一種多功能深松施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與田間試驗(yàn)效果

孟長(zhǎng)伊　李廣宇　郝宇佳　楊少奇　張含思+張磊　李劍飛

摘要：針對(duì)玉米寬窄行種植模式的農(nóng)藝要求及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種配套的多功能深松施肥機(jī)。根據(jù)季節(jié)特點(diǎn)、施肥位置要求和拖拉機(jī)作業(yè)形式等條件，設(shè)計(jì)了深松施肥機(jī)，提高肥料利用率，減少機(jī)器進(jìn)地次數(shù)和對(duì)土壤的壓實(shí)；該機(jī)不僅可以在伏雨到來(lái)前在寬行進(jìn)行深松施肥作業(yè)，也可以去除施肥部件，在秋季進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)深松作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：采用苗帶側(cè)200～250 mm處定向施肥，施肥深度50～100 mm，與寬行苗帶中間施肥相比，在施肥一個(gè)月后，植株高度顯著提高10%～13%；在秋季拆分成獨(dú)立的深松機(jī)可實(shí)現(xiàn)250～300 mm的深松作業(yè)，深松深度的平均變異系數(shù)為1.03%，說(shuō)明該機(jī)的工作穩(wěn)定性好；夏季深松機(jī)深松后的土壤平均膨脹度為16.12%，對(duì)土壤擾動(dòng)范圍較小，地表沒(méi)有出現(xiàn)明顯的大塊與粘條。

關(guān)鍵詞：土壤深松； 中耕施肥； 深松鏟；多功能深松施肥機(jī)

中圖分類號(hào)：S224.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2014）12-0079-05

由于東北黑土區(qū)氣候寒冷，秋后還田的秸稈來(lái)年春天來(lái)不及腐爛，影響春播，所以秋后留高茬（300～500 mm）越冬，在種植下茬作物后原茬仍保留不動(dòng)，已成為黑土區(qū)推廣保護(hù)性耕作的主要形式[1]?！坝衩讓捳薪惶嫘蓍e種植模式”就是其中之一，目前正在東北地區(qū)大力推廣。其基本體現(xiàn)為平作模式，苗帶窄行行距400 mm，寬行休閑帶寬度900 mm，地表面留有前期作物30%的秸稈殘留物覆蓋，寬窄行為每年交替進(jìn)行[2]。研究表明，與傳統(tǒng)耕作相比，寬窄行交替休閑種植可明顯改善土壤容重、硬度、土壤孔隙度、田間持水量等土壤物理性狀，產(chǎn)量較常規(guī)耕作增產(chǎn)14.8%～15.1%[3]。傳統(tǒng)的深松施肥機(jī)多是為等行距設(shè)計(jì)[4，5]，不能適應(yīng)寬窄行交替種植的農(nóng)藝要求。本研究所設(shè)計(jì)的深松施肥機(jī)就是為玉米寬窄行種植模式配套的一種機(jī)具，該機(jī)不僅可以在伏雨到來(lái)前在寬行進(jìn)行深松施肥作業(yè)，也可以去除施肥部件，在秋季進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)深松作業(yè)，一機(jī)多用。

1耕作工藝和整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1耕作工藝

如圖1所示，根據(jù)玉米寬窄行種植模式農(nóng)藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采取苗帶側(cè)“”處施肥，寬行中間“”處深松，深松施肥一次完成。有利于肥料的吸收利用，減少了普通中耕作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)輪胎對(duì)土壤的壓實(shí)，蓄水保墑。中耕施肥深度約為50～100 mm，深松鏟同時(shí)淺松除草，深松深度200～250 mm，秋季可作為深松機(jī)獨(dú)立使用，深松深度在250～300 mm之間。

1.2整機(jī)結(jié)構(gòu)

多功能深松施肥機(jī)的主要構(gòu)件見(jiàn)圖2。它采用分行聯(lián)合作業(yè)的方式，一次進(jìn)地，實(shí)施中耕深松和追施肥作業(yè)，兩種作業(yè)獨(dú)立完成，相互效果不產(chǎn)生干涉影響；減少了人工勞作和機(jī)器進(jìn)地次數(shù)，減少土壤壓實(shí)，提高產(chǎn)量；機(jī)具可拆分成獨(dú)立的深松機(jī)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；也可用于等行距作業(yè)模式。其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

