獼猴桃果園有機肥免開溝施肥機設計與試驗

朱新華 趙懷松 伏勝康 李旭東 郭文川 張李嫻

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院,陜西楊凌 712100;2.四川航天職業技術學院,成都 610100)

0 引言

施用有機肥是果園生產管理中的一個重要環節,能有效增加土壤有機質含量、改善土壤結構及理化性狀,進而提高果品品質和產量[1-2]。目前,獼猴桃等藤本類果樹建園時均采用藤架式結構[3]。果園生產管理機械必須在藤架下作業,可通行空間狹小,對施肥機的外形尺寸和整機動力均有一定限制?；诖?獼猴桃等藤架式果園有機肥施肥主要有兩種方式:一種是小型撒肥機全園撒施配合小型旋耕機淺旋的分段式方式,新西蘭、日本獼猴桃果園甚至僅將有機肥拋撒在全園地表[4]。該方式肥料裸露,肥效低,環境污染大;另一種是采用小型開溝機開溝,然后人工撒肥入溝并覆土填埋。然而,果園有機肥施肥量高達45 t/hm2[5],人工作業效率低、勞動強度大,且肥料集中在溝底,不利于果樹根系對養分的吸收利用[6]。因此,基于農機農藝融合創新獼猴桃果園有機肥施肥工藝并研制施肥裝備具有重要意義。

開溝施肥是果園常見的有機肥施肥方式之一。其特點是施肥深度大(300～500 mm),近根施肥易于果樹吸收,肥料利用率高,且具有松土和修剪根系的作用[7]。但其施肥深度過深,肥料過于集中,不符合獼猴桃果樹根系淺層分布的生長特點,不利于根系對養分的吸收。開溝、施肥、覆土過程功耗大[8-9],要求一體化施肥機配套動力高。同時,有機肥施肥體量大,要求施肥機肥箱容積大。因此,開溝施肥方式和設備受到藤架式果園狹小空間結構的限制。如何降低施肥功耗并提高有機肥施肥效率(肥箱容積大、作業速度高),實現獼猴桃等藤架式果園精準施肥是亟待解決的問題。

近年來,果園施肥裝備研發主要集中在撒肥機和開溝施肥一體化施肥機方面。離心圓盤式有機肥撒肥機[10-13]可完成果園顆粒肥撒施,施肥均勻、效率高,但肥料浪費嚴重、肥效低。ZHANG等[8]研制的自動調節深度式果園雙行開溝施肥機以及WAN等[14]研制的果園有機肥開溝施肥機均具備一體化開溝、施肥、覆土等功能,但整機尺寸過大(4 030 mm×2 470 mm×2 150 mm)、肥箱容積過小(0.4 m3),無法在獼猴桃等藤架式果園作業。因此,目前兼顧大裝載量的小型高效有機肥施肥機未見相關研究報道。

綜上所述,開溝施肥工藝存在機械作業功耗大、肥料分布不利于獼猴桃根系吸收養分等缺點?，F有施肥裝備難以適應獼猴桃等藤架式果園有機肥高效精準施肥要求。因此,本研究基于獼猴桃果園施肥農藝農機融合分析,提出一種獼猴桃果園免開溝施肥方法。在此基礎上研制有機肥免開溝施肥機,并通過田間試驗評價作業效果。

1 基于農藝農機融合的免開溝施肥方法

1.1 獼猴桃果園施肥農藝農機融合分析

獼猴桃種植多采用藤架式結構,其典型結構是“T”形架[15]。果樹行距為3.0～5.0 m,株距為4.5～5.0 m,藤架高度為1.6～2.5 m[16]。獼猴桃果樹具有肉質根系,主根少,須根發達而稠密,對土壤透水性、透氣性有較高要求[17-18]。根系分布淺,0～400 mm土層中根系數量占總根量的86%以上,其中0～200 mm土層中根系數量占比達54.8%[19]。傳統的深溝施肥會影響果樹對養分的吸收,降低肥效,也不利于提高根區土壤的透水性和透氣性。同時,由于肉質根系含有大量水分,對高鹽環境極為敏感,大量、集中施肥也會造成“燒根”現象。因此,獼猴桃果園有機肥施肥的合理方法是肥-土淺層混合分布。

