摘要:针对现有果园机械化水平较低、缺少集成式设备问题，依据果园农艺要求设计了一种多功能果园田间管理机。该机器为自走履带式有级变速，装配有大块有机肥宽深开沟器、粉状与粒状无机肥开沟施肥回填一体装置等，以完成果园的开沟和施肥等多环节的机械作业。通过快换装置实现开沟和施肥等功能的简便拆卸更换，以保障多功能管理机作业的可操作性和可靠性。经过田间试验，测知管理机能够完成35cm宽、0～40cm深的开沟，施肥深度可达到35cm，作业速度为350～2000m/h，机身高度90cm，长度270cm。由于机型矮小，转弯半径最小1.8m，行走灵活，因此既可用于现代宽行矮砧密植果园，又可用于传统乔化果园。
关键词:果园;管理机;多功能;开沟;施肥
0引言
我国农作物的栽培面积接近1.4亿hm2，其中果树栽种面积约占6%，果树种植面积和水果产量已经跃居世界第一。果树栽培面积和产量排在前列的有广东、山东和河北等省份，大宗果树种类主要是苹果、柑橘和梨[1]。现在我国农业产业化发展比较迅速，而果树又是一种经济效益较高的作物，这就要求果园生产需要高度机械化，特别是管理环节多样，亟需一种集多功能于一身的果园管理机来满足大型果园机械化生产[2-4]。本机依据不同果园的土壤差异和不同品种果树的栽植方式差异，为解决果园中肥料深施等多过程集成作业中存在的机械化关键技术难题[5]，设计了斜置支撑与V型双圆盘组合升降式开沟机构及颗粒与粉状肥料定向兼施、块状有机肥开沟深施等关键部件，集定向开沟施肥自动回填、单独宽深开沟等多功能于一体，弥补了业内的空缺。
早在20世纪，国外就进行了果园开沟施肥机的研究，曾运用以铧式犁为主要部件的开沟机，其开沟深度为30～50cm，构造简单、速度快、效率高，但不适合在较硬的土地里进行作业活动，且开出的沟非常不规则，只依附拖拉机的牵引力，功率损耗极大。后期，随着大功率拖拉机的出现，旋转式开沟机已有生产，开沟深度较大，所需的牵引力较小、适应性强，能够打碎土块，所开沟形稳定规则[6]。目前，日本、德国和美国等，果园管理专用机械化水平达100%，但引进国外机械存在与国内的种植模式不适应且成本较高[7-8]等问题。
我国传统的果园种植形式是以乔化果园为主，空间狭小，大型拖拉机和农机无法进入，通过性差[9]，而如果开沟施肥等环节全部人工实现，则存在用工短缺、劳动强度大、工作效率低[10-11]等缺点。东北农业大学研制的1KL-100型立式螺旋开沟机可以实现在旱田及水田地中挖沟[12]。云南农业大学研制的1KS-22型双轴开沟机可同时完成切土和抛土，从而实现开沟[13]。新疆农业科学院农业机械化研究所研制的LK-40型偏置式果园开沟机用于果园施肥开沟、种树开沟[14-18]。但是，以上设备都存在机型较大、通过性较差的问题，因此研发这样一款多功能果园管理机，是十分必要的，既能用于现代模式的宽行密植果园，又能用于目前占比较大(80%～85%)的传统乔化果园。
1整机方案设计与工作原理
1.1总体方案设计
自走式多功能管理机主要包括动力装置、施肥装置、开沟装置、传动装置和行走装置等，依靠机械传动及液压系统实现整机的各种动作，如图1所示。1)选择4缸柴油机为整机主要动力源，辅以液压装置完成机具的升降作业功能。
2)施肥装置:设计绞龙排肥器强制推进施肥，通过改变绞龙排肥器的转速和排肥器进肥口的大小控制施肥量，以解决传统的外槽轮式排肥器对粉状肥料无法正常施肥的技术难题[19-21]。
