果園施肥開溝機的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

邵書山，王曉燕，程俊男，馬念杰，張 波，張東旭，張學(xué)敏

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

0 引言

目前，我國的水果種植面積和水果產(chǎn)量均居世界首位，近十幾年來我國的水果產(chǎn)量在逐年增加：2014年水果產(chǎn)量為26 142.2萬t，2015年的產(chǎn)量為27 381.8萬t,2016年的產(chǎn)量為28 319.0萬t。隨著我國水果產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，果農(nóng)對果園機械的需求也迅速提高[1-4]。果園施肥是果樹生長過程中不可或缺的環(huán)節(jié)，施肥質(zhì)量的好壞直接決定著水果的產(chǎn)量和品質(zhì),但市場上卻缺少可靠高效的開溝施肥機械。國內(nèi)大部分果園還是依靠傳統(tǒng)的人工施肥，作業(yè)強度大，生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重地阻礙了我國水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5-6]。因此，使用果園施肥開溝機械來代替人工就顯得十分迫切。

1 國外果園施肥開溝機的研究現(xiàn)狀

果園施肥開溝機的發(fā)展很大程度上依賴于開溝機的發(fā)展。開溝機是一種專用于挖掘溝渠的工程機械，在農(nóng)業(yè)、工程等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。用于果園施肥的開溝機械主要有4種類型：犁式開溝機、鏈?zhǔn)介_溝機、圓盤銑刀式開溝機和螺旋鉆式開溝機。這4種開溝模式在國內(nèi)外的果園施肥開溝機上都有應(yīng)用[7]。由于國內(nèi)外的果園種植標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模的不同，主要研究和應(yīng)用的開溝方式也有所不同。國外果園開溝機的研究起步較早，20世紀(jì)70年代末，在美國、法國、意大利、日本等發(fā)達(dá)國家就興起了開溝機研制的熱潮[8]；但經(jīng)過長時間的發(fā)展現(xiàn)在已形成以鏈?zhǔn)介_溝機、圓盤銑刀式開溝機和螺旋式開溝機為主，其他類型為輔的發(fā)展模式。從近幾十年的發(fā)展情況來看，國外開溝機具正在向著專業(yè)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化[9]的方向發(fā)展。

1.1 美國研制的開溝機

美國在開溝機的研究生產(chǎn)方面一直處于世界領(lǐng)先位置，生產(chǎn)的開溝機在其他國家都有應(yīng)用。例如，美國凱斯公司生產(chǎn)的CASE860型鏈?zhǔn)介_溝機[10]，如圖1所示。

圖1 Case860鏈?zhǔn)介_溝機

這種開溝機的主要特點是采用了CAT發(fā)動機，在傳動系統(tǒng)中使用了無極變速。為了滿足開溝深度的要求，在該機的設(shè)計時，采用低速大扭的方式，既延長了鏈上切割刀片的壽命，又使得開溝機的生產(chǎn)力得到很大的提高。這種鏈?zhǔn)介_溝機一般通過三點懸掛裝置懸掛拖拉機的后方，在進(jìn)行開溝作業(yè)時，拖拉機駕駛員通過液壓操縱手柄可以控制開溝機的開溝深度，拖拉機帶動開溝機具前進(jìn)；動力由拖拉機輸出后，經(jīng)過動力傳動系統(tǒng)變速之后，通過鏈條將動力傳到主軸，開溝鏈在動力的作用下快速旋轉(zhuǎn)，鏈上的切割刀片切削土壤，被切割下來的土壤被傳送到螺旋排土器，并被推送到所開溝的兩側(cè)，達(dá)到開溝的目的。該種開溝機結(jié)構(gòu)簡單，作業(yè)效率高，穩(wěn)定性強。

