旋刀軸套筒軸7、推力球軸承1 端面；螺旋刀軸12 通過銷釘固定在螺旋刀軸套筒軸7 內(nèi)，套杯8 內(nèi)放置有一軸承，該軸承一端與螺旋刀軸套筒軸7 接觸，并通過頂緊彈簧11 將套杯8 內(nèi)推力球軸承頂緊；套杯8 上加工有螺栓孔，限深輪9 通過螺栓安裝在套杯8 上，如圖2 所示。

圖2 耕深控制機構(gòu)原理圖Fig.2 Schematic Diagram of Tillage Depth Control Mechanism

耕深控制機構(gòu)工作原理為：在松土作業(yè)時，限深輪9 與地面接觸并支撐微耕機部分重量，當(dāng)?shù)孛娣饡r，限深輪9 帶動螺旋刀軸套筒軸7 在減速器輸出管軸6 內(nèi)同步向上運動；當(dāng)?shù)孛嫦鲁習(xí)r，在壓縮彈簧4 作用下，螺旋刀軸套筒軸7 往下運動，保證刀具位置變化與地面起伏變化同步，從而保證耕深穩(wěn)定。

（2）設(shè)計過程

由工作原理可知，壓縮彈簧是耕深控制機構(gòu)的相關(guān)零件，其彈性特性對耕深控制機構(gòu)的工作效果影響很大。彈簧彈性特性需要根據(jù)刀具入土過程的受力情況來設(shè)計。

螺旋刀入土作業(yè)時，入土的垂直阻力等于刀尖入土阻力F尖和刀片入土阻力F刀之和，使用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算[15]。

式中：q—系數(shù)，堅實土壤取3.2kN/m；

K—切應(yīng)力變形阻力系數(shù)，1.7kN/m2；

s—垂直方向每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，取為0.01m；

D尖—刀尖直徑，取為0.015m。

刀片入土阻力計算經(jīng)驗公式為：

式中：q0—土壤阻力比例系數(shù)，取為3.8kN/m；

φ—土壤內(nèi)摩擦角，取值22.8°；

K0—土壤變形阻力系數(shù)，取值250kN/m；

δ—入土刀片切削角，取為30°；

γ—土壤與入土刀片外摩擦角，取為31°；

r0—刀尖半徑，取為0.0075m；

R—螺旋刀外半徑，取為0.06m。

已知入土阻力F=F尖+F刀，將式（1）和式（2）代入可得：

將相關(guān)參數(shù)代入式（3）可求得螺旋刀入土阻力F。

當(dāng)微耕機在無起伏的水平地面作業(yè)時，螺旋刀具應(yīng)處于其高度方向上的行程的一半位置，此時，壓縮彈簧的壓縮量為耕深h 的一半。為應(yīng)對螺旋刀的行程變化，彈簧的壓縮范圍應(yīng)大于等于耕深h。由于彈簧安裝在減速器輸出軸內(nèi)，受減速器輸出軸的尺寸限制，彈簧大徑應(yīng)小于減速器輸出軸內(nèi)孔。假設(shè)彈簧剛度為pt，變形量為ΔL，則有：

3.2.2 施肥機構(gòu)設(shè)計

作物的施肥方式包含基肥、種肥、追肥三種。這三種施肥方式的階段與方法都有所不同，本設(shè)計的施肥機構(gòu)主要用于果樹追肥。追肥主要用于作物生長發(fā)育階段，以有機肥為主。設(shè)計時，機構(gòu)需滿足以下設(shè)計要求：

（1）結(jié)構(gòu)要求：需考慮到微耕機主要用于山地丘陵地區(qū)作業(yè)，要求輕便靈巧，微耕機兩車輪間距較小，所以肥料箱的尺寸不宜過大，結(jié)構(gòu)緊湊簡單；

