葡萄開溝施肥機的設計

劉偉

摘要：施肥是葡萄生產過程中的重要環節之一，因其季節性強、勞動強度大，亟需實現機械化作業。研究設計一種葡萄開溝施肥機，介紹機具的總體方案與結構，闡述各主要部件的設計，并通過田間試驗驗證機具性能與作業效果。結果表明，該機具可以較好地滿足葡萄開溝施肥的需求。

關鍵詞：農業機械；葡萄；開溝；施肥；設計

中圖分類號：S224.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）12-0026-03

葡萄是我國主要的水果品種，遼寧省是全國葡萄主產地之一。目前，隨著人們生活水平的提高，市場對葡萄品質的要求也越來越高，葡萄生產上普遍通過增加有機肥使用量來提升葡萄品質。葡萄生長旺盛，結果量大，對土壤養分的需求也較多，肥料需量大。在葡萄生產中，基肥施加是葡萄園施肥中最重要的一環，一般秋天施入，從葡萄采收后到土壤封凍前進行，667 m2施肥量達5 000～6 000 kg。該項作業季節性強、生產環節多而復雜、農藝要求嚴格，因現有的葡萄園空間有限，大功率拖拉機無法進入作業，目前多以人工操作為主，勞動強度大、效率低、質量差、費用高，不能滿足葡萄規模化生產經營的需要。因此，對葡萄園開溝施肥機械的研發具有重要的現實意義。

1 葡萄開溝施肥機方案研究

由于葡萄籬架低矮，空間有限，大功率拖拉機無法進入作業，所以機具的設計必須適于小動力拖拉機配套。為此，利用已有的旋耕機作業原理來研究開溝施肥機。旋耕機是利用旋耕刀滑切土壤完成整地的，按照刀軸回轉方向可分為正旋和逆旋。正旋即刀輥的旋轉方向與拖拉機輪子轉動方向相同，旋耕刀由地表向下切土，刀輥切土的反作用力與拖拉機前進方向相同，因而有利于機組在潮濕土壤上作業；逆旋為刀輥旋轉方向與拖拉機輪子轉動方向相反，旋耕刀由已切土壤中入土，從底部向上切土，所需切削力小，有利于在較硬土壤上作業，且會有較多的土塊向前方拋擲。基于對旋耕機作業的分析，考慮到葡萄開溝的實際情況，確定采用逆旋作業方式設計開溝機。

2 葡萄開溝施肥機整體設計

葡萄開溝施肥機主要由開溝裝置和排肥裝置組成（如圖1所示），排肥裝置安裝在開溝裝置的機架上，兩部分聯動。

本機具適合與29.4 kW（40馬力）及以下小輪胎拖拉機配套使用。工作時，機具的機架懸掛于拖拉機后部的三點懸掛架上，通過拖拉機牽引前進；機具的變速箱通過萬向節傳動軸與拖拉機后輸出軸相連接，接收拖拉機動力輸出，完成開溝施肥作業。

2.1 開溝裝置研究

開溝裝置主要由懸掛架、變速箱、鏈傳動、開溝刀盤等組成（如圖2所示）。

開溝裝置與配套拖拉機的連接方式選用三點懸掛式，能與多種型號拖拉機配套，且掛接方便。工作時，開溝裝置懸掛在拖拉機上，由拖拉機牽引前進；機具所需動力由拖拉機動力輸出軸通過萬向節傳動軸傳遞至機具變速箱輸入軸，經變速箱變速和改變力矩方向后，通過鏈傳動帶動刀盤旋轉，完成開溝作業。

2.2 排肥裝置研究

排肥裝置主要由肥箱、攪拌器和螺旋排肥器組成。由于葡萄基肥量很大，所以肥箱設計的尺寸也比較大，避免反復上肥造成工作不便。這就要求肥箱具有一定的強度，為此增加了加強筋來保證肥箱不變形。葡萄的基肥基本上是有機肥，散落性不良，為此增加了攪拌器。攪拌器由軸和固定于軸上的鋼筋構成，工作時，軸在鏈傳動的驅動下旋轉，帶動軸上鋼筋在肥箱內旋轉，反復攪動肥箱內的有機肥，破壞其張力，保證其順利下落。開溝裝置在拖拉機一側，其開出的溝也在拖拉機一側，故排肥裝置設計為螺旋推送排肥器。這種型式的排肥器不僅易于排出散落性不良的物料，還能很好地把物料推送到肥箱一側排出、落入溝內。

