我國(guó)地域遼闊,物種豐富。單水果種植業(yè)方面,2008年全國(guó)水果栽培面積就達(dá)1073.43萬(wàn)hm2。從1993年我國(guó)水果產(chǎn)量躍居世界首位以來,已連續(xù)17年穩(wěn)居世界第一水果生產(chǎn)國(guó)的位置。水果種植面積的不斷增加,以及我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力大量向城市的轉(zhuǎn)移,使得我國(guó)的水果種植產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)相關(guān)人員調(diào)查顯示,目前我國(guó)大部分果園處于無人管理的狀態(tài),這種狀況已經(jīng)造成我國(guó)水果單產(chǎn)不高、水果品質(zhì)差等諸多問題。為保證我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)又快又好的發(fā)展,必須加大對(duì)果園建設(shè)與管理的投入力度。
果園開溝施肥是果園實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的有力保證。然而,果園的開溝施肥工作以往大都是由人力勞動(dòng)來完成,這樣不僅效率低,而且大大增加了勞動(dòng)成本。因此,研究和探討果園施肥開溝機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)具有現(xiàn)實(shí)意義。
1 國(guó)內(nèi)外開溝機(jī)研究現(xiàn)狀
1.1
國(guó)外開溝機(jī)發(fā)展概況
國(guó)外開溝機(jī)的發(fā)展已有70余年的歷史,以美國(guó)、原蘇聯(lián)、英國(guó)、法國(guó)、意大利和日本等國(guó)家發(fā)展較快,并形成系列產(chǎn)品【1】。如意大利的Malletti和Dondi開溝機(jī)系列、荷蘭的Ridder開溝機(jī)系列和日本的“利達(dá)”開溝機(jī)系列等【2】。最小的開溝機(jī)功率僅有幾千瓦,最大的功率達(dá)到1100
kW、質(zhì)量136t,可挖深1.8 m、寬4.5
m的溝。根據(jù)用戶的不同需求,可在挖溝機(jī)上配備多種工作裝置,如推土板、鑿孑L器、反鏟、鋪纜器等;在較先進(jìn)的挖溝機(jī)上,廣泛采用靜壓傳動(dòng)、電子調(diào)平、自動(dòng)功率控制等高新技術(shù)。目前,世界上主要的開溝機(jī)生產(chǎn)廠商均在美國(guó),如GASE、Charles
Machine Works、Burkeen、Vermeer、A.F.Trenchers、RWF
Industries、Maxon等公司在業(yè)界均有很高的聲譽(yù)。國(guó)外開溝機(jī)正朝著專業(yè)化、大型化、節(jié)能化、智能化等方向發(fā)展。
1.2國(guó)內(nèi)開溝機(jī)發(fā)展概況
早在20世紀(jì)50年代,我國(guó)農(nóng)田水利建設(shè)就已經(jīng)應(yīng)用鏵式犁開溝。但對(duì)其它形式開溝機(jī)的研究開發(fā)起步較晚,大致上經(jīng)歷了鏵式犁開溝機(jī)、圓盤式開溝機(jī)、立式螺旋開溝機(jī)和鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的發(fā)展歷程。早期,國(guó)內(nèi)主要依靠引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)開溝機(jī)的空白。如1975年,我國(guó)農(nóng)墾系統(tǒng)引進(jìn)了意大利菲亞特公司FLAT系列旋轉(zhuǎn)圓盤挖溝機(jī)用于工農(nóng)業(yè)建設(shè);上世紀(jì)80年代中期,國(guó)家引進(jìn)少量挖溝機(jī)主要用于農(nóng)業(yè)暗管排水工程,但由于技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性等原因,這些開溝機(jī)幾年后被逐漸淘汰。目前,國(guó)內(nèi)開溝機(jī)主要有鏵式犁開溝機(jī)、旋轉(zhuǎn)式開溝機(jī)兩大類。其中以旋轉(zhuǎn)式開溝機(jī)應(yīng)用較為廣泛,產(chǎn)品較多。
1.2.1鏵式犁開溝機(jī)
鏵式犁開溝機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn),20世紀(jì)60年代就被引進(jìn)用于農(nóng)田建設(shè)中。但是由于存在結(jié)構(gòu)笨重、牽引阻力大、溝邊留下的垡條大且不能自動(dòng)分散,開好的溝渠還需人工修理等缺點(diǎn),大大限制了它的使用,F(xiàn)在部分發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)淘汰了鏵式犁開溝機(jī),其他國(guó)家也正進(jìn)行著由鏵式犁開溝向旋轉(zhuǎn)開溝的轉(zhuǎn)變。
1.2.2銑刀盤開溝機(jī)
