調(diào)比控位分層施肥裝置設(shè)計與試驗

頓國強，陳海濤，馮夷寧，查韶輝，紀文義，李昂

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

調(diào)比控位分層施肥裝置設(shè)計與試驗

頓國強，陳海濤*，馮夷寧，查韶輝，紀文義，李昂

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

為滿足不同作物生育期養(yǎng)分供應(yīng)，實現(xiàn)免耕播種作業(yè)同時肥料調(diào)比控位分層深施，設(shè)計由肥料調(diào)比分配裝置及控位分層施肥開溝器組成調(diào)比控位分層施肥裝置，通過理論分析及試驗確定各關(guān)鍵部件主要參數(shù)。肥料均布器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果表明，均肥份數(shù)為極顯著影響，擋桿直徑為顯著影響，擋桿間距無影響；擋桿直徑5 mm，均肥份數(shù)16，擋桿間距8 mm，試驗指標合格指數(shù)0.884，肥料均布器均肥效果最佳，優(yōu)化參數(shù)通過試驗驗證。田間試驗結(jié)果表明，控位分層施肥開溝器可按照設(shè)計要求完成肥料分層施放，實現(xiàn)設(shè)計功能。

農(nóng)業(yè)機械；基肥與種肥；調(diào)比控位；分層施肥；設(shè)計與試驗

網(wǎng)絡(luò)出版時間2015-12-25 13:10:22[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151225.1310.008.html

頓國強,陳海濤,馮夷寧,等.調(diào)比控位分層施肥裝置設(shè)計與試驗[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2015,46(12):86-93.

Dun Guoqiang,Chen Haitao,Feng Yining,et al.Design and test of adjustable ratio and control position separated layer fertilization device[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(12):86-93.(in Chinese with English abstract)

免耕播種作業(yè)后，地表因有大量根茬秸稈覆蓋，影響中耕追肥作業(yè)，同時，基肥不能隨翻耕提前施入，因此需在免耕播種作業(yè)時施足種肥與底肥，以滿足作物整個生育期養(yǎng)分需求[1-5]。相關(guān)研究[6-10]指出：種肥、基肥間距12 cm，施肥比7∶3，能滿足小麥作物生長過程中不同階段養(yǎng)分需求；分層間距4～8 cm，施肥比1∶2時，大豆種植效果最佳。且施肥方式多種多樣，正位分層、側(cè)位分層、正側(cè)位分層皆有應(yīng)用。張偉等設(shè)計滑刀式分層施肥開溝器[11]；李杞超設(shè)計整體式分層分量施肥裝置，采用并排雙排肥輪設(shè)計實現(xiàn)種肥底肥比例調(diào)節(jié)[12-13]；姚萬生等設(shè)計組合式下位分層施肥播種開溝器，可實現(xiàn)肥料分層施入，但比例為定值[14]。因此，研究可調(diào)基肥、底肥比例，施肥位置可控調(diào)比控位分層施肥裝置，具有重要意義。

本文在綜合分析現(xiàn)有施肥裝置基礎(chǔ)上，設(shè)計調(diào)比控位分層施肥裝置，并采用理論分析與試驗結(jié)合方法確定關(guān)鍵部件主要參數(shù)。同時，采用正交試驗方法優(yōu)化肥料均布器結(jié)構(gòu)參數(shù)，并驗證試驗及開溝器田間性能試驗。

1　裝置組成及工作原理

調(diào)比控位分層施肥裝置如圖1所示，主要由肥料調(diào)比分配裝置和控位分層施肥開溝器兩部分組成。其中，肥料調(diào)比分配裝置由斜舌外槽輪排肥器1、肥料均布器2及肥料調(diào)比器3組成，在肥料調(diào)比器下部分別設(shè)有淺層管口4及深層管口5；控位分層施肥開溝器由主開溝器6及淺層排肥尾管7組成，在主開溝器上部及中后部設(shè)有淺層管8和深層管9，由排肥管將其與肥料調(diào)比器淺層管口4和深層管口5對應(yīng)連接；控位分層施肥開溝器由U型卡固裝在主機架上。

圖1　裝置結(jié)構(gòu)組成及工作原理Fig.1Device structure and function

作業(yè)時，地輪通過傳動裝置驅(qū)動排肥器槽輪旋轉(zhuǎn)，肥箱內(nèi)肥料由排肥口經(jīng)排肥舌落入肥料均布器，通過肥料均布器作用，將在進口處呈局部集中分布肥料均勻分布在出口端面，肥料調(diào)比器將肥料按預(yù)先設(shè)定好比例分配到深、淺管口，被分配好肥料分別由主開溝器及淺層尾管按設(shè)定施肥位置分施到不同深度土層，進而完成調(diào)比控位分層施肥作業(yè)。

