开沟机械在我国水果生产中的应用现状与发展趋势

开沟机械在我国水果生产中的应用现状与发展趋势

中国面积大，种子丰富。单水果种植业方面,2008年全国水果栽培面积就达1073.43万hm2。从1993年我国水果产量跃居世界首位以来,已连续17年稳居世界第一水果生产国的位置。水果种植面积的不断增加,以及我国农村劳动力大量向城市的转移,使得我国的水果种植产业面临着巨大的挑战。据相关人员调查显示,目前我国大部分果园处于无人管理的状态,这种状况已经造成我国水果单产不高、水果品质差等诸多问题。为保证我国水果产业又快又好的发展,必须加大对果园建设与管理的投入力度。果园开沟施肥是果园实现高产、稳产的有力保证。然而,果园的开沟施肥工作以往大都是由人力劳动来完成,这样不仅效率低,而且大大增加了劳动成本。因此,研究和探讨果园施肥开沟机械的发展现状和趋势具有现实意义。1国内外对开沟机的研究1.1主要开沟机生产设备国外开沟机的发展已有70余年的历史,以美国、原苏联、英国、法国、意大利和日本等国家发展较快,并形成系列产品。如意大利的Malletti和Dondi开沟机系列、荷兰的Ridder开沟机系列和日本的“利达”开沟机系列等。最小的开沟机功率仅有几千瓦,最大的功率达到1100kW、质量136t,可挖深1.8m、宽4.5m的沟。根据用户的不同需求,可在挖沟机上配备多种工作装置,如推土板、凿孔器、反铲、铺缆器等;在较先进的挖沟机上,广泛采用静压传动、电子调平、自动功率控制等高新技术。目前,世界上主要的开沟机生产厂商均在美国,如GASE、CharlesMachineWorks、Burkeen、Vermeer、A.F.Trenchers、RWFIndustries、Maxon等※通讯作者:段洁利(1973-),女,山西人,副教授,研究方向为农业机械。通信地址:510642广州市天河区公司在业界均有很高的声誉。国外开沟机正朝着专业化、大型化、节能化、智能化等方向发展。1.2主要开沟机的发展历程早在20世纪50年代,我国农田水利建设就已经应用铧式犁开沟。但对其它形式开沟机的研究开发起步较晚,大致上经历了铧式犁开沟机、圆盘式开沟机、立式螺旋开沟机和链式开沟机的发展历程。早期,国内主要依靠引进国外产品,填补国内开沟机的空白。如1975年,我国农垦系统引进了意大利菲亚特公司FLAT系列旋转圆盘挖沟机用于工农业建设;上世纪80年代中期,国家引进少量挖沟机主要用于农业暗管排水工程,但由于技术性能和经济性等原因,这些开沟机几年后被逐渐淘汰。目前,国内开沟机主要有铧式犁开沟机、旋转式开沟机两大类。其中以旋转式开沟机应用较为广泛,产品较多。1.2.1农田工程建设中的小口局铧式犁开沟机因其结构简单、速度快、效率高、工作可靠等优点,20世纪60年代就被引进用于农田建设中。但是由于存在结构笨重、牵引阻力大、沟边留下的垡条大且不能自动分散,开好的沟渠还需人工修理等缺点,大大限制了它的使用。现在部分发达国家已经淘汰了铧式犁开沟机,其他国家也正进行着由铧式犁开沟向旋转开沟的转变。1.2.2工作部件装置铣刀盘开沟机属于快速旋转开沟机。因其具有牵引阻力小、适应性强、作业质量好等优点,所以使用广泛。这类型开沟机的主要工作部件是一个或者两个高速旋转的圆盘,圆盘两侧对称安装不同数量规格的铣刀和削壁刀。这种开沟机的开沟断面呈上口宽、沟底窄的倒梯形,沟深由圆盘直径决定,沟宽通过更换不同铣刀调节。1999年,江西省晚安县农机局根据南方农业经济作物的特点以及农户经济的承受能力,成功开发出了1KSH-15型圆盘式开沟机。该机工作部件装置于东风-12型手扶拖拉机配套的旋耕刀轴上,工作部件质量33kg,开沟深度为100~200mm,宽度为250±20mm可调。它具有所需动力小、碎土性能好、回土量低、沟深稳定性高等特点。由于沟深与沟宽的限制,并未大量推广。2001年,由张传忠等设计完成的KX-40双圆盘旋转式开沟机,与大中功率轮式拖拉机配套使用,具有机动性好、质量轻、开沟尺寸大、沟型规范、抛土均匀等优点。该机动力配置为30~40kW轮式拖拉机,开沟尺寸为500mm×400mm×400mm(沟面宽×沟底宽×沟深),圆盘左右各具有16把铣刀,刀盘线速度为11m/s。目前该机主要用于井场界沟的开挖和一些开阔场所的开沟作业,对于地形较为复杂且空间狭小的林地以及果园用处不大。2008年,新疆农科院农业机械化研究所研制成功了1KF-35型果园开沟深施肥机。该机主要用于果园开沟施肥、植树开沟,也可用于农田开沟及垄作物开沟施肥等。该机结构简单,质量为260kg,开沟尺寸为:深度300~500mm可调,宽度下口300mm,上口500mm,为倒梯形,动力配置为18.5~25.9kW的轮式拖拉机。之后,他们又对该机进行了改进,研制出1K-40型偏置式果园开沟机,1K-40去掉了施肥装置,降低了整机的高度和减轻了质量。