奚小波，張瑞宏，單 翔，金亦富，張劍峰

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3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機的優(yōu)化設計與試驗

奚小波1,2，張瑞宏1※，單 翔1，金亦富1，張劍峰1

（1. 揚州大學機械工程學院，揚州 225127； 2. 揚州大學水利與能源動力工程學院，揚州 225127）

針對目前果園開溝施肥存在的易傷樹木根系、耕作能耗大、施肥不均等問題，該文研制了3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機，采用液力輔助氣鏟激振的鉆桿結(jié)構(gòu)，建立液力輔助氣鏟鉆土的力學模型及運動學方程，分析了鉆桿的土力學關(guān)系，優(yōu)化了鉆頭構(gòu)型參數(shù)，優(yōu)化后的鉆頭錐角60°、鉆桿圓柱半徑12.5 mm；設計了一種基于PLC控制的經(jīng)濟型多旋鈕式開關(guān)操控系統(tǒng)，實現(xiàn)了機具手動、自動控制作業(yè)，一鍵操作可完成鉆桿鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升四步操作；在SolidWorks軟件中建立了樣機模型，并完成了樣機的試制與田間試驗工作。樣機田間試驗結(jié)果表明，氣爆作用可在土體內(nèi)部產(chǎn)生裂隙并擴散，300 mm鉆深、0.8 MPa氣爆壓力下的土體最大裂隙寬約3～4 mm，裂隙擴展擾動半徑約400 mm；土壤在氣爆下發(fā)生擾動，擾動系數(shù)達50.11%；液肥在注肥機構(gòu)作用下可在深土層中無堵塞噴射，并均勻擴散；樣機操作簡便，運行穩(wěn)定，工作效率至少0.048 hm2/h，滿足果園施液肥農(nóng)藝要求，適用于果樹、園林、綠化地的施肥作業(yè)。

優(yōu)化；設計；農(nóng)業(yè)機械；氣爆松土；注肥；氣鏟激振；液力輔助；PLC

0 引 言

目前，果園種植業(yè)已成為中國農(nóng)業(yè)種植的重要組成部分，據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示[1]，2016年中國的果園種植面積已達1 536.71萬hm2，水果總產(chǎn)量為2.75億t。在果園種植管理過程中，施肥作業(yè)至關(guān)重要，將會直接影響果實的品質(zhì)及產(chǎn)量，且決定著果樹發(fā)育生長的態(tài)勢[2]?，F(xiàn)有果樹施肥機械中，開溝機械應用最為廣泛，開溝施肥一般是用開溝機械先在果園行距間開出一條寬30 cm、深30～50 cm溝槽，然后再進行人工施肥及覆土[3]。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，果樹開溝已歷經(jīng)了鏵式犁開溝[4]、鏈刀式開溝[5]、旋耕開溝[6]、圓盤開溝[7]、螺旋開溝[8]等多種開溝形式的變化。近年來，具有開溝、施肥聯(lián)合作業(yè)功能的機械得以研究與使用[9-12]。然而，開溝作業(yè)仍存在不足，表現(xiàn)為耕作阻力大、易傷樹木根系，且肥料集中施加在溝槽內(nèi)，擴散不均，不利于果樹根系均衡吸收。

另外，果園地因常年不翻耕，土壤較板結(jié)，不利于天然降水的貯存，致使土內(nèi)上下水氣熱得不到貫通，土壤毛細管破損，養(yǎng)分輸送能力下降，土壤生物及有機質(zhì)驟減，果樹根系生長受阻[13-14]。因此，果園土壤深松十分必要，雖然開溝作業(yè)也有松土效果，但開溝幅寬小，對土壤擾動程度低，深松效果不明顯。針對上述開溝施肥工藝的不足，國內(nèi)學者開始將氣爆作用引入深松施肥機械中，并做了相關(guān)研究工作。左勝甲[15]開展了氣壓深松特性研究，通過對耕地內(nèi)部連續(xù)注入高壓氣體，對耕地實現(xiàn)了氣壓深松作業(yè)。李霞等[16]研制了一種氣動深松施肥機，在深松鏟柄及鏟尖處添加通氣孔，作業(yè)時利用空壓機通入高壓氣，氣流直通犁底層，達到疏松土壤、改善土壤孔隙度的目的，并能擴大深松區(qū)域。鄭傳剛等[17]研制了一種果園深層土壤輸氧松土施肥機，該機型通過向深層土壤輸送高壓空氣，完成向深部土壤輸氧并松土，通過松土在土壤深層形成孔洞，供液態(tài)肥灌入，但該機型中的松土與施肥仍然是獨立操控作業(yè)，效率較低。竇傳峰[18]設計了一種果樹深層松土施肥機，將高氣壓松土與注肥結(jié)合，利用高壓氣流沖擊深層土壤，然后注液肥，但該機型仍為人工手持操作，自動化控制程度低，勞動負荷較大。

