水稻機(jī)插秧同步智能側(cè)深施肥裝置研究現(xiàn)狀與展望

張雅蓉，謝方平，2，符志勇，鄭鵬，劉大為，2，王修善，2

（1.410128 湖南省 長(zhǎng)沙市 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.410128 湖南省 長(zhǎng)沙市 智能農(nóng)機(jī)裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

水稻是我國(guó)主要糧食作物。水稻種植過(guò)程中施用適量化肥能有效提高水稻產(chǎn)量[1]。我國(guó)施用方式是人工在地表撒施化肥，再利用旋耕機(jī)將表層土壤與肥料混合，進(jìn)行全層施用，或采用鏵式犁對(duì)地表的翻伐作用將肥料施入犁底層。這種先撒肥后旋耕或耕翻的施用方法造成了肥料無(wú)序投送、施用量大和利用率低等問(wèn)題[2]。水稻側(cè)深施肥技術(shù)較拋撒施肥方式能有效提高肥料利用率，在縮短緩苗期、促進(jìn)水稻根部生長(zhǎng)、增加水稻產(chǎn)量的同時(shí)，減少了施肥次數(shù)和肥料用量，降低了人工投入和養(yǎng)分損失，從而促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展。而側(cè)深施肥技術(shù)的實(shí)行需要農(nóng)業(yè)機(jī)械配合，施肥機(jī)將肥料施入距離秧苗3～5 cm、深度4～6 cm 的位置，并覆蓋泥漿以避免肥料漂移。近年來(lái)，我國(guó)關(guān)于側(cè)深施肥裝置的研究不斷深入，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的問(wèn)題進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，取得顯著成果。為我國(guó)水稻機(jī)插秧同步側(cè)深施肥機(jī)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3-4]。

水稻側(cè)深施肥技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合，對(duì)水稻種植模式和農(nóng)機(jī)設(shè)施提出了更高的要求。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外施肥裝置的研究現(xiàn)狀，特別是施肥整機(jī)、排肥部件結(jié)構(gòu)、排肥方式等方面進(jìn)行總結(jié)，對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望，為水稻側(cè)施肥裝置的研發(fā)提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外典型機(jī)具

1.1 歐美肥料撒施機(jī)

在歐美國(guó)家，主要采用旱直播種植方式，施肥工作依靠大型撒施機(jī)完成，分為離心式和氣力式撒肥機(jī)，離心式用于施撒固態(tài)肥料，氣力式用于施撒液態(tài)肥料[5-6]。法國(guó)庫(kù)恩公司生產(chǎn)的AXIS 50.1W 型撒肥機(jī)，幅寬達(dá)50 m，駕駛員在駕駛室可控制肥料在撒肥盤(pán)上的落點(diǎn)位置，作業(yè)效率達(dá)500 kg/min，作業(yè)速度可達(dá)20 km/h；美國(guó)約翰迪爾公司生產(chǎn)的4630 自走式噴肥機(jī)配備變量靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及噴桿和懸掛系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)可靠，施肥效率高[7]。

精準(zhǔn)變量施肥思想在歐美國(guó)家的旱田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已深入人心。作業(yè)機(jī)械進(jìn)行變量施肥通過(guò)2 種方式，一種是變量施肥處方圖的施肥決策數(shù)據(jù)；另一種是實(shí)時(shí)傳感器計(jì)算獲得施肥數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)在一定農(nóng)田區(qū)域內(nèi)施用指定量肥料。變量施肥設(shè)備已實(shí)現(xiàn)商品化，AG-Chem 公司對(duì)固體及液體2 種類(lèi)型肥料進(jìn)行變量施肥控制，由提前加載的變量施肥決策處方圖對(duì)多種肥料進(jìn)行變量施肥控制；美國(guó)生產(chǎn)的ACCU-PLANT 播種機(jī)施肥控制系統(tǒng)，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整施肥量，從而達(dá)到變量施肥的目的[8]。歐美國(guó)家對(duì)旱田作物的精準(zhǔn)施肥技術(shù)相比水田施肥更為成熟。

1.2 日韓同步側(cè)深施肥機(jī)

亞洲的水稻生產(chǎn)主要集中在中國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)，在水稻生產(chǎn)機(jī)械研究方面，日本一直處于領(lǐng)先地位。日本的側(cè)深施肥設(shè)備需安裝在插秧機(jī)上進(jìn)行作業(yè)，以久保田、井關(guān)、洋馬為代表的農(nóng)機(jī)企業(yè)進(jìn)行了深入研究，側(cè)深施肥設(shè)備與各自生產(chǎn)的插秧機(jī)配套使用，形成了成熟的系列化產(chǎn)品[9]，參見(jiàn)表1。在水稻精準(zhǔn)變量施肥研究中，日本側(cè)重于水稻秧苗過(guò)程的變量施肥，該技術(shù)尚未普及，小范圍試驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行多種化學(xué)肥料的變量施肥。

