馬 晨，蒙賀偉，坎 雜，戚江濤

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

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果園有機(jī)肥深施圓盤開溝機(jī)研究現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策

馬 晨，蒙賀偉，坎 雜，戚江濤

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

我國(guó)的林果業(yè)種植面積日趨增長(zhǎng)，而現(xiàn)有果園開溝施肥機(jī)械已經(jīng)不能滿足當(dāng)今勞動(dòng)力短缺的現(xiàn)狀，因而加強(qiáng)果園開溝施肥機(jī)的研究對(duì)降低勞動(dòng)力及提高作業(yè)效率等有重要意義。為此，闡述了國(guó)內(nèi)外果園有機(jī)肥深施圓盤開溝機(jī)的現(xiàn)狀，并針對(duì)不同結(jié)構(gòu)圓盤式開溝機(jī)進(jìn)行研究分析，根據(jù)有機(jī)肥深施圓盤開溝機(jī)存在的問題，提出了相應(yīng)的對(duì)策。

果園；圓盤式開溝機(jī)；有機(jī)肥；仿真分析

0 引言

新疆地處于我國(guó)西北，憑借著天山南北特有的光熱條件與地域氣候的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為我國(guó)重要的“西域大果園”。目前，在天山南北已形成兩大特色“果園”：環(huán)繞南部塔里木盆地大面積種植紅棗、核桃、杏、香梨和蘋果等；在北部的吐哈盆地、伊犁河谷、天山北坡等地，農(nóng)民廣種葡萄、紅棗、枸杞等。如今，新疆的紅棗、杏種植面積已居全國(guó)首位，核桃種植面積居全國(guó)第3位，林果業(yè)已成為新疆農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民持續(xù)增收的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2014年底，新疆特色林果種植面積達(dá)146.7萬hm2，總產(chǎn)量650萬t，產(chǎn)值450億元多[1]。

在果樹種植過程中，施肥是影響果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素，合理施用肥料可增加果實(shí)產(chǎn)量，且能提高果園的土壤肥力和環(huán)境效益。目前，施肥的種類主要有無機(jī)肥和有機(jī)肥：無機(jī)肥作為一種速效化學(xué)肥料，主要以化肥為主，其突出特點(diǎn)是肥效快，但存在會(huì)造成土壤結(jié)構(gòu)改變、導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、土壤肥力下降及果實(shí)品質(zhì)下降等問題；施用有機(jī)肥有助于改善土壤的物理化學(xué)特性，使得土壤容重降低、孔隙度增大、含水量增加、土壤水勢(shì)升高，且增加了果實(shí)產(chǎn)量，提高了果實(shí)品質(zhì)、果實(shí)的可滴定酸含量和可溶性固形物含量。目前，果園有機(jī)肥使用主要是用于基肥、追肥及根外施肥。其中，基肥是林果周年生產(chǎn)中最重要的施肥措施，果樹基肥施加有用肥量大、施肥周期短等特點(diǎn)，而且由于林果種植行距和生產(chǎn)效率限制，果園里進(jìn)行作業(yè)的動(dòng)力機(jī)械不能超過36.8kW。因此，相關(guān)適用機(jī)械較少，果園施有機(jī)肥主要采用人工施肥。這種施肥方式通過人工開溝、撒肥、埋土，人工施肥強(qiáng)度大、效率低，且隨著外來務(wù)工人員的逐年減少，人工作業(yè)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代林果業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，隨著近年來果園機(jī)械化發(fā)展，果樹機(jī)械化施肥已成為必然趨勢(shì)，而作為施肥過程中能耗最高的開溝環(huán)節(jié)已成為能否有效實(shí)施機(jī)械化施肥的關(guān)鍵。

1 有機(jī)肥深施開溝機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 有機(jī)肥施肥技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)外最早出現(xiàn)的施肥機(jī)采用拖車來裝固、液態(tài)肥料，通過簡(jiǎn)單輸送裝置來進(jìn)行施肥。20世紀(jì)50年代初，隨著化肥的大規(guī)模的應(yīng)用，促進(jìn)了施肥機(jī)械化的發(fā)展[2]；但主要針對(duì)的是平坦土地的施肥應(yīng)用，如采用輸送管、氣泵與噴嘴這種方式施肥，之后又出現(xiàn)了排肥器等。

