王 攀，陳 建，余滿江，庹洪章，盧營蓬，易文裕,3

(1.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計院，成都 610066；2.西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；3.農(nóng)業(yè)部丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點實驗室，成都 610066)

0 引言

在水果生產(chǎn)中，開溝施肥是提高水果產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，也是勞動強(qiáng)度較大的一項工藝過程[1]。國外發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展較早，果園規(guī)劃較好，建園初期就充分考慮了機(jī)械作業(yè)，在20世紀(jì)八九十年代已經(jīng)基本實現(xiàn)果園施肥的機(jī)械化作業(yè)。目前，發(fā)達(dá)國家的果園施肥機(jī)械自動化程度較高，施肥機(jī)械廣泛采用較為先進(jìn)的技術(shù)，如智能傳感技術(shù)、自動避障裝置、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)如變量施肥技術(shù)等[2-4]。

我國果園施肥機(jī)械發(fā)展較晚，果園尤其是丘陵山區(qū)的果園規(guī)劃較差，建園初期基本沒有考慮機(jī)械作業(yè)，因此開溝施肥基本還是依靠人工完成。其主要農(nóng)藝過程為：人工圍繞果樹樹冠在地面的投影挖一條深、寬均在250mm以上的環(huán)形溝，然后人工將肥料施入溝中，最后將土回填。該作業(yè)方式勞動強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，已經(jīng)成為制約我國丘陵山區(qū)水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素[5]。

丘陵山區(qū)果園開溝施肥機(jī)械化作業(yè)水平低是目前水果生產(chǎn)中亟待解決的問題。為此，綜合考慮丘陵山區(qū)果園農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的融合，設(shè)計了一種立式單軸果園開溝施肥機(jī)。

1 基于農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合的果園開溝施肥作業(yè)方式的研究

農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合不好已經(jīng)嚴(yán)重制約我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展。現(xiàn)代農(nóng)機(jī)設(shè)計中，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝是否緊密結(jié)合已逐步成為衡量農(nóng)機(jī)設(shè)計成功與否的重要因素[6-7]。為研制適合在我國丘陵山區(qū)果園中進(jìn)行開溝施肥作業(yè)的機(jī)械，基于丘陵山區(qū)果園的作業(yè)環(huán)境、農(nóng)藝要求、作業(yè)效率和機(jī)具利用率等方面考慮，從施肥種類、機(jī)具的行進(jìn)路線及動力匹配等方面提出農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的丘陵山區(qū)果園開溝施肥的作業(yè)方式。

1.1 施肥種類的選擇

適合果園施肥的肥料種類繁多(如液體肥、顆粒肥、粉末肥等)，不同肥料的施肥量、施肥方法差異較大。例如，農(nóng)家肥的施肥量遠(yuǎn)大于有機(jī)肥，液體肥料可采用給果樹“打針輸液”、滴灌等方法進(jìn)行施肥。據(jù)調(diào)查，目前川渝等地的丘陵山區(qū)果園施肥主要是將顆粒肥料(如尿素)等施入開挖的溝中，比較適合小型機(jī)械施放，因此所設(shè)計開溝施肥機(jī)施肥種類確定為顆粒肥料。

1.2 作業(yè)行進(jìn)路線的選擇

果園施肥的過程中，通過開溝這一工藝不僅能夠提高果樹對肥料的吸收，還能夠?qū)麡溥M(jìn)行局部斷根。合理的局部斷根有利于促進(jìn)果樹發(fā)出更多的毛細(xì)根，提高果樹對水分和營養(yǎng)的吸收利用能力[8]。因此，選擇合適的作業(yè)行進(jìn)路線對肥料的吸收和斷根的質(zhì)量具有較大的影響。

