基于耕整播一體機(jī)的階梯施肥裝置設(shè)計(jì)與分析*

趙永來 ， 馮瑞龍 ， 牛文學(xué) ， 高 偉 ， 樊 琦

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014109）

0 引言

黨的二十大報告明確指出，全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興，堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，鞏固拓展脫貧攻堅(jiān)成果，加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，合理控制化肥、農(nóng)藥、地膜使用量，實(shí)施化肥農(nóng)藥減量替代計(jì)劃。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，施肥模式逐漸向科學(xué)方式轉(zhuǎn)變，肥料利用率逐漸提高[1-4]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)隨著氣候與地理位置的變化而特征迥異，對于不同區(qū)域、不同耕作模式、不同施肥方式尚未建立科學(xué)的管理系統(tǒng)。以內(nèi)蒙古沿黃流域保護(hù)性耕作農(nóng)田為例，實(shí)施玉米和大豆間作的種植區(qū)域在春季的施肥方式以在待耕地表撒施肥料，然后進(jìn)行犁耕作業(yè)，生長期水肥一體化追肥為主；秋季施基肥主要采用犁耕方式，導(dǎo)致了肥料顆粒大量進(jìn)入犁底層，造成施肥過深，作物根系無法完全吸收，同時還存在施肥不均勻和過量施肥的情況，導(dǎo)致肥料大量浪費(fèi)，造成環(huán)境污染[5-8]。由此可見，傳統(tǒng)的施肥方式顯然不能滿足精量高效的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。

國外學(xué)者對氣力輸送固體顆粒進(jìn)行了深入研究，包括氣力輸送中顆粒速度、加速度的影響因素以及固體顆粒在輸送管道中的沉積特性[9-13]。這些研究主要集中在管道輸送固體顆粒方面，缺乏對階梯施肥分配特性和排肥器內(nèi)顆粒肥料流動特性的分析。國內(nèi)學(xué)者的研究集中在采用外槽輪式單變量排肥，即通過控制排肥軸轉(zhuǎn)速來控制排肥量；通過調(diào)節(jié)排肥口開度和施肥軸轉(zhuǎn)速來控制施肥量；開發(fā)基于ARM和DSP的雙變量施肥控制系統(tǒng)，施入單一肥料和復(fù)合肥，增強(qiáng)了變量控制的靈活性和擴(kuò)展性等[14-16]。目前，所研究的施肥機(jī)具很難保證各行施肥量的均勻性，也不能滿足帶狀間作、定量均衡的大田施肥作業(yè)要求。

研究表明，合理的深松和肥料深施能改善土壤理化性質(zhì)，促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收和根系生長，提高肥料利用率，增加作物產(chǎn)量[17-19]。目前，相關(guān)學(xué)者對階梯施肥技術(shù)的研究多數(shù)集中在單一作物、單一種類肥料的施用上，難以達(dá)到滿意的施肥效果。內(nèi)蒙古沿黃流域?qū)嵭斜Ｗo(hù)性免少耕耕作技術(shù)后，結(jié)合玉米與大豆間作模式，先前傳統(tǒng)的追肥作業(yè)更加難以實(shí)現(xiàn)?；诖耍疚慕Y(jié)合內(nèi)蒙古沿黃流域免少耕耕作模式的播種與施肥需求，提出適合禾豆間作緩釋肥與普通復(fù)合肥階梯同施的方法，研制耕整播一體機(jī)并設(shè)計(jì)階梯送肥裝置，對作業(yè)過程的功率消耗進(jìn)行了分析與計(jì)算，給出了一體機(jī)動力匹配方案；采用計(jì)算流體動力學(xué)的方法，對裝置進(jìn)行參數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)緩釋肥與普通復(fù)合肥的階梯同施，以期為間作模式下送肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)參考和理論支撐。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

