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摘要：施肥是葡萄生产过程中的重要环节之一，因其季节性强、劳动强度大，亟需实现机械化作业。研究设计一种葡萄开沟施肥机，介绍机具的总体方案与结构，阐述各主要部件的设计，并通过田间试验验证机具性能与作业效果。结果表明，该机具可以较好地满足葡萄开沟施肥的需求。
关键词：农业机械；葡萄；开沟；施肥；设计
中图分类号：S224.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0026-03
葡萄是我国主要的水果品种，辽宁省是全国葡萄主产地之一。目前，随着人们生活水平的提高，市场对葡萄品质的要求也越来越高，葡萄生产上普遍通过增加有机肥使用量来提升葡萄品质。葡萄生长旺盛，结果量大，对土壤养分的需求也较多，肥料需量大。在葡萄生产中，基肥施加是葡萄园施肥中最重要的一环，一般秋天施入，从葡萄采收后到土壤封冻前进行，667 m2施肥量达5 000～6 000 kg。该项作业季节性强、生产环节多而复杂、农艺要求严格，因现有的葡萄园空间有限，大功率拖拉机无法进入作业，目前多以人工操作为主，劳动强度大、效率低、质量差、费用高，不能满足葡萄规模化生产经营的需要。因此，对葡萄园开沟施肥机械的研发具有重要的现实意义。
1 葡萄开沟施肥机方案研究
由于葡萄篱架低矮，空间有限，大功率拖拉机无法进入作业，所以机具的设计必须适于小动力拖拉机配套。为此，利用已有的旋耕机作业原理来研究开沟施肥机。旋耕机是利用旋耕刀滑切土壤完成整地的，按照刀轴回转方向可分为正旋和逆旋。正旋即刀辊的旋转方向与拖拉机轮子转动方向相同，旋耕刀由地表向下切土，刀辊切土的反作用力与拖拉机前进方向相同，因而有利于机组在潮湿土壤上作业；逆旋为刀辊旋转方向与拖拉机轮子转动方向相反，旋耕刀由已切土壤中入土，从底部向上切土，所需切削力小，有利于在较硬土壤上作业，且会有较多的土块向前方抛掷。基于对旋耕机作业的分析，考虑到葡萄开沟的实际情况，确定采用逆旋作业方式设计开沟机。
2 葡萄开沟施肥机整体设计
葡萄开沟施肥机主要由开沟装置和排肥装置组成（如图1所示），排肥装置安装在开沟装置的机架上，两部分联动。
本机具适合与29.4 kW（40马力）及以下小轮胎拖拉机配套使用。工作时，机具的机架悬挂于拖拉机后部的三点悬挂架上，通过拖拉机牵引前进；机具的变速箱通过万向节传动轴与拖拉机后输出轴相连接，接收拖拉机动力输出，完成开沟施肥作业。
2.1 开沟装置研究
开沟装置主要由悬挂架、变速箱、链传动、开沟刀盘等组成（如图2所示）。
开沟装置与配套拖拉机的连接方式选用三点悬挂式，能与多种型号拖拉机配套，且挂接方便。工作时，开沟装置悬挂在拖拉机上，由拖拉机牵引前进；机具所需动力由拖拉机动力输出轴通过万向节传动轴传递至机具变速箱输入轴，经变速箱变速和改变力矩方向后，通过链传动带动刀盘旋转，完成开沟作业。
2.2 排肥装置研究
排肥装置主要由肥箱、搅拌器和螺旋排肥器组成。由于葡萄基肥量很大，所以肥箱设计的尺寸也比较大，避免反复上肥造成工作不便。这就要求肥箱具有一定的强度，为此增加了加强筋来保证肥箱不变形。葡萄的基肥基本上是有机肥，散落性不良，为此增加了搅拌器。搅拌器由轴和固定于轴上的钢筋构成，工作时，轴在链传动的驱动下旋转，带动轴上钢筋在肥箱内旋转，反复搅动肥箱内的有机肥，破坏其张力，保证其顺利下落。开沟装置在拖拉机一侧，其开出的沟也在拖拉机一侧，故排肥装置设计为螺旋推送排肥器。这种型式的排肥器不仅易于排出散落性不良的物料，还能很好地把物料推送到肥箱一侧排出、落入沟内。
3 主要部件设计
3.1 万向节传动轴