獼猴桃等藤架式果園空間對施肥機械的外形尺寸限制苛刻,但獼猴桃果園的有機肥施肥量高達45 t/hm2[5],這要求施肥機械具有足夠的肥料運載能力。為了提高作業效率,肥箱容積應不小于1.0 m3。獼猴桃等藤架式果園空間也對施肥機的動力配置構成約束,多數果園允許通行的拖拉機動力不超過40 kW[20]。然而,傳統的開溝施肥機械中,開溝和覆土作業功率消耗占到總功率的70%以上[21],且機具前進速度越大,開溝功耗占比越大。因此,開溝施肥方式不適于獼猴桃等藤架式果園有機肥施肥,應提出新型機械化方法以克服果園空間對施肥機外形尺寸、動力配置和肥箱容積的限制,并提高肥效。

1.2 獼猴桃果園免開溝施肥工藝與機械化方法

基于農機農藝融合,本文提出一種獼猴桃果園有機肥免開溝施肥新工藝。如圖1所示,將有機肥沿樹行側根邊際線鋪撒于地表,并同步旋埋。施肥過程不開溝,肥料在土層深0～150 mm內分布,條帶寬度約400 mm,肥-土混合分布,地表不露肥。該工藝的優點是:肥層接近根系,有利于養分吸收和改善根區土壤結構。通過逐年施肥累積,形成深度約200 mm的基質層;免開溝施肥可大大減小開溝和覆土功耗;肥-土混合且地表不露肥可提高土壤孔隙率,減少養分損失,提高肥效。圖1展示了開溝施肥與免開溝施肥工藝。

圖1 獼猴桃果園施肥技術示意圖

免開溝施肥工藝的機械作業方法如圖2所示。施肥機沿樹行行進,撒肥裝置沿果樹根系邊緣線外側將有機肥均勻鋪撒,形成條狀肥帶;混肥裝置將肥料旋切入土,與土壤混合;混肥刀帶動少量土粒后拋,將肥-土混合層覆蓋,使表層不露肥。該方法中,施肥、混肥、覆土全過程一體化完成。施肥深度可調,且可根據地形調整混肥裝置傾角,適應地形。

圖2 獼猴桃果園有機肥免開溝機械化施肥原理圖

與開溝施肥相比,免開溝施肥減少土壤擾動功耗,以克服獼猴桃等藤架式果園狹小空間對動力配置的限制。同時實現肥-土全層混合,避免有機肥集中分布于溝底,以提高肥效。

免開溝施肥工藝對施肥機的技術要求如表1所示。

表1 獼猴桃果園有機肥施肥機設計要求

免開溝施肥機設計要解決的關鍵技術問題是:降低混肥裝置功耗,混肥刀能夠將肥料旋入預定的分布深度,實現肥-土全層混合,并將少量土壤顆粒后拋覆土,避免地表露肥;非工作時,混肥裝置翻轉回收,提高果園通過性能;由于是單邊側向施肥,必須解決機身抗扭轉問題;合理利用有限空間,提高肥箱容積。

2 免開溝施肥機結構與工作原理

2.1 施肥機方案評價

如圖3所示,施肥機方案包括拖拉機牽引式、農用運輸車式、履帶自走式3種。狹小空間(特別是高度方向)對施肥機尺寸與動力的限制以及施肥作業效率等因素是免開溝有機肥施肥機方案評價的重點。綜合評價如表2所示。