目前，果園開溝施肥方式主要有環(huán)狀溝施肥法、放射溝施肥法及行溝施肥法等。環(huán)裝溝施肥法是圍繞果樹樹冠在地面投影的外緣挖一條環(huán)形施肥溝，優(yōu)點在于節(jié)約肥料，且果樹對肥料的吸收較好；缺點在于環(huán)形開溝對開溝范圍要求較高，機(jī)械作業(yè)難度較大。放射狀溝施肥法是在距離樹干1m左右處開挖4～8條由內(nèi)及外逐漸加深的放射狀溝，優(yōu)點是對果樹主根的傷害較小，果樹對肥料的吸收較好；缺點在于不適合低矮果樹及密植果園采用。行溝施肥法是沿著果樹的行間開出直溝，作業(yè)效率高，適合機(jī)械化作業(yè)，但對于株距較寬的果園會增加施肥量。

目前，丘陵山區(qū)果園人工開溝施肥多采用環(huán)狀溝施肥法或放射狀溝施肥法。由于丘陵山區(qū)果園果樹都較為矮小，機(jī)械難以直接在樹冠投影下作業(yè)，且這兩種方法都是對單棵果樹分別進(jìn)行作業(yè)，效率較低，不適合機(jī)械化作業(yè)。綜合考慮丘陵山區(qū)果園開溝施肥作業(yè)環(huán)境和施肥工藝，所設(shè)計開溝施肥機(jī)綜合環(huán)狀開溝和直線開溝兩種方式，采用在果樹的行間和株間進(jìn)行井字形開溝。

1.3 作業(yè)參數(shù)的選擇

丘陵山區(qū)果園地面坡度較大，作業(yè)空間較為狹窄。一方面，考慮目前能夠在丘陵山區(qū)果園中正常作業(yè)的動力機(jī)械功率較低，如一些小型手扶拖拉機(jī)功率不超過10kW，使用較多的微耕機(jī)功率更?。涣硪环矫?，綜合考慮丘陵山區(qū)果園開溝施肥的農(nóng)藝要求，所設(shè)計果園開溝施肥機(jī)的開溝深度不低于250mm，寬度不超過500mm，拋土距離不超過700mm。

不同果樹、不同肥料種類，所施肥量差別較大，因此所設(shè)計施肥裝置每轉(zhuǎn)動1周施肥量應(yīng)該一定范圍內(nèi)可調(diào)。綜合考慮不同果樹對各種顆粒復(fù)合肥的施肥量要求，施肥裝置施肥量在0～0.3kg/r范圍內(nèi)可調(diào)。

2 整機(jī)方案的選擇

2.1 果園開溝施肥機(jī)動力機(jī)械的選擇

研究表明[9]：國外發(fā)達(dá)國家平均每臺動力機(jī)械匹配農(nóng)具為6部左右，我國平均每臺動力機(jī)械匹配的農(nóng)具僅為1.63部，而我國丘陵山區(qū)平均每臺動力機(jī)械匹配農(nóng)具只有1.16部。相比而言，我國的動力機(jī)械利用率很低，如重慶地區(qū)使用較多的微耕機(jī)，每年實際作業(yè)時間不足100h，造成極大的資源浪費[10]。調(diào)查顯示，丘陵山區(qū)果園多為家庭承包制，規(guī)模較小。因此，采用作業(yè)機(jī)械與動力機(jī)械分離的方式，動力機(jī)械可與其他作業(yè)機(jī)械進(jìn)行匹配作業(yè)，能夠有效提高動力機(jī)械利用率，減輕果農(nóng)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。故本文設(shè)計的開溝施肥機(jī)為僅進(jìn)行開溝施肥的作業(yè)機(jī)械，不包含動力機(jī)械。

