果园有机肥深施圆盘开沟机研究现状及发展对策

马 晨，蒙贺伟，坎 杂，戚江涛

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)



果园有机肥深施圆盘开沟机研究现状及发展对策

马 晨，蒙贺伟，坎 杂，戚江涛

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

我国的林果业种植面积日趋增长，而现有果园开沟施肥机械已经不能满足当今劳动力短缺的现状，因而加强果园开沟施肥机的研究对降低劳动力及提高作业效率等有重要意义。为此，阐述了国内外果园有机肥深施圆盘开沟机的现状，并针对不同结构圆盘式开沟机进行研究分析，根据有机肥深施圆盘开沟机存在的问题，提出了相应的对策。

果园；圆盘式开沟机；有机肥；仿真分析

0 引言

新疆地处于我国西北，凭借着天山南北特有的光热条件与地域气候的优势，已经成为我国重要的“西域大果园”。目前，在天山南北已形成两大特色“果园”：环绕南部塔里木盆地大面积种植红枣、核桃、杏、香梨和苹果等；在北部的吐哈盆地、伊犁河谷、天山北坡等地，农民广种葡萄、红枣、枸杞等。如今，新疆的红枣、杏种植面积已居全国首位，核桃种植面积居全国第3位，林果业已成为新疆农村经济发展和农民持续增收的支柱产业。据统计，截至2014年底，新疆特色林果种植面积达146.7万hm2，总产量650万t，产值450亿元多[1]。

在果树种植过程中，施肥是影响果实产量和品质的重要因素，合理施用肥料可增加果实产量，且能提高果园的土壤肥力和环境效益。目前，施肥的种类主要有无机肥和有机肥：无机肥作为一种速效化学肥料，主要以化肥为主，其突出特点是肥效快，但存在会造成土壤结构改变、导致土壤有机质含量下降、土壤肥力下降及果实品质下降等问题；施用有机肥有助于改善土壤的物理化学特性，使得土壤容重降低、孔隙度增大、含水量增加、土壤水势升高，且增加了果实产量，提高了果实品质、果实的可滴定酸含量和可溶性固形物含量。目前，果园有机肥使用主要是用于基肥、追肥及根外施肥。其中，基肥是林果周年生产中最重要的施肥措施，果树基肥施加有用肥量大、施肥周期短等特点，而且由于林果种植行距和生产效率限制，果园里进行作业的动力机械不能超过36.8kW。因此，相关适用机械较少，果园施有机肥主要采用人工施肥。这种施肥方式通过人工开沟、撒肥、埋土，人工施肥强度大、效率低，且随着外来务工人员的逐年减少，人工作业已经不适应现代林果业的发展趋势。因此，随着近年来果园机械化发展，果树机械化施肥已成为必然趋势，而作为施肥过程中能耗最高的开沟环节已成为能否有效实施机械化施肥的关键。

1 有机肥深施开沟机技术现状

1.1 有机肥施肥技术现状

国外最早出现的施肥机采用拖车来装固、液态肥料，通过简单输送装置来进行施肥。20世纪50年代初，随着化肥的大规模的应用，促进了施肥机械化的发展[2]；但主要针对的是平坦土地的施肥应用，如采用输送管、气泵与喷嘴这种方式施肥，之后又出现了排肥器等。

目前，针对施有机肥的机械化技术，国外一般是以撒施作业方式为主，欧美等发达国家有机肥施肥机械主要有离心圆盘式撒施机、浆叶式撒施机、甩链式撒施机、锤片式撒施机、拨齿式撒施机和螺旋式撒施机等[3]。其中，以离心圆盘式、桨叶式与锤片式应用比较广泛，如法国格力格尔—贝松公司的速尔齐DPX Prima 撒肥机，其撒料斗容量为900～2 100L，作业范围为18～24cm[4]。而亚洲地区有机肥施肥机械比较发达的日本地区，目前研制出适用于水田等松软小地块的自走式撒施机，以及适用于水田、蔬菜、烟草等小型施肥作业[5]。例如，日本洋马的2FC-6G型(FVP60A型)侧深施肥机[6]，其料箱容量为78L，施肥行距为300mm。

根据林果有机肥施加作业要求，主要需要适用于大面积土壤表层作业的机械化施肥装备，其存在着施肥量大、作业机械能耗高等问题。调研结果显示，针对果园有机肥施肥作业，其公顷施肥量达75m3以上，按照果树种植行间距计算，能进地作业的机械最大动力不超过36.8kW。因此，对于果园有机肥施加作业机械设计要求较高，目前主要解决方案可采用开沟施肥联合作业机械或者开沟与施肥单独作业等模式。

