張　琦，王　偉，廖結(jié)安

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾　843300)

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國內(nèi)外果園施肥開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀

張琦，王偉，廖結(jié)安

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300)

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，水果的消費(fèi)量逐年增加，林果業(yè)的種植面積迅速增長。開溝施肥是一項(xiàng)繁重的體力勞動，因此對果園施肥開溝機(jī)進(jìn)行研究，對于滿足人們對水果的需求、降低果農(nóng)勞動強(qiáng)度及提高勞動效率有重要意義。為此，闡述了國內(nèi)外現(xiàn)有開溝機(jī)的主要類型、開溝原理及特點(diǎn)，介紹了開溝機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀。同時(shí)，指出了國內(nèi)開溝機(jī)發(fā)展過程中存在的問題，并提出了相應(yīng)的對策。

關(guān)鍵詞：果園；開溝機(jī)；現(xiàn)狀

0引言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，水果的消費(fèi)量逐年增加。中國果樹的種植面積從1996年的885.3萬hm2增加到2012年的1 214.0萬hm2，年均增長2.6%；產(chǎn)量從8 210萬t增加至2.41億t，年均增長12.3%[1]。開溝施肥是果園管理的一項(xiàng)重要作業(yè)，但因目前市場上缺少可靠高效的施肥開溝機(jī)，果園開溝主要依靠人工作業(yè)，勞動強(qiáng)度大、工作效率低。因此，果園開溝機(jī)的研制，對于提高果園開溝施肥的效率，降低果園的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)我國水果產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展有重要的意義。

為此，總結(jié)了目前幾種主要類型開溝機(jī)的工作原理、特點(diǎn)及國內(nèi)外開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上提出了果園開溝機(jī)的發(fā)展對策。

1開溝機(jī)的類型及開溝原理

1.1鏵式犁開溝機(jī)

1)開溝原理：在動力機(jī)械的牽引下，鏵式犁切削土壤，完成開溝作業(yè)。

2)優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，效率高，工作可靠，成本低；但如果遇到土質(zhì)較硬的土壤，則很難保證溝形，結(jié)構(gòu)笨重，功耗大[2]。

3)代表機(jī)型：前蘇聯(lián)研制的MK-12開溝犁；2005年，云南大學(xué)張汝坤、吳福明等研制的1KS-22型雙軸開溝機(jī)；2011年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)姜建輝等研制的3ZF-1.2型可調(diào)式葡萄振動深施機(jī)，如圖1所示。其中，3ZF-1.2型可調(diào)式葡萄振動深施機(jī)較為突出，在開溝施肥過程中，拖拉機(jī)動力輸出軸輸出動力，經(jīng)由變速箱將動力傳至偏心裝置，然后由偏心裝置帶動連桿在豎直方向運(yùn)動，連桿帶動振動臂繞鉸點(diǎn)擺動。由于開溝器通過螺栓安裝在振動臂上，振動臂擺動的同時(shí)也帶動開溝器周期性的擺動，隨著拖拉機(jī)的前行完成開溝作業(yè)。施肥的動力則來自地輪的行走，地輪通過鏈傳動帶動排肥軸轉(zhuǎn)動，驅(qū)動外槽輪排肥器實(shí)現(xiàn)排肥，肥料經(jīng)由輸肥管落入所開溝內(nèi)，完成施肥作業(yè)[3-5]。

圖1　3ZF-1.2型可調(diào)式葡萄振動深施機(jī)

1.2圓盤式開溝機(jī)

1)開溝原理。動力系統(tǒng)帶動1個(gè)或者2個(gè)銑刀盤高速旋轉(zhuǎn)，銑刀盤切削土壤進(jìn)行開溝作業(yè)，并將土壤拋擲在溝渠的一側(cè)或者兩側(cè)。雙圓盤式開溝機(jī)開出溝的斷面呈上口寬、溝底窄的倒梯形[6]。

2)優(yōu)缺點(diǎn)：牽引阻力小，適應(yīng)性強(qiáng)，碎土能力強(qiáng)，所開溝壁平整；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造工藝要求高，效率低。

3)代表機(jī)型：意大利菲亞特公司生產(chǎn)的FLAT系列旋轉(zhuǎn)圓盤挖溝機(jī)；1999年，江春林設(shè)計(jì)的1KSH-15型開溝機(jī)；2014年，新疆農(nóng)科院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的1FK-40型偏置式果園開溝施肥機(jī)，如圖2所示。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、效率高、成本低，由于開溝部件向右側(cè)偏置，開溝時(shí)可以減少樹冠和樹葉的影響，不僅可用于果園施肥開溝，還可用于農(nóng)田、荒地開溝。其肥箱容積達(dá)到900L，是普通300L肥箱容積的3倍，因此延長了持續(xù)作業(yè)的時(shí)間，提高了作業(yè)效率，有較高的穩(wěn)定性和安全性[7-8]。