2　關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1外槽輪排肥器改進設(shè)計試驗

外槽輪排肥器因適應(yīng)性強、排量穩(wěn)定、經(jīng)濟性好、調(diào)節(jié)方便及使用可靠而廣泛應(yīng)用，但因其槽輪結(jié)構(gòu)特點而使其在排肥過程中存在脈動現(xiàn)象，影響排肥均勻性[15-19]。為提高其排肥均勻性，常采用螺旋槽式外槽輪結(jié)構(gòu)或?qū)⑴欧噬嗤舛俗龀蓛A斜狀。研究選用外購?fù)獠圯喤欧势?，槽輪直?5 mm,輪槽數(shù)7，單個輪槽面積147.71 mm2，槽口弧長20.11 mm，槽輪最大工作長度50 mm。如圖2所示，采用黑龍江省農(nóng)業(yè)工程科學研究院研制JPS-12計算機視覺精密排種器性能檢測試驗臺，分析排肥舌結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對排肥均勻性影響，優(yōu)化排肥舌最佳結(jié)構(gòu)。

如圖2所示，設(shè)計加工長45 cm，寬10 cm，間隔3 cm肥料測試槽，設(shè)定帶速0.15 m·s-1，槽輪轉(zhuǎn)速20 r·min-1，如圖3（a）所示，設(shè)定排肥舌外端斜角側(cè)面長度a分別為0、5、10、15和20 mm，其中0 mm為未改結(jié)構(gòu)，20 mm為斜口周向長度包覆槽輪單個槽口，槽輪工作長度分別設(shè)定為25和50 mm，分別按測試槽充肥先后次序作質(zhì)量測定，測試結(jié)果如圖3（b）所示。同時，計算各試驗水平質(zhì)量標準差，以評價排肥器排量均勻性，試驗結(jié)果如圖3（c）所示，由圖3可知，在槽輪兩個工作長度下，排肥質(zhì)量標準差均隨倒角值增大而減小，即排肥均勻性提高，且在a=20 mm時，排量波動性最小。因此，排肥舌端部倒角最優(yōu)結(jié)構(gòu)為20 mm×50 mm。

圖2　排肥器試驗臺Fig.2Structure of fertilizer feeder test-bed

圖3　排肥舌改進設(shè)計試驗Fig.3Improved fertilizer tongue design test

2.2肥料均布器

參考西北農(nóng)林科技大學研制組合式下位分層施肥播種開溝器[14]，設(shè)計肥料均布器，如圖4所示。主要由肥管及內(nèi)部軸向等距、周向均布擋桿組成，可將來自排肥器肥料均勻分布在均布器出口端面。

圖4　肥料均布器設(shè)計Fig.4Fertilizer uniform distribution device design

設(shè)肥管內(nèi)徑D，擋桿數(shù)N，擋桿直徑d，擋桿間距l(xiāng)，均布器單層通過面面積為：

式中，M單-單層通過面積（mm2）；D-肥管內(nèi)徑（mm）；d-擋桿直徑。

以東北壟距65 cm標準壟為設(shè)計依據(jù)，公頃極限施肥量750 kg，作業(yè)速度上限3 m·s-1，計算排肥器秒施肥量195 g；所選用外槽輪排肥器由排肥舌到均布器入口垂直距離3 cm，假設(shè)肥料脫離排肥舌垂直速度為0 m·s-1，計算肥料通過均布器入口速度為76.7 cm·s-1，則肥管最小通過面積為：

式中，M通-最小通過面積（cm2）；m秒-單位時間施肥量（g·s-1）；ρ堆積-肥料顆粒堆積密度（g·cm-3）；v入-肥料端面流速（cm·s-1）。

所設(shè)計均布器內(nèi)徑4.5 cm，擋桿直徑5 mm，計算均布器單層流通面積13.65 cm2，遠大于肥管最小流通面積，滿足設(shè)計要求。

2.3肥料調(diào)比器

如圖5所示，肥料調(diào)比器作用是將進入調(diào)比器肥料按設(shè)定比例分配到深、淺層管口，主要由分肥叉管1，調(diào)節(jié)器2及鎖緊螺釘3組成。相關(guān)研究[6-10]指出，為滿足作物生長周期養(yǎng)分需求，針對不同作物，其深層肥料百分比應(yīng)在0.50～0.70可調(diào)。所設(shè)計肥料調(diào)比器內(nèi)旋轉(zhuǎn)插裝肥料調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器上設(shè)有接盤、螺紋孔及螺旋面，螺旋面周線夾角為72°，轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)器，調(diào)至相應(yīng)位置，可將淺層管口上部空間部分肥料沿螺旋面滑向深層管口，實現(xiàn)設(shè)計功能。

