雙料箱施肥機關鍵部件的設計

張 周， 陳 雪， 張富貴， 符德龍， 黃化剛， 荊雙偉

(1.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025； 2.貴州省煙草公司畢節市公司，貴州 畢節 551700)

施肥機是現代農業機械化生產體系中的主要配套機具之一，提高肥料利用率并減少肥料損失是施肥機械發展的重點。中國化肥的施用量較高，但利用率遠低于許多發達國家的水平(60%～70%)，目前只能達到30%[1]。化肥施用量以每年 1.0×106t的速度增長，同時以每年 1.8×107t的速度流失，化肥使用率總體呈下降的趨勢[2]。化肥的不合理使用會導致化肥利用率降低，土壤肥力下降，環境污染加劇以及經濟作物品質下降等多種問題[3-6]。同時，隨著釀酒業、養殖業等快速發展，會產生大量酒糟、家禽糞便等有機肥原料。據文獻記載，中國每年產生的酒糟等有機肥原料達 1.9×109t[7]，如果任其流失會造成嚴重的環境污染。

國內外對施肥機做了大量研究，Hosseini等[8]采用作物定位管理(SSCM)技術提高施肥的精確度。Ishola等[9]和于英杰等[10]采用位置定位的方法，根據機具田間位置實現精準施肥，通過改變旋轉軸的轉速來控制施肥量。精準施肥機技術已經成熟，但仍存在結構復雜、價格昂貴和不易維修等問題，并且在南方丘陵地區存在施肥穩定性不高和適應性差等問題[11]。在排肥器研究方面，潘世強等[12]和田耘等[13]通過理論計算及仿真確定了變量施肥機外槽輪排肥器的參數。德國Hanovre農機展會上出現了一種全自動操縱的雙盤式施肥機[14]。楊欣倫等[15]先通過理論計算初步確定葉片式排肥器參數，利用VB6.0軟件對其進行運動學仿真優化，應用Pro/e軟件快速生成模型，最后確定排肥器結構參數。陳雄飛等[16]研制了一種2級螺旋排肥裝置，有效改善了施肥效果。以上排肥器在實驗室的試驗效果較好，但對南方多雨地區潮解肥料的適用性不好，并且只能施用一種肥料。有機肥排肥器一般采用撒肥的形式[17]，這種方式不能對肥料進行深施和均勻施肥，且有機肥濕度大，易發生堵塞。因此，研制一種能同時施用2種不同物理性質肥料的施肥機十分必要。

為了能同時施用有機肥和復合肥，減少肥料對環境的污染，并對肥料進行深施，本研究擬根據有機肥和復合肥的物理性質，設計一種可以同時施用有機肥和復合肥的施肥機裝置，并對施肥機進行田間試驗和性能分析。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

雙料箱施肥機裝置的結構簡圖(圖1)顯示，其主要由料箱、排肥機構、傳動機構、旋耕起壟機構等組成，主要技術參數見表1。

施肥機料箱由有機肥料箱和復合肥料箱組成，料箱底部設有排肥口，有機肥料箱內安裝了有機肥攪攏軸。復合肥采用外槽輪式的排肥機構，有機肥采用螺旋式的排肥機構。傳動機構主要由電機、鏈傳動機構、有機肥旋轉軸、復合肥旋轉軸和攪攏軸構成，旋耕起壟機構由開溝器、起壟器和旋耕刀構成。

1：雙料箱；2：攪攏軸；3：機架；4：復合肥排肥機構；5：有機肥排肥機構；6：電機；7：混肥漏斗； 8：旋耕起壟機構；9：旋耕刀；10：覆土輪；11：起壟器；12：傳動機構；13：有機肥料箱；14：復合肥排肥軸；15：復合肥料箱；16：攪攏軸葉片；17：螺旋排肥器；18：有機肥排肥軸；19：料箱隔板；20：外槽輪排肥器。圖1 雙料箱施肥機結構簡圖Fig.1 Simplified structure of the double fertilizer boxes

