果園有機肥旋切變深施肥機力學分析與試驗

劉彪 肖宏儒 宋志禹

摘要：果園施肥是果園種植中的一個重要作業環節，現有的果園施肥機械大多都是針對顆粒肥的，只有部分施肥機械可以施有機肥，但施肥深度達不到要求或需要人工覆土，勞動量大。針對這種情況，研究一種果園有機肥旋切變深施肥機;介紹該施肥機的機械組成、工作原理并分析旋切施肥部件作業時的力學性能，建立相關力學方程，進行定性分析;確定前進速度、刀軸轉速、施肥深度為主要影響因素，并對其進行試驗和優化，得出因素水平的最優參數組合，即前進速度為0.1 m/s、刀軸轉速為250 r/min、施肥深度為20 cm，此時功率為1.75 kW，土壤和肥料混合均勻性差異系數為20.31%，碎土率為81.36%。結果僅對果園有機肥旋切變深施肥機作業提供參考。

關鍵詞：果園機械;旋切施肥;力學性能;試驗分析;優化

中圖分類號： S224.2 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2019）01-0230-07

隨著生活水平的提高，人們對水果的需求也越來越大。我國果園種植面積也在不斷增加，目前已成為世界上果園種植面積最大的國家。果園施肥技術是影響水果品質和產量的重要因素之一[1]。目前我國的果園施肥機械類型主要有果園開溝施肥機和果園挖穴施肥機，這2種類型的果園施肥機主要是針對顆粒肥的，不適用有機肥（如廄肥等）的機械化施肥。同時，根據果園施肥的深度要求，施肥深度應該位于 20～40 cm范圍內且深度越高一般肥料的利用率越高[2-5]。施肥深度過低不利于肥料的吸收利用，施肥深度過高也會造成肥料的利用率低，達不到經濟作物種植的要求。現有的集施肥、覆土于一體的果園施肥機施肥深度達不到 40 cm，滿足不了果園施肥深度的要求，降低了肥料的利用率。為了提高肥料的利用率，增加果樹的產量和質量以及機械化施有機肥（如廄肥等）的果園施肥機械，本研究設計了一種果園有機肥旋切變深施肥機，分析了旋切變深施肥機力學特性，并進行試驗。

1 有機肥旋切變深施肥機設計

1.1 有機肥旋切變深施肥機整體設計

如圖1所示，有機肥旋切變深施肥機主要由機架、液壓缸、前旋切機構、后旋切機構、鏈輪傳動箱、施肥部件以及變速箱等部分組成。輸入動力傳給變速箱后，經過變速箱的分流，一部分傳遞給前旋切刀軸，另一部分傳遞給后輸入軸，后輸入軸與鏈輪傳動箱前端相連，鏈輪傳動箱后端與后旋切刀軸相連，液壓缸通過鉸鏈固定在機架和鏈輪傳動箱上，旋切機構通過液壓缸的調節作用來控制后旋切刀軸，實現對果園施肥深度的調節。

1.2 整機工作原理

傳統的果園施肥機械主要為開溝施肥機，施肥方式一般為開溝-施肥-覆土，而開溝施肥機主要存在的缺點為所施肥料種類大多為顆粒肥，不能進行聯合作業，施入土壤后的肥料主要位于所開溝槽的底部，不能布滿所開溝槽的整個空間范圍，降低了肥料的利用率。有機肥旋切變深施肥機在果園進行作業時，動力機輸出軸輸出的動力傳遞給旋切施肥機的輸入軸，經過旋切施肥機的輸入軸再傳遞給變速箱，經過變速箱的分流，一部分動力傳遞給前旋切刀軸，另一部分動力通過其他方式傳遞給后旋切刀軸，通過液壓系統實現對液壓缸的控制，進而調節后旋切刀軸，從而實現對果園施肥深度的調節，該機在對果園施肥時，前旋切刀先對土壤進行旋切，后旋切刀在前旋切刀的基礎上再對果園土壤進行旋切，經過前后2旋切刀對土壤的分層旋切，進而達到果農對果園施肥深度的要求。該機作業時，前后2組旋切刀軸的轉向相反，前旋切刀軸正轉，把位于土壤表層的肥料拌于土壤底層，后旋切刀軸反轉，在前旋切刀軸旋切的基礎上把肥料進一步施于更深處，同時使肥料與土壤混合均勻，以提高肥料的利用率。主要參數如表1所示。