3)开沟装置:利用斜置支撑与V型双圆盘组合升降式的开沟机构。在传动箱输出轴的两端，安装双圆盘开沟刀，使其在工作过程中成V型状态转动，能用较小直径的圆盘刀实现宽深开沟，开沟深度达30～40cm。
4)传动装置:使用变速齿轮箱将发动机动力传递给行走装置和开沟施肥装置，开沟装置与变速齿轮箱之间用齿轮箱传动[22]，可靠耐用。
5)行走装置:采用履带行走机构，可以在泥泞的果园田间实现平稳行走，对土壤压强小，附着性能好，在土壤潮湿及松软地带有较好的通过性能，牵引效率高[23-24]。
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1.3工作原理
多功能果园田间管理机主要包括行走模块、开沟回填模块、施肥模块及单独开沟等模块。发动机输出动力通过齿轮变速箱变速后分别传递到行走模块和开沟施肥等模块。行走模块采用履带式行走装置，避免轮式行走装置在低矮的果园中通过性较差问题。本机单条履带的牵引力便可达到整机质量的30%～40%，当单条履带停止转动时可实现最小转弯半径，转弯较轮式更为灵活。
开沟装置动力传递采用齿轮传动，传动可靠，避免了在恶劣工作环境中皮带传动及链传动故障频发问题。开沟刀具使用圆盘刀，利用斜置支撑与V型双圆盘组合升降式开沟机构，在传动箱输出轴的两端安装双圆盘开沟刀，用球笼轴承将输出轴和外壳连接，使其在工作过程中成V形状态转动，可以实现用较小直径的圆盘刀实现宽深开沟。
施肥装置采用绞龙装置排肥，可以有效简化结构，并实现颗粒肥和粉状肥兼施问题。通过更换尾部的装置可以实现多功能集于一身，达到快速切换工作状态的要求。
1.4设计参数
本机设计参数与性能指标，如表1所示。
2开沟模块的设计
现在果园机械难以实现块状有机肥的深施，开发单独开沟装置(见图2)，以便实现宽深开沟，施用大块有机肥，提高果品产量。
开沟装置主要由齿轮箱、刀盘组成，通过齿轮箱传动，并通过输出轴带动开沟刀盘转动，开沟刀盘上的刀具随着刀盘转动，各个刀片依次切割土壤。由于刀具有一定的弧度，使得被切割土壤抛至沟的两侧，达到开沟的目的。开沟装置采用斜置支撑从而实现V形转动，实现可以用较小的刀盘直径开出更宽更深的沟槽。
2.1刀具设计
由于斜置支撑的存在，开沟装置可以实现V形转动，无需较大的刀具弯角便可实现将沟内挖出的土抛至沟的两侧，防止其回填。
根据GB/T699-1999技术条件，应选用65Mn钢以达到开沟的强度等要求，切削刃须进行淬火处理，刃口曲线形状误差不大于3mm，满足设计要求。
2.2斜置支撑设计
通过斜置支撑(见图3)，实现开沟装置V形转动。在斜置支撑上套有轴承，实现刀盘和刀具绕斜置支撑转动，使得刀具可以做V形转动，用较小的直径便实现宽深开沟，达到要求的开沟深度和宽度。
3开沟施肥回填装置设计
3.1刀具设计
与单独开沟刀具不同，开沟施肥回填装置刀具采用弯刀[26]，可以实现切土同时进行回填的功能，保证装置的有效性。因此，刀具采用65Mn钢以达到开沟的强度等要求，切削刃须进行淬火处理，刃口曲线形状误差不能大于3mm，满足要求。
3.2施肥装置设计
施肥装置(见图4)可以实现颗粒与粉状肥兼施，通过绞龙装置强制推进排肥，解决了传统的外槽轮排肥器对粉状肥料无法正常排肥的技术难题，满足了现代果园的工作要求，并且可以通过调节绞龙装置的转速和改变上方进肥口的大小来控制排肥量，满足不同树龄果树需肥量不同的作业需要。