根據(jù)丘陵山區(qū)果園開溝施肥作業(yè)方式對開溝施肥機(jī)的性能要求，選擇合適的動力機(jī)械與開溝施肥機(jī)匹配作業(yè)。通過對丘陵山區(qū)使用較為普遍的動力機(jī)械進(jìn)行篩選發(fā)現(xiàn)，重慶合盛工業(yè)有限公司生產(chǎn)的1WG6.3型微耕機(jī)滿足要求，該機(jī)配備凱奧186F柴機(jī)油，額定功率為6.3kW，作業(yè)速度0.1～0.4m/s。其扶手可進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，能夠在丘陵山區(qū)的果園中靈活轉(zhuǎn)移和作業(yè)，且該機(jī)配有動力切斷裝置，可對輸出動力進(jìn)行靈活控制，安全性較高。該機(jī)還配備有旋耕機(jī)、除草機(jī)、馬鈴薯收獲機(jī)等作業(yè)機(jī)械，可有效提高動力機(jī)械的利用效率。因此，初步選定該機(jī)作為所設(shè)計開溝施肥機(jī)的動力裝置。

2.2 開溝部件的選擇

傳統(tǒng)的鏈?zhǔn)介_溝裝置開溝深度大，作業(yè)功耗也較大，需配備較大的動力機(jī)械。圓盤式開溝裝置體積較大，溝深超過250mm后功耗較大，不適與小型動力機(jī)械匹配作業(yè)[11]。為了既滿足開溝的農(nóng)藝要求，又能夠與小型動力機(jī)械匹配，設(shè)計了旋耕刀式開溝裝置、螺旋開溝裝置及刀片組合式開溝裝置等不同類型的小型開溝裝置。

田間試驗表明：旋耕刀式開溝裝置拋土效果較差，作業(yè)后拋出的土壤大都落入溝中，大大加重了清溝作業(yè)量。對于含水率較高、粘性較大的土壤，螺旋開溝裝置易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，而刀片組合式開溝部件開溝效果較好，因此選擇刀片組合式開溝裝置。

2.3 施肥部件的選擇

根據(jù)丘陵山區(qū)果園農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合對施肥種類的選擇，施肥裝置針對固體顆粒肥料作業(yè)，從裝置結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等方面考慮，排肥裝置選用外槽輪排肥器。

施肥裝置的動力傳輸一般采用以下兩種方式：一種直接從動力機(jī)械的動力輸出中分出一部分，通過傳動裝置將動力傳遞給排肥軸進(jìn)行排肥作業(yè)；另一種依靠地輪與地面摩擦，通過鏈傳動或皮帶傳動等將動力傳遞給排肥軸進(jìn)行排肥作業(yè)。

由于丘陵山區(qū)果園作業(yè)環(huán)境狹窄，采用從動力機(jī)械分出動力的方法會增加機(jī)具的復(fù)雜程度和增大機(jī)具體積，不利于整機(jī)的緊湊性和輕巧性。試驗表明：由于丘陵山區(qū)地面崎嶇不平，采用地輪提供動力穩(wěn)定性較差，排肥均勻性難以保證；同時，受泥土、雜草等干擾，鏈條或皮帶易脫落，同樣影響排肥的均勻性。而采用小型電機(jī)驅(qū)動排肥軸轉(zhuǎn)動進(jìn)行排肥作業(yè)不僅能夠保證排肥的均勻，而且結(jié)構(gòu)簡單，便于控制；同時，由于驅(qū)動電機(jī)采用按鈕控制，能夠根據(jù)需求實行間斷排肥，避免因株距過寬造成肥料浪費。因此，排肥裝置采用電機(jī)驅(qū)動的方法。

3 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

3.1 立式單軸果園開溝施肥機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)

立式單軸果園開溝施肥機(jī)主要由支架、傳動裝置、旋轉(zhuǎn)刀具、清溝犁、擋土導(dǎo)流裝置及施肥裝置等組成，如圖1所示。其中，旋轉(zhuǎn)刀具、清溝犁、擋土導(dǎo)流裝置共同完成開溝作業(yè)。

