果园施肥开沟机的发展现状和趋势

邵书山，王晓燕，程俊男，马念杰，张 波，张东旭，张学敏

(中国农业大学 工学院，北京 100083)

0 引言

目前，我国的水果种植面积和水果产量均居世界首位，近十几年来我国的水果产量在逐年增加：2014年水果产量为26 142.2万t，2015年的产量为27 381.8万t,2016年的产量为28 319.0万t。随着我国水果产业的快速发展，果农对果园机械的需求也迅速提高[1-4]。果园施肥是果树生长过程中不可或缺的环节，施肥质量的好坏直接决定着水果的产量和品质,但市场上却缺少可靠高效的开沟施肥机械。国内大部分果园还是依靠传统的人工施肥，作业强度大，生产效率低，严重地阻碍了我国水果产业的发展[5-6]。因此，使用果园施肥开沟机械来代替人工就显得十分迫切。

1 国外果园施肥开沟机的研究现状

果园施肥开沟机的发展很大程度上依赖于开沟机的发展。开沟机是一种专用于挖掘沟渠的工程机械，在农业、工程等领域都有广泛的应用。用于果园施肥的开沟机械主要有4种类型：犁式开沟机、链式开沟机、圆盘铣刀式开沟机和螺旋钻式开沟机。这4种开沟模式在国内外的果园施肥开沟机上都有应用[7]。由于国内外的果园种植标准和规模的不同，主要研究和应用的开沟方式也有所不同。国外果园开沟机的研究起步较早，20世纪70年代末，在美国、法国、意大利、日本等发达国家就兴起了开沟机研制的热潮[8]；但经过长时间的发展现在已形成以链式开沟机、圆盘铣刀式开沟机和螺旋式开沟机为主，其他类型为辅的发展模式。从近几十年的发展情况来看，国外开沟机具正在向着专业化、系列化、标准化和多样化[9]的方向发展。

1.1 美国研制的开沟机

美国在开沟机的研究生产方面一直处于世界领先位置，生产的开沟机在其他国家都有应用。例如，美国凯斯公司生产的CASE860型链式开沟机[10]，如图1所示。

图1 Case860链式开沟机

这种开沟机的主要特点是采用了CAT发动机，在传动系统中使用了无极变速。为了满足开沟深度的要求，在该机的设计时，采用低速大扭的方式，既延长了链上切割刀片的寿命，又使得开沟机的生产力得到很大的提高。这种链式开沟机一般通过三点悬挂装置悬挂拖拉机的后方，在进行开沟作业时，拖拉机驾驶员通过液压操纵手柄可以控制开沟机的开沟深度，拖拉机带动开沟机具前进；动力由拖拉机输出后，经过动力传动系统变速之后，通过链条将动力传到主轴，开沟链在动力的作用下快速旋转，链上的切割刀片切削土壤，被切割下来的土壤被传送到螺旋排土器，并被推送到所开沟的两侧，达到开沟的目的。该种开沟机结构简单，作业效率高，稳定性强。

美国Trencor公司生产的1660HD型链式开沟机，如图2所示。该开沟机是目前世界上最大的链式开沟机，配备了卡特彼勒发动机，发动机功率可以达到559kW，开沟链在工作时通过机械传动驱动，传动系统采用了卡特彼勒差速驱动的滚子[11]，能够开出深度达2.4～7.5m、宽度达35～152cm的沟，可以完成大规模的土壤挖掘作业，作业效率高，机器寿命长；但由于机身过大，维修不方便。

图2 1660HD型链式开沟机

美国研制的三钻头挖坑机，作业时可以同时挖掘3个施肥坑，能够根据果树的大小和株距的不同来调节3个钻头之间的距离和挖坑深度，工作效率较高[12]。 美国研发生产的MDL-5B型挖坑机，如图3所示。其发动机为4.1kW的BS Intek Pro 0HV，采用了人-机工程学原理。工作时，使用液压系统驱动螺旋钻头旋转，操作者和发动机分离，使两者保持较远的距离，大大减轻了发动机的噪声对工作人员的影响。

1.2 欧洲各国研制的开沟机

欧洲研制开沟机的国家主要有法国、俄罗斯、意大利等国家。法国马莱公司生产的SM500C型链式开沟机[13]，被广泛应用于农业工程领域和城市的道路建设中，工作效率高，一天可完成2 000～3 000m的开沟作业，且能够在低噪音下实现正挖和侧挖作业，没有扬尘、作业效率高、对路面的破坏作用很小。由于SM500C型链式开沟机的开沟宽度较小，能够最大限度地减小土壤对机身的阻力。俄罗斯研制的aTy-161型悬挂式开沟机[14]，配备36.8kW的发动机，为开沟作业提供足够的动力，能够开出深1 600mm、宽200～400mm的沟，广泛应用在工程开沟作业中。

