2FF-100丘陵山地果園施肥覆土機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

藥林桃，羅 翔，曹曉林*，曾傳佳，吳羅發(fā)，劉 洋，陳 盾，黃小紅

（1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省智能農(nóng)機(jī)裝備工程技術(shù)中心，江西 南昌 330200；3. 吉水縣農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，江西 吉水 331600）

果業(yè)在江西的種植業(yè)中，是僅次于水稻、蔬菜的第三大產(chǎn)業(yè)，2019年種植面積達(dá)42萬(wàn)hm2［1］，主要以臍橙、蜜桔、甜柚等柑橘為主。江西果業(yè)種植基本上在低山丘陵地區(qū)，地勢(shì)起伏不平，不適宜大型機(jī)械作業(yè)，大多生產(chǎn)作業(yè)以人工操作為主［2］，生產(chǎn)效率低。果園開(kāi)溝施肥是促進(jìn)果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的有效措施［3-4］，目前，丘陵山區(qū)果園缺乏與之相配套的果園開(kāi)溝施肥機(jī)具，大多以表面撒施或葉面噴施為主，達(dá)不到較好的施肥效果，而表面施肥易造成肥料的嚴(yán)重流失；部分果農(nóng)采用小型果園開(kāi)溝機(jī)或挖掘機(jī)開(kāi)溝，進(jìn)行人工施肥覆土，作業(yè)強(qiáng)度大、效率低。

針對(duì)果園機(jī)械開(kāi)溝施肥作業(yè)的需要，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的果園采用標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)模種植，行間寬敞，果園開(kāi)溝、施肥機(jī)以大中型復(fù)合作業(yè)機(jī)具為主［5］；而丘陵山區(qū)果園果樹(shù)密植、行間通過(guò)性差，不適宜大型農(nóng)機(jī)具作業(yè)。國(guó)內(nèi)也相繼研發(fā)了果園施肥機(jī)具，夏瑞花等［6］研發(fā)設(shè)計(jì)了2FPG-40 型葡萄開(kāi)溝施肥機(jī)，通過(guò)拖拉機(jī)牽引并提供動(dòng)力，能夠一次實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、施肥與覆土的聯(lián)合作業(yè)。洛陽(yáng)市瑪斯特拖拉機(jī)有限責(zé)任公司［7］生產(chǎn)的1GZ-120多功能自走式旋耕機(jī)配備了動(dòng)力為20 kW的柴油機(jī)，可以完成開(kāi)溝、施肥等作業(yè)。但這些機(jī)具體積和重量比較大，僅適宜在低等坡度果園作業(yè)，而江西果業(yè)種植基本上在低山丘陵地區(qū)，果園坡度比較大，以贛南臍橙為例，坡度15°以上的果園約占總種植面積的33.6%［8］，更適宜小型農(nóng)機(jī)具作業(yè)。

江西省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)工程研究所根據(jù)丘陵果園地形和生產(chǎn)的特點(diǎn)，開(kāi)展了果園機(jī)械化開(kāi)溝、施肥覆土分段式生產(chǎn)模式的研究，并研發(fā)了2FF-100丘陵果園施肥覆土機(jī)。

1 果園施肥覆土機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

2FF-100丘陵果園施肥覆土機(jī)主要結(jié)構(gòu)由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、操縱裝置、施肥裝置、覆土裝置組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。施肥裝置在機(jī)具的前端，包括肥箱、外槽輪式排肥器、排肥軸；覆土裝置包括2個(gè)左（右）螺旋攪攏、主軸；主軸與排肥軸采用皮帶輪連接，機(jī)具作業(yè)時(shí)，動(dòng)力由變速箱傳送到旋轉(zhuǎn)主軸，主軸通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)肥箱底部的排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)；肥料進(jìn)入排肥器，落入開(kāi)好的施肥溝內(nèi)，主軸上安裝的螺旋攪攏在前進(jìn)的同時(shí)，將溝兩側(cè)的浮土絞入溝內(nèi)，完成覆土作業(yè)。

圖1 施肥覆土機(jī)結(jié)構(gòu)圖

目前，果園開(kāi)溝機(jī)開(kāi)出的施肥溝深度為20～40 cm，寬度30 cm左右，拋土寬度1 m左右。根據(jù)溝形和地形特點(diǎn)，2FF-100丘陵果園施肥覆土機(jī)選用170F風(fēng)冷汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，凈重40 kg，覆土寬度1 m，機(jī)具行走速度0.2～1.0 m/s。

1.2 排肥器設(shè)計(jì)

