射流式變量深施液體施肥機的設計與研究

喬清旭，劉 峰，齊瑞鋒

（吉林省農業機械研究院，吉林長春 130000）

1 研究背景和研究意義

1.1 研究背景

我國作為人口大國，以9%的耕作面積滿足了20%人口的糧食需求。隨著退耕還林、耕地轉城鎮的加速，2000年至今，每5年下降約0.29%的耕作面積，但糧食產量仍保持上升趨勢，其中肥料的使用，對糧食產量的提升起到了決定性的作用。近年來我國農業肥料的投入逐年遞增，然而肥效利用率較低，長期粗放式施肥作業導致肥料資源浪費、土壤酸化、影響農產品質量。合理的肥料使用，對農業生產至關重要。

傳統農用肥料以顆粒肥為主，該肥料利用率低、吸收慢、土壤酸化嚴重等，弊端較多，不利于長期使用。隨著對保護環境的重視，污染較小、吸收率更高的液肥得到了國家的支持。目前，液肥施肥作業主要以人力為主，機械化程度低、作業效率低、勞動強度大。因此，研制出更加智能、高效、操作簡單的液體施肥機械對農業發展有重要的意義。

1.2 研究意義

科學的施肥方式可以降低勞動強度、提高農作效率、同時有助于減小環境污染等優點，一些發達國家液體肥料的使用達30%。液體肥料相較于顆粒肥料的優點：一是顆粒肥料在生產、運輸、使用過程中粉塵嚴重，對施工人員及土壤環境造成一定影響；液肥作為濃縮藥液，使用時根據農藝要求按照比例溶于水，操作方便，無粉塵困擾。二是顆粒肥料無法精準控制施肥量。當下顆粒肥料仍為粗放式施肥作業，造成肥料浪費、土壤污染嚴重。液肥按需配比，作業時搭配施肥管路、流量計控制施肥量，達到可控可調的目的。三是液肥的肥效優于顆粒肥，土壤對液肥的吸收率高于顆粒肥三倍以上。四是液肥使用時溶于水，配比更容易掌握，相較于顆粒肥料作業時出現的堆肥情況，液肥可減少燒苗、燒根的情況。

2 國內外研究現狀

歐美等發達國家對液肥的研究較早，發展至今液肥的使用占比較大，配套機械化裝備已經全面覆蓋農用施肥領域；我國在該領域發展滯后。

國外于1930年開始研究液肥及配套設備，美國首先開始推廣使用。早期肥料以液氨為主，施肥機械主要由料灌、施肥管、施肥噴嘴構成，結構簡單、功能單一。隨著研究的深入，H.Mark Hanna通過測試得出施肥深度可提高肥效利用率；隨后Nyord根據施肥深度對肥效的影響，在液體施肥機后側加裝開溝裝置，可完成底肥深施，并對肥料噴管加壓，實現向前、向下、向后噴射液肥；約翰迪爾公司研制的自走式施肥機，已達到全機械化施肥作業，作業寬幅達30.5 m，料箱容積為4 500 L，可自動調節噴灑高度、噴灑間距。

我國施肥機械起步較晚，研究基礎薄弱，研究方向單一，作業對象為玉米、大豆、棉花等作物。1960年華北、東北、西北等地區出現施肥聯合作業機械。1980年，大型施肥機械發展遲緩，小型施肥機械發展迅速，多半為小型施肥機械與播種機聯合作業。近年來，隨著農業機械化的普及，我國施肥機械得到快速發展，但仍不完善，無法做到全自動化，作業時依靠半人力、半機械完成，勞動強度大，農作效率低，因此研發更加便利施肥機械對我國農業領域發展有重要的意義。

