果园履带式偏置开沟施肥机研制与试验

2022-10-21柳国光楼婷婷

农业工程 2022年7期

柳国光，王涛，楼婷婷

（浙江省农业机械研究院，浙江金华 321017）

0 引言

水果种植在我国的农业种植业中占比较高，单位面积的经济效益也相对较好，并且易于和观光旅游、采摘游玩等现代服务业相结合，是调整农村产业结构、提高农民收入、促进乡村振兴的重要产业之一。浙江省地处丘陵地带，果园多建于缓坡地，地形复杂且土质一般，为提高水果产量和果品品质需给土壤添加额外的有机质[1-2]。开沟施肥既能疏松土壤、加速根部生长，又能施肥覆土、保持水肥、实现肥力最大化利用，是理想的改善土壤肥力的手段[3]。然而浙江省丘陵地区果园存在果树分布密集、机械通道狭窄、地面不平整且坡度起伏较大等问题，使用北方果园成熟的开沟施肥机适应效果一般，并且对部分水果果树近距离开沟施肥的要求难以满足。果园近距离开沟施肥作业常采用手扶式开沟机开沟后再人工施肥，或纯人力开沟施肥，劳动强度大、劳动力成本高，再加上浙江省农业从业人员高龄化问题，果园种植业面临成本和用工荒双重压力，可持续发展面临严峻挑战，迫切需求高效稳定的开沟施肥装备。

开沟施肥是果园管理中劳动力最为密集的环节之一，面对农业劳动力的缺失，机械化开沟施肥是我国果园管理的发展趋势[4-6]。目前国内对果园开沟施肥机械化作业的研究已经比较全面，在机架优化、开沟器仿真设计、施肥器排肥量调节、液压系统、控制系统设计及配套履带式动力底盘等方面都进行了一定程度的研究，获得了比较多的成果[7-13]。同时，也进行了许多果园开沟施肥机整机的研究与应用[14]。但多数开沟施肥机还是以开沟器居中为主，侧边开沟施肥的产品较少且开沟深度不能调整或调整范围较小，不能消除丘陵缓坡果园地形起伏对开沟深度的影响，也无法满足部分果园靠近果树位置的开沟施肥要求。基于此，研制了一台开沟深度可调的履带式偏置开沟施肥机，实现缓坡果园管理中近距离开沟施肥作业的机械化。

1 整机结构及技术参数

偏置开沟施肥机由履带式动力底盘、后输出动力组件、机架、开沟动力传动机构、施肥机构和开沟装置等组成，其结构如图1 所示。

图1 偏置开沟施肥机结构Fig. 1 Structure of offset ditching fertilizer applicator

该开沟施肥机采用模块化设计，可整体更换，以最大化利用履带式底盘。开沟施肥装置安装在机架上，与后输出动力装置均通过螺栓安装在履带式动力底盘上，履带底盘可以通过换装其他机具实现旋耕、粉碎和土壤回填等作业。开沟施肥机作业时由履带底盘牵引开沟机前进，并由后输出动力组件提供开沟作业动力，通过胶带、变速箱和十字万向传动轴传递给开沟机带动链式开沟刀进行开沟作业。施肥机构由紧压在地表的地轮驱动下肥，可实现行走过程的均匀施肥。开沟升降机构用于在履带底盘行走地面和开沟施肥作业地面存在高度差时调整开沟装置的初始高度，使开沟深度更为稳定，开沟机的适用范围更广。开沟施肥机的技术参数如表1 所示。

表1 偏置开沟施肥机主要技术参数Tab. 1 Main technical parameters of offset ditching fertilizer applicator

2 关键部件设计

2.1 动力底盘设计

丘陵缓坡果园相比大田果园存在果树密集和地形起伏大的情况，因此选择结构更为紧凑的履带式底盘作为动力装置。履带底盘在通道狭窄、坡度较大的果园行走和作业时更为方便，但存在爬坡驱动动力消耗大的问题，再加上开沟作业的高功率输出要求，使得开沟施肥机的动力底盘既要满足尺寸小、又要有充足的功率输出。

为满足开沟施肥机提高作业稳定性的同时尽可能缩小底盘外形尺寸的要求，采用双动力驱动系统来避免行走和开沟动力分配器的功率损失，如图2 所示，履带动力底盘主要由电控齿轮箱、制动部件、行走轮系及履带行走机构等部分组成。采用6.6 kW 汽油机作为行走驱动动力，汽油机安装在履带之间降低底盘的重心提高防侧翻能力；采用18 kW 左右柴油机作为配套农机具的动力，柴油机安装在履带底盘的后上方，保障输出动力充足，简化传动机构并减少传动环节的动力损失，同时使履带底盘的结构更为紧凑。