銑刀盤開溝機(jī)屬于快速旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)。因其具有牽引阻力小、適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),所以使用廣泛。這類型開溝機(jī)的主要工作部件是一個(gè)或者兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的圓盤,圓盤兩側(cè)對(duì)稱安裝不同數(shù)量規(guī)格的銑刀和削壁刀。這種開溝機(jī)的開溝斷面呈上口寬、溝底窄的倒梯形,溝深由圓盤直徑?jīng)Q定,溝寬通過更換不同銑刀調(diào)節(jié)。
1999年,江西省晚安縣農(nóng)機(jī)局根據(jù)南方農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物的特點(diǎn)以及農(nóng)戶經(jīng)濟(jì)的承受能力,成功開發(fā)出了1KSH-15型圓盤式開溝機(jī)。該機(jī)工作部件裝置于東風(fēng)-12型手扶拖拉機(jī)配套的旋耕刀軸上,工作部件質(zhì)量33
kg,開溝深度為100-200 mm,寬度為250±20
mm可調(diào)。它具有所需動(dòng)力小、碎土性能好、回土量低、溝深穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。由于溝深與溝寬的限制,并未大量推廣。
2001年,由張傳忠等設(shè)計(jì)完成的KX-40雙圓盤旋轉(zhuǎn)式開溝機(jī),與大中功率輪式拖拉機(jī)配套使用,具有機(jī)動(dòng)性好、質(zhì)量輕、開溝尺寸大、溝型規(guī)范、拋土均勻等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)動(dòng)力配置為30—40
kW輪式拖拉機(jī),開溝尺寸為500 mm×400 mm×400 mm(溝面寬×溝底寬×溝深),圓盤左右各具有16把銑刀,刀盤線速度為11
m/s。目前該機(jī)主要用于井場(chǎng)界溝的開挖和一些開闊場(chǎng)所的開溝作業(yè),對(duì)于地形較為復(fù)雜且空間狹小的林地以及果園用處不大。2008年,新疆農(nóng)科院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制成功了1KF-35型果園開溝深施肥機(jī)。該機(jī)主要用于果園開溝施肥、植樹開溝,也可用于農(nóng)田開溝及壟作物開溝施肥等。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,質(zhì)量為260
kg,開溝尺寸為:深度300—500 mm可調(diào),寬度下口300 mm,上口500 mm,為倒梯形,動(dòng)力配置為18.5 - 25.9
kW的輪式拖拉機(jī)。之后,他們又對(duì)該機(jī)進(jìn)行了改進(jìn),研制出1K-40型偏置式果園開溝機(jī),1K-40去掉了施肥裝置,降低了整機(jī)的高度和減輕了質(zhì)量IS.91。上述兩種機(jī)型能較好的解決新疆以及北方平原地區(qū)部分果園的開溝施肥作業(yè),但是在南方大多數(shù)果園它還是顯得過于龐大。
1.2.3鏈?zhǔn)介_溝機(jī)
鏈?zhǔn)介_溝機(jī)是一種慢速旋轉(zhuǎn)式開溝機(jī),一般適于開窄而深的溝渠。由于鏈刀式開溝機(jī)切削土壤深度大,比阻大,所以開溝的阻力大,消耗功也大,拖拉機(jī)在正常工作速度下無法工作,需配有超低速拖拉機(jī)或加有超低速變速裝置的拖拉機(jī)才能作業(yè)。鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的挖掘部件為帶刀片的鏈條,刀齒切割土壤并將其帶至地面,再用橫向螺旋輸送器將土運(yùn)至溝的一側(cè)或者兩側(cè)。
1992年,謝金泉對(duì)鏈齒式開溝機(jī)工作部件的進(jìn)行了初步研究。指出,比功(即單位立方作業(yè)量的功耗)是開溝機(jī)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)性能指標(biāo)。根據(jù)果園開溝作業(yè)比功小于0.4
kW'lVm3的作業(yè)要求,計(jì)算得出了切削進(jìn)距3 em,作業(yè)傾斜角400,鏈齒線速度0.356 m/s時(shí)其比功較小的結(jié)論。
1998年,楊有剛等人研制了一種適用于果園狹小作業(yè)空間的1KLQ-80型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)。該機(jī)配套動(dòng)力為11 kW,最大開溝深度和寬度為800 mm和650
mm,生產(chǎn)效率為125
m/h。它與其它鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的區(qū)別是工作時(shí)其整機(jī)都將行走于溝中,避免了果園空間不足的問題。但由于土壤工作面位于工作部件的前方,因此,土壤在切削力、機(jī)器振動(dòng)和自身重力的作用下可能引起較大的塌落。之后,為解決機(jī)器的穩(wěn)定性問題。分析了開溝機(jī)的起步加速特性,討論了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)開溝機(jī)起步加速工況穩(wěn)定性的作用和選擇原則,取得較好效果。但是,由于我國(guó)果園土壤特性的差異較大,其機(jī)器本身也存在著開溝作業(yè)時(shí)土壤塌方問題。所以,該機(jī)并沒有得到很好的推廣。