3 整機結構及工作原理

3.1 整機結構

液體施肥機主要由肥箱、牽引裝置、支撐地輪、控制閥組、流量計、輸肥管、隔膜泵、機架、分草輪掛接臂、施肥單組連接臂、施肥噴頭、開溝器組成。整機結構示意圖如圖1所示。

圖1 液體施肥機整機結構示意圖

3.2 主要技術參數

機具尺寸長3 900 mm、寬3 400 mm、高2 500 mm（詳見表1）。

表1 主要技術參數

3.3 工作原理

射流式變量深施液體施肥機依靠配套拖拉機牽引式作業，主要是在播種前對土壤進行肥料補充。市面上液體施肥機以噴灑式、穴播式為主。噴灑式施肥作業，土壤吸收率較差、肥料揮發程度較高，造成肥料浪費的問題；穴播式施肥量小、施肥效率低，機械結構復雜故障率高。為減少肥料噴灑過程中的揮發流失、提高土壤吸收效率、提高作業效率，此機具采用射流式持續供肥，搭配開溝機構實現底肥深施作業。施肥作業主要分為三個步驟：藥箱供液、供給管路分流作業、施肥單體開溝作業。肥箱中液肥由隔膜泵將液肥輸送至供給管路；供給管路由輸肥管、控制閥組、流量計、施肥噴頭組成。作業時液肥經輸送管、控制閥組、流量計，從施肥單體的噴頭噴出，通過流量計監測肥料流量，控制閥組調節施肥量。施肥單體主要由連接架、分草輪、開溝器組成，作業時施肥單體隨機組前行，開溝器依靠機組自重提供豎直壓力，通過拖拉機水平牽引動力完成開溝作業，搭配施肥管路，將藥液從噴頭噴射到灑到溝槽內，完成底肥深施作業。

4 關鍵部件設計

4.1 供給管路設計

供給系統主要由肥箱、隔膜泵、控制器、電動控制閥組、分流器、施肥噴口組成，圖2為供給管路圖。作業時肥箱中肥料經隔膜泵工作下，流向分肥管路，經過控制器、控制閥組，流向兩側施肥管，由電控閥組控制液肥流向。其中控制閥組A側三條管路為大流量管路、B側三條管路為小流量管路（大小管路藥液施量不同），每條管路由分流器分為2條支路，共12條支路，每個施肥噴口與兩條不同支路連接。此種管路連接方式，保證施肥口有三種流量調節方式，包括：大管路施肥；小管路施肥；大小管路結合施肥。

圖2 供給管路圖

4.2 施肥單體設計

圖3為施肥單體，該結構主要由連接架、開溝器、施肥噴管、仿型減震彈簧、分草輪掛接臂組成。開溝器作為主要觸土部件，作業時田間地況復雜、作業條件嚴格，故該部件在設計時需滿足：第一，在復雜的地塊環境下，保證機組達到一定作業速度；第二，考慮到配合播種作業進行施肥作業，故開溝器需對土壤擾動較小；第三，結合當下免耕為主作業模式，該開溝器需滿足在秸稈、根插、雜草等覆蓋地塊的情況下仍可以滿足高效作業。

圖3 施肥單體二維模型圖

綜上所述，本機施肥單體的開溝部件選擇為圓盤開溝器。圓盤開溝器具有作業效率高、作業速度快、不易堆土、對土壤擾動較小、外圓刃口可對地塊上的秸稈進行切削，以減少茬地上秸稈對機具的影響。開溝器直徑520 mm，開溝深度為0～175 mm，配合側邊施肥管（液肥經肥料管路噴出時，具備初始噴射速度）將液肥噴射到溝槽內。當施肥單體在秸稈覆蓋量較大的地段作業時，施肥單體前端可加裝分草輪，將開溝器前側秸稈殘渣分于兩側，保證施肥單體高效作業。

5 結論

本機具圍繞液肥深施技術、液肥施量控制技術進行研究分析，設計一款變量深施液體施肥機，該施肥機具備穩定性好、作業效率高、結構簡單、故障率低等優點。同時為迎合當下市場需求，該施肥機優點有：

1）設計的變量施肥管路，針對當下不同作物、不同施肥農藝要求下，進行按需作業、定量施肥，解決現有粗放式施肥方式，減少肥料浪費；

2）該機具可進行底肥深施作業，施肥單體開溝器進行土壤開溝，開溝深度在0～175 mm之間，施肥噴嘴將液肥噴射在溝槽內，減少肥料揮發流失，提高土壤吸收效率。

3）該機具可進行精準、高速作業，減少勞動力的投入、降低勞動強度、提高農業作業效率，本次研究也為我國液體施肥技術及配套裝配的發展與研究提供了理論上的支持及技術上的借鑒。