开沟施肥机由拖拉机牵引前进，由于地形变化、开沟土壤紧实度不同等因素，机具工作时是小浮动摆动的。为此，选用万向节传动轴连接拖拉机动力输出轴与开沟机动力输入轴。万向节传动轴是实现变角度动力传递的机件，它允许被连接的零件之间的夹角在一定范围内变化，可以满足动力传递、适应拖拉机牵引机具运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化。选择万向节传动轴参数主要依据万向节传动轴伸缩量与前后轴夹角大小和开沟机的通过性能来确定，要求工作时夹角不超过10°；工作部件提升时夹角不超过30°；万向节传动轴的轴和轴套重叠量不小于40 mm。
3.2 开沟装置悬挂架
葡萄施肥作业所开的沟与葡萄苗之间的距离一般保持在25～30 cm，所以在设计悬挂架时采用了偏置式，这样能保证所开出的沟与葡萄苗之间留有距离。同时，为减轻拖拉机车辙对葡萄园的压实，开沟位置选在拖拉机车辙处。由于开沟作业阻力大，肥箱及所载肥量大，对悬挂架强度要求较高，故机架采用方管焊接而成，所有受力部分增加加强筋，保证机架刚性要求。此外，悬挂架设计时需要注意，机具提升至最高位置（运输状态）时，开沟机离地高度不小于250 mm，离去角不小于18°；还应考虑在工作和運输状态时机架及开沟刀不碰到拖拉机。
3.3 开沟部件
由于葡萄园空间有限，大功率拖拉机无法进入作业，所以机具的设计必须适合与小动力拖拉机配套。这样就否决了犁等开沟方式，只能依靠开沟刀滑切土壤，充分利用拖拉机的牵引力和动力输出，实现开沟作业。基于上述原因，开沟机可设计为卧式刀轴或立式刀轴的切土开沟机。卧式为开沟刀盘绕与地面平行的轴线水平旋转切削土壤；立式为开沟刀盘绕与地面垂直或倾斜的轴线旋转切土。本机具的设计思路是利用切土刀滑切土壤后，再利用切土刀的速度将切削下来土壤抛送出去，从而达到开沟的目的，故设计为卧式开沟装置。开沟部件主要由切土刀和刀盘组成，切土刀通过螺栓固定在刀盘上两侧，如图3所示。
切土刀由60Si2Mn钢板制作，刀的前端为楔形结构，磨有刃口，表面经高频淬火处理，保证了切削刃的硬度和耐磨性，使刃口锋利，减小了切削土壤的阻力。切土刀通过螺栓安装在刀盘上，其与土壤断面有一定的切削角，这个切削角可以减小切土刀切削土壤的阻力。工作时，切土刀随刀盘回转，对土壤进行切削，从而降低机具的功耗。切削刀可以拆卸、刃磨，保障切土刀刃口锋利，减小切土阻力。切土刀兼有切土和抛土两种作用。
切土刀的最大线速度在7～15 m/s范围内选取。取大值抛土距离较远而均匀，有利于切断土壤中作物残根，但功率消耗较大，生产效率低；在满足抛土距离要求时，建议取小值。通过试验确定切土刀的最大线速度取为10 m/s。
4 主要技术参数
葡萄开沟施肥机的主要技术参数见表1。
5 田间试验
田间试验于2014年11月在辽阳、抚顺的试验田基地进行。试验田土壤为轻壤土，土壤含水率为20%～30%，土质疏松，试验对象为3～5 a期葡萄藤，配套动力为29.4 kW小直径轮胎拖拉机，作业速度为1.83 km/h。开沟一侧距葡萄藤30 cm，开沟宽度30 cm，作业开沟深度为40 cm，667 m2施有机肥5 600 kg。
葡萄开沟施肥机作业试验测试结果表明，该机具结构简单，操作、调整方便，适用性好，性能稳定、可靠，作业时不易伤根，作业效率是人工开沟施肥作业的8～9倍。
6 结论
本课题研究的葡萄开沟施肥机具有结构简单、调整方便、适用性好、稳定性好、操作方便、性能可靠等特点，其与配套的拖拉机一次进地可完成开沟、施肥和覆土的联合作业，施肥量可以调整，作业质量好、效率高，可以较好地满足葡萄开沟施肥的需求。
参考文献
[1] 张传忠，艾光富.KX-40双圆盘旋转式开沟机的设计[J].拖拉机与农用运输车，2002（5）：36-38.
[2] 申屠留芳，杨刚，孙星钊.葡萄园专用开沟施肥机的设计[J].农机化研究，2012（11）：87-89.
[3] 陈长林，闵启超，梁苏宁.微型开沟起垄作业机的设计及试验研究[J].中国农机化学报，2013（1）：107-111.