耕整播一體機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整機(jī)主要包括施肥裝置、旋耕機(jī)部分、風(fēng)機(jī)、播種單體總成部分與傳動連接部分。施肥裝置包括肥箱、驅(qū)動電機(jī)、調(diào)肥機(jī)構(gòu)、分層施肥鉤、排肥盒等；旋耕機(jī)部分主要包括旋耕機(jī)機(jī)架、齒輪箱、傳動裝置、旋耕刀、刮土板等；播種單體總成部分主要包括主梁、單體（含玉米種箱與大豆種箱、寬窄兩種限深輪、排種器總成、寬窄兩種鎮(zhèn)壓輪、破茬波紋盤）、地輪、變速箱等。整機(jī)通過三點(diǎn)懸掛方式與拖拉機(jī)連接，齒輪箱輸入軸從拖拉機(jī)輸出萬向節(jié)處獲得工作動力，側(cè)輸出端連接驅(qū)動旋耕部分作業(yè)，后輸出軸通過聯(lián)軸器驅(qū)動風(fēng)機(jī)，播種機(jī)利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓將種子吸附在排種盤上。

圖1 耕整播一體機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

一體機(jī)作業(yè)過程中，首先由深松鏟對保護(hù)性農(nóng)田土壤進(jìn)行深松作業(yè)，由直流電機(jī)驅(qū)動肥箱下部階梯排肥盒，排肥輪轉(zhuǎn)動輸出肥料，肥料經(jīng)階梯導(dǎo)肥管被施入土壤中，實(shí)現(xiàn)階梯施肥（通過調(diào)節(jié)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速控制施肥量）；而后由旋耕機(jī)進(jìn)行碎土整平并迅速鎮(zhèn)壓，為玉米與大豆種子生長提供良好的種床環(huán)境；最后進(jìn)行播種作業(yè)。通過一體機(jī)一次入田，同時完成深松、施肥、整地、鎮(zhèn)壓、播種等多項(xiàng)作業(yè)。一體機(jī)作業(yè)過程中，地輪作為播種單元動力源，通過鏈輪、四方軸驅(qū)動變速箱，經(jīng)過變速箱調(diào)整轉(zhuǎn)速后驅(qū)動排種器，進(jìn)行送種播種。

2 耕整播一體機(jī)作業(yè)功率與配套動力

2.1 拖拉機(jī)克服滾動阻力消耗的功率

由耕整播一體機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理可知，機(jī)組的功率由拖拉機(jī)克服滾動阻力消耗的功率及一體機(jī)作業(yè)消耗的功率兩部分組成。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊[20]，拖拉機(jī)前進(jìn)克服滾動阻力消耗的功率計(jì)算公式為：

式中，Pf為克服滾動阻力功率，單位為kW；ms為拖拉機(jī)使用時的質(zhì)量，單位為kg；g=9.8 m/s2；f為滾動阻力系數(shù)，取f=0.1；vm為拖拉機(jī)行進(jìn)速度，單位為m/s。

2.2 一體機(jī)的作業(yè)功率

一體機(jī)在前進(jìn)過程中存在的功率消耗主要包括深松鏟、旋耕機(jī)碎土整平以及播種機(jī)排種器開溝排種三部分，旋耕機(jī)碎土輥鎮(zhèn)壓整平以及禾豆間作鎮(zhèn)壓主要作用于土壤表層，損耗功率與整體相比可以忽略，因此不加入計(jì)算。綜上，得出一體機(jī)總功率消耗計(jì)算公式如下[21-23]：

式中，P0為體機(jī)理論功率消耗，單位為kW；P1為深松機(jī)功率消耗，單位為kW；P2為旋耕機(jī)功率消耗，單位為kW；P3為播種機(jī)功率消耗，單位為kW。

2.3 一體機(jī)配套動力選擇

由于耕整播一體機(jī)進(jìn)行深松、旋耕施肥、播種的聯(lián)合作業(yè)，深松鏟松土使旋耕阻力明顯降低，旋耕刀輥正轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平推力又使?fàn)恳Ρ葐雾?xiàng)深松時有所下降。因此，一體機(jī)理論消耗總功率低于各部分單獨(dú)作業(yè)功率消耗之和，約占各部分功率之和的75%～80%。理論上最大功率消耗為：

取拖拉機(jī)傳動系的傳動效率為0.9，動力輸出到一體機(jī)的傳動效率為0.9，由以上計(jì)算結(jié)果可確定，耕整播一體機(jī)所需的發(fā)動機(jī)功率為：

