沈從舉，賈首星，張立新，周 艷，李 帆，代亞猛，張 景，馬文霄

農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化

履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)研制

沈從舉1,2,3，賈首星2,3，張立新1,3※，周 艷2,3，李 帆2，代亞猛2，張 景2，馬文霄1

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000；2. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，石河子 832000；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832000）

針對(duì)現(xiàn)有果園人工施肥作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，以及機(jī)械開溝、挖穴施肥作業(yè)翻動(dòng)土壤破壞土層結(jié)構(gòu)和損傷果樹根系的問(wèn)題，該文結(jié)合新疆及中國(guó)北方干旱區(qū)果園土壤深松和深位施肥的要求，研制了一種履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)，解決了堅(jiān)硬土層快速打穴、定量取肥排肥、高壓氣爆深松施肥等關(guān)鍵技術(shù)難題。該機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)履帶行走方式，主要由打穴注肥裝置、定量加肥裝置、氣爆發(fā)生裝置等關(guān)鍵部件組成，可一次完成果樹根部土層定點(diǎn)打穴、氣爆松土和定量深位施肥等多道工序。為提高作業(yè)效率和施肥效果，以單次作業(yè)時(shí)間和肥料擴(kuò)散半徑為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以打穴深度、施肥插桿內(nèi)徑、氣爆壓力為影響因素，進(jìn)行了二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，通過(guò)Design-Expert V8.0.6.1軟件，建立了評(píng)價(jià)指標(biāo)與各影響因素的數(shù)學(xué)回歸模型，分析了顯著因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，確定最優(yōu)參數(shù)組合為：打穴深度600 mm、施肥插桿內(nèi)徑30 mm、氣爆壓力0.6 MPa。田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：在優(yōu)化參數(shù)組合下，單次作業(yè)時(shí)間為22.1 s，肥料擴(kuò)散半徑為413.6 mm。試驗(yàn)樣機(jī)經(jīng)新疆維吾爾自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督管理站檢測(cè)，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均達(dá)到了樣機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。該研究成果可為果園氣爆深松施肥機(jī)產(chǎn)品研發(fā)與改進(jìn)提供技術(shù)支撐。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；施肥機(jī)；氣爆深松；定量追肥

0 引 言

果樹是多年生木本作物，根系一般分布較深且范圍較廣，需要土層深厚、通透性好和水肥充足的土壤環(huán)境[1]。新疆作為中國(guó)主要的特色林果產(chǎn)區(qū)[2]，地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，大多數(shù)果園土層薄、土質(zhì)貧瘠，而且由于果農(nóng)長(zhǎng)期以來(lái)不重視果園土壤管理，以及施肥不當(dāng)造成的土壤板結(jié)硬化問(wèn)題日益突出，導(dǎo)致土壤通透性較差，施肥利用率偏低，不利于果樹根系延伸和生長(zhǎng)發(fā)育，容易發(fā)生病害。因此，亟需通過(guò)有效深松和合理施肥措施進(jìn)行土壤改良。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有開溝施肥機(jī)的開溝深度較淺、施肥范圍相對(duì)集中，不利于肥料的充分利用[3]；挖穴施肥機(jī)僅能完成機(jī)械鉆穴，施肥過(guò)程仍需人工完成，作業(yè)效率較低[4]；常規(guī)的機(jī)械式深松機(jī)需要配套的動(dòng)力大，能耗較大[5-6]。上述機(jī)型都不可避免地因翻動(dòng)土壤而破壞土層結(jié)構(gòu)和損傷果樹根系。