表1 國(guó)外水稻側(cè)深施肥典型機(jī)具及應(yīng)用Tab.1 Typical tools and applications of foreign rice side deep fertilization

1.3 國(guó)內(nèi)側(cè)深施肥機(jī)械

我國(guó)于20 世紀(jì)60 年代展開(kāi)了側(cè)深施肥技術(shù)及相關(guān)設(shè)備的研究[10]，研制了多種水田深施肥機(jī)具，但難滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需求。近年來(lái)水稻側(cè)深施肥技術(shù)成為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的主推技術(shù)，水稻施肥機(jī)械研究進(jìn)度加快。相關(guān)科研機(jī)構(gòu)及企業(yè)研發(fā)了水稻施肥使用的設(shè)備，市場(chǎng)上已出現(xiàn)多款水稻深施肥機(jī)產(chǎn)品。南通富來(lái)威2ZG-6DMF 型、浙江億森2FH-1-8A 側(cè)深施肥機(jī)與乘坐式高速插秧機(jī)聯(lián)用，側(cè)深施肥裝置均采用槽輪排肥器，壓縮空氣噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與插秧同步定距側(cè)深施肥。湖南龍舟研發(fā)的2FH 系列水稻插秧同步精量施肥機(jī)，采用螺桿強(qiáng)制推肥機(jī)構(gòu)對(duì)肥料進(jìn)行輸送，實(shí)現(xiàn)了水田定位深施肥，保證了施肥量可調(diào)；浙江錦禾的側(cè)深施肥機(jī)采用縱型篩盤(pán)滾筒和氣吹形式進(jìn)行肥料輸送，旋鈕調(diào)節(jié)排肥量，76 L 的肥料箱滿(mǎn)足大區(qū)域作業(yè)。

2 結(jié)構(gòu)原理與關(guān)鍵部件

2.1 典型結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1.1 典型結(jié)構(gòu)

施肥裝置包括肥料箱、排肥部件、輸送部件。水稻側(cè)深施肥機(jī)按裝配方式分為一體式和分體式，一體式與水稻插秧機(jī)裝配銷(xiāo)售，動(dòng)力直接提供至排肥裝置，售后服務(wù)方便，施肥量易調(diào)節(jié)，但難以適應(yīng)多種行距的種植模式；分體式適用于6 行或8行的種植模式，通過(guò)卡簧等連接插秧機(jī)，安裝繁瑣。

2.1.2 工作原理

側(cè)深施肥裝置按輸送形式可分為氣吹式、機(jī)械式、電控螺旋式3 種。

（1）氣吹式

施肥裝置多采用氣吹式輸送肥料。水田環(huán)境中利用氣力輸送肥料會(huì)因排肥管路長(zhǎng)且曲折，水和泥漿倒灌導(dǎo)致雍堵，難以精量排肥。左興健等[11]設(shè)計(jì)了風(fēng)送式施肥裝置，如圖1 所示，氣體經(jīng)過(guò)鼓風(fēng)機(jī)壓縮后送至風(fēng)送輸肥管，氣流與肥料顆粒混合，由排肥管、排肥口在氣流和重力的作用下進(jìn)入下肥口，最終落至已插秧苗側(cè)位的矩形溝槽中。

圖1 氣力輸送系統(tǒng)Fig.1 Pneumatic conveying system

（2）機(jī)械式

作業(yè)時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋輸送器轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而啟動(dòng)電動(dòng)排肥器，槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)將肥料從肥箱排出至排肥部件中，控制器調(diào)節(jié)電動(dòng)排肥器轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)整排肥量[12]。陳長(zhǎng)海[13]研發(fā)的可裝配水田螺旋式側(cè)深施肥裝置如圖2 所示，配合插秧機(jī)一次性完成開(kāi)溝、側(cè)深施肥、覆泥、插秧等作業(yè)。

圖2 螺旋式攪龍式側(cè)深施肥裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of spiral auger side deep fertilization device

（3）電控螺桿式

電控螺桿式由電子智能控制裝置設(shè)定排肥量，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)強(qiáng)制排肥。王金峰等[14]利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋式排肥器，如圖3 所示，肥料顆粒隨著排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)避免脈沖現(xiàn)象，氣力輸送保持排肥均勻性。電控螺旋桿強(qiáng)制輸送肥料入泥，防止肥料與水面直接接觸，使用傳感器、閉環(huán)控制系統(tǒng)控制各行螺旋轉(zhuǎn)速。肥料深施入泥，使水稻側(cè)深施肥機(jī)械達(dá)到減施增產(chǎn)效果。

