3ZT-3型中耕追肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李楠楠，劉宏俊，趙淑紅，譚賀文，張先民，楊悅乾

(1.華北光電技術(shù)研究所，北京　100015；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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3ZT-3型中耕追肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李楠楠1，劉宏俊2，趙淑紅2，譚賀文2，張先民2，楊悅乾2

(1.華北光電技術(shù)研究所，北京100015；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：針對(duì)中耕追肥機(jī)動(dòng)力功耗大、除草效果不好和肥料利用率不高等問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)有的中耕機(jī)械技術(shù)，研制出3ZT-3型中耕追肥機(jī)。該機(jī)通過(guò)施肥鏟和前后松土鏟，可以分別完成壟幫兒施肥和壟溝分層松土除草。為此，主要論述了追肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)、工作原理和主要工作部件的設(shè)計(jì)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為5.4%，各行排肥量一致性最大變異系數(shù)為6%，行間雜草除凈率為95%，其它各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，能滿足實(shí)際工作需求。

關(guān)鍵詞：中耕；追肥；施肥鏟；松土；除草

0引言

由于農(nóng)作物在生長(zhǎng)期對(duì)肥料和養(yǎng)分的需求大，需要進(jìn)行中耕追肥作業(yè)。中耕通過(guò)疏松土壤，有效改善土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤的透氣率和透水性提高土壤蓄水抗旱的能力，消滅雜草，有效地解決在保護(hù)性耕作下土壤變硬和容重增大等問(wèn)題[1-4]。中耕追肥是保證穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)不可缺少的重要措施[5]。

廣泛應(yīng)用于保護(hù)性耕作區(qū)生產(chǎn)作業(yè)的中耕追肥機(jī)屬于中耕機(jī)械[6]。雖然傳統(tǒng)的機(jī)具能滿足工作要求[7]，但也存在一些問(wèn)題[8]。這些機(jī)具往往是根據(jù)某一單一作物的種植，并且結(jié)合當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物要求設(shè)計(jì)制造，通用性差[9]，不能同時(shí)滿足不同作物追肥的需求。同時(shí)，傳統(tǒng)的中耕追肥機(jī)采用松土作業(yè)時(shí)，功耗較大、工作阻力和動(dòng)土量大，容易產(chǎn)生大的土塊兒壓苗。在追肥作業(yè)時(shí)，施肥不均勻，肥料覆蓋率低，造成肥料的浪費(fèi)及作物吸收不足。

為此，針對(duì)中耕追肥作物對(duì)肥料吸收不足、深松功耗大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了3ZT-3型中耕追肥機(jī)，能分別完成壟幫兒施肥和壟溝分層松土除草等中耕作業(yè)。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

3ZT-3型中耕追肥機(jī)整機(jī)主要由機(jī)架、仿形機(jī)構(gòu)、肥箱、單體梁、松土除草部件及施肥鏟、傳動(dòng)地輪等組成，如圖1所示。該機(jī)具主要參數(shù)如表1所示。

表1　3ZT-3型中耕追肥機(jī)主要參數(shù)

1.2　工作原理

3ZT-3型中耕追肥機(jī)采用三行同時(shí)作業(yè)的耕作方式，可以分別完成中耕追肥和松土除草等作業(yè)。在進(jìn)行苗期壟溝松土?xí)r，仿形機(jī)構(gòu)通過(guò)限深輪控制每一個(gè)工作單體的作業(yè)深度，前后松土鏟在壟溝內(nèi)，進(jìn)行分層松土和除草作業(yè)，可以避免土壤產(chǎn)生垡塊而導(dǎo)致壓苗。

在追肥作業(yè)時(shí)，仿形機(jī)構(gòu)通過(guò)限深輪控制追肥機(jī)工作部件的入土深度，限深輪通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)外槽輪式排肥器排肥，肥料被排入施肥管中，順著施肥管進(jìn)入施肥鏟開出的肥溝內(nèi)。肥溝位于壟幫兒上，距苗行100mm以上。后面跟著的培土鏟對(duì)壟臺(tái)培土，掩埋肥料。這種追肥作業(yè)可增加土壤對(duì)肥料的覆蓋率，減少揮發(fā)損失，增加肥效，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。