美國Trencor公司生產(chǎn)的1660HD型鏈?zhǔn)介_溝機，如圖2所示。該開溝機是目前世界上最大的鏈?zhǔn)介_溝機，配備了卡特彼勒發(fā)動機，發(fā)動機功率可以達(dá)到559kW，開溝鏈在工作時通過機械傳動驅(qū)動，傳動系統(tǒng)采用了卡特彼勒差速驅(qū)動的滾子[11]，能夠開出深度達(dá)2.4～7.5m、寬度達(dá)35～152cm的溝，可以完成大規(guī)模的土壤挖掘作業(yè)，作業(yè)效率高，機器壽命長；但由于機身過大，維修不方便。

圖2 1660HD型鏈?zhǔn)介_溝機

美國研制的三鉆頭挖坑機，作業(yè)時可以同時挖掘3個施肥坑，能夠根據(jù)果樹的大小和株距的不同來調(diào)節(jié)3個鉆頭之間的距離和挖坑深度，工作效率較高[12]。 美國研發(fā)生產(chǎn)的MDL-5B型挖坑機，如圖3所示。其發(fā)動機為4.1kW的BS Intek Pro 0HV，采用了人-機工程學(xué)原理。工作時，使用液壓系統(tǒng)驅(qū)動螺旋鉆頭旋轉(zhuǎn)，操作者和發(fā)動機分離，使兩者保持較遠(yuǎn)的距離，大大減輕了發(fā)動機的噪聲對工作人員的影響。

1.2 歐洲各國研制的開溝機

歐洲研制開溝機的國家主要有法國、俄羅斯、意大利等國家。法國馬萊公司生產(chǎn)的SM500C型鏈?zhǔn)介_溝機[13]，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域和城市的道路建設(shè)中，工作效率高，一天可完成2 000～3 000m的開溝作業(yè)，且能夠在低噪音下實現(xiàn)正挖和側(cè)挖作業(yè)，沒有揚塵、作業(yè)效率高、對路面的破壞作用很小。由于SM500C型鏈?zhǔn)介_溝機的開溝寬度較小，能夠最大限度地減小土壤對機身的阻力。俄羅斯研制的aTy-161型懸掛式開溝機[14]，配備36.8kW的發(fā)動機，為開溝作業(yè)提供足夠的動力，能夠開出深1 600mm、寬200～400mm的溝，廣泛應(yīng)用在工程開溝作業(yè)中。

圖3 MDL-5B型挖坑機

意大利生產(chǎn)的DMR-65單圓盤旋轉(zhuǎn)開溝機，使用菲亞特-100拖拉機作為動力輸出，能夠開出深度為1.05m的梯形溝。其特點是將圓盤安裝在主軸的一側(cè)，圓盤上安裝有3把切割土壤的刀片，并排列成“Ⅰ”型，使得開出的溝壁十分平整。這種圓盤銑刀式開溝機因其開溝阻力小、作業(yè)效率高、尺寸小及容易和施肥機構(gòu)配合等特點被大量使用在果園施肥開溝工作中。該種機型的開溝機構(gòu)主要由主軸、安裝在主軸上的開溝圓盤、開溝刀片和整形刀等組成。拖拉機通過動力傳遞系統(tǒng)將動力傳至主軸使其轉(zhuǎn)動，帶動主軸上圓盤及開溝刀片旋轉(zhuǎn)并切削土壤，切下來的土壤被翻轉(zhuǎn)、破碎、拋擲到溝的兩側(cè)，整形刀片對開的溝整形，使得溝壁光潔平整。

1.3 日本研制的開溝機

日本作為亞洲的發(fā)達(dá)國家,其農(nóng)業(yè)機械化水平相對較高，在果園機械領(lǐng)域也處于亞洲的領(lǐng)先地位。但日本也是典型的人多地少的國家，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也主要是以小規(guī)模地塊種植，所以日本所研發(fā)的果園施肥機主要以小型化為主。最早出現(xiàn)的是由日本研制的自走式挖坑機，該機以柴油機為動力，可在坡度高達(dá)65°的陡地上作業(yè)，并能始終保持駕駛室的水平狀態(tài)，能夠有效改善駕駛員的駕駛舒適性。此外，這種開溝機適合于各種地形地塊的作業(yè)，通用性較強，作業(yè)效率高，得到了農(nóng)民的認(rèn)可。日本研制的MT-900鏈?zhǔn)介_溝機，如圖4所示。這種開溝機適用于農(nóng)業(yè)工程和建筑工程等的開溝作業(yè)，以履帶大拖拉機為動力，可適合于各種地形的開溝作業(yè)，具有操作簡單方便及作業(yè)效率高等優(yōu)點[15-18]。