1.動力機(jī)械輸出軸 2.支架 3.施肥裝置 4.清溝犁 5.旋轉(zhuǎn)刀具 6.傳動裝置 7.擋土導(dǎo)流裝置

3.2 立式單軸果園開溝施肥機(jī)的工作原理

作業(yè)時，開溝施肥機(jī)的支架與動力機(jī)械之間采用銷連接，動力機(jī)械的動力輸出軸與開溝施肥機(jī)傳動裝置通過連接爪連接。

動力機(jī)械輸出動力通過連接爪傳遞給開溝施肥機(jī)的傳動裝置，經(jīng)過傳動裝置完成90°轉(zhuǎn)向后傳遞給立軸。立軸帶動安裝有刀片的刀座旋轉(zhuǎn)進(jìn)行開溝作業(yè)，開溝過程中被切下的土壤沿著刀片向上運動并在離心力的作用下拋出。拋出的土壤經(jīng)過擋土導(dǎo)流板的導(dǎo)向后落在溝的右側(cè)，安裝在立軸后方的清溝犁對落在溝中的浮土進(jìn)行清理，完成開溝作業(yè)。

施肥裝置由ZGB37R小型電機(jī)驅(qū)動，在施肥軸的轉(zhuǎn)動下固體顆粒肥料落入落料斗并經(jīng)導(dǎo)肥管最終落入溝中，完成施肥過程。

4 關(guān)鍵作業(yè)部件的設(shè)計

4.1 開溝部件的設(shè)計

4.1.1 開溝裝置的設(shè)計

開溝裝置主要由旋轉(zhuǎn)刀具和清溝犁組成，如圖2所示。

1.六方軸 2.刀片側(cè)擋板 3.切土小刀片 4.刀座 5.主體刀片 6.支架 7.主、副擋板 8.加強(qiáng)肋板 9.排肥管固定筒 10.底板

旋轉(zhuǎn)刀具由4個完全相同的刀片采用螺栓連接安裝在刀座上，如圖2(a)所示。試驗發(fā)現(xiàn)，刀片在作業(yè)過程中下部分易磨損。因此，將刀片分為兩部分，易磨損部分為65Mn鋼制作的小刀片，其余部分為45鋼，兩者采用螺栓連接，便于拆換。

由45鋼制作的刀片上下兩部分呈現(xiàn)一定折彎角γ，如圖3(b)所示，刀片與刀座的固定位置位于該刀片的下部分。根據(jù)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合的作業(yè)參數(shù)選擇，開溝截面寬度不超過500mm。綜合考慮開溝最大寬度、結(jié)構(gòu)緊湊性等因素，其折彎角以上部分始終與水平面呈20°，以保證刀片角度滿足土壤在刀片上的運動規(guī)律和開溝寬度的農(nóng)藝要求。折彎角的改變只影響刀片下部分與水平面的夾角，進(jìn)而改變最大開溝深度及土壤質(zhì)點在刀片下部分的運動軌跡。仿真與試驗表明：當(dāng)主體刀片的上下部分之間折彎角為20.7°時，切下的土壤能夠沿著刀片表面向上運動，且切削土壤功耗較小。因此，刀片折彎角γ設(shè)計為20.7°。

1.耐磨小刀片 2.安裝孔 3.側(cè)擋板 4.主體刀片

清溝犁采用可調(diào)式主副板結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。副擋板通過螺栓與主擋板連接在一起，作業(yè)時可根據(jù)清溝效果調(diào)節(jié)主、副板的重合率，進(jìn)而改善清溝犁的作業(yè)效果，以適應(yīng)不同類型的土壤開溝。例如，對于含水率較低的土壤，落入溝中的浮土較少，可增大主、副板的重合率，減少作業(yè)面積，避免主板與溝壁接觸，以降低作業(yè)功耗；對于含水率較高的土壤，落入溝中浮土較多，可減少主、副板的重合率，增大清溝犁與土壤作用面積，增強(qiáng)清溝效果。