表2 施肥機車體方案評價

圖3 施肥機方案示意圖

拖拉機牽引式方案整機高度低,載肥量大,動力相對充足。操作簡單,穩定性高,成本低,且通用性強,容易推廣。因此,選擇該方案作為有機肥免開溝施肥機整機方案。

2.2 施肥機結構與工作原理

有機肥免開溝施肥機結構如圖4所示。主要由低矮側座拖拉機、施肥拖車、肥箱、排肥裝置、拋肥裝置、混肥裝置、抗扭裝置、卷軸裝置、控制系統等構成。刮板式拋肥裝置固定在肥箱后部?；旆恃b置的主體是一個刀輥,通過機架安裝在拋肥裝置后部。在非作業側安裝抗扭裝置,以保持車身平衡。卷軸裝置在非作業狀態時收回混肥裝置和抗扭裝置至收放架上。施肥機的功率消耗包括整機牽引功耗,排肥、拋肥、混肥功耗,最低配套功率應大于21.4 kW。為確保施肥機穩定工作,選擇配套功率37.5 kW。由于藤架對施肥機的高度限制,拖拉機選擇低矮側座拖拉機,駕駛座椅離地高度0.6 m。整機尺寸(長×寬×高)為3.7 m×1.5 m×1.6 m,肥箱容積為1.2 m3。施肥深度150 mm,排肥量2.5～6.5 kg/s,施肥效率0.2～1.2 hm2/h。

圖4 獼猴桃果園有機肥免開溝施肥機整機結構圖

施肥作業時,施肥拖車在拖拉機的牽引下前進。操縱手柄控制卷軸裝置使混肥裝置和抗扭裝置同步旋降入土。有機肥由排肥裝置與拋肥裝置排出,經拋肥口落在靠近樹行側邊地表,鋪撒成一定寬度和厚度的肥帶。同時,混肥裝置將肥料旋切,埋入一定深度的土層并與土壤混合。刀輥帶動少量土粒后拋,覆蓋肥-土混合層,使地表不露肥。施肥結束后,啟動卷軸裝置使混肥裝置和抗扭裝置同步收回。施肥過程中,施肥量、施肥深度可調。此外,刀輥主軸轉角可調,以適應地表傾斜。該機也可用于其它果園的深溝施肥。作業時,拋肥裝置將肥料經拋肥口施入開好的條溝,混肥裝置完成混肥和覆土作業。

2.3 傳動系統

免開溝施肥機傳動系統采用液壓傳動與機械傳動組合形式。其中,拋肥裝置通過鏈傳動方式驅動;排肥裝置、混肥裝置、卷軸裝置均由液壓系統驅動,通過液壓控制元件靈活調整作業參數。傳動系統如圖5所示。

圖5 傳動系統原理圖

3 關鍵部件設計

3.1 拋肥裝置設計

拋肥裝置采用刮板式結構,主要由鏈條、刮板、鏈輪、擋肥板和拋肥槽構成,如圖6a所示。其中,擋肥板伸出距離可調。

圖6 拋肥裝置示意圖

拋肥距離為拋肥裝置的關鍵設計參數,其影響施肥機對不同行距果園的適應性。如圖6b所示,忽略空氣阻力,肥料拋出后其水平方向位移、豎直方向位移分別為

l=vt

(1)

(2)

(3)

式中l——水平方向位移,m

v——鏈條速度,m/s

t——肥料飛行時間,s

h——豎直方向位移,m

g——重力加速度,取9.8 m/s2

z——鏈輪齒數

n——鏈輪轉速,r/min

p——鏈條節距,mm

為保證擋肥板起到調節拋肥距離的作用,肥料運動軌跡應與擋肥板相交。即,當肥料豎直方向位移h不大于擋肥板高度a時,肥料水平方向位移l應大于等于擋肥板伸出距離b(即拋肥距離),由此得

(4)

根據鏈輪鏈條結構,鏈輪齒數z為9,鏈條節距p為44.45 mm。擋肥板高度a取0.3 m,擋肥板伸出距離b在0.2～0.5 m范圍內可調。根據式(4),擋肥板能夠調節拋肥距離的條件為n≥312 r/min?？紤]速度損失,鏈輪轉速n取350 r/min。

