果園履帶式偏置開溝施肥機(jī)研制與試驗(yàn)

柳國光， 王 濤， 樓婷婷

（浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，浙江 金華 321017）

0 引言

水果種植在我國的農(nóng)業(yè)種植業(yè)中占比較高，單位面積的經(jīng)濟(jì)效益也相對較好，并且易于和觀光旅游、采摘游玩等現(xiàn)代服務(wù)業(yè)相結(jié)合，是調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)民收入、促進(jìn)鄉(xiāng)村振興的重要產(chǎn)業(yè)之一。浙江省地處丘陵地帶，果園多建于緩坡地，地形復(fù)雜且土質(zhì)一般，為提高水果產(chǎn)量和果品品質(zhì)需給土壤添加額外的有機(jī)質(zhì)[1-2]。開溝施肥既能疏松土壤、加速根部生長，又能施肥覆土、保持水肥、實(shí)現(xiàn)肥力最大化利用，是理想的改善土壤肥力的手段[3]。然而浙江省丘陵地區(qū)果園存在果樹分布密集、機(jī)械通道狹窄、地面不平整且坡度起伏較大等問題，使用北方果園成熟的開溝施肥機(jī)適應(yīng)效果一般，并且對部分水果果樹近距離開溝施肥的要求難以滿足。果園近距離開溝施肥作業(yè)常采用手扶式開溝機(jī)開溝后再人工施肥，或純?nèi)肆﹂_溝施肥，勞動強(qiáng)度大、勞動力成本高，再加上浙江省農(nóng)業(yè)從業(yè)人員高齡化問題，果園種植業(yè)面臨成本和用工荒雙重壓力，可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，迫切需求高效穩(wěn)定的開溝施肥裝備。

開溝施肥是果園管理中勞動力最為密集的環(huán)節(jié)之一，面對農(nóng)業(yè)勞動力的缺失，機(jī)械化開溝施肥是我國果園管理的發(fā)展趨勢[4-6]。目前國內(nèi)對果園開溝施肥機(jī)械化作業(yè)的研究已經(jīng)比較全面，在機(jī)架優(yōu)化、開溝器仿真設(shè)計(jì)、施肥器排肥量調(diào)節(jié)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及配套履帶式動力底盤等方面都進(jìn)行了一定程度的研究，獲得了比較多的成果[7-13]。同時，也進(jìn)行了許多果園開溝施肥機(jī)整機(jī)的研究與應(yīng)用[14]。但多數(shù)開溝施肥機(jī)還是以開溝器居中為主，側(cè)邊開溝施肥的產(chǎn)品較少且開溝深度不能調(diào)整或調(diào)整范圍較小，不能消除丘陵緩坡果園地形起伏對開溝深度的影響，也無法滿足部分果園靠近果樹位置的開溝施肥要求。基于此，研制了一臺開溝深度可調(diào)的履帶式偏置開溝施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)緩坡果園管理中近距離開溝施肥作業(yè)的機(jī)械化。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

偏置開溝施肥機(jī)由履帶式動力底盤、后輸出動力組件、機(jī)架、開溝動力傳動機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)和開溝裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 偏置開溝施肥機(jī)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of offset ditching fertilizer applicator

該開溝施肥機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，可整體更換，以最大化利用履帶式底盤。開溝施肥裝置安裝在機(jī)架上，與后輸出動力裝置均通過螺栓安裝在履帶式動力底盤上，履帶底盤可以通過換裝其他機(jī)具實(shí)現(xiàn)旋耕、粉碎和土壤回填等作業(yè)。開溝施肥機(jī)作業(yè)時由履帶底盤牽引開溝機(jī)前進(jìn)，并由后輸出動力組件提供開溝作業(yè)動力，通過膠帶、變速箱和十字萬向傳動軸傳遞給開溝機(jī)帶動鏈?zhǔn)介_溝刀進(jìn)行開溝作業(yè)。施肥機(jī)構(gòu)由緊壓在地表的地輪驅(qū)動下肥，可實(shí)現(xiàn)行走過程的均勻施肥。開溝升降機(jī)構(gòu)用于在履帶底盤行走地面和開溝施肥作業(yè)地面存在高度差時調(diào)整開溝裝置的初始高度，使開溝深度更為穩(wěn)定，開溝機(jī)的適用范圍更廣。開溝施肥機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 偏置開溝施肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of offset ditching fertilizer applicator