1.2 工作原理

雙料箱施肥機用拖拉機連接懸掛裝置，通過萬向節傳遞動力，使旋耕刀旋轉從而對土壤進行旋耕。機具行進時，使用者根據施肥要求選擇合適的檔位，當選擇自動檔時，固定在拖拉機后輪上的速度傳感器將采集機具的速度信號。控制系統將機具行進速度與排肥直流電機的轉速進行匹配。對有機肥排肥軸和復合肥排肥軸進行匹配后，通過調節調節板改變排肥口的開口度，實現固定比例施肥，最后達到精準施肥的效果[18]。在電機的帶動下，有機肥在攪攏軸的帶動下通過2個反裝的螺旋排肥器進入混肥漏斗，復合肥通過外槽輪排肥器進入混肥漏斗，最后進入排肥管。在施肥前，應先調節排肥管的距離，控制施肥深度，通過機架后方起壟板的可調拖板刮平壟頂來控制壟高，一次性完成旋耕、施肥和起壟。

表1雙料箱施肥機主要參數

Table1Themainparametesofthedoublefertilizerboxes

指 標參數外形尺寸(長×寬×高,mm)860×1180×1200配套動力(kW)60行進速度(km/h)0.37～29.91掛接方式后三點懸掛作業幅寬(cm)110作業行數一壟單行起壟高度(cm)25～30施肥間距(cm)80～130施肥深度(cm)20～25有機肥施肥量(kg/hm2)1125有機肥和復合肥的施肥比例3∶1施肥方式條施、深施施肥傳動方式直流電機有機肥排肥器螺旋式復合肥排肥器外槽輪式作業效率(hm2/h)0.2～0.5

2 雙料箱施肥機關鍵部件設計及田間施肥試驗

2.1 肥料物理性質測定

2.1.1 測定內容 肥料物理性質與施肥機構的設計有直接關聯[19]，分別對貴州畢節市使用的復合肥(畢節靈豐復肥有限公司產品)和遵義酒糟有機肥的物理性質進行測定，測定的物理量有粒徑、含水率、休止角、體積密度。測試前將有機肥的含水率控制在10%以內。

2.1.2 測定結果 肥料物理性質測定結果(表2)顯示，含水率在10.00%以內，滿足設計要求。復合肥和有機肥料箱壁的傾斜角分別為45°和60°，料箱壁傾斜角度大于休止角。體積密度影響排肥時肥料的摩擦特性和流動特性，與排肥器的選擇密切相關。

表2復合肥與酒糟有機肥的物理性質

Table2Thephysicalpropertiesofcompoundfertilizerandvinasseorganicfertilizer

物理性質復合肥酒糟有機肥粒徑(mm)2.81-含水率(%)4.389.01休止角(°)30.7243.18體積密度(g/cm2)1.230.83

2.2 關鍵部件的參數設計

2.2.1 外槽輪排肥器 復合肥的排肥器為外槽輪式，適用于流動性好的松散化肥和復合顆粒肥[20]。外槽輪排肥量是施肥機性能的一個重要指標，外槽輪每一轉排肥量的計算公式為：

(1)

從式(1)中可以看出，外槽輪排肥量與d、L、γ、α0、fq、z和λ有關。依據李潔[19]的研究結果，α0接近1.00，考慮誤差取0.95，λ的帶動層特性系數為 0.20～0.60(取0.30)。通過改變轉速來滿足對排肥量的設計要求，設計外槽輪外徑d為6.0 cm，L為 10.0～20.0 cm(取12.0 cm)，外槽輪槽深為1.6 cm，fq為1.76 cm3，z為8。

2.2.2 螺旋排肥器

2.2.2.1 排肥量 根據酒糟有機肥的物理性質，排肥器采用螺旋排肥器，螺旋排肥器的單圈排肥量是評價排肥裝置性能的一個重要指標。排肥裝置的穩定性和均勻性取決于螺旋排肥器排肥的穩定性和均勻性，其中排肥器的轉速和軸向阻力都會影響其排肥性能[16]。在不考慮轉速和軸向阻力的情況下，理論上單圈排肥量的計算公式為：

q=[π(D2-d2)S/4-bhLp]ρφ

(2)

式(2)中：q為理論單圈排肥量(g)，D為排肥螺旋的外徑(mm)，d為排肥螺旋的內徑(mm)，S為螺距(mm)，b為螺牙平均厚度(mm)，h為螺牙深度(mm)，h=(D-d)/2，Lp為螺牙平均長度(mm)，ρ為肥料容重(g/mm3)，φ為排肥螺旋的填充系數。