2002年,劉長(zhǎng)榮等人為滿足葡萄園開溝施肥的需要,改裝出了與8.8 kW手扶拖拉機(jī)配套的鏈?zhǔn)介_溝機(jī)。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、比較實(shí)用、所需動(dòng)力小。開溝深度為400
mm,寬度為400 mm,效率為1km/h,并且在效果檢測(cè)中表現(xiàn)良好【9,10】。
2009年,由新疆中收農(nóng)牧機(jī)械公司開發(fā)的1KF-500果園開溝施肥機(jī)在阿克蘇喀什等地進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果顯示各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該機(jī)采用獨(dú)立液壓系統(tǒng)控制開溝深度的調(diào)節(jié),配置動(dòng)力要求30
kW以上,整機(jī)質(zhì)量為510 kg,開溝深度為300 - 800 mm,寬度為200 - 500 mm舊。
1.2.4立式螺旋開溝機(jī)
20世紀(jì)90年代后期,立式螺旋開溝機(jī)在國(guó)內(nèi)開始被科研機(jī)構(gòu)和廠家重視,并相繼研發(fā)出了1KL系列和1KLZ系列開溝機(jī)。立式螺旋開溝機(jī)主要的工作部件是錐螺旋,工作時(shí)原動(dòng)力通過減速裝置和換向裝置傳到錐螺旋,通過它的旋轉(zhuǎn)切削土壤而形成錐狀溝形。立式螺旋開溝機(jī)的設(shè)計(jì)需要考慮多方面的因素,但是人為控制的參數(shù)只有3個(gè),即機(jī)器前進(jìn)速度、工作部件的轉(zhuǎn)速和錐螺旋的螺旋角。對(duì)這3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高開溝機(jī)的生產(chǎn)效率,降低比功耗的有效途徑。
1KL-I00螺旋開溝機(jī)由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā),主要用于草炭開采工藝中排水溝的挖掘,此外還可用于挖農(nóng)田中的排水溝。整機(jī)配備動(dòng)力為80.9 kW,最大開溝深度達(dá)1
m,所開溝形為倒梯形,最大上口寬度為1200 mm,下口寬度為340 mm。其所開溝的壁平整,溝內(nèi)殘土少,性能優(yōu)良,基本滿足草炭開采工作的要求。
1KLZ-27型立式螺旋開溝機(jī)由昆山農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所研制。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎獨(dú)特,在當(dāng)時(shí)引起了很多農(nóng)民的興趣,試產(chǎn)的千余臺(tái)機(jī)器在蘇浙地區(qū)使用良好。并且滿足其設(shè)定的連續(xù)切削、切削長(zhǎng)度上切削角恒定不變、螺旋葉片“變導(dǎo)程”、葉片的幾何形狀滿足土壤沿葉片軸向輸送的要求[19】。
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)區(qū)穎剛等在1998年為研究在立式螺旋開溝器作用下土壤的破壞規(guī)律,確定開溝機(jī)工作部件作用于蔬菜地土壤的最佳工作方式,以及測(cè)試蔬菜地立式螺旋開溝機(jī)的受力及功率消耗情況,確定開溝機(jī)工作部件的最佳因素組合。通過對(duì)立式螺旋開溝器工作特點(diǎn)的分析,研制了一套試驗(yàn)裝置,在土槽中進(jìn)行了試驗(yàn)研究。
2存在的問題
1)目前開溝機(jī)普遍存在適應(yīng)范圍窄的問題,大部分開溝機(jī)的設(shè)計(jì)只考慮了一般工程的工作環(huán)境,對(duì)果園不太適合,特別是山地果園。
2)很多開溝機(jī),存在著動(dòng)力閑置的缺陷。特別是小型開溝機(jī),往往將動(dòng)力源與工作部件焊接成整體。這樣減少了安裝的過程,但造成了開溝機(jī)動(dòng)力的閑置。
3)不少開溝機(jī)存在著功耗過大;開溝時(shí)易出現(xiàn)激烈振動(dòng)、跑偏;刀具磨損快;偏置式開溝機(jī)自動(dòng)偏擺等問題。
4)果園開溝施肥需要有強(qiáng)勁的動(dòng)力作保證,但果園狹窄的工作環(huán)境又限制了大動(dòng)力開溝機(jī)具的工作。目前國(guó)內(nèi)開溝機(jī)種類不少,但缺少能在南方丘陵山地,比如橘園、荔枝龍眼園、香蕉園等開施肥溝的機(jī)具。
3發(fā)展對(duì)策
1)考慮果園環(huán)境對(duì)開溝機(jī)的要求,突破關(guān)鍵技術(shù)難題,增強(qiáng)開溝機(jī)的適應(yīng)性。
2)開發(fā)針對(duì)同一動(dòng)力源的不同種類工作部件。如開溝器、中耕機(jī)、旋耕機(jī)和其它農(nóng)機(jī)具可共用一臺(tái)動(dòng)力源。
3)從理論人手,結(jié)合實(shí)際,重點(diǎn)研究以下方面:一是開溝原理及開溝刀具受力分析,以不斷改進(jìn)設(shè)計(jì),優(yōu)化刀具,使開溝機(jī)的功耗和油耗降下來;二是引起跑偏的原因,首先看是否緣于刀具的形狀或安裝的角度,然后做相應(yīng)的調(diào)整,設(shè)計(jì)對(duì)稱結(jié)構(gòu),以消除振動(dòng)、跑偏和走直性能差等問題;三是刀具的材料選擇,解決其壽命短問題;四是針對(duì)不同形式的開溝機(jī),設(shè)置不同原理的偏擺裝置,可采用位置移動(dòng)。