2關(guān)鍵工作部件的設(shè)計(jì)

2.1機(jī)架的設(shè)計(jì)

本機(jī)采用可變梁結(jié)構(gòu)，采用聯(lián)接梁方式[6]，由矩形管和工字鋼套合焊接，加強(qiáng)整機(jī)強(qiáng)度；模塊化設(shè)計(jì)，使主要工作部件具有良好的排列性和自由的固定空間，并可按不同作業(yè)需求進(jìn)行聯(lián)接；工作時(shí)機(jī)架距地面距離530 mm，作業(yè)時(shí)不傷苗。

2.2深松鏟的設(shè)計(jì)

國(guó)外研究人員對(duì)深松部件作業(yè)時(shí)在土壤中的受力狀態(tài)和理論模型已經(jīng)建立的十分完善，形成了較完整的理論體系，并且將理論模型成功地運(yùn)用在深松部件的設(shè)計(jì)和受力狀態(tài)的分析上[7～10]，深松鏟柄是深松機(jī)的重要部件，直接影響深松效果和牽引阻力。因此，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外資料的研究和具體的生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)，我們?cè)O(shè)計(jì)選用了直臂深松鏟柄作為深松工作部件，作業(yè)時(shí)理論上直臂深松鏟柄的工作刃與垂直方向的夾角為15°，處于這個(gè)狀態(tài)作業(yè)的深松機(jī)所受的土壤阻力較小。鏟柄底端通過(guò)沉頭螺釘安裝鏟尖，設(shè)計(jì)鏟尖為箭型、鑿型兩種形式[12]。

秋季深松作業(yè)時(shí)，可附加雙翼鏟作為入土工作部件，雙翼鏟可以通過(guò)螺栓安裝在直臂深松鏟柄上，作業(yè)時(shí)深松鏟的理論入土角為23°，理論入土后角為7°。這樣不僅可以實(shí)現(xiàn)寬幅深松，而且可以疏松翼鏟上方的土壤，擴(kuò)大深松寬度。

由于機(jī)具的主要工作部件屬于入土工作部件，其在土中作業(yè)時(shí)的磨損速度很快，因此在設(shè)計(jì)這些部件時(shí)，除了選用耐磨材料制作外，還采用耐磨套式設(shè)計(jì)以保護(hù)主要工作部件（圖3）。耐磨套式設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)耐磨套的磨損情況，及時(shí)更換耐磨套，從而保證機(jī)具工作部件的入土角、耕深等參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，并且延長(zhǎng)機(jī)具的使用壽命。

本機(jī)上的耐磨套設(shè)計(jì)有兩個(gè)，一個(gè)是鏟柄保護(hù)套，另一個(gè)是鑿型鏟尖。鏟柄保護(hù)套安裝在直臂深松鏟柄的直臂刃上，在減小工作阻力的同時(shí)，保護(hù)鏟柄不被磨損。鑿型鏟尖采用楔套設(shè)計(jì)，套裝在鏟柄上，以防止在工作過(guò)程中的脫落。

2.3施肥機(jī)構(gòu)與部件的設(shè)計(jì)

施肥機(jī)構(gòu)由切茬裝置、施肥開(kāi)溝器、排肥器、鎮(zhèn)壓輪等組成。施肥動(dòng)力來(lái)自于地輪，隨動(dòng)張緊機(jī)構(gòu)安裝在地輪和中間軸之間，地輪通過(guò)中間軸由鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排肥器。在機(jī)架上安裝4個(gè)排肥器，肥管下端通過(guò)導(dǎo)肥管固定在機(jī)架上，以消除田間作業(yè)振動(dòng)影響。

2.3.1施肥量的計(jì)算[13]機(jī)組在行距為S（m）的田間追施肥，機(jī)組上有N個(gè)排肥器，每個(gè)排肥器有α個(gè)排肥口，則在一公頃田地的面積上一個(gè)排肥器應(yīng)施肥的地段長(zhǎng)度為：

按要求每公頃施肥量為Q（kg），則機(jī)組工作時(shí)每個(gè)排肥口在單位地段長(zhǎng)度上的排肥量為：

排肥器選擇使用外槽輪式排肥器，本機(jī)設(shè)計(jì)的施肥量為每公頃400～450 kg，比常規(guī)做法減少施肥量10%～20%?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)外槽輪的工作面積調(diào)節(jié)施肥量的多少。

