茶園開(kāi)溝施肥覆土一體機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*＊

張海鵬，林聰，陳凌霄，張培坤，鄭書(shū)河

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州市，350002；2.福建省農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣總站，福州市，350001；3.福建永順機(jī)械有限公司，福建南平，353500)

0 引言

茶園管理作為茶葉種植培育中的必要步驟,是保證茶葉產(chǎn)能、品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益的根本和關(guān)鍵[1]。由于我國(guó)的茶園種植區(qū)域主要分布在山區(qū)或丘陵地帶，地形較為崎嶇，土壤環(huán)境惡劣，茶園的松土和施肥顯得尤為重要。然而我國(guó)茶園機(jī)械化松土施肥的水平仍較低，茶園的機(jī)械化程度遠(yuǎn)不及其他糧食作物的平均水平[2-4]。依靠茶園機(jī)械代替人工松土、施肥，是茶園管理的必然趨勢(shì)，也是目前茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)之一。目前，茶園中多使用大型管理機(jī)，集修剪、施肥、采摘于一體，但體積龐大、機(jī)動(dòng)性欠佳，維護(hù)成本較高，人工操作復(fù)雜，無(wú)法滿(mǎn)足我國(guó)大部分丘陵山區(qū)茶園的實(shí)際要求[5-6]。為彌補(bǔ)大型茶園管理機(jī)不足，小型茶園管理機(jī)械應(yīng)運(yùn)而生[7]。然而現(xiàn)存小型淺耕機(jī)型存在動(dòng)力不足，耕作深度不合格等，無(wú)法大規(guī)模推廣使用[8]。

目前國(guó)內(nèi)茶園機(jī)械研制主要基于平坦地形，肖宏儒等[9]成功研制高地隙乘坐式茶園管理機(jī)，是國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨越茶樹(shù)冠進(jìn)入狹小的茶行間進(jìn)行作業(yè)的先例；李坤等[10]針對(duì)緩坡或者陡坡茶園，研制出了低地隙履帶式多功能茶園管理機(jī)；徐良等[11]研制了3ZFC-40型茶園中耕機(jī)，該機(jī)具備除草刀具、施肥、松土裝置；夏瑞花等[12]設(shè)計(jì)一種2FPG-40型開(kāi)溝施肥機(jī)，利用絞龍螺旋旋轉(zhuǎn)施肥，一次進(jìn)地可同時(shí)進(jìn)行開(kāi)溝、施肥和覆土作業(yè)；陳平錄等[13]對(duì)現(xiàn)有機(jī)型機(jī)身過(guò)高，松土深度不穩(wěn)定以及開(kāi)溝與施肥不匹配的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)具備伸縮軸式耕深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和簡(jiǎn)易施肥裝置的立式微耕機(jī)，作業(yè)時(shí)施肥輪角速度與行走輪前進(jìn)速度保持一致，保證施肥的均勻性。

結(jié)合茶園種植與施肥農(nóng)藝要求，針對(duì)武夷山等丘陵山區(qū)茶園，研制滿(mǎn)足丘陵茶園作業(yè)的開(kāi)溝施肥覆土一體機(jī)，用于解決大型茶園管理設(shè)備轉(zhuǎn)彎半徑過(guò)大、施肥不均勻、維護(hù)成本較高和操作復(fù)雜等問(wèn)題。

1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

丘陵山區(qū)茶園開(kāi)溝施肥覆土一體機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、扶手支架、傳動(dòng)裝置、旋耕松土裝置、施肥裝置、仿行限深裝置、底板及覆土裝置等組成。其中，傳動(dòng)系統(tǒng)由主軸、離合器、蝸輪蝸桿減速機(jī)及傳動(dòng)軸等構(gòu)成；施肥裝置是由肥料箱、伺服電機(jī)、大小帶輪、排肥輪及排肥管等構(gòu)成；旋耕裝置包含旋耕刀、刀軸和旋耕刀座，旋耕刀依據(jù)螺旋線的規(guī)律安裝在刀軸上[14]；仿行限深裝置包括仿行輪、螺紋桿、仿行支撐桿及固定件構(gòu)成；底板的下方裝配有距離可調(diào)的覆土裝置。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1揚(yáng)示。

圖1 茶園開(kāi)溝施肥覆土一體機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of tea garden trenching and fertilizing mulching machine

