基于耕整播一體機的階梯施肥裝置設計與分析*

趙永來 ， 馮瑞龍 ， 牛文學 ， 高 偉 ， 樊 琦

（內蒙古農業大學職業技術學院，內蒙古 包頭 014109）

0 引言

黨的二十大報告明確指出，全面推進鄉村振興，堅持農業農村優先發展，鞏固拓展脫貧攻堅成果，加快建設農業強國，合理控制化肥、農藥、地膜使用量，實施化肥農藥減量替代計劃。當前，我國農業生產中，施肥模式逐漸向科學方式轉變，肥料利用率逐漸提高[1-4]。農業生產隨著氣候與地理位置的變化而特征迥異，對于不同區域、不同耕作模式、不同施肥方式尚未建立科學的管理系統。以內蒙古沿黃流域保護性耕作農田為例，實施玉米和大豆間作的種植區域在春季的施肥方式以在待耕地表撒施肥料，然后進行犁耕作業，生長期水肥一體化追肥為主；秋季施基肥主要采用犁耕方式，導致了肥料顆粒大量進入犁底層，造成施肥過深，作物根系無法完全吸收，同時還存在施肥不均勻和過量施肥的情況，導致肥料大量浪費，造成環境污染[5-8]。由此可見，傳統的施肥方式顯然不能滿足精量高效的現代化農業生產的要求。

國外學者對氣力輸送固體顆粒進行了深入研究，包括氣力輸送中顆粒速度、加速度的影響因素以及固體顆粒在輸送管道中的沉積特性[9-13]。這些研究主要集中在管道輸送固體顆粒方面，缺乏對階梯施肥分配特性和排肥器內顆粒肥料流動特性的分析。國內學者的研究集中在采用外槽輪式單變量排肥，即通過控制排肥軸轉速來控制排肥量；通過調節排肥口開度和施肥軸轉速來控制施肥量；開發基于ARM和DSP的雙變量施肥控制系統，施入單一肥料和復合肥，增強了變量控制的靈活性和擴展性等[14-16]。目前，所研究的施肥機具很難保證各行施肥量的均勻性，也不能滿足帶狀間作、定量均衡的大田施肥作業要求。

研究表明，合理的深松和肥料深施能改善土壤理化性質，促進作物養分吸收和根系生長，提高肥料利用率，增加作物產量[17-19]。目前，相關學者對階梯施肥技術的研究多數集中在單一作物、單一種類肥料的施用上，難以達到滿意的施肥效果。內蒙古沿黃流域實行保護性免少耕耕作技術后，結合玉米與大豆間作模式，先前傳統的追肥作業更加難以實現。基于此，本文結合內蒙古沿黃流域免少耕耕作模式的播種與施肥需求，提出適合禾豆間作緩釋肥與普通復合肥階梯同施的方法，研制耕整播一體機并設計階梯送肥裝置，對作業過程的功率消耗進行了分析與計算，給出了一體機動力匹配方案；采用計算流體動力學的方法，對裝置進行參數分析，實現緩釋肥與普通復合肥的階梯同施，以期為間作模式下送肥系統的設計與優化提供技術參考和理論支撐。

1 整機結構設計

1.1 總體結構

耕整播一體機結構如圖1所示，整機主要包括施肥裝置、旋耕機部分、風機、播種單體總成部分與傳動連接部分。施肥裝置包括肥箱、驅動電機、調肥機構、分層施肥鉤、排肥盒等；旋耕機部分主要包括旋耕機機架、齒輪箱、傳動裝置、旋耕刀、刮土板等；播種單體總成部分主要包括主梁、單體（含玉米種箱與大豆種箱、寬窄兩種限深輪、排種器總成、寬窄兩種鎮壓輪、破茬波紋盤）、地輪、變速箱等。整機通過三點懸掛方式與拖拉機連接，齒輪箱輸入軸從拖拉機輸出萬向節處獲得工作動力，側輸出端連接驅動旋耕部分作業，后輸出軸通過聯軸器驅動風機，播種機利用風機產生負壓將種子吸附在排種盤上。

