輪盤式液態肥穴播深施機設計與試驗研究

楊自棟，王廷恩，蘭 翼，趙桂虎

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輪盤式液態肥穴播深施機設計與試驗研究

楊自棟1，王廷恩1，蘭 翼2，趙桂虎3

(1.浙江農林大學 工程學院，浙江 臨安 311300；2.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100；3.中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000)

液態肥穴播深施是利用高壓液柱沖擊土壤，通過精確控制流體噴射進行肥料定向深施的一種農機農藝新方法。為此，設計并研制了一種輪盤式液態肥穴播深施機，并通過土槽試驗研究了液態肥穴播深施的可行性、成穴的基本規律及合適的工作參數范圍。設計的開穴施肥輪上分布著多個導流開穴器，當導流開穴器插入土壤后，端面凸輪控制其開啟，經過增壓的高壓液態肥沿導流開穴器射入土壤，解決了液態肥施肥過程中作業速度低、噴肥孔易堵塞及施肥量調節復雜等問題。研制了施肥機工作參數的試驗測試系統，通過正交試驗確定了其工作壓力、流量和轉速的最佳參數。試驗表明：當壓力取0.3MPa、節流閥開度為50%、轉速為30r/min(對應機具速度0.86m/s)時，施肥量可滿足設計要求。田間試驗表明：輪盤式液態肥穴播深施機對覆膜、秸稈覆蓋地、免耕地等作業環境有很強的適應性，比普通噴灑施肥節約肥料42%、提高作業效率30%以上。本研究為液態肥的深施肥作業機具研究和田間追肥農藝改進提供了參考。

液態肥；施肥機；開穴施肥輪；高壓射流；穴播

0 引言

國家統計局數據表明，2015年我國化肥產量為7 627.36萬t,比2014年增長了7.3%，而其利用率僅40%左右。為了有效降低過量施肥造成的土壤面源污染大、施肥效率低的現狀，農業部制訂了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》。方案提出：到2020年，必須基本遏制盲目施肥和過量施肥的現象，有效改變傳統施肥方式。目前，測土配方施肥、變量施肥、肥料深施緩控釋肥及加大有機肥利用和液態肥深施等措施是實現這一目標的關鍵。

相比于固態肥，液態肥有許多優點：①液態肥的價格只是固態肥價格的1/3左右。②液態肥的有效利用率很高，固態肥料需要很長時間溶解成液體才能被農作物吸收，在這個過程中固態肥中的某些營養元素揮發，真正被農作物吸收只有30%左右；液態肥的會被農作物直接吸收時間大大縮短，而且有效利用率也高很多，被農作物吸收大約80%以上。③液態肥的效果好，使用1t的液態肥相當于3t固態肥達到的效果，降低了肥料的使用量。④液態肥可以很方便地把各種營養元素根據農作物在生長過程中對各種元素的需要搭配成各種配比，然后通過變量施肥的方法使液態肥滿足農作物的所需要。使用液態肥可以提高肥料的有效利用率，有效解決很多固體肥料播施過程中出現的問題。

目前，國際液體肥料的生產和使用主要集中在北美和歐洲，占世界使用總量的70%左右，西歐占25%左右，部分發展中國家(如中國、印度等)也正在大力推進。

我國從20世紀50年代開始生產和使用液態肥，到現在每年使用液體肥料據初步統計約在30萬～40萬t。目前，普遍使用的液態施肥機械主要有3類：葉面肥噴施液肥設備、液體肥料滴灌設備和液態肥播施機械。液態肥播施機械又可分為懸掛式的液態氨施肥機械、牽引式的液態肥施肥機械、組裝式液態肥施肥機械。懸掛式液態肥施肥機械結構簡單、易拆裝、工作時很穩定，在我國使用推廣最多。

國外液態肥施肥機械發展很快，現有施肥機械工作寬度為19.8m，配套294kW的拖拉機，作業效率每16hm2/h。目前，很多研究集中在數字式控制裝置的研究上，用其來控制灌溉和肥料、農藥的噴灑，并在液態施肥機械設備上安裝GPS導航系統，可以控制液態肥出口的開、閉，集成地理信息系統可控制施肥過程。根據國情和不同地區的農藝要求，我國一些高校和科研院所研發了系列液態肥施肥機械，如東北農業大學研發了深施型液態施肥機具，運用全橢圓齒輪行星系扎穴機構完成扎穴施肥。目前，國內市場上液態肥施肥機械還有手持式施肥槍、曲柄連桿機構驅動的扎針式液肥深式機及變量噴灑機等，輪盤式液態肥穴播深施機是針對液態肥穴播深施和高速作業要求開發的新型高效液態施肥機械。