本文設計了一種果園氣爆松土注肥機，采用液力輔助氣鏟激振結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)快速鉆土及回升，采用PLC系統(tǒng)提高整機控制程度，減輕人工操作負擔，提高機具作業(yè)效率，對機具的松土注肥效果進行了試驗分析，并測試了機具的田間作業(yè)效率。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機主要由機架、空壓機、液壓站、液泵、電動推桿、液肥箱、儲氣罐、擺臂、氣鏟、液壓桿、鉆桿、懸掛架、動力輸入裝置等部件組成，圖1為機具在SolidWorks軟件中的三維模型結(jié)構(gòu)。該機具的型號含義參照文獻[19]：3—田間管理和植保機械代碼，SF—施肥，BQ—爆氣，500—最大施肥深度（mm）。機具通過懸掛架與拖拉機配套連接，整機動力由拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向節(jié)傳遞與機具的動力輸入裝置連接；動力輸入裝置通過皮帶連接空壓機，驅(qū)動空壓機工作，供氣鏟鉆土及氣爆松土使用；電動推桿由拖拉機電源驅(qū)動，并與擺臂連接構(gòu)成擺桿機構(gòu)，可無級快速調(diào)節(jié)施肥位置；擺臂上固連液壓缸，液壓活塞桿外端安有氣鏟，氣鏟下端固接鉆桿，通過氣鏟激振并在液力輔助下實現(xiàn)鉆桿的鉆土及回升；施肥箱置于機架的后上端，由液泵完成液肥的注射，液泵通過皮帶與機具動力輸入裝置連接。另外，機具中還包含空氣、液肥管路，整機控制由PLC控制系統(tǒng)完成。

1.空壓機 2.液壓站 3.液泵 4.機架 5.電動推桿 6.液肥箱 7.氣鏟 8.液壓桿 9.鉆桿 10.動力輸入裝置 11.懸掛架 12.擺臂 13.儲氣罐

1.2 氣液管路布置

圖2為3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機的氣液管路布置圖，機具左右兩側(cè)各有一個可獨立控制的氣爆松土注肥機構(gòu)，機具中的氣液管路由PLC控制電磁閥實現(xiàn)通斷，2個松土注肥機構(gòu)可單獨作業(yè)亦可同步作業(yè)。

氣路控制將儲氣罐中的高壓氣體經(jīng)五通管分至左右兩側(cè)氣鏟與鉆桿。電磁閥LV4、RV4分別安置在左、右氣鏟的氣路上，機具需氣鏟激振鉆土時，電磁閥開啟，高壓氣注入，驅(qū)動氣鏟工作。電磁閥LV5、RV5分別安置在左、右鉆桿的氣路上，機具需要氣爆松土時，電磁閥開啟，高壓氣注入，完成松土。另外，鉆桿回升時，在鉆桿中通入氣流，可減小回升阻力。在鉆桿與電磁閥間的氣路上設有單向閥，以防止液肥進入氣管，起保護氣路作用。

液路控制將液箱內(nèi)的液肥通過液泵增壓進行注射，液肥經(jīng)四通管分至3個電磁閥管路，并在電磁閥的控制下實現(xiàn)液肥在箱內(nèi)的循環(huán)及在土體中的注射。為防止粘度、濃度較大的液肥沉積造成液路堵塞，機具不注肥時，電磁閥V7開啟，電磁閥LV6、RV6閉合，液肥通過液泵在箱內(nèi)循環(huán)，且箱內(nèi)設有攪拌裝置，可將液肥充分攪勻。機具注肥時，電磁閥V7閉合，電磁閥LV6、RV6開啟。

