多功能果園田間管理機設計與試驗

林悅香,尚書旗,王東偉,遇海濤,張成福

(1.青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2.高密市益鋒機械有限公司,山東 高密 261501)

0 引言

我國農作物的栽培面積接近1.4億hm2,其中果樹栽種面積約占6%,果樹種植面積和水果產量已經躍居世界第一。果樹栽培面積和產量排在前列的有廣東、山東和河北等省份,大宗果樹種類主要是蘋果、柑橘和梨[1]。現在我國農業產業化發展比較迅速,而果樹又是一種經濟效益較高的作物,這就要求果園生產需要高度機械化,特別是管理環節多樣,亟需一種集多功能于一身的果園管理機來滿足大型果園機械化生產[2-4]。本機依據不同果園的土壤差異和不同品種果樹的栽植方式差異,為解決果園中肥料深施等多過程集成作業中存在的機械化關鍵技術難題[5],設計了斜置支撐與V型雙圓盤組合升降式開溝機構及顆粒與粉狀肥料定向兼施、塊狀有機肥開溝深施等關鍵部件,集定向開溝施肥自動回填、單獨寬深開溝等多功能于一體,彌補了業內的空缺。

早在20世紀,國外就進行了果園開溝施肥機的研究,曾運用以鏵式犁為主要部件的開溝機,其開溝深度為30～50cm,構造簡單、速度快、效率高,但不適合在較硬的土地里進行作業活動,且開出的溝非常不規則,只依附拖拉機的牽引力,功率損耗極大。后期,隨著大功率拖拉機的出現,旋轉式開溝機已有生產,開溝深度較大,所需的牽引力較小、適應性強,能夠打碎土塊,所開溝形穩定規則[6]。目前,日本、德國和美國等,果園管理專用機械化水平達100%,但引進國外機械存在與國內的種植模式不適應且成本較高[7-8]等問題。

我國傳統的果園種植形式是以喬化果園為主,空間狹小,大型拖拉機和農機無法進入,通過性差[9],而如果開溝施肥等環節全部人工實現,則存在用工短缺、勞動強度大、工作效率低[10-11]等缺點。東北農業大學研制的1KL-100型立式螺旋開溝機可以實現在旱田及水田地中挖溝[12]。云南農業大學研制的1KS-22型雙軸開溝機可同時完成切土和拋土,從而實現開溝[13]。新疆農業科學院農業機械化研究所研制的LK-40型偏置式果園開溝機用于果園施肥開溝、種樹開溝[14-18]。但是,以上設備都存在機型較大、通過性較差的問題,因此研發這樣一款多功能果園管理機,是十分必要的,既能用于現代模式的寬行密植果園,又能用于目前占比較大(80%～85%)的傳統喬化果園。

1 整機方案設計與工作原理

1.1 總體方案設計

自走式多功能管理機主要包括動力裝置、施肥裝置、開溝裝置、傳動裝置和行走裝置等,依靠機械傳動及液壓系統實現整機的各種動作,如圖1所示。

1.施肥箱 2.排肥器 3.開溝機罩殼 4.開溝刀 5.開溝刀安裝座 6.傳動箱 7.傳動箱 8.油缸 9.機架 10.驅動輪 11.變速箱 12.傳動鏈 13.支撐輪 14.動力輸出箱 15.燃油箱 16.柴油機總成 17.履帶 18.導向輪 19.罩殼圖1 多功能田園管理機(開溝施肥回填狀態)結構簡圖Fig.1 Sructure diagram of the multifunctional orchard and field management machine (ditching fertilization and backfill)

1)選擇4缸柴油機為整機主要動力源,輔以液壓裝置完成機具的升降作業功能。

2)施肥裝置:設計絞龍排肥器強制推進施肥,通過改變絞龍排肥器的轉速和排肥器進肥口的大小控制施肥量,以解決傳統的外槽輪式排肥器對粉狀肥料無法正常施肥的技術難題[19-21]。

