果園履帶式偏置開溝施肥機研制與試驗

柳國光， 王 濤， 樓婷婷

（浙江省農業機械研究院，浙江 金華 321017）

0 引言

水果種植在我國的農業種植業中占比較高，單位面積的經濟效益也相對較好，并且易于和觀光旅游、采摘游玩等現代服務業相結合，是調整農村產業結構、提高農民收入、促進鄉村振興的重要產業之一。浙江省地處丘陵地帶，果園多建于緩坡地，地形復雜且土質一般，為提高水果產量和果品品質需給土壤添加額外的有機質[1-2]。開溝施肥既能疏松土壤、加速根部生長，又能施肥覆土、保持水肥、實現肥力最大化利用，是理想的改善土壤肥力的手段[3]。然而浙江省丘陵地區果園存在果樹分布密集、機械通道狹窄、地面不平整且坡度起伏較大等問題，使用北方果園成熟的開溝施肥機適應效果一般，并且對部分水果果樹近距離開溝施肥的要求難以滿足。果園近距離開溝施肥作業常采用手扶式開溝機開溝后再人工施肥，或純人力開溝施肥，勞動強度大、勞動力成本高，再加上浙江省農業從業人員高齡化問題，果園種植業面臨成本和用工荒雙重壓力，可持續發展面臨嚴峻挑戰，迫切需求高效穩定的開溝施肥裝備。

開溝施肥是果園管理中勞動力最為密集的環節之一，面對農業勞動力的缺失，機械化開溝施肥是我國果園管理的發展趨勢[4-6]。目前國內對果園開溝施肥機械化作業的研究已經比較全面，在機架優化、開溝器仿真設計、施肥器排肥量調節、液壓系統、控制系統設計及配套履帶式動力底盤等方面都進行了一定程度的研究，獲得了比較多的成果[7-13]。同時，也進行了許多果園開溝施肥機整機的研究與應用[14]。但多數開溝施肥機還是以開溝器居中為主，側邊開溝施肥的產品較少且開溝深度不能調整或調整范圍較小，不能消除丘陵緩坡果園地形起伏對開溝深度的影響，也無法滿足部分果園靠近果樹位置的開溝施肥要求?；诖耍兄屏艘慌_開溝深度可調的履帶式偏置開溝施肥機，實現緩坡果園管理中近距離開溝施肥作業的機械化。

1 整機結構及技術參數

偏置開溝施肥機由履帶式動力底盤、后輸出動力組件、機架、開溝動力傳動機構、施肥機構和開溝裝置等組成，其結構如圖1 所示。

圖1 偏置開溝施肥機結構Fig. 1 Structure of offset ditching fertilizer applicator

該開溝施肥機采用模塊化設計，可整體更換，以最大化利用履帶式底盤。開溝施肥裝置安裝在機架上，與后輸出動力裝置均通過螺栓安裝在履帶式動力底盤上，履帶底盤可以通過換裝其他機具實現旋耕、粉碎和土壤回填等作業。開溝施肥機作業時由履帶底盤牽引開溝機前進，并由后輸出動力組件提供開溝作業動力，通過膠帶、變速箱和十字萬向傳動軸傳遞給開溝機帶動鏈式開溝刀進行開溝作業。施肥機構由緊壓在地表的地輪驅動下肥，可實現行走過程的均勻施肥。開溝升降機構用于在履帶底盤行走地面和開溝施肥作業地面存在高度差時調整開溝裝置的初始高度，使開溝深度更為穩定，開溝機的適用范圍更廣。開溝施肥機的技術參數如表1 所示。

表1 偏置開溝施肥機主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of offset ditching fertilizer applicator

2 關鍵部件設計

2.1 動力底盤設計

丘陵緩坡果園相比大田果園存在果樹密集和地形起伏大的情況，因此選擇結構更為緊湊的履帶式底盤作為動力裝置。履帶底盤在通道狹窄、坡度較大的果園行走和作業時更為方便，但存在爬坡驅動動力消耗大的問題，再加上開溝作業的高功率輸出要求，使得開溝施肥機的動力底盤既要滿足尺寸小、又要有充足的功率輸出。

為滿足開溝施肥機提高作業穩定性的同時盡可能縮小底盤外形尺寸的要求，采用雙動力驅動系統來避免行走和開溝動力分配器的功率損失，如圖2 所示，履帶動力底盤主要由電控齒輪箱、制動部件、行走輪系及履帶行走機構等部分組成。采用6.6 kW 汽油機作為行走驅動動力，汽油機安裝在履帶之間降低底盤的重心提高防側翻能力；采用18 kW 左右柴油機作為配套農機具的動力，柴油機安裝在履帶底盤的后上方，保障輸出動力充足，簡化傳動機構并減少傳動環節的動力損失，同時使履帶底盤的結構更為緊湊。

圖2 履帶式動力底盤結構Fig. 2 Structure of crawler type power chassis

履帶底盤作業時由行走汽油機輸出動力，經過電控齒輪箱傳遞給獨立的左右履帶輪主動軸，通過控制齒輪箱的前進、后退、快慢速擋位進行相應的作業操作。電控齒輪箱輸出到左右履帶輪的動力和轉速可以獨立控制，速度相同時驅動底盤直線行走，差速時實現穩定轉彎。制動部件除提供履帶停止所需制動力外，還可以通過單側制動來減小轉彎半徑、實現原地掉頭，優化履帶機的轉向功能。