茶園開(kāi)溝施肥覆土一體機(jī)在茶園工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸將動(dòng)力傳遞到離合器，離合器再將動(dòng)力經(jīng)蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)到蝸輪軸上旋耕刀，通過(guò)旋耕刀旋轉(zhuǎn)切土拋土帶動(dòng)整機(jī)前進(jìn)，在開(kāi)溝松土過(guò)程中，拋出的土層與擋土板相撞，在阻隔土層拋灑的同時(shí)有效地對(duì)土壤進(jìn)行了二次銑削，有利于施肥作業(yè)的進(jìn)行。同時(shí)，微控制器計(jì)算出整機(jī)的前進(jìn)速度，并根據(jù)外槽輪的有效工作長(zhǎng)度控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)總成上小帶輪，后通過(guò)同步帶帶動(dòng)大帶輪旋轉(zhuǎn)，從而控制外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成施肥作業(yè)。最后，安裝在底板下方的覆土裝置將肥料掩埋。在作業(yè)的過(guò)程中，操作者可通過(guò)調(diào)節(jié)仿行限深裝置的支撐桿高度，達(dá)到調(diào)節(jié)松土深度的目的，同時(shí)可更換檔位來(lái)調(diào)節(jié)整機(jī)的行走速度。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)動(dòng)力需求，選用最大輸出功率為4.2 kW的170F型發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力充足，油耗較低。經(jīng)摩擦式離合器，蝸輪蝸桿減速器來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單緊湊，重量輕便，方便運(yùn)輸?shù)角鹆晟絽^(qū)茶園，更符合丘陵茶園揚(yáng)需管理機(jī)械的設(shè)計(jì)原則。整機(jī)寬幅更窄，僅為850 mm，小于武夷山茶園現(xiàn)有的作業(yè)道寬度，能夠滿(mǎn)足其茶樹(shù)種植密集的特點(diǎn)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1揚(yáng)示。

表1 茶園開(kāi)溝施肥覆土一體機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of tea garden trenching and fertilizing mulching machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)方案

茶園開(kāi)溝施肥機(jī)應(yīng)先松土開(kāi)溝，后施肥。綜合考慮結(jié)構(gòu)布置、整機(jī)的平衡，需承受較大的載荷，旋耕刀需轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量相對(duì)較輕，故采用由發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器及單級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置組成的傳動(dòng)裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)輸出軸到離合器，再經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸末端的梅花聯(lián)軸器，經(jīng)連接件與蝸輪蝸桿減速器相連接，從而驅(qū)動(dòng)旋耕刀切削土壤作業(yè)，傳動(dòng)方案如圖2揚(yáng)示。

圖2 傳動(dòng)方案圖Fig.2 Transmission scheme diagram

2.2 功率消耗分析

微耕機(jī)的功耗是由旋耕刀翻拋土層、驅(qū)動(dòng)機(jī)器行走、傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部消耗和克服土壤對(duì)刀具的反作用力功率消耗組成[15]。

式中：N——總功耗，kW；

Nq——土壤切削功率消耗，kW；

NP——拋土功率消耗，kW；

Nt——驅(qū)動(dòng)行走消耗的功率，kW；

Nf——傳動(dòng)與摩擦損耗的功率，kW；

Pn——克服土壤水平反力損耗的功率，kW。

因傳動(dòng)與摩擦損耗的功率很小，故忽略不計(jì)。當(dāng)旋耕刀正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，土壤水平反力與機(jī)器作業(yè)行走方向相同，揚(yáng)以Pn取負(fù)號(hào)；反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，Pn取正號(hào)[16]。因此，總功率由驅(qū)動(dòng)機(jī)器行走時(shí)消耗的功率和旋耕松土作業(yè)時(shí)消耗的功率兩部分組成。

1）旋耕開(kāi)溝作業(yè)功率損耗。求解旋耕機(jī)功耗的經(jīng)驗(yàn)公式

式中：d——耕深，cm；

vm——旋耕機(jī)前進(jìn)的速度，m/s；

B——耕幅，m；

Kλ——旋耕比損耗，N/cm2。

已知Kλ=8.265 8，計(jì)算得其切削土壤與拋土功率損耗P′約為2.065 kW。

2）整機(jī)行走時(shí)功率損耗。在作業(yè)過(guò)程中，主要是克服地面的阻力及傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部阻力做功。忽略空氣阻力。由于土壤耕作阻力大，前進(jìn)輪的滾動(dòng)摩擦系數(shù)取較大值為0.4，前進(jìn)速度vm取最大值0.833 m/s，裝滿(mǎn)肥料后整機(jī)的質(zhì)量約為130 kg。則整機(jī)前進(jìn)的最大功耗