2.3.2切茬裝置的設(shè)計(jì)由于本機(jī)可在殘留物覆蓋耕地上進(jìn)行作業(yè)，因此切茬刀的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)直接影響到整機(jī)作業(yè)的通過(guò)性[14]，由于季節(jié)問(wèn)題，秸稈潮濕，不容易被切斷，所以要配置專用刀具切茬。因此，本設(shè)計(jì)（圖4）選取單懸臂結(jié)構(gòu)齒形圓盤刀，它的工作性能非常適合于土壤的少耕、保護(hù)性耕作等地表具有秸稈殘留物的切茬入土作業(yè)，土壤擾動(dòng)最小，適合各種土壤環(huán)境，單懸臂機(jī)構(gòu)行間工作時(shí)不傷苗。設(shè)計(jì)切茬深度為80 mm，刀盤直徑400 mm，刀盤材質(zhì)采用硼鋼，增加刀盤的剛性和耐磨性，同時(shí)為了能迅速更換刀盤，采用高強(qiáng)螺栓作為刀盤軸芯，使刀盤安裝變得便捷。

2.3.3安裝位置與工作過(guò)程設(shè)計(jì)將單圓盤切茬刀安裝在垂直施肥開(kāi)溝器的前面，呈前后排列，圓盤與地面和前進(jìn)方向垂直安裝，這樣不但入土性能良好，而且切開(kāi)土壤表面殘留物的能力較強(qiáng)。

工作時(shí)先由單圓盤刀切開(kāi)覆蓋秸稈土塊等障礙及土壤；采用滑刀式鈍角開(kāi)溝器開(kāi)溝，設(shè)計(jì)兩護(hù)板之間距離小于40 mm，自動(dòng)回土效果好；隨后帶有施肥器的垂直施肥刀將隨著前面切開(kāi)的切口跟進(jìn)，由于施肥刀的入土深度按要求設(shè)定，施肥器隨即將肥料撒在垂直施肥刀開(kāi)辟的肥溝底部，完成施肥作業(yè)；最后采用鼠籠式鎮(zhèn)壓，進(jìn)行覆埋。

由于組合式施肥機(jī)構(gòu)不存在土壤翻動(dòng)的效果，因此防止了土壤中水分的流失，減少了肥料需要二次掩埋的環(huán)節(jié)。

3田間試驗(yàn)

采用同一地塊不同區(qū)域?qū)Ρ确ㄟM(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)于2013年在農(nóng)安縣開(kāi)安鎮(zhèn)石場(chǎng)村土壤上進(jìn)行。土壤類型為黑鈣土，地面秸稈殘留覆蓋30%～40%。采用寬窄行種植模式，種植作物為玉米；處理區(qū)采用苗帶側(cè)200～250 mm處定位，定向施肥模式，對(duì)比區(qū)采用傳統(tǒng)的寬行苗帶中間施肥方式。

于5月初玉米植株高度均在500 mm左右進(jìn)行作業(yè)，配套動(dòng)力為山托泰山TS550拖拉機(jī)，作業(yè)速度按4.19 km/h左右滿幅作業(yè)，將深松部件的深松深度調(diào)至200、250 mm，拖拉機(jī)作業(yè)長(zhǎng)度為50 m，取中間的30 m作為測(cè)試數(shù)據(jù)采集區(qū)。

中耕施肥一個(gè)月內(nèi)，選有代表性的植株連續(xù)定點(diǎn)10株，從施肥后15天開(kāi)始每10天一次，調(diào)查單株葉面積，同時(shí)測(cè)量株高、單株根層數(shù)、根條數(shù)等，玉米成熟后，收取中間4行統(tǒng)計(jì)產(chǎn)量，每處理抽取10穗調(diào)查穗部性狀。

3.1施肥效果測(cè)定

試驗(yàn)結(jié)果表明：中耕施肥后地塊與對(duì)比區(qū)常規(guī)施肥方式相比，玉米根系的根長(zhǎng)和直徑增加，根系的密度增大，而且單根上的須根也明顯增多，一個(gè)月后，株高顯著提高10%～13%，產(chǎn)量沒(méi)有受到影響。從表2看出，施肥深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2中耕深松穩(wěn)定性及土壤膨松度