上述两种机型能较好的解决新疆以及北方平原地区部分果园的开沟施肥作业,但是在南方大多数果园它还是显得过于庞大。1.2.3开沟机加速工况链式开沟机是一种慢速旋转式开沟机,一般适于开窄而深的沟渠。由于链刀式开沟机切削土壤深度大,比阻大,所以开沟的阻力大,消耗功也大,拖拉机在正常工作速度下无法工作,需配有超低速拖拉机或加有超低速变速装置的拖拉机才能作业。链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,再用横向螺旋输送器将土运至沟的一侧或者两侧。1992年,谢金泉对链齿式开沟机工作部件的进行了初步研究。指出,比功(即单位立方作业量的功耗)是开沟机设计的主要技术性能指标。根据果园开沟作业比功小于0.4kW·h/m3的作业要求,计算得出了切削进距3cm,作业倾斜角40°,链齿线速度0.356m/s时其比功较小的结论。1998年,杨有刚等人研制了一种适用于果园狭小作业空间的1KLQ-80型链式开沟机。该机配套动力为11kW,最大开沟深度和宽度为800mm和650mm,生产效率为125m/h。它与其它链式开沟机的区别是工作时其整机都将行走于沟中,避免了果园空间不足的问题。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、机器振动和自身重力的作用下可能引起较大的塌落。之后,为解决机器的稳定性问题。分析了开沟机的起步加速特性,讨论了主要设计参数对开沟机起步加速工况稳定性的作用和选择原则,取得较好效果。但是,由于我国果园土壤特性的差异较大,其机器本身也存在着开沟作业时土壤塌方问题。所以,该机并没有得到很好的推广。2002年,刘长荣等人为满足葡萄园开沟施肥的需要,改装出了与8.8kW手扶拖拉机配套的链式开沟机。该机结构简单、比较实用、所需动力小。开沟深度为400mm,宽度为400mm,效率为1km/h,并且在效果检测中表现良好。2009年,由新疆中收农牧机械公司开发的1KF-500果园开沟施肥机在阿克苏喀什等地进行试验,结果显示各项性能指标均达到设计要求。该机采用独立液压系统控制开沟深度的调节,配置动力要求30kW以上,整机质量为510kg,开沟深度为300~800mm,宽度为200~500mm。1.2.4开沟机的参数优化设计20世纪90年代后期,立式螺旋开沟机在国内开始被科研机构和厂家重视,并相继研发出了1KL系列和1KLZ系列开沟机。立式螺旋开沟机主要的工作部件是锥螺旋,工作时原动力通过减速装置和换向装置传到锥螺旋,通过它的旋转切削土壤而形成锥状沟形。立式螺旋开沟机的设计需要考虑多方面的因素,但是人为控制的参数只有3个,即机器前进速度、工作部件的转速和锥螺旋的螺旋角。对这3个参数进行优化设计是提高开沟机的生产效率,降低比功耗的有效途径。1KL-100螺旋开沟机由东北农业大学研发,主要用于草炭开采工艺中排水沟的挖掘,此外还可用于挖农田中的排水沟。整机配备动力为80.9kW,最大开沟深度达1m,所开沟形为倒梯形,最大上口宽度为1200mm,下口宽度为340mm。其所开沟的壁平整,沟内残土少,性能优良,基本满足草炭开采工作的要求。1KLZ-27型立式螺旋开沟机由昆山农业机械研究所研制。其结构简单新颖独特,在当时引起了很多农民的兴趣,试产的千余台机器在苏浙地区使用良好。并且满足其设定的连续切削、切削长度上切削角恒定不变、螺旋叶片“变导程”、叶片的几何形状满足土壤沿叶片轴向输送的要求。华南农业大学区颖刚等在1998年为研究在立式螺旋开沟器作用下土壤的破坏规律,确定开沟机工作部件作用于蔬菜地土壤的最佳工作方式,以及测试蔬菜地立式螺旋开沟机的受力及功率消耗情况,确定开沟机工作部件的最佳因素组合。通过对立式螺旋开沟器工作特点的分析,研制了一套试验装置,在土槽中进行了试验研究。2开沟机动力闲置1)目前开沟机普遍存在适应范围窄的问题,大部分开沟机的设计只考虑了一般工程的工作环境,对果园不太适合,特别是山地果园。2)很多开沟机,存在着动力闲置的缺陷。特别是小型开沟机,往往将动力源与工作部件焊接成整体。这样减少了安装的过程,但造成了开沟机动力的闲置。3)不少开沟机存在着功耗过大;开沟时易出现激烈振动、跑偏;刀具磨损快;偏置式开沟机自动偏摆等问题。4)果园开沟施肥需要有强劲的动力作保证,但果园狭窄的工作环境又限制了大动力开沟机具的工作。目前国内开沟机种类不少,但缺少能在南方丘陵山地,比如橘园、荔枝龙眼园、香蕉园等开施肥沟的机具。3开沟机刀具优化1)考虑果园环境对开沟机的要求,突破关键技术难题,增强开沟机的适应性。2)开发针对同一动力源的不同种类工作部件。如开沟器、中耕机、旋耕机和其它农机具可共用一台动力源。3)从理论入手,结合实际,重点研究以下方面:一是开沟原理