目前，針對(duì)施有機(jī)肥的機(jī)械化技術(shù)，國(guó)外一般是以撒施作業(yè)方式為主，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家有機(jī)肥施肥機(jī)械主要有離心圓盤式撒施機(jī)、漿葉式撒施機(jī)、甩鏈?zhǔn)饺鍪C(jī)、錘片式撒施機(jī)、撥齒式撒施機(jī)和螺旋式撒施機(jī)等[3]。其中，以離心圓盤式、槳葉式與錘片式應(yīng)用比較廣泛，如法國(guó)格力格爾—貝松公司的速爾齊DPX Prima 撒肥機(jī)，其撒料斗容量為900～2 100L，作業(yè)范圍為18～24cm[4]。而亞洲地區(qū)有機(jī)肥施肥機(jī)械比較發(fā)達(dá)的日本地區(qū)，目前研制出適用于水田等松軟小地塊的自走式撒施機(jī)，以及適用于水田、蔬菜、煙草等小型施肥作業(yè)[5]。例如，日本洋馬的2FC-6G型(FVP60A型)側(cè)深施肥機(jī)[6]，其料箱容量為78L，施肥行距為300mm。

根據(jù)林果有機(jī)肥施加作業(yè)要求，主要需要適用于大面積土壤表層作業(yè)的機(jī)械化施肥裝備，其存在著施肥量大、作業(yè)機(jī)械能耗高等問題。調(diào)研結(jié)果顯示，針對(duì)果園有機(jī)肥施肥作業(yè)，其公頃施肥量達(dá)75m3以上，按照果樹種植行間距計(jì)算，能進(jìn)地作業(yè)的機(jī)械最大動(dòng)力不超過36.8kW。因此，對(duì)于果園有機(jī)肥施加作業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)要求較高，目前主要解決方案可采用開溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)械或者開溝與施肥單獨(dú)作業(yè)等模式。

1.2 有機(jī)肥深施開溝技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國(guó)有機(jī)肥深施開溝機(jī)的研究較晚，一般采用開溝機(jī)基礎(chǔ)上加撒料裝置的方案。

目前，針對(duì)林果業(yè)的開溝深施有機(jī)肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)械研究的有汪官健、趙衛(wèi)林[7]等人根據(jù)新疆阿克蘇地區(qū)干旱缺水的特性，研制了多功能果樹開溝施肥機(jī)。該機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、開溝裝置、施肥裝置及覆土裝置5部分組成，其開溝寬度為200～300mm，開溝深度為200～350mm，作業(yè)速度為2～5km/h。該機(jī)的開溝部件采用圓盤式開溝刀，刀盤設(shè)在拖拉機(jī)右輪的正后方，作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)行走時(shí)不會(huì)受到樹干的影響，且該機(jī)可實(shí)現(xiàn)開溝、施肥、覆土于一體。孫茂森、姜秀美[8]等人根據(jù)山東地區(qū)的葡萄、蘋果種植特點(diǎn)研制的1KS-50型果園深度開溝施肥機(jī)，由萬向傳動(dòng)軸、機(jī)架、懸掛三角架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、開溝機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)和限深輪機(jī)構(gòu)等8個(gè)部分組成。開溝部件采用順向圓盤旋轉(zhuǎn)切削式開溝，開溝深度由液壓控制系統(tǒng)控制可實(shí)現(xiàn)30～50cm的溝深，開溝寬度為12～14cm，通過15.7～22kW的拖拉機(jī)牽引。該機(jī)的施肥機(jī)構(gòu)是利用拖拉機(jī)提供的動(dòng)力通過鏈條傳動(dòng)來帶動(dòng)其工作的，能很好地做到開溝、施肥、覆土為一體，避免施肥不均出現(xiàn)的漏撒現(xiàn)象。郭新剛、張魯云[9]等人針對(duì)新疆葡萄地的種植特點(diǎn)研制了2F-2.0型液壓翻轉(zhuǎn)葡萄施肥機(jī)，主要由懸掛架、液壓翻轉(zhuǎn)肥料箱、機(jī)架、鏈?zhǔn)介_溝器、絞龍、行走地輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及離合器等部分組成。該機(jī)的施肥裝置采用綜合懸掛式和牽引式，可以提高工作效率，其作業(yè)效率為0.6hm2/h，開溝部件采用的是鏈?zhǔn)介_溝刀，能做到開溝、施肥、覆土為一體。