安裝好的螺旋排肥器基本是固定的，排肥量很難通過機械結構來改變。因此，只有通過改變轉速來改變螺旋排肥器單位時間內的排肥量。其中螺旋的填充系數φ與肥料的物理性質和排肥螺旋的轉速等有關，為保證足夠的肥料流以及螺旋排肥的均勻性和穩定性，應使填充系數接近1[21]。根據設計要求和肥料物理性質，設計螺旋排肥器的螺旋外徑(D)為100.0 mm，螺旋內徑(d)為20.0 mm，螺距(S)為80.0 mm，螺牙深度(h)為7.5 mm，螺旋長度(Lp)為240.0 mm，采用2個螺旋排肥器。

2.2.2.2 轉速 螺旋排肥器的轉速對其排肥量和排肥性能有較大影響。當螺旋排肥器的轉速超過其極限值時，肥料會因離心過大而向外壁堆積，無法排出[22],所以要對螺旋排肥器的轉速進行限定，不能超過其極限。在螺旋外徑有機肥不產生徑向運動并且不考慮肥料不同的情況下，螺旋排肥器的轉速與其相關參數的關系如下：

(3)

(4)

(5)

式中：r為螺旋排肥器半徑(m)，nmax為螺旋排肥器的極限轉速(r/min)，g為重力加速度(s2)，K為物料綜合特性系數，D為排肥螺旋外徑(mm)。根據所設計的參數可得nmax=3.23 r/s。

2.2.3 排肥控制系統機構 為保證排肥量的均勻性和穩定性，設計排肥控制系統，由可編程邏輯控制器(PLC)控制，設置不同速度進行施肥，共5個檔位(1檔、2檔、3檔、4檔和自動檔)，自動檔施肥時的施肥量主要取決于排肥器轉速。該系統結構如圖2顯示。

1：料箱；2：排肥器；3：24 V直流電機；4：拖拉機后輪；5：拖拉機驅動軸；6：傳感器；PLC：可編程邏輯控制器。圖2 排肥控制系統結構簡圖Fig.2 Schematic structure of fertilizer control system

機具運作時，使用者可通過控制箱設置不同檔位，選擇合適的速度以控制施肥量。自動檔是通過PLC控制電路收集機具前進速度和地輪旋轉速度信息，將信息轉化為脈沖數后輸入直流電機驅動器，通過電機控制各排肥軸的轉速，從而控制有機肥和復合肥的施肥量。

2.3 田間施肥試驗

2.3.1 試驗條件及方法 2017年4月1日在貴州省畢節市威寧縣黑石科技園煙草基地進行施肥起壟測試。田間測試面積約1 600 m2，測試區為無茬田地，土壤全耕層的絕對含水率平均為18.13%。采用雷沃604拖拉機懸掛雙料箱施肥機(圖3)。

圖3 樣機試驗現場Fig.3 Prototype experiment site

測試內容主要包括施肥均勻性、幅寬、深度、斷條率，以及在不同轉速下有機肥和復合肥單位時間的施肥量、墑面寬、壟高、壟基寬和壟距。測試工具主要有：100 m皮尺、5 m卷尺、米尺、秒表、水平儀、小鏟、電子天平等。

2.3.1.1 施肥均勻性 施肥均勻性的測試在地面進行，排肥管口處用容量足夠大的收納袋固定。機具調整到合適的高度，在不同速度(1檔、2檔、3檔、4檔、自動檔)下進行5次測試，測試長度為50 m。計算肥料施肥均勻性相關指標系數，變化率、變異系數、均勻度按如下公式計算：

(6)

(7)

(8)

式中：qv為變化率，qmax為最大變化率，qmin為最小變化率，CV為變異系數，S為樣本方差，qmean為樣本均值，UC為均勻度，n為樣本數，qi為第i個樣本值。

2.3.1.2 施肥幅寬、深度和斷條率 在田間起壟施肥5行，從中隨機選取3行，每行選取5個點，將土層橫斷面切開，進行施肥幅寬和施肥深度(起壟頂層距肥料的距離)的測定。為便于觀察施肥斷條率的情況，在地面進行斷條率測試。

2.3.1.3 單位時間施肥量 以不同速度行駛50 m，測量每行總施肥量，并記錄每一行有效段施肥所用的時間，有機肥和復合肥分開測量，得到有機肥和復合肥單位時間的施肥量及二者之間的關系。

2.3.1.4 墑面寬、壟高、壟基寬及壟距 在4.2.2試驗的基礎上，每行選取5個等距的點，測定墑面寬、壟高、壟基寬及壟距。按下列公式計算壟高、墑面寬、壟基寬。

(9)

(10)

(11)