2.4控位分層施肥開溝器

查閱相關(guān)研究[20-22]，設(shè)計控位分層施肥開溝器，如圖6所示。因開溝器主要配裝在2BMFJ型免耕清秸覆秸精量播種機上，機具定軸鋼齒種床整備裝置已清除施肥播種帶上秸稈及根茬，因此，分層施肥開溝器只需具備良好入土性能及較佳分層效果即可，開溝器主要由主開溝器3及固裝在其套管9上淺層尾管6組成，主開溝器由鋼板、矩管及圓管焊接而成，為防止開溝器排肥口堵塞，在開溝器深層排肥口處焊接防堵板4，開溝器入土角為55°，入土隙角7°，開溝器前部形成深層肥通道，其后部空腔、套管及淺層尾管組成淺層肥通道，主開溝器套管上開有縱橫交錯凹槽結(jié)構(gòu)，與其配裝淺層尾管對應(yīng)接合部位設(shè)有條狀凸起，兩者接合可實現(xiàn)深層肥與淺層肥施肥深度在4～8 cm范圍1 cm間距可調(diào)，橫向距離-45 mm及45 mm兩種形式，深淺肥口縱向間距12 cm，及深淺肥口橫向錯位結(jié)構(gòu)設(shè)計提升開溝器回土性能。

圖5　肥料調(diào)比器設(shè)計Fig.5Fertilizer adjustable ratio device design

3　肥料均布器參數(shù)優(yōu)化試驗

肥料均布器作為肥料調(diào)比分配裝置關(guān)鍵部件，作業(yè)性能直接影響肥料調(diào)比準確性及穩(wěn)定性。因此，通過臺架試驗研究肥料均布器結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對提高性能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)具有重要意義。

3.1試驗材料與試驗裝置

試驗材料為樂索爾復(fù)合肥料（玉米用長效硫酸鉀復(fù)合肥）。試驗于2014年10月2日在東北農(nóng)業(yè)大學排種器性能實驗室進行，試驗裝置如圖7所示。主要包括肥箱、改進外槽輪排肥器、肥料均布器（有機玻璃粘接制成）、肥料調(diào)比器（材料PLA，3D打印制成），借助JPS-12計算機視覺精密排種器性能檢測實驗臺進行裝置排肥性能試驗。

圖6　控位分層施肥開溝器Fig.6Control position separated layer fertilization opener

圖7　肥料調(diào)比分配裝置與試驗臺Fig.7Fertilizer adjustable ratio distribution device and test bed

3.2試驗設(shè)計

采用3因素3水平正交試驗方法，以擋桿直徑，擋桿間距，均肥份數(shù)為試驗因素，試驗因素水平如表1所示。

表1　試驗因素水平Table 1Test factors and levels

將肥料調(diào)比分配裝置固裝在排種器試驗臺機架上，通過更換不同結(jié)構(gòu)肥料均布器實現(xiàn)試驗因素變化，試驗設(shè)定槽輪25、50 mm兩個水平，淺層肥料百分比30%、40%、50%三個水平，每個處理重復(fù)6次。

3.3結(jié)果與分析

試驗方案及結(jié)果如表2所示。

采用Design-expert 6.0.10分析試驗數(shù)據(jù)，設(shè)定顯著性水平0.01，試驗指標合格指數(shù)方差分析見表3。

由表3可知，在信度0.01水平下，對試驗指標合格指數(shù)σ因素影響主次順序為B＞A＞C，且因素均肥份數(shù)為極顯著影響，擋桿直徑為顯著影響，擋桿間距無影響。各因素對指標影響，如圖8所示。

由圖8（a）可知，合格指數(shù)隨著均肥份數(shù)增加而減小，即肥料調(diào)比分配合格率提高。因均肥份數(shù)增加時，肥料顆粒撞擊擋桿次數(shù)增加，在均布器出口斷面空間分布均勻性顯著提高，進而提高分配合格率，分肥合格指數(shù)減小。

由圖8（b）可知，合格指數(shù)隨著擋桿直徑增加而減小，即肥料調(diào)比分配合格率提高。因擋桿直徑增加時，肥料均布器截面絕對通過空間減小，會加大肥料顆粒沿徑向向外運動趨勢，增加肥料顆粒在均布器出口周向分布均勻性，進而提升肥料分配合格率，合格指數(shù)減小。

表2　試驗方案及結(jié)果Table 2Test plan and results

表3　試驗結(jié)果合格指數(shù)方差分析Table 3Variance analysis of test results qualified index