式中：f——輪胎滾動(dòng)摩擦因數(shù)；

m——整機(jī)質(zhì)量，kg。

故綜合式(2)與式(3)，即可得到旋耕作業(yè)和行走時(shí)的總功率消耗

各傳動(dòng)部件的效率分別?。簼L動(dòng)軸承η滾=0.98，球軸承η球=0.99，蝸輪蝸桿η蝸=0.8，離合器η離=0.98。則發(fā)動(dòng)機(jī)揚(yáng)需要的實(shí)際功率

計(jì)算可得到機(jī)器工作時(shí)揚(yáng)需要的實(shí)際功率為3.391 kW。結(jié)合茶園松土施肥過(guò)程中地塊堅(jiān)硬、除草困難的實(shí)際工況，選用動(dòng)力充足、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、成本低的170F型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

2.3 開(kāi)溝刀具設(shè)計(jì)

由于山區(qū)茶園種植比較密集，大型設(shè)備無(wú)法適用。固定式和鏈刀式開(kāi)溝裝置耕作阻力大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力要求高，相比之下，旋耕裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)溝切削土壤能力較強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足茶樹(shù)種植密集地區(qū)的作業(yè)要求。根據(jù)GB/T 5669-2008選用ⅡS150，材料定為65Mn鋼。旋耕刀與刀座依靠螺栓連接，其中刀座螺母利用凹嵌結(jié)構(gòu)，防止螺母松動(dòng)，此外刀座與旋耕刀軸通過(guò)銷(xiāo)連接。整體主要有旋耕刀、刀座、刀軸及銷(xiāo)連接件組成，兩側(cè)錯(cuò)位安裝，其旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑為252 mm,刀片厚度為3 mm。在理想狀態(tài)下，旋耕刀具左右兩側(cè)呈對(duì)稱(chēng)分布，刀軸受到的軸向力很小且能兩者抵消，在切削土壤的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生扭矩T，軸向力Fy及徑向力Fx、Fz，如圖3揚(yáng)示，旋耕刀軸受力如圖4揚(yáng)示。

圖3 刀具受力分析圖Fig.3 Tool force analysis diagram

圖4 旋耕刀軸受力圖Fig.4 Rototiller shaft force diagram

實(shí)際作業(yè)中，旋耕刀軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀具切削土壤松土作業(yè)，其不斷發(fā)生著彎曲、扭轉(zhuǎn)及復(fù)合變形。僅就彎曲變形而言，旋耕刀軸的受力可以用承受不同集中載荷的簡(jiǎn)支梁模型來(lái)表示，如圖5揚(yáng)示，集中載荷的位置和角度由刀片的排列方式確定[17]。還可以得到刀軸任意橫截面處彎矩方程

圖5 旋耕刀軸力學(xué)簡(jiǎn)化模型Fig.5 Simplified model of rotary tillage cutter shaft mechanics

結(jié)合旋耕刀的實(shí)際排列分布情況，能夠推斷出刀軸的二分之一處屬于易損截面，在實(shí)際作業(yè)時(shí)可能出現(xiàn)大的變形甚至斷裂。

實(shí)際作業(yè)時(shí)，旋耕刀在進(jìn)行切土拋土作業(yè)的同時(shí)，還要跟著整機(jī)向前移動(dòng)。因此，旋耕刀上各點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)應(yīng)為這兩種運(yùn)動(dòng)方式的合成，旋耕刀運(yùn)動(dòng)分析如圖6揚(yáng)示[18]。在此，以旋耕刀端點(diǎn)處為例，分析其運(yùn)動(dòng)。

圖6 旋耕刀運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.6 Rotary tiller movement diagram