2FF-100丘陵果園施肥覆土機(jī)采用外槽輪式排肥器，主要包括行星輪、肥量調(diào)節(jié)口、導(dǎo)肥板、排肥底座等零部件，通過(guò)改變肥量調(diào)節(jié)口大小和行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)整施肥量［9-10］。2FF-100丘陵果園施肥覆土機(jī)既可施顆粒狀肥料也可施粉狀有機(jī)肥，同時(shí)施肥量可調(diào)。根據(jù)江西臍橙種植特點(diǎn)，開(kāi)溝施肥量為有機(jī)肥2.5~5.5 kg/株、復(fù)合肥0.25~0.5 kg/株［11］，在果樹(shù)的行間或株間開(kāi)溝、施肥、回土填平。臍橙園的行距和株距略有差異，一般株距為3~4 m，行距為4~5 m，根據(jù)臍橙種植農(nóng)藝特點(diǎn)，機(jī)具排肥量應(yīng)達(dá)到0.3~1.0 kg/m。

圖2 外槽輪式排肥器

影響外槽輪排肥器施肥量的因素主要為槽輪轉(zhuǎn)速和槽輪長(zhǎng)度。其中，對(duì)于固定的外槽輪式排肥器，槽輪的長(zhǎng)度為固定值。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)［12］中外槽輪排種器的排量計(jì)算公式，計(jì)算單位圓周內(nèi)排肥量，公式為：

式（1）中：q為排肥量（g/r）；d為外槽輪外徑（cm）；L為槽輪的有效工作長(zhǎng)度（cm）；γ為肥料堆積密度（g/cm3）； a0為槽內(nèi)肥料充滿(mǎn)系數(shù)；fq為單個(gè)凹槽截面積（cm2）；t為槽輪凹槽節(jié)距（cm），，z為槽數(shù)；λ為帶動(dòng)層特性系數(shù)。

單株果樹(shù)施肥量Qz=2.5~5.5 kg，機(jī)具行走速度取vm=0.3 m/s，設(shè)計(jì)槽輪轉(zhuǎn)速n=1.5 r/s，肥料堆積密度為γ=0.9 g/cm3，槽輪外徑取d=5.8 cm，工作長(zhǎng)度L=9.4 cm，槽數(shù)為z=6，按照肥料特性由農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［12］查得a0=0.9，λ=0.5，計(jì)算得到外槽輪排肥器fq=1.84 cm2，排肥器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 外槽輪排肥器參數(shù)

將所得參數(shù)代入排肥量計(jì)算結(jié)果得q=170 g/r，按果園株行距為3 m×4 m計(jì)算，單株果樹(shù)施肥量為5.1 kg，滿(mǎn)足施肥量設(shè)計(jì)需求。

1.3 螺旋覆土攪攏設(shè)計(jì)

開(kāi)溝后，溝內(nèi)土壤拋灑在兩側(cè)，本文設(shè)計(jì)的覆土回填裝置在動(dòng)力輸出軸的帶動(dòng)下，兩側(cè)攪攏同時(shí)旋轉(zhuǎn)，左右兩側(cè)攪攏的螺旋葉片螺旋線(xiàn)方向相反，可將拋出的散土從兩側(cè)往中間輸送。螺旋葉片采用鋼板沖壓制成，并與攪攏軸焊接為一體，攪攏軸與主軸采用方軸連接、插銷(xiāo)固定，方便拆卸，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 覆土回填裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3.1 螺旋葉片設(shè)計(jì) 螺旋葉片直徑是施肥覆土機(jī)的重要參數(shù)，直接關(guān)系到機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量和結(jié)構(gòu)尺寸。一般根據(jù)螺旋輸送量、輸送物料類(lèi)型、結(jié)構(gòu)和布置形式確定螺旋葉片直徑。臍橙園土壤容重［13］約為1.3 t/m3，根據(jù)溝形可以計(jì)算出拋出土壤重量約為Wt=100 kg/m，設(shè)機(jī)具行走速度vm=0.3 m/s，螺旋葉片單側(cè)平均土壤輸送量Q=54 t/h。

計(jì)算螺旋攪攏直徑［14-15］，公式為：

使K=(1/47K1A)2/5，轉(zhuǎn)化為常用的經(jīng)驗(yàn)公式（3）：

其中：Q為施肥覆土機(jī)覆土量（t/h）；D為攪攏葉片旋轉(zhuǎn)直徑（m）；K1為螺距和葉片直徑比例系數(shù)；ψ為填充系數(shù)；γ為土壤容重（t/m3）；ε為傾斜輸送系數(shù)；A為物料綜合特性系數(shù)；K為物料特性系數(shù)。