1.機(jī)架　2.齒輪箱總成　3.偏重式肥箱　4.刀盤總成　5.地輪構(gòu)成

1.3螺旋式開溝機(jī)

1)開溝原理：錐螺旋是螺旋式開溝機(jī)的主要工作部件，動力通過減速裝置傳到錐螺旋，利用其旋轉(zhuǎn)一次實(shí)現(xiàn)對土壤的切削、提升、拋撒等工序，從而實(shí)現(xiàn)開溝作業(yè)[9]。

2)優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，所開溝壁平整，殘土較少；但是刀片容易磨損，刀片的加工和更換都不方便，工作部件尺寸偏大。

3)代表機(jī)型：1996年，昆山農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所祁天循設(shè)計(jì)的1KLZ-27型立式螺旋開溝機(jī)；2000年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)韓永俊、尹大慶、馮江等研制的1KL-100型立式螺旋開溝機(jī)，如圖3所示。該機(jī)使用66.2～80.9kW的菲亞特拖拉機(jī)作為動力，所開溝壁平整，殘土較少，性能良好，填補(bǔ)了我國螺旋式開溝機(jī)的空白，為草炭的開發(fā)提供了重要的機(jī)具[10-11]。

1.4鏈?zhǔn)介_溝機(jī)

1)開溝原理：鏈輪的轉(zhuǎn)動帶動鏈條傳動，鏈條上的鏈刀切削土壤，鏈條將被切下的土壤傳送至螺旋排土器；螺旋排土器將土壤推至溝渠的一側(cè)或兩側(cè)，進(jìn)而達(dá)到開溝目的。

2)優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，效率高，所開溝壁整齊，溝底不留回土，易于調(diào)節(jié)溝深和溝寬，適于開窄而深的溝渠；但刀片易磨損，功耗大。

3)代表機(jī)型：美國凱斯公司研制生產(chǎn)的CASE860型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)；Trencor公司生產(chǎn)的1660HD型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)，如圖4所示；法國馬萊公司研制的SM500C型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)[12]；2006年，天津市靜?？h興盛機(jī)械有限公司研制的1K-17鏈?zhǔn)介_溝機(jī)；2010年，西北農(nóng)林科技大學(xué)王京風(fēng)、楊福增等人設(shè)計(jì)的微型遙控果園開溝機(jī)。

該機(jī)單純行走時(shí)，可以直接聯(lián)接拖拉機(jī)的傳動V帶，實(shí)現(xiàn)快速新行進(jìn)。作業(yè)時(shí)，柴油機(jī)輸出動力經(jīng)V帶傳動到附加加速器，然后通過鏈傳動到達(dá)變速箱，進(jìn)而帶動主機(jī)行走；從附加減速器的中間軸經(jīng)鏈傳動帶動開溝鏈開溝，切削下來的土壤被螺旋排土器推至溝的兩側(cè)。該機(jī)裝有遙控接收裝置，可以控制機(jī)具前進(jìn)、停車、轉(zhuǎn)彎，并能通過液壓裝置控制開溝鏈條上下移動，調(diào)節(jié)開溝的深度，機(jī)具整體尺寸小巧，能夠在空間狹小的果園內(nèi)作業(yè)[13-15]。

1.錐螺旋焊合　2.機(jī)架焊合　3.下減速器　4.中央減速器

圖4　1660HD型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)

2國內(nèi)外開溝機(jī)研究現(xiàn)狀

2.1國外開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀

從開溝機(jī)的發(fā)展歷程來看，最早出現(xiàn)的是鏵式犁開溝機(jī)，隨后出現(xiàn)了圓盤式開溝機(jī)和螺旋式開溝機(jī)，最后出現(xiàn)的是鏈?zhǔn)介_溝機(jī)。美國和前蘇聯(lián)是最早研制開溝機(jī)的國家，20世紀(jì)50年代，鏵式犁開溝機(jī)開始被應(yīng)用于農(nóng)田建設(shè)當(dāng)中，提高了勞動生產(chǎn)率，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展；到了60年代，旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)因?yàn)槠錉恳枇π?、適應(yīng)性強(qiáng)、碎土能力強(qiáng)等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。美國、俄羅斯、意大利等國均有不同型號的相關(guān)產(chǎn)品。20世紀(jì)70年代末，鏈?zhǔn)介_溝機(jī)開始興起，美國是世界上最大的開溝機(jī)生產(chǎn)國，生產(chǎn)了許多不同型號的鏈?zhǔn)介_溝機(jī)，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛好評[16]。