3)開溝裝置:利用斜置支撐與V型雙圓盤組合升降式的開溝機構。在傳動箱輸出軸的兩端,安裝雙圓盤開溝刀,使其在工作過程中成V型狀態轉動,能用較小直徑的圓盤刀實現寬深開溝,開溝深度達30～40cm。

4)傳動裝置:使用變速齒輪箱將發動機動力傳遞給行走裝置和開溝施肥裝置,開溝裝置與變速齒輪箱之間用齒輪箱傳動[22],可靠耐用。

5)行走裝置:采用履帶行走機構,可以在泥濘的果園田間實現平穩行走,對土壤壓強小,附著性能好,在土壤潮濕及松軟地帶有較好的通過性能,牽引效率高[23-24]。

1.2 動力選型計算

1.2.1 牽引功率計算

行走裝置所需牽引功率應滿足以下要求,即

(1)

式中P行—行走裝置所需牽引功率(kW);

F驅—行走機構所需驅動力(kN);

v—行走速度(km/h);

η1—傳動機構效率;

η2—行走裝置效率。

行走時,裝置會受到內部阻力和外部阻力,外部阻力F1可以用機器的重力G和外部滾動系數乘積表示,即

F1=Gf1

(2)

其中,f1取決于工作環境,工作環境為果園和田間(多為黃土和黏土),則f1=0.07。

內部阻力F2是零件內部的滾動摩擦阻力,即

F2=Gf2

(3)

其中,f1一般取值為0.05～0.07,取f2=0.06。

整機質量1 300kg,行進速度取理論中間值3.8km/h, 那么驅動力可帶入計算,即

F驅=F1+F2=G(f1+f2)

(4)

另取η1=0.95,η2=0.90,則行走所需牽引功率為

(5)

1.2.2 開溝施肥裝置功率計算

根據設計任務要求,工作場合為農田和果園,開溝施肥裝置功率P為[25]

P開溝=1×10-5Kλ·h·v·B

(6)

其中,Kλ為開溝比阻(N/cm2)。

Kλ=KgK1K2K3K4

(7)

式中Kg—土壤堅實度(N/cm2);

K1—溝深修正系數;

K2—土壤含水率修正系數;

K3—枝干落葉植被修正系數;

K4—作業方式修正系數[25];

h—開溝深度(mm);

v—前進速度(m/s);

B—開溝寬度(mm)。

根據實際要求,h= 350mm,v=0.42m/s,B=250mm;農業機械手冊Kg=120N/cm2,K1=1.0,K2=0.95,K3=1.2,K4=0.48。將數值帶入公式,則P開溝=24.1kW。

綜合牽引功率與開溝施肥功率,選擇配套動力為大于26kW的柴油機。

1.3 工作原理

多功能果園田間管理機主要包括行走模塊、開溝回填模塊、施肥模塊及單獨開溝等模塊。發動機輸出動力通過齒輪變速箱變速后分別傳遞到行走模塊和開溝施肥等模塊。行走模塊采用履帶式行走裝置,避免輪式行走裝置在低矮的果園中通過性較差問題。本機單條履帶的牽引力便可達到整機質量的30%～40%,當單條履帶停止轉動時可實現最小轉彎半徑,轉彎較輪式更為靈活。

開溝裝置動力傳遞采用齒輪傳動,傳動可靠,避免了在惡劣工作環境中皮帶傳動及鏈傳動故障頻發問題。開溝刀具使用圓盤刀,利用斜置支撐與V型雙圓盤組合升降式開溝機構,在傳動箱輸出軸的兩端安裝雙圓盤開溝刀,用球籠軸承將輸出軸和外殼連接,使其在工作過程中成V形狀態轉動,可以實現用較小直徑的圓盤刀實現寬深開溝。

