2FK- 40型果園開溝施肥機的設計與試驗分析論文
0 引言
隨著農業產業結構的調整，葡萄、紅棗已成為新疆兵團優勢林果經濟發展和職工增收致富的新亮點和支柱產業。新疆兵團目前葡萄的栽培面積為4. 8萬hm2 ，紅棗的栽培面積為10. 9 萬hm2[1]; 但在葡萄、紅棗栽培過程中機械化生產水平還不高，尤其缺乏專用配套的果園開溝施肥機具。在葡萄、紅棗施肥作業環節，除了采用人工開溝、施肥外，僅部分使用了犁鏵式開溝機輔助開溝作業，仍然需要人工完成施肥及埋溝填平工作。
國內外的開溝機從工作原理上主要分為鏵式犁開溝機、旋轉開溝機和鏈刀式開溝機[2]。在國外，開溝機主要用于土方施工[3]，如美國Gunter&Zimmerman公司生產的輪盤式開溝機主要用于開設墻基、鋪設水電管網、灌溉和光纜; 歐洲Northland Trenching 公司代理的Inter - drain1622HT 型刀鏈式開溝機可以將挖出的泥土輸送到機器兩側或一側。我國對開溝機的研究開發主要用在有機肥開溝機方面[4]。2000 年，東北農業大學研制的1KL - 100 型立式螺旋開溝機可以在旱田及水田地中挖溝，作業后溝壁平整、溝內殘土少[5]。2005 年12 月，云南農業大學研制的1KS - 22型雙軸開溝機采用雙軸立式結構，可以同時完成切土和拋土進行開溝作業[6]。2009 年2 月，新疆農業科學院農業機械化研究所研制了lK - 40 型偏置式果園開溝機，主要用于果園施肥開溝、種樹開溝[7]。但是，上述機型都不能適應新疆兵團林果( 葡萄、紅棗) 的施肥作業。
目前，新疆兵團葡萄、紅棗種植行距3 ～ 4m，普遍采用矮、密的種植模式，要求開溝施肥機具必須適應在狹小空間作業的條件，且最大開溝深度40cm，深度可調整，開溝距作物根莖50 ～ 80cm。針對新疆兵團在果園經濟作物葡萄、紅棗種植模式及在施肥過程中人工成本高、用工量大、勞動強度高、生產效率低等問題，設計了2FK - 40 型果園開溝施肥聯合作業機。該機能一次性完成開溝、施肥、覆土3 項作業，并且開溝深度及施肥量可調，作業時不損傷作物根系。
1 總體結構及性能參數
2FK - 40 型果園開溝施肥聯合作業機主要由機架、圓盤開溝裝置、施肥裝置、埋溝覆土裝置、傳動系統和限深裝置等部分組成，如圖1 所示。作業時，拖拉機懸掛裝置與機架三點懸掛聯接，拖拉機的動力輸出軸通過萬向聯軸器與傳動箱相連，將機架支腿收起，整機質量由拖拉機承擔。首先，根據不同開溝深度要求通過限深裝置調整地輪的高度;然后，隨著拖拉機的前進，開溝裝置進行開溝作業，隨著限深輪的轉動帶動限深輪鏈輪一起轉動，將動力通過傳動系統傳遞給排肥鏈輪，排肥鏈輪帶動排肥絞龍一起轉動，將肥料箱中的肥料輸送到排肥器中完成施肥作業; 最后，覆土裝置將開溝裝置挖出來的土壤回填到溝里，實現土壤回填作業。
2 關鍵部件的設計
2. 1 開溝裝置設計
開溝裝置是本機的主要工作部件，主要由開溝刀盤和開溝刀組成，如圖2 所示。開溝刀盤回轉半徑取決于刀軸傳動箱尾部圓角半徑r、最大開溝深度hmax及開溝機處于最大開溝深度時傳動箱底部離地間隙δ1。其數學表達式為R≥r + hmax + δ1( 1)其中，各項參數為: r = 90mm，hmax = 400mm，δ1 =10mm。將上述參數帶入后可得: R≥500mm。在滿足開溝深度要求的前提下，開溝圓盤工作半徑越小，整機結構越緊湊，消耗的功率越小，故取開溝圓盤裝置回轉半徑為500mm。
