2 FH—2 型水稻側(cè)深施肥機的設(shè)計及試驗

黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院牡丹江分院 孫振雨

水稻側(cè)深施肥技術(shù)是指應(yīng)用安裝于水稻插秧機的側(cè)深施肥機在插秧過程中將顆粒肥撒施于水稻秧苗側(cè)方3—5 厘米、泥面以下3—5 厘米處的過程。該技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)精確減量施肥，提高肥料利用率，減少肥效流失，利于水稻根系對肥料的吸收，減少因過量施肥所帶來的各種污染，降低農(nóng)戶人工撒肥勞動強度和作業(yè)成本。據(jù)對比分析，在降低肥料用量20%的情況下，側(cè)深施肥方式對照常規(guī)施肥的產(chǎn)量同比增長15.4%，每畝平均增產(chǎn)效益為298 元，節(jié)本效益為20.42 元，綜合效益為318.42 元。

本文設(shè)計一種安裝應(yīng)用于久保田乘坐式高速插秧機（SPV-6CMD）的水稻側(cè)深施肥機，實現(xiàn)水稻側(cè)深施肥技術(shù)的應(yīng)用、推廣，為農(nóng)業(yè)“三減”提供助力。

一、整機結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)

1. 整機結(jié)構(gòu)。2FH—2 型水稻側(cè)深施肥機結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由固定架、肥料箱、排肥器、挺桿驅(qū)動系統(tǒng)、開溝覆泥系統(tǒng)等幾部分組成。

圖1 2FH-2 型水稻側(cè)深施肥機結(jié)構(gòu)示意圖

其中挺桿驅(qū)動系統(tǒng)為核心工作部件，該系統(tǒng)將插秧機回轉(zhuǎn)分插機構(gòu)作業(yè)轉(zhuǎn)化為排肥器工作動力，為水稻側(cè)深施肥機工作提供動力；排肥器為主要工作部件，將肥料箱內(nèi)肥料排出，通過排肥管落于施肥溝內(nèi)；開溝覆泥系統(tǒng)為主要工作部件，完成在泥面開設(shè)肥料溝和泥土回填、埋覆肥料的工作。

2. 主要技術(shù)指標(biāo)。

外形尺寸（mm）：1776×260×662

施肥行數(shù)：6

整機質(zhì)量（kg）：30

施肥量調(diào)整范圍（kg/hm2）：0—500

驅(qū)動方式：機械式

肥箱容積（l）：27

肥料與秧苗距離（cm）：3

肥料溝深度（cm）：3—5

二、工作原理

水稻側(cè)深施肥機固定安裝于久保田乘坐式高速插秧機（SPV-6CMD）后部的回轉(zhuǎn)分插機構(gòu)上，插秧機插秧作業(yè)時栽植臂回轉(zhuǎn)插秧，固定在栽植臂側(cè)面的秧針側(cè)板隨栽植臂回轉(zhuǎn)運動。排肥器安裝固定于肥料箱底部；固定架安置于插秧機鏈輪箱上部，并通過螺栓固定連接；肥料箱放置在固定架的肥箱托板上，并通過螺栓固定連接。

插秧機插秧作業(yè)時，秧針側(cè)板回轉(zhuǎn)運動，帶動挺趕驅(qū)動系統(tǒng)。挺趕驅(qū)動系統(tǒng)一端的關(guān)節(jié)軸承與秧針側(cè)板固定連接，另一端的單向軸承與排肥器軸固定連接。挺趕驅(qū)動系統(tǒng)圍繞排肥器軸擺動，驅(qū)動排肥輪轉(zhuǎn)動，排肥輪將肥料由排肥器下端排出。肥料沿施肥管經(jīng)導(dǎo)肥管落入開溝器開設(shè)出的肥料溝內(nèi)。

開溝覆泥系統(tǒng)的開溝器安裝固定于插秧機浮舟底部，隨插秧機插秧前進過程中在秧苗側(cè)面3cm處開設(shè)出5cm 深的肥料溝；覆泥器安裝固定于插秧機浮舟底部，隨插秧機插秧前進過程中推擠泥土，將施過肥料的肥料溝填埋，把肥料用泥土覆蓋。

旋轉(zhuǎn)調(diào)肥把手控制施肥量大小。

三、關(guān)鍵部件的設(shè)計

1. 挺桿驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。挺桿驅(qū)動系統(tǒng)為水稻側(cè)深施肥機的核心工作部件，為水稻側(cè)深施肥機工作提供動力，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該系統(tǒng)將插秧機回轉(zhuǎn)分插機構(gòu)回轉(zhuǎn)動作轉(zhuǎn)化為排肥器工作動力，從而驅(qū)動排肥器工作排出肥料。

圖2 挺桿驅(qū)動系統(tǒng)示意圖

挺桿驅(qū)動系統(tǒng)主要由關(guān)節(jié)軸承、挺桿、U 型件、凸輪、單向軸承、頂絲等組成。

秧針側(cè)板安裝固定于栽植臂側(cè)部，隨回轉(zhuǎn)分插機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。秧針側(cè)板設(shè)置有偏心偏位圓形孔，挺桿驅(qū)動系統(tǒng)通過關(guān)節(jié)軸承固定安裝于秧針側(cè)板，另一端安裝固定于排肥器驅(qū)動軸。插秧機插秧作業(yè)時，分插機構(gòu)旋轉(zhuǎn)工作，栽植臂側(cè)面固定的秧針側(cè)板上圓形孔繞秧針側(cè)板中心點做圓周運動，帶動關(guān)節(jié)軸承繞秧針側(cè)板中心點做圓周運動，推動凸輪以排肥器軸往復(fù)運動，單向軸承穿過排肥器軸，與軸通過平鍵連接，外側(cè)由卡簧限位固定。單向軸承由頂絲固定安裝于凸輪內(nèi)部。單向軸承為單向工作特性，當(dāng)挺趕向前推動時不工作，向下拉動時帶動排肥器軸轉(zhuǎn)動，排肥器軸帶動排肥輪轉(zhuǎn)動，將肥料排出，實現(xiàn)驅(qū)動排肥器作業(yè)。