隨著有機(jī)肥深施開溝技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)從單一的開溝機(jī)演變成了開溝施肥一體化的開溝施肥機(jī)；但由于地形、土壤含量、施肥量大小等不同，已有各種不同形式的開溝施肥形式出現(xiàn)。目前，對(duì)于果園開溝施肥機(jī)開溝部分的研究主要以圓盤式開溝機(jī)為主。

2 圓盤式深施有機(jī)肥開溝技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 開溝技術(shù)研究

目前，國(guó)內(nèi)外開溝裝置主要有鏵式犁開溝、圓盤式開溝和鏈?zhǔn)介_溝等結(jié)構(gòu)類型[10]。其中，鏵式犁式開溝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，如圖1所示。該機(jī)具在針對(duì)果園深施有機(jī)肥進(jìn)行開溝作業(yè)時(shí)，存在適應(yīng)性差、開溝土壤回流現(xiàn)象嚴(yán)重及作業(yè)能耗高等問題。鏈?zhǔn)介_溝機(jī)開溝溝壁整齊，深度符合果園施肥要求，是由動(dòng)力系統(tǒng)、減速系統(tǒng)、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)及分土系統(tǒng)組成的一種鏈條式開溝裝置，如圖2所示。該裝備由于連接活動(dòng)部件多，工作條件差，受沖擊能力差，故障率相對(duì)較高，而且與施肥裝置結(jié)合進(jìn)行開溝施肥作業(yè)時(shí)，存在著結(jié)構(gòu)尺寸大導(dǎo)致在葡萄地頭難于掉頭及開溝與施肥裝置配合困難等問題。

圖1 鏵式犁開溝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.行走地輪 2.翻轉(zhuǎn)油缸 3.肥箱 4.絞龍 5.開溝鏟齒 6.傳動(dòng)軸 7.齒輪箱 8.鏈?zhǔn)介_溝器

目前，圓盤式開溝機(jī)有牽引阻力小、工作效率高、與施肥裝置易于配合及結(jié)構(gòu)尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為果園深施有機(jī)肥開溝作業(yè)的主流機(jī)具。圓盤式開溝裝置主要由開溝刀盤、開溝彎刀、削壁刀及主軸等組成，如圖3所示。其在刀盤上布置若干開溝彎刀及削壁刀，開溝彎刀主要用于開溝，削壁刀用于在開好的溝上進(jìn)行整形，依據(jù)刀盤旋轉(zhuǎn)方向可分為正轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)兩種，刀盤可有一個(gè)或者若干個(gè)，主軸可布置為軸向或縱向。其開溝過程就是對(duì)土壤進(jìn)行強(qiáng)制破壞，通過高速旋轉(zhuǎn)的刀具對(duì)土壤進(jìn)行切削、翻轉(zhuǎn)、破碎、拋擲的過程，從而導(dǎo)致土壤的應(yīng)力-應(yīng)變和結(jié)構(gòu)失效，使切削土壤毀于拉、剪及壓的作用。

圖3 圓盤式開溝裝置示意圖

針對(duì)圓盤開溝機(jī)的研究，我國(guó)在20世紀(jì)80年代中期引進(jìn)了的意大利DMR-65單圓盤旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)[11]，該機(jī)開溝圓盤設(shè)在側(cè)邊，為了使溝壁更光潔，刀盤上設(shè)有3把刮土刀片，成“Γ”字形排列，并以1 200等分裝在錐體小端上。該機(jī)通過菲亞特-100型拖拉機(jī)牽引，其開溝形狀為梯形，開溝寬度為上部寬度1.9m，下部寬度0.3m，開溝深度為1.05m。