施肥裝置采用絞龍裝置排肥,可以有效簡化結構,并實現顆粒肥和粉狀肥兼施問題。通過更換尾部的裝置可以實現多功能集于一身,達到快速切換工作狀態的要求。

1.4 設計參數

本機設計參數與性能指標,如表1所示。

表1 設計參數與性能指標Table 1 Design parameters and performance indicators

2 開溝模塊的設計

現在果園機械難以實現塊狀有機肥的深施,開發單獨開溝裝置(見圖2),以便實現寬深開溝,施用大塊有機肥,提高果品產量。

1.動力輸入軸 2.錐齒輪 3.傳動箱主軸 4.齒輪箱 5.齒輪軸 6.開溝刀 7.連接螺栓 8.軸承 9.軸承座 10.小齒輪 11.大齒輪 12.開溝刀軸圖2 單獨開溝裝置Fig.2 Individual trenching module

開溝裝置主要由齒輪箱、刀盤組成,通過齒輪箱傳動,并通過輸出軸帶動開溝刀盤轉動,開溝刀盤上的刀具隨著刀盤轉動,各個刀片依次切割土壤。由于刀具有一定的弧度,使得被切割土壤拋至溝的兩側,達到開溝的目的。開溝裝置采用斜置支撐從而實現V形轉動,實現可以用較小的刀盤直徑開出更寬更深的溝槽。

2.1 刀具設計

由于斜置支撐的存在,開溝裝置可以實現V形轉動,無需較大的刀具彎角便可實現將溝內挖出的土拋至溝的兩側,防止其回填。

根據GB/T699-1999技術條件,應選用65Mn鋼以達到開溝的強度等要求,切削刃須進行淬火處理,刃口曲線形狀誤差不大于3mm,滿足設計要求。

2.2 斜置支撐設計

通過斜置支撐(見圖3),實現開溝裝置V形轉動。在斜置支撐上套有軸承,實現刀盤和刀具繞斜置支撐轉動,使得刀具可以做V形轉動,用較小的直徑便實現寬深開溝,達到要求的開溝深度和寬度。

圖3 斜置支撐Fig.3 Inclined support

3 開溝施肥回填裝置設計

3.1 刀具設計

與單獨開溝刀具不同,開溝施肥回填裝置刀具采用彎刀[26],可以實現切土同時進行回填的功能,保證裝置的有效性。因此,刀具采用65Mn鋼以達到開溝的強度等要求,切削刃須進行淬火處理,刃口曲線形狀誤差不能大于3mm,滿足要求。

3.2 施肥裝置設計

施肥裝置(見圖4)可以實現顆粒與粉狀肥兼施,通過絞龍裝置強制推進排肥,解決了傳統的外槽輪排肥器對粉狀肥料無法正常排肥的技術難題,滿足了現代果園的工作要求,并且可以通過調節絞龍裝置的轉速和改變上方進肥口的大小來控制排肥量,滿足不同樹齡果樹需肥量不同的作業需要。

圖4 施肥裝置Fig.4 Fertilizing device

3.3 鏈傳動設計

該傳動輸出用作肥料排出裝置的驅動,所需力不需太大,所以鏈輪直徑無需過大[27]。齒輪箱中輸出為14齒,根據設計要求,施肥箱絞龍轉速約為200r/s,齒輪輸出轉速為395r/s左右,則絞龍連接鏈輪設計為28齒,傳動比為i=Z2/Z1=28/14=2,絞龍轉速則為197.5r/s,滿足設計要求。

為保證鏈輪傳動的有效性,在兩中間加裝傳動鏈張緊輪,使鏈條保持一定的張緊度,以提高鏈傳動的穩定性。

3.4 螺旋排肥器設計

目前,已有果園機械的排肥裝置多為外槽輪式排肥裝置,主要依靠肥料自身的重力來實現排肥,會出現堵塞現象,且通過調整外槽輪的工作長度來改變排肥量,無法實現粉狀化肥排肥量的控制,輕則造成肥料撒漏損失,嚴重時過多的肥料集中于作物根部導致作物燒根[28]。

本設計采用螺旋排肥器,當其沿軸向轉動時,可以將內部的肥料排向外部,在其上方用隔板控制肥料進口的大小,防止過多肥料進入而阻塞。這樣,可以有效解決顆粒狀肥料和粉狀肥料不能使用同一排肥器的問題,同時有效控制排肥速率,節省肥料,使肥料達到充分的利用。

絞龍的輸送效率為

=0.167kg/s

(8)