2.3.2 試驗結果

2.3.2.1 施肥均勻性 分別對有機肥和復合肥的均勻性進行測試，測試過程中，保持拖拉機在不同施肥速度下的前進速度相同，均為0.9 m/s。所測結果(表3、表4)顯示，有機肥最大變化率為0.15，最大變異系數為0.04，最低均勻度為96%。復合肥最大變化率為0.11，最大變異系數為0.03，最低均勻度為94%，均滿足設計要求。在一定速度范圍內，施肥量隨施肥速度的增加而增加，變化率和變異系數隨施肥速度的增大而減小，但自動檔下的變化率和變異系數較高，這主要是因為拖拉機前進中速度的波動較大。

表3雙料箱施肥機施用有機肥的均勻性

Table3Uniformityoforganicfertilizerappliedbyfertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes

檔位施肥量(kg)變化率變異系數均勻度(%)自動檔(0.93r/s)6.900.150.04971檔(0.65r/s)4.530.100.03962檔(0.83r/s)6.010.070.02983檔(1.10r/s)7.130.060.02984檔(1.36r/s)7.740.030.0199

表4雙料箱施肥機施用復合肥的均勻性

Table4Uniformityofcompoundfertilizerappliedbyfertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes

檔位施肥量(kg)變化率變異系數均勻度(%)自動檔(0.93r/s)2.140.060.02971檔(0.65r/s)1.540.110.03942檔(0.83r/s)2.020.090.03953檔(1.10r/s)2.250.080.02974檔(1.36r/s)2.580.050.0298

2.3.2.2 施肥幅寬、深度和斷條率 雙料箱施肥機施肥幅寬、深度和斷條率的結果(表5、表6)顯示，施肥幅寬為5.43 cm，其方差為0.14，變異系數為0.07。施肥深度為21.64 cm，其方差為0.71，變異系數為0.04。有機肥的斷條率為2.03%，剛剛達到煙草施肥的要求，其主要原因是有機肥流動性較差，導致斷條率偏高，但基本滿足了設計要求。復合肥的斷條率為0，效果理想，滿足施肥要求。

表5雙料箱施肥機施肥幅寬和斷條率

Table5Fertilizationwidthanddiscontinuousrateoffertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes

測試號施肥幅寬(cm)測定值方差斷條率(%)有機肥復合肥行15.380.172.300行25.480.151.700行35.420.092.100均值5.430.142.030

表6雙料箱施肥機施肥深度

Table6Fertilizationdepthoffertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes

測試號施肥深度(cm)方差變異系數行121.831.220.05行221.410.470.03行321.720.450.03均值21.640.710.04

2.3.2.3 單位時間施肥量 單位時間內，有機肥和復合肥施肥量隨檔位(自動檔除外)的提升而增大(圖4)。滿足煙草有機肥與復合肥 3∶1施肥比例的要求。

圖4 單位時間施肥量Fig.4 Amount of fertilizer per unit time

2.3.2.4 墑面寬、壟高、壟基寬及壟距 雙料箱施肥機起壟結果(表7)顯示，墑面寬、壟高、壟基寬和壟距的均值分別為34.30 cm、25.57 cm、85.35 cm、111.90 cm，方差分別為1.40、1.54、2.16、11.00，變異系數分別為0.040、0.070、0.023、0.095，合格率分別為90%、92%、100%、93%。壟型較好，壟體飽滿，并且壟面平實，滿足煙草起壟農藝要求。壟高變異系數偏大，主要是由山地地面不平整導致的。壟距變異系數最大，主要是受人為因素的干擾。

表7雙料箱施肥機起壟結果

Table7Theridgingresultsoffertilizerapplicatorwithdoublefertilizerboxes

測試內容測試號測量值(cm)方差變異系數合格率(%)墑面寬行134.801.200.030-行234.402.300.060-行333.800.700.020-均值34.301.400.04090壟高行125.502.020.080-行226.040.880.060-行325.181.710.070-均值25.571.540.07092壟基寬行185.042.950.030-行285.621.690.020-行385.401.850.020-均值85.352.160.023100壟距行1與行2111.2012.700.110-行2與行3112.609.300.080-均值111.9011.000.09593

3 結 論

通過理論分析與試驗，所設計的雙料箱施肥機能夠同時實現有機肥和復合肥的精準施用，并且能根據當地的施肥要求進行施肥。

雙料箱施肥機中有機肥和復合肥各檔位施肥量的均值都符合要求，變化率、變異系數均在要求范圍內，均勻度全部達到要求(94%以上)。有機肥和復合肥單位時間的施肥量滿足煙草有機肥與復合肥3∶1施肥比例的要求。

