精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)的研制與試驗(yàn)

□周彥君 劉小譚 鄧佳 吳倫/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

0 引言

在作物生產(chǎn)中，施肥是提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，也是勞動(dòng)強(qiáng)度較大的一項(xiàng)工藝過(guò)程[1]。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的施肥機(jī)械自動(dòng)化程度較高，其施肥機(jī)械廣泛采用較為先進(jìn)的技術(shù)如智能傳感技術(shù)、自動(dòng)避障裝置、變量施肥技術(shù)等[2-4]。

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展較晚，施肥機(jī)械化程度較低，大部分作物生產(chǎn)過(guò)程中仍采用人工施肥的作業(yè)方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，已成為制約我國(guó)作物生產(chǎn)的重要因素[5]。而目前機(jī)械施肥又多采用開溝施肥、拋撒施肥等方式，一方面，均勻性和精準(zhǔn)性難以控制；另一方面，對(duì)肥料的利用率較低，增加了生產(chǎn)成本，造成了資源浪費(fèi)。

為有效提高作物生產(chǎn)過(guò)程中施肥這一工藝的機(jī)械化水平，結(jié)合精準(zhǔn)施肥要求，筆者設(shè)計(jì)了一款精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的田間試驗(yàn)。

1 精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由行走裝置、打窩裝置、機(jī)架、傳動(dòng)裝置、施肥裝置、操縱桿以及動(dòng)力裝置組成。其動(dòng)力裝置采用173F柴油機(jī)，該機(jī)額定功率3.5 kW，額定輸出轉(zhuǎn)速3 600 r/min。

1.2 工作原理

作業(yè)時(shí)，由柴油機(jī)為精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)提供動(dòng)力，柴油機(jī)通過(guò)離合器將動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置通過(guò)鏈傳動(dòng)或皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力分別傳遞給行走裝置、打窩裝置以及施肥裝置。在鏈傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的作用下，打窩裝置能夠同時(shí)做上下運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)打窩功能；在缺齒齒輪傳動(dòng)作用下，行走裝置和打窩裝置實(shí)現(xiàn)互鎖功能，即打窩施肥機(jī)處于行走狀態(tài)時(shí)，打窩裝置處于非作業(yè)狀態(tài)；打窩裝置處于作業(yè)狀態(tài)時(shí)，行走裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，確保打窩質(zhì)量和施肥的精準(zhǔn)性。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 打窩裝置的設(shè)計(jì)

圖1 精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

打窩裝置如圖2所示，綜合考慮打窩的工藝要求，采用曲軸機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)打窩裝置在豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，打窩裝置的旋轉(zhuǎn)切土功能采用皮帶輪帶動(dòng)導(dǎo)向軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)。連桿與導(dǎo)向軸之間采用萬(wàn)向節(jié)連接，便于更換不同類型的打窩頭，打窩頭由6個(gè)相同的刀片呈均角焊接在導(dǎo)向軸上，刀片材料選用耐磨性較好的65Mn鋼，綜合考慮打窩施肥的農(nóng)藝要求，打窩頭的打窩半徑為140 mm，打窩深度為220 mm。

作業(yè)時(shí)，在曲軸帶動(dòng)連桿豎直方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)以及皮帶輪帶動(dòng)導(dǎo)向軸旋轉(zhuǎn)的共同作用下，打窩頭一邊向下運(yùn)動(dòng)，一邊依靠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)切土并將切下的土壤拋出坑外，實(shí)現(xiàn)打窩功能。

圖2 打窩裝置示意圖

2.2 打窩與行走互鎖裝置的設(shè)計(jì)

打窩和行走的互鎖裝置見圖3，打窩裝置的主動(dòng)齒輪為雙聯(lián)齒輪，行走裝置的主動(dòng)齒輪為兩個(gè)不同規(guī)格的獨(dú)立齒輪，兩者的主動(dòng)齒輪安裝在同一根主動(dòng)軸上。行走裝置和傳動(dòng)裝置的從動(dòng)軸相互獨(dú)立，且均安裝有與主動(dòng)齒輪對(duì)應(yīng)的兩個(gè)不同規(guī)格的從動(dòng)齒輪。

圖3 打窩與行走的互鎖裝置

圖4 打窩裝置與行走裝置互鎖齒輪

打窩裝置與行走裝置互鎖齒輪見圖4，打窩裝置的雙聯(lián)主動(dòng)齒輪為缺齒齒輪，行走裝置左側(cè)的主動(dòng)齒輪也為缺齒齒輪，且與打窩裝置的缺齒齒輪為互補(bǔ)齒輪。當(dāng)打窩裝置的主從動(dòng)齒輪處于非嚙合狀態(tài)，行走裝置的全齒主動(dòng)齒輪與其從動(dòng)齒輪嚙合時(shí)，打窩裝置處于非工作狀態(tài)，打窩施肥機(jī)可快速行走；當(dāng)打窩施肥機(jī)的缺齒主動(dòng)齒輪和行走裝置的缺齒主動(dòng)齒輪分別與其對(duì)應(yīng)的從動(dòng)齒輪嚙合時(shí)，打窩施肥機(jī)處于工作狀態(tài)，由于二者的主動(dòng)齒輪為互補(bǔ)齒輪，因此，打窩裝置和行走裝置的缺齒主動(dòng)齒輪能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)打窩裝置和行走裝置的互鎖功能，即當(dāng)打窩裝置的主動(dòng)齒輪有齒部分與其從動(dòng)齒輪嚙合，帶動(dòng)打窩裝置工作時(shí)，行走裝置的缺齒主動(dòng)齒輪與其從動(dòng)齒輪處于非嚙合狀態(tài)，行走裝置處于非工作狀態(tài)，反之亦然。