1 整機及關鍵工作部件的三維設計

1.1 2FDY-4型輪盤式液態肥深施機整機三維設計

輪盤式液態肥深施機整機由機架、液態肥加壓系統、液態肥施肥穴播深施裝置及懸掛裝置等幾部分組成，如圖1所示。

1.車輪 2.葉片泵 3.機架 4.施肥開關 5.高壓液肥管 6.液肥箱 7.溢流閥 8.導流開穴器 9.開穴施肥輪

該施肥機三點懸掛在拖拉機上，通過拖拉機動力輸出軸驅動葉片泵將液態肥輸入高壓肥管，機架后端安裝有單行浮動的開穴施肥輪；安裝在液肥輪上的端面凸輪隨著施肥輪的旋轉間歇啟閉施肥開關，控制高壓液態肥射入導流管并注入導流開穴器在地表上扎出的肥穴，從而實現等距、地表下及變量深施液肥的目的。隨著拖拉機的行走，安裝在機架上的開穴施肥輪的導流開穴器依次扎入地表，一方面完成施肥過程，另一方面實現自驅動，能很好地適應高速施肥作業的要求。

1.2 工作原理及工作過程

施肥系統由葉片泵、高壓肥管、溢流閥及開穴施肥輪組成。葉片泵由拖拉機動力驅動并將液態肥壓入安裝有調壓閥的高壓軸管，高壓軸管與開穴施肥輪的輪軸管連通，開穴施肥輪上等距徑向分布著多個導流開穴器。該導流開穴器起開穴和液體肥導流管的作用，導流開穴器的打開與關閉是由安裝在軸管上的端面凸輪控制的，當導流開穴器插入土壤后，端面凸輪控制活塞運動，打開開關使得高壓液態肥迅速沿導流開穴器射入土壤；當施肥量所對應的施肥時間到達后，由端面凸輪控制，使得高壓液態肥停止射入土壤，一次施肥過程結束。隨著輪子的轉動，當下一個導流開穴器接觸土壤時，重復上述過程，完成了等距、膜下、變量深施液肥的過程。通過調節彈簧壓力和施肥開關初始位置即可調節施肥深度和施肥量，并能將液態肥直接施入作物根系附近。在調整好拖拉機行進速度后，開穴器在地膜上開出的是與液肥導流管橫截圓面積接近的橢圓形膜孔，其面積不超過15cm2，對覆膜損傷小，且能適應秸稈還田的作業條件。上述作業效果可達到提高作業效率、增加肥效、增產增收及減少土壤污染的綜合效果。

1.3 導流開穴器的尺寸設計

開穴施肥輪的直徑和導流開穴器的數量是由穴施肥株距及施肥器頂端適宜的線速度決定的，初取液肥輪環直徑D=550mm，施肥株距要求280mm，則導流開穴器數量可計算為6個。液肥輪環是安裝在軸上的，而軸內要壓入高壓液肥，高壓液肥又經軸壁孔流入導流開穴器，最后由導流開穴器端口的噴肥孔噴入土壤中，所以關鍵就在于導流開穴器端口的噴肥孔。

噴肥孔的半徑直接關系到噴出的液肥壓力：噴出的液肥壓力過小將會導致噴口被土壤堵塞；噴出的液肥壓力過大又會使得土壤被噴出的液肥沖散，從而影響肥效，甚至損壞作物的根莖，影響作物生長。所以，設計導流開穴器的尺寸關鍵在于噴肥孔半徑的設計。噴肥孔的半徑直接關系到噴出的液肥壓力，現在的關鍵是到底噴出的液肥壓力要有多大才既不會導致噴口被土壤堵塞又不會使得土壤被噴出的液肥沖散。針對此問題，可以尋求液壓與傳動學方面的知識來解決這一難題。

現在來討論流經噴口截面的液肥流量、噴口的截面積、流經噴口截面的液肥流速這3個參量之間的關系。為了方便表示，可以先設出它們的表示符號：q為流經噴口截面的液肥流量；S為噴口的截面積；V為流經噴口截面的液肥流速。