由于缺少Al的數(shù)據(jù)，在使用多礦物平衡溫標(biāo)時，無法對部分長石類礦物進(jìn)行模擬(圖5)，從而影響本文研究結(jié)果的可靠性。故本文采用FixAl法，通過選取鈣長石的平衡，以減輕水化學(xué)數(shù)據(jù)中Al數(shù)據(jù)缺失帶來的影響，同時考慮CO2溢出的情況，重建研究區(qū)熱水的平衡狀態(tài)。

圖4 日本MT-900型鏈?zhǔn)介_溝機

2 國內(nèi)施肥開溝機的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)的施肥開溝機械的研究起步較晚，早期的應(yīng)用主要以引進(jìn)為主，在國外研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)，使其適合于我國果園生產(chǎn)作業(yè)。隨著我國水果產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，國內(nèi)的一些專家學(xué)者對果園施肥開溝機進(jìn)行了大量研究，研制出了很多種類的果園施肥機械，基本都能滿足開溝、施肥、覆土的一次性作業(yè)的要求。以下重點簡述幾種我國主要的開溝施肥機。

2013年，由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)張洪、張學(xué)軍等人研制的密植果園挖穴施肥機，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。該機主要構(gòu)成部分有挖穴裝置、施肥裝置、升降裝置、行走系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)。其中，挖穴裝置是該機最主要的工作部件，它是由挖穴電機和挖穴鉆頭組成的。該機的控制系統(tǒng)集成在操作控制臺上，在施肥開溝機工作時，按下控制臺上的啟動按鈕，蓄電池開始驅(qū)動行走電機工作，機具向前行走至工作地點；然后，按下挖穴控制按鈕，挖穴電機轉(zhuǎn)動并帶動挖穴鉆頭旋轉(zhuǎn)，松開制動油泵手柄，挖穴鉆頭向地面運動開始挖穴，挖出的土壤沿鉆頭螺旋面向上運動，最終被拋在所挖穴的周圍；當(dāng)鉆頭挖到預(yù)定深度時，按下挖穴停止按鈕，挖穴電機停止工作，同時按下升降按鈕，升降電機轉(zhuǎn)動，鋼絲繩被纏繞在繞線輪上，挖穴電機和鉆頭在鋼絲繩的拉力下向上運動；在鉆頭的提升過程中，連接在電機底座上的拉繩被拉動，裝載肥料的肥料袋被拉開，肥料順著排肥斗，在重力作用下被施入所挖的穴中；當(dāng)被提升至合適的高度時，關(guān)閉升降開關(guān)，升降電機停止轉(zhuǎn)動，拉上制動手柄油泵，防止在挖穴電機的重力作用下向下運動。隨后，啟動行走電機，機具向前行走，V型覆土板將所挖穴周圍的土壤推入穴中完成覆土。通過上述作業(yè)流程，該機可以一次性完成挖穴、施肥和覆土等作業(yè)[19]，且作業(yè)過程操作簡單方便，能有效取代果農(nóng)的人工勞動，降低了水果生產(chǎn)的人力成本，為果農(nóng)帶來了更多的經(jīng)濟(jì)效益。

1.油管 2.碟剎下油泵 3.繞線輪 4.繞線軸 5.升降電機 6.支撐架 7.鋼絲繩 8.挖穴電機 9.電機底板 10.平行四桿機構(gòu) 11.廢料箱 12.挖穴鉆頭 13.排肥斗 14.V型覆土板 15.主動輪 16.機架 17.蓄電池箱 18.從動輪 19.碟剎上油泵 20.控制臺