3.2 混肥裝置設計

3.2.1結構設計

混肥裝置是免開溝施肥機的核心部件,主要由刀輥、罩殼、平土拖板、限深輪和混肥架組成,如圖7a所示。刀輥橫向安裝于混肥架底端。其右側安裝有限深輪。罩殼置于混肥架內側、刀輥上方。平土拖板置于罩殼后端,并與其鉸接。刀輥上安裝有4組交錯排列的旋耕刀,同組4把刀之間沿刀盤圓周方向呈90°均勻排列。旋耕刀結構如圖7b所示。根據施肥深度,選用PⅡ180型旋耕刀,回轉半徑為180 mm。作業過程中,旋耕刀將有機肥旋切入土,并帶入不同深度與土壤混合。旋耕刀過最低點后,將土粒(此時大部分肥料顆粒已脫離旋耕刀)向后拋出,對肥-土混合層覆蓋。同時,平土拖板將兩側浮土刮撥至肥-土混合層表面,進一步對其覆蓋。

圖7 混肥裝置示意圖

3.2.2混肥過程仿真試驗

基于離散元仿真對刀輥的作業效果進行分析。在EDEM軟件中建立1.5 m×0.6 m×0.3 m(長×寬×高)土槽模型和1.5 m×0.3 m(長×寬)有機肥條帶模型(設定施肥量為5.0 kg/m),并將刀輥、罩殼三維模型導入,如圖8所示。

陜西等獼猴桃主產區果園土壤類型多屬于粘壤土,土壤顆粒凝結成土壤團聚體,其平均粒徑約3.4 mm[22];有機肥料(標準NY/T 525—2021)是目前獼猴桃果園常施用有機肥,其平均粒徑約0.8 mm[23]。根據文獻[24],將土壤與有機肥顆粒粒徑均按照相同比例放大5倍,分別設置為17 mm和4 mm。土壤顆粒間選用Bonding接觸模型,其法向與切向剛度系數均設置為5×107N/m3[25],法向與切向臨界粘結應力均設置為30 000 Pa[26];有機肥顆粒間選用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型,其Surface Energy設置為0.045 J/m2[27]。其余參數設置參考文獻[25-28],如表3所示。仿真中刀輥入土深度為150 mm,罩殼跟隨刀輥同步前進。仿真步長設定為3.4×10-5s,數據保存間隔為0.01 s,仿真網格為3.5倍顆粒半徑,仿真總時長為6 s。

表3 仿真參數

刀輥仿真過程如圖9所示。3.50 s時(圖9a),刀輥開始旋切有機肥;3.67 s時(圖9b),有機肥與土壤在刀輥作用下混合;3.88 s時(圖9c),少量土壤顆粒隨刀輥向后拋出,碰撞罩殼后留在地表,覆蓋肥-土混合層;在4.40～5.00 s(圖9d、9e),刀輥持續作業,完成混肥、埋肥;5.70 s時(圖9f),刀輥作業結束,有機肥被埋入土壤,且與土壤混合。

圖9 仿真過程

沿刀輥前進方向,選取有效試驗距離為1.0 m,每0.1 m為一段,共10段?；旆市Ч鐖D10所示。以0～0.01 m作為表層土壤,定義表層土壤中有機肥顆粒數占全層有機肥總顆粒數的百分比為露肥率。并以露肥率、有機肥顆粒最大分布深度和功耗為評價指標,確定刀輥作業過程中的最優刀機速比(刀輥線速度與前進速度比值)。

圖10 混肥效果示意圖

根據仿真試驗,最優刀機速比為32。在刀輥線速度為5.47 m/s(轉速290 r/min)、前進速度為0.17 m/s時,有機肥顆粒最大分布深度平均值為(160±7) mm,相對設定施肥深度150 mm的最大誤差為6.53%;露肥率小于等于4.62%;混肥裝置平均功耗為4.5 kW。

3.3 抗扭裝置設計

施肥機上設置抗扭裝置以平衡混肥裝置產生的扭矩?？古ぱb置由2個抗扭輪和抗扭輪架構成,如圖11所示。

圖11 抗扭裝置示意圖

假定施肥機勻速前進,拖拉機與施肥拖車縱軸線重疊。對施肥拖車在水平面上進行受力分析,如圖12所示。

圖12 施肥拖車受力分析

建立施肥拖車受力平衡方程

(5)

