開溝機械在我國水果生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

開溝機械在我國水果生產(chǎn)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

中國面積大，種子豐富。單水果種植業(yè)方面,2008年全國水果栽培面積就達1073.43萬hm2。從1993年我國水果產(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)國的位置。水果種植面積的不斷增加,以及我國農(nóng)村勞動力大量向城市的轉(zhuǎn)移,使得我國的水果種植產(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)造成我國水果單產(chǎn)不高、水果品質(zhì)差等諸多問題。為保證我國水果產(chǎn)業(yè)又快又好的發(fā)展,必須加大對果園建設(shè)與管理的投入力度。果園開溝施肥是果園實現(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來完成,這樣不僅效率低,而且大大增加了勞動成本。因此,研究和探討果園施肥開溝機械的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢具有現(xiàn)實意義。1國內(nèi)外對開溝機的研究1.1主要開溝機生產(chǎn)設(shè)備國外開溝機的發(fā)展已有70余年的歷史,以美國、原蘇聯(lián)、英國、法國、意大利和日本等國家發(fā)展較快,并形成系列產(chǎn)品。如意大利的Malletti和Dondi開溝機系列、荷蘭的Ridder開溝機系列和日本的“利達”開溝機系列等。最小的開溝機功率僅有幾千瓦,最大的功率達到1100kW、質(zhì)量136t,可挖深1.8m、寬4.5m的溝。根據(jù)用戶的不同需求,可在挖溝機上配備多種工作裝置,如推土板、鑿孔器、反鏟、鋪纜器等;在較先進的挖溝機上,廣泛采用靜壓傳動、電子調(diào)平、自動功率控制等高新技術(shù)。目前,世界上主要的開溝機生產(chǎn)廠商均在美國,如GASE、CharlesMachineWorks、Burkeen、Vermeer、A.F.Trenchers、RWFIndustries、Maxon等※通訊作者:段潔利(1973-),女,山西人,副教授,研究方向為農(nóng)業(yè)機械。通信地址:510642廣州市天河區(qū)公司在業(yè)界均有很高的聲譽。國外開溝機正朝著專業(yè)化、大型化、節(jié)能化、智能化等方向發(fā)展。1.2主要開溝機的發(fā)展歷程早在20世紀50年代,我國農(nóng)田水利建設(shè)就已經(jīng)應(yīng)用鏵式犁開溝。但對其它形式開溝機的研究開發(fā)起步較晚,大致上經(jīng)歷了鏵式犁開溝機、圓盤式開溝機、立式螺旋開溝機和鏈?zhǔn)介_溝機的發(fā)展歷程。早期,國內(nèi)主要依靠引進國外產(chǎn)品,填補國內(nèi)開溝機的空白。如1975年,我國農(nóng)墾系統(tǒng)引進了意大利菲亞特公司FLAT系列旋轉(zhuǎn)圓盤挖溝機用于工農(nóng)業(yè)建設(shè);上世紀80年代中期,國家引進少量挖溝機主要用于農(nóng)業(yè)暗管排水工程,但由于技術(shù)性能和經(jīng)濟性等原因,這些開溝機幾年后被逐漸淘汰。目前,國內(nèi)開溝機主要有鏵式犁開溝機、旋轉(zhuǎn)式開溝機兩大類。其中以旋轉(zhuǎn)式開溝機應(yīng)用較為廣泛,產(chǎn)品較多。1.2.1農(nóng)田工程建設(shè)中的小口局鏵式犁開溝機因其結(jié)構(gòu)簡單、速度快、效率高、工作可靠等優(yōu)點,20世紀60年代就被引進用于農(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分散,開好的溝渠還需人工修理等缺點,大大限制了它的使用。現(xiàn)在部分發(fā)達國家已經(jīng)淘汰了鏵式犁開溝機,其他國家也正進行著由鏵式犁開溝向旋轉(zhuǎn)開溝的轉(zhuǎn)變。1.2.2工作部件裝置銑刀盤開溝機屬于快速旋轉(zhuǎn)開溝機。因其具有牽引阻力小、適應(yīng)性強、作業(yè)質(zhì)量好等優(yōu)點,所以使用廣泛。這類型開溝機的主要工作部件是一個或者兩個高速旋轉(zhuǎn)的圓盤,圓盤兩側(cè)對稱安裝不同數(shù)量規(guī)格的銑刀和削壁刀。這種開溝機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)機局根據(jù)南方農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物的特點以及農(nóng)戶經(jīng)濟的承受能力,成功開發(fā)出了1KSH-15型圓盤式開溝機。該機工作部件裝置于東風(fēng)-12型手扶拖拉機配套的旋耕刀軸上,工作部件質(zhì)量33kg,開溝深度為100~200mm,寬度為250±20mm可調(diào)。它具有所需動力小、碎土性能好、回土量低、溝深穩(wěn)定性高等特點。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)計完成的KX-40雙圓盤旋轉(zhuǎn)式開溝機,與大中功率輪式拖拉機配套使用,具有機動性好、質(zhì)量輕、開溝尺寸大、溝型規(guī)范、拋土均勻等優(yōu)點。該機動力配置為30~40kW輪式拖拉機,開溝尺寸為500mm×400mm×400mm(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11m/s。目前該機主要用于井場界溝的開挖和一些開闊場所的開溝作業(yè),對于地形較為復(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)機械化研究所研制成功了1KF-35型果園開溝深施肥機。該機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。