2.2 開溝裝置設計

果樹近距離開溝施肥時，果樹的附近有土壤堆積或成壟形，開溝施肥作業面相對履帶底盤行走的中間位置較高，為保證該落差較大時的開溝深度，設計了高度提升機構。開溝裝置總體結構如圖3 所示，主要由鏈式開溝刀、開溝下壓液壓缸、升降座、安裝固定架和提升液壓缸組成。開溝刀和下壓液壓缸作為整體安裝在升降座上，下壓液壓缸作用是將開溝刀下壓以完成開溝作業，并通過4 根導向軸和升降液壓缸與安裝架連接，可由升降液壓缸驅動進行上下位置的調整，解決不平整地形下近距離開溝的高度差問題。同時，在挖掘深度特別大的情況下，開溝機構配合升降機構作業可以實現更大范圍的開溝深度調整，適用范圍更廣。

圖3 開溝裝置結構Fig. 3 Structure of ditching device

2.3 施肥裝置設計

施肥裝置要保證施肥的均勻性和連續性，因此采用地輪隨動施肥機構保證行走時才施肥，并增加了緩存肥箱避免缺肥漏施的情況。施肥裝置如圖4 所示，主要由主肥料箱、緩存肥料箱、地輪輸肥組件、同步帶傳送機構和安裝機架等組成。施肥器安裝在緩存肥料箱底部與施肥波紋管連通，施肥器轉軸由地輪通過同步帶驅動，作業時地輪跟隨底盤前進而轉動，此時施肥器轉軸旋轉開始向波紋管排肥并施入開溝裝置開好的施肥溝。當底盤停止前進時，地輪也停止轉動，施肥器停止排肥，可以避免在停止位置過量排肥，保證施肥量均勻。緩存肥料箱由主肥料箱輸送肥料以保證肥料量的穩定性，一方面可以避免肥箱肥料存量變化對排肥量的影響，另一方面在主肥料箱肥料不足時可以繼續作業并在作業時添加肥料而不需要停機加肥，還可以減緩因疏忽未及時添加肥料造成的漏施肥情況。

圖4 施肥裝置結構Fig. 4 Structure of fertilizer application device

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2021 年12 月，在浙江省農業機械研究院現代農機創新基地進行田間試驗，偏置開溝施肥機田間轉移（空載）速度為4 km/h，開溝施肥作業速度≤1.5 m/s，按照試驗效果，逐次降低行駛和作業速度以獲得可靠的運行數據。使用游標卡尺和卷尺等工具進行測量，試驗地塊平均坡度為15°，土壤為一般黃壤土，含水率18%左右，土壤較為堅實，試驗所用化肥含水量1%，顆粒直徑約4 mm。

3.2 試驗結果

試驗主要檢驗開溝施肥機空載爬坡和開溝施肥作業效果。其中空載爬坡測試開溝施肥機的最大爬坡角、空載行駛速度和最小轉彎半徑等，以確定開溝施肥機的適用范圍；開溝施肥作業測試開溝施肥機的溝深、溝寬、施肥效率和適用果園坡度等。試驗結果如表2 所示，基本滿足緩坡果園開溝施肥作業要求。

表2 偏置開溝施肥機性能試驗結果Tab. 2 Performance test results of offset ditching fertilizer applicator

試驗結果表明，在田間轉移方面，履帶式開溝施肥機空載時運行平穩，行駛速度最高可達4 km/h，履帶底盤左右驅動輪采用獨立制動，雖然理論上可以實現原地掉頭，但由于設備自身尺寸的限制，試驗表明能順利掉頭的最小轉彎半徑為1.5 m，在種植規范的果園里通過性較好，空載最大爬坡角度可達22°，滿足大多數果園的使用要求。在開溝施肥適用性方面，由于開溝作業使阻力大幅增加，最大作業速度下降至1 km/h 左右，爬坡性能下降至12°，但由于緩坡果園只有在局部會出現坡度較大的情況，并且可以采用下坡作業的方式解決，因此該機仍能滿足多數果園的使用要求。在開溝施肥作業效果方面，開溝最大深度為300 mm，最大施肥效率6 L/m，田間試驗結果均能滿足設計要求。

4 結論

（1）結合緩坡果園種植模式和近距離開溝施肥農藝要求，設計了一種履帶式偏置開溝施肥機，對開溝施肥機的總體結構、動力系統、開溝機構和施肥裝置進行了設計。

（2）偏置開溝施肥機空載穩定爬坡角度為22°，行駛速度0～4 km/h，最小轉彎半徑1.5 m；開溝施肥作業爬坡角度最大為12°，作業速度0～1.2 km/h，基本滿足緩坡果園地形的使用要求。

（3）為了實現果樹近距離開溝施肥，開溝施肥機的開溝施肥機構安裝在底盤一側，通過控制履帶底盤的左右行駛位置，實現果樹施肥的農藝要求。此外，田間試驗表明開溝施肥機構的升降裝置能有效消除近距離施肥作業面和行駛地面的高度差。

（4）偏置開溝施肥機阻力集中在機器一側，開溝施肥作業時側翻的角度變小，坡度方向與行走方向一致時不受影響。但是當坡地傾斜角度與作業前進方向垂直時，要注意作業前進的方向選擇，使作業阻力指向反側翻的方向。