2011年，由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)和高密市益豐機械有限公司聯(lián)合研制的3ZF-1.2型可調(diào)式葡萄振動深施機，很好地解決了葡萄園施肥困難的問題。該機主要由機架、動力傳動裝置、偏心振動裝置、開溝裝置，以及施肥裝置組成，如圖6所示。

圖6 3ZF—1.2型可調(diào)式葡萄振動深施機

在開溝施肥作業(yè)中，動力由拖拉機輸出后，經(jīng)變速箱將動力傳送到偏心振動裝置，連桿在偏心裝置的帶動下做垂直運動，振動臂在連桿的帶動下發(fā)生擺動；由于開溝鏟固定在振動臂上，故其會隨著振動臂做周期振動，在拖拉機的牽引下邊前進(jìn)邊振動，完成開溝作業(yè)。同時，地輪的行走會給施肥裝置提供動力，通過鏈條帶動排肥軸轉(zhuǎn)動，從而外槽輪排肥器完成排肥，肥料通過輸肥管落入溝內(nèi)，之后被土壤覆蓋。該機創(chuàng)新性地設(shè)計了一種偏心振動裝置，在施肥過程中施肥機械的開溝裝置通過振動的方式破土，使得工作阻力大幅度降低。該機還能夠一次性完成開溝、施肥、覆土等工作，大大提高了開溝施肥的效率，降低了果農(nóng)的勞動強度，有效解決了人工施肥勞動強度大的問題，減輕了果農(nóng)的負(fù)擔(dān)及環(huán)境的污染，提高了葡萄的生產(chǎn)品質(zhì)和質(zhì)量[20-23]。

2016年，由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的張平平等研制的果樹土肥攪拌精量控制施肥機，如圖7所示。該施肥機為后置的鏈?zhǔn)介_溝機，主要由機架、動力傳動系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)、開溝工作系統(tǒng)、土肥攪拌系統(tǒng)、覆土板、可控排肥系統(tǒng)及地輪等組成。

1.機架 2.變速箱 3.土壤滑槽 4.控制系統(tǒng) 5.肥箱托架 6.肥箱 7.開溝鏈 8.開溝刀 9.支撐主梁 10.地輪 11.覆土板 12.連接架 13.土肥攪拌筒 14.土壤收集器

在進(jìn)行開溝施肥作業(yè)時，拖拉機帶動機具前進(jìn)。拖拉機輸出地動力分為兩部分：一部分動力通過鏈傳動帶動開溝鏈鏈輪和從動鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到連續(xù)開溝的效果；另一部分動力通過鏈傳動傳至土肥攪拌器，進(jìn)行土肥攪拌工作。操作人員通過分配器控制液壓缸中活塞的伸出量來控制開溝深度。控制系統(tǒng)接受到操作人員發(fā)出的不同作業(yè)模式信號后，控制系統(tǒng)通過控制步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速來控制排肥量，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。被排出的肥料在螺旋攪龍的推送下進(jìn)入土壤收集箱，進(jìn)而與土壤混合并被攪拌均勻，然后被攪龍送入溝中被覆土板覆土。該施肥開溝機一次性完成了開溝、定量施肥、土肥攪拌和覆土等一體化作業(yè)，具有較高的作業(yè)效率，降低了勞動強度和生產(chǎn)成本[24-26]。