图3 MDL-5B型挖坑机

意大利生产的DMR-65单圆盘旋转开沟机，使用菲亚特-100拖拉机作为动力输出，能够开出深度为1.05m的梯形沟。其特点是将圆盘安装在主轴的一侧，圆盘上安装有3把切割土壤的刀片，并排列成“Ⅰ”型，使得开出的沟壁十分平整。这种圆盘铣刀式开沟机因其开沟阻力小、作业效率高、尺寸小及容易和施肥机构配合等特点被大量使用在果园施肥开沟工作中。该种机型的开沟机构主要由主轴、安装在主轴上的开沟圆盘、开沟刀片和整形刀等组成。拖拉机通过动力传递系统将动力传至主轴使其转动，带动主轴上圆盘及开沟刀片旋转并切削土壤，切下来的土壤被翻转、破碎、抛掷到沟的两侧，整形刀片对开的沟整形，使得沟壁光洁平整。

1.3 日本研制的开沟机

日本作为亚洲的发达国家,其农业机械化水平相对较高，在果园机械领域也处于亚洲的领先地位。但日本也是典型的人多地少的国家，其农业生产也主要是以小规模地块种植，所以日本所研发的果园施肥机主要以小型化为主。最早出现的是由日本研制的自走式挖坑机，该机以柴油机为动力，可在坡度高达65°的陡地上作业，并能始终保持驾驶室的水平状态，能够有效改善驾驶员的驾驶舒适性。此外，这种开沟机适合于各种地形地块的作业，通用性较强，作业效率高，得到了农民的认可。日本研制的MT-900链式开沟机，如图4所示。这种开沟机适用于农业工程和建筑工程等的开沟作业，以履带大拖拉机为动力，可适合于各种地形的开沟作业，具有操作简单方便及作业效率高等优点[15-18]。

由于缺少Al的数据，在使用多矿物平衡温标时，无法对部分长石类矿物进行模拟(图5)，从而影响本文研究结果的可靠性。故本文采用FixAl法，通过选取钙长石的平衡，以减轻水化学数据中Al数据缺失带来的影响，同时考虑CO2溢出的情况，重建研究区热水的平衡状态。

图4 日本MT-900型链式开沟机

2 国内施肥开沟机的研究现状

国内的施肥开沟机械的研究起步较晚，早期的应用主要以引进为主，在国外研究的基础上改进，使其适合于我国果园生产作业。随着我国水果产业迅速发展，国内的一些专家学者对果园施肥开沟机进行了大量研究，研制出了很多种类的果园施肥机械，基本都能满足开沟、施肥、覆土的一次性作业的要求。以下重点简述几种我国主要的开沟施肥机。

2013年，由新疆农业大学张洪、张学军等人研制的密植果园挖穴施肥机，其结构如图5所示。该机主要构成部分有挖穴装置、施肥装置、升降装置、行走系统和电路控制系统。其中，挖穴装置是该机最主要的工作部件，它是由挖穴电机和挖穴钻头组成的。该机的控制系统集成在操作控制台上，在施肥开沟机工作时，按下控制台上的启动按钮，蓄电池开始驱动行走电机工作，机具向前行走至工作地点；然后，按下挖穴控制按钮，挖穴电机转动并带动挖穴钻头旋转，松开制动油泵手柄，挖穴钻头向地面运动开始挖穴，挖出的土壤沿钻头螺旋面向上运动，最终被抛在所挖穴的周围；当钻头挖到预定深度时，按下挖穴停止按钮，挖穴电机停止工作，同时按下升降按钮，升降电机转动，钢丝绳被缠绕在绕线轮上，挖穴电机和钻头在钢丝绳的拉力下向上运动；在钻头的提升过程中，连接在电机底座上的拉绳被拉动，装载肥料的肥料袋被拉开，肥料顺着排肥斗，在重力作用下被施入所挖的穴中；当被提升至合适的高度时，关闭升降开关，升降电机停止转动，拉上制动手柄油泵，防止在挖穴电机的重力作用下向下运动。随后，启动行走电机，机具向前行走，V型覆土板将所挖穴周围的土壤推入穴中完成覆土。通过上述作业流程，该机可以一次性完成挖穴、施肥和覆土等作业[19]，且作业过程操作简单方便，能有效取代果农的人工劳动，降低了水果生产的人力成本，为果农带来了更多的经济效益。

1.油管 2.碟刹下油泵 3.绕线轮 4.绕线轴 5.升降电机 6.支撑架 7.钢丝绳 8.挖穴电机 9.电机底板 10.平行四杆机构 11.废料箱 12.挖穴钻头 13.排肥斗 14.V型覆土板 15.主动轮 16.机架 17.蓄电池箱 18.从动轮 19.碟刹上油泵 20.控制台