1.2 有机肥深施开沟技术研究现状

我国有机肥深施开沟机的研究较晚，一般采用开沟机基础上加撒料装置的方案。

目前，针对林果业的开沟深施有机肥联合作业机械研究的有汪官健、赵卫林[7]等人根据新疆阿克苏地区干旱缺水的特性，研制了多功能果树开沟施肥机。该机主要由机架、传动装置、开沟装置、施肥装置及覆土装置5部分组成，其开沟宽度为200～300mm，开沟深度为200～350mm，作业速度为2～5km/h。该机的开沟部件采用圆盘式开沟刀，刀盘设在拖拉机右轮的正后方，作业时拖拉机行走时不会受到树干的影响，且该机可实现开沟、施肥、覆土于一体。孙茂森、姜秀美[8]等人根据山东地区的葡萄、苹果种植特点研制的1KS-50型果园深度开沟施肥机，由万向传动轴、机架、悬挂三角架、传动机构、开沟机构、液压机构、施肥机构和限深轮机构等8个部分组成。开沟部件采用顺向圆盘旋转切削式开沟，开沟深度由液压控制系统控制可实现30～50cm的沟深，开沟宽度为12～14cm，通过15.7～22kW的拖拉机牵引。该机的施肥机构是利用拖拉机提供的动力通过链条传动来带动其工作的，能很好地做到开沟、施肥、覆土为一体，避免施肥不均出现的漏撒现象。郭新刚、张鲁云[9]等人针对新疆葡萄地的种植特点研制了2F-2.0型液压翻转葡萄施肥机，主要由悬挂架、液压翻转肥料箱、机架、链式开沟器、绞龙、行走地轮、传动机构及离合器等部分组成。该机的施肥装置采用综合悬挂式和牵引式，可以提高工作效率，其作业效率为0.6hm2/h，开沟部件采用的是链式开沟刀，能做到开沟、施肥、覆土为一体。

随着有机肥深施开沟技术的发展，已经从单一的开沟机演变成了开沟施肥一体化的开沟施肥机；但由于地形、土壤含量、施肥量大小等不同，已有各种不同形式的开沟施肥形式出现。目前，对于果园开沟施肥机开沟部分的研究主要以圆盘式开沟机为主。

2 圆盘式深施有机肥开沟技术现状

2.1 开沟技术研究

目前，国内外开沟装置主要有铧式犁开沟、圆盘式开沟和链式开沟等结构类型[10]。其中，铧式犁式开沟机结构简单，便于维护，如图1所示。该机具在针对果园深施有机肥进行开沟作业时，存在适应性差、开沟土壤回流现象严重及作业能耗高等问题。链式开沟机开沟沟壁整齐，深度符合果园施肥要求，是由动力系统、减速系统、链传动系统及分土系统组成的一种链条式开沟装置，如图2所示。该装备由于连接活动部件多，工作条件差，受冲击能力差，故障率相对较高，而且与施肥装置结合进行开沟施肥作业时，存在着结构尺寸大导致在葡萄地头难于掉头及开沟与施肥装置配合困难等问题。

图1 铧式犁开沟机结构示意图

1.行走地轮 2.翻转油缸 3.肥箱 4.绞龙 5.开沟铲齿 6.传动轴 7.齿轮箱 8.链式开沟器

目前，圆盘式开沟机有牵引阻力小、工作效率高、与施肥装置易于配合及结构尺寸小等优点，逐渐成为果园深施有机肥开沟作业的主流机具。圆盘式开沟装置主要由开沟刀盘、开沟弯刀、削壁刀及主轴等组成，如图3所示。其在刀盘上布置若干开沟弯刀及削壁刀，开沟弯刀主要用于开沟，削壁刀用于在开好的沟上进行整形，依据刀盘旋转方向可分为正转旋转、反转旋转两种，刀盘可有一个或者若干个，主轴可布置为轴向或纵向。其开沟过程就是对土壤进行强制破坏，通过高速旋转的刀具对土壤进行切削、翻转、破碎、抛掷的过程，从而导致土壤的应力-应变和结构失效，使切削土壤毁于拉、剪及压的作用。

