2FK- 40型果園開溝施肥機(jī)的設(shè)計與試驗分析論文
0 引言
隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，葡萄、紅棗已成為新疆兵團(tuán)優(yōu)勢林果經(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)。新疆兵團(tuán)目前葡萄的栽培面積為4. 8萬hm2 ，紅棗的栽培面積為10. 9 萬hm2[1]; 但在葡萄、紅棗栽培過程中機(jī)械化生產(chǎn)水平還不高，尤其缺乏專用配套的果園開溝施肥機(jī)具。在葡萄、紅棗施肥作業(yè)環(huán)節(jié)，除了采用人工開溝、施肥外，僅部分使用了犁鏵式開溝機(jī)輔助開溝作業(yè)，仍然需要人工完成施肥及埋溝填平工作。
國內(nèi)外的開溝機(jī)從工作原理上主要分為鏵式犁開溝機(jī)、旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)和鏈刀式開溝機(jī)[2]。在國外，開溝機(jī)主要用于土方施工[3]，如美國Gunter&Zimmerman公司生產(chǎn)的輪盤式開溝機(jī)主要用于開設(shè)墻基、鋪設(shè)水電管網(wǎng)、灌溉和光纜; 歐洲Northland Trenching 公司代理的Inter - drain1622HT 型刀鏈?zhǔn)介_溝機(jī)可以將挖出的泥土輸送到機(jī)器兩側(cè)或一側(cè)。我國對開溝機(jī)的研究開發(fā)主要用在有機(jī)肥開溝機(jī)方面[4]。2000 年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的1KL - 100 型立式螺旋開溝機(jī)可以在旱田及水田地中挖溝，作業(yè)后溝壁平整、溝內(nèi)殘土少[5]。2005 年12 月，云南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的1KS - 22型雙軸開溝機(jī)采用雙軸立式結(jié)構(gòu)，可以同時完成切土和拋土進(jìn)行開溝作業(yè)[6]。2009 年2 月，新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制了lK - 40 型偏置式果園開溝機(jī)，主要用于果園施肥開溝、種樹開溝[7]。但是，上述機(jī)型都不能適應(yīng)新疆兵團(tuán)林果( 葡萄、紅棗) 的施肥作業(yè)。
目前，新疆兵團(tuán)葡萄、紅棗種植行距3 ～ 4m，普遍采用矮、密的種植模式，要求開溝施肥機(jī)具必須適應(yīng)在狹小空間作業(yè)的條件，且最大開溝深度40cm，深度可調(diào)整，開溝距作物根莖50 ～ 80cm。針對新疆兵團(tuán)在果園經(jīng)濟(jì)作物葡萄、紅棗種植模式及在施肥過程中人工成本高、用工量大、勞動強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低等問題，設(shè)計了2FK - 40 型果園開溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)。該機(jī)能一次性完成開溝、施肥、覆土3 項作業(yè)，并且開溝深度及施肥量可調(diào)，作業(yè)時不損傷作物根系。
1 總體結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)
2FK - 40 型果園開溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)主要由機(jī)架、圓盤開溝裝置、施肥裝置、埋溝覆土裝置、傳動系統(tǒng)和限深裝置等部分組成，如圖1 所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)懸掛裝置與機(jī)架三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，拖拉機(jī)的動力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與傳動箱相連，將機(jī)架支腿收起，整機(jī)質(zhì)量由拖拉機(jī)承擔(dān)。首先，根據(jù)不同開溝深度要求通過限深裝置調(diào)整地輪的高度;然后，隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)，開溝裝置進(jìn)行開溝作業(yè)，隨著限深輪的轉(zhuǎn)動帶動限深輪鏈輪一起轉(zhuǎn)動，將動力通過傳動系統(tǒng)傳遞給排肥鏈輪，排肥鏈輪帶動排肥絞龍一起轉(zhuǎn)動，將肥料箱中的肥料輸送到排肥器中完成施肥作業(yè); 最后，覆土裝置將開溝裝置挖出來的土壤回填到溝里，實現(xiàn)土壤回填作業(yè)。
2 關(guān)鍵部件的設(shè)計
2. 1 開溝裝置設(shè)計
