引言
我國是水果生產大國，我國果園無論是面積還是產量均居世界第一;但果園種植、管理技術落后。
施肥作為果樹管理過程中至關重要的作業環節，對果品質量、產量以及果樹的生長起著至關重要的作用。
我國的果樹施肥機械化水平低，處于剛剛起步階段，有些地方果樹施肥還采用人工挖溝撒肥方式，工作繁重、效率低，化肥的腐蝕性對人體產生很大的傷害，浪費了大量的人力和物力。果樹高效標準生產技術要求在果樹周圍鉆孔 ，并精量施肥。目前使用的施肥機械只能完成機械鉆孔和人工輔助施肥，機械化程度低。因此，研制一款高效的果園施肥機械已刻不容緩。
王京風等研制了一款微型遙控果園開溝機，適合于我國傳統方式種植的果園開溝施肥;但采用條形孔的施肥方式，容易損傷甚至切斷果樹的根系，且需要人工輔助施肥，作業效率低。雷王利等研制了一款果園挖坑施肥機，由拖拉機提供動力，帶動帶有鏈刀的鏈條轉動，實現挖坑作業，并采用單片機控制步進電機驅動排肥器工作，實現定量施肥;但該施肥機械依舊采用條形施肥方式，肥料的利用率較低。韓大勇等研制了果樹挖坑定量施肥機，由汽油機作為動力，實施鉆孔作業，通過步進電機帶動施肥結構，借助于單片機控制施肥量;但其行走裝置及螺旋鉆的升降部分還需靠人工操作完成。
本文著眼于果園施肥機的挖坑、施肥、覆土一體化的設計要求，根據作業過程中鉆孔的直徑、深度及土壤的摩擦因數等參數設計出螺旋鉆和土壤收集器等;根據螺旋鉆的鉆孔阻力要求，設計出了機械傳動部分。
1 工作原理
本果園施肥機主要由齒輪箱總成、傳動軸總成、上下懸掛提升裝置、覆土裝置、排肥裝置、鉆孔裝置、鏈條、大小鏈輪和機架等部分組成，如圖 1 所示。其工作原理敘述如下:
1\\)利用拖拉機的液壓懸掛裝置將該施肥機械懸掛于拖拉機后方。
2\\) 拖拉機的動力由后動力輸出軸經過傳動軸總成傳遞至施肥機的齒輪箱。
3\\) 動力經過齒輪箱的減速、換向，作用于豎直方向和水平方向的兩傳動軸，分別帶動鉆孔裝置實施鉆孔;通過鏈傳動，帶動排肥裝置實施肥料的填加。
4\\)在螺旋鉆與土壤接觸開始鉆孔時，通過螺旋鉆的螺旋提升作用，將土壤提升至土壤收集器中與施肥裝置排下的肥料混合;在螺旋鉆鉆孔結束提升過程中，土壤收集器將土壤與肥料施于孔中，實現整機的鉆孔、施肥、覆土一體化作業的要求。
2 施肥機關鍵部件結構設計
2． 1 土壤收集器
土壤收集器由 3 部分組成，上下兩部分采用金屬材料，中間部分采用可伸縮的橡膠材料。由于其下半部分在螺旋鉆下降鉆孔的過程中與土壤直接接觸產生摩擦，故采用耐磨性能較好的 65Mn 鋼。在螺旋鉆對土壤進行鉆孔時，土壤收集器中間部分壓縮，通過螺旋鉆的螺旋提升作用，將土壤提升至收集器中，結構如圖 2 所示?！緢D1-2】
2． 2 螺旋鉆
1\\)螺旋刀片。其參數為:刀片:選用梯形刀片安裝角度/\\(°\\):安裝角以小于 45°為宜，本機選取30°;刀片厚度/ mm:8 ～10;刀刃厚度/ mm:0． 5 ～1． 0;刀片材料:65 SiMnＲe 鋼或 65 Mn 鋼刀片硬度:HＲC46 ～ HＲC602\\)螺旋鉆外徑。螺旋鉆外徑是根據施肥坑直徑確定的，螺旋鉆頭外徑應略大于施肥坑直徑，而且隨著土壤類型的不同而有所差異?？梢愿鶕旅娼涷灩酱_定，有【1】
其中，D 為螺旋鉆外徑;D0為施肥坑直徑，取0． 3m。將數據代入式\\(1\\)，得D =\\(0． 276 ～0． 294\\)m根據果園挖坑施肥機的作業要求，取 D =0． 28m。
3\\)螺旋鉆長度確定。一般鉆頭螺旋長度 H 應不小于坑深 H0，即 H≥H0;該施肥機械根據挖穴深度 H0= 0． 35m，故取 H = 0． 35m。