凸輪工作擺角如圖3 所示。由于施肥機施肥與插秧機插秧同步完成，所以挺桿的擺動幅度一定程度上決定了施肥機的施肥量上限。當(dāng)排肥器排肥輪開度最大時，挺桿驅(qū)動系統(tǒng)的工作幅度越大排肥量越大，反之亦反。挺桿驅(qū)動系統(tǒng)的作業(yè)效率由排肥器軸位置、凸輪孔中心距和挺趕長度共同影響。排肥器軸位置根據(jù)機架的設(shè)計確定，凸輪孔中心距、挺桿長度由設(shè)計者給定，且應(yīng)該在有效范圍內(nèi)，不可過長或者過短。

圖3 凸輪擺角示意圖

根據(jù)三角形邊角關(guān)系有：

已知AD=24.2mm，δ=66.87°，本機設(shè)計的排肥器軸位置為秧針側(cè)板中心距離174mm，高度400mm；凸輪孔中心距（BC）85mm，挺桿長度200mm，則BD=436.1mm，AC=399.6mm。將數(shù)據(jù)帶入公式（1）、（2）、（3），計算得θ=65.56°。

應(yīng)用MATLAB 軟件，將δ 作為自變量，AD、AB、BC 等數(shù)據(jù)作為已知量，θ 作為因變量，做出δ—θ變化關(guān)系，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 δ—θ 變化關(guān)系

2.排肥器的設(shè)計。排肥器結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要由殼體、調(diào)肥片、排肥輪、卸肥把手等組成。

圖5 排肥器結(jié)構(gòu)

排肥器固定安裝于肥料箱底部，肥料在重力作用下由肥料箱出口落入排肥器，挺桿驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動排肥軸間歇轉(zhuǎn)動，排肥軸帶動排肥槽轉(zhuǎn)動，隨著排肥槽轉(zhuǎn)動，強制層的肥料和帶動層的肥料由排肥器底部排出，肥料沿排肥管落入肥料溝內(nèi)，完成施肥作業(yè)。

殼體由塑料澆鑄而成，左右對稱安裝，質(zhì)量輕，強度好。工作過程中應(yīng)避免較大沖擊，以免造成損壞。

排肥輪采用外槽輪式，結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性廣。排肥器采用6 槽塑料排肥輪，排肥量主要取決于槽輪的工作長度和轉(zhuǎn)速。為保證排肥穩(wěn)定性好，設(shè)計槽輪工作長度60mm，排肥軸轉(zhuǎn)速25—70r/min。

通過橫向改變調(diào)肥片位置調(diào)整遮擋排肥槽長度控制排肥量，遮擋長度越大排肥量越小，反之亦反；施肥結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)卸肥把手并取下，剩余肥料由此處排出，方便快捷。

3.開溝覆泥系統(tǒng)的設(shè)計。開溝覆泥系統(tǒng)主要包含開溝器（圖6）和覆泥器（圖7）兩部分。

圖6 開溝器

圖7 覆泥器

開溝器的作用是在秧苗側(cè)方的3cm 處開出深度為3—5cm 的肥料溝，用來容納撒施的肥料；覆泥器的作用是在插秧機前進過程中擠推泥土將肥料溝填覆，將肥料掩埋。

開溝器采用塑料材質(zhì)澆筑而成，根據(jù)插秧機浮舟形狀設(shè)計，入泥端設(shè)計為圓滑形狀，降低摩擦阻力，解決掛草問題。

覆泥器采用304 材質(zhì)制造，保證堅固耐用的同時降低質(zhì)量和制造成本。

四、田間試驗

水稻側(cè)深施肥機于2018 年在寧安市響水村進行了田間試驗。該機在使用過程中運行平穩(wěn)，施肥安全可靠、施撒均勻、調(diào)肥方便、覆泥高效完全，達到了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，受到了農(nóng)戶好評。

作業(yè)照片

1.試驗條件。

肥料選擇：水稻顆粒肥，直徑2—4mm；

插秧速度：1m/s；

施肥量：300kg/hm2。

2. 注意事項。

1）插秧機行駛通過田埂時，應(yīng)將回轉(zhuǎn)分插機構(gòu)升起，避免開溝器后部導(dǎo)肥管被泥土堵塞，出現(xiàn)肥料無法準(zhǔn)確下落問題。

2）隨時查看測深施肥機工作狀況，發(fā)現(xiàn)下肥管有堵塞情況，立即停車處理，處理結(jié)束后繼續(xù)插秧作業(yè)。

3）前期打漿處理，將秸稈處理干凈，避免開溝器處秸稈堆積導(dǎo)致推苗情況發(fā)生，如發(fā)生推苗情況應(yīng)立即停車處理。

3.結(jié)論。設(shè)計的水稻側(cè)深施肥機可一次性完成開溝、施肥、覆泥工作，在插秧作業(yè)時同步完成施肥作業(yè)，充分發(fā)揮了水稻側(cè)深施肥技術(shù)優(yōu)勢，減少了化肥使用量。

該機田間試驗過程中，整機運行平穩(wěn)，按量施肥；通過田間試驗驗證了設(shè)計的合理性和可行性，同時也證明該機可作為水稻側(cè)深施肥技術(shù)推廣應(yīng)用機具。