（2）作業(yè)參數(shù)要求：耕幅360mm，施肥寬度范圍也設(shè)置為360mm，肥料箱設(shè)計長度為360mm；

（3）根據(jù)刀具作業(yè)效率，一次裝肥量10kg 為宜；

（4）根據(jù)微耕機減速器與發(fā)動機安裝位置，肥料箱的寬度不能超過0.3m；

（5）肥料箱下方安裝有聯(lián)軸器，聯(lián)軸器傾斜角度25°，需預(yù)留聯(lián)軸器空間；

（6）以南豐蜜桔為例，每棵果樹的施肥量為（50～200）g。

施肥機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理，如圖3 所示。施肥鏈輪2 安裝在車輪軸上，施肥鏈輪1 安裝在施肥滾子上。當(dāng)微耕機車輪轉(zhuǎn)動時，通過鏈傳動，將動力傳遞至施肥滾子，施肥滾子轉(zhuǎn)動，帶動肥料從肥料箱入料口到出料口，完成施肥。整個過程中，行走輪行進(jìn)速度與施肥滾子角速度同步，實現(xiàn)均勻施肥。

圖3 施肥機構(gòu)工作原理圖Fig.3 Working Principle of Fertilizing Mechanism

經(jīng)實驗測得，復(fù)合肥的平均密度為ρ肥=0.84×103kg/m3，顆粒平均直徑為0.54×10-3m，根據(jù)質(zhì)量與體積關(guān)系，肥料箱可裝肥部分體積為V肥=1.2×10-2m3。

已知微耕機耕幅為360mm，設(shè)計肥料箱的外形長度為0.36m。為保證肥料釋放，出料孔設(shè)計為長腰孔，要求腰孔寬度略大于肥料顆粒直徑，保證出料不造成擁堵。設(shè)計出料口腰孔寬度為0.810-3m，長度為肥料箱外形長度與壁厚的差值，0.356m，兩排腰孔，中間間隔0.410-3m。假設(shè)肥料箱寬度為0.28m，與聯(lián)軸器傾斜角度相同，底板傾斜角度為25°，則肥料箱下方閑置三棱柱空間所占體積V為：

肥料箱總體積為：

V=V肥+V空=1.7×10-2m3

根據(jù)體積與邊長的關(guān)系，可求得肥料箱高度為：

考慮到施肥滾子在肥料箱中占一部分體積，將肥料箱的高度調(diào)整為h=0.18m。

綜上所述，肥料箱的外形尺寸設(shè)計為0.36m×0.28m×0.18m。

以樹冠直徑1.2m 的果樹為例，根據(jù)果農(nóng)施肥經(jīng)驗，6-7 月份南豐蜜桔每棵果樹的施肥量為1kg，則施肥密度為：

已知微耕機作業(yè)前進(jìn)速度v0=0.3m/s，耕幅lg=0.36mm，作業(yè)效率為：

η=v0·lg=0.3×0.36=0.11m2/s

施肥效率為：

η肥=ρ施·η=885×0.11=97g/s

已知行走輪直徑d車=0.4m，行走輪的轉(zhuǎn)速為：

為減小機構(gòu)重量，兩鏈輪的直徑相等時，兩鏈輪質(zhì)量和最小，即傳動比i鏈=1。

假設(shè)施肥滾子外半徑為Rg，取滾子軸半徑為rg=7.5×103m，根據(jù)車輪軸與滾子軸傳動比關(guān)系可得：

代入數(shù)據(jù)得Rg=28mm。

綜上所述，施肥滾子的設(shè)計參數(shù)為外半徑Rg=28mm，滾子軸半徑rg=15mm，轉(zhuǎn)速n 滾子=0.12r/s，其三維圖，如圖4 所示。