雙料箱施肥機施肥幅寬為5 cm以上，施肥深度為20 cm以上，變異系數符合煙草施肥要求，滿足田間作業要求。

雙料箱施肥機在田間的起壟試驗結果表明，該機具起壟效果較好，合格率均在90%以上，墑面寬、壟高、壟基寬及壟距均值分別為34.30 cm、25.57 cm、85.35 cm、111.90 cm，其變異系數分別為0.040、0.070、0.023、0.095，各項指標均滿足設計要求。

雙料箱施肥機仍存在一些問題，例如在有機肥含水率較高時，有堵塞架空現象，說明該機具仍需繼續改進。

[1] 陳遠鵬,龍 慧,劉志杰. 我國施肥技術與施肥機械的研究現狀及對策[J]. 農機化研究, 2015(4):255-260.

[2] 夏循峰,胡 宏. 我國肥料的使用現狀及新型肥料的發展[J]. 化工技術與開發, 2011, 40(11):45-48.

[3] 王鵬程,邵澤強,薛大偉. 明確化肥施用現狀 提高肥料使用效率[J]. 吉林農業, 2015(24):85.

[4] 惠富平,過慈明. 近代中國關于化肥利弊的爭論[J]. 南京農業大學學報(社會科學版), 2015(1):114-122.

[5] 宋永林. 常用肥料施用應注意的問題[J]. 中國農業信息,2010(12):18-20.

[6] 古麗皮葉·艾乃吐拉. 我國肥料的使用現狀及新型肥料的發展[J]. 農業與技術,2016,36(10):14.

[7] 劉希鋒,孫士明,錢曉輝,等. 有機肥撒施機的種類與性能分析[J]. 農機化研究, 2016, 38(6):259-263.

[8] HOSSEINI M S, ALMASSI M, MINAEI S, et al. Accuracy of two types of fertilizer rate control systems in a variable rate fertilizer applicator[J]. Advances in Environmental Biology, 2014, 8(12): 306-314.

[9] ISHOLA T A, YAHYA A, SHARIFF A R M, et al. An RFID-based variable rate technology fertilizer applicator for tree crops[J]. Journal of Applied Sciences, 2013, 13(3): 409-415.

[10] 于英杰,張書慧,齊江濤,等. 變量施肥機在不規則田塊的定位方法[J]. 農業機械學報, 2011, 42(2):158-161.

[11] 陳桂芬,馬 麗,陳 航. 精準施肥技術的研究現狀與發展趨勢[J]. 吉林農業大學學報,2013,35(3):253-259.

[12] 潘世強,趙亞祥,金 亮,等. 2BFJ-6型變量施肥機外槽輪式排肥器的設計與試驗研究[J]. 中國農機化學報, 2016, 37(1):40-42.

[13] 田 耘,趙亞祥. 變量施肥機外槽輪排肥器的試驗研究[J]. 農業與技術, 2014(5):52-53.

[14] 吳清分. 國外施肥機和植保機發展新動向[J]. 當代農機, 2015(4):50-52.

[15] 楊欣倫,王金武,王金峰,等. 葉片式排肥器參數優化設計與分析[J]. 農機化研究, 2015(7):160-163.

[16] 陳雄飛,羅錫文,王在滿,等. 兩級螺旋排肥裝置的設計與試驗[J]. 農業工程學報, 2015, 31(3):10-16.

[17] 李 潔,吳明亮,湯遠菊,等. 有機肥施肥機械的研究現狀與發展趨勢[J]. 湖南農業大學學報(自然科學版), 2013(s1):97-100.

[18] 古玉雪,苑 進,劉成良. 基于模糊系統的開度轉速雙變量施肥控制序列生成方法[J]. 農業工程學報, 2011, 27(11):134-139.

[19] 李 潔.有機肥施肥機構設計與試驗研究[D].長沙：湖南農業大學,2014.

[20] 耿端陽,張道林,王相友,等.新編農業機械學[M].北京:國防工業出版社,2011.

[21] 陳廣富,徐余偉. 飼料螺旋輸送機設計參數的選擇和確定[J]. 飼料工業, 2008, 29(15):1-5.

[22] 陳長海. 水稻插秧機螺旋攪龍式側深施肥裝置的設計與試驗研究[D].大慶：黑龍江八一農墾大學,2016.