果园变距双行开沟机设计及应用

李武德，曾伯胜

（1.广西包装食品塑料机械产品质量监测站，广西 南宁530007；2.广西农业机械研究院有限公司，广西 南宁530007）

0 引言

我国是水果生产大国，水果种植面积和水果产量均居世界首位[1]。近几年，随着国家脱贫攻坚规划和乡村振兴战略的实施，我区农村经济作物的种植规模迅速发展，水果产业成为农民的首选发展项目，果树种植面积迅速扩张，随之而来的是果树田间管理问题突出。果树施肥是一项较为关键的园艺作业环节素[2]，是保证果树良好生长和果实丰收保证，施肥是影响果实产量和品质的重要因素[3]。根据果树各物候期的需肥特点，全年宜分花期、花候、花芽分化期前、果实生产期4次补给肥料，目前市场上缺少可靠高效的施肥开沟机，果园开沟主要依靠人工作业，劳动强度大、工作效率低[4]，对于大面积种植的果园，在短时间内靠人工挖沟、挖坑完成，困难非常大，且随着农村青壮年劳力的短缺和劳动力成本的不断提高，作业成本巨大。目前，国内果园作业机具功能单一或适应性差，无法满足果园大规模机械化开沟施肥作业和短时间内完成的农艺需求。针对这一现状，笔者通过走访调研，大、中规模果树种植户普遍采用的“条状沟施”施肥方式，即在果树行边沿树冠下方开沟施肥，具有能实现高效、快速完成施肥的特点。因此，笔者设计、试制了一种变距双行开沟机并投入大型果场使用，效果良好。

1 设计依据

（1）柑橙果树种植行距7 m，株距3 m。

（2）开沟施肥采用条状沟施，即在树冠垂直投影的外缘，与树行同方向挖条形沟。

（3）为提高作业效率和充分利用拖拉机的有效功率，采用双行同时开沟。

（4）果树有于年份不同，品种及长势差异，行距间树冠的距离有所不同，采用双行开沟部件距离应可调，以适应不同地块作业。

（5）树种、土质、管理水平等，根系深浅不一，应设置深度调节装置，保证开沟深度在根系深度范围内。

2 主要技术方案及结构原理

果园变距双行开沟机由悬挂式机架、左右液压油缸、左右四连杆机构、左右铧式开沟犁等组成（如图1）。左右铧式开沟犁通过左右四连杆机构与悬挂式机架连接，左右液压油缸用于调节左右铧式开沟犁的距离，在调节不同距离时，左右铧式开沟犁始终与前进方向一致。

图1 果园变距双行开沟机结构组成

果园变距双行开沟机悬挂于轮式拖拉机上，拖拉机可在两行果树之间行走，机手可根据果树行距及果树大小情况通过调节液压油缸的伸出长度调整连杆机构的角度，从而改变左右铧式开沟犁的距离，开沟的深浅可通过调节限深装置来实现，调整好开沟距离和深度后，即可进行开沟作业。

3 主要技术参数

果园变距双行开沟机的主要技术参数详见表1。

表1 果园变距双行开沟机主要技术参数

4 主要结构设计

4.1 悬挂式机架及变距机构

果园变距双行开沟机与拖拉机悬挂系统连接的机架为标准三点悬挂式机架，机架左右设计两个连杆连接口，连杆机构活动连接于机架两侧，左右铧式开沟犁固定于左右连杆机构外端连杆上，连杆机构的角度可以在一定范围内摆动，液压油缸与连杆机构活动连接，通过改变液压油缸伸出长度可调整连杆机构的角度。

左右液压油缸的进出油口与拖拉机的液压输出进出口连接，在拖拉机上可通过操作液压控制阀，实现左右液压油缸伸缩，从而改变左右连杆机构的角度，使得固定在左右连杆机构外端连杆的左右铧式开沟犁之间的距离变化。液压油缸活塞杆伸出到最大行程时，左右铧式开沟犁之间的距离为最大值，反之为最小，左右铧式开沟犁之间的距离设计值为2 600～4 200 mm，在该范围内可调节到任意距离。采用平行四边形的四连杆机构能保证铧式开沟犁在变距过程中，犁尖方向始终不变，犁铧方向角不变，保证铧式开沟犁的开沟、翻土碎土性能优良。

4.2 液压油缸的主要参数设计

4.2.1 油缸行程的设计

根据果园变距双行开沟机的设计要求及技术方案，左右铧式开沟犁之间的距离设计值为2 600～4 200 mm，可得支撑油缸的长度为1 090～1 665 mm，即油缸行程为575 mm。