國(guó)內(nèi)劉天星[12]等人設(shè)計(jì)了基于江淮稻麥農(nóng)耕區(qū)的圓盤式開溝埋草一體機(jī)；馬占新[13]等人根據(jù)北方葡萄園的栽培要求研制生產(chǎn)了以正轉(zhuǎn)旋耕方式工作、配套功率為36.8kW的1K-40型葡萄施肥開溝機(jī)；羅海峰[14]等人根據(jù)現(xiàn)有小型東風(fēng)-12型手扶拖拉機(jī)進(jìn)行改裝，選用彎刀ⅡS245安裝在旋耕刀軸上，完成了開溝、施肥、埋土與一體的開溝施肥機(jī)。

資料顯示，目前開溝技術(shù)裝備的研究已成為果園機(jī)械化發(fā)展的亟需技術(shù)裝備，但目前現(xiàn)有裝備存在著開溝質(zhì)量不高、裝備外形尺寸過大及開溝消耗高等問題，亟需開展適于果園的深開溝技術(shù)裝備研究。

2.2 開溝技術(shù)裝備研制

2.2.1 單圓盤開溝機(jī)的研究

單圓盤開溝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需符合開溝要求的刀盤，安裝在主軸上與主軸一同回轉(zhuǎn)，同時(shí)設(shè)有刮土板，便可實(shí)現(xiàn)開溝作業(yè)。其工作原理與旋耕機(jī)的工作原理類似，沿直線行走，前進(jìn)過程中破土刀切碎土壤隨后再由拋土刀把土拋出溝中。

目前，針對(duì)單圓盤開溝機(jī)研究的有由江西省萬安縣農(nóng)機(jī)局研制的1KSH-15型圓盤式開溝機(jī)[15]，如圖4所示。該機(jī)由東風(fēng)12型手扶拖拉機(jī)牽引，開溝機(jī)開始工作時(shí),由6把固定式弧形彎刀經(jīng)過旋轉(zhuǎn)切碎土壤并向左右拋出,再由2把固定式側(cè)刀片修整溝壁,鏟刀鏟出溝底,使開溝、碎土、拋土和覆蓋作業(yè)一次完成。其開溝部件為刀盤與彎刀的合成體，開溝深度為10～20cm，開溝寬度為25cm。其優(yōu)點(diǎn)在于比較小巧，適用范圍廣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但存在的問題是效率低，無法完成大規(guī)模的開溝，無施肥裝置還需人工施肥，開溝質(zhì)量不能保證。該機(jī)作為早期發(fā)展的開溝機(jī)，為后來的有機(jī)肥深施開溝機(jī)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。

圖4 1KSH-15型圓盤式開溝機(jī)

張加清、劉麗敏[16]等人根據(jù)大棚果園深施肥的要求，研制的1KF-20型大棚果園開溝深施肥機(jī)，主要是由溝底、覆土器(刮板)、排肥器及排肥管等部分組成，如圖5所示。

1.溝底 2.覆土器( 刮板) 3.排肥器 4.排肥管 5.肥料箱 6.刀盤軸 7.仿生開溝刀盤 8.工作傳動(dòng)變速箱 9.溝頂 10.動(dòng)力底盤 11.動(dòng)力

開溝刀盤由一組模擬螞蟻與穿山甲爪子仿生而成的彎刀，使得每次開溝刀作業(yè)時(shí)切碎土壤所受到的阻力最小，且適應(yīng)比較硬土壤的使用要求；開溝刀采用的是交錯(cuò)式環(huán)形布局，對(duì)土壤可進(jìn)行分層錯(cuò)位切削，降低了切削所用功率，從而提高了整組開溝刀的工作效率。該機(jī)以柴油作為動(dòng)力源，其開溝深度為0～20cm，開溝寬度為8～15cm，料箱容積為58L，作業(yè)速度為0.6～0.8km/h 。該機(jī)適用于我國(guó)南方的粘黏土質(zhì)、沙地，以及在行間距較小的環(huán)境下作業(yè)，結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了開溝、施肥、覆土一體化。