2011年，由山东农业大学和高密市益丰机械有限公司联合研制的3ZF-1.2型可调式葡萄振动深施机，很好地解决了葡萄园施肥困难的问题。该机主要由机架、动力传动装置、偏心振动装置、开沟装置，以及施肥装置组成，如图6所示。

图6 3ZF—1.2型可调式葡萄振动深施机

在开沟施肥作业中，动力由拖拉机输出后，经变速箱将动力传送到偏心振动装置，连杆在偏心装置的带动下做垂直运动，振动臂在连杆的带动下发生摆动；由于开沟铲固定在振动臂上，故其会随着振动臂做周期振动，在拖拉机的牵引下边前进边振动，完成开沟作业。同时，地轮的行走会给施肥装置提供动力，通过链条带动排肥轴转动，从而外槽轮排肥器完成排肥，肥料通过输肥管落入沟内，之后被土壤覆盖。该机创新性地设计了一种偏心振动装置，在施肥过程中施肥机械的开沟装置通过振动的方式破土，使得工作阻力大幅度降低。该机还能够一次性完成开沟、施肥、覆土等工作，大大提高了开沟施肥的效率，降低了果农的劳动强度，有效解决了人工施肥劳动强度大的问题，减轻了果农的负担及环境的污染，提高了葡萄的生产品质和质量[20-23]。

2016年，由山东农业大学的张平平等研制的果树土肥搅拌精量控制施肥机，如图7所示。该施肥机为后置的链式开沟机，主要由机架、动力传动系统、液压升降系统、开沟工作系统、土肥搅拌系统、覆土板、可控排肥系统及地轮等组成。

1.机架 2.变速箱 3.土壤滑槽 4.控制系统 5.肥箱托架 6.肥箱 7.开沟链 8.开沟刀 9.支撑主梁 10.地轮 11.覆土板 12.连接架 13.土肥搅拌筒 14.土壤收集器

在进行开沟施肥作业时，拖拉机带动机具前进。拖拉机输出地动力分为两部分：一部分动力通过链传动带动开沟链链轮和从动链轮旋转，从而达到连续开沟的效果；另一部分动力通过链传动传至土肥搅拌器，进行土肥搅拌工作。操作人员通过分配器控制液压缸中活塞的伸出量来控制开沟深度。控制系统接受到操作人员发出的不同作业模式信号后，控制系统通过控制步进电机的转速来控制排肥量，从而实现精准施肥。被排出的肥料在螺旋搅龙的推送下进入土壤收集箱，进而与土壤混合并被搅拌均匀，然后被搅龙送入沟中被覆土板覆土。该施肥开沟机一次性完成了开沟、定量施肥、土肥搅拌和覆土等一体化作业，具有较高的作业效率，降低了劳动强度和生产成本[24-26]。

2010年，由西北农林科技大学的王京风开发设计了一款微型果园链式开沟机，如图8所示。

1.柴油机 2.V带传动 3.遥控接受装置 4.变速箱 5.一级链传动 6.附加减速器 7.二级链传动 8.螺旋排土器 9.液压缸 10.工作链

该开沟机采用了由陕西东明农业科技公司生产的1YG-8.8型遥控微耕机的发动机，机身小巧、相对动力大、操作灵活，完全能满足国内果园生产空间狭小的特点。开沟机的机身高度仅有67cm，通过性能好；使用了遥控、人力两套操作系统，可以随机操作，也可以人机分离，显著降低了果农的劳动强度。此外，该开沟机采用履带行走装置，能够增加机具与地面的附着力，爬坡性能好，工作稳定性强，能防止机具在作业中发生倾倒事故。该开沟机在单纯行走时，通过直接联接配套拖拉机传动V带，在不工作时可以实现高速行走。在机具作业时，动力从柴油机输出后，通过带传动传递到附加减速器，减速后在链传动传下递到变速箱，动力从变速箱输出轴输出，机具在动力带动下行走，从而能够达到低速开沟作业的要求。一部分动力经过附加减速器的中间轴，并由链传动传递来带动开沟链的旋转开沟作业。通过安装在发动机上的遥控信号接收器来控制机具的转弯、行走、停车及液压油缸的伸缩调节，能够使开沟链刀在垂直方向上运动，实现开沟深度的控制。开沟链安装在机具后方，且向前倾斜一定的角度。作业时，在随着拖拉机向前行走的同时，绕链轮向反方向旋转，刀齿在动力的作用下切嵌土壤，切断土壤，被切断的土壤被开沟链向上输送，最后被输送上来的土壤在螺旋排土器的作用下被输送到所开沟的两侧，开出平整的沟，完成开沟作业[27-28]。