图3 圆盘式开沟装置示意图

针对圆盘开沟机的研究，我国在20世纪80年代中期引进了的意大利DMR-65单圆盘旋转开沟机[11]，该机开沟圆盘设在侧边，为了使沟壁更光洁，刀盘上设有3把刮土刀片，成“Γ”字形排列，并以1 200等分装在锥体小端上。该机通过菲亚特-100型拖拉机牵引，其开沟形状为梯形，开沟宽度为上部宽度1.9m，下部宽度0.3m，开沟深度为1.05m。

国内刘天星[12]等人设计了基于江淮稻麦农耕区的圆盘式开沟埋草一体机；马占新[13]等人根据北方葡萄园的栽培要求研制生产了以正转旋耕方式工作、配套功率为36.8kW的1K-40型葡萄施肥开沟机；罗海峰[14]等人根据现有小型东风-12型手扶拖拉机进行改装，选用弯刀ⅡS245安装在旋耕刀轴上，完成了开沟、施肥、埋土与一体的开沟施肥机。

资料显示，目前开沟技术装备的研究已成为果园机械化发展的亟需技术装备，但目前现有装备存在着开沟质量不高、装备外形尺寸过大及开沟消耗高等问题，亟需开展适于果园的深开沟技术装备研究。

2.2 开沟技术装备研制

2.2.1 单圆盘开沟机的研究

单圆盘开沟机结构简单，只需符合开沟要求的刀盘，安装在主轴上与主轴一同回转，同时设有刮土板，便可实现开沟作业。其工作原理与旋耕机的工作原理类似，沿直线行走，前进过程中破土刀切碎土壤随后再由抛土刀把土抛出沟中。

目前，针对单圆盘开沟机研究的有由江西省万安县农机局研制的1KSH-15型圆盘式开沟机[15]，如图4所示。该机由东风12型手扶拖拉机牵引，开沟机开始工作时,由6把固定式弧形弯刀经过旋转切碎土壤并向左右抛出,再由2把固定式侧刀片修整沟壁,铲刀铲出沟底,使开沟、碎土、抛土和覆盖作业一次完成。其开沟部件为刀盘与弯刀的合成体，开沟深度为10～20cm，开沟宽度为25cm。其优点在于比较小巧，适用范围广，结构简单；但存在的问题是效率低，无法完成大规模的开沟，无施肥装置还需人工施肥，开沟质量不能保证。该机作为早期发展的开沟机，为后来的有机肥深施开沟机的发展打下了良好的基础。

图4 1KSH-15型圆盘式开沟机

张加清、刘丽敏[16]等人根据大棚果园深施肥的要求，研制的1KF-20型大棚果园开沟深施肥机，主要是由沟底、覆土器(刮板)、排肥器及排肥管等部分组成，如图5所示。

1.沟底 2.覆土器( 刮板) 3.排肥器 4.排肥管 5.肥料箱 6.刀盘轴 7.仿生开沟刀盘 8.工作传动变速箱 9.沟顶 10.动力底盘 11.动力

开沟刀盘由一组模拟蚂蚁与穿山甲爪子仿生而成的弯刀，使得每次开沟刀作业时切碎土壤所受到的阻力最小，且适应比较硬土壤的使用要求；开沟刀采用的是交错式环形布局，对土壤可进行分层错位切削，降低了切削所用功率，从而提高了整组开沟刀的工作效率。该机以柴油作为动力源，其开沟深度为0～20cm，开沟宽度为8～15cm，料箱容积为58L，作业速度为0.6～0.8km/h 。该机适用于我国南方的粘黏土质、沙地，以及在行间距较小的环境下作业，结构紧凑，适应性强，实现了开沟、施肥、覆土一体化。

郭新刚、李亚雄等根据新疆特色的葡萄地研制的2FPG-40 型施肥机[17]，由开沟刀盘、施肥铲、覆土挡及肥箱等组成，如图6所示。开沟刀盘为了减少土壤回流量，在刀盘侧面内部安装2把刀片，可将回流土壤再次甩出，可达到最大开沟深度。开沟刀盘每侧安装18把刀片，为了提高刀盘受力强度刀片为交错布置。该机肥箱容积为0.4m3，开沟深度为25～42cm，开沟宽度为15cm，作业速度为不高于30m/min。该机通过29.4kW的拖拉的牵引，是集开沟、施肥于一体的果园施肥设备，其开沟刀盘特有的每个内侧加有两把刀片，可以将回流的土壤再次抛出开沟槽，有效提高了开沟质量；但由于收开沟刀盘侧置影响，料箱会发生倾斜现象，且作业效率较低。