當(dāng)旋耕刀處于圖6揚(yáng)示的位置下，其運(yùn)動(dòng)方程

式中：R——刀具刃口處的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm；

ω——轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；

vm——整機(jī)行走速度，m/s。

對(duì)式（7），分別求關(guān)于時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，即可得到刃口處在x、y相垂直方向上的分速度，可得旋耕刀端點(diǎn)處的速度的計(jì)算公式

當(dāng)旋耕刀端點(diǎn)處于最高位置時(shí),絕對(duì)速度最大，當(dāng)開(kāi)溝刀端點(diǎn)處于最低位置時(shí)，絕對(duì)速度最小[19]。

規(guī)定開(kāi)溝刀端點(diǎn)的回轉(zhuǎn)切線速度與整機(jī)前進(jìn)速度之比為旋耕速比。

λ數(shù)值大小能干擾旋耕刀的運(yùn)動(dòng)軌跡及開(kāi)溝施肥機(jī)工作性能狀況，對(duì)旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡影響如圖7揚(yáng)示。

圖7 λ值對(duì)旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡影響圖Fig.7 Influence ofλvalue on the trajectory of rotating tillage knife

當(dāng)λ=1時(shí)，旋耕刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑是規(guī)范的擺線，路徑上揚(yáng)有點(diǎn)都沒(méi)有向后的水平分速度，旋耕刀端點(diǎn)不能向后側(cè)削土，起不到碎土的作用；當(dāng)λ＜1時(shí)，旋耕刀端點(diǎn)路徑為短擺線，曲線上揚(yáng)有點(diǎn)的水平分速度都和機(jī)器行走的方向一致，此時(shí)，旋耕刀將土往前拋，使得整機(jī)非正常工作；當(dāng)λ＞1時(shí)，開(kāi)溝刀端點(diǎn)路徑為余擺線，開(kāi)溝刀端點(diǎn)存在與整機(jī)前進(jìn)方向相反的水平分速度，開(kāi)溝刀能夠向后削土，完成開(kāi)溝松土作業(yè)[20]。

又可得刃口處水平方向上的分速度

要想使得機(jī)器能夠正常切削土壤松土作業(yè)，其水平方向上的分速度vx應(yīng)該小于0。

代入技術(shù)參數(shù)表數(shù)值進(jìn)行速比計(jì)算，得到最小速比為λ=1.8＞1，進(jìn)一步驗(yàn)證旋耕刀作業(yè)參數(shù)選擇的合理性與可靠性。

旋耕刀在轉(zhuǎn)速一定情況下，速比γ越大，整機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)土壤的擾動(dòng)減少，有利于溝底平整性的提高[21]。

2.4 施肥裝置的設(shè)計(jì)

結(jié)合實(shí)際工況，選定外槽輪式的施肥裝置。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)分析，通過(guò)外槽輪排肥器排肥理論推導(dǎo)公式計(jì)算單位面積施肥單元目標(biāo)施肥量。

式中：Q——單位面積目標(biāo)施肥量，kg/hm2；

q——單個(gè)排肥器單位時(shí)間排肥量，kg/min；

B——施肥幅寬，m；

v——整機(jī)行走速度，km/h；

N——排肥器個(gè)數(shù)；

kv——整機(jī)前進(jìn)打滑率。

設(shè)計(jì)排肥槽有效工作長(zhǎng)度103.8 mm，寬度58 mm，排肥主軸直徑70 mm，排肥口直徑35 mm。施肥前，肥料在自然狀態(tài)下依次填滿(mǎn)槽輪凹槽與肥料箱，筒輪跟隨軸而轉(zhuǎn)動(dòng)，將凹槽內(nèi)的肥料從輸肥管排出，帶動(dòng)層的外緣層則是靜止層，該結(jié)構(gòu)通過(guò)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)將新的帶動(dòng)層的肥料不斷地排出。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)與原理如圖8揚(yáng)示。

因施肥裝置作業(yè)空間狹窄，故肥料箱體積不宜過(guò)大，根據(jù)揚(yáng)選定發(fā)動(dòng)機(jī)功率及茶園作業(yè)道寬度承受范圍，規(guī)定肥料箱尺寸長(zhǎng)為350 mm，寬為700 mm，高為300 mm。此外，施肥揚(yáng)需扭矩較小，選取86式閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)，其扭矩為8.5 N·m，轉(zhuǎn)速為600～1 600 r/min。該裝置結(jié)構(gòu)如圖9揚(yáng)示。該施肥裝置整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，排肥穩(wěn)定，施肥均勻性較好，符合施肥要求。