已知單側(cè)螺旋攪攏覆土量Q=54 t/h，γ=1.3 t/m3，查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)［16-17］可知：K=0.0558，ψ=0.5，傾斜度為0，ε=1，γ=1.3 t/m3，代入公式（2）和公式（3）得到：D=0.326 m。

螺旋葉片直徑一般按照標(biāo)準(zhǔn)值制作，故取D=400 mm。

螺旋攪攏螺距不但能決定螺旋攪攏升角，而且決定物料在一定填充系數(shù)下的滑移面，因此，螺旋攪攏螺距的大小將直接決定物料的輸送過(guò)程。螺距的計(jì)算公式為：

標(biāo)準(zhǔn)輸送螺旋通常為 K=0.8~1.0；當(dāng)傾斜布置或輸送物料流動(dòng)性差時(shí)，K≤0.8；當(dāng)水平布置時(shí)，K=0.8~1.0，為達(dá)到較好的輸送土壤效果，取螺距S=D=400 mm。

螺旋攪攏軸直徑大小取決于螺距的大小，兩者結(jié)合決定螺旋攪攏升角，所以應(yīng)該正確設(shè)計(jì)軸徑與螺距之間的關(guān)系。螺旋攪攏心軸計(jì)算公式［15］為：

根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)取Kd=0.2，得到內(nèi)徑為d=80 mm。由于開(kāi)溝器開(kāi)溝拋起土壤最大寬度為1 m，土壤主要集中在施肥溝兩側(cè)的土堆里，兩螺旋攪攏螺距為0.4 m，安裝在離合器輸出軸兩側(cè)，相距約為0.2 m，螺旋攪攏葉片數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單側(cè)螺旋攪攏葉片數(shù)據(jù)

1.3.2 螺旋攪攏轉(zhuǎn)速的確定 土壤是通過(guò)螺旋攪攏輸送到溝內(nèi)，螺旋攪攏轉(zhuǎn)速的大小關(guān)系到輸送效率及行走速度，螺旋轉(zhuǎn)速太低，則輸送量不大；若轉(zhuǎn)速過(guò)高，物料受過(guò)大的切向力而被拋起，輸送能力下降而且磨損增加，因此，螺旋軸轉(zhuǎn)速不能超過(guò)某一極限。螺旋軸的極限轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式［18-20］為：

式（6）中，KL為物料綜合特性系數(shù)，取KL=76，求得螺旋攪攏極限轉(zhuǎn)速nmax=120 r/min。

1.3.3 圓盤(pán)裝置 施肥覆土機(jī)作業(yè)時(shí)，螺旋攪攏葉片做隨軸心轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，圓盤(pán)可起到擋土功能，同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)具前進(jìn)方向?yàn)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，圓盤(pán)上任意一點(diǎn)的絕對(duì)速度是由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)合成的。其運(yùn)動(dòng)軌跡屬于擺線(xiàn)軌跡特征。以旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，x軸方向?yàn)闄C(jī)組前進(jìn)方向，y軸垂直向下，設(shè)定裝置前進(jìn)速度為vm，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角速度為ω，在圓盤(pán)上取點(diǎn)A，開(kāi)始時(shí)所取點(diǎn)位于前方水平位置與x軸正向重合，如圖4所示［17-18］。

圖4 圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

設(shè)圓軸中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，則OO1是刀盤(pán)軸中心在時(shí)間t內(nèi)所行進(jìn)的路程，即vmt，同時(shí)在時(shí)間t內(nèi)螺旋攪攏旋轉(zhuǎn)角度為ωt，A點(diǎn)移動(dòng)距離到A1點(diǎn)位置。點(diǎn)A 的運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)方程如下所示：

式（7）中：R為選取 A 點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（mm）；vm為微耕機(jī)前進(jìn)速度（m/s）；ω為螺旋攪攏旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；t為時(shí)間（s）。

將公式（7）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得出點(diǎn) A 處絕對(duì)速度在x軸方向與y軸方向的速度關(guān)系式：

點(diǎn)A處絕對(duì)速度v的計(jì)算公式如下：

點(diǎn)A處圓周線(xiàn)速度與機(jī)組前進(jìn)速度的比值λ：

式（10）中：vr為刀盤(pán)上A點(diǎn)處的圓周運(yùn)動(dòng)線(xiàn)速度（m/s）；λ為速比。

微耕機(jī)前進(jìn)速度vm=0.3~1.0 m/s，取螺旋攪攏慢速檔轉(zhuǎn)速為90 r/min，計(jì)算速比λmin=3.8＞1，即vr＞vm時(shí)，螺旋攪攏上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為余擺線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的水平位移與機(jī)組前進(jìn)方向相反，因此，能夠有效實(shí)現(xiàn)覆土作業(yè)。