4.1.2 擋土導(dǎo)流裝置的設(shè)計

果園在進(jìn)行開溝施肥后需將拋出的土壤覆回溝中，因此土壤的拋灑距離不宜過大和過于分散。合理的擋土導(dǎo)流裝置能夠有效控制土壤的拋灑距離，使其不至于距溝太遠(yuǎn)，又不至于使土壤在施肥前落回溝中。為此，設(shè)計了一種可調(diào)組合式擋土導(dǎo)流裝置，如圖4所示。該裝置外擋板與中間擋板、中間擋板與固定擋板之間采用合頁連接，固定擋板呈水平固定在支架上。

1.支架 2.鏈齒調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.中間擋板 4.固定擋板 5.外擋板 6.滑桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

作業(yè)時，可根據(jù)土壤拋撒情況，通過鏈齒調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和滑桿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分別調(diào)節(jié)中間擋板與固定擋板的夾角及外擋板與中間擋板之間的夾角，繼而改變土壤顆粒在擋板上的撞擊方向，使土壤顆粒撞擊擋板后盡可能地拋向溝側(cè)，同時避免拋灑距離較遠(yuǎn)而不利于后期回填作業(yè)。

采用3塊擋板組合的擋土導(dǎo)流裝置，有效增加了擋土導(dǎo)流裝置的可調(diào)節(jié)角度范圍，使其調(diào)節(jié)更加靈活，可有效避免調(diào)節(jié)死角。

4.2 施肥部件的設(shè)計

參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊》[12]設(shè)計外槽輪式施肥裝置，該施肥裝置采用6V蓄電池供電，由ZGB37R小型電機(jī)驅(qū)動排肥軸旋轉(zhuǎn)作業(yè)，如圖5所示。

1.肥量調(diào)節(jié)板 2.肥料箱 3.驅(qū)動電機(jī) 4.傳動齒輪 5.落料斗 6.施肥軸 7.支架 8.蓄電池 9.外槽輪排肥器 10.排肥管

電機(jī)的開關(guān)控制按鈕作業(yè)時可安裝在動力機(jī)械的操縱手柄上，便于控制。由于丘陵山區(qū)果園作業(yè)空間狹小，為保證整機(jī)的平衡性和作業(yè)效率，需要設(shè)計大小、結(jié)構(gòu)合理的肥料箱，如圖6所示。其中，A、B、C分別為施肥箱的主視圖、俯視圖和左視圖。該施肥裝置肥料箱分為上下兩個部分：上部分為長寬高分別為500、250、200mm的長方體，下部分頂面為500mm×250mm的矩形，底面為150mm×60mm的矩形，高度為120mm構(gòu)成的五面體，因此該肥料箱體積為0.033m3。顆粒肥料的密度為700～800kg/m3，如尿素的密度為720kg/m3，硝酸二胺的密度為789kg/m3，因此該肥料箱1次可裝23～26kg的顆粒肥料。

圖6 肥料箱結(jié)構(gòu)三視圖Fig.6 Three views of fertilizing box structure

根據(jù)丘陵山區(qū)果園農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合對排肥量的要求，參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[13]，外槽輪排肥器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為30r/min，排肥軸工作長度在0～140mm的范圍內(nèi)調(diào)動，施肥軸每轉(zhuǎn)1周最大排肥量為0.288～0.33kg，可通過抽拉肥量調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)排肥軸實際工作長度來調(diào)節(jié)排肥量。ZGB37R小型電機(jī)額定轉(zhuǎn)速72r/min，因此設(shè)計電機(jī)輸出軸齒輪與排肥軸齒輪傳動比為2.4:1。

5 整機(jī)田間性能試驗

完成樣機(jī)的制作后，為檢驗樣機(jī)的作業(yè)性能是否滿足丘陵山區(qū)果園開溝施肥的農(nóng)藝要求，選擇川渝地區(qū)種植面積較大的柑橘園和獼猴桃園進(jìn)行性能試驗。