1.左氣鏟 2.右氣鏟 3.電磁閥LV4 4.電磁閥RV4 5.電磁閥LV5 6.電磁閥RV5 7.五通管 8.儲氣罐 9.空壓機 10.液肥箱 11.液泵 12.電磁閥LV6 13.四通管 14.電磁閥RV6 15.電磁閥V7 16.左鉆桿 17.右鉆桿 18.單向閥1 19.單向閥2

1.3 工作原理及技術(shù)參數(shù)

3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機工作時，首先啟動空壓機制得高壓氣，然后開啟電動推桿將擺臂調(diào)至合適的施肥位置，接著開啟氣鏟激振并在液力輔助下鉆土（圖3a）；當鉆桿達到施肥深度時進行氣爆松土，并在土體內(nèi)形成裂隙（圖3b），裂隙可為液肥注射提供空間，并能促進土壤內(nèi)部空氣流動，利于根系生長；松土完畢后進行注液肥，液肥在液泵作用下均勻彌散于土壤裂隙中（圖3c）；注肥完成后，先通入稍許氣流以減小鉆桿與濕土體間的粘阻力，然后液壓桿伸張使鉆桿回升（圖3d）。

圖3 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機工作過程示意圖

針對目前果園低矮種植的農(nóng)藝技術(shù)特點，設計確定的氣爆松土注肥機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機主要技術(shù)參數(shù)

2 松土注肥機構(gòu)設計

2.1 松土注肥機構(gòu)組成及鉆土力學分析

圖4為松土注肥機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由擺臂、單活桿塞液壓缸、氣鏟、鉆桿等組成。液壓缸固接在擺臂架上，氣鏟下端固接鉆桿，氣鏟鉆桿結(jié)構(gòu)通過支架與活塞桿頂端固接，鉆桿通過氣鏟激振及在液壓力的輔助下完成鉆土及回升。機構(gòu)設計的最大鉆土深度為500 mm，可滿足絕大多數(shù)果樹對施肥深度的要求。

圖4 松土注肥機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

松土注肥機構(gòu)鉆土的受力情況如圖5所示，其在系統(tǒng)外力（氣鏟激振力與液壓桿助力）作用下克服土壤阻力鉆土，所受土壤阻力包含2個部分，一是鉆頭錐面因土壤擠壓形成的阻力，二是鉆桿柱面因土壤擠壓形成的阻力。

在距土面下深處的鉆桿柱面上取微單元d，則該微單元的表面積d為

據(jù)朗金土壓力理論[20]，微單元d所受的正壓力dp可表示為

式中0為靜止土壓力系數(shù)；為土壤重度，kN/m3。

注：pu為作用在鉆頭錐面的正壓力，kPa；Fμ為作用在鉆頭錐面的摩擦力，kN；ps為作用在鉆桿柱面的正壓力，kPa；Fs為作用在鉆桿柱面的摩擦力，kN；P為作用在鉆桿上的總外力，kN；2α為鉆頭錐角，(°)；R為鉆桿圓柱半徑，mm；h為鉆土深度，mm；z為土面以下深度，mm。

則微單元s所受摩擦力的dF可表示為

式中為鉆頭與土壤的相對滑動摩擦系數(shù)。

所以鉆桿柱面所受土壤摩擦力F可表示為

對于鉆頭錐面而言，其所受的土壤摩擦力F可表示為

對于鉆頭錐面所受的正壓力p，其求解計算方法可參照文獻[21]，經(jīng)計算，其可表示為

為使氣爆松土注肥機可以克服所有阻力鉆土，系統(tǒng)外力需滿足以下條件

2.2 鉆頭構(gòu)形參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)松土注肥機構(gòu)鉆土力學分析結(jié)果可知，鉆桿所需的系統(tǒng)外力與鉆頭構(gòu)型參數(shù)及鉆深相關(guān)，特別是鉆桿圓柱半徑及鉆頭錐角2，為此需對鉆頭構(gòu)型參數(shù)進行優(yōu)化。根據(jù)實際情況，對涉及的鉆桿及土壤參數(shù)進行擬定（表2）[22-23]。

將表1中的參數(shù)代入公式（7）后整理得

表2 鉆桿及土壤參數(shù)