2010年，由西北農(nóng)林科技大學(xué)的王京風(fēng)開發(fā)設(shè)計了一款微型果園鏈?zhǔn)介_溝機，如圖8所示。

1.柴油機 2.V帶傳動 3.遙控接受裝置 4.變速箱 5.一級鏈傳動 6.附加減速器 7.二級鏈傳動 8.螺旋排土器 9.液壓缸 10.工作鏈

該開溝機采用了由陜西東明農(nóng)業(yè)科技公司生產(chǎn)的1YG-8.8型遙控微耕機的發(fā)動機，機身小巧、相對動力大、操作靈活，完全能滿足國內(nèi)果園生產(chǎn)空間狹小的特點。開溝機的機身高度僅有67cm，通過性能好；使用了遙控、人力兩套操作系統(tǒng)，可以隨機操作，也可以人機分離，顯著降低了果農(nóng)的勞動強度。此外，該開溝機采用履帶行走裝置，能夠增加機具與地面的附著力，爬坡性能好，工作穩(wěn)定性強，能防止機具在作業(yè)中發(fā)生傾倒事故。該開溝機在單純行走時，通過直接聯(lián)接配套拖拉機傳動V帶，在不工作時可以實現(xiàn)高速行走。在機具作業(yè)時，動力從柴油機輸出后，通過帶傳動傳遞到附加減速器，減速后在鏈傳動傳下遞到變速箱，動力從變速箱輸出軸輸出，機具在動力帶動下行走，從而能夠達(dá)到低速開溝作業(yè)的要求。一部分動力經(jīng)過附加減速器的中間軸，并由鏈傳動傳遞來帶動開溝鏈的旋轉(zhuǎn)開溝作業(yè)。通過安裝在發(fā)動機上的遙控信號接收器來控制機具的轉(zhuǎn)彎、行走、停車及液壓油缸的伸縮調(diào)節(jié)，能夠使開溝鏈刀在垂直方向上運動，實現(xiàn)開溝深度的控制。開溝鏈安裝在機具后方，且向前傾斜一定的角度。作業(yè)時，在隨著拖拉機向前行走的同時，繞鏈輪向反方向旋轉(zhuǎn)，刀齒在動力的作用下切嵌土壤，切斷土壤，被切斷的土壤被開溝鏈向上輸送，最后被輸送上來的土壤在螺旋排土器的作用下被輸送到所開溝的兩側(cè)，開出平整的溝，完成開溝作業(yè)[27-28]。

2016年，西北農(nóng)林科技大學(xué)的魏子凱研制了一種山地果園挖坑施肥覆土機，集挖坑、施肥、覆土為一體，一次作業(yè)可同時完成挖坑、施肥、覆土等工序，能夠挖出深度300～400mm、直徑為300mm左右的坑。其主要組成部件有升降機構(gòu)、挖坑覆土機構(gòu)、施肥機構(gòu)等，總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

1.挖坑產(chǎn) 2.支座 3.滑塊 4.導(dǎo)軌 5.連桿 6.挖坑覆土液壓缸 7.升降臺 8.機架 9.升降液壓缸 10.肥料箱 11.拉桿 12.量筒 13.聯(lián)動式舌板 14.施肥管

該機的升降機構(gòu)由升降液壓缸、機架和升降臺組成，在升降機構(gòu)的作用下，挖坑覆土機構(gòu)整體能夠沿著機架上的導(dǎo)軌實現(xiàn)升降運動，即通過升降液壓缸的控制，可以使挖坑覆土機構(gòu)在未進(jìn)行挖坑之前降低到合適的高度，以便完成后續(xù)的挖坑作業(yè)。挖坑鏟向下達(dá)到合適的挖坑深度時，挖坑鏟開始合攏，在挖坑鏟完全合攏后，升降機構(gòu)的液壓缸動作，將帶土的挖坑覆土機向上提升，完成升降動作。挖坑覆土機構(gòu)由挖坑覆土液壓缸、連桿、滑塊、導(dǎo)軌、支座及挖坑鏟等部件組成。在挖坑覆土液壓缸的作用下，液壓缸輸出的力通過連桿作用在滑塊上，滑塊帶動挖坑鏟沿導(dǎo)軌一同做圓弧運動，從而實現(xiàn)挖坑覆土的功能。施肥機構(gòu)是由廢料箱、施肥液壓缸、量筒、聯(lián)動式舌板及施肥管組成，在挖坑、覆土等作業(yè)完成后，升降機構(gòu)帶動挖坑鏟和挖出來的土壤一同提升到頂部位置，施肥液壓缸開始工作，帶動聯(lián)動式舌板動作，量筒中的肥料在聯(lián)動式舌板的作用下沿施肥管施入所挖的坑中，從而完成施肥作業(yè)。該機通過升降機構(gòu)、挖坑覆土機構(gòu)、施肥機構(gòu)等3個主要工作機構(gòu)，能夠一次性完成挖坑、施肥、覆土等作業(yè)，作業(yè)效率高，能顯著降低了果農(nóng)的勞動強度。由于該機的結(jié)構(gòu)尺寸小，被廣泛用于空間狹小的山地果園的開溝施肥作業(yè)[29-31]。

