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果园施肥开沟机的研究现状


第 6 期 总第 204 期 2011 年 6 月

农业科技与装备

Agricultural Science&Technology and Equipment

No.6 Total No.204 Jun. 2011

果园施肥开沟机的研究现状
李德胜,郭 辉
(新疆农业大学

机械交通学院,乌鲁木齐 830052 ) 摘要:果树施肥劳动强度大、效率低,随着劳动力成本的不断提高和青壮年劳力的短缺,果树施肥的机械化 需 求 越 来 越 强 烈 ,为 开 沟机提供了用武之地。 介绍果园有机肥施开沟机的工作方式及开沟原理,分析国内外开沟机研发现状,指出开沟机存在的问题,提 出相应的解决办法及今后的发展方向。 关键词:农业机械;开沟机;果园;施肥;现状 中图分类号:S224.2 文献标识码:A 文章编号:1674-1161(2011)06-0053-03

果树施肥是一项较为关键的园艺作业工序,我国 目前几乎都靠人工完成,劳动强度大,效率低。随着劳 动力成本的不断提高和青壮年劳力的短缺,果树施肥 机械化需求越来越强烈,而果园施肥机械化在很大程 度上依赖于开沟机的发展,因此,对开沟机的开发研 究具有现实意义。

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开沟机工作方式及开沟原理

开沟机是一种沟渠开挖的专用机械,广泛应用于 管道、线缆铺设、农田水利建设、市政工程及军事工程 等开沟作业。随着我国工业经济的发展和新农村建设 步伐的加快,道路建设、土木建筑、农田水利、温室和 养殖设施以及林果业的发展,为工程开沟机提供了用 武之地,促其迅速发展。 开沟机主要分为铧式犁开沟 机、旋转开沟机和链式开沟机。 1.1 铧式犁开沟机 早在 20 世纪 50 年代,铧式犁作为最早的开沟设 备,被用于农田建设当中。 其型式主要有悬挂式和牵 引式。 这种开沟机结构简单、速度快、效率高、工作可 靠、零部件较少,开沟深度为 30~50 cm ,主要缺点 是 土壤硬度不能太大,否则开出的沟形难以保证,且结 构笨重,沟边留下的垫条大且不能分散,需人工修理 等,特别是工作时牵引阻力很大,常用斯大林 80 拖拉 机才能拖动,有的地方要用两台大拖拉机牵引。 1.2 旋转开沟机 20 世纪 50 年代后期,与拖拉机向大马力发展的 趋势相适应,旋转开沟机得以迅速发展。 由于它牵引 阻 力 小 ,适 应 性 强 ,能 均 匀 散 开 沟 内 土 壤 ,工 作 效 率 高,因而得到了迅速发展和广泛应用。 意大利、法国、 荷兰、日本等许多国家,已经形成不同型号的系列产 品。这种开沟机的主要工作部件是一个或两个高速旋
收稿日期:2011-03-12 作 者 简 介 :李 德 胜 (1987 —),男 ,助 教 ,从 事 农 业 机 械 方 面 的 研 究。

转的圆盘,圆盘四周是铣刀,铣下来的土壤按不同的 农艺要求, 将土壤均匀地抛掷到一侧或两侧 5~15 m 范围内的地面上,也可将土壤成条堆置在沟沿上形成 土埂,两圆盘与水平 面 呈 45° ,这 种 旋 转 开 沟 机 的 开 沟断面呈上口宽、沟底窄的倒梯形,且沟形整齐,无须 辅助加工。 缺点是:行走慢(拖拉机以 50~400 m / h 的 超低速前进)、传动复杂、结构庞大、制造工艺要求高、 单位功率消耗大,生产率比犁铧式开沟犁低。 1.3 链式开沟机 20 世纪 70 年代末期,链式开沟机开始兴起。 链 式开沟机设备简单、组装方便,所开沟沟壁整齐,沟底 不留回土,效率高。沟深和沟宽易于调节,可开挖窄而 深的地下沟槽,用以埋设地下排水管道,或者用于铁 道、邮电、城建等部门埋设电缆与管道等,还可用于果 园、蔬菜园及其他农田环境开沟施肥、排水、灌溉。 链 刀式开沟机的挖掘部件为带刀片的链条,刀齿切割土 壤并将其带至地面,再用螺旋输送器将土运至沟的一 侧或两侧。 国 内 链 式 开 沟 机 的 代 表 是 1K-17 型 链 式 开 沟 机, 该机由天津市静海县兴盛机械有限公司研制生 产,操作方便、快捷、可靠,主要适用于果园开沟施肥, 葡萄埋藤越冬,园林圃育苗、移栽及城镇铺设管道或 电缆等。 最大特点为:1) 通过附加减速器改变传动 比,达到作业与行走速度不同的需求;2) 可通过使用 配套施拉机的传动 V 带,实现高速行走;3) 开沟作业 时 V 带联接到附加减速器, 经附加减速器减速后通 过链条传动到达变速箱,实现慢速行走。 该机可以与 12.5~17.6 kW 的小四轮拖拉机配套, 开沟宽度为 35 cm、26 cm、15 cm、12 cm, 开沟深度为 40 cm 、60 cm 、 100 cm、120 cm,作业速度为 80~300 m / h。