該機結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量為260kg,開溝尺寸為:深度300~500mm可調(diào),寬度下口300mm,上口500mm,為倒梯形,動力配置為18.5~25.9kW的輪式拖拉機。之后,他們又對該機進行了改進,研制出1K-40型偏置式果園開溝機,1K-40去掉了施肥裝置,降低了整機的高度和減輕了質(zhì)量。上述兩種機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開溝機加速工況鏈?zhǔn)介_溝機是一種慢速旋轉(zhuǎn)式開溝機,一般適于開窄而深的溝渠。由于鏈刀式開溝機切削土壤深度大,比阻大,所以開溝的阻力大,消耗功也大,拖拉機在正常工作速度下無法工作,需配有超低速拖拉機或加有超低速變速裝置的拖拉機才能作業(yè)。鏈?zhǔn)介_溝機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至溝的一側(cè)或者兩側(cè)。1992年,謝金泉對鏈齒式開溝機工作部件的進行了初步研究。指出,比功(即單位立方作業(yè)量的功耗)是開溝機設(shè)計的主要技術(shù)性能指標(biāo)。根據(jù)果園開溝作業(yè)比功小于0.4kW·h/m3的作業(yè)要求,計算得出了切削進距3cm,作業(yè)傾斜角40°,鏈齒線速度0.356m/s時其比功較小的結(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。該機配套動力為11kW,最大開溝深度和寬度為800mm和650mm,生產(chǎn)效率為125m/h。它與其它鏈?zhǔn)介_溝機的區(qū)別是工作時其整機都將行走于溝中,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、機器振動和自身重力的作用下可能引起較大的塌落。之后,為解決機器的穩(wěn)定性問題。分析了開溝機的起步加速特性,討論了主要設(shè)計參數(shù)對開溝機起步加速工況穩(wěn)定性的作用和選擇原則,取得較好效果。但是,由于我國果園土壤特性的差異較大,其機器本身也存在著開溝作業(yè)時土壤塌方問題。所以,該機并沒有得到很好的推廣。2002年,劉長榮等人為滿足葡萄園開溝施肥的需要,改裝出了與8.8kW手扶拖拉機配套的鏈?zhǔn)介_溝機。該機結(jié)構(gòu)簡單、比較實用、所需動力小。開溝深度為400mm,寬度為400mm,效率為1km/h,并且在效果檢測中表現(xiàn)良好。2009年,由新疆中收農(nóng)牧機械公司開發(fā)的1KF-500果園開溝施肥機在阿克蘇喀什等地進行試驗,結(jié)果顯示各項性能指標(biāo)均達到設(shè)計要求。該機采用獨立液壓系統(tǒng)控制開溝深度的調(diào)節(jié),配置動力要求30kW以上,整機質(zhì)量為510kg,開溝深度為300~800mm,寬度為200~500mm。1.2.4開溝機的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計20世紀90年代后期,立式螺旋開溝機在國內(nèi)開始被科研機構(gòu)和廠家重視,并相繼研發(fā)出了1KL系列和1KLZ系列開溝機。立式螺旋開溝機主要的工作部件是錐螺旋,工作時原動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。立式螺旋開溝機的設(shè)計需要考慮多方面的因素,但是人為控制的參數(shù)只有3個,即機器前進速度、工作部件的轉(zhuǎn)速和錐螺旋的螺旋角。對這3個參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計是提高開溝機的生產(chǎn)效率,降低比功耗的有效途徑。1KL-100螺旋開溝機由東北農(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。整機配備動力為80.9kW,最大開溝深度達1m,所開溝形為倒梯形,最大上口寬度為1200mm,下口寬度為340mm。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型立式螺旋開溝機由昆山農(nóng)業(yè)機械研究所研制。其結(jié)構(gòu)簡單新穎獨特,在當(dāng)時引起了很多農(nóng)民的興趣,試產(chǎn)的千余臺機器在蘇浙地區(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。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,確定開溝機工作部件作用于蔬菜地土壤的最佳工作方式,以及測試蔬菜地立式螺旋開溝機的受力及功率消耗情況,確定開溝機工作部件的最佳因素組合。通過對立式螺旋開溝器工作特點的分析,研制了一套試驗裝置,在土槽中進行了試驗研究。2開溝機動力閑置1)目前開溝機普遍存在適應(yīng)范圍窄的問題,大部分開溝機的設(shè)計只考慮了一般工程的工作環(huán)境,對果園不太適合,特別是山地果園。2)很多開溝機,存在著動力閑置的缺陷。特別是小型開溝機,往往將動力源與工作部件焊接成整體。這樣減少了安裝的過程,但造成了開溝機動力的閑置。3)不少開溝機存在著功耗過大;開溝時易出現(xiàn)激烈振動、跑偏;刀具磨損快;偏置式開溝機自動偏擺等問題。4)果園開溝施肥需要有強勁的動力作保證,但果園狹窄的工作環(huán)境又限制了大動力開溝機具的工作。目前國內(nèi)開溝機種類不少,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具。3開溝機刀具優(yōu)化1)考慮果園環(huán)境對開溝機的要求,突破關(guān)鍵技術(shù)難題,增強開溝機的適應(yīng)性。2)開發(fā)針對同一動力源的不同種類工作部件。如開溝器、中耕機、旋耕機和其它農(nóng)機具可共用一臺動力源。3)從理論入手,結(jié)合實際,重點研究以下方面:一是開溝原理