果園開溝機研究現(xiàn)狀與發(fā)展對策

我國地域遼闊，物種豐富。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國的位置。水果種植面積的不斷增加，以及我國農村勞動力大量向城市的轉移，使得我國的水果種植產業(yè)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)相關人員調查顯示，目前我國大部分果園處于無人管理的狀態(tài)，這種狀況已經造成我國水果單產不高、水果品質差等諸多問題。為保證我國水果產業(yè)又快又好的發(fā)展，必須加大對果園建設與管理的投入力度。
    果園開溝施肥是果園實現(xiàn)高產、穩(wěn)產的有力保證。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  國內外開溝機研究現(xiàn)狀
    1.1  國外開溝機發(fā)展概況
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，并形成系列產品【1】。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【2】。最小的開溝機功率僅有幾千瓦，最大的功率達到1100 kW、質量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；在較先進的挖溝機上，廣泛采用靜壓傳動、電子調平、自動功率控制等高新技術。目前，世界上主要的開溝機生產廠商均在美國，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。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國內開溝機發(fā)展概況
    早在20世紀50年代，我國農田水利建設就已經應用鏵式犁開溝。但對其它形式開溝機的研究開發(fā)起步較晚，大致上經歷了鏵式犁開溝機、圓盤式開溝機、立式螺旋開溝機和鏈式開溝機的發(fā)展歷程。早期，國內主要依靠引進國外產品，填補國內開溝機的空白。如1975年，我國農墾系統(tǒng)引進了意大利菲亞特公司FLAT系列旋轉圓盤挖溝機用于工農業(yè)建設；上世紀80年代中期，國家引進少量挖溝機主要用于農業(yè)暗管排水工程，但由于技術性能和經濟性等原因，這些開溝機幾年后被逐漸淘汰。目前，國內開溝機主要有鏵式犁開溝機、旋轉式開溝機兩大類。其中以旋轉式開溝機應用較為廣泛，產品較多。
    1.2.1鏵式犁開溝機
    鏵式犁開溝機因其結構簡單、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田建設中。但是由于存在結構笨重、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�，F(xiàn)在部分發(fā)達國家已經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開溝的轉變。
    1.2.2銑刀盤開溝機
    銑刀盤開溝機屬于快速旋轉開溝機。因其具有牽引阻力小、適應性強、作業(yè)質量好等優(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的圓盤，圓盤兩側對稱安裝不同數(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，溝深由圓盤直徑決定，溝寬通過更換不同銑刀調節(jié)。
    1999年，江西省晚安縣農機局根據(jù)南方農業(yè)經濟作物的特點以及農戶經濟的承受能力，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-12型手扶拖拉機配套的旋耕刀軸上，工作部件質量33 kg，開溝深度為100-200 mm，寬度為250±20 mm可調。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，由張傳忠等設計完成的KX-40雙圓盤旋轉式開溝機，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—40 kW輪式拖拉機，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)，對于地形較為復雜且空間狹小的林地以及果園用處不大。2008年，新疆農科院農業(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，也可用于農田開溝及壟作物開溝施肥等。該機結構簡單，質量為260 kg，開溝尺寸為：深度300—500 mm可調，寬度下口300 mm，上口500 mm，為倒梯形，動力配置為18.5 - 25.9 kW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量IS.91。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鏈式開溝機
  鏈式開溝機是一種慢速旋轉式開溝機，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)。鏈式開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或者兩側。
    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）是開溝機設計的主要技術性能指標。根據(jù)果園開溝作業(yè)比功小于0.4 kW'lVm3的作業(yè)要求，計算得出了切削進距3 em，作業(yè)傾斜角400，鏈齒線速度0.356 m/s時其比功較小的結論。
    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型鏈式開溝機。該機配套動力為11 kW，最大開溝深度和寬度為800 mm和650 mm，生產效率為125 m/h。它與其它鏈式開溝機的區(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8.8 kW手扶拖拉機配套的鏈式開溝機。該機結構簡單、比較實用、所需動力小。開溝深度為400 mm，寬度為400 mm，效率為1km/h，并且在效果檢測中表現(xiàn)良好【9，10】。
    2009年，由新疆中收農牧機械公司開發(fā)的1KF-500果園開溝施肥機在阿克蘇喀什等地進行試驗，結果顯示各項性能指標均達到設計要求。該機采用獨立液壓系統(tǒng)控制開溝深度的調節(jié)，配置動力要求30 kW以上，整機質量為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
    20世紀90年代后期，立式螺旋開溝機在國內開始被科研機構和廠家重視，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，通過它的旋轉切削土壤而形成錐狀溝形。立式螺旋開溝機的設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、工作部件的轉速和錐螺旋的螺旋角。對這3個參數(shù)進行優(yōu)化設計是提高開溝機的生產效率，降低比功耗的有效途徑。
    1KL-I00螺旋開溝機由東北農業(yè)大學研發(fā)，主要用于草炭開采工藝中排水溝的挖掘，此外還可用于挖農田中的排水溝。整機配備動力為80.9 kW，最大開溝深度達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業(yè)機械研究所研制。其結構簡單新穎獨特，在當時引起了很多農民的興趣，試產的千余臺機器在蘇浙地區(qū)使用良好。并且滿足其設定的連續(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】。
    華南農業(yè)大學區(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存在的問題
    1)目前開溝機普遍存在適應范圍窄的問題，大部分開溝機的設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發(fā)展對策
    1)考慮果園環(huán)境對開溝機的要求，突破關鍵技術難題，增強開溝機的適應性。
    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、旋耕機和其它農機具可共用一臺動力源。
    3)從理論人手，結合實際，重點研究以下方面：一是開溝原理及開溝刀具受力分析，以不斷改進設計，優(yōu)化刀具，使開溝機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，然后做相應的調整，設計對稱結構，以消除振動、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；四是針對不同形式的開溝機，設置不同原理的偏擺裝置，可采用位置移動。