2
2.1

开沟机的开发与研究进展

国外开沟机研究进展 国外很早就开始有机肥的应用研究, 如欧美、日 本、意大利、法国等,并且有着广泛的应用。 随着科学

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农业科技与装备

2011 年 6 月

技术的进步和应用范围的扩大,对开沟机的要求也越 来越高,开沟装备研究工作步入一个新时代,先进的 新型设备不断涌现。 国外较早生产开沟机的国家是美国和前苏联,其 发展过程是从犁铧式开始的,目前国际上的主要开沟 机生产厂商在美国。 例如,美国 Burkeen 公司有 3 种 开沟机, 功率范围在 9.7~34.3 kW 之间,B-30B 型开 沟机的功率为 34.3 kW, 挖沟装置与驾驶位置间采用 橡胶减振隔离,网状 ROPS 防止驾驶员被抛起物击伤, 独特的液压驱动链张紧装置可实现挖沟深度的改变。 美国 Vermeer 公司生产的以 RT450 为代表的链式开 沟机,开沟深度可达 1.52 m,开沟宽度为 13~30 cm ,静 力液压系统制动,可适用于多种工况。 Maxon 公司已 生产出 10 种 Parsons 品牌开沟机,最近又对其中的小 型开沟机进行技术改进,改进后的 T-20 型开沟机功 率为 14.9 kW ,不需增加任何附件就可以进行中心挖 掘和侧置挖掘的转换,有轮式和履带式两种行走装置 供用户选择。 液压驱动的行走系统可以滑移转向,在 狭窄的场地具有很大的机动性能。 T 系列最大机型为 T-950,前轮驱动,铰链式机架,静液压行走驱动无调 速 ,行 驶 速 度 可 达 19.2 km / h ,开 沟 链 有 4 档 前 进 速 度,1 档反转速度可适应不同的作业需求。 目前, 国外开沟机生产已向多样化趋势发展,且 更趋专机专用,开沟机只用于开沟作业,而当机械不 开沟时只能闲置。 这种情况并不符合我国的国情。 2.2 国内研究现状分析 我国对开沟机的研究开发起步较晚,经历了从犁 铧式开沟机、 圆盘式开沟机和链式开沟机的发展历 程。 1975 年,我国农垦系统引进了意大利菲恶特公司 FLAT 系列旋转圆盘挖沟机,20 世纪 80 年代中期,国 家引进小量挖沟机主要用于农业暗管排水工程,这是 早期的技术引进。 但由于有机肥的应用还不广泛,只 是停留在小农经济水平上,因此,此时的开沟机主要 用于农田水利工程以及地下电缆、自来水工程等。 近年来,随着国家对绿色农业的大力倡导,有机 肥在农业上得到广泛应用和发展,特别是在果园的应 用上,使开沟机的研究方向逐渐向果园有机肥开沟机 方向发展。果树园林业是现代化大农业的重要组成部 分和富民工程的重要途径,施肥是果树生产管理中的 重要技术措施,其合理与否直接影响果树生长、产量、 果品质量及经济效益。 因此,研制出一种适于果园施 肥开沟的机械,对减少人力和物力资源的浪费、提高 劳动生产率具有重要意义。 1991 年, 安徽省宣州市孙埠镇农机管理服务站 —旋耕机进行合 对 8.8 kW 手扶拖拉机的配套农具—— 理改装,研制出 1KS-20 型卧式弯刀开沟机。 该机能 完成开沟、碎土、抛土、覆盖等多道工序,沟宽和深浅