2 旋切部件切削力學模型建立及阻力因素分析

果園有機肥旋切變深施肥機作業時，前、后2組旋切刀軸同時進行工作，輸入動力傳遞給變速箱后，經過變速箱的分流，一部分傳遞給前旋切刀軸，另一部分傳遞給后旋切刀軸，前旋切刀軸正轉，后旋切刀軸反轉，在2組旋切刀軸的共同作用下完成可調深度的旋切施肥作業，該機動力的傳遞路線如圖2所示。因此在對旋切刀軸進行力學分析時，應分別對前、后旋切刀軸進行力學分析。

2.1 前旋切刀軸力學分析

如圖3所示，前旋切刀軸上的刀在作業過程中，當刀切入土壤中時會受到土壤對刀片的阻力作用，此阻力產生的力矩與前旋切刀軸上的驅動力矩大小相等，方向相反。由于有機肥旋切變深施肥機作業時前旋切刀軸正轉，因此以順時針方向對旋切刀軸進行受力分析。為了便于力學分析和計算，以刀軸軸心為原點建立直角坐標系，刀與土壤作用時切削點受到的土壤阻力為F，將阻力F分別沿著直角坐標系的x、y軸進行分解，得到土壤阻力F在x、y軸方向上的分力F2、F1。用力學的等效原則，把力F1、F2向直角坐標系的原點O等效，得到力F1′、F2′，同時產生一個阻力矩T，力的大小和方向與等效前力的大小和方向一樣。

2.3 旋切部件阻力因素分析

通過“2.1”“2.2”節的分析可知，果園有機肥旋切變深施肥機作業時，施肥深度、刀片數量、傳動比以及土壤特性等情況都會影響土壤阻力的大小。果園有機肥旋切變深施肥機作業時，前、后2組旋切施肥部件同時進行旋切施肥作業，機器工作過程中遇到的阻力主要為刀片與土壤相互作用過程中產生的土壤阻力。該機與傳統的果園施肥機械相比有以下優點：（1）在施肥深度和寬度相同的情況下，由于該機采用前、后2組刀軸在不同施肥深度范圍內共同作業，從而避免了因施肥深度增加而土壤阻力急劇增大的情況。（2）該機前、后2組旋切施肥部件轉向相反，作業時前旋切刀軸正轉，把位于土壤表層的肥料拌于土壤底層，后旋切刀軸反轉，在前旋切刀軸旋切的基礎上把肥料進一步施于更深處，同時使肥料與土壤混合均勻，可提高肥料的利用率。（3）該機作業時可以根據需要對施肥深度進行調節，最大施肥深度可達40 cm。

3 主要部件設計

3.1 旋切刀軸

果園旋切施肥機在進行作業時，前、后2組旋切刀軸同時工作，旋切刀軸所受的力是旋切刀所受力的合成。旋切刀軸有實心和空心2種形式，在實際應用中常選用空心刀軸，因此本研究旋切刀的刀軸采用空心形式。前旋切刀軸的動力通過變速箱的輸出動力得到，通過軸承固定在機架上，完成對淺層土壤的旋切作業。后旋切刀軸的動力通過鏈輪傳動箱中的鏈輪獲得，并將其通過軸承與鏈輪傳動箱相連，完成對深層土壤的旋切作業。在前、后2組旋切刀軸的共同作用下，完成對果樹的施肥。