2.3 液力輔助氣鏟鉆土動力學分析

根據(jù)機具工作原理，鉆桿運動為單自由度系統(tǒng)的非線性受迫振動，建立液力輔助氣鏟鉆土動力學模型如圖6所示。

圖6 液力輔助氣鏟鉆土動力學模型

由達朗貝爾原理，系統(tǒng)在垂直方向的運動微分方程可表示為[24]

因此在有氣鏟的鉆桿系統(tǒng)在垂直方向的運動微分方程可簡化為

氣鏟對鉆桿的作用力0，實為氣鏟后氣室壓力P作用在鉆桿端面的力。韓幫軍等[25]采用準穩(wěn)態(tài)方法利用MATLAB對氣鏟氣室壓力作了研究，這里對其結(jié)論進行簡化處理利用，則0可表示為

式中Pmax為氣鏟后氣室峰值壓力，為1.14倍的氣鏟工作進氣壓力，MPa；Pmin為氣鏟后氣室谷值壓力，為1個標準大氣壓力，MPa；為氣鏟沖擊頻率，Hz。

記1=(Pmax+Pmin)/2、2=(Pmax-Pmin)/2，則微分方程（11）可改寫成

求得微分方程（13）的解為

由標準JB/T 8412-2016[26]可知，氣鏟的標準驗收氣壓為0.63 MPa，則Pmax為0.72 MPa，1個標準大氣壓為0.10 MPa，則1為0.41 MPa、2為0.31 MPa。鉆桿總質(zhì)量2約2.43 kg。依據(jù)標準中各型氣鏟技術(shù)參數(shù)，求得各型氣鏟的鉆桿系統(tǒng)在液力輔助下的沖擊行程如表3所示。由表3可知，C7型氣鏟的沖擊行程為100.04 mm，顯著大于其他型氣鏟，且其沖擊頻率低，運動穩(wěn)定；同時C7型氣鏟沖擊能也最大，利于深層鉆土。故選取C7型氣鏟作為鉆桿激振器。另外，氣鏟的使用對松土注肥機構(gòu)也有保護作用，作業(yè)中遇及小的磚石，氣鏟可將其沖擊碎，若遇及大磚石，氣鏟的減震彈簧可緩解沖擊力，操作者發(fā)現(xiàn)鉆桿難以下鉆時，可重新更換作業(yè)位置。

表3 松土注肥機構(gòu)的氣鏟類型及其對應的沖擊行程

該松土注肥機構(gòu)通過鉆桿擠壓土層深鉆，在土體中氣爆松土并注肥，該工藝與傳統(tǒng)開溝、深松、施肥、覆土工藝相比，具有耕作阻力小、作業(yè)能耗小、施肥均勻、不破壞土層結(jié)構(gòu)、不傷樹木根系等優(yōu)勢。

3 PLC控制系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)組成

PLC控制系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要是電磁閥、電動推桿、控制器等。考慮到農(nóng)業(yè)機械的經(jīng)濟性，為降低機具生產(chǎn)成本，系統(tǒng)控制操作終端采用旋鈕式控制終端。根據(jù)機具工作原理，PLC控制器選用14輸入/10輸出的西門子CPU224（6ES7 214-1BD2323-0XB0），再配合使用4輸入/4輸出西門子EM223（6ES7 223-1BF22-0XA0）擴展模塊，以滿足18輸入/13輸出的接線需要。電磁閥選用2W-15DC型，額定電壓12 V，最大壓力1.0 MPa，可滿足氣液通斷的控制要求。為實現(xiàn)左右擺臂伸張與縮回的往復動作，電動推桿行程300 mm，最大推力400 N，系統(tǒng)選用迅馳CNXCI XC800A型電動推桿，其參數(shù)為：額定電壓DC 12 V，最大行程300 mm，額定速度48 mm/s，額定扭矩2 N·m，額定轉(zhuǎn)速100 r/min，額定功率60 W，最大推力400 N。系統(tǒng)硬件配置如表4所示。

表4 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機控制系統(tǒng)硬件配置

PLC控制器接線如圖7a所示，為多旋鈕開關(guān)控制設計，為方便用戶使用及樣機試驗調(diào)試，該控制系統(tǒng)設置了手動與自動控制方式自由切換功能。手動方式下，需用戶根據(jù)實際作業(yè)流程自行調(diào)整功能部件的工作狀態(tài)，該方式可方便用戶及時調(diào)整方案；自動方式下，用戶可根據(jù)實際作業(yè)需要進行左右擺臂的一鍵式自動化作業(yè)，一鍵操作完成鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升四步操作，簡單快捷。系統(tǒng)控制柜面板如圖7b所示。