[4] 赵文东.辽宁省葡萄产业发展建议[J].北方果树，2012（1）：50-53.
[5] 陈晓东.控水措施下葡萄生长及果实品质的变化研究[D].北京：中国农业科学院，2014.
关键词：农业机械；葡萄；开沟；施肥；设计
中图分类号：S224.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）12-0026-03
葡萄是我国主要的水果品种，辽宁省是全国葡萄主产地之一。目前，随着人们生活水平的提高，市场对葡萄品质的要求也越来越高，葡萄生产上普遍通过增加有机肥使用量来提升葡萄品质。葡萄生长旺盛，结果量大，对土壤养分的需求也较多，肥料需量大。在葡萄生产中，基肥施加是葡萄园施肥中最重要的一环，一般秋天施入，从葡萄采收后到土壤封冻前进行，667 m2施肥量达5 000～6 000 kg。该项作业季节性强、生产环节多而复杂、农艺要求严格，因现有的葡萄园空间有限，大功率拖拉机无法进入作业，目前多以人工操作为主，劳动强度大、效率低、质量差、费用高，不能满足葡萄规模化生产经营的需要。因此，对葡萄园开沟施肥机械的研发具有重要的现实意义。
1 葡萄开沟施肥机方案研究
由于葡萄篱架低矮，空间有限，大功率拖拉机无法进入作业，所以机具的设计必须适于小动力拖拉机配套。为此，利用已有的旋耕机作业原理来研究开沟施肥机。旋耕机是利用旋耕刀滑切土壤完成整地的，按照刀轴回转方向可分为正旋和逆旋。正旋即刀辊的旋转方向与拖拉机轮子转动方向相同，旋耕刀由地表向下切土，刀辊切土的反作用力与拖拉机前进方向相同，因而有利于机组在潮湿土壤上作业；逆旋为刀辊旋转方向与拖拉机轮子转动方向相反，旋耕刀由已切土壤中入土，从底部向上切土，所需切削力小，有利于在较硬土壤上作业，且会有较多的土块向前方抛掷。基于对旋耕机作业的分析，考虑到葡萄开沟的实际情况，确定采用逆旋作业方式设计开沟机。
2 葡萄开沟施肥机整体设计
葡萄开沟施肥机主要由开沟装置和排肥装置组成（如图1所示），排肥装置安装在开沟装置的机架上，两部分联动。
本机具适合与29.4 kW（40马力）及以下小轮胎拖拉机配套使用。工作时，机具的机架悬挂于拖拉机后部的三点悬挂架上，通过拖拉机牵引前进；机具的变速箱通过万向节传动轴与拖拉机后输出轴相连接，接收拖拉机动力输出，完成开沟施肥作业。
2.1 开沟装置研究
开沟装置主要由悬挂架、变速箱、链传动、开沟刀盘等组成（如图2所示）。
开沟装置与配套拖拉机的连接方式选用三点悬挂式，能与多种型号拖拉机配套，且挂接方便。工作时，开沟装置悬挂在拖拉机上，由拖拉机牵引前进；机具所需动力由拖拉机动力输出轴通过万向节传动轴传递至机具变速箱输入轴，经变速箱变速和改变力矩方向后，通过链传动带动刀盘旋转，完成开沟作业。
2.2 排肥装置研究
排肥装置主要由肥箱、搅拌器和螺旋排肥器组成。由于葡萄基肥量很大，所以肥箱设计的尺寸也比较大，避免反复上肥造成工作不便。这就要求肥箱具有一定的强度，为此增加了加强筋来保证肥箱不变形。葡萄的基肥基本上是有机肥，散落性不良，为此增加了搅拌器。搅拌器由轴和固定于轴上的钢筋构成，工作时，轴在链传动的驱动下旋转，带动轴上钢筋在肥箱内旋转，反复搅动肥箱内的有机肥，破坏其张力，保证其顺利下落。开沟装置在拖拉机一侧，其开出的沟也在拖拉机一侧，故排肥装置设计为螺旋推送排肥器。这种型式的排肥器不仅易于排出散落性不良的物料，还能很好地把物料推送到肥箱一侧排出、落入沟内。
3 主要部件设计
3.1 万向节传动轴
开沟施肥机由拖拉机牵引前进，由于地形变化、开沟土壤紧实度不同等因素，机具工作时是小浮动摆动的。为此，选用万向节传动轴连接拖拉机动力输出轴与开沟机动力输入轴。万向节传动轴是实现变角度动力传递的机件，它允许被连接的零件之间的夹角在一定范围内变化，可以满足动力传递、适应拖拉机牵引机具运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化。选择万向节传动轴参数主要依据万向节传动轴伸缩量与前后轴夹角大小和开沟机的通过性能来确定，要求工作时夹角不超过10°；工作部件提升时夹角不超过30°；万向节传动轴的轴和轴套重叠量不小于40 mm。