計(jì)算得出，耕整播一體機(jī)所需發(fā)動機(jī)的功率為95.93 kW，根據(jù)當(dāng)前內(nèi)蒙古沿黃流域農(nóng)戶及合作社拖拉機(jī)的持有情況，并充分考慮到田間作業(yè)的復(fù)雜性，保留一定的功率儲備，選擇約翰迪爾（John Deere）啟航版6E-1404拖拉機(jī)為配套動力，該型號拖拉機(jī)主要作業(yè)參數(shù)如表1所示。

表1 約翰迪爾6E-1404型號拖拉機(jī)主要作業(yè)參數(shù)

3 階梯施肥裝置設(shè)計(jì)

3.1 階梯施肥基本參數(shù)

犁體曲面上的導(dǎo)曲線是控制水平直元線位置的指導(dǎo)線，導(dǎo)曲線采用圓弧形的為圓柱形曲面，采用拋物線形的為熟地形和半螺旋型曲面，導(dǎo)曲線是犁體曲面與鏵刃線的垂直平面相交的截面線[20]。階梯施肥裝置附著在深松鏟側(cè)面，其側(cè)面形狀為曲面設(shè)計(jì)，可根據(jù)深松鏟的導(dǎo)曲線確定。導(dǎo)曲線的尺寸和形狀由導(dǎo)曲線開度l和高度h、犁鏵安裝角ε、始端直線長度S和拋物線兩端點(diǎn)切線的夾角ω決定。深松鏟側(cè)面階梯施肥槽導(dǎo)曲線如圖2所示。

圖2 深松鏟側(cè)面階梯施肥槽導(dǎo)曲線圖

施肥槽導(dǎo)曲線一般方程為：

式中，h1=h-Ssinε；l1=l-Scosε；n=h1tanΔε+L；m=h1-L1tanε；l1為拋物線開度，單位為mm；L為導(dǎo)曲線平面位置，單位為mm；h1為拋物線高度，單位為mm。

在設(shè)計(jì)中，當(dāng)導(dǎo)曲線高度一定時，開度l越小則曲面越陡，碎土能力越強(qiáng)，但犁體阻力較大；開度l越大，曲面越平緩，犁體阻力越小，但碎土能力也較弱。導(dǎo)曲線的高度h與犁體頂邊的高度有關(guān)，通常使h略小于犁體最大高度，即按Hmax＞h＞H確定其數(shù)值。犁鏵安裝角ε=25°～30°，取最大值時碎土作用加強(qiáng)，但阻力增大，ε的最小值應(yīng)保證犁鏵固定螺栓頭部不刮擦溝底。始端直線長度S一般取30 mm～60 mm，所取值隨耕深而異，耕深大時可取大值。切線夾角ω由ε和Δε確定，即ω=90°+ε-Δε，其上端點(diǎn)的切線與鉛垂線夾角Δε=0°～10°。結(jié)合深松鏟設(shè)計(jì)與農(nóng)藝要求，確定深松鏟參數(shù)如下：l=150 mm，h=300 mm，ω=120°，ε=26°，S=35 mm，L=260 mm。

3.2 施肥管內(nèi)肥料顆粒受力分析

肥料經(jīng)排肥器分配后進(jìn)入階梯施肥裝置，頂層和中層肥料經(jīng)分肥管被分配至兩側(cè)。肥料顆粒在摩擦力、管壁的支持力、氣流的曳力與自身重力作用下，運(yùn)動至排肥口。肥料顆粒在分管內(nèi)的受力情況如圖3所示。

圖3 管內(nèi)肥料顆粒受力分析圖

肥料顆粒的受力方程為：

整理得：

式中，β為分肥管向下傾斜角；μ1為肥料顆粒與管壁的摩擦系數(shù)；G為肥料顆粒重量，單位為N，G=mg；m為肥料顆粒質(zhì)量，單位為kg；F1N為肥料顆粒受到管壁的支持力，單位為N；Fk為氣流作用在肥料顆粒上的曳力，單位為N；Fr為肥料顆粒受到的合力，單位為N。

