丘陵山區果園開溝施肥機的研制—基于農機與農藝融合

王 攀，陳 建，余滿江，庹洪章，盧營蓬，易文裕,3

(1.四川省農業機械研究設計院，成都 610066；2.西南大學 工程技術學院，重慶 400715；3.農業部丘陵山地農業裝備技術重點實驗室，成都 610066)

0 引言

在水果生產中，開溝施肥是提高水果產量和質量的重要途徑，也是勞動強度較大的一項工藝過程[1]。國外發達國家農業機械化發展較早，果園規劃較好，建園初期就充分考慮了機械作業，在20世紀八九十年代已經基本實現果園施肥的機械化作業。目前，發達國家的果園施肥機械自動化程度較高，施肥機械廣泛采用較為先進的技術，如智能傳感技術、自動避障裝置、精準農業如變量施肥技術等[2-4]。

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

丘陵山區果園開溝施肥機械化作業水平低是目前水果生產中亟待解決的問題。為此，綜合考慮丘陵山區果園農機與農藝的融合，設計了一種立式單軸果園開溝施肥機。

1 基于農機與農藝融合的果園開溝施肥作業方式的研究

農機與農藝融合不好已經嚴重制約我國農業機械化的發展。現代農機設計中，農機與農藝是否緊密結合已逐步成為衡量農機設計成功與否的重要因素[6-7]。為研制適合在我國丘陵山區果園中進行開溝施肥作業的機械，基于丘陵山區果園的作業環境、農藝要求、作業效率和機具利用率等方面考慮，從施肥種類、機具的行進路線及動力匹配等方面提出農機與農藝相結合的丘陵山區果園開溝施肥的作業方式。

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，農家肥的施肥量遠大于有機肥，液體肥料可采用給果樹“打針輸液”、滴灌等方法進行施肥。據調查，目前川渝等地的丘陵山區果園施肥主要是將顆粒肥料(如尿素)等施入開挖的溝中，比較適合小型機械施放，因此所設計開溝施肥機施肥種類確定為顆粒肥料。

1.2 作業行進路線的選擇

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，還能夠對果樹進行局部斷根。合理的局部斷根有利于促進果樹發出更多的毛細根，提高果樹對水分和營養的吸收利用能力[8]。因此，選擇合適的作業行進路線對肥料的吸收和斷根的質量具有較大的影響。

目前，果園開溝施肥方式主要有環狀溝施肥法、放射溝施肥法及行溝施肥法等。環裝溝施肥法是圍繞果樹樹冠在地面投影的外緣挖一條環形施肥溝，優點在于節約肥料，且果樹對肥料的吸收較好；缺點在于環形開溝對開溝范圍要求較高，機械作業難度較大。放射狀溝施肥法是在距離樹干1m左右處開挖4～8條由內及外逐漸加深的放射狀溝，優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，作業效率高，適合機械化作業，但對于株距較寬的果園會增加施肥量。

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

1.3 作業參數的選擇

丘陵山區果園地面坡度較大，作業空間較為狹窄。一方面，考慮目前能夠在丘陵山區果園中正常作業的動力機械功率較低，如一些小型手扶拖拉機功率不超過10kW，使用較多的微耕機功率更小；另一方面，綜合考慮丘陵山區果園開溝施肥的農藝要求，所設計果園開溝施肥機的開溝深度不低于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，因此所設計施肥裝置每轉動1周施肥量應該一定范圍內可調。綜合考慮不同果樹對各種顆粒復合肥的施肥量要求，施肥裝置施肥量在0～0.3kg/r范圍內可調。