3 主要部件設計

3.1 萬向節傳動軸

開溝施肥機由拖拉機牽引前進，由于地形變化、開溝土壤緊實度不同等因素，機具工作時是小浮動擺動的。為此，選用萬向節傳動軸連接拖拉機動力輸出軸與開溝機動力輸入軸。萬向節傳動軸是實現變角度動力傳遞的機件，它允許被連接的零件之間的夾角在一定范圍內變化，可以滿足動力傳遞、適應拖拉機牽引機具運行時所產生的上下跳動所造成的角度變化。選擇萬向節傳動軸參數主要依據萬向節傳動軸伸縮量與前后軸夾角大小和開溝機的通過性能來確定，要求工作時夾角不超過10°；工作部件提升時夾角不超過30°；萬向節傳動軸的軸和軸套重疊量不小于40 mm。

3.2 開溝裝置懸掛架

葡萄施肥作業所開的溝與葡萄苗之間的距離一般保持在25～30 cm，所以在設計懸掛架時采用了偏置式，這樣能保證所開出的溝與葡萄苗之間留有距離。同時，為減輕拖拉機車轍對葡萄園的壓實，開溝位置選在拖拉機車轍處。由于開溝作業阻力大，肥箱及所載肥量大，對懸掛架強度要求較高，故機架采用方管焊接而成，所有受力部分增加加強筋，保證機架剛性要求。此外，懸掛架設計時需要注意，機具提升至最高位置（運輸狀態）時，開溝機離地高度不小于250 mm，離去角不小于18°；還應考慮在工作和運輸狀態時機架及開溝刀不碰到拖拉機。

3.3 開溝部件

由于葡萄園空間有限，大功率拖拉機無法進入作業，所以機具的設計必須適合與小動力拖拉機配套。這樣就否決了犁等開溝方式，只能依靠開溝刀滑切土壤，充分利用拖拉機的牽引力和動力輸出，實現開溝作業。基于上述原因，開溝機可設計為臥式刀軸或立式刀軸的切土開溝機。臥式為開溝刀盤繞與地面平行的軸線水平旋轉切削土壤；立式為開溝刀盤繞與地面垂直或傾斜的軸線旋轉切土。本機具的設計思路是利用切土刀滑切土壤后，再利用切土刀的速度將切削下來土壤拋送出去，從而達到開溝的目的，故設計為臥式開溝裝置。開溝部件主要由切土刀和刀盤組成，切土刀通過螺栓固定在刀盤上兩側，如圖3所示。

切土刀由60Si2Mn鋼板制作，刀的前端為楔形結構，磨有刃口，表面經高頻淬火處理，保證了切削刃的硬度和耐磨性，使刃口鋒利，減小了切削土壤的阻力。切土刀通過螺栓安裝在刀盤上，其與土壤斷面有一定的切削角，這個切削角可以減小切土刀切削土壤的阻力。工作時，切土刀隨刀盤回轉，對土壤進行切削，從而降低機具的功耗。切削刀可以拆卸、刃磨，保障切土刀刃口鋒利，減小切土阻力。切土刀兼有切土和拋土兩種作用。

切土刀的最大線速度在7～15 m/s范圍內選取。取大值拋土距離較遠而均勻，有利于切斷土壤中作物殘根，但功率消耗較大，生產效率低；在滿足拋土距離要求時，建議取小值。通過試驗確定切土刀的最大線速度取為10 m/s。

4 主要技術參數

葡萄開溝施肥機的主要技術參數見表1。

5 田間試驗

田間試驗于2014年11月在遼陽、撫順的試驗田基地進行。試驗田土壤為輕壤土，土壤含水率為20%～30%，土質疏松，試驗對象為3～5 a期葡萄藤，配套動力為29.4 kW小直徑輪胎拖拉機，作業速度為1.83 km/h。開溝一側距葡萄藤30 cm，開溝寬度30 cm，作業開溝深度為40 cm，667 m2施有機肥5 600 kg。

葡萄開溝施肥機作業試驗測試結果表明，該機具結構簡單，操作、調整方便，適用性好，性能穩定、可靠，作業時不易傷根，作業效率是人工開溝施肥作業的8～9倍。

6 結論

本課題研究的葡萄開溝施肥機具有結構簡單、調整方便、適用性好、穩定性好、操作方便、性能可靠等特點，其與配套的拖拉機一次進地可完成開溝、施肥和覆土的聯合作業，施肥量可以調整，作業質量好、效率高，可以較好地滿足葡萄開溝施肥的需求。

參考文獻

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