圖4 施肥滾子三維圖Fig.4 The Three-Dimensional Map of Fertilized Roller

4 田間試驗

4.1 試驗方法

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》[16]，在本試驗中，分別在碎土效果、耕深穩(wěn)定性、施肥均勻性三個方面進(jìn)行試驗。其中：碎土效果試驗以土壤碎土率為試驗指標(biāo)，來驗證所設(shè)計微耕機的碎土效果；耕深穩(wěn)定性試驗以測定的平均耕深為試驗指標(biāo)；施肥均勻性試驗將一定面積內(nèi)拋灑的肥料質(zhì)量作為施肥均勻性試驗指標(biāo)[17]，并與農(nóng)藝要求施肥質(zhì)量進(jìn)行對比。在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)茶樹園進(jìn)行試驗，試驗用地為紅壤，試驗面積（20×1）m，樣機試驗圖，如圖5 所示。

圖5 樣機試驗Fig.5 Prototype Test

4.2 碎土效果測定

在試驗區(qū)對角線上取5 個點，在每個檢測點處取測定面積（0.5×0.5）m，高度方向為整個耕作土層，碎土率為最大邊長小于4cm 的土塊質(zhì)量與檢測區(qū)域土壤質(zhì)量百分比，碎土率的平均值為5 個點處碎土率平均值。

計算公式如下：

式中：si—i 點碎土率；

mai—i 點最大邊長小于4cm 的土塊質(zhì)量；

mi—i 點檢測區(qū)域土壤質(zhì)量。

平均碎土率為：

4.3 耕深穩(wěn)定性

順著作業(yè)方向，取一基準(zhǔn)線，在基準(zhǔn)線上，每隔0.5m 取一檢測點，測試兩個來回，共20 個點，耕深直接使用耕深尺進(jìn)行量取。則耕深平均值計算公式為：

式中：hj—點處耕深；

h—所有檢測點平均耕深；

k—檢測點個數(shù)。

4.4 肥料均勻性

使用碎土率測定取點位置，在每個檢測點處取測定面積（0.5×0.5）m，收集測定面積處所有肥料顆粒并稱重。在檢測點測定面積內(nèi)，農(nóng)藝要求施肥量為施肥密度與測定面積的乘積，為21g。

4.5 試驗結(jié)果與分析

參照上述試驗步驟，安排試驗，試驗結(jié)果，如圖6 所示。

圖6 試驗結(jié)果Fig.6 Experimental Results

根據(jù)以上測得數(shù)據(jù)，求得各項目參數(shù)值，如表2 所示?？芍?，所設(shè)計的微耕機作業(yè)碎土率符合微耕機作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。但耕深標(biāo)準(zhǔn)偏差在相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中，并無標(biāo)準(zhǔn)要求，僅能通過該數(shù)據(jù)來判斷耕深穩(wěn)定的程度，實際作業(yè)耕深平均值為106mm，與需求耕深100mm 非常接近，故認(rèn)為耕深穩(wěn)定性較好，滿足作業(yè)要求。肥料均勻性在相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中，無標(biāo)準(zhǔn)要求，在測定面積內(nèi)，施肥量24g 與農(nóng)藝要求21g 較接近，故認(rèn)為滿足施肥均勻性較好，滿足施肥要求。

表2 微耕機作業(yè)效果參數(shù)Tab.2 Working Effect Parameters of Micro-Cultivator

5 結(jié)論

（1）研制了一種適合立式微耕機的耕深控制機構(gòu)，該機構(gòu)三個螺旋刀在高度方向相互獨立，每把螺旋刀都能根據(jù)自身作業(yè)處的地面起伏情況，自動調(diào)節(jié)高度，保證了山地起伏地面耕深穩(wěn)定。結(jié)合農(nóng)藝要求，設(shè)計出了一種結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單，重量較小的自動施肥機構(gòu)，理論計算表明所設(shè)計的機構(gòu)既能滿足農(nóng)藝施肥量要求，又具備施肥均勻的特點。

（2）將所設(shè)計的立式微耕機進(jìn)行田間試驗，并獲得作業(yè)效果的相關(guān)數(shù)據(jù)，與國家標(biāo)準(zhǔn)要求及農(nóng)藝要求對比，微耕機能夠滿足丘陵山區(qū)低矮樹型果園的作業(yè)要求。