1.機(jī)架　2.仿形機(jī)構(gòu)　3.肥箱　4.單體梁　5.后置松土除草鏟　6.施肥鏟　7.前置松土除草鏟　8.傳動(dòng)地輪

2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1　追肥機(jī)單體梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單體梁是安裝各個(gè)工作部件的載體，根據(jù)不同的作業(yè)要求各工作部件的安裝位置不同，所以單體梁的結(jié)構(gòu)非常重要。根據(jù)苗期壟溝分層松土，后期壟幫兒追肥封壟等作業(yè)要求，設(shè)計(jì)單體梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。單體梁縱向從前往后依次安裝限深輪、前置松土鏟及后置松土鏟。單體梁的側(cè)向有兩個(gè)輔助梁，用來(lái)安裝施肥開溝器。為避免作業(yè)時(shí)拖堆，兩個(gè)輔助梁前后錯(cuò)開300mm以上，為適應(yīng)600~700mm壟距，取每個(gè)輔助梁的長(zhǎng)度為250mm。

1.后置松土鏟位置　2.施肥鏟位置　3.前置松土鏟位置

在苗期壟溝松土?xí)r，采用單體梁前后放置松土除草鏟，通過(guò)控制前置松土鏟入土深度100mm左右和后置松土鏟入土深度150mm左右，實(shí)現(xiàn)分層松土除草，減少土壤垡塊，避免傷害秧苗；同時(shí)還把部分土壤推向壟臺(tái)，起到一定的修壟作用。

在追肥封壟作業(yè)時(shí)，卸下前置松土鏟，后置松土鏟安裝分土板，施肥鏟安裝在單體梁的輔助梁上，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整其具體位置；限深輪同時(shí)能起到傳動(dòng)作用，并通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)排肥器排肥。此時(shí)，單體梁上由前向后依次安裝有限深傳動(dòng)輪、左右施肥鏟及培土鏟。

2.2　施肥鏟

施肥鏟[10]主要由鏟尖和鏟柄組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要的參數(shù)有入土角α、入土隙角β和曲率半徑R。這種開溝部分采用銳角部分，能保證施肥鏟的入土能力，圓弧部分能降低土壤對(duì)鏟子的工作阻力。

1)施肥鏟入土角α。在施肥鏟破土?xí)r，其工作面與溝底面的夾角α為入土角。當(dāng)α較大時(shí)，土壤擾動(dòng)量增大，干濕土混合加劇，不利于肥料的溶解。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)入土角進(jìn)行了大量深入研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入土角α在0°~20°時(shí)，施肥鏟所受的土壤工作阻力小；當(dāng)入土角α>20°時(shí)工作阻力隨著α的增加而增加。在壟間中耕時(shí)，控制施肥鏟對(duì)土壤擾動(dòng)量，因此入土角α不宜過(guò)大，以免土壤干濕混合嚴(yán)重。考慮施肥鏟尖的強(qiáng)度、施肥鏟的寬度較小等實(shí)際情況，設(shè)計(jì)入土角α為39°。由于其寬度較小，所以具有較強(qiáng)的入土能力。施肥鏟尖的形狀影響到施肥鏟工作質(zhì)量的好壞，本設(shè)計(jì)所采用的鏟尖是圓弧狀，特點(diǎn)是鏟尖入土后，土壤有小距離的上升，然后進(jìn)入平緩期，使土壤的上升緩慢，盡量減小土壤的擾動(dòng)量，之后靠施肥鏟柄擠開土壤，形成肥溝。施肥鏟工作過(guò)后壟溝里有松散土壤，使其后面的培土鏟能夠把肥料覆蓋和往壟臺(tái)上培土，達(dá)到封壟作業(yè)效果。

2)入土隙角β。施肥鏟與土壤表面之間的夾角β為入土隙角。入土隙角β可以提高施肥鏟的入土能力。當(dāng)入土隙角β過(guò)小時(shí)，施肥鏟的入土能力不好，加速鏟尖的磨損速度；當(dāng)入土隙角β過(guò)大時(shí)，入土角要相應(yīng)增大，容易導(dǎo)致擾動(dòng)的土壤加速回落溝底,將影響開溝深度，且易造成化肥覆蓋深度過(guò)淺。根據(jù)相關(guān)農(nóng)業(yè)人員進(jìn)行的深入研究發(fā)現(xiàn)，入土隙角β應(yīng)在5°～10°之間。根據(jù)中耕追肥要求，設(shè)計(jì)入土隙角β= 8°。

3)曲率半徑R。施肥鏟鏟尖為圓弧式，曲率半徑R與入土角α呈一定的線性關(guān)系。若曲率半徑R過(guò)大會(huì)導(dǎo)致鏟尖的整體結(jié)構(gòu)過(guò)大，而當(dāng)曲率半徑R過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致入土角α過(guò)小，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度不夠。綜合考慮，取曲率半徑R=110mm。

