2FF-100丘陵山地果园施肥覆土机的设计与试验

药林桃，罗 翔，曹晓林*，曾传佳，吴罗发，刘 洋，陈 盾，黄小红

（1.江西省农业科学院 农业工程研究所，江西 南昌 330200；2.江西省智能农机装备工程技术中心，江西 南昌 330200；3. 吉水县农业产业发展中心，江西 吉水 331600）

果业在江西的种植业中，是仅次于水稻、蔬菜的第三大产业，2019年种植面积达42万hm2［1］，主要以脐橙、蜜桔、甜柚等柑橘为主。江西果业种植基本上在低山丘陵地区，地势起伏不平，不适宜大型机械作业，大多生产作业以人工操作为主［2］，生产效率低。果园开沟施肥是促进果树生长发育的有效措施［3-4］，目前，丘陵山区果园缺乏与之相配套的果园开沟施肥机具，大多以表面撒施或叶面喷施为主，达不到较好的施肥效果，而表面施肥易造成肥料的严重流失；部分果农采用小型果园开沟机或挖掘机开沟，进行人工施肥覆土，作业强度大、效率低。

针对果园机械开沟施肥作业的需要，欧美等发达国家的果园采用标准化规模种植，行间宽敞，果园开沟、施肥机以大中型复合作业机具为主［5］；而丘陵山区果园果树密植、行间通过性差，不适宜大型农机具作业。国内也相继研发了果园施肥机具，夏瑞花等［6］研发设计了2FPG-40 型葡萄开沟施肥机，通过拖拉机牵引并提供动力，能够一次实现开沟、施肥与覆土的联合作业。洛阳市玛斯特拖拉机有限责任公司［7］生产的1GZ-120多功能自走式旋耕机配备了动力为20 kW的柴油机，可以完成开沟、施肥等作业。但这些机具体积和重量比较大，仅适宜在低等坡度果园作业，而江西果业种植基本上在低山丘陵地区，果园坡度比较大，以赣南脐橙为例，坡度15°以上的果园约占总种植面积的33.6%［8］，更适宜小型农机具作业。

江西省农科院农业工程研究所根据丘陵果园地形和生产的特点，开展了果园机械化开沟、施肥覆土分段式生产模式的研究，并研发了2FF-100丘陵果园施肥覆土机。

1 果园施肥覆土机的设计

1.1 整机结构

2FF-100丘陵果园施肥覆土机主要结构由动力装置、传动系统、操纵装置、施肥装置、覆土装置组成，其结构如图1所示。施肥装置在机具的前端，包括肥箱、外槽轮式排肥器、排肥轴；覆土装置包括2个左（右）螺旋搅拢、主轴；主轴与排肥轴采用皮带轮连接，机具作业时，动力由变速箱传送到旋转主轴，主轴通过皮带传动带动肥箱底部的排肥器转动；肥料进入排肥器，落入开好的施肥沟内，主轴上安装的螺旋搅拢在前进的同时，将沟两侧的浮土绞入沟内，完成覆土作业。

图1 施肥覆土机结构图

目前，果园开沟机开出的施肥沟深度为20～40 cm，宽度30 cm左右，抛土宽度1 m左右。根据沟形和地形特点，2FF-100丘陵果园施肥覆土机选用170F风冷汽油发动机，净重40 kg，覆土宽度1 m，机具行走速度0.2～1.0 m/s。

1.2 排肥器设计

2FF-100丘陵果园施肥覆土机采用外槽轮式排肥器，主要包括行星轮、肥量调节口、导肥板、排肥底座等零部件，通过改变肥量调节口大小和行星轮转动速度调整施肥量［9-10］。2FF-100丘陵果园施肥覆土机既可施颗粒状肥料也可施粉状有机肥，同时施肥量可调。根据江西脐橙种植特点，开沟施肥量为有机肥2.5~5.5 kg/株、复合肥0.25~0.5 kg/株［11］，在果树的行间或株间开沟、施肥、回土填平。脐橙园的行距和株距略有差异，一般株距为3~4 m，行距为4~5 m，根据脐橙种植农艺特点，机具排肥量应达到0.3~1.0 kg/m。

图2 外槽轮式排肥器

影响外槽轮排肥器施肥量的因素主要为槽轮转速和槽轮长度。其中，对于固定的外槽轮式排肥器，槽轮的长度为固定值。根据农业机械学设计手册［12］中外槽轮排种器的排量计算公式，计算单位圆周内排肥量，公式为：