圖8　兩因素對指標合格系數(shù)影響Fig.8Response of factors'effects on qualified index

3.4參數(shù)優(yōu)化及試驗驗證

利用Design-expert 6.0.10軟件中優(yōu)化模塊，考慮擋桿間距對指標無影響，且擋桿間距越小，肥料均布器材料成本越小，因此，設(shè)定擋桿間距為8 mm。按照合格指數(shù)越小越好原則，優(yōu)化得出：擋桿直徑5 mm，均肥份數(shù)16，擋桿間距8 mm，試驗指標合格指數(shù)0.884，肥料均布器均肥效果最佳。為驗證肥料均布器參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，按優(yōu)化參數(shù)加工肥料均布器，以相同試驗條件試驗，試驗結(jié)果合格指數(shù)為0.892，在誤差允許范圍內(nèi)等于0.884，驗證優(yōu)化參數(shù)正確性。

4　田間性能試驗

為驗證控位分層施肥開溝器作業(yè)效果，于2014年10月8日在東北農(nóng)業(yè)大學香坊試驗基地進行開溝器肥料分層性能試驗，土壤含水率為18.5%，平均土壤堅實度為1.1 MPa，如圖9（a）所示，調(diào)比控位分層施肥裝置安裝在2BMFJ-3型免耕覆秸精量播種機上，設(shè)定施肥高度差4 cm、8 cm二個水平，橫向間距4.5及-4.5 cm兩個水平，機具行進10 m，每個試驗處理地塊隨機選取5點進行肥料分層效果和肥料高度差均值測定，開溝器分層施肥效果如圖9（b）所示。計算3個不同設(shè)定施肥深度高度差實測值分別為3.4和7.8 cm，設(shè)定施肥深度與實測施肥深度差值分別為0.6和0.2 cm，隨著設(shè)定施肥深度差增大，開溝器分層施肥效果明顯，同時發(fā)現(xiàn)，在定軸鋼齒種床整備裝置完成種床處理及結(jié)合開溝器防堵板結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，可有效防止開溝器秸稈纏繞及排肥口堵塞?？匚环謱邮┓书_溝器可實現(xiàn)肥料分層施放，滿足設(shè)計功能要求。

圖9　田間性能試驗Fig.9Field performance test

5　結(jié)論

a.設(shè)計調(diào)比控位分層裝置，斜槽排肥舌提高肥料施放均勻性，且裝置具有深、淺層肥料比例可調(diào)，施肥位置可控功能。

b.肥料均布器參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果表明：對試驗指標合格指數(shù)，均肥份數(shù)為極顯著影響，擋桿直徑為顯著影響，擋桿間距無影響；擋桿直徑5 mm，均肥份數(shù)16，擋桿間距8 mm，試驗指標合格指數(shù)0.884，肥料均布器均肥效果最佳，同時，優(yōu)化參數(shù)通過試驗驗證。

c.田間試驗結(jié)果表明：控位分層施肥開口器可完成肥料分層施放，實現(xiàn)設(shè)計功能。

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Design and test of adjustable ratio and control position separated layer fertilization device

DUN Guoqiang,CHEN Haitao,FENG Yining,ZHA Shaohui,JI Wenyi,LI Ang(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Because the covering of amount stubble and straw,base and complementary fertilizer could not be applied before and after no tillage sowing,it was very important to applied sufficient fertilizer to meet different crops'nutrient requirements on the growth duration.Adjustable ratio and control position separated layer fertilization device consist of bevelled tongue outer groove-wheel fertilizer feeder,fertilizer uniform distribution device,fertilizer adjustable ratio device and control position separated layer fertilization furrow opener had been designed,the device had the function to separate the fertilizer in different layer according to setting proportional,meanwhile,main parameters of key parts had been acquired by theory analysis and test.In order to get the optimized structure of fertilizer uniform distribution device,bar diameter,divided number and bar distance was selected as factors, qualified index was selected as index,three factors and three levels orthogonal parameter optimization test had been done,the results indicate that,divided number is significant,bar diameter is notable for qualified index,but bar distance had no effects,qualified index decreased with the increase of divided number and bar diameter,the index qualified index is 0.884 and fertilizer uniform distribution device had the best performance when bar diameter was 5 mm,divided number was 16,bar distance was 8 mm,meanwhile,the optimized parameters has been verified by proof test.Field performance test results of control position separated layer fertilization furrow opener show that it could separate the fertilizer in different layer by design requirement and no blocking problem.

agricultural machinery;base and seed fertilizer;adjustable ratio control position; separated layer fertilization;design and test

S224.21

A

1005-9369（2015）12-0086-08

2015-07-29

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（GARS-04）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費項目（20130311）；東北農(nóng)業(yè)大學研究生科技創(chuàng)新基金（yjscx14020）

頓國強（1986-），男，博士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程。E-mail:dunguoqiang110@126.com

陳海濤，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為農(nóng)業(yè)機械化工程和生物質(zhì)材料。E-mail:htchen@neau.edu.cn