2 田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高安基地臍橙果園，地形坡度20°，土壤類(lèi)型為紅壤土，土壤堅(jiān)實(shí)度為42.2 kPa，臍橙株行距為3.5 m×4 m；采用小型果園開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝，溝頂平均寬度為30 cm，平均深度為33 cm，拋灑平均寬度為100 cm；試驗(yàn)用果園有機(jī)肥為粘粉狀，堆積密度為700 kg/m3；試驗(yàn)顆粒狀肥料選用復(fù)合肥，平均顆粒直徑為3 mm，堆積密度為900 kg/m3。

2.2 試驗(yàn)方法

施肥覆土機(jī)作業(yè)時(shí)共設(shè)高速檔和低速檔2個(gè)檔位，還可以通過(guò)油門(mén)大小調(diào)整機(jī)具作業(yè)速度。選取3個(gè)作業(yè)速度，每個(gè)速度進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)量覆土后的地面平整度、斷條率、施肥量和排肥均勻性變異系數(shù)［19-22］。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 有機(jī)肥施肥試驗(yàn) 施用有機(jī)肥的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可以看出覆土后地面平整度隨著作業(yè)速度的增加而變大，斷條率和排肥均勻性變異系數(shù)隨著作業(yè)速度的增加而變小。當(dāng)作業(yè)速度為0.3 m/s時(shí)，斷條率和排肥均勻性變異系數(shù)顯著高于其他處理，而地面平整度顯著低于其他處理。同時(shí)，施肥量隨著作業(yè)速度的增加而變小，速度為0.3 m/s時(shí)，平均施肥量為0.65 kg/m，單株果樹(shù)施肥量為4.55 kg；當(dāng)作業(yè)速度為0.5 m/s時(shí)，單株果樹(shù)施肥量為3.01 kg，基本滿(mǎn)足果樹(shù)施肥用量需求。施肥斷條率隨著速度的增大而減少，原因在于機(jī)具采用外槽輪式排肥器，肥箱內(nèi)沒(méi)有設(shè)計(jì)攪拌裝置，有機(jī)肥濕度、黏性高，流動(dòng)性差，作業(yè)速度較慢，機(jī)具振動(dòng)幅度小，導(dǎo)致斷條率和排肥均勻性變異系數(shù)增大。

表3 施用果園有機(jī)肥試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 顆粒狀肥料施肥試驗(yàn) 調(diào)整好肥量調(diào)節(jié)口開(kāi)展不同速度的顆粒復(fù)合肥施肥試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯鍪┓矢餐梁蟮孛嫫秸群团欧示鶆蛐宰儺愊禂?shù)隨著作業(yè)速度的增加而變大，斷條率均為0%，說(shuō)明機(jī)具排肥均勻，施肥量穩(wěn)定，機(jī)具作業(yè)指標(biāo)符合農(nóng)藝要求。當(dāng)作業(yè)速度為0.3 m/s時(shí)，地面平整度和排肥均勻性變異系數(shù)顯著低于其他處理，說(shuō)明最佳作業(yè)速度為0.3 m/s。當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到0.8 m/s時(shí)，施肥量為0.31 kg/m，顯著低于其他2個(gè)處理，且覆土不均勻，地面平整度＞5 cm，不符合農(nóng)藝規(guī)范。

表4 施用顆粒狀肥料試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

施肥覆土機(jī)安全穩(wěn)定，機(jī)體靈活，質(zhì)量較輕，操作安全簡(jiǎn)便，動(dòng)力提供穩(wěn)定，螺旋攪攏覆土回填裝置可以達(dá)到很好的覆土回填效果，適宜山地丘陵果園施肥覆土作業(yè)。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)可知，最佳作業(yè)速度為0.3 m/s，施肥顆粒狀肥料時(shí)排肥均勻，施肥量穩(wěn)定，滿(mǎn)足果園施肥農(nóng)藝要求；在施用粘粉狀、團(tuán)狀的有機(jī)肥料時(shí)，由于肥料濕度、粘度高，流動(dòng)性差，會(huì)造成部分卡肥、積肥和堵肥現(xiàn)象，需在后續(xù)研究中進(jìn)一步改進(jìn)。