果园挖坑施肥机械的设计与实现

　　引言

　　我国是水果生产大国，我国果园无论是面积还是产量均居世界第一;但果园种植、管理技术落后。

　　施肥作为果树管理过程中至关重要的作业环节，对果品质量、产量以及果树的生长起着至关重要的作用。

　　我国的果树施肥机械化水平低，处于刚刚起步阶段，有些地方果树施肥还采用人工挖沟撒肥方式，工作繁重、效率低，化肥的腐蚀性对人体产生很大的伤害，浪费了大量的人力和物力。果树高效标准生产技术要求在果树周围钻孔 ，并精量施肥。目前使用的施肥机械只能完成机械钻孔和人工辅助施肥，机械化程度低。因此，研制一款高效的果园施肥机械已刻不容缓。

　　王京风等研制了一款微型遥控果园开沟机，适合于我国传统方式种植的果园开沟施肥;但采用条形孔的施肥方式，容易损伤甚至切断果树的根系，且需要人工辅助施肥，作业效率低。雷王利等研制了一款果园挖坑施肥机，由拖拉机提供动力，带动带有链刀的链条转动，实现挖坑作业，并采用单片机控制步进电机驱动排肥器工作，实现定量施肥;但该施肥机械依旧采用条形施肥方式，肥料的利用率较低。韩大勇等研制了果树挖坑定量施肥机，由汽油机作为动力，实施钻孔作业，通过步进电机带动施肥结构，借助于单片机控制施肥量;但其行走装置及螺旋钻的升降部分还需靠人工操作完成。

　　本文着眼于果园施肥机的挖坑、施肥、覆土一体化的设计要求，根据作业过程中钻孔的直径、深度及土壤的摩擦因数等参数设计出螺旋钻和土壤收集器等;根据螺旋钻的钻孔阻力要求，设计出了机械传动部分。

　　1 工作原理

　　本果园施肥机主要由齿轮箱总成、传动轴总成、上下悬挂提升装置、覆土装置、排肥装置、钻孔装置、链条、大小链轮和机架等部分组成，如图 1 所示。其工作原理叙述如下:

　　1)利用拖拉机的液压悬挂装置将该施肥机械悬挂于拖拉机后方。

　　2) 拖拉机的动力由后动力输出轴经过传动轴总成传递至施肥机的齿轮箱。

　　3) 动力经过齿轮箱的减速、换向，作用于竖直方向和水平方向的两传动轴，分别带动钻孔装置实施钻孔;通过链传动，带动排肥装置实施肥料的填加。

　　4)在螺旋钻与土壤接触开始钻孔时，通过螺旋钻的螺旋提升作用，将土壤提升至土壤收集器中与施肥装置排下的肥料混合;在螺旋钻钻孔结束提升过程中，土壤收集器将土壤与肥料施于孔中，实现整机的钻孔、施肥、覆土一体化作业的要求。

　　2 施肥机关键部件结构设计

　　2． 1 土壤收集器
　　
　　土壤收集器由 3 部分组成，上下两部分采用金属材料，中间部分采用可伸缩的橡胶材料。由于其下半部分在螺旋钻下降钻孔的过程中与土壤直接接触产生摩擦，故采用耐磨性能较好的 65Mn 钢。在螺旋钻对土壤进行钻孔时，土壤收集器中间部分压缩，通过螺旋钻的螺旋提升作用，将土壤提升至收集器中，结构如图 2 所示。【图1-2】

　　
　　2． 2 螺旋钻

　　1)螺旋刀片。其参数为:刀片:选用梯形刀片安装角度/(°):安装角以小于 45°为宜，本机选取30°;刀片厚度/ mm:8 ～10;刀刃厚度/ mm:0． 5 ～1． 0;刀片材料:65 SiMnＲe 钢或 65 Mn 钢刀片硬度:HＲC46 ～ HＲC602)螺旋钻外径。螺旋钻外径是根据施肥坑直径确定的，螺旋钻头外径应略大于施肥坑直径，而且随着土壤类型的不同而有所差异。可以根据下面经验公式确定，有【1】

　　
　　其中，D 为螺旋钻外径;D0为施肥坑直径，取0． 3m。将数据代入式(1)，得D =(0． 276 ～0． 294)m根据果园挖坑施肥机的作业要求，取 D =0． 28m。