開溝裝置是本機(jī)的主要工作部件，主要由開溝刀盤和開溝刀組成，如圖2 所示。開溝刀盤回轉(zhuǎn)半徑取決于刀軸傳動箱尾部圓角半徑r、最大開溝深度hmax及開溝機(jī)處于最大開溝深度時傳動箱底部離地間隙δ1。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為R≥r + hmax + δ1( 1)其中，各項參數(shù)為: r = 90mm，hmax = 400mm，δ1 =10mm。將上述參數(shù)帶入后可得: R≥500mm。在滿足開溝深度要求的前提下，開溝圓盤工作半徑越小，整機(jī)結(jié)構(gòu)越緊湊，消耗的功率越小，故取開溝圓盤裝置回轉(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[9]。該機(jī)開溝刀盤回轉(zhuǎn)直徑為D = 2R = 1 000mm，可求得刀盤轉(zhuǎn)速n = 60vπD≈133. 76 ～ 286. 62r /min。取較大值時，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。由于開溝深度較深，為了使開溝后土粒可以順利拋出，取切削線速度為11. 5m/ s，求得刀盤轉(zhuǎn)速為219r /min。
2. 2 開溝傳動設(shè)計
2FK - 40 型果園開溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)采用拖拉機(jī)動力輸出軸輸出動力驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)，通過萬向節(jié)、齒輪箱帶動開溝刀軸、開溝刀轉(zhuǎn)動，達(dá)到開溝的目的。開溝刀盤轉(zhuǎn)速為219r /min，拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速取540r /min，則總傳動比i總≈2. 47。
2. 3 施肥傳動設(shè)計
2FK - 40 型果園開溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)地輪和地輪鏈輪是作為一個整體裝配的。當(dāng)機(jī)具前進(jìn)時，地輪和地輪鏈輪同時轉(zhuǎn)動，地輪鏈輪通過鏈傳動帶動肥料箱中的絞龍轉(zhuǎn)動實現(xiàn)排肥作業(yè)。按農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)，葡萄、紅棗施肥機(jī)械應(yīng)達(dá)到以下兩點(diǎn)要求: 一是施肥深度應(yīng)達(dá)地下15cm 以下; 二是既可施化肥又可施農(nóng)家肥，且施肥量可調(diào)，農(nóng)家肥應(yīng)達(dá)3 000kg /hm2 以上[11]，按每667hm2 施肥量1 000kg、行距3. 5m 計算，開溝施肥時每米施肥量約為5. 23kg，在連續(xù)施肥的情況下，機(jī)具前進(jìn)一個株距時，絞龍生產(chǎn)率為[12]Q = vg /S ( 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)，計算得Q = 5. 21t /h。絞龍轉(zhuǎn)速的計算公式為n = Q/( 47D2 scγΦ) ( 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，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，由此計算得地輪轉(zhuǎn)速n0 = 50. 28r /min，則地輪傳動的傳動比i = n / n0 = 1. 14。因此，設(shè)計施肥傳動個鏈輪齒數(shù)為: 地輪鏈輪Z6 = 23，中間過渡鏈輪和鉸龍鏈輪為Z7 = Z8 = Z9 =20
3 結(jié)論
1) 研制的2FK - 40 型果園開溝施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)適用于新疆兵團(tuán)葡萄、紅棗等果園經(jīng)濟(jì)作物種植模式的開溝施肥作業(yè)，可以一次完成開溝、施肥、土壤回填埋溝等多道工序連續(xù)作業(yè)。偏置的開溝裝置可以距作物根莖50 ～ 80cm 處挖深30 ～ 40cm 的溝，將肥料填入溝內(nèi)然后埋溝填平，不傷作物根系，生產(chǎn)效率高，施肥效果好。
2) 田間試驗表明: 機(jī)具作業(yè)速度為1. 6km / h，純工作小時生產(chǎn)率0 . 56 hm2 / h，排肥均勻性變異系數(shù)2. 96%，開溝深度及施肥量可以根據(jù)用戶需求方便調(diào)節(jié)。機(jī)具各項性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，作業(yè)效果良好，能夠滿足果園經(jīng)濟(jì)作物葡萄、紅棗等施肥的農(nóng)藝要求。
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