3.3链传动设计
该传动输出用作肥料排出装置的驱动，所需力不需太大，所以链轮直径无需过大[27]。齿轮箱中输出为14齿，根据设计要求，施肥箱绞龙转速约为200r/s，齿轮输出转速为395r/s左右，则绞龙连接链轮设计为28齿，传动比为i=Z2/Z1=28/14=2，绞龙转速则为197.5r/s，满足设计要求。
为保证链轮传动的有效性，在两中间加装传动链张紧轮，使链条保持一定的张紧度，以提高链传动的稳定性。
3.4螺旋排肥器设计
目前，已有果园机械的排肥装置多为外槽轮式排肥装置，主要依靠肥料自身的重力来实现排肥，会出现堵塞现象，且通过调整外槽轮的工作长度来改变排肥量，无法实现粉状化肥排肥量的控制，轻则造成肥料撒漏损失，严重时过多的肥料集中于作物根部导致作物烧根[28]。
本设计采用螺旋排肥器，当其沿轴向转动时，可以将内部的肥料排向外部，在其上方用隔板控制肥料进口的大小，防止过多肥料进入而阻塞。这样，可以有效解决颗粒状肥料和粉状肥料不能使用同一排肥器的问题，同时有效控制排肥速率，节省肥料，使肥料达到充分的利用。
4行走装置设计
由于作业环境存在较狭小情况，选择履带式行走装置(见图5)，可以实现最小1.8m半径转弯，可以很好解决传统果园农机无法入园作业问题。
行走装置的动力来源于固定在输出轴的驱动轮上，装卡在履带中的孔隙，带动履带转动。机体的质量要压在支重轮上，支重轮起承重作用;导向轮承担导向作用，防止履带松动和跑偏。
5试验数据及分析
为测试所制样机性能，在山东省潍坊市高密市升恒庄村的农场进行了开沟装置和施肥装置的试验，如图6、图7示。试验田土壤样本为棕色森林土。
5.1开沟装置试验数据
按照相同的作业长度、不同的作业档位和不同的开沟深度，进行了开沟数据统计分析，如表2所示。
5.2开沟施肥回填装置试验数据
按照相同的作业长度、不同的作业档位和不同的开沟深度对回填的试验据统计分析，如表3所示。
5.3单独开沟装置试验数据分析
试验数据表明:在最低档时，开沟宽度顶部为(45±1)cm，底部为(30.5±1.5)cm，开沟深度为(40±2)cm，平均前进速度为308.57m/h，总体开沟稳定性大于95%，符合《DG-T072-2016田园管理机》的标准要求的85%，合格;高档位时，开沟深度需要适当调浅，宽度随之变窄，因为在高速前进时，开沟装置没有充足的动力供给，必须抬高装置来满足开沟要求，开沟的稳定性也大于标准要求[29]85%，符合设计要求。
5.4开沟施肥装置试验数据分析
试验数据表明:施肥深度和施肥量与行走速度成反比，当速度低时，可以将肥料施到更深处。计算得知总排肥量稳定性变异系数≤7.8%，符合《DG-T072-2016田园管理机》[30]的标准要求。
6结论
通过实测数据得知，所设计样机能够达到设计标准要求。由于采用履带行走，可以用于现代宽行矮砧密植果园，又可用于传统乔化果园。本设计将果树生产管理多环节所需机械作业过程集合到一台机器上，提高了果园机械化水平更提高了作业效率，降低管理成本。样机实现了可以通用于粉状肥料和颗粒肥料排出，解决了槽轮排肥机构无法很好地将粉状肥料排出的问题。通过更换开沟刀具，可以实现大块有机肥宽深开沟问题，提高了肥料利用率，减少了人力的使用。
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