2 整機方案的選擇

2.1 果園開溝施肥機動力機械的選擇

研究表明[9]：國外發達國家平均每臺動力機械匹配農具為6部左右，我國平均每臺動力機械匹配的農具僅為1.63部，而我國丘陵山區平均每臺動力機械匹配農具只有1.16部。相比而言，我國的動力機械利用率很低，如重慶地區使用較多的微耕機，每年實際作業時間不足100h，造成極大的資源浪費[10]。調查顯示，丘陵山區果園多為家庭承包制，規模較小。因此，采用作業機械與動力機械分離的方式，動力機械可與其他作業機械進行匹配作業，能夠有效提高動力機械利用率，減輕果農經濟負擔。故本文設計的開溝施肥機為僅進行開溝施肥的作業機械，不包含動力機械。

根據丘陵山區果園開溝施肥作業方式對開溝施肥機的性能要求，選擇合適的動力機械與開溝施肥機匹配作業。通過對丘陵山區使用較為普遍的動力機械進行篩選發現，重慶合盛工業有限公司生產的1WG6.3型微耕機滿足要求，該機配備凱奧186F柴機油，額定功率為6.3kW，作業速度0.1～0.4m/s。其扶手可進行360°旋轉，能夠在丘陵山區的果園中靈活轉移和作業，且該機配有動力切斷裝置，可對輸出動力進行靈活控制，安全性較高。該機還配備有旋耕機、除草機、馬鈴薯收獲機等作業機械，可有效提高動力機械的利用效率。因此，初步選定該機作為所設計開溝施肥機的動力裝置。

2.2 開溝部件的選擇

傳統的鏈式開溝裝置開溝深度大，作業功耗也較大，需配備較大的動力機械。圓盤式開溝裝置體積較大，溝深超過250mm后功耗較大，不適與小型動力機械匹配作業[11]。為了既滿足開溝的農藝要求，又能夠與小型動力機械匹配，設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，作業后拋出的土壤大都落入溝中，大大加重了清溝作業量。對于含水率較高、粘性較大的土壤，螺旋開溝裝置易發生堵塞現象，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

根據丘陵山區果園農機與農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，從裝置結構簡單、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行排肥作業；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行排肥作業。

由于丘陵山區果園作業環境狹窄，采用從動力機械分出動力的方法會增加機具的復雜程度和增大機具體積，不利于整機的緊湊性和輕巧性。試驗表明：由于丘陵山區地面崎嶇不平，采用地輪提供動力穩定性較差，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。而采用小型電機驅動排肥軸轉動進行排肥作業不僅能夠保證排肥的均勻，而且結構簡單，便于控制；同時，由于驅動電機采用按鈕控制，能夠根據需求實行間斷排肥，避免因株距過寬造成肥料浪費。因此，排肥裝置采用電機驅動的方法。

3 整機結構與工作原理

3.1 立式單軸果園開溝施肥機的整機結構

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

1.動力機械輸出軸 2.支架 3.施肥裝置 4.清溝犁 5.旋轉刀具 6.傳動裝置 7.擋土導流裝置

3.2 立式單軸果園開溝施肥機的工作原理

作業時，開溝施肥機的支架與動力機械之間采用銷連接，動力機械的動力輸出軸與開溝施肥機傳動裝置通過連接爪連接。

動力機械輸出動力通過連接爪傳遞給開溝施肥機的傳動裝置，經過傳動裝置完成90°轉向后傳遞給立軸。立軸帶動安裝有刀片的刀座旋轉進行開溝作業，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。拋出的土壤經過擋土導流板的導向后落在溝的右側，安裝在立軸后方的清溝犁對落在溝中的浮土進行清理，完成開溝作業。

施肥裝置由ZGB37R小型電機驅動，在施肥軸的轉動下固體顆粒肥料落入落料斗并經導肥管最終落入溝中，完成施肥過程。

4 關鍵作業部件的設計

4.1 開溝部件的設計

4.1.1 開溝裝置的設計

開溝裝置主要由旋轉刀具和清溝犁組成，如圖2所示。

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

旋轉刀具由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。試驗發現，刀片在作業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。根據農機與農藝融合的作業參數選擇，開溝截面寬度不超過500mm。綜合考慮開溝最大寬度、結構緊湊性等因素，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律和開溝寬度的農藝要求。折彎角的改變只影響刀片下部分與水平面的夾角，進而改變最大開溝深度及土壤質點在刀片下部分的運動軌跡。仿真與試驗表明：當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設計為20.7°。