式中 ∑Fx、∑Fy——施肥拖車分別沿x、y方向所受合力,N

∑MA——施肥拖車上點A所受合力矩,N·m

F1——拖拉機對施肥拖車的牽引力,N

F2、F3——地面分別對左、右車輪側向力,N

F4、F5——混肥裝置分別沿y、x方向工作阻力,N

F6——土壤對抗扭裝置作用力,N

f1、f2——左、右輪胎分別與土壤摩擦力,N

f3——抗扭裝置與土壤的摩擦力,N

d1、d2——左、右輪胎分別到車身縱軸線距離,m

d3——左、右輪胎連線到混肥裝置、抗扭裝置連線的距離,m

d4、d5——混肥裝置、抗扭裝置分別到車身縱軸線距離,m

假定d1=d2,f1=f2。根據式(5),施肥拖車不發生偏轉的臨界條件為

F4d4-F5d3=F6d3-f3d5

(6)

其中

f3=μGk

(7)

式中μ——抗扭裝置與土壤的動摩擦因數,取0.05

Gk——抗扭裝置重力,N

根據莫爾-庫倫破壞準則,在土壤不發生破壞情況下,其對抗扭裝置作用力F6應小于土壤抗剪力,即

(8)

式中c——土壤粘聚力,Pa

φ——土壤內部摩擦角,(°)

S——抗扭裝置切土面積,m2

根據抗扭裝置的結構,其切土面積S可表示為

(9)

式中r1——抗扭輪外圓半徑,m

r2——抗扭輪內圓半徑,m

聯立式(6)～(8),可得施肥拖車在抗扭裝置作用下不發生偏轉的條件為

(10)

根據施肥拖車結構,d3取1.5 m,d4取1.0 m,d5取0.2 m,抗扭裝置重力Gk取200 N。土壤粘聚力c取41 701 Pa,土壤內部摩擦角φ取24.42°。混肥裝置工作阻力與前進速度、刀輥轉速、混肥深度呈正相關[29]。離散元仿真表明,當混肥裝置前進速度為0.7 m/s,刀輥轉速為350 r/min,混肥深度為150 mm時(其余參數設定如上所示),混肥裝置工作阻力F4、F5分別為559.0、-184.4 N,此時,施肥拖車點A所受最大扭矩max(F4d4-F5d3)為835.6 N·m。聯立式(9)、(10),并考慮到不同土壤的抗剪力差異較大,抗扭輪外圓半徑r1取0.15 m,內圓半徑r2取0.08 m。

3.4 卷軸裝置設計

卷軸裝置同步收放混肥裝置和抗扭裝置如圖13所示。主要由擺動缸、鋼索、絞盤組成。混肥裝置、絞盤固連在擺動缸上,由擺動缸帶動回轉,絞盤與抗扭裝置由鋼索經導向環連接。擺動缸旋轉軸與施肥機前進方向一致,回轉角度在0°～180°可調,回轉角速度由液壓系統Ⅰ調節。

施肥作業時,液壓系統Ⅰ控制擺動缸轉動,調節回轉角度使混肥裝置適應地形作業,如圖14a和圖14b所示;在非作業狀態時,卷軸裝置同步收回混肥裝置與抗扭裝置至車身內側,以提高整機轉彎和道路行駛性能,避免刮傷果樹,如圖14c所示。

卷軸裝置工作原理如圖15所示。設絞盤由B旋轉至B′的回轉中心為O,鋼索回轉中心為C,鋼索與抗扭裝置連接點為D,抗扭裝置回轉中心為H。當絞盤在B位置時,抗扭裝置在位置Ⅰ,CD兩點間鋼索長度為L,CH與HD間夾角為β1;當絞盤旋轉至B′位置時,抗扭裝置旋轉至位置Ⅱ,即抗扭輪入土,CD兩點間鋼索伸長為L′,CH與HD間夾角變為β2。

圖15 卷軸裝置工作示意圖

由圖15可知,抗扭裝置由位置Ⅰ旋轉至位置Ⅱ的過程中,存在幾何關系

(11)