由式（6）可知，肥料顆粒受到的合力Fr隨著分肥管向下傾斜角β的增大而減小，β的取值范圍為50°～64°。階梯施肥裝置作業(yè)過程中，肥料回土速度是影響分層施肥作業(yè)效果的關(guān)鍵因素之一，階梯施肥裝置鏟尖和翼鏟切開土壤后，土壤依靠自身重力下落，完成回土作業(yè)。當(dāng)作業(yè)速度增大時，破碎的土壤相對于階梯施肥裝置運(yùn)動的距離越大，回土?xí)r間越長，易造成回土不及時，影響階梯施肥效果。分析得出，施肥作業(yè)速度是影響階梯施肥作業(yè)效果的重要因素，參照相關(guān)文獻(xiàn)，一體機(jī)作業(yè)速度范圍為2 km/h～4 km/h[24-25]。

3.3 肥箱設(shè)計(jì)與容量計(jì)算

結(jié)合禾豆間作農(nóng)藝要求，一體機(jī)肥箱需要保證一次添加種肥至少可完成田間一次來回的施肥播種作業(yè)，避免出現(xiàn)行駛過程中肥料不足的問題；肥箱底部應(yīng)有一定傾斜角，利于肥料順利落入送肥器中；應(yīng)保證上端開口面積適當(dāng)；種肥箱應(yīng)堅(jiān)固耐用，具有一定的剛度條件，且質(zhì)量不宜過重。根據(jù)播種行程、施肥量以及作業(yè)幅寬等因素來確定肥箱的容積，作業(yè)時不能一次將肥料全部播完，應(yīng)至少保證肥料能夠蓋住送肥口，一般應(yīng)保留10%～20%，肥箱體積大小應(yīng)與作業(yè)面積和排肥量相適應(yīng)，同時不宜裝滿肥箱，以免因顛簸而流失肥料?？筛鶕?jù)公式（7）計(jì)算肥箱體積。

式中，V為肥箱體積，單位為L；s為裝滿肥箱所能工作的最大距離，單位為m；B為施肥工作幅寬，單位為m；Q為單位面積施肥量，單位為kg/hm2；ρ為單位肥料質(zhì)量，單位為kg/L；k為體積系數(shù)，k≈1.25。

分析式（7）可知，肥箱大小主要取決于一次性施肥作業(yè)的距離大小，在不影響機(jī)具承載能力的情況下，挑選較大的肥箱可以有效提高機(jī)具作業(yè)效率，減少添加肥料的時間。根據(jù)內(nèi)蒙古沿黃流域農(nóng)業(yè)作業(yè)模式標(biāo)準(zhǔn)，通常的谷物條播機(jī)每米工作幅寬的肥料箱容積為50 L～90 L?？紤]到一體機(jī)需采用三點(diǎn)懸掛的方式，同時進(jìn)行禾豆間作，因此采用雙肥箱分左右兩邊安置的方式。

4 結(jié)論

1）結(jié)合農(nóng)藝要求，以實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)為目標(biāo)，提出耕整播一體機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，初步確定一體機(jī)作業(yè)技術(shù)參數(shù)并闡明其結(jié)構(gòu)與工作原理。

2）分析并計(jì)算了一體機(jī)作業(yè)過程中各功能部件的功率消耗，得出一體機(jī)工作所需拖拉機(jī)功率為95.93 kW，選擇約翰迪爾6E-1404拖拉機(jī)作為配套動力機(jī)具，結(jié)合作業(yè)參數(shù)可知，選擇的拖拉機(jī)能夠滿足一體機(jī)的工作需要。

3）通過理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了深松鏟側(cè)面階梯施肥槽導(dǎo)曲線的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合深松鏟設(shè)計(jì)與農(nóng)藝要求，確定深松鏟參數(shù)為l=150 mm，h=300 mm，ω=120°，ε=26°，S=35 mm，L=260 mm；明確了影響階梯施肥裝置肥料顆粒運(yùn)動的主要因素，肥料顆粒受到的合力Fr隨著分肥管向下傾斜角β的增大而減小，確定β的取值范圍為50°～64°，分析一體機(jī)肥箱設(shè)計(jì)影響因素并確定作業(yè)容積區(qū)間為50 L～90 L。