2FK- 40型果园开沟施肥机的设计与试验分析论文

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　　0 引言

　　随着农业产业结构的调整，葡萄、红枣已成为新疆兵团优势林果经济发展和职工增收致富的新亮点和支柱产业。新疆兵团目前葡萄的栽培面积为4. 8万hm2 ，红枣的栽培面积为10. 9 万hm2[1]; 但在葡萄、红枣栽培过程中机械化生产水平还不高，尤其缺乏专用配套的果园开沟施肥机具。在葡萄、红枣施肥作业环节，除了采用人工开沟、施肥外，仅部分使用了犁铧式开沟机辅助开沟作业，仍然需要人工完成施肥及埋沟填平工作。

　　国内外的开沟机从工作原理上主要分为铧式犁开沟机、旋转开沟机和链刀式开沟机[2]。在国外，开沟机主要用于土方施工[3]，如美国Gunter&Zimmerman公司生产的轮盘式开沟机主要用于开设墙基、铺设水电管网、灌溉和光缆; 欧洲Northland Trenching 公司代理的Inter - drain1622HT 型刀链式开沟机可以将挖出的泥土输送到机器两侧或一侧。我国对开沟机的研究开发主要用在有机肥开沟机方面[4]。2000 年，东北农业大学研制的1KL - 100 型立式螺旋开沟机可以在旱田及水田地中挖沟，作业后沟壁平整、沟内残土少[5]。2005 年12 月，云南农业大学研制的1KS - 22型双轴开沟机采用双轴立式结构，可以同时完成切土和抛土进行开沟作业[6]。2009 年2 月，新疆农业科学院农业机械化研究所研制了lK - 40 型偏置式果园开沟机，主要用于果园施肥开沟、种树开沟[7]。但是，上述机型都不能适应新疆兵团林果( 葡萄、红枣) 的施肥作业。

　　目前，新疆兵团葡萄、红枣种植行距3 ～ 4m，普遍采用矮、密的种植模式，要求开沟施肥机具必须适应在狭小空间作业的条件，且最大开沟深度40cm，深度可调整，开沟距作物根茎50 ～ 80cm。针对新疆兵团在果园经济作物葡萄、红枣种植模式及在施肥过程中人工成本高、用工量大、劳动强度高、生产效率低等问题，设计了2FK - 40 型果园开沟施肥联合作业机。该机能一次性完成开沟、施肥、覆土3 项作业，并且开沟深度及施肥量可调，作业时不损伤作物根系。

　　1 总体结构及性能参数

　　2FK - 40 型果园开沟施肥联合作业机主要由机架、圆盘开沟装置、施肥装置、埋沟覆土装置、传动系统和限深装置等部分组成，如图1 所示。作业时，拖拉机悬挂装置与机架三点悬挂联接，拖拉机的动力输出轴通过万向联轴器与传动箱相连，将机架支腿收起，整机质量由拖拉机承担。首先，根据不同开沟深度要求通过限深装置调整地轮的高度;然后，随着拖拉机的前进，开沟装置进行开沟作业，随着限深轮的转动带动限深轮链轮一起转动，将动力通过传动系统传递给排肥链轮，排肥链轮带动排肥绞龙一起转动，将肥料箱中的肥料输送到排肥器中完成施肥作业; 最后，覆土装置将开沟装置挖出来的土壤回填到沟里，实现土壤回填作业。

　　2 关键部件的设计

　　2. 1 开沟装置设计

　　开沟装置是本机的主要工作部件，主要由开沟刀盘和开沟刀组成，如图2 所示。开沟刀盘回转半径取决于刀轴传动箱尾部圆角半径r、最大开沟深度hmax及开沟机处于最大开沟深度时传动箱底部离地间隙δ1。其数学表达式为R≥r + hmax + δ1( 1)其中，各项参数为: r = 90mm，hmax = 400mm，δ1 =10mm。将上述参数带入后可得: R≥500mm。在满足开沟深度要求的前提下，开沟圆盘工作半径越小，整机结构越紧凑，消耗的功率越小，故取开沟圆盘装置回转半径为500mm。

　　为了使土粒能够顺利抛出，切土刀的最大线速度通常在5 ～ 12m/ s 范围内选取[9]。该机开沟刀盘回转直径为D = 2R = 1 000mm，可求得刀盘转速n = 60vπD≈133. 76 ～ 286. 62r /min。取较大值时，抛土较远而均匀，并有利于切断土中作物残根等，但功耗较大、生产率降低。由于开沟深度较深，为了使开沟后土粒可以顺利抛出，取切削线速度为11. 5m/ s，求得刀盘转速为219r /min。

　　2. 2 开沟传动设计

　　2FK - 40 型果园开沟施肥联合作业机采用拖拉机动力输出轴输出动力驱动传动机构，通过万向节、齿轮箱带动开沟刀轴、开沟刀转动，达到开沟的目的。开沟刀盘转速为219r /min，拖拉机输出转速取540r /min，则总传动比i总≈2. 47。

　　2. 3 施肥传动设计

　　2FK - 40 型果园开沟施肥联合作业机地轮和地轮链轮是作为一个整体装配的。当机具前进时，地轮和地轮链轮同时转动，地轮链轮通过链传动带动肥料箱中的绞龙转动实现排肥作业。按农艺标准，葡萄、红枣施肥机械应达到以下两点要求: 一是施肥深度应达地下15cm 以下; 二是既可施化肥又可施农家肥，且施肥量可调，农家肥应达3 000kg /hm2 以上[11]，按每667hm2 施肥量1 000kg、行距3. 5m 计算，开沟施肥时每米施肥量约为5. 23kg，在连续施肥的情况下，机具前进一个株距时，绞龙生产率为[12]Q = vg /S ( 2)其中，v 为机具的前进速度，v = 1km/h; g 为施肥量，g = 3. 3kg /株; S 为机具前进距离，S = 0. 633m。代入各参数，计算得Q = 5. 21t /h。绞龙转速的计算公式为n = Q/( 47D2 scγΦ) ( 3)其中，Q 为铰龙生产率，Q = 5. 21t / h; D 为螺旋叶片直径，选取D = 0. 15m; s 为螺旋叶片的螺距，选取s= 0 . 15m; c 为倾斜修正系数，倾斜角度≤5 ° 时，c =0. 9; γ 为物料的容重，取γ = 0. 8t /m3 ; Φ 为充满系数，选取Φ = 0. 8。计算得n = 57. 02r /min。取地轮直径d= 380mm，地轮线速度( 即拖拉机前进速度) 为1km /h，由此计算得地轮转速n0 = 50. 28r /min，则地轮传动的传动比i = n / n0 = 1. 14。因此，设计施肥传动个链轮齿数为: 地轮链轮Z6 = 23，中间过渡链轮和铰龙链轮为Z7 = Z8 = Z9 =20

　　3 结论

　　1) 研制的2FK - 40 型果园开沟施肥联合作业机适用于新疆兵团葡萄、红枣等果园经济作物种植模式的开沟施肥作业，可以一次完成开沟、施肥、土壤回填埋沟等多道工序连续作业。偏置的开沟装置可以距作物根茎50 ～ 80cm 处挖深30 ～ 40cm 的沟，将肥料填入沟内然后埋沟填平，不伤作物根系，生产效率高，施肥效果好。

　　2) 田间试验表明: 机具作业速度为1. 6km / h，纯工作小时生产率0 . 56 hm2 / h，排肥均匀性变异系数2. 96%，开沟深度及施肥量可以根据用户需求方便调节。机具各项性能指标均达到设计要求，作业效果良好，能够满足果园经济作物葡萄、红枣等施肥的农艺要求。

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