式中λ—外殼與葉片間隙,λ=2.5mm;

D—外殼直徑,D=115mm ;

d—葉片直徑,d=110mm;

t—螺距,t=103mm;

n—轉速,n=200r/min;

Ψ—輸送肥料時的充滿系數,Ψ=0.3;

y—輸送物料容量,y=900kg/m3;

C—輸送器的傾斜輸送系數,C=1 。

該絞龍的設計中,肥料的輸出效率大于肥料的輸入效率,滿足設計要求。

4 行走裝置設計

由于作業環境存在較狹小情況,選擇履帶式行走裝置(見圖5),可以實現最小1.8m半徑轉彎,可以很好解決傳統果園農機無法入園作業問題。

1. 導向輪 2.支撐輪 3.驅動輪圖5 行走裝置總成Fig.5 Walking device assembly

行走裝置的動力來源于固定在輸出軸的驅動輪上,裝卡在履帶中的孔隙,帶動履帶轉動。機體的質量要壓在支重輪上,支重輪起承重作用;導向輪承擔導向作用,防止履帶松動和跑偏。

4.1 履帶寬度設計

履帶寬度為

式中M—整機質量,M=1t。

因此,b=188～230mm,取履帶寬度為230mm,滿足要求。

4.2 履帶接地長度設計

履帶接地長度計算公式為

(9)

式中G—設備總重量,G=1000×9.8=9 800N;

[q]—設備平均接地壓強,查《工程機械底盤構造與設計》可知,[q]=20kPa。

因此,L0=1.065m。本機有5個驅動輪,則平均每個驅動輪間隔267mm,滿足要求。

5 試驗數據及分析

為測試所制樣機性能,在山東省濰坊市高密市升恒莊村的農場進行了開溝裝置和施肥裝置的試驗,如圖6、圖7示。試驗田土壤樣本為棕色森林土。

圖6 開溝裝置試驗過程照片Fig.6 Photo of test the trenching device

圖7 開溝施肥回填裝置試驗過程照片Fig.7 Photo of test Ditching fertilization and backfill device

5.1 開溝裝置試驗數據

按照相同的作業長度、不同的作業檔位和不同的開溝深度,進行了開溝數據統計分析,如表2所示。

表2 開溝裝置試驗數據Table 2 Data of test the trenching device

5.2 開溝施肥回填裝置試驗數據

按照相同的作業長度、不同的作業檔位和不同的開溝深度對回填的試驗據統計分析,如表3所示。

表3 開溝裝置試驗數據Table 3 Data of ditching fertilization and backfill device

5.3 單獨開溝裝置試驗數據分析

試驗數據表明:在最低檔時,開溝寬度頂部為(45±1)cm,底部為(30.5±1.5)cm,開溝深度為(40±2)cm,平均前進速度為308.57m/h,總體開溝穩定性大于95%,符合《DG-T 072-2016田園管理機》的標準要求的85%,合格;高檔位時,開溝深度需要適當調淺,寬度隨之變窄,因為在高速前進時,開溝裝置沒有充足的動力供給,必須抬高裝置來滿足開溝要求,開溝的穩定性也大于標準要求[29]85%,符合設計要求。

5.4 開溝施肥裝置試驗數據分析

試驗數據表明:施肥深度和施肥量與行走速度成反比,當速度低時,可以將肥料施到更深處。計算得知總排肥量穩定性變異系數≤7.8%,符合《DG-T 072-2016田園管理機》[30]的標準要求。

6 結論

通過實測數據得知,所設計樣機能夠達到設計標準要求。由于采用履帶行走,可以用于現代寬行矮砧密植果園,又可用于傳統喬化果園。本設計將果樹生產管理多環節所需機械作業過程集合到一臺機器上,提高了果園機械化水平更提高了作業效率,降低管理成本。樣機實現了可以通用于粉狀肥料和顆粒肥料排出,解決了槽輪排肥機構無法很好地將粉狀肥料排出的問題。通過更換開溝刀具,可以實現大塊有機肥寬深開溝問題,提高了肥料利用率,減少了人力的使用。