郭新剛、李亞雄等根據(jù)新疆特色的葡萄地研制的2FPG-40 型施肥機(jī)[17]，由開溝刀盤、施肥鏟、覆土擋及肥箱等組成，如圖6所示。開溝刀盤為了減少土壤回流量，在刀盤側(cè)面內(nèi)部安裝2把刀片，可將回流土壤再次甩出，可達(dá)到最大開溝深度。開溝刀盤每側(cè)安裝18把刀片，為了提高刀盤受力強(qiáng)度刀片為交錯(cuò)布置。該機(jī)肥箱容積為0.4m3，開溝深度為25～42cm，開溝寬度為15cm，作業(yè)速度為不高于30m/min。該機(jī)通過29.4kW的拖拉的牽引，是集開溝、施肥于一體的果園施肥設(shè)備，其開溝刀盤特有的每個(gè)內(nèi)側(cè)加有兩把刀片，可以將回流的土壤再次拋出開溝槽，有效提高了開溝質(zhì)量；但由于收開溝刀盤側(cè)置影響，料箱會(huì)發(fā)生傾斜現(xiàn)象，且作業(yè)效率較低。

1.開溝刀盤 2.施肥鏟 3.覆土擋板 4.驅(qū)動(dòng)調(diào)位滾筒

張平、孫曉春[18]等人針對(duì)江蘇地區(qū)稻麥兩熟及小區(qū)域開溝施肥特性研究了后置式小型開溝機(jī)，需要11.03～13.23kW的手扶拖拉機(jī)為動(dòng)力，整機(jī)安裝于手扶拖拉機(jī)下面。該機(jī)開溝寬度為上20cm、下15cm(溝型為梯形)，深度為18～25cm，作業(yè)效率為1 200m/h，具有破土性能好，工作性能好，適合小地形稻田開溝施肥作業(yè)。

2.2.2 雙圓盤開溝機(jī)的研究

雙圓盤開溝機(jī)是由左右兩個(gè)對(duì)稱的刀盤組成，工作時(shí)左右兩個(gè)刀盤同時(shí)切碎土壤和拋出碎土，并可根據(jù)開溝要求設(shè)計(jì)刀盤大小。

目前，針對(duì)雙圓盤開溝機(jī)研究的有葉強(qiáng)、謝方平[19]等人根據(jù)葡萄園的生產(chǎn)與南方地形要求設(shè)計(jì)一款小型反轉(zhuǎn)雙旋耕輪開溝機(jī)，主要由導(dǎo)向與限深裝置、擋土導(dǎo)流裝置、雙旋耕輪、操縱控制機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)裝置等組成，如圖7所示。該機(jī)以刀盤反轉(zhuǎn)方式進(jìn)行作業(yè)，拋出的碎土由擋土板導(dǎo)流至溝兩邊，經(jīng)測(cè)試其開溝深度為500mm，開溝寬度為200mm。因?yàn)槭请p圓盤同時(shí)作業(yè)，所以溝壁光滑，溝中殘土較少，能一次性成形，符合開夠要求，并且能一次性完成開溝、施肥及覆土等工作。

1.未開溝地 2.導(dǎo)向輪與限深裝置 3.擋土導(dǎo)流板

由吳建東[20]根據(jù)大型水建作業(yè)要求研制的1KS-100型雙圓盤開溝機(jī)，用于開挖排水灌溉溝渠，也可以用來鋪設(shè)電網(wǎng)和修筑路基等。該機(jī)需具有50～200m/h低速的拖拉機(jī)來牽引，其開溝寬度為上1.9m、下0.4m(開溝構(gòu)型為梯形)，開溝深度為1m。該機(jī)為半懸掛式，操作簡(jiǎn)單，裝拆方便，刀盤外緣配有18把徑向切刀，以6頭螺旋線排列，使得整機(jī)作業(yè)時(shí)負(fù)荷均勻，連續(xù)拋土。