近年來(lái)，基于土體氣壓劈裂原理[7]，孔德剛等提出了氣壓式土壤深松方法[8]；左勝甲等開展氣壓深松效果試驗(yàn)[9]，設(shè)計(jì)出一種拖拉機(jī)牽引式氣壓深松機(jī)，通過(guò)對(duì)耕地注入高壓氣體，實(shí)現(xiàn)氣壓深松作業(yè)[10]。李霞等設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)懸掛式氣動(dòng)深松施肥機(jī)，在機(jī)械深松的同時(shí)，通過(guò)向深松鏟尖及鏟柄注入壓縮空氣輔助破土壤板結(jié)[11]。日本馬克株式會(huì)社增子利一等研制出一種小型手扶式土壤改良機(jī)，通過(guò)向果樹根部注入壓縮空氣實(shí)現(xiàn)快速松土和深層施肥（土壤改良劑），能夠有效改善根區(qū)土壤環(huán)境，促進(jìn)果樹根系延伸和對(duì)養(yǎng)分的充分吸收[12-13]。張瑞宏等提出了一種氣動(dòng)深松施肥裝置及方法[14]，并設(shè)計(jì)了不同類型的氣動(dòng)深松施肥機(jī)[15-16]；適用于液肥注施；奚小波等設(shè)計(jì)了一種與拖拉機(jī)后懸掛的果園氣爆松土注肥機(jī)[17]，可完成氣爆松土和液肥注射，并對(duì)氣爆松土參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化[18]。賈首星等設(shè)計(jì)了一種錘擊裝置及該裝置構(gòu)成的氣爆深松施肥機(jī)[19]，適用于固體肥料。成都天本生物科技有限公司吳福成等設(shè)計(jì)了一種空氣噴爆式土壤深松施肥裝置，通過(guò)高壓氣流導(dǎo)入土壤使肥料與土壤較為有效的混合。鄭傳剛等[20]設(shè)計(jì)了一種果園深層土壤輸氧松土施肥機(jī)，通過(guò)向深層土壤輸送高壓空氣實(shí)現(xiàn)土壤輸氧和松土，需要人工將肥料灌入松土形成的孔洞。竇傳峰[21]設(shè)計(jì)了一種深層松土施肥機(jī)，采用人工手持操作，通過(guò)氣動(dòng)方式將松土桿壓入土壤深層，利用壓縮空氣將一定量液態(tài)肥、固態(tài)肥或農(nóng)藥注入土中。以上日本機(jī)型和動(dòng)力較小，不適用于中國(guó)果園種植模式和土壤條件。國(guó)內(nèi)有關(guān)機(jī)型實(shí)現(xiàn)了土壤深松和定量施肥功能，但普遍為與拖拉機(jī)配套作業(yè)機(jī)型和人工輔助作業(yè)機(jī)型，與拖拉機(jī)配套作業(yè)機(jī)型受果園作業(yè)空間和液肥負(fù)載限制，田間行走越障及轉(zhuǎn)向操作不便，影響作業(yè)效率；人工手持輔助作業(yè)機(jī)型自動(dòng)化程度、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大；在施肥種類上主要以液肥注施為主，一般采取先松土后注肥的分步作業(yè)方式。

本文針對(duì)現(xiàn)有果園人工施肥作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低[22]，以及機(jī)械開溝、挖穴施肥作業(yè)翻動(dòng)土壤破壞土層結(jié)構(gòu)和損傷果樹根系的問(wèn)題，在借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合新疆及中國(guó)北方干旱區(qū)果園種植特點(diǎn)和土壤條件，研制一種履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)，滿足土壤深松和固體顆粒肥料定位深施的要求[23]，不僅可以單獨(dú)完成氣壓深松作業(yè)，而且可以實(shí)現(xiàn)“氣帶肥”同步松土注肥作業(yè)，提高整機(jī)作業(yè)效率和自動(dòng)化水平。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)采用全液壓驅(qū)動(dòng)履帶行走方式，主要由打穴注肥裝置、定量加肥裝置、氣爆發(fā)生裝置等關(guān)鍵部件組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.乘座椅 2.操縱手柄 3.發(fā)動(dòng)機(jī) 4.肥箱 5.打穴注肥裝置 6. 儲(chǔ)氣罐 7.定量加肥裝置 8.履帶行走底盤 9.液壓支腿 10.操作面板 11.柴油箱 12.空壓機(jī) 13.氣爆發(fā)生裝置 14.液壓油箱