　　3)螺旋钻长度确定。一般钻头螺旋长度 H 应不小于坑深 H0，即 H≥H0;该施肥机械根据挖穴深度 H0= 0． 35m，故取 H = 0． 35m。

　　4) 钻头螺旋升角 α。有α ＜ 90° －(ρ1+ ρ2) (2)其中，ρ1为土壤与钢的摩擦角，取 30°;ρ2为土壤之间的摩擦角，取 40°。

　　把上述数据代入式(2)，得α ＜ 90 －(30° + 40°)，即 α ＜ 20°根据国内挖坑用螺旋钻的实验要求，α =(15° ～22°)，该研究过程中取α为 16°。

　　5) 螺旋钻导程 h。有h = πDtanα = 0． 24m最终设计的螺旋钻结构如图 3 所示。
　　
　　2． 3 机械传动部分设计本施肥机根据功能要求采用两级齿轮传动，传动部分借助于 4 个直齿圆锥齿轮实现动力的传递，结构简图如图 4 所示。【图4】

　　
　　其中，Ⅰ轴为输入轴，Ⅱ轴带动螺旋钻进行螺旋钻孔，Ⅲ轴通过链传动带动施肥箱进行肥料的施加。

　　根据螺旋钻传递需要的总转矩，分别设计了高速级直齿圆锥齿轮转动(齿轮 1、2)以及低速级直齿圆锥齿轮转动(齿轮3、4)的结构参数，并进行了强度校核。

　　现将主要参数列举如下:齿轮 1:z1= 21，d1= 126mm齿轮 2:z2= 73，d2= 126mm齿轮 1、2 传动:模数 m1= 6，宽度 b1= 60mm齿轮 3:z3= 21，d3= 294mm齿轮 4:z4= 27，d4= 378mm齿轮 3、4 传动:模数 m2= 14，宽度 b2= 72mm

    2． 4 施肥装置

　　2． 4． 1 施肥箱肥箱为整体焊接结构，采用单一排种口，材料选用厚度为 1mm 的铁板，采用等腰梯形结构，几乎没有死角，使肥料的残余量最少，并且利于肥料进入排肥轮中。

　　根据通用施肥装置排肥箱的尺寸参数，并结合果园施肥机的设计要求，现将各尺寸确定如下:肥料箱上底的宽度 a1= 600mm;肥料箱下底的宽度 b1= 400mm;肥料箱高度 h = 600mm;工作幅宽 L =300mm;排肥箱容积 V = h( a + b) L /2 = 42 L。

　　排肥口尺寸设置如下:长 a2= 80mm; 宽 b2=50mm。

　　2． 4． 2 排肥轮排肥轮应便于制造和清理，并且能使化肥均匀地落到筒底的输送管道中。为了充分利用重力输送化肥，排肥元件置于排肥器的下部，使排肥性能不受箱内化肥充满程度以及地面斜度和冲击力的影响。

　　本施肥机械要求排肥量在 5 ～90 kg 之间，因此选用外槽星轮式排肥装置，星轮每转排肥量 q 为【3】

　　
　　h—活门开度( cm)，即活门至星轮最下端的距离，取 h =10;a—肥料充满系数，决定于肥料物理状态、湿度和流动性，一般取 a =0． 7;Z—排肥轮轮齿槽数，取 Z = 8;r—排肥单位容积质量( g / L)，取 r = 1 500。

　　将以上各参数代入式(3)，得星轮每转排肥量 q为q = 5kg根据已知条件，可按下式计算出施肥机公顷排肥量 Q，即【4-5】

　　
　　其中，j 为每公顷果园内果树株数，取 j =400。则q0= 0． 3kg根据主要零部件的尺寸参数，本文利用 Pro/E 软件对施肥机械进行了三维造型设计，如图 5 所示。3 结论1)该果园施肥机集钻孔、施肥、覆土于一体，机械化水平进一步提升;定点施肥，不仅节省肥料，同时也进一步提高了肥效。

　　2)钻孔过程由拖拉机后液压系统驱动，易于实现自动控制，操作方便、平稳。

　　3)钻头周围设有土壤收集器，结构简单，且有利于土壤与肥料的混合。

　　参考文献:

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　　［3］ 陈军，蒋浩然，刘沛，等． 果园移动机器人曲线路径导航控制［J］． 农业机械学报，2012，43(4):179 －182．