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果園開(kāi)溝施肥機(jī)的設(shè)計(jì)
張盼1 李平1
(1. 塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘要：隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，葡萄、紅棗已成為兵團(tuán)優(yōu)勢(shì)林果經(jīng)濟(jì)發(fā)展和職工增收致富的新亮點(diǎn)和支柱產(chǎn)業(yè)。兵團(tuán)目前葡萄的栽培面積為4.8萬(wàn)公頃，紅棗的栽培面積為10.9萬(wàn)公頃；但在葡萄、紅棗栽培過(guò)程中機(jī)械化生產(chǎn)水平還不高，果樹(shù)的施肥主要依靠人工作業(yè)，作業(yè)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，施肥難以保證均勻。采用果園開(kāi)溝施肥機(jī)來(lái)代替人工開(kāi)溝施肥，不但可以節(jié)省大量勞動(dòng)力，提高作業(yè)效率降低生產(chǎn)成本，而且開(kāi)溝與施肥質(zhì)量也比人工要好。為了確保開(kāi)溝施肥質(zhì)量、提高作業(yè)效率、降低生產(chǎn)成本就需要一種作業(yè)性能穩(wěn)定的開(kāi)溝施肥機(jī)具。因此，符合生產(chǎn)要求的果園開(kāi)溝施肥機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：林果經(jīng)濟(jì)；開(kāi)溝與施肥；作業(yè)效率；均勻
中圖分類(lèi)號(hào):TD451 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
0引言
隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，特色林果業(yè)己成為農(nóng)民致富的一條重要渠道，傳統(tǒng)的種植模式導(dǎo)致果園種植密度大，果樹(shù)矮化，果樹(shù)間距小，不利于現(xiàn)有機(jī)具通行。果樹(shù)的開(kāi)溝施肥作為果樹(shù)保質(zhì)增產(chǎn)的必要園藝環(huán)節(jié)，目前基本還處于人工作業(yè)階段。兵團(tuán)目前葡萄的栽培面積為4.8萬(wàn)公頃，紅棗的栽培面積為10.9萬(wàn)公頃；但在葡萄、紅棗栽培過(guò)程中機(jī)械化生產(chǎn)水平還不高，尤其缺乏專(zhuān)用配套的果園開(kāi)溝施肥機(jī)具。人工開(kāi)溝施肥，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，施肥均勾度差；果園開(kāi)溝施肥機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，能降低果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度。果園開(kāi)溝施肥機(jī)不僅能大大降低果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度，改善生產(chǎn)條件，還能解決勞動(dòng)力季節(jié)性短缺的問(wèn)題。其次，能提高農(nóng)業(yè)資源利用率。利用機(jī)器對(duì)果樹(shù)樹(shù)進(jìn)行施肥，施肥均勻，能提高肥料的利用率，還能減少肥料對(duì)水土資源的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。再次，提供優(yōu)質(zhì)和安全的果品。果樹(shù)機(jī)械的應(yīng)用，能很好的控制果樹(shù)生產(chǎn)過(guò)程中的施肥用量，降低化肥在土壤中的殘留量。在葡萄、紅棗施肥作業(yè)環(huán)節(jié)，除了采用人工開(kāi)溝、施肥外，僅部分使用了犁鏵式開(kāi)溝機(jī)輔助開(kāi)溝作業(yè)，仍然需要人工完成施肥及埋溝填平工作。這樣不僅浪費(fèi)了大量的人力、無(wú)力，而且效率較低。因此果園開(kāi)溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)對(duì)于生產(chǎn)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1總體設(shè)計(jì)思路
果園開(kāi)溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由機(jī)架、圓盤(pán)開(kāi)溝裝置、施肥裝置、埋溝覆土裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)和地輪限深裝置等部分組成。
1.1設(shè)計(jì)原理
開(kāi)溝裝置是本機(jī)的主要工作部件，主要由開(kāi)溝刀盤(pán)和開(kāi)溝刀組成。開(kāi)溝刀盤(pán)回轉(zhuǎn)半徑取決于刀軸傳動(dòng)箱尾部圓角半徑、最大開(kāi)溝深度及開(kāi)溝機(jī)處于最大開(kāi)溝深度時(shí)傳動(dòng)箱底部離地間隙［8］。在滿足開(kāi)溝深度要求的前提下，開(kāi)溝圓盤(pán)工作半徑越小，整機(jī)結(jié)構(gòu)越緊湊，消耗的功率越小。通過(guò)計(jì)算得到合適的尺寸。
果園開(kāi)溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)采用拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)、齒輪箱帶動(dòng)開(kāi)溝刀軸、開(kāi)溝刀轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到開(kāi)溝的目的。設(shè)計(jì)合適的傳動(dòng)箱、齒輪和軸的尺寸。
此果園開(kāi)溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)地輪和地輪鏈輪是作為一個(gè)整體裝配的。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)時(shí)，地輪和地輪鏈輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪鏈輪通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)肥料箱中的絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)排肥作業(yè)。準(zhǔn)確實(shí)際鏈輪、鏈條和絞龍葉片方向。
覆土的質(zhì)量與覆土圓盤(pán)的傾斜角度有密切的關(guān)系，要得到合適的傾斜角度需使覆土圓盤(pán)能在兩個(gè)維度里旋轉(zhuǎn)。
1.2設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)
果園開(kāi)溝施肥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。
作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)懸掛裝置與機(jī)架三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，整機(jī)質(zhì)量由拖拉機(jī)承擔(dān)。
拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器與傳動(dòng)箱相連，傳動(dòng)箱內(nèi)有兩個(gè)錐齒輪及三個(gè)直齒輪，將動(dòng)力通過(guò)開(kāi)溝傳動(dòng)軸傳至開(kāi)溝刀盤(pán)，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝。
當(dāng)機(jī)具前進(jìn)時(shí)，地輪和地輪鏈輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪鏈輪通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)肥料箱中的絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)排肥作業(yè)。
覆土裝置將土回填入溝內(nèi)，完成整個(gè)作業(yè)過(guò)程。
1.機(jī)架 2.傳動(dòng)箱 3.肥料箱 4.排肥傳動(dòng)裝置 5.地輪限深裝置
6.覆土裝置 7.排肥裝置 8.開(kāi)溝裝置
圖1 開(kāi)溝施肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖
2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)
2.1開(kāi)溝裝置的設(shè)計(jì)
開(kāi)溝裝置是本機(jī)的主要工作部件，主要有開(kāi)溝刀盤(pán)和開(kāi)溝刀組成，如圖3-1所示。開(kāi)溝刀盤(pán)回轉(zhuǎn)半經(jīng)取決于刀軸傳動(dòng)箱尾部圓半徑r、最大開(kāi)溝深度及開(kāi)溝機(jī)處于最大開(kāi)溝深度是傳動(dòng)箱底部離地間隙。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為
Ｒ≥r++ (3-1)
其中，各項(xiàng)參數(shù)為: r = 90mm，=400mm，=10mm。
將上述參數(shù)帶入后可得:
Ｒ≥500mm
在滿足開(kāi)溝深度要求的前提下，開(kāi)溝圓盤(pán)工作半徑越小，整機(jī)結(jié)構(gòu)越緊湊，消耗的功率越小，故取開(kāi)溝圓盤(pán)裝置回轉(zhuǎn)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(nèi)選取。該機(jī)開(kāi)溝刀盤(pán)回轉(zhuǎn)直徑為D=2R =1000mm，可求得刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n=≈133.76～286.62r/min。取較大值時(shí),拋土較遠(yuǎn)而均勻，并有利于切斷土中作物殘根等，但功耗較大、生產(chǎn)率降低。由于開(kāi)溝深度較深，為了使開(kāi)溝后土?？梢皂樌麙伋?，取切削線速度為11.5m/s，求得刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為219r/min。
2.2施肥傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
果園開(kāi)溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)地輪和地輪鏈輪是作為一個(gè)整體裝配的。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)時(shí)，地輪和地輪鏈輪同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，地輪鏈輪通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)肥料箱中的絞龍轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)排肥作業(yè)。按每667施肥量 1 000kg、行距3.5m計(jì)算，開(kāi)溝施肥時(shí)每米施肥量約為5.23kg，在連續(xù)施肥的情況下，機(jī)具前進(jìn)一個(gè)株距時(shí)，絞龍生產(chǎn)率為
Q =vg/S (3-2)
其中，v為機(jī)具的前進(jìn)速度，v=1km/h;g為施肥量,g=3.3kg /株;S為機(jī)具前進(jìn)距離，S=0.633m。代入各參數(shù),計(jì)算得Q=5.21t/h。
絞龍轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為
n=Q/( 47D2scγΦ) (3-3)
其中，Q為鉸龍生產(chǎn)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(shù)，傾斜角度≤5°時(shí),c=0.9;γ為物料的容重，取γ=0.8t/m3;Φ為充滿系數(shù)，選取Φ=0.8。計(jì)算得n=57.02r/min。取地輪直徑d=380mm，地輪線速度(即拖拉機(jī)前進(jìn)速度) 為1km/h，由此計(jì)算得地輪轉(zhuǎn)速n0=50.28r/min,則地輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比i=n/n0=1.14。因此,設(shè)計(jì)施肥傳動(dòng)個(gè)鏈輪齒數(shù)為: 地輪鏈輪 Z6= 23，中間過(guò)渡鏈輪和鉸龍鏈輪為 Z7=Z8=Z9=20。
2.3 覆土裝置的設(shè)計(jì)
開(kāi)溝施肥機(jī)開(kāi)溝并施肥后由覆土裝置將溝填平，要保證覆土質(zhì)量，覆土圓盤(pán)需要有合適的斜度。要滿足此斜度，需使覆土圓盤(pán)能在兩個(gè)維度里旋轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)中的這種結(jié)構(gòu)使覆土圓盤(pán)既能在x-y平面內(nèi)左右轉(zhuǎn)動(dòng)，自身又能沿轉(zhuǎn)桿360度旋轉(zhuǎn)，可以充分滿足覆土圓盤(pán)需要的斜度。
3總結(jié)
本文以果園主要果樹(shù)（葡萄、紅棗等）為研究和服務(wù)對(duì)象，針對(duì)其矮化、密植的種植特點(diǎn)，以功耗低、可操作性好為目標(biāo)，結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及實(shí)踐基礎(chǔ)，提出了一種果園開(kāi)溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)具。本機(jī)具有以下特點(diǎn)：
（1） 本機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊,各個(gè)零件的要求較低，便于生產(chǎn)加工；
（2）該機(jī)器工作可靠，能較好地滿足果園的開(kāi)溝和施肥工作，在田間作業(yè)時(shí)對(duì)土壤的要求不高，對(duì)于沙土地的實(shí)際條件，可以實(shí)現(xiàn)較高的工作效率。
本文介紹的果園開(kāi)溝施肥機(jī)成本低，效率較高，和小型四輪拖拉機(jī)配合使用，具有操作簡(jiǎn)單，占地面積小等諸多優(yōu)勢(shì)。能較好的滿足承包戶(hù)的經(jīng)濟(jì)要求，以及實(shí)際生產(chǎn)要求。
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