試驗(yàn)結(jié)果（表3）顯示：本機(jī)在夏季中耕可實(shí)現(xiàn)200～250 mm的深松作業(yè)，平均深松變異系數(shù)0.77%，說(shuō)明機(jī)具的工作性能較好，深松部件設(shè)計(jì)較為合理；土壤平均膨松度在16.12%，地表沒(méi)有出現(xiàn)明顯的大塊與粘條。

3.3秋季深松深度和土壤膨松度的測(cè)定

2013年10月中旬，檢測(cè)機(jī)具深松深度和土壤膨松度指標(biāo)時(shí)，作業(yè)速度按4.35 km/h左右滿幅作業(yè)，將深松部件的深松深度均調(diào)至270、300 mm，拖拉機(jī)作業(yè)長(zhǎng)度為50 m，取中間的30 m作為測(cè)試數(shù)據(jù)采集區(qū)。試驗(yàn)結(jié)果（表4）顯示：本機(jī)在秋后拆分成獨(dú)立的深松機(jī)可實(shí)現(xiàn)250～300 mm的深松作業(yè)，深松深度的平均變異系數(shù)為1.03%，說(shuō)明該機(jī)的穩(wěn)定性很好；深松機(jī)的深松部件對(duì)土壤擾動(dòng)范圍較小，土壤膨松度為17.05%。

4結(jié)論

4.1采用苗帶側(cè)200～250 mm處定位、定向施肥，縮小肥料與玉米植株之間的距離，施肥深度50～100 mm，與寬行苗帶中間施肥相比，在施肥一個(gè)月后，株高顯著提高10%～13%。

4.2中耕后土壤平均膨松度為16.12%，地表沒(méi)有出現(xiàn)明顯的大塊與粘條，說(shuō)明深松機(jī)的深松部件對(duì)土壤擾動(dòng)范圍較小。

4.3秋季深松深度的平均變異系數(shù)為1.03%，說(shuō)明該機(jī)的穩(wěn)定性很好，有利于形成松實(shí)結(jié)合的土壤環(huán)境，蓄水保墑。

參考文獻(xiàn)：

[1]

鄭金玉，羅洋，鄭洪兵，等.關(guān)于改進(jìn)東北春玉米現(xiàn)行耕法的思考[J].吉林農(nóng)業(yè)科學(xué)：2010，35（4）： 1-5.

[2]賈洪雷，馬成林，李慧珍，等.基于美國(guó)保護(hù)性耕作分析的東北黑土區(qū)耕地保護(hù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（10）：28-34.

[3]裴攸，邊少峰，何志，等.寬窄行交互種植條帶深松新耕法及配套機(jī)具研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（5）：67-69.

[4]吳波，李問(wèn)盈，李洪文，等.壟臺(tái)修復(fù)中耕施肥機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（9）：99-102.

[5]付俊峰，張東興，李霞，等.振動(dòng)深松機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，16（6）：158-162.

[6]李廣宇，李子林，元路，等.一種多功能深松施肥機(jī)：中國(guó)，201120104460.0[P].2012-07-04.

[7]Celik A，Paper R L.Design and evaluation of ground-driven rotary subsoilers[J].Soil & Tillage Research， 2012，124：203-210.

[8]Xin L L，Liang J H，Qiu L C.Adams-based vibrating subsoiler system simulation analysis[J].Applied Mechanics and Materials，2012，1500（128）：42-45.

[9]U S.Department of Transportation Federal Highway Administration.Evaluation of LS-DYNA soil material model 147[R].Volpe National Transportation Systems Center，F(xiàn)ederal Highway Administration，Report No.FHWA-HRT-04-094，2004.

[10]Kasisira L L，Duplessis H LM.Energy optimization for subsoilers in tandem in a sandy clay loam soil[J].Soil and Tillage Research，2006，86（2）：185-198.

[11]牛彥，王瑞麗，劉健.深松鏟的模態(tài)試驗(yàn)研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，24（1）：150-156.

[12]焦仁寶，郝劍英，王俊發(fā).鑿形深松犁鏟受力的有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，10（10）：30-33.

[13]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院主編.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：626-628.

[14]汲文峰，賈洪雷，佟金.通用刀片功率消耗影響因素分析與田間試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（2）：35-41.