2.3 施肥裝置的設(shè)計(jì)

參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[6]設(shè)計(jì)外槽輪式施肥裝置（如圖5所示），該施肥裝置由柴油機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置提供動(dòng)力。

為保證整機(jī)的平衡性和作業(yè)效率，需要設(shè)計(jì)大小、結(jié)構(gòu)合理的肥料箱，該施肥裝置肥料箱分為上下兩個(gè)部分：上部分是長(zhǎng)寬高分別為320 mm、250 mm、

350 mm的長(zhǎng)方體；下部分由頂面為300 mm×350 mm的矩形、底面為300 mm×130 mm的矩形、高為90 mm的五面體。因此，該肥料箱體積為0.029 m3。顆粒肥料的密度在700～800 kg/m3，如尿素的密度為720 kg/m3，硝酸二胺的密度為789 kg/m3。因此，該肥料箱一次可裝20～24 kg的顆粒肥料。

圖5 施肥裝置示意圖

根據(jù)作物生產(chǎn)施肥過(guò)程的農(nóng)藝要求，參照相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，外槽輪排肥器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為30 r/min，排肥軸工作長(zhǎng)度在0～40 mm的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，施肥軸每轉(zhuǎn)一周最大排肥量為0.029～0.033 kg，可通過(guò)抽拉肥量調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)排肥軸實(shí)際工作長(zhǎng)度來(lái)調(diào)節(jié)排肥量。

根據(jù)打窩裝置與行走裝置的互鎖功能，施肥裝置的主動(dòng)齒輪安裝在打窩裝置的從動(dòng)軸上，當(dāng)打窩裝置處于工作狀態(tài)時(shí)，施肥裝置處于排肥狀態(tài)，且可通過(guò)調(diào)節(jié)圈狀施肥器的安裝位置使其恰好將肥料施入上一個(gè)打窩機(jī)打出的窩坑中，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥的目的。

3 精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)的田間性能試驗(yàn)

根據(jù)前期設(shè)計(jì)完成樣機(jī)的制作后，為檢驗(yàn)樣機(jī)的作業(yè)性能是否滿足打窩施肥的農(nóng)藝要求，筆者選擇雙流區(qū)金橋鎮(zhèn)久天家庭農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方案

進(jìn)行田間性能試驗(yàn)前，需要對(duì)試驗(yàn)地的某些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，主要包括土壤含水率、0～300 mm土壤平均堅(jiān)實(shí)度等。試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)打窩的深度、直徑、拋土距離、施肥效果、作業(yè)效率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。因此，試驗(yàn)準(zhǔn)備有秒表、皮尺、深度尺、土壤堅(jiān)實(shí)度儀、環(huán)刀等測(cè)量工具，相關(guān)參數(shù)的測(cè)量參照國(guó)標(biāo)GB/T 5668.3-1995完成。

土壤的含水率測(cè)量采用環(huán)刀取樣、真空干燥的方法。平均堅(jiān)實(shí)度采用SC900土壤堅(jiān)實(shí)度儀，該土壤堅(jiān)實(shí)度儀測(cè)量壓力范圍為0～7 000 kPa，測(cè)量深度為0～450 mm，壓力和深度測(cè)量精度分別為±103 kPa和12.5 mm；使用時(shí)，將堅(jiān)實(shí)度儀垂直地面以低于25.4 mm/s的速度插入土壤中，儀器每隔25 mm自動(dòng)記錄土壤的堅(jiān)實(shí)度，測(cè)試完成后可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理。

3.2 精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)的田間性能試驗(yàn)

2018年4月，筆者在雙流區(qū)金橋鎮(zhèn)久天家庭農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖6所示。該試驗(yàn)地的土壤平均含水率為20%，土壤0～300 mm平均堅(jiān)實(shí)度為1.2 kPa，在該試驗(yàn)地進(jìn)行打窩施肥作業(yè)過(guò)程中，機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)一次作業(yè)完成打窩、施肥兩個(gè)環(huán)節(jié)，平均打窩深度220 mm，平均打窩直徑140 mm，機(jī)具平均生產(chǎn)率不低于1 000窩/h。

圖6 打窩施肥機(jī)田間性能試驗(yàn)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)打窩施肥機(jī)，該機(jī)作業(yè)性能滿足作物生產(chǎn)過(guò)程中打窩、施肥的農(nóng)藝要求，一次作業(yè)可完成打窩和施肥兩項(xiàng)農(nóng)藝環(huán)節(jié)。后期可對(duì)該機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化，如優(yōu)化打窩裝置的結(jié)構(gòu)，增加覆土裝置，使其一次作業(yè)能夠完成打窩、施肥、覆土三項(xiàng)農(nóng)藝環(huán)節(jié)。