圖1 耕整播一體機結構圖

1.2 工作原理

一體機作業過程中，首先由深松鏟對保護性農田土壤進行深松作業，由直流電機驅動肥箱下部階梯排肥盒，排肥輪轉動輸出肥料，肥料經階梯導肥管被施入土壤中，實現階梯施肥（通過調節變頻電機轉速控制施肥量）；而后由旋耕機進行碎土整平并迅速鎮壓，為玉米與大豆種子生長提供良好的種床環境；最后進行播種作業。通過一體機一次入田，同時完成深松、施肥、整地、鎮壓、播種等多項作業。一體機作業過程中，地輪作為播種單元動力源，通過鏈輪、四方軸驅動變速箱，經過變速箱調整轉速后驅動排種器，進行送種播種。

2 耕整播一體機作業功率與配套動力

2.1 拖拉機克服滾動阻力消耗的功率

由耕整播一體機結構與工作原理可知，機組的功率由拖拉機克服滾動阻力消耗的功率及一體機作業消耗的功率兩部分組成。根據設計手冊[20]，拖拉機前進克服滾動阻力消耗的功率計算公式為：

式中，Pf為克服滾動阻力功率，單位為kW；ms為拖拉機使用時的質量，單位為kg；g=9.8 m/s2；f為滾動阻力系數，取f=0.1；vm為拖拉機行進速度，單位為m/s。

2.2 一體機的作業功率

一體機在前進過程中存在的功率消耗主要包括深松鏟、旋耕機碎土整平以及播種機排種器開溝排種三部分，旋耕機碎土輥鎮壓整平以及禾豆間作鎮壓主要作用于土壤表層，損耗功率與整體相比可以忽略，因此不加入計算。綜上，得出一體機總功率消耗計算公式如下[21-23]：

式中，P0為體機理論功率消耗，單位為kW；P1為深松機功率消耗，單位為kW；P2為旋耕機功率消耗，單位為kW；P3為播種機功率消耗，單位為kW。

2.3 一體機配套動力選擇

由于耕整播一體機進行深松、旋耕施肥、播種的聯合作業，深松鏟松土使旋耕阻力明顯降低，旋耕刀輥正轉產生水平推力又使牽引力比單項深松時有所下降。因此，一體機理論消耗總功率低于各部分單獨作業功率消耗之和，約占各部分功率之和的75%～80%。理論上最大功率消耗為：

取拖拉機傳動系的傳動效率為0.9，動力輸出到一體機的傳動效率為0.9，由以上計算結果可確定，耕整播一體機所需的發動機功率為：

計算得出，耕整播一體機所需發動機的功率為95.93 kW，根據當前內蒙古沿黃流域農戶及合作社拖拉機的持有情況，并充分考慮到田間作業的復雜性，保留一定的功率儲備，選擇約翰迪爾（John Deere）啟航版6E-1404拖拉機為配套動力，該型號拖拉機主要作業參數如表1所示。

表1 約翰迪爾6E-1404型號拖拉機主要作業參數

3 階梯施肥裝置設計

3.1 階梯施肥基本參數

犁體曲面上的導曲線是控制水平直元線位置的指導線，導曲線采用圓弧形的為圓柱形曲面，采用拋物線形的為熟地形和半螺旋型曲面，導曲線是犁體曲面與鏵刃線的垂直平面相交的截面線[20]。階梯施肥裝置附著在深松鏟側面，其側面形狀為曲面設計，可根據深松鏟的導曲線確定。導曲線的尺寸和形狀由導曲線開度l和高度h、犁鏵安裝角ε、始端直線長度S和拋物線兩端點切線的夾角ω決定。深松鏟側面階梯施肥槽導曲線如圖2所示。

圖2 深松鏟側面階梯施肥槽導曲線圖

施肥槽導曲線一般方程為：

式中，h1=h-Ssinε；l1=l-Scosε；n=h1tanΔε+L；m=h1-L1tanε；l1為拋物線開度，單位為mm；L為導曲線平面位置，單位為mm；h1為拋物線高度，單位為mm。

在設計中，當導曲線高度一定時，開度l越小則曲面越陡，碎土能力越強，但犁體阻力較大；開度l越大，曲面越平緩，犁體阻力越小，但碎土能力也較弱。導曲線的高度h與犁體頂邊的高度有關，通常使h略小于犁體最大高度，即按Hmax＞h＞H確定其數值。犁鏵安裝角ε=25°～30°，取最大值時碎土作用加強，但阻力增大，ε的最小值應保證犁鏵固定螺栓頭部不刮擦溝底。始端直線長度S一般取30 mm～60 mm，所取值隨耕深而異，耕深大時可取大值。切線夾角ω由ε和Δε確定，即ω=90°+ε-Δε，其上端點的切線與鉛垂線夾角Δε=0°～10°。結合深松鏟設計與農藝要求，確定深松鏟參數如下：l=150 mm，h=300 mm，ω=120°，ε=26°，S=35 mm，L=260 mm。