3.2 控制程序設計

在西門子STEP 7 Micro-WIN操作平臺上進行PLC程序開發(fā)，采用梯形圖編程語言，系統(tǒng)控制程序流程如圖8所示。該控制系統(tǒng)的主要功能是對氣液管路及液壓油路上的電磁閥進行開閉控制，從而實現(xiàn)對氣路、液路中流體的通斷控制，以及液壓桿伸縮運動的控制，并按照機具工作原理中的作業(yè)流程執(zhí)行，從而完成氣爆松土液肥注射作業(yè)任務。

圖8 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機控制程序流程圖

4 田間試驗

4.1 試驗過程

為適應氣爆松土注肥機在果園間行駛便捷，動力系統(tǒng)選用底盤低、寬度小的黃海金馬404D型園藝拖拉機，配套動力29.4 kW?？諌簷C選用羅翔W-1.0/8型，排氣量1 m3/min，滿載氣壓0.8 MPa，并在空壓機出氣口后裝220 mm×300 mm儲氣罐，單次松土通氣量為0.01 m3，爆氣氣壓0.4～0.8 MPa可調(diào)（低于0.4 MPa，土體幾乎無擾動）。液泵選用G25-2型單螺桿泵，額定轉(zhuǎn)速960 r/min，額定壓力1.2 MPa，額定流量2 m3/h（即0.56 L/s），允許顆粒直徑2 mm。試驗樣機如圖9所示。

圖9 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機試驗樣機

試驗在揚州市江都區(qū)七里鎮(zhèn)進行，試驗時間為2017年8月28日，試驗地為標準化種植梨園，行距4 m，株距3 m，最低枝杈高約1.4 m。試驗地土壤緊平均硬度4.35 MPa，土壤含水量13.5%，室外溫度32 ℃。根據(jù)當?shù)剞r(nóng)戶對梨園施肥作業(yè)要求，對其進行松土注肥作業(yè)，肥料采用有機顆粒肥料，粒徑0.8～1.5 mm，配水混合使用，肥水濃度350 g/L，注肥深度50 cm，單次注肥量1 L，單棵樹注肥2次，分2行注射。試驗對氣爆松土后的土體內(nèi)部變化、土壤擾動系數(shù)及土內(nèi)注肥效果進行了分析，并對機具的工作效率進行了測試。

4.2 試驗結(jié)果

試驗氣爆深度為300 mm，為直接觀察氣爆后土體內(nèi)部發(fā)生的變化情況，采用1 200 mm×1 000 mm×3 mm鋼性插板（圖10a）對土體進行橫截處理，并將鋼板一側(cè)土體剖除，露出土體截面形貌，如圖10b所示。氣爆后的土體內(nèi)部發(fā)生了裂隙，由于該梨園地長年不翻耕，土體較板結(jié)，氣爆后的土體最大裂隙寬度約3～4 mm。同時，裂隙從氣爆中心沿徑向向外擴展，裂隙擴展擾動半徑約400 mm；另外在縱向上，氣爆作用也使得土體向上抬升，說明氣爆后氣流會將從土表往外滲漏，從而起到對土體的擾動疏松作用，達到深松土壤的目的。

圖10 氣爆松土后土體的橫截處理及截面形貌

根據(jù)Murdoch L C等的土體氣力劈裂裂隙擴展模型（圖11a），氣爆土體裂隙擴展有如下方程關(guān)系[27]

式中()為距氣爆中心處的裂隙寬度，mm；為氣爆中心處的裂隙寬度，mm；R為裂隙半徑，400 mm；為氣爆壓力，0.8 MPa；為氣爆深度，300 mm；為土體彈性模量，緊砂土為80 MPa。

注：為氣爆中心處的裂隙寬度，mm；為裂隙擴展距氣爆中心的距離，mm；()為距氣爆中心處的裂隙寬度，mm；R為裂隙半徑，mm；為氣爆深度，mm。

Note:is the width of soil fracture at the gas explosion centre, mm；is the distance from the gas explosion center, mm;() is the width of soil fracture atdistance from the gas explosion center, mm;Ris the radius of soil fracture, mm;is the gas explosion depth, mm.