3.2 液壓調節機構

在對果園施肥時，由于后旋切刀軸的旋切深度可調，因此對后旋切刀軸采用液壓缸進行旋切深度調控。選擇符合要求的液壓缸，將其一端通過鉸鏈固定在機架上，另一端通過鉸鏈與鏈輪箱相連。液壓缸的液壓油路與拖拉機的液壓系統進行連接，工作時，通過調節拖拉機的液壓系統來控制后旋切刀軸的旋切施肥深度。

4 試驗與分析

4.1 試驗設備

由于在田間作業時不易于測量刀軸轉速和功率等相關試驗參數，因此本試驗于江蘇大學土壤試驗臺進行。如圖6所示，該土槽長度為17 m，寬度為2 m，土槽內的土壤從果園中獲取。試驗前對土槽內土壤進行整理：（1）每次試驗前都要翻土，敲碎板結的土塊，均勻適量灑水;（2）將土壤進行分層壓實;（3）灑水、壓實后的土壤放置約1 d，使土壤中水分均勻滲透。試驗時測得土壤的平均含水率約為24%。依據GB/T 20346.1—2006《施肥機械 試驗方法》、GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件 測定方法的一般規定》等相關國家標準和JB/T 9803.2—1999《耕整機 試驗方法》的規定，對功率、土壤和肥料混合的均勻性差異系數、碎土率等試驗指標進行測定。

4.2 試驗指標及其測試方法

4.2.1 功率 本試驗通過安裝的傳感器來測量相應的轉速和扭矩，再根據功率與轉速和扭矩之間的關系式間接測出所需功率的大小。功率計算公式為P=T×n9 550。

4.3.1 數據處理 該試驗采用SAS 9.4軟件對數據進行處理。

4.3.2 試驗結果極差分析 由表3可知，以功率作為試驗指標時，各試驗因素水平的較優組合為A1B3C1，各因素作用的影響順序為前進速度>施肥深度>刀軸轉速;以土壤和肥料的混合均勻性變異系數作為試驗指標時，各試驗因素水平的較優組合為A1B3C3，各因素作用的影響順序為以前進速度>刀軸轉速>施肥深度;以碎土率作為試驗指標時，各試驗因素水平的較優組合為A1B3C3，各因素作用的影響順序為以前進速度>刀軸轉速>施肥深度。

5 討論

果園的施肥方式主要有開溝施肥和挖穴施肥，即由施肥機進行開溝和挖穴，人工在所開的溝槽或穴內進行施肥，然后再由人工進行埋土，加大了勞動強度以及人工成本。雖然也有部分施肥機可以對果園機械化施肥，但大多是針對顆粒肥的機械化施肥，不能施像廄肥這樣的有機肥。本試驗設計的果園有機肥旋切變深施肥機不僅可以進行機械化施肥，也可以對果園進行廄肥的機械化施肥。該機在試驗時僅考慮了前進速度、刀軸轉速、施肥深度對指標影響的大小，并沒有考慮土壤平整度以及土壤類型對指標的影響情況。因此，本試驗的研究結論僅在特定的土壤含水率、土壤平整度以及堅實度條件下適用，對于其他土壤特征形式仍需要更加深入的研究和分析。

6 結論

分析了果園有機肥旋切變深施肥機作業時的力學性能，根據作用力與反作用力的關系建立了驅動力與土壤阻力之間的關系，并建立了驅動力矩與阻力矩的力學方程，找出了在作業過程中影響土壤阻力大小的相關因素。

果園有機肥旋切變深施肥機集旋切-施肥-覆土于一體，降低了果農的勞動強度，改變了傳統果園的施肥方式;同時，不僅施肥量可以根據果園的需求進行調節，施肥深度也可根據需求進行調節且最大施肥深度可達40 cm。

根據試驗結果可知，在施肥作業的過程中影響綜合指標的因素按照試驗分析的結果排序為前進速度>刀軸轉速>施肥深度，相關因素各水平的最優參數組合為A1B3C1，即前進速度為0.1 m/s，刀軸轉速為250 r/min，施肥深度為20 cm，此時功率為1.75 kW，土壤和肥料混合均勻性變異系數為20.31%，碎土率為81.36%。

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