式（1）中：q为排肥量（g/r）；d为外槽轮外径（cm）；L为槽轮的有效工作长度（cm）；γ为肥料堆积密度（g/cm3）； a0为槽内肥料充满系数；fq为单个凹槽截面积（cm2）；t为槽轮凹槽节距（cm），，z为槽数；λ为带动层特性系数。

单株果树施肥量Qz=2.5~5.5 kg，机具行走速度取vm=0.3 m/s，设计槽轮转速n=1.5 r/s，肥料堆积密度为γ=0.9 g/cm3，槽轮外径取d=5.8 cm，工作长度L=9.4 cm，槽数为z=6，按照肥料特性由农业机械设计手册［12］查得a0=0.9，λ=0.5，计算得到外槽轮排肥器fq=1.84 cm2，排肥器参数见表1。

表1 外槽轮排肥器参数

将所得参数代入排肥量计算结果得q=170 g/r，按果园株行距为3 m×4 m计算，单株果树施肥量为5.1 kg，满足施肥量设计需求。

1.3 螺旋覆土搅拢设计

开沟后，沟内土壤抛洒在两侧，本文设计的覆土回填装置在动力输出轴的带动下，两侧搅拢同时旋转，左右两侧搅拢的螺旋叶片螺旋线方向相反，可将抛出的散土从两侧往中间输送。螺旋叶片采用钢板冲压制成，并与搅拢轴焊接为一体，搅拢轴与主轴采用方轴连接、插销固定，方便拆卸，结构如图3所示。

图3 覆土回填装置结构图

1.3.1 螺旋叶片设计 螺旋叶片直径是施肥覆土机的重要参数，直接关系到机具的作业质量和结构尺寸。一般根据螺旋输送量、输送物料类型、结构和布置形式确定螺旋叶片直径。脐橙园土壤容重［13］约为1.3 t/m3，根据沟形可以计算出抛出土壤重量约为Wt=100 kg/m，设机具行走速度vm=0.3 m/s，螺旋叶片单侧平均土壤输送量Q=54 t/h。

计算螺旋搅拢直径［14-15］，公式为：

使K=(1/47K1A)2/5，转化为常用的经验公式（3）：

其中：Q为施肥覆土机覆土量（t/h）；D为搅拢叶片旋转直径（m）；K1为螺距和叶片直径比例系数；ψ为填充系数；γ为土壤容重（t/m3）；ε为倾斜输送系数；A为物料综合特性系数；K为物料特性系数。

已知单侧螺旋搅拢覆土量Q=54 t/h，γ=1.3 t/m3，查阅设计手册［16-17］可知：K=0.0558，ψ=0.5，倾斜度为0，ε=1，γ=1.3 t/m3，代入公式（2）和公式（3）得到：D=0.326 m。

螺旋叶片直径一般按照标准值制作，故取D=400 mm。

螺旋搅拢螺距不但能决定螺旋搅拢升角，而且决定物料在一定填充系数下的滑移面，因此，螺旋搅拢螺距的大小将直接决定物料的输送过程。螺距的计算公式为：

标准输送螺旋通常为 K=0.8~1.0；当倾斜布置或输送物料流动性差时，K≤0.8；当水平布置时，K=0.8~1.0，为达到较好的输送土壤效果，取螺距S=D=400 mm。

螺旋搅拢轴直径大小取决于螺距的大小，两者结合决定螺旋搅拢升角，所以应该正确设计轴径与螺距之间的关系。螺旋搅拢心轴计算公式［15］为：

根据设计手册取Kd=0.2，得到内径为d=80 mm。由于开沟器开沟抛起土壤最大宽度为1 m，土壤主要集中在施肥沟两侧的土堆里，两螺旋搅拢螺距为0.4 m，安装在离合器输出轴两侧，相距约为0.2 m，螺旋搅拢叶片数据如表2所示。

表2 单侧螺旋搅拢叶片数据

1.3.2 螺旋搅拢转速的确定 土壤是通过螺旋搅拢输送到沟内，螺旋搅拢转速的大小关系到输送效率及行走速度，螺旋转速太低，则输送量不大；若转速过高，物料受过大的切向力而被抛起，输送能力下降而且磨损增加，因此，螺旋轴转速不能超过某一极限。螺旋轴的极限转速经验公式［18-20］为：

式（6）中，KL为物料综合特性系数，取KL=76，求得螺旋搅拢极限转速nmax=120 r/min。

1.3.3 圆盘装置 施肥覆土机作业时，螺旋搅拢叶片做随轴心转动的旋转运动，圆盘可起到挡土功能，同时驱动机具前进方向为直线运动，圆盘上任意一点的绝对速度是由旋转运动与直线运动合成的。其运动轨迹属于摆线轨迹特征。以旋转中心为原点建立坐标系，x轴方向为机组前进方向，y轴垂直向下，设定装置前进速度为vm，旋转轴旋转角速度为ω，在圆盘上取点A，开始时所取点位于前方水平位置与x轴正向重合，如图4所示［17-18］。