4.2.2 油缸受力分析

根据果园变距双行开沟机的设计要求及技术方案，可形成机构受力简图，果园变距双行开沟机右侧受力简图如图2所示。

图2 果园变距双行开沟机机构受力简图

连杆DC可绕D转动，铧式开沟犁作用力加载于C点，液压油缸AB支座为A点，与连杆连接于B点，连杆DC与液压油缸AB夹角为α，从受力简图可知，为了保证果园变距双行开沟犁正常工作，其油缸支撑力应满足：

式中：F—液压油缸支撑力；

Fa—铧式开沟犁的开沟作用力；

L1—液压油缸支撑点至活动点D的距离；

L2—铧式开沟犁的作用力受力点至活动点D的距离。

本果园变距双行开沟机配套动力为约翰迪尔1204A轮式拖拉机，最大牵引力为39 kN，液压系统输出压力最大为16 MPa/cm2。根据图2，铧式开沟犁所受阻力应与拖拉机牵引力相等，即右侧铧式开沟犁受力应等于拖拉机牵引力的一半（即19.5 kN）。根据式（2）计算液压油缸支撑力F：

根据设计图知：L1=550 mm，L2=1 135 mm，α =33.4°，由式（3）可得液压油缸支撑力F≥73 165 N。4.2.3油缸缸径计算

开沟犁配套约翰迪尔1204 A轮式拖拉机液压系统输出额定压力为16 MPa/cm2，在实际工作中，为保证液压系统工作可靠和安全，设定液压油缸工作压力为10 MPa/cm2，安全系数取2.5，液压油缸参数应满足下式：

式中：F—液压油缸支撑力；

p—液压油缸工作压力；

d—液压油缸缸筒内径。

根据式（4），可得p≥ 76 mm。根据液压油缸缸筒内径标准尺寸，选着液压油缸内径为80 mm。

5 试验及应用

果园变距双行开沟机试制成功后，已投放在利添生物科技发展（合浦）有限公司位于广西北海市乌家镇的7万亩柑橘果业基地实地应用，如图3和图4所示。

图3 果园变距双行开沟机作业

图4 完成施肥覆土作业后效果图

配套约翰迪尔1204A轮式拖拉机进行作业，柑橘种植行距7 m、株距3 m，作业地行间树冠距离约3.8 m。根据柑橘施肥农艺要求，双行开沟距离设置为3.9 m，经测定，开沟深度平均值312 mm，作业平均速度6.54 km/h，即纯工作时间作业效率可达4.5 hm2/h，平均油耗1.8 L/hm2。开沟作业满足柑橘施肥的农艺要求，获得柑橘种植业主的好评。

6 作业效益分析

利添生物科技发展（合浦）有限公司为亚洲果业控股有限公司在中国大陆的附属机构，拥有广西合浦、江西信丰、湖南永州3大柑橘种植基地，广西合浦的果业基地位于广西北海市合浦县乌家镇，种植区面积约7万亩（4 667 hm2），以往苦于无适用于大面积作业的开沟施肥机械，需要雇佣人工进行分段开沟、施肥作业，每株果树的开沟作业成本为0.75元，每人每天可为约200株果树挖沟，而且还常常难以请到作业工人，不能保证按时完成开沟施肥作业。

使用果园变距双行开沟机进行开沟作业，经测定，每天作业8 h，可开沟30 hm2，约完成14 400株果树的开沟作业。雇佣约翰迪尔1204 A拖拉机的成本为 600元/天，油耗（8 h）64.8 L，按 7元/L 计，折合453.6元，每天开沟总成本1 053.6元，每株果树开沟费用为0.07元，每株果树节约费用0.68元。

在利添生物科技发展（合浦）有限公司广西合浦的果业基地，使用三台果园变距双行开沟可在50个工作日完成全部4 667 hm2柑橘果树的开沟作业，一台机相当于100个劳动力的开沟作业量，节约作业成本约150万元，有效降低了作业成本，解决了以往开沟施肥滞后，影响果树生长的问题。使用果园变距双行开沟机，既能将肥料施入深层土壤中，又有利于肥料效果的有效发挥，还能使挖沟部位的土壤疏松有利果树生长和水果产量提高。

7 结论与展望

果园变距双行开沟机的研制及使用表明，其开沟距离调整简便，开沟深度及宽度稳定，作业效率高，对促进大、中型果树种植园开沟施肥作业机械化、降低作业成本具有重大意义。

本设计的果园变距双行开沟机还可以方便地作如下拓展：

（1）在果园变距双行开沟机上进一步配置肥料箱及施肥装置，可实现开沟、施肥联合作业。

（2）在铧式开沟犁后方设计配置覆土装置，在开沟、施肥后能将翻出泥土回填，实现开沟、施肥、覆土一体化联合作业。

（3）铧式开沟犁犁尖处容易磨损，进一步考虑加装一个尖套使用，提高耐磨性，更换便捷。