圖3 電控螺桿式排肥電子智能控制裝置Fig.3 Electronic intelligent control device for electronically controlled screw fertilizer drainage

2.2 關(guān)鍵部件

排肥器是水稻施肥裝置的關(guān)鍵組成部件，排肥器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理對(duì)施肥的精度控制、機(jī)具的工作質(zhì)量、化肥的利用率以及水稻產(chǎn)量、裝置排肥效果產(chǎn)生直接影響，常用水稻排肥裝置可分為槽輪式、螺旋式2 種方式。

2.2.1 槽輪式排肥器

我國(guó)多采用外槽輪排肥器。排肥器需保證排肥性能好、通用性好、可調(diào)節(jié)排肥量；可適應(yīng)各類(lèi)品種、不同密度的化肥及作業(yè)環(huán)境；降低排肥作業(yè)前進(jìn)速度和地形等因素的影響[15]。常見(jiàn)外槽輪式排肥器由排肥盒、外槽輪、排肥舌、阻塞套和花擋圈構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施肥均勻性好，用于排流動(dòng)性強(qiáng)的松散化肥及復(fù)合顆粒肥。但其自身結(jié)構(gòu)的原因會(huì)導(dǎo)致排肥過(guò)程不連續(xù)，產(chǎn)生脈動(dòng)，影響排肥。

頓國(guó)強(qiáng)等[16]利用雙齒輪的齒脊和齒槽保持一定間隙以確保排肥均勻性，并降低脈動(dòng)影響，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。方龍羽等[17]對(duì)外槽輪排肥器進(jìn)行了改進(jìn)，縮小槽與槽之間的脊寬，提高了排肥均勻性。

圖4 雙齒輪式排肥器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of double gear type fertilizer discharger

2.2.2 螺旋式排肥器

螺旋推進(jìn)式排肥裝置將肥料通過(guò)螺旋桿強(qiáng)制輸送至泥中，防止肥料與水接觸導(dǎo)致肥效損失。作業(yè)時(shí)，動(dòng)力傳至排肥器軸，帶動(dòng)螺旋運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而將化肥輸送至排肥口，肥料從輸肥管排出。排肥量通過(guò)調(diào)節(jié)排肥口的大小確定，也可通過(guò)調(diào)節(jié)軸的轉(zhuǎn)速控制。螺旋推進(jìn)式側(cè)深施肥裝置排肥穩(wěn)定、均勻性好[18]。

為了降低肥料顆粒形態(tài)對(duì)排肥裝置性能的影響，陳雄飛等[19]設(shè)計(jì)了2 級(jí)螺旋排肥裝置，如圖5 所示。利用左右穩(wěn)流輸送螺旋提供足夠肥料傳至料口，防止攪拌箱中肥料起拱架空，2 級(jí)排肥螺旋確保肥料精量排出，但排肥量脈動(dòng)變化以及肥料卡滯問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。

圖5 2 級(jí)螺旋裝置排肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the structure of fertilizer discharge device of two-stage screw device

2.2.3 其他形式排肥器

當(dāng)前水稻施肥排肥器主要是以螺旋式和外槽輪式為主，同時(shí)新的排肥器結(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn) ：（1）葉片式排肥器排肥量穩(wěn)定均勻，滿(mǎn)足精量排肥要求，但零件尺寸參數(shù)及零件配合條件高[20]；（2）圓盤(pán)式排肥器通過(guò)更換不同孔徑圓盤(pán)和調(diào)節(jié)齒輪轉(zhuǎn)速控制施肥量，依靠肥料自身重力落肥，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝精密度高、配件易磨損，參見(jiàn)圖6。（3）滑槽回轉(zhuǎn)式排肥器工作時(shí)，肥料顆粒落至排肥圓盤(pán)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥器圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)圓盤(pán)裝置與上殼體弧形槽接觸進(jìn)行滑槽運(yùn)動(dòng)，伴隨滑槽的引導(dǎo)，肥料顆粒推離圓盤(pán)，避免肥料顆粒因潮解、堵塞而難以排出[21]。