1.2 工作原理

該機(jī)利用高壓氣爆松土施肥原理，采取對(duì)果樹施肥部位打穴注施方式，將高壓空氣和定量肥料同時(shí)注入根部土壤，實(shí)現(xiàn)氣爆松土和定量施肥。工作過(guò)程中，通過(guò)空壓機(jī)給氣爆發(fā)生裝置充氣加壓至所需工作壓力，啟動(dòng)定量加肥裝置將一定量的顆粒肥料導(dǎo)入排肥管，再啟動(dòng)氣爆發(fā)生裝置，其產(chǎn)生的高速氣流經(jīng)排肥管攜帶肥料形成氣固兩相沖擊射流，并由施肥插桿注入果樹根部深層密閉土壤，利用其瞬間產(chǎn)生的強(qiáng)大爆破沖擊力使土壤發(fā)生劈裂，形成裂隙[24-25]，實(shí)現(xiàn)高壓氣爆松土[26]；同時(shí)注入的肥料被沖擊破碎并沿松土裂隙運(yùn)移擴(kuò)散分布于根區(qū)土壤，實(shí)現(xiàn)深層擴(kuò)散施肥[13]。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合新疆果園主栽模式、土壤質(zhì)地和深松施肥要求，要滿足2.5～4.0 m不同行距果園的通過(guò)性要求，并且深松施肥深度不少于500 mm，確定履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 打穴注肥裝置

打穴注肥裝置如圖2所示，其中導(dǎo)向總成由連接軸、連接板和導(dǎo)向滾輪組成，分別與打入提升機(jī)構(gòu)、錘擊裝置和滑軌機(jī)構(gòu)連接，組合形成液壓打穴聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。注氣注肥聯(lián)通器上端與錘擊裝置內(nèi)置的活塞連接，下端與施肥插桿連接，組合形成氣力錘擊系統(tǒng)。當(dāng)施肥插桿在打入提升機(jī)構(gòu)的油缸強(qiáng)壓作用下遇到犁底層或板結(jié)層等堅(jiān)硬土層而無(wú)法克服其阻力完成指定打入深度時(shí)，啟動(dòng)錘擊裝置可以保證施肥插桿在油缸強(qiáng)壓和氣力錘擊的聯(lián)合作用下，打破犁底層或板結(jié)層，實(shí)現(xiàn)快速打穴作業(yè)。打穴注肥結(jié)束后，只有打入提升機(jī)構(gòu)提升到設(shè)定位置并被電感式接近開關(guān)檢測(cè)到后，方可移動(dòng)機(jī)車，否則操作無(wú)效，從而保護(hù)施肥插桿不被折彎和機(jī)車行駛安全。

1.打入提升機(jī)構(gòu) 2.標(biāo)尺機(jī)構(gòu) 3.電感式接近開關(guān) 4.錘擊裝置 5.導(dǎo)向總成 6.注氣注肥聯(lián)通器 7.施肥插桿 8.噴氣肥口 9.滑軌機(jī)構(gòu)

打穴注肥裝置工作狀態(tài)如圖3所示，狀態(tài)a為打入提升機(jī)構(gòu)的初始狀態(tài)，即最大提升位置，此時(shí)油缸（）活塞桿行程為0，搖臂（）與水平方向的夾角為98°，標(biāo)尺桿位于刻度30處，表示地面以上噴肥口中心距離地面30 cm；狀態(tài)b為施肥插桿下端與地面接觸時(shí)的狀態(tài)，此時(shí)搖臂（）與水平方向的夾角為115°，標(biāo)尺桿位于刻度0處；狀態(tài)c為施肥插桿打入土壤最深處的狀態(tài)，噴氣肥口中心距離地面600 mm，即最大施肥深度可以達(dá)到600 mm，此時(shí)油缸（）活塞桿達(dá)到最大行程190 mm，搖臂（）與水平方向的夾角為68°，標(biāo)尺桿位于刻度-60處，表示地面以下噴肥口中心距離地面60 cm。

2.1.1 打入提升機(jī)構(gòu)

打入提升機(jī)構(gòu)安裝在底盤機(jī)架上，由左右對(duì)稱布置的2個(gè)升降臂（）、2個(gè)搖臂（）和2個(gè)液壓油缸（）組成（如圖3），雙油缸驅(qū)動(dòng)升降臂帶動(dòng)導(dǎo)向總成沿滑軌機(jī)構(gòu)的滑道上下滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)施肥插桿的垂直打入土壤和提升拔出運(yùn)動(dòng)。

打入提升機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，圖3中點(diǎn)作拋物線運(yùn)動(dòng)，狀態(tài)b時(shí)的點(diǎn)位置為拋物線的頂點(diǎn)；點(diǎn)作圓周擺動(dòng)，狀態(tài)b和狀態(tài)c的點(diǎn)位置為搖臂的2個(gè)極限位置，搖臂2個(gè)極限位置的角度差為47°；點(diǎn)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，狀態(tài)a和狀態(tài)c的點(diǎn)位置為升降臂的兩個(gè)極限位置，最大行程為1 012 mm。