圖11 氣爆松土的裂隙擴展模型及土體擾動示意圖

Fig.11 Soil fracture extension model and soil perturbation diagram by gas explosion subsoiling

根據(jù)公式（15）求得氣爆中心處的理論裂隙寬度為3.6 mm，這與實際最大裂寬度相符。對于氣爆后土體擾動特性，可借鑒鏟式深松后的土壤擾動分析方法，采用土壤擾動系數(shù)表示[28]，則有

式中為深松前地表線與實際深松地底線間的土方，m3；為深松前地表線與理論深松地底線間的土方，m3。

根據(jù)Murdoch L C理論模型，高壓氣流在噴口中心使土體沿徑向劈裂，并向外輻射，形成以最大劈裂半徑R為半徑的球體擾動區(qū)（圖11b），因此公式（16）可寫成

將R=0.4 m，=0.3 m代入上式求得土壤擾動系數(shù)為50.11%。一般傳統(tǒng)鏟式深松作業(yè)后的土壤擾動系數(shù)約為45%[29]，因此采用氣爆松土工藝對土壤的擾動效果好，且不破壞土層結(jié)構(gòu)，對樹木根系傷害小，利于根系生長。

試驗在剖面注射孔向外平移10 cm繼續(xù)鉆孔深至500 mm并注肥（圖12），以觀測高壓作用下的液態(tài)有機肥在土體中的擴散情況，從圖中飛濺的液珠可以看出，在1.2 MPa的液力條件下，液肥在500 mm深土層中可從注射機構(gòu)中無堵塞地在土內(nèi)擴散，且擴散均勻，能滿足果園液肥注射的作業(yè)要求。

圖12 高壓注液肥效果

試驗在梨園地進行，機具在梨園行距中間行駛作業(yè)，根據(jù)樹根生長特點，松土注肥點位于行距內(nèi)兩樹連線上距離樹樁約1 m處，在完成一行距的作業(yè)后，機具轉(zhuǎn)至鄰行繼續(xù)作業(yè)，這樣每棵樹的松土施肥點為2個，以確保施肥的均勻性。機具作業(yè)時，左、右松土注肥機構(gòu)同時工作，記兩機構(gòu)同時完成鉆土、松土、注肥、回桿四步工序為一組試驗。經(jīng)統(tǒng)計，在施肥深度50 cm、單機構(gòu)注肥量1 L/次的情況下，機具完成30組試驗所需時間為30 min，其中，機具完成四步工序約50 s/次，拖拉機啟停約10 s/次。經(jīng)計算，上述條件下的機具工作效率為0.048 hm2/h。根據(jù)施肥工藝的不同，機具工作效率也不同，若單顆樹僅需一個施肥點或施肥深度小于50 cm，其工作效率將提高，所以本機具的作業(yè)效率至少0.048 hm2/h。

5 結(jié) 論

1）本文所設計的3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機，實現(xiàn)了果園松土、注肥聯(lián)合作業(yè)，滿足果園種植農(nóng)藝要求。改變傳統(tǒng)先開溝、后倒肥、再覆土的作業(yè)方式，機具松土、注肥一次作業(yè)，使果園常年不翻耕的板土得到深松，增加土壤透氣性，降低土層結(jié)構(gòu)破壞的程度，對樹木根系無傷害，注肥無堵塞，擴散均勻，利于果樹生長。

2）提出氣爆松土注肥的作業(yè)方式，采用液力輔助氣鏟激振的鉆桿結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)鉆桿的快速鉆土及回升。建立了液力輔助氣鏟鉆土的力學模型，優(yōu)化了鉆頭構(gòu)型參數(shù)及氣鏟選型，優(yōu)化后的鉆頭錐角為60°、鉆桿圓柱半徑為12.5 mm、氣鏟選用C7型。優(yōu)化結(jié)果為鉆土機構(gòu)的設計提供了參考。

3）機具采用基于PLC控制的多旋鈕開關(guān)操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了機具的手動、自動控制作業(yè)，一鍵操作可完成鉆桿鉆土、氣爆松土、液肥注射、鉆桿回升四步操作，簡單快捷，機具作業(yè)效率至少0.048 hm2/h。