圖9 施肥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Fertilizer application device structure diagram

2.5 仿形限深裝置

由于整機(jī)重量的影響，會(huì)使旋耕刀出現(xiàn)下沉的趨勢(shì)，人工無(wú)法保證開(kāi)溝深度的要求，因此需設(shè)計(jì)一種仿行限深裝置。該裝置是使機(jī)器在正常工作過(guò)程中能夠隨地形起伏變化而始終保持一定的工作深度的機(jī)構(gòu)。在非作業(yè)狀態(tài)，該裝置處于伸長(zhǎng)狀態(tài)；作業(yè)狀態(tài)時(shí)，該裝置處于收縮狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)如圖10揚(yáng)示。

圖10 仿形限深裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Imitation depth limiting device structure diagra

由于底盤(pán)距離地面157 mm，為使旋耕刀懸空，設(shè)計(jì)最大可調(diào)高度150 mm，輪距140 mm，仿形輪直徑為130 mm，整體高度350 mm。仿形限深裝置通過(guò)固定件裝配在松土施肥機(jī)上，將十字開(kāi)口向上移動(dòng)使其脫離螺紋桿后，移動(dòng)螺紋桿可上下調(diào)節(jié)仿形輪與固定件的距離，從而改變松土?xí)r的作業(yè)深度，調(diào)節(jié)完成后將十字卡扣扣住螺紋桿，以防止其轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了開(kāi)溝深度，提高開(kāi)溝施肥穩(wěn)定性，符合茶園農(nóng)藝要求。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

參 照GB/T 5668—2017《旋 耕 機(jī)》[22]與GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》[23]，進(jìn)行實(shí)際茶園松土、施肥作業(yè)試驗(yàn)以及性能檢測(cè)。試驗(yàn)在福建省南平市武夷山市星村鎮(zhèn)某一茶園進(jìn)行，試驗(yàn)地雜草較為繁多，近期無(wú)松土施肥作業(yè)，土層較為平整，無(wú)明顯極端的溝壑，土壤含水率為13.6%～19.3%，茶園基本情況如表2揚(yáng)示。

表2 茶園基本情況表Tab.2 Basic information table of tea plantations

3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目與方法

3.2.1 開(kāi)溝松土試驗(yàn)

在未耕作地表與兩茶行交線位置處垂直豎放一有刻度的鋼尺，量取茶行溝底最低處到鋼尺的垂直距離認(rèn)定為試驗(yàn)點(diǎn)的開(kāi)溝松土深度，沿機(jī)器工作方向每隔1 m取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量4行，要求每個(gè)茶行至少量取10個(gè)樣點(diǎn)。

3.2.2 施肥性能試驗(yàn)

由于在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中肥料是被掩埋至茶行間泥土里的，不易收集和統(tǒng)計(jì)。故本次試驗(yàn)在空曠的場(chǎng)地進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中使旋耕刀軸保持空轉(zhuǎn)，如圖11揚(yáng)示。此外再設(shè)置一組對(duì)照組，對(duì)照組采用通用施肥裝置，排肥轉(zhuǎn)速相同。

圖11 樣機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)Fig.11 Prototype idle state

將黑色薄膜均勻展開(kāi)，保證無(wú)明顯的凸起或者破裂現(xiàn)象。手動(dòng)控制使輸肥管口高出水平地面3～5 cm，機(jī)器以實(shí)際工作速率直行20 m，在中間位置處，分別向兩側(cè)取其中不小于2 m的地段，按10 cm劃分一個(gè)小段，并測(cè)定每段內(nèi)肥料的質(zhì)量。其具體操作過(guò)程如圖12揚(yáng)示。

圖12 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量過(guò)程Fig.12 Experimental design and measurement process

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 開(kāi)溝松土深度及穩(wěn)定性

衡量指標(biāo)為平均開(kāi)溝深度與開(kāi)溝深度的穩(wěn)定性狀況，其中開(kāi)溝深度穩(wěn)定性又包括標(biāo)準(zhǔn)差、開(kāi)溝深度變異系數(shù)及開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。衡量指標(biāo)公式