2016年，西北农林科技大学的魏子凯研制了一种山地果园挖坑施肥覆土机，集挖坑、施肥、覆土为一体，一次作业可同时完成挖坑、施肥、覆土等工序，能够挖出深度300～400mm、直径为300mm左右的坑。其主要组成部件有升降机构、挖坑覆土机构、施肥机构等，总体结构如图9所示。

1.挖坑产 2.支座 3.滑块 4.导轨 5.连杆 6.挖坑覆土液压缸 7.升降台 8.机架 9.升降液压缸 10.肥料箱 11.拉杆 12.量筒 13.联动式舌板 14.施肥管

该机的升降机构由升降液压缸、机架和升降台组成，在升降机构的作用下，挖坑覆土机构整体能够沿着机架上的导轨实现升降运动，即通过升降液压缸的控制，可以使挖坑覆土机构在未进行挖坑之前降低到合适的高度，以便完成后续的挖坑作业。挖坑铲向下达到合适的挖坑深度时，挖坑铲开始合拢，在挖坑铲完全合拢后，升降机构的液压缸动作，将带土的挖坑覆土机向上提升，完成升降动作。挖坑覆土机构由挖坑覆土液压缸、连杆、滑块、导轨、支座及挖坑铲等部件组成。在挖坑覆土液压缸的作用下，液压缸输出的力通过连杆作用在滑块上，滑块带动挖坑铲沿导轨一同做圆弧运动，从而实现挖坑覆土的功能。施肥机构是由废料箱、施肥液压缸、量筒、联动式舌板及施肥管组成，在挖坑、覆土等作业完成后，升降机构带动挖坑铲和挖出来的土壤一同提升到顶部位置，施肥液压缸开始工作，带动联动式舌板动作，量筒中的肥料在联动式舌板的作用下沿施肥管施入所挖的坑中，从而完成施肥作业。该机通过升降机构、挖坑覆土机构、施肥机构等3个主要工作机构，能够一次性完成挖坑、施肥、覆土等作业，作业效率高，能显著降低了果农的劳动强度。由于该机的结构尺寸小，被广泛用于空间狭小的山地果园的开沟施肥作业[29-31]。

3 果园施肥开沟机存在的问题

1)国内市场上的果园施肥开沟机大多采用整条沟施肥，不能满足精准施肥的要求，使得作业功耗大，肥料不能被根系充分吸收，肥料利用率不高，且肥料易被果树之间杂草等吸收，影响果树的生长。

2)多数施肥机不是采用偏置开沟，所开沟距果树根系较远，肥料利用率低。由于开沟的功耗大，在开沟时容易出现激烈震荡，发生跑偏、走直性差等问题。开沟刀磨损较快，更换困难。当土质比较松软时，会造成开沟不稳定，施肥质量差等问题。

3)大部分果园施肥开沟机的功能单一、通用性差，且智能化程度较低，一种施肥开沟机只能为一种果树开沟施肥，利用率低。

4)施肥机多数采用外槽排肥器，排肥量小，而且外槽轮排肥器只适合颗粒状肥料的施肥，对于农家肥和有机肥没有很好的排肥效果。外槽轮上易粘附肥料，造成堵塞，影响施肥质量。

4 果园施肥开沟机的发展趋势

1)随着果园农业的发展，果园种植朝着标准化和规模化方向发展，所以对于果园施肥开沟机的研制要注意与农艺相结合，应满足果园的农艺要求，提高施肥开沟技术的整体作业水平，加快果园机械化进程。

2)研制果园施肥开沟机时，要考虑到开沟、施肥、覆土等功能一体化的问题，充分提高农机具的利用率，提高经济效益。

3)在今后的研发中，要注重智能化的应用，使施肥开沟机向着一机多能的方向发展，在更换工作部件后又可用于其他的作业项目。

4)加强对开沟原理及排肥装置的研究，研发出更多的开沟、施肥的不同方式，以满足对不同的土壤和肥料开沟施肥的要求；加强对机械的优化设计，研制小型智能化的施肥开沟机，加强机具的机动性能，能在狭小的空间作业，适合各种地形。

5)考虑人机工程学设计，最大限度地减轻机具作业时对操作者的心理和生理的影响，能够使操作者舒适高效的工作。尽量减小噪声对操作者的影响，提高操作者的人身安全系数。

5 结语

近年来，果园机械发展迅速，出现了各种新型的果园施肥开沟机，大大提高了果园施肥开沟的作业效率及果园的产量，减轻了果农的劳动强度。然而，在果园施肥开沟机的研发和使用中，仍存在一些急需解决的问题，需要科研人员对不同的土壤状况、不同果树的施肥要求，研发出更好的开沟方法，改进、创新施肥技术，设计出操作简单、性价比高、智能化、精准施肥的开沟施肥机，促进果园施肥开沟机机械的发展，提高果园机械智能化的作业水平。