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 動力底盤設(shè)計(jì)

丘陵緩坡果園相比大田果園存在果樹密集和地形起伏大的情況，因此選擇結(jié)構(gòu)更為緊湊的履帶式底盤作為動力裝置。履帶底盤在通道狹窄、坡度較大的果園行走和作業(yè)時更為方便，但存在爬坡驅(qū)動動力消耗大的問題，再加上開溝作業(yè)的高功率輸出要求，使得開溝施肥機(jī)的動力底盤既要滿足尺寸小、又要有充足的功率輸出。

為滿足開溝施肥機(jī)提高作業(yè)穩(wěn)定性的同時盡可能縮小底盤外形尺寸的要求，采用雙動力驅(qū)動系統(tǒng)來避免行走和開溝動力分配器的功率損失，如圖2 所示，履帶動力底盤主要由電控齒輪箱、制動部件、行走輪系及履帶行走機(jī)構(gòu)等部分組成。采用6.6 kW 汽油機(jī)作為行走驅(qū)動動力，汽油機(jī)安裝在履帶之間降低底盤的重心提高防側(cè)翻能力；采用18 kW 左右柴油機(jī)作為配套農(nóng)機(jī)具的動力，柴油機(jī)安裝在履帶底盤的后上方，保障輸出動力充足，簡化傳動機(jī)構(gòu)并減少傳動環(huán)節(jié)的動力損失，同時使履帶底盤的結(jié)構(gòu)更為緊湊。

圖2 履帶式動力底盤結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of crawler type power chassis

履帶底盤作業(yè)時由行走汽油機(jī)輸出動力，經(jīng)過電控齒輪箱傳遞給獨(dú)立的左右履帶輪主動軸，通過控制齒輪箱的前進(jìn)、后退、快慢速擋位進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)操作。電控齒輪箱輸出到左右履帶輪的動力和轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立控制，速度相同時驅(qū)動底盤直線行走，差速時實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎。制動部件除提供履帶停止所需制動力外，還可以通過單側(cè)制動來減小轉(zhuǎn)彎半徑、實(shí)現(xiàn)原地掉頭，優(yōu)化履帶機(jī)的轉(zhuǎn)向功能。

2.2 開溝裝置設(shè)計(jì)

果樹近距離開溝施肥時，果樹的附近有土壤堆積或成壟形，開溝施肥作業(yè)面相對履帶底盤行走的中間位置較高，為保證該落差較大時的開溝深度，設(shè)計(jì)了高度提升機(jī)構(gòu)。開溝裝置總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由鏈?zhǔn)介_溝刀、開溝下壓液壓缸、升降座、安裝固定架和提升液壓缸組成。開溝刀和下壓液壓缸作為整體安裝在升降座上，下壓液壓缸作用是將開溝刀下壓以完成開溝作業(yè)，并通過4 根導(dǎo)向軸和升降液壓缸與安裝架連接，可由升降液壓缸驅(qū)動進(jìn)行上下位置的調(diào)整，解決不平整地形下近距離開溝的高度差問題。同時，在挖掘深度特別大的情況下，開溝機(jī)構(gòu)配合升降機(jī)構(gòu)作業(yè)可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的開溝深度調(diào)整，適用范圍更廣。

圖3 開溝裝置結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of ditching device

2.3 施肥裝置設(shè)計(jì)

施肥裝置要保證施肥的均勻性和連續(xù)性，因此采用地輪隨動施肥機(jī)構(gòu)保證行走時才施肥，并增加了緩存肥箱避免缺肥漏施的情況。施肥裝置如圖4 所示，主要由主肥料箱、緩存肥料箱、地輪輸肥組件、同步帶傳送機(jī)構(gòu)和安裝機(jī)架等組成。施肥器安裝在緩存肥料箱底部與施肥波紋管連通，施肥器轉(zhuǎn)軸由地輪通過同步帶驅(qū)動，作業(yè)時地輪跟隨底盤前進(jìn)而轉(zhuǎn)動，此時施肥器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)開始向波紋管排肥并施入開溝裝置開好的施肥溝。當(dāng)?shù)妆P停止前進(jìn)時，地輪也停止轉(zhuǎn)動，施肥器停止排肥，可以避免在停止位置過量排肥，保證施肥量均勻。緩存肥料箱由主肥料箱輸送肥料以保證肥料量的穩(wěn)定性，一方面可以避免肥箱肥料存量變化對排肥量的影響，另一方面在主肥料箱肥料不足時可以繼續(xù)作業(yè)并在作業(yè)時添加肥料而不需要停機(jī)加肥，還可以減緩因疏忽未及時添加肥料造成的漏施肥情況。