4)鏟柄結(jié)構(gòu)。施肥鏟鏟柄的作用是把鏟尖和單體梁連接起來(lái)，要求具有一定的強(qiáng)度。同時(shí)，由于本機(jī)器的配套動(dòng)力較小，所以要求盡可能減輕質(zhì)量，綜合考慮，選擇30mm×50mm的矩形空心管來(lái)做施肥鏟鏟柄，施肥鏟柄長(zhǎng)度為500mm。矩形空心管在滿足強(qiáng)度要求時(shí)重量較輕，同時(shí)可以利用其空心部分作為輸肥管，即簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，又可以防止輸肥管在作業(yè)時(shí)發(fā)生輸肥管與開溝器脫離現(xiàn)象，保證施肥位置的準(zhǔn)確。

1.鏟柄　2.鏟尖

2.3　松土除草鏟

松土作業(yè)可以降低地表容重，獲得良好的土壤結(jié)構(gòu)，有利于作物生長(zhǎng)。3ZT-3型中耕追肥機(jī)主要是玉米的中耕管理和追肥封壟作業(yè)，采用的松土除草鏟可以實(shí)現(xiàn)分層松土作業(yè)。

松土除草鏟是由鏟尖、鏟柄組成，如圖4所示。松土除草鏟是該中耕追肥機(jī)的主要部件之一。松土除草鏟主要是松動(dòng)土壤，提高土壤內(nèi)部的疏松度，從而提高土壤的透氣性，同時(shí)提高土壤的蓄水保墑能力，利于作物生長(zhǎng)[11-12]。前松土除草鏟松土深度100mm，由于表層土壤比較疏松，100mm深度時(shí)土壤擾動(dòng)量小，土壤不易結(jié)塊；后松土鏟比前松土除草鏟深50mm，由于100~150mm土壤相對(duì)板結(jié)作業(yè)阻力較大，耗費(fèi)的動(dòng)力較大。由于前松土鏟作業(yè)時(shí)鏟尖留下的溝底較尖，在后松土鏟作業(yè)時(shí)土垡在應(yīng)力作用下沿中間尖部裂開，避免產(chǎn)生大的土塊兒而壓苗，同時(shí)減少了動(dòng)力消耗。在松土的同時(shí)剪斷雜草的根系，松土除草鏟使部分土壤上升至壟臺(tái)上，蓋住壟臺(tái)上的部分雜草，起到除草的作用。

1.鏟尖　2.鏟柄

鏟尖固定于鏟柄的前端，同時(shí)在追肥機(jī)作業(yè)時(shí)鏟柄固定于單體梁上，鏟柄可以更換不同類型的鏟尖。3ZT-3型中耕追肥機(jī)采用的是尖頭的鏟尖，固定于鏟柄上，當(dāng)鏟尖磨損或損壞時(shí)，可以方便更換。考慮到3ZT-3型中耕追肥機(jī)在中耕作業(yè)時(shí)土壤硬度大，土壤中石礫少，采用剛性鏟柄。如果在土壤粘度大、濕度大、雜草多的情況下，可以考慮更換彈性鏟柄。剛性鏟柄一般用扁鋼制造，下部彎成一定曲度，其前端圓滑。

本機(jī)采用目前生產(chǎn)使用較多的剛性鏟炳。

3田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1　試驗(yàn)條件

田間性能試驗(yàn)在黑龍江省哈爾濱市香坊區(qū)東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。

苗期壟溝分層松土試驗(yàn)為2015年6月10日，試驗(yàn)田為玉米壟作田。共平均壟距為650mm，土壤含水率為16.92%(0~100mm)；壟臺(tái)土壤堅(jiān)實(shí)度為0.96MPa(0~150mm)；壟溝土壤堅(jiān)實(shí)度為1.43MPa(0~150mm)；作業(yè)速度平均值為5 km/h。試驗(yàn)拖拉機(jī)為約翰迪爾324輪式拖拉機(jī)。作業(yè)面積2hm2，前置松土鏟作業(yè)深度100mm，后置松土鏟比前置松土鏟深50mm，沒有土垡壓苗情況。

追肥封壟試驗(yàn)是在同一地塊進(jìn)行，試驗(yàn)日期為2015年6月20日，試驗(yàn)用化肥為尿素的顆粒肥料。施肥開溝器入土深度70mm，兩開溝器橫向間距400mm，在試驗(yàn)過(guò)程中沒有拖堆現(xiàn)象，機(jī)器的通過(guò)性很好。

3.2　試驗(yàn)方法

根據(jù)《中耕追肥機(jī)》[13]中試驗(yàn)方法要求，進(jìn)行追肥機(jī)的相關(guān)性能試驗(yàn)。追肥機(jī)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