其中

(12)

(13)

式中r3——絞盤半徑,mm

θ——絞盤轉動角度,(°)

d6——CH兩點間距離,mm

d7——HD兩點間距離,mm

由式(11)～(13)可得絞盤半徑r3與d6、d7、β1、β2、θ的關系為

(14)

根據抗扭裝置的安裝位置以及混肥裝置的調節需求,CH間距d6取100 mm,HD間距d7取400 mm,CH與HD間夾角β1取13°,β2取153°,絞盤轉動角θ取180°。根據式(14),確定絞盤半徑r3為68 mm。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

試驗地點位于陜西省楊凌區西北農林科技大學試驗站。土質為粘壤土,土壤緊實度為5 680 kPa,濕基含水率為12.13%,密度為1 237 kg/m3。有機肥購自陜西睿浩生物有限公司,含水率為43.17%,平均密度為550 kg/m3。

4.2 試驗方法

以玉米籽粒作為標記物,反映有機肥在土壤中的分布。試驗前,將有機肥與玉米籽粒按質量比例5∶1混合均勻。以施肥量5 kg/m開展免開溝施肥試驗。試驗過程中,施肥機以慢1擋(0.17 m/s)的車速前進,混肥裝置轉速為290 r/min。在最大設計施肥深度150 mm下試驗,單次作業長度為20 m。試驗重復3次,結果取平均值。

(1)混肥裝置功耗計算:施肥過程中,采用液壓測試儀(CHPM480型,雷諾智能技術有限公司)采集混肥裝置液壓系統回路壓力和流量?；旆恃b置功耗計算式為

(15)

式中P——混肥裝置功耗,kW

p0——液壓系統回路壓力,MPa

q——液壓系統回路流量,L/min

η——液壓系統效率,取0.85

(2)露肥率統計與施肥深度測量:施肥作業后,按等距取樣法選取5個大小為30 cm×40 cm(長×寬)的采樣區(深度200 mm),統計每個采樣區地表裸露及全層玉米籽粒數量。全層玉米籽粒數量統計時,采用標準篩對土壤篩分,并人工揀選出玉米籽粒。同時,測量施肥深度(玉米籽粒分布深度)。以地表裸露玉米籽粒數量占全層玉米籽粒數量的百分比作為露肥率,計算式為

(16)

式中δ——露肥率,%

k1——采樣區地表裸露玉米籽粒數量

k2——采樣區全層玉米籽粒數量

4.3 試驗結果與分析

施肥機作業效果如圖16所示,肥料在施肥深度內能夠全層混合。

圖16 田間試驗

試驗結果如表4所示,實際施肥深度略大于設計施肥深度150 mm,相對誤差小于等于7.73%。實際露肥率小于等于5.56%?；旆恃b置平均功耗為4.7 kW,試驗與仿真結果的誤差為4.3%,表明仿真結果可靠。綜合表明,施肥機具備良好的性能,滿足獼猴桃等藤架式果園施肥要求。

表4 施肥性能試驗結果

5 結論

(1)基于獼猴桃果園空間結構對施肥機械外形尺寸與動力的約束,果樹根系分布淺(0～200 mm)的特點,提出了一種獼猴桃果園機械化免開溝施肥方法,并研制了獼猴桃果園有機肥免開溝施肥機,整機高度1.5 m,配套動力37.5 kW,肥箱容積1.2 m3。

(2)免開溝施肥機由混肥裝置旋轉切土,實現肥-土混合以及混合層的土壤覆蓋,通過抗扭裝置平衡混肥裝置單側布置產生的扭矩,由卷軸裝置同步收放混肥與抗扭裝置,并根據地形調整混肥裝置傾角?；旆恃b置離散元仿真表明,最優的刀機速比為32。

(3)田間試驗表明,在最大設計施肥深度150 mm、施肥量5 kg/m工況下,肥-土全層混合,施肥深度的相對誤差小于等于7.73%,露肥率小于等于5.56%,混肥裝置平均功耗為4.7 kW,滿足獼猴桃等藤架式果園機械化有機肥施肥要求。