根據液壓傳動基本理論可得

q=V×S

(1)

其中，V和q的值參考王金武等人所做的深施型液態施肥裝置試驗的結果，可確定適宜的施肥量q=60mL/次，機具行進速度V=0.86m/s，則單位時間內施肥的次數為0.86/(πD/6)=3次，則流經噴口截面的液肥流量q=3次×60mL/次=180mL/s。

S=A×t=πR2t

(2)

(3)

由此可確定出導流開穴器端口噴肥孔的直徑d=15.14mm，圓整后取為15mm。其結構如圖2所示。

圖2 導流開穴器

1.4 施肥輪的結構設計

根據施肥輪直徑550mm和噴肥孔的直徑d=15mm，可完成施肥輪的結構設計。施肥輪安裝在高壓軸管上，通過軸承支撐，在輪盤上設計有端面凸輪，端面凸輪隨著施肥輪的轉動依次推動施肥開關，從而控制液肥從軸壁孔的流出。在施肥輪上安裝有6個導流開穴器，它們固定在施肥輪上隨施肥輪上的軸承繞著輪軸轉動；施肥輪軸孔上均布著6個孔，連接著施肥輪上的導流開穴器。

輪軸內是高壓液肥且輪軸是固定的，施肥輪繞著輪軸轉動，當施肥輪上安裝的其中一個導流開穴器軸端孔與輪軸上的內壁孔對齊時，端面凸輪控制的閥芯移動，輪軸上的內壁孔打開，高壓液肥經輪軸上的內壁孔流入導流開穴器，最后經導流開穴器末端的噴肥孔噴入土壤中。施肥輪的結構簡圖如圖3所示。

圖3 施肥輪的結構簡圖

2 試驗系統軟硬件設計

為進行輪盤式液態肥施肥機的性能試驗，設計了一個STC89RC52為主控器試驗數據采集與處理系統。該系統以TLC1594為核心，以I/V轉換模塊、壓力傳感器、流量傳感器等為主要外圍元件，具有顯示直觀、快捷及使用方便可靠等優點。

該采集系統功能由硬件和軟件兩大部分協調完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉換及各種信息的顯示等；軟件主要完成信號的處理及控制任務。測量系統工作原理：51單片機依次查詢各傳感器的輸出信號(壓力、流量模擬傳感器輸出的模擬信號需要經過TLC1594進行模數轉換)，然后單片機對輸入信號進行相應處理后通過顯示模塊LCD12864顯示，以便記錄。

2.1 系統硬件設計

圖4為該測量系統硬件基本組成原理框圖。系統硬件主要包括以下幾個模塊：STC89RC52主控模塊、I/V轉換模塊(電流電壓轉換)、傳感器模塊、TLC1594模數轉換模塊、LCD12864顯示模塊及按鍵輸入模塊等。在完成了測量系統總體設計及其各個主要模塊的設計后所制作的測量系統實物如圖5所示，系統測量顯示模塊如圖6所示。

圖4 測量系統原理框圖

圖5 數據采集系統實物圖

圖6 試驗測試系統顯示模塊

2.2 系統軟件設計

試驗數據采集系統界面由開始界面、停止界面及初始化界面組成。為此，程序設置一個窗口變量wd_sec來表示各個界面。當wd_sec=0時，代表初始化界面，在此界面時所有的數據清零；當wd_sec=1時，代表開始界面，此時進行壓力和流量的測量；當wd_sec=2時，代表停止界面，此時停止測量并保存測量到的數據以便進行處理。

系統主程序主要完成硬件初始化及子程序調用等功能，其流程框圖如圖7所示。

圖7 測試系統程序流程圖

2.3 壓力射流施肥總流量累積算法

在進行壓力射流施肥流量的測量時，壓力的波動造成瞬時流量的不穩定，使總流量的計算變得復雜，因而設計了滿足試驗測量精度的積分算法。設瞬時流量為Vi，時間為Ti，則

V總=[(V0+V1)/2]·(T1-T0)+

[(V1+V2)/2]·(T2-T1)+···+

[(Vi+Vi-1)/2]·(Ti-Ti-1)

(4)

設T1-T0=T2-T1= … =Ti-Ti-1=1s，V0=0，則

V總=[(V0+V1)/2]·(T1-T0)+

[(V1+V2)/2]·(T2-T1)+···+

[(Vi+Vi-1)/2]·(Ti-Ti-1)