2.1.2 錘擊裝置

錘擊裝置結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)如圖4所示。工作原理：以壓縮空氣為動(dòng)力，利用缸錘與錘芯相對(duì)運(yùn)動(dòng)而形成的氣路循環(huán)變化，通過(guò)缸體工作腔的充氣和排氣循環(huán)，實(shí)現(xiàn)缸錘和錘芯上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而反復(fù)錘擊活塞，將錘擊力傳遞給施肥插桿，輔助打入提升機(jī)構(gòu)快速打穴。

1.缸體 2.工作腔 3.缸錘 4.進(jìn)氣腔 5.缸錘排氣口 6.上端蓋 7.上端蓋排氣口 8.錘芯排氣口 9.限位鋼珠 10.錘芯 11.缸體進(jìn)氣口 12.缸錘進(jìn)氣口 13.錘芯進(jìn)氣口 14.活塞 15.下端蓋

1.Cylinder block 2.Working chamber 3.Cylinder hammer 4.Air inlet chamber 5.Cylinder hammer exhaust port 6.Upper end cover 7.Upper end cover exhaust port 8.Hammer core exhaust port 9.Limit steel ball 10.Hammer core 11.Cylinder body inlet 12.Cylinder hammer inlet 13.Hammer core air inlet 14.Piston 15.Lower end cover

注：缸體進(jìn)氣口11、缸錘進(jìn)氣口12與進(jìn)氣腔4常通。為缸錘和錘芯有效行程，mm；為缸錘上端面直徑，mm；為缸錘下端面直徑，mm。

Note: Cylinder body air inlet 11, cylinder hammer air inlet 12 and air inlet cavity 4 are normally connected.is the effective stroke of cylinder hammer and hammer core, mm;is the diameter of the upper end face of the cylinder hammer, mm;is the diameter of the bottom end face of the cylinder hammer, mm.

圖4 錘擊裝置結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài)示意圖

Fig.4 Structure and working state of hammer device

工作過(guò)程：開始工作時(shí)，缸錘3和錘芯10處于缸體1內(nèi)的下部并與活塞14接觸（活塞14位于活塞腔的上部），此時(shí)缸錘進(jìn)氣口12與錘芯進(jìn)氣口13連通（二者排氣口5和8不連通），當(dāng)操作錘擊手柄時(shí)，壓縮空氣由缸體進(jìn)氣口11進(jìn)入進(jìn)氣腔4和工作腔2，由于缸錘3上下端面的面積不同而產(chǎn)生的壓力差及作用力（抬升力）1，克服缸錘3和錘芯10的自身重力推動(dòng)二者向上抬升，錘芯10先與上端蓋6接觸后停止運(yùn)動(dòng)，而缸錘3則繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，限位鋼珠9安裝在缸錘3和錘芯10之間，隨缸錘3抬升至上限位置時(shí)，缸錘3也停止運(yùn)動(dòng)，此時(shí)達(dá)到最大抬升位置（圖4a），缸錘排氣口5與錘芯排氣口8連通（二者進(jìn)氣口12和13不連通），壓縮空氣由上端蓋排氣口7排出，工作腔2泄壓，缸錘3和錘芯10在自身重力和進(jìn)氣腔壓力0的共同作用下產(chǎn)生錘擊力2，快速下落（勻加速直線運(yùn)動(dòng)）接觸活塞14時(shí)開始錘擊（圖4b），在錘擊力作用下活塞14向下產(chǎn)生位移，完成一次錘擊過(guò)程。

錘擊過(guò)程中，缸錘3和錘芯10的氣路發(fā)生改變，缸錘進(jìn)氣口12與錘芯進(jìn)氣口13再次連通（二者排氣口5和8不連通），回到初始位置，壓縮空氣再次注入工作腔，開始下一次錘擊過(guò)程并依次循環(huán)工作。

工作過(guò)程中缸錘和錘芯的抬升力、錘擊力、沖擊頻率、瞬間沖擊動(dòng)能等工作參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算如下

缸錘和錘芯的抬升力

缸錘和錘芯的抬升應(yīng)滿足的條件