果园自动开沟施肥机的设计

刘方平，贺晓华，苏 磊

（柳州职业技术学院 机电工程学院，广西壮族自治区 柳州 545000）

我国果园面积和产量居世界首位，且近10年来仍在不断增长。随着我国经济的发展，人们生活水平不断提高，人们对水果的需求从质和量上都提出了新的要求。果树的种植和管理需要投入大量的劳动力，而随着工业化和城镇化的不断推进，大量劳动力流向第二产业、第三产业，使得果园生产的劳动力严重不足，生产与管理成本上升，严重制约了果品产业的发展。因此，实现果园种植与管理的机械化、自动化成为解决劳动力不足问题的关键。

果树施肥是果树种植中的重要环节，合理施肥能够大大提高果品产量和质量。我国幅员辽阔，果园的环境、地势、土壤等都存在较大的差异，在平原地区，果园机械化、自动化程度较高，而丘陵山区受到地势地貌的限制，大多数的施肥作业还需人工辅助完成，对于深施填埋施肥而言，开沟、施肥、覆土等一系列过程都需要大量的劳动力，工作强度大，效率低，施肥量不易把控，造成肥料浪费、果品质量差异大、生产成本提高等后果。因此，针对山地丘陵地区的果园施肥作业研发全过程机械化、自动化设备具有重要意义。

1 国内外研究现状

国外对施肥机械研究得比较早，20 世纪70 年代，基本实现了果园施肥作业的全过程机械化。在此基础上，近年来欧美等发达国家正在向智能化、自动化方向发展，利用各类传感器、智能处理系统、神经网络等先进方法，实现了精量施肥、自动配肥、精准施肥、自动避让等功能。国外施肥机械具有专业化、系列化、标准化、多样化等特点，但大多体型庞大，不适合山地丘陵作业。

我国施肥机械研究较晚，国内高校和科研机构进行了大量研究，研制出了一些适用于山地丘陵地区作业的施肥机械，其中一些机型已投入使用。例如，金华市农业机械研究所的张加清等研制出1KF-20 型开沟深施肥机，能够同时实现开沟、施肥、覆土作业，结构简单，效率高。西北农林科技大学的韩冰、刘斐等设计一种果园挖坑施肥机，实现了钻孔、施肥、覆土一体化作业，在挖坑的同时实现了肥料与土壤的有效混合，提高了肥料利用率。浙江机电职业技术学院祝勇仁设计的果园开沟深施肥机，可以完成开沟、施肥、覆土一体化作业，具有抛土均匀、沟型规范、开沟深度可调等优点，大大提高了生产效率。孙兴祚等针对新疆果园种植，设计完成了一种集输肥装置、施肥装置、液压驱动装置、料箱及机架等为一体的有机肥条施机，能够将有机肥均匀条施在果树根侧，解决了人工深施有机肥存在的劳动强度大、效率低等问题。

果园施肥机械的不断研发，逐步解放了生产力，降低了果农的劳动强度，提高了施肥效率和质量。但是，目前的施肥机械仍然存在不足之处，需要逐步完善[9-11]。智能化、自动化程度低。大多数机械需要果农辅助作业，需要进一步研发出集避障、开沟、精准精量施肥、覆土于一体的，适用于丘陵山地的施肥机械。果园施肥机械的通用性不强。缺少适用于不同地形、不同果树、不同肥料类型的通用型施肥机械。排肥量小。不能兼顾小量施肥和大量施肥，排肥时容易结块、堵塞，影响排肥均匀性。开沟刀具磨损快，能源利用率低。针对现有阶段施肥机械的不足之处，设计一种开沟施肥覆土一体机，集开沟、施肥、覆土、夯实功能于一体，实现果园施肥的自动化，提高施肥效率和肥料的利用率，大大降低果农的劳动强度，降低人力成本。