4\\) 鉆頭螺旋升角 α。有α ＜ 90° －\\(ρ1+ ρ2\\) \\(2\\)其中，ρ1為土壤與鋼的摩擦角，取 30°;ρ2為土壤之間的摩擦角，取 40°。
把上述數據代入式\\(2\\)，得α ＜ 90 －\\(30° + 40°\\)，即 α ＜ 20°根據國內挖坑用螺旋鉆的實驗要求，α =\\(15° ～22°\\)，該研究過程中取α為 16°。
5\\) 螺旋鉆導程 h。有h = πDtanα = 0． 24m最終設計的螺旋鉆結構如圖 3 所示。
2． 3 機械傳動部分設計本施肥機根據功能要求采用兩級齒輪傳動，傳動部分借助于 4 個直齒圓錐齒輪實現動力的傳遞，結構簡圖如圖 4 所示?！緢D4】
其中，Ⅰ軸為輸入軸，Ⅱ軸帶動螺旋鉆進行螺旋鉆孔，Ⅲ軸通過鏈傳動帶動施肥箱進行肥料的施加。
根據螺旋鉆傳遞需要的總轉矩，分別設計了高速級直齒圓錐齒輪轉動\\(齒輪 1、2\\)以及低速級直齒圓錐齒輪轉動\\(齒輪3、4\\)的結構參數，并進行了強度校核。
現將主要參數列舉如下:齒輪 1:z1= 21，d1= 126mm齒輪 2:z2= 73，d2= 126mm齒輪 1、2 傳動:模數 m1= 6，寬度 b1= 60mm齒輪 3:z3= 21，d3= 294mm齒輪 4:z4= 27，d4= 378mm齒輪 3、4 傳動:模數 m2= 14，寬度 b2= 72mm
2． 4 施肥裝置
2． 4． 1 施肥箱肥箱為整體焊接結構，采用單一排種口，材料選用厚度為 1mm 的鐵板，采用等腰梯形結構，幾乎沒有死角，使肥料的殘余量最少，并且利于肥料進入排肥輪中。
根據通用施肥裝置排肥箱的尺寸參數，并結合果園施肥機的設計要求，現將各尺寸確定如下:肥料箱上底的寬度 a1= 600mm;肥料箱下底的寬度 b1= 400mm;肥料箱高度 h = 600mm;工作幅寬 L =300mm;排肥箱容積 V = h\\( a + b\\) L /2 = 42 L。
排肥口尺寸設置如下:長 a2= 80mm; 寬 b2=50mm。
2． 4． 2 排肥輪排肥輪應便于制造和清理，并且能使化肥均勻地落到筒底的輸送管道中。為了充分利用重力輸送化肥，排肥元件置于排肥器的下部，使排肥性能不受箱內化肥充滿程度以及地面斜度和沖擊力的影響。
本施肥機械要求排肥量在 5 ～90 kg 之間，因此選用外槽星輪式排肥裝置，星輪每轉排肥量 q 為【3】
h—活門開度\\( cm\\)，即活門至星輪最下端的距離，取 h =10;a—肥料充滿系數，決定于肥料物理狀態、濕度和流動性，一般取 a =0． 7;Z—排肥輪輪齒槽數，取 Z = 8;r—排肥單位容積質量\\( g / L\\)，取 r = 1 500。
將以上各參數代入式\\(3\\)，得星輪每轉排肥量 q為q = 5kg根據已知條件，可按下式計算出施肥機公頃排肥量 Q，即【4-5】
其中，j 為每公頃果園內果樹株數，取 j =400。則q0= 0． 3kg根據主要零部件的尺寸參數，本文利用 Pro/E 軟件對施肥機械進行了三維造型設計，如圖 5 所示。3 結論1\\)該果園施肥機集鉆孔、施肥、覆土于一體，機械化水平進一步提升;定點施肥，不僅節省肥料，同時也進一步提高了肥效。
2\\)鉆孔過程由拖拉機后液壓系統驅動，易于實現自動控制，操作方便、平穩。
3\\)鉆頭周圍設有土壤收集器，結構簡單，且有利于土壤與肥料的混合。
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