图4 圆盘运动过程分析

设圆轴中心O为坐标原点，则OO1是刀盘轴中心在时间t内所行进的路程，即vmt，同时在时间t内螺旋搅拢旋转角度为ωt，A点移动距离到A1点位置。点A 的运动轨迹参数方程如下所示：

式（7）中：R为选取 A 点的转动半径（mm）；vm为微耕机前进速度（m/s）；ω为螺旋搅拢旋转角速度（rad/s）；t为时间（s）。

将公式（7）对时间t求导，得出点 A 处绝对速度在x轴方向与y轴方向的速度关系式：

点A处绝对速度v的计算公式如下：

点A处圆周线速度与机组前进速度的比值λ：

式（10）中：vr为刀盘上A点处的圆周运动线速度（m/s）；λ为速比。

微耕机前进速度vm=0.3~1.0 m/s，取螺旋搅拢慢速档转速为90 r/min，计算速比λmin=3.8＞1，即vr＞vm时，螺旋搅拢上任一点的运动轨迹均为余摆线运动，绝对运动的水平位移与机组前进方向相反，因此，能够有效实现覆土作业。

2 田间试验

2.1 试验条件

试验地点在江西省农业科学院高安基地脐橙果园，地形坡度20°，土壤类型为红壤土，土壤坚实度为42.2 kPa，脐橙株行距为3.5 m×4 m；采用小型果园开沟机开沟，沟顶平均宽度为30 cm，平均深度为33 cm，抛洒平均宽度为100 cm；试验用果园有机肥为粘粉状，堆积密度为700 kg/m3；试验颗粒状肥料选用复合肥，平均颗粒直径为3 mm，堆积密度为900 kg/m3。

2.2 试验方法

施肥覆土机作业时共设高速档和低速档2个档位，还可以通过油门大小调整机具作业速度。选取3个作业速度，每个速度进行5次重复试验，测量覆土后的地面平整度、断条率、施肥量和排肥均匀性变异系数［19-22］。

2.3 试验结果

2.3.1 有机肥施肥试验 施用有机肥的试验结果如表3所示，可以看出覆土后地面平整度随着作业速度的增加而变大，断条率和排肥均匀性变异系数随着作业速度的增加而变小。当作业速度为0.3 m/s时，断条率和排肥均匀性变异系数显著高于其他处理，而地面平整度显著低于其他处理。同时，施肥量随着作业速度的增加而变小，速度为0.3 m/s时，平均施肥量为0.65 kg/m，单株果树施肥量为4.55 kg；当作业速度为0.5 m/s时，单株果树施肥量为3.01 kg，基本满足果树施肥用量需求。施肥断条率随着速度的增大而减少，原因在于机具采用外槽轮式排肥器，肥箱内没有设计搅拌装置，有机肥湿度、黏性高，流动性差，作业速度较慢，机具振动幅度小，导致断条率和排肥均匀性变异系数增大。

表3 施用果园有机肥试验结果

2.3.2 颗粒状肥料施肥试验 调整好肥量调节口开展不同速度的颗粒复合肥施肥试验，结果如表4所示。可以看出施肥覆土后地面平整度和排肥均匀性变异系数随着作业速度的增加而变大，断条率均为0%，说明机具排肥均匀，施肥量稳定，机具作业指标符合农艺要求。当作业速度为0.3 m/s时，地面平整度和排肥均匀性变异系数显著低于其他处理，说明最佳作业速度为0.3 m/s。当作业速度达到0.8 m/s时，施肥量为0.31 kg/m，显著低于其他2个处理，且覆土不均匀，地面平整度＞5 cm，不符合农艺规范。

表4 施用颗粒状肥料试验结果

3 结论

施肥覆土机安全稳定，机体灵活，质量较轻，操作安全简便，动力提供稳定，螺旋搅拢覆土回填装置可以达到很好的覆土回填效果，适宜山地丘陵果园施肥覆土作业。通过对比试验可知，最佳作业速度为0.3 m/s，施肥颗粒状肥料时排肥均匀，施肥量稳定，满足果园施肥农艺要求；在施用粘粉状、团状的有机肥料时，由于肥料湿度、粘度高，流动性差，会造成部分卡肥、积肥和堵肥现象，需在后续研究中进一步改进。