均可调,且抛土覆盖均匀、不需人工清沟,这就是我国 早期对开沟机的探索。 1996 年, 昆山农业机械化研究所祁天循研制开 发了 1KLZ 一 27 型立式螺旋开沟机, 对螺旋刀具的 要求、刀具的切土方式、螺旋叶片刀具外廓螺线的选 取等方面进行了详细的理论论述,并试制出样机迅速 推广,基本达到南方烂湿田地的作业要求:1) 机组先 通 过 ,刀 具 在 后 面 开 沟 ,从 而 避 免 了 轮 压 ,有 利 于 出 苗;2) 重心后移,通过性能好;3) 能乘坐操作。 2000 年,东北农业大学韩永俊、尹大庆、冯江、王 德 福 等 人 完 成 了 1KL-100 型 立 式 螺 旋 开 沟 机 的 设 计,从动力选择、整机结构、主要性能参数等方面进行 分析与设计,并在试验中对样机不断调整,最终 1KL- 100 型立式螺旋开沟机通过了在香坊农 场 旱 田 及 水 田地中的挖沟试验。 试验结果证明,该机作业后沟壁 平整、沟内残土少、性能优良,满足草炭开沟的技术要 求,同时兼顾农田水利建设的需要,解决和填补了国 产螺旋开沟机的空白。该机构思新颖、设计合理、使用 调整方便,为我国草炭平面开采成套设备提供了关键 设备,并为我国开发草炭及农田开沟提供了新机具。 2005 年 12 月,云南农业大学工程技术学院张汝 坤、昊福明、冉国伟、张建生等从解决传统开沟机切土 产生的力矩不平衡,导致拖拉机产生激烈振动、跑偏、 走直性能差、传动件易损坏、抛土方向单一等问题出 发,致力于解决现有开沟机型的不足,以最大限度地 满足农艺措施的要求,所研制的 1KS 一 22 型双轴开 沟机具有以下特点:一是采用双轴立式结构,传动箱 内的轴直接套接长短不一的刀杆,使安装在刀杆上的 刀片同时切土抛土进行开沟作业。由于两组刀片切抛 土壤时对沟土实施上下分段切抛, 致使土壤更加细 碎,同时,因正反高速旋转,使抛出的细碎土壤均匀覆 盖在沟两侧的墒面上, 对土壤含水率适应性较宽,对 不同类型土质适应性较强,切抛土壤时产生的力偶平 衡,提高了机组作业的稳定性,使拖拉机行走直线性 好,沟形整齐,很好地满足了农艺要求。二是该机与中 型轮式拖拉机配套,有效克服了手拖配套开沟机动力 不足的问题,作业效率和质量大大提高,符合高效农 业发展方向和要求。 2006 年, 中国农业机械化科学研究院与山东广 饶三元液压机械环保有限公司的刘百合、 刘宝义,联 合开发研制了链刀式开沟机,主要用于农田水利开沟 铺 管 (深 度 0.5~1.2 m 、宽 度 13~40 cm )、 园 林 开 沟 施 肥、栽植树苗(宽度 30 cm 、深 50~70 cm )、山药及牛蒡 等作物深松或收获(宽 20 cm 、深 80~100 cm )、埋设电 缆开沟铺管(宽 13 cm 、深 120 cm )多功能的开沟 机 。 至此,我国开沟机研究逐步转向多功能化,揭开了开 沟机发展的新篇章。