為了使土粒能夠順利拋出，切土刀的最大線速度通常在5 ～ 12m/ s 范圍內選取[9]。該機開溝刀盤回轉直徑為D = 2R = 1 000mm，可求得刀盤轉速n = 60vπD≈133. 76 ～ 286. 62r /min。取較大值時，拋土較遠而均勻，并有利于切斷土中作物殘根等，但功耗較大、生產率降低。由于開溝深度較深，為了使開溝后土粒可以順利拋出，取切削線速度為11. 5m/ s，求得刀盤轉速為219r /min。
2. 2 開溝傳動設計
2FK - 40 型果園開溝施肥聯合作業機采用拖拉機動力輸出軸輸出動力驅動傳動機構，通過萬向節、齒輪箱帶動開溝刀軸、開溝刀轉動，達到開溝的目的。開溝刀盤轉速為219r /min，拖拉機輸出轉速取540r /min，則總傳動比i總≈2. 47。
2. 3 施肥傳動設計
2FK - 40 型果園開溝施肥聯合作業機地輪和地輪鏈輪是作為一個整體裝配的。當機具前進時，地輪和地輪鏈輪同時轉動，地輪鏈輪通過鏈傳動帶動肥料箱中的絞龍轉動實現排肥作業。按農藝標準，葡萄、紅棗施肥機械應達到以下兩點要求: 一是施肥深度應達地下15cm 以下; 二是既可施化肥又可施農家肥，且施肥量可調，農家肥應達3 000kg /hm2 以上[11]，按每667hm2 施肥量1 000kg、行距3. 5m 計算，開溝施肥時每米施肥量約為5. 23kg，在連續施肥的情況下，機具前進一個株距時，絞龍生產率為[12]Q = vg /S ( 2)其中，v 為機具的前進速度，v = 1km/h; g 為施肥量，g = 3. 3kg /株; S 為機具前進距離，S = 0. 633m。代入各參數，計算得Q = 5. 21t /h。絞龍轉速的計算公式為n = Q/( 47D2 scγΦ) ( 3)其中，Q 為鉸龍生產率，Q = 5. 21t / h; D 為螺旋葉片直徑，選取D = 0. 15m; s 為螺旋葉片的螺距，選取s= 0 . 15m; c 為傾斜修正系數，傾斜角度≤5 ° 時，c =0. 9; γ 為物料的容重，取γ = 0. 8t /m3 ; Φ 為充滿系數，選取Φ = 0. 8。計算得n = 57. 02r /min。取地輪直徑d= 380mm，地輪線速度( 即拖拉機前進速度) 為1km /h，由此計算得地輪轉速n0 = 50. 28r /min，則地輪傳動的傳動比i = n / n0 = 1. 14。因此，設計施肥傳動個鏈輪齒數為: 地輪鏈輪Z6 = 23，中間過渡鏈輪和鉸龍鏈輪為Z7 = Z8 = Z9 =20
3 結論
1) 研制的2FK - 40 型果園開溝施肥聯合作業機適用于新疆兵團葡萄、紅棗等果園經濟作物種植模式的開溝施肥作業，可以一次完成開溝、施肥、土壤回填埋溝等多道工序連續作業。偏置的開溝裝置可以距作物根莖50 ～ 80cm 處挖深30 ～ 40cm 的溝，將肥料填入溝內然后埋溝填平，不傷作物根系，生產效率高，施肥效果好。
2) 田間試驗表明: 機具作業速度為1. 6km / h，純工作小時生產率0 . 56 hm2 / h，排肥均勻性變異系數2. 96%，開溝深度及施肥量可以根據用戶需求方便調節。機具各項性能指標均達到設計要求，作業效果良好，能夠滿足果園經濟作物葡萄、紅棗等施肥的農藝要求。
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