張傳忠、艾光富[21]等人根據(jù)油田建設(shè)中大規(guī)模的井場(chǎng)界溝、管道溝及排水溝的需要，研制的KX-40開溝機(jī)，為逆向銑削式雙圓盤，由齒輪傳動(dòng)箱、刀盤及銑刀總成和拋土板等機(jī)構(gòu)組成，在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的帶動(dòng)下，由萬向傳動(dòng)裝置和齒輪傳動(dòng)箱帶動(dòng)刀盤進(jìn)行切削土壤和拋土運(yùn)動(dòng)。其開溝寬度為上500mm、下400mm，其開溝深度為400mm，作業(yè)速度為500～800m/h。該機(jī)作業(yè)功率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開溝形狀規(guī)范，符合開溝要求。

2.2.3 圓盤式開溝機(jī)仿真分析研究

現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、專家對(duì)于圓盤式開溝機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與刀盤設(shè)計(jì)等方面做了很多的研究，但通過相關(guān)軟件對(duì)圓盤式開溝機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)仿真及機(jī)理的分析研究較少。研究表明：通過仿真分析，可以改善圓盤式開溝機(jī)的性能，并提出解決方案，以便為圓盤式開溝機(jī)的設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)用提供參考。

目前，開展此類研究的有張琦、王偉[22]等人根據(jù)矮化密植棗園種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的一款雙圓盤式自走型開溝施肥機(jī)，并利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)刀盤上的旋耕彎刀切削土壤過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬仿真分析，直接顯示了彎刀在切削作業(yè)時(shí)對(duì)于土壤的破壞程度。該仿真先運(yùn)用Pro/E中建立切削土壤的三維模型，導(dǎo)入ANSYS中，建立切土模型(見圖8)；再確定模擬參數(shù)，在ANSYS/LS-DYNA中設(shè)置仿真模擬參數(shù)并完成求解，得出模擬仿真結(jié)果。

圖8 切土模型

試驗(yàn)表明：彎刀與土壤接觸的面積越大，土壤被破壞的程度就越大，且土壤最大等效應(yīng)力先是緩慢變大，土壤被完全破壞后最大等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

康建明、李樹君[23]等人根據(jù)果園種植現(xiàn)狀來探究土壤物理性能和工作參數(shù)的變化對(duì)圓盤式開溝機(jī)的工作效率影響規(guī)律，利用ANSYS軟件中的LS-DYNA動(dòng)力模塊對(duì)開溝彎刀在切削土壤時(shí)的功率消耗變化規(guī)律進(jìn)行研究，建立開溝刀盤與開溝土壤模型，并根據(jù)開溝切削土壤方式確立切削土壤邊界條件，如圖9所示。

圖9 土壤—開溝刀盤模型

根據(jù)建立的土壤模型的結(jié)果分析，即可算出開溝刀盤作業(yè)的功率消耗，功率消耗變化曲線，如圖10所示。試驗(yàn)證明：開溝刀在切削時(shí)影響工作效率的因素主要是土壤堅(jiān)實(shí)度、刀盤線速度及所需開溝深度。該研究利用MatLab軟件建立了功耗模型，得出了作業(yè)功耗模型和優(yōu)化結(jié)果。

圖10 開溝過程作業(yè)功耗曲線

毛艷輝、宋建農(nóng)[24]等人為了改善圓盤式開溝機(jī)的振動(dòng)性能，利用MatLab軟件建立開溝機(jī)動(dòng)力學(xué)振動(dòng)模型進(jìn)行仿真分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：相同的速度下，安裝液壓阻尼器可提高開溝機(jī)在開溝過程中刀盤與土壤作用時(shí)的減震性能，同時(shí)改善了覆土的均勻性。葉強(qiáng)[25]為研究果園深施肥開溝機(jī)的刀盤性能，利用SolidWorks Simulation有限元分析軟件與MatLab仿真軟件相結(jié)合對(duì)開溝刀盤進(jìn)行有限元靜態(tài)分析，以及分析開溝彎刀、清溝犁及主軸在不同載荷下的位移、應(yīng)變、應(yīng)力和反作用力。首先將自制的旋耕刀在SolidWorks中掃描成三維模型，定義旋耕刀材料為65Mn鋼，通過添加約束限制和載荷，劃分旋耕刀網(wǎng)格，最終得到旋耕刀片應(yīng)力云圖，如圖11所示。試驗(yàn)根據(jù)分析結(jié)果對(duì)開溝關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化，確保了開溝機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定抗阻能力和使用壽命。