圖4 施肥裝置結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of fertilizer application device

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2021 年12 月，在浙江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院現(xiàn)代農(nóng)機(jī)創(chuàng)新基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，偏置開溝施肥機(jī)田間轉(zhuǎn)移（空載）速度為4 km/h，開溝施肥作業(yè)速度≤1.5 m/s，按照試驗(yàn)效果，逐次降低行駛和作業(yè)速度以獲得可靠的運(yùn)行數(shù)據(jù)。使用游標(biāo)卡尺和卷尺等工具進(jìn)行測量，試驗(yàn)地塊平均坡度為15°，土壤為一般黃壤土，含水率18%左右，土壤較為堅(jiān)實(shí)，試驗(yàn)所用化肥含水量1%，顆粒直徑約4 mm。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)主要檢驗(yàn)開溝施肥機(jī)空載爬坡和開溝施肥作業(yè)效果。其中空載爬坡測試開溝施肥機(jī)的最大爬坡角、空載行駛速度和最小轉(zhuǎn)彎半徑等，以確定開溝施肥機(jī)的適用范圍；開溝施肥作業(yè)測試開溝施肥機(jī)的溝深、溝寬、施肥效率和適用果園坡度等。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，基本滿足緩坡果園開溝施肥作業(yè)要求。

表2 偏置開溝施肥機(jī)性能試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Performance test results of offset ditching fertilizer applicator

試驗(yàn)結(jié)果表明，在田間轉(zhuǎn)移方面，履帶式開溝施肥機(jī)空載時運(yùn)行平穩(wěn)，行駛速度最高可達(dá)4 km/h，履帶底盤左右驅(qū)動輪采用獨(dú)立制動，雖然理論上可以實(shí)現(xiàn)原地掉頭，但由于設(shè)備自身尺寸的限制，試驗(yàn)表明能順利掉頭的最小轉(zhuǎn)彎半徑為1.5 m，在種植規(guī)范的果園里通過性較好，空載最大爬坡角度可達(dá)22°，滿足大多數(shù)果園的使用要求。在開溝施肥適用性方面，由于開溝作業(yè)使阻力大幅增加，最大作業(yè)速度下降至1 km/h 左右，爬坡性能下降至12°，但由于緩坡果園只有在局部會出現(xiàn)坡度較大的情況，并且可以采用下坡作業(yè)的方式解決，因此該機(jī)仍能滿足多數(shù)果園的使用要求。在開溝施肥作業(yè)效果方面，開溝最大深度為300 mm，最大施肥效率6 L/m，田間試驗(yàn)結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合緩坡果園種植模式和近距離開溝施肥農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種履帶式偏置開溝施肥機(jī)，對開溝施肥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、開溝機(jī)構(gòu)和施肥裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（2）偏置開溝施肥機(jī)空載穩(wěn)定爬坡角度為22°，行駛速度0～4 km/h，最小轉(zhuǎn)彎半徑1.5 m；開溝施肥作業(yè)爬坡角度最大為12°，作業(yè)速度0～1.2 km/h，基本滿足緩坡果園地形的使用要求。

（3）為了實(shí)現(xiàn)果樹近距離開溝施肥，開溝施肥機(jī)的開溝施肥機(jī)構(gòu)安裝在底盤一側(cè)，通過控制履帶底盤的左右行駛位置，實(shí)現(xiàn)果樹施肥的農(nóng)藝要求。此外，田間試驗(yàn)表明開溝施肥機(jī)構(gòu)的升降裝置能有效消除近距離施肥作業(yè)面和行駛地面的高度差。

（4）偏置開溝施肥機(jī)阻力集中在機(jī)器一側(cè)，開溝施肥作業(yè)時側(cè)翻的角度變小，坡度方向與行走方向一致時不受影響。但是當(dāng)坡地傾斜角度與作業(yè)前進(jìn)方向垂直時，要注意作業(yè)前進(jìn)的方向選擇，使作業(yè)阻力指向反側(cè)翻的方向。