1.开沟刀盘 2.施肥铲 3.覆土挡板 4.驱动调位滚筒

张平、孙晓春[18]等人针对江苏地区稻麦两熟及小区域开沟施肥特性研究了后置式小型开沟机，需要11.03～13.23kW的手扶拖拉机为动力，整机安装于手扶拖拉机下面。该机开沟宽度为上20cm、下15cm(沟型为梯形)，深度为18～25cm，作业效率为1 200m/h，具有破土性能好，工作性能好，适合小地形稻田开沟施肥作业。

2.2.2 双圆盘开沟机的研究

双圆盘开沟机是由左右两个对称的刀盘组成，工作时左右两个刀盘同时切碎土壤和抛出碎土，并可根据开沟要求设计刀盘大小。

目前，针对双圆盘开沟机研究的有叶强、谢方平[19]等人根据葡萄园的生产与南方地形要求设计一款小型反转双旋耕轮开沟机，主要由导向与限深装置、挡土导流装置、双旋耕轮、操纵控制机构及传动装置等组成，如图7所示。该机以刀盘反转方式进行作业，抛出的碎土由挡土板导流至沟两边，经测试其开沟深度为500mm，开沟宽度为200mm。因为是双圆盘同时作业，所以沟壁光滑，沟中残土较少，能一次性成形，符合开够要求，并且能一次性完成开沟、施肥及覆土等工作。

1.未开沟地 2.导向轮与限深装置 3.挡土导流板

由吴建东[20]根据大型水建作业要求研制的1KS-100型双圆盘开沟机，用于开挖排水灌溉沟渠，也可以用来铺设电网和修筑路基等。该机需具有50～200m/h低速的拖拉机来牵引，其开沟宽度为上1.9m、下0.4m(开沟构型为梯形)，开沟深度为1m。该机为半悬挂式，操作简单，装拆方便，刀盘外缘配有18把径向切刀，以6头螺旋线排列，使得整机作业时负荷均匀，连续抛土。

张传忠、艾光富[21]等人根据油田建设中大规模的井场界沟、管道沟及排水沟的需要，研制的KX-40开沟机，为逆向铣削式双圆盘，由齿轮传动箱、刀盘及铣刀总成和抛土板等机构组成，在拖拉机动力输出轴的带动下，由万向传动装置和齿轮传动箱带动刀盘进行切削土壤和抛土运动。其开沟宽度为上500mm、下400mm，其开沟深度为400mm，作业速度为500～800m/h。该机作业功率高、结构简单、开沟形状规范，符合开沟要求。

2.2.3 圆盘式开沟机仿真分析研究

现今，国内外学者、专家对于圆盘式开沟机的结构优化与刀盘设计等方面做了很多的研究，但通过相关软件对圆盘式开沟机进行运动数据仿真及机理的分析研究较少。研究表明：通过仿真分析，可以改善圆盘式开沟机的性能，并提出解决方案，以便为圆盘式开沟机的设计与推广应用提供参考。

目前，开展此类研究的有张琦、王伟[22]等人根据矮化密植枣园种植特点，设计的一款双圆盘式自走型开沟施肥机，并利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对刀盘上的旋耕弯刀切削土壤过程进行了动态模拟仿真分析，直接显示了弯刀在切削作业时对于土壤的破坏程度。该仿真先运用Pro/E中建立切削土壤的三维模型，导入ANSYS中，建立切土模型(见图8)；再确定模拟参数，在ANSYS/LS-DYNA中设置仿真模拟参数并完成求解，得出模拟仿真结果。

图8 切土模型

试验表明：弯刀与土壤接触的面积越大，土壤被破坏的程度就越大，且土壤最大等效应力先是缓慢变大，土壤被完全破坏后最大等效应力趋于稳定。

康建明、李树君[23]等人根据果园种植现状来探究土壤物理性能和工作参数的变化对圆盘式开沟机的工作效率影响规律，利用ANSYS软件中的LS-DYNA动力模块对开沟弯刀在切削土壤时的功率消耗变化规律进行研究，建立开沟刀盘与开沟土壤模型，并根据开沟切削土壤方式确立切削土壤边界条件，如图9所示。

图9 土壤—开沟刀盘模型

根据建立的土壤模型的结果分析，即可算出开沟刀盘作业的功率消耗，功率消耗变化曲线，如图10所示。试验证明：开沟刀在切削时影响工作效率的因素主要是土壤坚实度、刀盘线速度及所需开沟深度。该研究利用MatLab软件建立了功耗模型，得出了作业功耗模型和优化结果。