圖11 旋耕刀應(yīng)力云圖

針對(duì)現(xiàn)今開溝施肥技術(shù)的快速發(fā)展，圓盤式深施肥開溝機(jī)已經(jīng)從最初的單一作業(yè)模式演變成了開溝、施肥、覆土于一體的聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，因此開展適于有機(jī)肥深施的節(jié)能降耗型開溝技術(shù)研究勢(shì)在必行。

3 存在的問題及發(fā)展對(duì)策

3.1 存在的問題

目前，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，果園開溝施肥機(jī)能有效提高林果業(yè)質(zhì)量和產(chǎn)量，減少能耗和作業(yè)強(qiáng)度，提升林果也產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平，但還存在以下問題：

1)開溝施肥機(jī)一般采用的是36.8kW及以下的拖拉機(jī)進(jìn)行懸掛配套工作，在一些地形松軟的土壤下作業(yè)時(shí)，開溝時(shí)易出現(xiàn)走偏、振動(dòng)、開溝形狀不標(biāo)準(zhǔn)等問題。

2)開溝刀盤的刀具安裝結(jié)構(gòu)比較單一，作業(yè)時(shí)效率低，并且開溝時(shí)阻力大，不適用于復(fù)雜地形。

3)在一些丘陵地帶，由于地勢(shì)限制，刀盤的懸掛設(shè)計(jì)不合理。

4)在土塵、雜草等較多的惡劣工作環(huán)境作業(yè)時(shí)，無法保證刀盤可以較好地適應(yīng)惡劣環(huán)境進(jìn)行作業(yè)。

3.2 建議

1)充分考慮果園種植模式和土壤特性，選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)適宜的開溝施肥機(jī)，保證開溝施肥作業(yè)質(zhì)量。

2)改變傳統(tǒng)的圓盤式開溝刀的形狀和布置方式，在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下提高作業(yè)效率。

3)在開溝施肥機(jī)的各關(guān)鍵部件優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，加強(qiáng)理論分析和實(shí)踐的結(jié)合程度，為提升整機(jī)性能奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

隨著人們對(duì)水果的大量需求，果園的發(fā)展正趨向于規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化及快速化。在果園的管理環(huán)節(jié)中，機(jī)械化已經(jīng)成為果園健康發(fā)展的必然前提，果園有機(jī)肥深施圓盤式開溝技術(shù)的實(shí)施不僅實(shí)現(xiàn)了果園機(jī)械化開溝施肥作業(yè)，而且提高了水果產(chǎn)量、降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度。但是相關(guān)技術(shù)還存在一些問題，在后期的研究中，應(yīng)該遵循“低能耗、高效率”原則，根據(jù)不同的地形、種植模式、土壤條件和施肥要求等，利用先進(jìn)仿真優(yōu)化分析方法、研制出適合不同因素的開溝機(jī)械裝備，從而提高果園開溝作業(yè)質(zhì)量，為開溝施肥作業(yè)一體機(jī)的研究奠定基礎(chǔ)。

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Abstract： The planting area of fruit industry has been growing gradually, while orchard trenching fertilization machinery has not satisfied the present situation of the current labor shortage.Study on orchard ditching and fertilizing machine has important significance to reduce labor, improve work efficiency. This paper expounds the present situation of organic fertilizer deep application of disc ditching machine at home and abroad, and analyzed the different structure of disc type ditching machine, according to the organic fertilizer deep application of disc ditching machine problems, put forward the corresponding countermeasures.

ID:1003-188X(2017)10-0012-EA

The Research Current Situation and Development Countermeasure of the Orchard Organic Fertilizer Deep Application of Disc Ditching Machine

Ma Chen , Meng Hewei , Kan Za, Qi Jiangtao

(College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University, Shihezi 832000,China)

orchard; disc ditching machine; organic fertilizer; simulation analysis

2016-09-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505306)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013BA009)

馬 晨(1993-)，女，新疆石河子人，碩士研究生，(E-mail) marcia.chen@foxmail.com。

蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S233.3

A

1003-188X(2017)10-0012-06