3.2 开沟装置悬挂架
葡萄施肥作业所开的沟与葡萄苗之间的距离一般保持在25～30 cm，所以在设计悬挂架时采用了偏置式，这样能保证所开出的沟与葡萄苗之间留有距离。同时，为减轻拖拉机车辙对葡萄园的压实，开沟位置选在拖拉机车辙处。由于开沟作业阻力大，肥箱及所载肥量大，对悬挂架强度要求较高，故机架采用方管焊接而成，所有受力部分增加加强筋，保证机架刚性要求。此外，悬挂架设计时需要注意，机具提升至最高位置（运输状态）时，开沟机离地高度不小于250 mm，离去角不小于18°；还应考虑在工作和運输状态时机架及开沟刀不碰到拖拉机。
3.3 开沟部件
由于葡萄园空间有限，大功率拖拉机无法进入作业，所以机具的设计必须适合与小动力拖拉机配套。这样就否决了犁等开沟方式，只能依靠开沟刀滑切土壤，充分利用拖拉机的牵引力和动力输出，实现开沟作业。基于上述原因，开沟机可设计为卧式刀轴或立式刀轴的切土开沟机。卧式为开沟刀盘绕与地面平行的轴线水平旋转切削土壤；立式为开沟刀盘绕与地面垂直或倾斜的轴线旋转切土。本机具的设计思路是利用切土刀滑切土壤后，再利用切土刀的速度将切削下来土壤抛送出去，从而达到开沟的目的，故设计为卧式开沟装置。开沟部件主要由切土刀和刀盘组成，切土刀通过螺栓固定在刀盘上两侧，如图3所示。
切土刀由60Si2Mn钢板制作，刀的前端为楔形结构，磨有刃口，表面经高频淬火处理，保证了切削刃的硬度和耐磨性，使刃口锋利，减小了切削土壤的阻力。切土刀通过螺栓安装在刀盘上，其与土壤断面有一定的切削角，这个切削角可以减小切土刀切削土壤的阻力。工作时，切土刀随刀盘回转，对土壤进行切削，从而降低机具的功耗。切削刀可以拆卸、刃磨，保障切土刀刃口锋利，减小切土阻力。切土刀兼有切土和抛土两种作用。
切土刀的最大线速度在7～15 m/s范围内选取。取大值抛土距离较远而均匀，有利于切断土壤中作物残根，但功率消耗较大，生产效率低；在满足抛土距离要求时，建议取小值。通过试验确定切土刀的最大线速度取为10 m/s。
4 主要技术参数
葡萄开沟施肥机的主要技术参数见表1。
5 田间试验
田间试验于2014年11月在辽阳、抚顺的试验田基地进行。试验田土壤为轻壤土，土壤含水率为20%～30%，土质疏松，试验对象为3～5 a期葡萄藤，配套动力为29.4 kW小直径轮胎拖拉机，作业速度为1.83 km/h。开沟一侧距葡萄藤30 cm，开沟宽度30 cm，作业开沟深度为40 cm，667 m2施有机肥5 600 kg。
葡萄开沟施肥机作业试验测试结果表明，该机具结构简单，操作、调整方便，适用性好，性能稳定、可靠，作业时不易伤根，作业效率是人工开沟施肥作业的8～9倍。
6 结论
本课题研究的葡萄开沟施肥机具有结构简单、调整方便、适用性好、稳定性好、操作方便、性能可靠等特点，其与配套的拖拉机一次进地可完成开沟、施肥和覆土的联合作业，施肥量可以调整，作业质量好、效率高，可以较好地满足葡萄开沟施肥的需求。
参考文献
[1] 张传忠，艾光富.KX-40双圆盘旋转式开沟机的设计[J].拖拉机与农用运输车，2002（5）：36-38.
[2] 申屠留芳，杨刚，孙星钊.葡萄园专用开沟施肥机的设计[J].农机化研究，2012（11）：87-89.
[3] 陈长林，闵启超，梁苏宁.微型开沟起垄作业机的设计及试验研究[J].中国农机化学报，2013（1）：107-111.
[4] 赵文东.辽宁省葡萄产业发展建议[J].北方果树，2012（1）：50-53.
[5] 陈晓东.控水措施下葡萄生长及果实品质的变化研究[D].北京：中国农业科学院，2014.