美國凱斯公司研制的CASE860型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)采用CAT發(fā)動機(jī)，將多級變速器應(yīng)用于傳動系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)高深度的挖掘，該機(jī)采用高扭矩、低速度的設(shè)計(jì)，可提高機(jī)具的生產(chǎn)力，延長切割刀齒的使用壽命。該機(jī)器還配備了強(qiáng)大的組合式開溝臂，便于更換鏈輪和耐磨鋼板[17]。

美國Vermeet公司生產(chǎn)的T-1255型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)是一種主要用于大型管道鋪設(shè)的開溝機(jī)，也可用于可挖掘巖石的開挖。該機(jī)功率高達(dá)400kW，采用雙馬達(dá)驅(qū)動，還配備了恒溫控制液壓油散熱器等先進(jìn)裝置。該機(jī)通過VermeetTEC2000.2計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)將獨(dú)立元件集成為幾個(gè)簡單的控制按鈕，駕駛員只需扳動開關(guān)就能實(shí)現(xiàn)開溝鏈刀的自動進(jìn)刀，避免了由于手動操作的失誤而造成的開溝刀鏈?zhǔn)倩蛘甙l(fā)動機(jī)過載等問題[18-19]

目前，國外開溝機(jī)正朝著專業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、多樣化及智能化等方向發(fā)展。但是，國外開溝機(jī)械更趨于專機(jī)專用，當(dāng)不需要開溝時(shí)只能閑置，而且國外生產(chǎn)的大多是大型開溝機(jī)械，并不適合在中國密植果園中作業(yè)。因此，在學(xué)習(xí)國外先進(jìn)設(shè)計(jì)理念的同時(shí)要注意對其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使之適合中國的實(shí)際情況[20]。

2.2國內(nèi)開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀

我國開溝機(jī)的研制起步較晚，相比發(fā)達(dá)國家還有一定差距。20世紀(jì)50年代，我國就開始應(yīng)用鏵式犁開溝機(jī)，最初的機(jī)具設(shè)計(jì)簡單、結(jié)構(gòu)笨重。1975年，我國農(nóng)墾系統(tǒng)從意大利菲亞特公司引進(jìn)了FLAT系列旋轉(zhuǎn)圓盤挖溝機(jī)，由于其性能優(yōu)于鏵式犁開溝機(jī)，在當(dāng)時(shí)掀起了一股研制圓盤式開溝機(jī)的熱潮。20世紀(jì)80年代，螺旋式開溝機(jī)興起并得到了一定的發(fā)展，隨后鏈?zhǔn)介_溝機(jī)也開始在國內(nèi)嶄露頭角，并成為目前應(yīng)用最為廣泛的機(jī)型。

云南大學(xué)張汝坤、吳福明等研制的1KS-22型雙軸開溝機(jī)，采用雙軸立式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)兩組刀片同時(shí)正反高速旋轉(zhuǎn)，上、下分段切拋土壤，使土壤更加細(xì)碎，因此對不同土質(zhì)的適應(yīng)性更強(qiáng)；其切削土壤時(shí)產(chǎn)生的力偶平衡，提高了機(jī)組作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性，走直性好。該機(jī)和中型輪式拖拉機(jī)配套使用，解決了開溝機(jī)動力不足的問題，提高了作業(yè)效率及作業(yè)質(zhì)量，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對開溝機(jī)的要求。

汪春林設(shè)計(jì)的1KSH-15型開溝機(jī)將刀盤和刀片裝于與拖拉機(jī)配套的旋耕機(jī)上，工作時(shí)由6把彎刀旋轉(zhuǎn)切削土壤并把土壤向左右兩邊拋出，兩把側(cè)刀片切出溝壁，鏟刀鏟平溝底，并能一次完成開溝、覆土等作業(yè)。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，通過性好，開溝效果好等特點(diǎn)[21]。

天津市靜海縣興盛機(jī)械有限公司研制的1K-17鏈?zhǔn)介_溝機(jī)應(yīng)用比較廣泛，與常規(guī)鏈?zhǔn)介_溝機(jī)相比，其擁有獨(dú)立的液壓懸掛系統(tǒng)。該機(jī)可以通過改變傳動比來實(shí)現(xiàn)行走速度和作業(yè)速度的不同，行走時(shí)通過聯(lián)接拖拉機(jī)的V帶實(shí)現(xiàn)快速行走，作業(yè)時(shí)則使用鏈條傳動實(shí)現(xiàn)低速行走。