1.耐磨小刀片 2.安裝孔 3.側擋板 4.主體刀片

清溝犁采用可調式主副板結構，如圖2(b)所示。副擋板通過螺栓與主擋板連接在一起，作業時可根據清溝效果調節主、副板的重合率，進而改善清溝犁的作業效果，以適應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，減少作業面積，避免主板與溝壁接觸，以降低作業功耗；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，增強清溝效果。

4.1.2 擋土導流裝置的設計

果園在進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，又不至于使土壤在施肥前落回溝中。為此，設計了一種可調組合式擋土導流裝置，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.鏈齒調節機構 3.中間擋板 4.固定擋板 5.外擋板 6.滑桿調節機構

作業時，可根據土壤拋撒情況，通過鏈齒調節機構和滑桿調節機構分別調節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，同時避免拋灑距離較遠而不利于后期回填作業。

采用3塊擋板組合的擋土導流裝置，有效增加了擋土導流裝置的可調節角度范圍，使其調節更加靈活，可有效避免調節死角。

4.2 施肥部件的設計

參照《農業機械設計手冊》[12]設計外槽輪式施肥裝置，該施肥裝置采用6V蓄電池供電，由ZGB37R小型電機驅動排肥軸旋轉作業，如圖5所示。

1.肥量調節板 2.肥料箱 3.驅動電機 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

電機的開關控制按鈕作業時可安裝在動力機械的操縱手柄上，便于控制。由于丘陵山區果園作業空間狹小，為保證整機的平衡性和作業效率，需要設計大小、結構合理的肥料箱，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 肥料箱結構三視圖Fig.6 Three views of fertilizing box structure

根據丘陵山區果園農機與農藝融合對排肥量的要求，參照相關行業標準[13]，外槽輪排肥器的轉速設置為30r/min，排肥軸工作長度在0～140mm的范圍內調動，施肥軸每轉1周最大排肥量為0.288～0.33kg，可通過抽拉肥量調節板調節排肥軸實際工作長度來調節排肥量。ZGB37R小型電機額定轉速72r/min，因此設計電機輸出軸齒輪與排肥軸齒輪傳動比為2.4:1。

5 整機田間性能試驗

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

5.1 試驗方案

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

在進行田間性能試驗前，需要對果園的某些參數進行測量，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、施肥效果及作業效率等參數進行測試。因此，試驗準備有秒表、皮尺、深度尺、土壤堅實度儀及環刀等測量工具，相關參數的測量參照國家標準GB/T5668.3-1995完成。

土壤含水率測量采用環刀取樣、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，測試完成后可將數據導出處理。

5.2 柑橘園性能試驗

2016年9月，在重慶市涪陵區某柑橘園進行田間試驗，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。在該柑橘園進行開溝作業過程中，機器運行平穩，能夠實現一次作業完成開溝、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，機具平均生產率為1 462m/h。由于地形的影響，機手在作業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。在作業過程中，開溝施肥機運行平穩后，由于采用電機驅動施肥裝置，排肥均勻性好。

圖9 柑橘園開溝作業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，平均生產率為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，將微耕機扶手180°旋轉進行井字形開溝作業，作業效果良好，如圖10(b)所示。

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

6 結論

基于丘陵山區果園農機與農藝的融合設計了一種立式單軸果園開溝施肥機，能夠以丘陵山區使用較多的微耕機作為動力機械完成果園開溝施肥工藝過程。其作業性能滿足丘陵山區果園開溝施肥的農藝要求，一次作業可完成開溝和施肥兩項工藝過程。后期可對該機進行進一步的優化(如優化開溝裝置的結構)，增加覆土裝置，使其一次作業能夠完成開溝、施肥、覆土3項工藝過程。