羿洪福

摘要：为减轻秸秆生物反应堆作业的强度，研制基于微型棚室耕作机的棚室开沟机。详细介绍开沟机的总体设计方案、关键部件的设计思路及主要技术参数。样机作业试验表明，作业深度最大可达400 mm，可达到生物秸秆反应堆的技术要求。

关键词：开沟机；微型耕作机；设计；温室

中图分类号：S222.5+2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）09-0014-03

日光温室是在我国兴起的，且具有一定鲜明中国特色的园艺栽培设施。目前，我国设施农业面积已超过150万hm2，其中辽宁省的设施农业面积达50.5万hm2，年总产量高达2400万t，年产值为680亿元。随着科技的进步和社会的发展，高产、高效、优质、安全的农业种植模式逐渐成为农业产业结构调整的主要内容。根据我国设施农业生产的新技术——秸秆生物反应堆技术推广应用的实际需要，研制基于微型棚室耕作机的棚室开沟机十分必要。

1 开沟机总体方案研究

1.1 作业条件与机具操作方式分析

在棚室内进行生物秸秆反应堆开沟作业时，秸秆反应堆顺垄布置，横向于温室大棚方向，因此，机具作业也必须顺着秸秆反应堆的布置方向作业。考虑到棚室横向长度较小，机具采用往复运动实现开沟作业。同时，由于棚室横向长度小，为进一步提高机具的作业效率和操作人员的安全性，机具作业时的方向控制手柄可调整到与机具前进方向成90°布置，且操纵部件位于手柄位置，便于随时控制机具的启动、停止、前进和倒退。

基于上述原因，设计操纵手柄放到倒退位置，启动离合装置，机具运动，开始开沟器作业，向外抛送土壤；到达棚一侧时，分离离合装置，操纵手柄置于前进位置，启动离合装置，机具退至作业初始位置，分离离合装置，完成一次开沟作业。通常，根据开沟深度的要求， 1～2次开沟作业即可达到生物秸秆反应堆掩埋时所需要的开沟深度。

1.2 开沟机技术要求和总体方案

立足于我国农村目前棚室配套机具的现有情况，利用现有机具作为动力，减少农民的机具投入成本。经过多地调研，选用动力为3.3～5.88 kW的微型耕作机作为配套动力。微型耕作机能满足棚室内狭小的作业要求，且具有转弯灵活的特点。

充分利用微型耕作机的动力、传动和行走系统，在保证原有功能不受影响的情况下，通过更换工作部件增加开沟功能，增加机具的作业功能。

根据农艺对生物秸秆反应堆开沟的要求和目前保有量较大的微型耕作机的技术性能，确定机具的主要技术指标为：

沟宽：400 mm；

沟深：350 mm；

效率：3 000 m/日；

汽油机额定功率：5 kW；

操作人数：1人。

整机总体技术方案为：充分利用棚室微耕机的底盘、汽油机、皮带传动（主离合器）、主变速箱、副变速箱、行走机构、链传动（高低速装置）、工作离合器、工作链传动、输出轴等，增加开沟装置和剪土铲。整机结构如图1所示。

2 微型棚室开沟机的设计

2.1 动力系统采用微型耕作机

为适应在棚内工作要求，动力系统和底盘结构必须紧凑，回转半径小，故微型耕作机的扶手设计为360°自如旋转式，同时高低可以自如调整；轮距设计为可调式，调整范围为390～530 mm。为使整机重量轻、强度好，地盘使用铁板取型焊接制造，变速箱壳体为铸铝。变速箱和行走系统利用原机系统，将倒挡作为机具的工作档位。

2.2 动力选择

为突出轻巧实用，选用汽油机为动力，手拉式启动，启动方便，结构紧凑。经过计算与试验，选用5 kW汽油机，能够较好的满足所有作业的动力要求。

2.3 剪土铲设计

在开沟装置前面增加剪土铲，利用其特有的凿形结构破坏土壤的原有结构，使挖开沟装置在松软的土壤上作业，减小挖沟阻力，提高工作速度，降低能耗。经过测算平均提高效率在20%以上。剪土铲如图2所示。

剪土铲柄截面为矩形，铲柄的入土部分采用弧形，以减小阻力。圆弧入土部分的横截面设计成双面楔形，夹角为60°，起碎土和减少阻力的作用。剪土铲刀头模仿老鼠在土壤中行走方式，按照仿生学原理设计。剪土铲刀头工作时，在土壤下部向前运动，利用楔子原理使土体受剪切、弯曲、掀起和向上及兩侧的挤压等综合作用，当挤压力大于土体剪切强度时，土体被剪切破坏，经过圆弧过渡达到疏松土壤的目的。测算结果表明，剪土铲平均提高效率20%以上。

2.4 开沟装置设计

参考多种开沟装置结构，经过理论分析和部分试验，最终设计全新的结构。经过不断改进，基本上达到沟型断面为矩形、沟底平整的要求。

刀盘由大开沟刀、小开沟刀、抛土板和刀盘组成，结构如图3所示。

开沟刀。利用该刀特殊的结构对土壤进行滑切，入土性能好，工作阻力小，能有效切断作物残茬及杂草的茎根特点，减小工作阻力。开沟刀型为特殊曲线的弯刀，按照一定的角度通过螺栓固定于刀盘上，保证工作平稳、阻力小、节约动力。刀片形状如图4所示。

抛土板。抛土板是均匀布置于刀盘的三角型板，其与刀盘呈一定角度焊接于刀盘上，如图5所示。

开沟刀在刀盘上的布置为：每个刀盘安装小开沟刀4把和大开沟刀4把，大开沟刀与小开沟刀背靠背安装在刀盘两侧，构成一组，每组大开沟刀和小开沟刀的切削刃部分在一条直线上；大小开沟刀方向相反布置。在两刀盘面向微型耕作机动力输出部分的内侧安装4个抛土铲，其结构如图6所示。

2.5 开沟装置工作原理

在开沟装置前面安装剪土铲。剪土铲为凿式，入土性能好，工作阻力小。利用其先入土破坏土壤结构，使开沟装置工作在较松软的土壤中，减小机具功率消耗，提高机具工作效率。

大开沟刀与小开沟刀背靠背安装在刀盘两侧，构成一组，每组大开沟刀和小开沟刀的切削刃部分在一条直线上；相邻开沟刀组与大小开沟刀方向相反布置，目的是实现刀盘逐渐进入土壤，减小具瞬间负荷。大开沟刀和小开沟刀的工作面上开有刃口，且刃口有一定角度，使刀切削土壤时为滑切，较大地减少其切削土壤时的阻力，进而节约动力。微型耕作机轴的两侧动力输出盘呈对称布置，能够确保切削力的连续性，同时避免对传动和动力系统的冲击。抛土板与大开沟刀和小开沟刀分开布置，避免抛土板参与切削土壤工作，造成动力浪费。开沟装置的动力来源于微型耕作机的动力输出轴，动力输出轴带动刀盘旋转，刀盘带动开沟装置旋转，完成切削和抛送土壤工作。

3 棚室开沟机样机试验

该样机完成后，先后在辽宁省多地不同土壤条件下进行作业试验，均作业效果良好。

作业试验结果表明，挖掘的秸秆生物反应堆沟型基本呈矩形，沟型整齐，沟底浮土少，作业深度最大可达400 mm，可达到生物秸秆反应堆的技术要求。该机工作效率高，是人工作业的14倍以上，操作简便、制作简便、作业成本低廉，具有良好的推广前景。

参考文献

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[2] 张琦，王伟，廖结安.国内外果园施肥开沟机的研究现状[J].农机化研究，2016（5）：264-268.

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