式中：h——平均開(kāi)溝深度，cm；

hi——第i點(diǎn)的耕作深度，cm；

n——測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)；

S——開(kāi)溝深度標(biāo)準(zhǔn)差，cm；

V——開(kāi)溝深度變異系數(shù)，%；

U——開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)表示，%。

選取的是各試驗(yàn)區(qū)域共40個(gè)測(cè)試點(diǎn)在相同前進(jìn)速度下的松土深度試驗(yàn)結(jié)果如表3揚(yáng)示，得開(kāi)溝溝深138～149.8 mm，平均溝深h為145.5 mm，開(kāi)溝深度穩(wěn)定系數(shù)90.07%～92.21%，平均耕深穩(wěn)定系數(shù)91.1%滿(mǎn)足開(kāi)溝松土深度≥80 mm、穩(wěn)定性≥85%的要求。

表3 開(kāi)溝深度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of trenching depth

3.3.2 施肥均勻性

為了更加直觀地反映機(jī)器的性能，施肥的均勻性由施肥均勻性變異系數(shù)來(lái)衡量。

Xi——各段平均排肥量，g；

n——測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

S——排肥量標(biāo)準(zhǔn)差，g；

V′——排肥均勻性變異系數(shù)，%。

排肥裝置在相同轉(zhuǎn)速下工作2 m排肥量的統(tǒng)計(jì)情況，排肥量為20.4～22.1 g，得出各段平均施肥量為21.6 g，代入式(17)中，得均勻性變異系數(shù)為3.4%，滿(mǎn)足變異系數(shù)小于《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（NY/T 1003—2006）中規(guī)定的13%的要求。各段排肥量如圖13揚(yáng)示。

圖13 各段排肥量Fig.13 Fertilizer discharge volume of each section

由圖13看出，在施肥裝置最初運(yùn)轉(zhuǎn)階段，電機(jī)剛剛發(fā)動(dòng)，由于施肥裝置自身的原因?qū)е路柿项w粒大量涌出，排肥量達(dá)到23.8 g，此時(shí)肥料顆粒數(shù)目過(guò)多，質(zhì)量較大；當(dāng)施肥裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，在接下來(lái)的階段，肥料顆粒的流速趨于均勻，基本不發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象。且同等轉(zhuǎn)速下，對(duì)照組整體排肥波動(dòng)較大，最小排肥量12.6 g，最大排肥15.5 g，各段平均施肥量為14.2 g。綜上，揚(yáng)設(shè)計(jì)的開(kāi)溝施肥覆土一體機(jī)排肥量約為對(duì)照組1.5倍，且排肥更加均勻、排肥更穩(wěn)定。

圖14 排肥性能對(duì)比Fig.14 Comparison of fertilizer performance

4 結(jié)論

1）針對(duì)丘陵山區(qū)茶園施肥機(jī)具嚴(yán)重匱乏的需求，設(shè)計(jì)可一次完成開(kāi)溝松土、定量施肥、及時(shí)覆土三道工序的丘陵山區(qū)茶園管理裝備。對(duì)整機(jī)和旋耕刀進(jìn)行了受力分析，并對(duì)旋耕刀工作時(shí)的情況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中旋耕刀頂端的運(yùn)動(dòng)方程。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算確定各關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2）在施肥裝置最初運(yùn)轉(zhuǎn)階段，電機(jī)剛剛發(fā)動(dòng)，由于施肥裝置結(jié)構(gòu)，大量肥料顆粒噴出，此時(shí)肥料顆粒數(shù)目過(guò)多，質(zhì)量較大；當(dāng)施肥裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，肥料顆粒的排出量趨于均勻，基本不發(fā)生波動(dòng)。

3）田間試驗(yàn)表明，丘陵山區(qū)開(kāi)溝施肥一體機(jī)作業(yè)效果良好，有序平穩(wěn)，開(kāi)溝溝深138～149.8 mm，平均溝深145.5 mm，開(kāi)溝深度穩(wěn)定系數(shù)90.07%～92.21%，平均耕深穩(wěn)定系數(shù)91.1%；各段平均施肥量為21.6 g，施肥均勻性變異系數(shù)為3.4%，符合NY/T 1003-2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，其關(guān)鍵性能參數(shù)均滿(mǎn)足茶園實(shí)際工作要求，設(shè)計(jì)方案較為合理。