2013年，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)葉強(qiáng)、謝方平等研制的葡萄園反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開溝機(jī)，采用旋耕刀反轉(zhuǎn)的開溝方式，拋出的土壤在擋土導(dǎo)流板的作用下落在溝的兩側(cè)；所開溝的深度可以通過導(dǎo)向輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，擋土導(dǎo)流板的角度可以通過機(jī)架上的調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證被拋出的土壤能夠落在溝的兩側(cè)，而不至于落回溝中；安裝在變速箱下面的小清溝犁，能夠?qū)⒙└牡貛Ю缢?，減少了溝中的殘土。該機(jī)的開溝深度達(dá)500mm，能夠滿足葡萄園開溝的農(nóng)藝要求[22]。

在選擇不同類型的開溝機(jī)時(shí)，要綜合考慮土壤特點(diǎn)、開溝要求等因素。鏵式犁開溝機(jī)適用于土壤堅(jiān)實(shí)度不大、開溝深度要求不高的果園；圓盤式和鏈?zhǔn)介_溝機(jī)適用于土壤硬度大、砂石含量較高的果園；螺旋式開溝機(jī)適用于土壤黏重、含水率高的果園[23-25]。

從目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，鏵式犁開溝機(jī)的使用逐漸減少，對圓盤式開溝機(jī)的研究主要集中在結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和參數(shù)的優(yōu)化上，而鏈?zhǔn)介_溝機(jī)蓬勃發(fā)展，將會得到更廣泛的應(yīng)用。

3存在的問題及發(fā)展對策

3.1問題

1)開溝機(jī)的研發(fā)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相脫節(jié)，無法真正滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。

2)功能單一，通用性差，利用率不高。

3)功耗大，成本偏高，不夠環(huán)保。

4)開溝時(shí)，機(jī)身振動劇烈，不能保證直線行走。

5)機(jī)具的可靠性不高，刀具磨損快，傳動件容易損壞。

3.2對策

1)在研制開溝機(jī)時(shí)，要注意與農(nóng)藝相結(jié)合，使之符合果園開溝的實(shí)際需求；同時(shí)，新建果園也要考慮農(nóng)機(jī)對農(nóng)藝的要求；提高我國開溝技術(shù)的整體作業(yè)水平，增加機(jī)械化開溝作業(yè)面積。

2)積極研發(fā)集播種、開溝、施肥等功能于一體的農(nóng)業(yè)機(jī)具，提高農(nóng)具的利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3)加強(qiáng)對開溝原理及刀具的研究，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化刀具，降低功耗，使機(jī)具變得更加環(huán)保；努力研制小型開溝機(jī)，小型開溝機(jī)體積小、機(jī)動性能強(qiáng)，可以在空間狹小的果園內(nèi)作業(yè)，對復(fù)雜地形的適應(yīng)性更強(qiáng)，更加符合農(nóng)民的購買力，能夠有效降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

4)找到原因，尋求解決辦法，優(yōu)化機(jī)具結(jié)構(gòu)，可以通過設(shè)計(jì)對稱結(jié)構(gòu)等方法來解決機(jī)身振動及走直性能差等問題。

5)選用合適的材料做刀具及傳動件，提高加工工藝水平。

4結(jié)語

我國正處在城鎮(zhèn)化加速發(fā)展階段，農(nóng)村勞動力逐漸減少，對于施肥開溝機(jī)的需求越來越迫切。近年來，國家對農(nóng)村發(fā)展越來越重視，2014年“中央1號文件”專門有一章提及“土地制度改革”，其中包括完善農(nóng)村土地承包政策、引導(dǎo)和規(guī)范農(nóng)村集體經(jīng)營性建設(shè)用地入市等?？梢灶A(yù)見，未來我國農(nóng)村將會出現(xiàn)更多的家庭農(nóng)場，為開溝機(jī)的發(fā)展提供了更廣闊的平臺。

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Study Status of Fertilizing and Ditching Machine in Orchard at Home and Abroad

Zhang Qi, Wang Wei, Liao Jie’an

(College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alaer 843300, China)

Abstract：With the continuous improvement of people’s living standard, consumption of fruit is increasing year by year, planting area of fruit industry is in the rapid growth.Ditching fertilization is a heavy physical labor, China is in a stage of rapid urbanization, workforce is shrinking in the countryside, so the study of fertilizing and ditching machine is very important to meet people’s need of fruit, reduce the labor intensity of farmers and improve labor efficiency. Describing the main types, ditching principles and characteristics of domestic and foreign existing ditching machine, introducing the present development of ditching machine. Pointing out the existing problems in the development of ditching machine in our country,and putting forward the corresponding countermeasures.

Key words：orchard； ditching machine； present situation

文章編號：1003-188X(2016)05-0264-05

中圖分類號：S233.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

通訊作者：王偉(1979-)，男，沈陽人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

作者簡介：張琦(1989-)，男，河南開封人，碩士研究生，(E-mail)nicholaqi@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265048)

收稿日期：2015-03-26