4）氣爆作用在土體內(nèi)產(chǎn)生裂隙并擴散，300 mm鉆深、0.8 MPa氣爆壓力下的土體最大裂隙寬約3～4 mm，裂隙擴展擾動半徑約400 mm，土壤在氣爆下發(fā)生擾動，擾動系數(shù)達50.11%，優(yōu)于鏟式深松，深松效果顯著。

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Optimal design and experiment of 3SFBQ-500 type orchard gas explosion subsoiling and fertilizer injection machine

Xi Xiaobo1,2, Zhang Ruihong1※, Shan Xiang1, Jin Yifu1,Zhang Jianfeng1

(1.225127,; 2.,225127,)

At present in the orchard fertilization process, the most widely used method is ditching and fertilizing method. However, orchard ditching and fertilizing technology has a series of problems, such as easy damage to tree roots, high energy consumption and uneven fertilizing. Meanwhile, soil compaction frequently exists in orchard land due to no farming in long years, which is not beneficial for rainwater leakage and nutrient transport in soil, so there is a great need to develop a new kind of fertilization machine. In this context, a 3SFBQ-500 type gas explosion subsoiling and fertilizer injection machine was designed, which used high pressure gas to shock soil body and then injected fertilizer. The drill pipe mechanism with pneumatic chipping hammer excitation and hydraulic assistance was designed to drill the soil, and the maximum drilling depth reached 500 mm. The dynamical model and kinematical equation of soil drilling by pneumatic chipping hammer with hydraulic assistance were established, and force analysis of drill pipe during soil drilling process was performed. The drill bit structure parameters were optimized as taper angle of 60° and pipe radius of 12.5 mm. An economical multi-knob switch control system was made to improve the equipment automation degree and reduce the intensity of labor operations, which could make the machine operations controlled manually and automatically. The working processes of soil drilling, gas explosion subsoiling, liquid fertilizer injection and drill pipe rebound were completed in a key operation. Then the 3D (three-dimensional) model of the whole machine was established using SolidWorks software. On this foundation, the machine prototype was produced. Afterwards, field experiments were carried out, and the results showed that soil fractures were created by gas explosion. Under the condition of 0.8 MPa gas pressure and 300 mm drilling depth, the maximum breadth of fractures was about 3-4 mm, the extension disturbance radius of fractures about 400 mm. In addition, the soil perturbation happened after gas explosion, and the soil perturbation coefficient was 50.11%, which was calculated by gas-splitting soil fracture extension model of Murdoch L C. What was more, the liquid fertilizer was sprayed in deep soil with no stoppage and diffused uniformly in the role of high pressure pump. This new designed machine abandoned the traditional operation mode of first ditching, then fertilization, and then covering the soil, while adopted the new operation mode of gas explosion subsoiling and fertilizer injection. So the tree roots were not easily damaged and the fertilizer was evenly distributed, which was conducive to nutrient absorption of root in growth. The work efficiency was 0.048 hm2/h at least. What’s more, with simple operation and stable performance, the new designed machine can meet the agronomic requirements of orchard, garden and city greening fertilization.

optimization; design; agricultural machinery; gas explosion subsoiling; fertigation; pneumatic chipping hammer exciting; hydraulic boosting; PLC

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.005

S224

A

1002-6819(2017)-24-0035-09

2017-09-08

2017-11-01

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0700903），江蘇省農(nóng)機三新工程項目（NJ2017-11）

奚小波，男，江蘇大豐人，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機械設計與制造研究。Email：xxbctg@126.com

張瑞宏，男，江蘇江都人，教授，博導，主要從事農(nóng)業(yè)工程及裝備研究。Email：zhang-rh@163.com

奚小波，張瑞宏，單 翔，金亦富，張劍峰. 3SFBQ-500型果園氣爆松土注肥機的優(yōu)化設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(24)：35－43. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.005 http://www.tcsae.org

Xi Xiaobo, Zhang Ruihong, Shan Xiang, Jin Yifu, Zhang Jianfeng. Optimal design and experiment of 3SFBQ-500 type orchard gas explosion subsoiling and fertilizer injection machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 35－43. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.005 http://www.tcsae.org