3.2 施肥管內肥料顆粒受力分析

肥料經排肥器分配后進入階梯施肥裝置，頂層和中層肥料經分肥管被分配至兩側。肥料顆粒在摩擦力、管壁的支持力、氣流的曳力與自身重力作用下，運動至排肥口。肥料顆粒在分管內的受力情況如圖3所示。

圖3 管內肥料顆粒受力分析圖

肥料顆粒的受力方程為：

整理得：

式中，β為分肥管向下傾斜角；μ1為肥料顆粒與管壁的摩擦系數；G為肥料顆粒重量，單位為N，G=mg；m為肥料顆粒質量，單位為kg；F1N為肥料顆粒受到管壁的支持力，單位為N；Fk為氣流作用在肥料顆粒上的曳力，單位為N；Fr為肥料顆粒受到的合力，單位為N。

由式（6）可知，肥料顆粒受到的合力Fr隨著分肥管向下傾斜角β的增大而減小，β的取值范圍為50°～64°。階梯施肥裝置作業過程中，肥料回土速度是影響分層施肥作業效果的關鍵因素之一，階梯施肥裝置鏟尖和翼鏟切開土壤后，土壤依靠自身重力下落，完成回土作業。當作業速度增大時，破碎的土壤相對于階梯施肥裝置運動的距離越大，回土時間越長，易造成回土不及時，影響階梯施肥效果。分析得出，施肥作業速度是影響階梯施肥作業效果的重要因素，參照相關文獻，一體機作業速度范圍為2 km/h～4 km/h[24-25]。

3.3 肥箱設計與容量計算

結合禾豆間作農藝要求，一體機肥箱需要保證一次添加種肥至少可完成田間一次來回的施肥播種作業，避免出現行駛過程中肥料不足的問題；肥箱底部應有一定傾斜角，利于肥料順利落入送肥器中；應保證上端開口面積適當；種肥箱應堅固耐用，具有一定的剛度條件，且質量不宜過重。根據播種行程、施肥量以及作業幅寬等因素來確定肥箱的容積，作業時不能一次將肥料全部播完，應至少保證肥料能夠蓋住送肥口，一般應保留10%～20%，肥箱體積大小應與作業面積和排肥量相適應，同時不宜裝滿肥箱，以免因顛簸而流失肥料。可根據公式（7）計算肥箱體積。

式中，V為肥箱體積，單位為L；s為裝滿肥箱所能工作的最大距離，單位為m；B為施肥工作幅寬，單位為m；Q為單位面積施肥量，單位為kg/hm2；ρ為單位肥料質量，單位為kg/L；k為體積系數，k≈1.25。

分析式（7）可知，肥箱大小主要取決于一次性施肥作業的距離大小，在不影響機具承載能力的情況下，挑選較大的肥箱可以有效提高機具作業效率，減少添加肥料的時間。根據內蒙古沿黃流域農業作業模式標準，通常的谷物條播機每米工作幅寬的肥料箱容積為50 L～90 L。考慮到一體機需采用三點懸掛的方式，同時進行禾豆間作，因此采用雙肥箱分左右兩邊安置的方式。

4 結論

1）結合農藝要求，以實現田間作業為目標，提出耕整播一體機的結構設計方案，初步確定一體機作業技術參數并闡明其結構與工作原理。

2）分析并計算了一體機作業過程中各功能部件的功率消耗，得出一體機工作所需拖拉機功率為95.93 kW，選擇約翰迪爾6E-1404拖拉機作為配套動力機具，結合作業參數可知，選擇的拖拉機能夠滿足一體機的工作需要。

3）通過理論分析和設計計算，確定了深松鏟側面階梯施肥槽導曲線的基本結構參數，結合深松鏟設計與農藝要求，確定深松鏟參數為l=150 mm，h=300 mm，ω=120°，ε=26°，S=35 mm，L=260 mm；明確了影響階梯施肥裝置肥料顆粒運動的主要因素，肥料顆粒受到的合力Fr隨著分肥管向下傾斜角β的增大而減小，確定β的取值范圍為50°～64°，分析一體機肥箱設計影響因素并確定作業容積區間為50 L～90 L。