3.2.1除草率測(cè)定

隨機(jī)選擇6個(gè)測(cè)試區(qū)(長(zhǎng)2m和寬1.5m)測(cè)定作業(yè)前后行間區(qū)內(nèi)雜草的株數(shù)。具體的除草率公式為

式中c—除草率(%)；

Qz—耕前草株數(shù)；

Hz—耕后草株數(shù)。

3.2.2施肥量準(zhǔn)確測(cè)定

施肥前后需將肥箱內(nèi)化肥稱重。根據(jù)施肥公頃數(shù)計(jì)算實(shí)際公頃施肥量，則有

式中Zf—施肥量準(zhǔn)確度;

fs—實(shí)際施肥量(kg/hm2);

fy—預(yù)計(jì)施肥量(考慮滑移率)(kg/hm2)。

3.3　試驗(yàn)結(jié)果分析

追肥機(jī)性能測(cè)試結(jié)果參如表2所示。

表2　3ZT-3型中耕追肥機(jī)性能測(cè)試結(jié)果

1)由表2可知：3ZT-3型中耕追肥機(jī)的碎土率能達(dá)到89%，小土塊占大部分，大土塊很少，符合中耕作業(yè)對(duì)土壤的農(nóng)藝要求,能滿足中耕作業(yè)對(duì)碎土的要求；前后布置的松土鏟，對(duì)減少大的土垡作用明顯，追肥作業(yè)時(shí)施肥鏟又對(duì)壟幫進(jìn)行松土，土壤細(xì)碎，抑制了大土塊兒的產(chǎn)生。

2)各行耕深為肥溝溝底到土壤表面的距離。由表2可知：各行更深變異系數(shù)達(dá)到試驗(yàn)要求，耕深的穩(wěn)定性好，施肥作業(yè)時(shí)，施肥深度變化不明顯，符合農(nóng)藝要求。

3)由表2可知：3ZT-3型中耕追肥機(jī)的行間除草率能達(dá)到95%，除草效果好。

4)通過(guò)對(duì)排肥量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排肥量一致性最大變異系數(shù)和施肥量誤差均滿足中耕試驗(yàn)指標(biāo)要求。通過(guò)田間試驗(yàn)結(jié)果可以看出，3ZT-3型中耕追肥機(jī)排肥穩(wěn)定性好。

4結(jié)論

1)為了解決中耕追肥機(jī)動(dòng)力功耗大、除草效果不好及肥料利用率不高等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出3ZT-3型中耕追肥機(jī)。

2)3ZT-3型中耕追肥機(jī)通過(guò)壟幫施肥和前后松土除草鏟分層松土除草，降低動(dòng)力消耗，減少了中耕成本。該機(jī)通過(guò)施肥鏟和前后松土鏟，可以分別完成壟幫施肥和壟溝分層松土除草。

3)通過(guò)田間性能試驗(yàn)結(jié)果表明：3ZT-3型中耕追肥機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到農(nóng)藝生產(chǎn)要求，能滿足實(shí)際工作需求。

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Design and Experiment of the 3ZT-3 Cultivator Fertilizer Machine

Li Nannan1, Liu Hongjun2, Zhao Shuhong2, Tan Hewen2, Zhang Xianmin2, Yang Yueqian2

(1.Science and Technology on Solid-state Laser Laboratory, Beijing 100015, China；2 .College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In order to solve the problems of the crops absorbing insufficiently fertilizer, the large power consumption and the low weeding rate, the 3ZT-3 cultivator fertilizer machine was designed. The machine which had the fertilizer shovel and the scarification and weeding shovel was suitable for the cultivator ridging tillage. The machine could complete side deep fertilizing on the ridging platform and stratified scarification and weeding on the ridging furrow by one time. This article mainly discussed the structure of the machine, working principle and the design of the main working parts. The results of the field experiment showed that the total displacement stability coefficient of variation was 5.4%, each row fertilizer consistency maximum coefficient of variation of 6%, inter row weeds in addition to the net rate of 95%, other the technical performance indicators were in line with the design requirements. Experimental results show that this machine can meet the practical needs of the work.

Key words：cultivator; fertilizer shovel; scarification; weeding

中圖分類號(hào)：S224.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0181-05

作者簡(jiǎn)介：李楠楠(1982-)，男，北京人，工程師，(E-mail)linannan@sina.com。通訊作者：趙淑紅(1969-)，女，哈爾濱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)shhzh91@sina.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD11B01-02)

收稿日期：2015-11-19