2 整体方案设计

2.1 总体结构设计

如图1 所示，该自动化施肥机主要由开沟机构、肥料箱、排肥装置、覆土结构、机架、夯土装置、液压驱动系统组成。开沟机构包括开沟机架组件和开沟犁；肥料箱安装在机架上，肥料箱的肥料出口下方连接有排肥筒，排肥筒上方设置有排肥护料板；排肥箱内设有强制排肥装置，与夯土轮轴通过带传动机构连接；覆土结构由2块覆土侧板组成，活动连接在机架的两侧；液压驱动系统包括液压泵、换向阀、液压锁、液压缸等；该自动化施肥机能实现开沟、施肥、覆土、夯实一体化施肥作业。

2.2 技术参数

根据现阶段果园施肥现状，及果园种植特点，自动化施肥机的主要技术参数如表1所示。

表1 果园一体化施肥机结构示意图Tab.1 The main technical parameters of automatic fertilizer applicator

3 主要结构设计及工作原理

3.1 开沟机构

现阶段的开沟方式主要分为铧式犁、旋转滚刀、链式开沟刀具，综合从开沟效率、能耗、刀具的磨损、沟型特点、结构复杂性考虑，选择铧式犁开沟，能在满足开沟要求的情况下提高开沟效率，减小能耗，降低结构复杂程度，节约成本。开沟机构由开沟机架组件、开沟犁、液压缸I、液压缸II组成。开沟机架组件由上开沟臂、下开沟臂、开沟连杆组成，通过4 个铰链副安装在牵引机上，利用平行四边形结构，保证开沟犁在工作状态中始终平行于牵引装置的连接部分，向下的破土力作用在牵引机上，具有更大的破土能力。开沟深度由液压缸II 控制，可满足0～400 mm 的不同开沟深度需求，其一端固定在牵引机上，由牵引机输出液压力。开沟犁宽度为200 mm，其工作状态和准备状态的切换由液压缸I 控制。开沟过程为，先通过液压缸II 调节需要开沟的深度，再控制液压缸I 使开沟犁达到工作状态。图2为开沟机构结构图。

图2 开沟机构结构Fig.2 The structural diagram of the ditching mechanism

3.2 覆土结构

如图1 所示，覆土结构由2 块对称分布的覆土侧板组成，2 块覆土侧板由前至后呈“八”字设置在机架上，能将开沟带出的蓬松土壤带回沟中，再由夯土轮夯实土壤。覆土侧板的抬起和放下动作由圆弧形伸缩铰链控制，当不需要进行覆土作业时，通过圆弧形伸缩铰链将覆土侧板抬起，具体结构及位置见图1。圆弧形伸缩铰链结构见图3，包括中空的圆弧形外套体、圆弧板、上定位销孔、下定位销孔。不需要覆土作业时，定位销插入下定位销孔内，使覆土侧板抬起，与水平呈45°角，覆土侧板离地间隙大；工作状态时，定位销插入上定位销孔内，圆弧板将覆土侧板放下，与地面呈90°角，离地间隙小。

图3 圆弧形伸缩铰链结构Fig.3 The structure of the circular and curved telescopic hinge

3.3 强制排肥装置

强制排肥装置包括肥料箱、传动机构、强制排肥机构。如图4所示，该结构能保证肥料顺重力落入搅龙槽，搅龙槽内安装有对称分布于排料筒两侧的搅龙结构，且搅龙方向相反布置，由搅龙强制顺排料筒定量排出，根据果园施肥要求，设计肥料箱容积为4 m3。动力由夯土轮经皮带传动机构传送至搅龙，搅龙的转动速度随机械运动速度的改变而改变，通过调节带轮传动的传动比，可实现各类果园的不同施肥量要求。

图4 强制排肥装置Fig.4 The device for forcing the discharge of fertilizer

4 结语

针对目前果园生产中劳动力缺乏、生产与管理成本过高的问题，设计了一种集开沟、施肥、覆土、夯实功能于一体的果园自动化施肥机，能实现开沟宽度为200 mm，开沟深度在0～400 mm 范围内可调，采用对称式的双搅龙强制排肥，能有效防止料块堆积，能适应化肥、农家肥、混合肥料等不同形式的肥料，并且排肥量可调节，可实现定量施肥。该自动化施肥机能提高果园施肥的自动化程度，提高施肥效率和肥料的利用率，降低果农的劳动强度，降低人力成本。对后续进行样机试制及田间试验提供理论依据。