5.1 試驗方案

完成立式單軸果園開溝施肥機(jī)的樣機(jī)制作后，將其與動力裝置1WG-6.3型微耕機(jī)掛接，如圖7所示。

在進(jìn)行田間性能試驗前，需要對果園的某些參數(shù)進(jìn)行測量，主要包括土壤含水率、0～300mm土壤平均堅實度及地面坡度等。試驗過程中，需要對開溝的深度、寬度、拋土距離、施肥效果及作業(yè)效率等參數(shù)進(jìn)行測試。因此，試驗準(zhǔn)備有秒表、皮尺、深度尺、土壤堅實度儀及環(huán)刀等測量工具，相關(guān)參數(shù)的測量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5668.3-1995完成。

土壤含水率測量采用環(huán)刀取樣、真空干燥的方法測定，平均堅實度采用SC900土壤堅實度儀(見圖8)測定。

圖8 SC900土壤堅實度儀Fig.8 SC900 soil firmness tester

該土壤堅實度儀測量壓力范圍為0～7 000kPa，測量深度為0～450mm，壓力和深度測量精度分別為±103kPa和12.5mm。使用時，將堅實度儀垂直地面以低于25.4mm/s的速度插入土壤中，儀器每隔25mm自動記錄土壤的堅實度，測試完成后可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理。

5.2 柑橘園性能試驗

2016年9月，在重慶市涪陵區(qū)某柑橘園進(jìn)行田間試驗，如圖9所示。該柑橘園的坡度在20°左右，土壤平均含水率24.6%，土壤0～300mm平均堅實度為1 196kPa。在該柑橘園進(jìn)行開溝作業(yè)過程中，機(jī)器運行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次作業(yè)完成開溝、施肥兩項工藝過程。平均開溝深度262mm，溝面平均寬度496mm，溝底平均寬度362mm，土壤拋灑距離不超過600mm，機(jī)具平均生產(chǎn)率為1 462m/h。由于地形的影響，機(jī)手在作業(yè)時行走在溝里將部分拋土帶入溝中，但此時施肥裝置已將肥料施入溝中，落入溝中的浮土位于肥料之上，因此不影響施肥深度。在作業(yè)過程中，開溝施肥機(jī)運行平穩(wěn)后，由于采用電機(jī)驅(qū)動施肥裝置，排肥均勻性好。

圖9 柑橘園開溝作業(yè)Fig.9 Ditching operation in citurs orchard

5.3 獼猴桃園試驗

2016年10月，于四川省蒼溪縣某獼猴桃園進(jìn)行了田間試驗，如圖10所示。該獼猴桃園坡度小，地面較平坦，土壤含水率13.4%，土壤0～300mm平均堅實度為1 674kPa。在該果園進(jìn)行試驗過程中，平均開溝深度253mm，溝面平均寬度474mm，溝底平均寬度358mm。由于含水率較低，土壤比較堅硬，因此土壤拋灑較為分散，土壤拋灑距離在700mm以內(nèi)，平均生產(chǎn)率為876m/h。

由于該獼猴桃園行距之間挖有較深排水渠，為便于作業(yè)，將微耕機(jī)扶手180°旋轉(zhuǎn)進(jìn)行井字形開溝作業(yè)，作業(yè)效果良好，如圖10(b)所示。

圖10 獼猴桃園開溝作業(yè)Fig.10 Ditching operation in kiwi orchard

6 結(jié)論

基于丘陵山區(qū)果園農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的融合設(shè)計了一種立式單軸果園開溝施肥機(jī)，能夠以丘陵山區(qū)使用較多的微耕機(jī)作為動力機(jī)械完成果園開溝施肥工藝過程。其作業(yè)性能滿足丘陵山區(qū)果園開溝施肥的農(nóng)藝要求，一次作業(yè)可完成開溝和施肥兩項工藝過程。后期可對該機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化(如優(yōu)化開溝裝置的結(jié)構(gòu))，增加覆土裝置，使其一次作業(yè)能夠完成開溝、施肥、覆土3項工藝過程。