图2 履带式动力底盘结构Fig. 2 Structure of crawler type power chassis

履带底盘作业时由行走汽油机输出动力，经过电控齿轮箱传递给独立的左右履带轮主动轴，通过控制齿轮箱的前进、后退、快慢速挡位进行相应的作业操作。电控齿轮箱输出到左右履带轮的动力和转速可以独立控制，速度相同时驱动底盘直线行走，差速时实现稳定转弯。制动部件除提供履带停止所需制动力外，还可以通过单侧制动来减小转弯半径、实现原地掉头，优化履带机的转向功能。

2.2 开沟装置设计

果树近距离开沟施肥时，果树的附近有土壤堆积或成垄形，开沟施肥作业面相对履带底盘行走的中间位置较高，为保证该落差较大时的开沟深度，设计了高度提升机构。开沟装置总体结构如图3 所示，主要由链式开沟刀、开沟下压液压缸、升降座、安装固定架和提升液压缸组成。开沟刀和下压液压缸作为整体安装在升降座上，下压液压缸作用是将开沟刀下压以完成开沟作业，并通过4 根导向轴和升降液压缸与安装架连接，可由升降液压缸驱动进行上下位置的调整，解决不平整地形下近距离开沟的高度差问题。同时，在挖掘深度特别大的情况下，开沟机构配合升降机构作业可以实现更大范围的开沟深度调整，适用范围更广。

图3 开沟装置结构Fig. 3 Structure of ditching device

2.3 施肥装置设计

施肥装置要保证施肥的均匀性和连续性，因此采用地轮随动施肥机构保证行走时才施肥，并增加了缓存肥箱避免缺肥漏施的情况。施肥装置如图4 所示，主要由主肥料箱、缓存肥料箱、地轮输肥组件、同步带传送机构和安装机架等组成。施肥器安装在缓存肥料箱底部与施肥波纹管连通，施肥器转轴由地轮通过同步带驱动，作业时地轮跟随底盘前进而转动，此时施肥器转轴旋转开始向波纹管排肥并施入开沟装置开好的施肥沟。当底盘停止前进时，地轮也停止转动，施肥器停止排肥，可以避免在停止位置过量排肥，保证施肥量均匀。缓存肥料箱由主肥料箱输送肥料以保证肥料量的稳定性，一方面可以避免肥箱肥料存量变化对排肥量的影响，另一方面在主肥料箱肥料不足时可以继续作业并在作业时添加肥料而不需要停机加肥，还可以减缓因疏忽未及时添加肥料造成的漏施肥情况。

图4 施肥装置结构Fig. 4 Structure of fertilizer application device

3 田间试验

3.1 试验条件

2021 年12 月，在浙江省农业机械研究院现代农机创新基地进行田间试验，偏置开沟施肥机田间转移（空载）速度为4 km/h，开沟施肥作业速度≤1.5 m/s，按照试验效果，逐次降低行驶和作业速度以获得可靠的运行数据。使用游标卡尺和卷尺等工具进行测量，试验地块平均坡度为15°，土壤为一般黄壤土，含水率18%左右，土壤较为坚实，试验所用化肥含水量1%，颗粒直径约4 mm。

3.2 试验结果

试验主要检验开沟施肥机空载爬坡和开沟施肥作业效果。其中空载爬坡测试开沟施肥机的最大爬坡角、空载行驶速度和最小转弯半径等，以确定开沟施肥机的适用范围；开沟施肥作业测试开沟施肥机的沟深、沟宽、施肥效率和适用果园坡度等。试验结果如表2 所示，基本满足缓坡果园开沟施肥作业要求。

表2 偏置开沟施肥机性能试验结果Tab. 2 Performance test results of offset ditching fertilizer applicator

试验结果表明，在田间转移方面，履带式开沟施肥机空载时运行平稳，行驶速度最高可达4 km/h，履带底盘左右驱动轮采用独立制动，虽然理论上可以实现原地掉头，但由于设备自身尺寸的限制，试验表明能顺利掉头的最小转弯半径为1.5 m，在种植规范的果园里通过性较好，空载最大爬坡角度可达22°，满足大多数果园的使用要求。在开沟施肥适用性方面，由于开沟作业使阻力大幅增加，最大作业速度下降至1 km/h 左右，爬坡性能下降至12°，但由于缓坡果园只有在局部会出现坡度较大的情况，并且可以采用下坡作业的方式解决，因此该机仍能满足多数果园的使用要求。在开沟施肥作业效果方面，开沟最大深度为300 mm，最大施肥效率6 L/m，田间试验结果均能满足设计要求。