3 果園施肥開溝機存在的問題

1)國內(nèi)市場上的果園施肥開溝機大多采用整條溝施肥，不能滿足精準(zhǔn)施肥的要求，使得作業(yè)功耗大，肥料不能被根系充分吸收，肥料利用率不高，且肥料易被果樹之間雜草等吸收，影響果樹的生長。

2)多數(shù)施肥機不是采用偏置開溝，所開溝距果樹根系較遠(yuǎn)，肥料利用率低。由于開溝的功耗大，在開溝時容易出現(xiàn)激烈震蕩，發(fā)生跑偏、走直性差等問題。開溝刀磨損較快，更換困難。當(dāng)土質(zhì)比較松軟時，會造成開溝不穩(wěn)定，施肥質(zhì)量差等問題。

3)大部分果園施肥開溝機的功能單一、通用性差，且智能化程度較低，一種施肥開溝機只能為一種果樹開溝施肥，利用率低。

4)施肥機多數(shù)采用外槽排肥器，排肥量小，而且外槽輪排肥器只適合顆粒狀肥料的施肥，對于農(nóng)家肥和有機肥沒有很好的排肥效果。外槽輪上易粘附肥料，造成堵塞，影響施肥質(zhì)量。

4 果園施肥開溝機的發(fā)展趨勢

1)隨著果園農(nóng)業(yè)的發(fā)展，果園種植朝著標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；较虬l(fā)展，所以對于果園施肥開溝機的研制要注意與農(nóng)藝相結(jié)合，應(yīng)滿足果園的農(nóng)藝要求，提高施肥開溝技術(shù)的整體作業(yè)水平，加快果園機械化進(jìn)程。

2)研制果園施肥開溝機時，要考慮到開溝、施肥、覆土等功能一體化的問題，充分提高農(nóng)機具的利用率，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3)在今后的研發(fā)中，要注重智能化的應(yīng)用，使施肥開溝機向著一機多能的方向發(fā)展，在更換工作部件后又可用于其他的作業(yè)項目。

4)加強對開溝原理及排肥裝置的研究，研發(fā)出更多的開溝、施肥的不同方式，以滿足對不同的土壤和肥料開溝施肥的要求；加強對機械的優(yōu)化設(shè)計，研制小型智能化的施肥開溝機，加強機具的機動性能，能在狹小的空間作業(yè)，適合各種地形。

5)考慮人機工程學(xué)設(shè)計，最大限度地減輕機具作業(yè)時對操作者的心理和生理的影響，能夠使操作者舒適高效的工作。盡量減小噪聲對操作者的影響，提高操作者的人身安全系數(shù)。

5 結(jié)語

近年來，果園機械發(fā)展迅速，出現(xiàn)了各種新型的果園施肥開溝機，大大提高了果園施肥開溝的作業(yè)效率及果園的產(chǎn)量，減輕了果農(nóng)的勞動強度。然而，在果園施肥開溝機的研發(fā)和使用中，仍存在一些急需解決的問題，需要科研人員對不同的土壤狀況、不同果樹的施肥要求，研發(fā)出更好的開溝方法，改進(jìn)、創(chuàng)新施肥技術(shù)，設(shè)計出操作簡單、性價比高、智能化、精準(zhǔn)施肥的開溝施肥機，促進(jìn)果園施肥開溝機機械的發(fā)展，提高果園機械智能化的作業(yè)水平。