=(V0+V1)/2+(V1+V2)/2+···+

(Vi+Vi-1)/2

=V0/2+V1+V2+···+Vi-1+Vi/2

=V1+V2+···+Vi-1+Vi/2

≈V1+V2+···+Vi-1+Vi

(5)

試驗結果表明：按照這種算法計算得到的總流量誤差控制在允許范圍內，而且這種算法容易進行程序的編寫。

3 試驗設計及分析

將研制的輪盤式液態肥施肥機接在高壓水試驗臺上，連接所設計的數據采集系統，通過調節試驗臺的輸出壓力、節流閥開度及施肥輪的轉速，以優化工作性能參數。試驗采用三因素四水平進行設計，試驗因素為A壓力大小(MPa)，B節流閥開度(%)，C施肥輪轉速(r/min)。所選擇的因素水平如表1所示。

表1 因素水平表

試驗過程中，施肥輪的轉速是通過對調速電機調速進行調節的，高壓水試驗臺系統壓力和節流閥的開度通過人工手動調節。試驗過程中，由于機具震動，壓力會在設定的數值左右跳動，所產生的誤差對試驗結果影響不大。根據試驗采集數據的方差分析，所設計的機具的最優工作參數是：壓力為0.3MPa，開度為50%，轉速為30r/min(對應機具速度0.86m/s)。此時，機具功耗最低，射流流量波動最小。

4 結論

完成了輪盤式液態肥深施機的輪盤式開穴施肥輪、導流開穴器等關鍵部件設計及整機參數優化，設計了結構合理的液態肥穴播深施裝置，解決了水肥定向控制及機具作業速度的制約的問題。研制了數顯測試裝置，對機具作業參數進行數據采集，通過正交試驗數分析得出了輪盤式開穴施肥輪的最佳工作參數。針對旱作農業抗旱播種和液態肥施肥的具體要求，在已有理論與試驗研究成果的基礎上，完成了整機的模塊化設計和主要結構參數確定。試驗表明：采用輪盤式液態肥施肥方式，導流開穴器依次、等距插入土壤中，適合機具高速作業及秸稈覆蓋、覆膜等情形下作業，適應性強，有較好的節肥增效和抗旱效果。

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Study of Design and Test on Wheel-type Liquid Fertilizer Deep Machinery

Yang Zidong1， Wang Tingen1, Lan Yi2， Zhao Guihu3

(1.School of Engineering, Zhejiang A&F University , Linan 311300, China; 2.Shandong Academy of Agricultural Machinery Sciences,Jinan 250100,China；3.Zhongtong Bus Holding Co.Ltd.,Liaocheng 252000, China)

Through accurate control fluid jet to liquid fertilizer deep fertilizing,the technique of liquid fertilizer hole seeding is a kind of combination of agricultural machinery and agronomy which uses high-pressure jet to caving-hole.Based on the experiment in soil bin by the tester of deep fertilizing ,a kind of wheel-type liquid fertilizer deep machinery was designed . Hole fertilization wheel is distributed with diversion opening device , when diversion opening device is inserted into the soil ,edge cam opening,while high-pressure liquid pressurized fertilizer is injected into the soil along the diversion hole.Such problems,the low speed of liquid fertilizer operation , spraying jet orifice plugging and control complex of fertilizer were solved. The test system is developed to optimize fertilizing machine parameters,by orthogonal experiment the optimum parameters of pressure, flow and speed was determined.The tests indicated that when the pressure，the throttle opening and the rotating speeds were 0.3MPa, 50%,and 30r/min(corresponding velocity is 0.86m/s), fertilizer can meet the design requirements. In plastic film mulching,straw mulching and no-tillage conditions,the field experi ment showed that the wheel type liquid fertilizer planter has strong adaptability,and savings fertilizer 42%, improve operating efficiency above 30% than ordinary fertilizer spraying fertilizer. This study can provides reference for liquid fertilizer deep fertilization machine and agronomic field dressing research.

liquid fertilizer; fertilizer applicator; hole fertilization wheel; high-pressure jet; hole seeding

2016-03-22

浙江農林大學科研發展項目(2034020079)

楊自棟(1970-)，男，甘肅張掖人，教授，博士生導師，(E-mail)yzd66@126.com。

S223.2；S224.22

A

1003-188X(2017)04-0139-05