图10 开沟过程作业功耗曲线

毛艳辉、宋建农[24]等人为了改善圆盘式开沟机的振动性能，利用MatLab软件建立开沟机动力学振动模型进行仿真分析。试验结果表明：相同的速度下，安装液压阻尼器可提高开沟机在开沟过程中刀盘与土壤作用时的减震性能，同时改善了覆土的均匀性。叶强[25]为研究果园深施肥开沟机的刀盘性能，利用SolidWorks Simulation有限元分析软件与MatLab仿真软件相结合对开沟刀盘进行有限元静态分析，以及分析开沟弯刀、清沟犁及主轴在不同载荷下的位移、应变、应力和反作用力。首先将自制的旋耕刀在SolidWorks中扫描成三维模型，定义旋耕刀材料为65Mn钢，通过添加约束限制和载荷，划分旋耕刀网格，最终得到旋耕刀片应力云图，如图11所示。试验根据分析结果对开沟关键部件进行优化，确保了开沟机在实际生产中具有一定抗阻能力和使用寿命。

图11 旋耕刀应力云图

针对现今开沟施肥技术的快速发展，圆盘式深施肥开沟机已经从最初的单一作业模式演变成了开沟、施肥、覆土于一体的联合作业机械，因此开展适于有机肥深施的节能降耗型开沟技术研究势在必行。

3 存在的问题及发展对策

3.1 存在的问题

目前，随着农业机械化的发展，果园开沟施肥机能有效提高林果业质量和产量，减少能耗和作业强度，提升林果也产业发展水平，但还存在以下问题：

1)开沟施肥机一般采用的是36.8kW及以下的拖拉机进行悬挂配套工作，在一些地形松软的土壤下作业时，开沟时易出现走偏、振动、开沟形状不标准等问题。

2)开沟刀盘的刀具安装结构比较单一，作业时效率低，并且开沟时阻力大，不适用于复杂地形。

3)在一些丘陵地带，由于地势限制，刀盘的悬挂设计不合理。

4)在土尘、杂草等较多的恶劣工作环境作业时，无法保证刀盘可以较好地适应恶劣环境进行作业。

3.2 建议

1)充分考虑果园种植模式和土壤特性，选择结构参数和工作参数适宜的开沟施肥机，保证开沟施肥作业质量。

2)改变传统的圆盘式开沟刀的形状和布置方式，在保证作业质量的前提下提高作业效率。

3)在开沟施肥机的各关键部件优化设计过程中，加强理论分析和实践的结合程度，为提升整机性能奠定基础。

4 结语

随着人们对水果的大量需求，果园的发展正趋向于规模化、标准化及快速化。在果园的管理环节中，机械化已经成为果园健康发展的必然前提，果园有机肥深施圆盘式开沟技术的实施不仅实现了果园机械化开沟施肥作业，而且提高了水果产量、降低了人工劳动强度。但是相关技术还存在一些问题，在后期的研究中，应该遵循“低能耗、高效率”原则，根据不同的地形、种植模式、土壤条件和施肥要求等，利用先进仿真优化分析方法、研制出适合不同因素的开沟机械装备，从而提高果园开沟作业质量，为开沟施肥作业一体机的研究奠定基础。

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Abstract： The planting area of fruit industry has been growing gradually, while orchard trenching fertilization machinery has not satisfied the present situation of the current labor shortage.Study on orchard ditching and fertilizing machine has important significance to reduce labor, improve work efficiency. This paper expounds the present situation of organic fertilizer deep application of disc ditching machine at home and abroad, and analyzed the different structure of disc type ditching machine, according to the organic fertilizer deep application of disc ditching machine problems, put forward the corresponding countermeasures.

ID:1003-188X(2017)10-0012-EA

The Research Current Situation and Development Countermeasure of the Orchard Organic Fertilizer Deep Application of Disc Ditching Machine

Ma Chen , Meng Hewei , Kan Za, Qi Jiangtao

(College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University, Shihezi 832000,China)

orchard; disc ditching machine; organic fertilizer; simulation analysis

2016-09-28

国家自然科学基金项目(51505306)；新疆生产建设兵团工业科技攻关计划项目(2013BA009)

马 晨(1993-)，女，新疆石河子人，硕士研究生，(E-mail) marcia.chen@foxmail.com。

蒙贺伟(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，硕士，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

S233.3

A

1003-188X(2017)10-0012-06