2011 年第 6 期

李德胜等:果园施肥开沟机的研究现状

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2009 年 2 月, 新疆农业科学院农业机械化研究
所阿布里孜· 巴斯提、兰秀英、贡献、刘旋峰等人开发 研制了 1 K — 40 型偏置式果园开沟机,主要用于果园 施肥开沟、种树开沟。 该机针对果园的土壤特点及开 沟位置的要求,采用偏置式设计,具有以下特点:一是 由于偏置式果园开沟机的开沟部件向右侧置(在拖拉 机右轮后), 作业时拖拉机行间行走可将施肥沟开在 距树干 0.5~1.5 m 处,使树冠树叶免受影响。 二是该 开沟机一机多用,除可用于果园挖施肥沟外,还可用 于农田、荒地的开沟作业。三是机具结构简单、操作方 便、使用可靠、生产效率高、成本低。 2010 年 4 月, 西北农林科技大学机电学院王京 风、杨福增、刘世等人进行微型遥控果园开沟机的研 发与设计。该机特点如下:一是针对果园空间狭小、小 四轮及手扶拖拉机作业时通过性不好、操作不便等问 题, 设计出一种与微型遥控机械配套的果园开沟机; 二是机具高度仅 67 cm,通过性能好;三是遥控、人力 两套操纵系统可随机操纵,也可人机分离,降低了操 作人员的劳动强度;四是采用履带行走装置,附着力 强,爬坡能力大;五是稳定性强,能防止机具作业时翻 倒。 从试验结果看,该机功耗小,具有一定爬坡能力, 适合果园作业。 微型遥控果园开沟机的成功研制,解 决了果树行距小、冠下高度低的难题,对果园机械化 生产具有重要的意义。

存在很多问题:1) 功耗过大,耗油量大,不够经济、环 保;2) 开沟时易出现激烈振动、跑偏、走直性能差等 问题;3) 刀具磨损快,传动件易损坏;4)不同土质开 沟不均匀;5) 偏置式开沟机自动偏摆问题还没有完 全解决。 想解决这些问题,就要从理论入手,结合实际,重 点研究以下方面: 一是开沟原理及开沟刀具受力分 析,以不断改进设计,优化刀具,使开沟机的功耗和油 耗降下来。 二是引偏的原因,首先看是否缘于刀具的 形状或安装的角度,然后做相应的调整;设计对称结 构,以消除振动、跑偏、走直性能差等问题。 三是合适 的材料做刀具及其传动件,解决其寿命短问题;四是 在机架上安装应变片,并将结果显示给驾驶员,以给 出合适的前进速度与深度,解决不同土质开沟不均的 问题;五是针对不同形式的开沟机,设置不同原理的 偏摆装置,可采用位置移动、角度改变等方式改善设 计。

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结语

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开沟机的研发方向
目前,开沟机技术虽然得到较快的发展,但依然

目前,开沟机发展迅速,不同开沟方式、不同用途 的开沟机不断涌现,开沟机行业竞争激烈。 在开沟机 的研发和使用中,存在一些亟待解决的问题,需要科 研人员找到方法,改进技术,提升开沟机科技含量,以 推动有机肥施肥机械的发展。 要依据我国实际国情, 使开沟机向一机多用、综合性能好、通用性能强的方 向发展,使机具不仅能进行很好的开沟作业,而且在 闲置时能恢复运输功能。

参考文献
[1 ] 祁天循 .1KLZ-27 型立式螺旋开沟机的开发[J ]. 拖拉机与农用运输车,1996 (6 ):53-54. [2 ] 韩永俊,尹大庆,冯江,等 . 1KL-100 型立式螺旋开沟机的设计[J ]. 农机化研究,2000 (4 ):66-68. [3 ] 张汝坤,昊福明,冉国伟,等 .1KS-22 型双轴开沟机设计研究[J ]. 云南农业大学学报,2005.20 (6 ):850-853. [4 ] 刘百合,刘宝义 . 链刀式开沟机[J ]. 新疆农机化,2006 (5 ):28. [5 ] 赵举文,张印生,王晨平 . 林地开沟机的设计[J ]. 现代化农业,2009 (2 ):38-39. [6 ] 阿布里孜·巴斯提,兰秀英,贡献,等 .1K — 40 型偏置式果园开沟机的研制[J ]. 新疆农机化,2009 (4 ):36-37. [7 ] 王京风,杨福增,刘世 . 微型遥控果园开沟机的研究与设计[J ]. 农机化研究,2010 (4 ):40-42.

Present Research State of Fertilizing and Ditching Machine in Orchard
LI Desheng , GUO Hui
(College of Mechanical Engineering and Communication , Xinjiang Agricultural University , 譈rümqi 830052 , China )

Abstract: There is an increasing demand on the mechanized fertilization on fruit trees due to the strong labor intensity and growing shortage of labors and increasing labor costs. This article deals with the operation models and working principle of the ditching machine , makes analysis on the present research into this kind of machine as well as the existent problems in this area. Consequently , the author puts forward measures to address these problems and points out the research directions in the future. Key words: agricultural machinery ; ditching machine ; orchard ; fertilization ; present state


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