圖6 圓盤(pán)頂出式排肥器Fig.6 Disc ejector drain

3 典型問(wèn)題與研究方法

3.1 典型問(wèn)題

排肥裝置使用環(huán)境潮濕，肥料顆粒易潮解、粘結(jié)，作業(yè)過(guò)程易出現(xiàn)的問(wèn)題：施肥箱輸送管易堵塞斷肥，肥料施肥深度不夠，肥料易堵塞，風(fēng)力太小，影響排肥裝置穩(wěn)定性及均勻性；裝卸過(guò)程復(fù)雜及安裝側(cè)深施肥裝置后插秧機(jī)動(dòng)力不足、易陷田、轉(zhuǎn)彎及過(guò)田埂困難、排肥效率下降等。

3.2 研究方法

排肥裝置不同結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)置都會(huì)影響排肥的均勻性、穩(wěn)定性，需對(duì)排肥裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究與優(yōu)化。排肥裝置中肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀況及受力情況需設(shè)計(jì)、搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，但不適用于周期短的項(xiàng)目；借助計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，可縮短設(shè)計(jì)周期、降低費(fèi)用。

3.2.1 離散元仿真

采用離散單元法建模技術(shù)，對(duì)整個(gè)排肥過(guò)程進(jìn)行研究，得出不同肥料顆粒在不同排肥裝置下的工作效率；針對(duì)裝置作業(yè)參數(shù)（速度、螺距、槽輪直徑等）對(duì)排肥穩(wěn)定性及均勻性的影響進(jìn)行研究；針對(duì)裝置在不同參數(shù)條件下通過(guò)單因素仿真試驗(yàn)及均勻試驗(yàn)，得到各參數(shù)與各項(xiàng)排肥指標(biāo)的關(guān)系。

施印炎等[22]建立了外槽輪式變量施肥機(jī)的仿真模型，利用離散單元法和EDEM 軟件對(duì)施肥機(jī)排肥過(guò)程進(jìn)行性能分析和數(shù)值模擬，研究排肥器結(jié)構(gòu)和控制方式對(duì)排肥穩(wěn)定性的影響。王鵬宇等[23]基于EDEM 對(duì)垂直螺旋式排肥器模型及肥料的離散元為研究目標(biāo)，對(duì)排肥過(guò)程進(jìn)行模擬分析，以?xún)?yōu)化排肥器整體結(jié)構(gòu)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

離散元仿真可直接獲得試驗(yàn)中肥料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、受力等參數(shù)，有助于排肥裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但需提高仿真模型建立的精度，讓仿真更接近于實(shí)際情況。

3.2.2 氣固兩相流

EDEM 離散元仿真與 Fluent 流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件已應(yīng)用于農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)，EDEM-Fluent 氣固兩相流耦合仿真可模擬排肥裝置中肥料的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有助于研究肥料在排肥裝置中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、改進(jìn)并提高排肥裝置的各項(xiàng)性能。。

李立偉等[24]通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)和離散元耦合方法對(duì)氣送式水稻施肥機(jī)的氣體肥料混合腔進(jìn)行數(shù)值模擬，分析氣體和肥料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究各因素對(duì)肥料排出速率的影響。楊慶璐等[25]在氣固耦合模型中，通過(guò)研究分配器旋蓋錐角和波紋管直徑對(duì)氣流壓力、風(fēng)速及肥料顆粒運(yùn)動(dòng)特性的影響，確定分肥裝置最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，并基于該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究入口風(fēng)速和施肥速率對(duì)分肥裝置分肥均勻性的影響。

4 發(fā)展趨勢(shì)

我國(guó)水稻施肥方面的研究投入逐漸加大，國(guó)內(nèi)學(xué)者從施肥技術(shù)、施肥方法、排肥器性能優(yōu)化與輔助分析、導(dǎo)航與精準(zhǔn)施肥等方面均進(jìn)行了深入研究，并取得了一定成果。這些成果雖然解決了一些特定作業(yè)條件下的問(wèn)題，但在具體作業(yè)過(guò)程中仍存在排肥穩(wěn)定性和均勻性較差、排肥管易堵塞等問(wèn)題。

（1）通用性方面。不同廠(chǎng)家的農(nóng)業(yè)機(jī)具可匹配其他廠(chǎng)家的施肥裝置，也可根據(jù)需要任意改變、拆裝施肥裝置，滿(mǎn)足水田、旱地施肥作業(yè)需求。

（2）智能化方面。施肥裝置中施肥量、螺旋軸轉(zhuǎn)速、排肥穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與顯示，自動(dòng)調(diào)整施肥工作參數(shù)，使作業(yè)效率維持在良好范圍。

（3）高性能方面。水稻側(cè)深施肥技術(shù)的發(fā)展需深入研究施肥裝置的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、肥料與施肥裝置耦合過(guò)程，在理論指導(dǎo)下提高水稻側(cè)深施肥機(jī)性能及效率。