馬鈴薯微型種薯種植機(jī)雙側(cè)位深施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王兵督

（池州學(xué)院，安徽 池州 247000）

在全球糧食系統(tǒng)中，馬鈴薯占據(jù)重要地位。作為馬鈴薯播種面積最大的國家，我國種薯繁育和種植技術(shù)迅速發(fā)展，截至2022 年底，馬鈴薯種植面積達(dá)5 807 萬畝，年產(chǎn)量達(dá)1.14 億t。而在馬鈴薯種植過程中，播種施肥為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將給馬鈴薯產(chǎn)量和質(zhì)量帶來直接影響。采用脫毒培育的微型種薯耕種可以提升馬鈴薯品質(zhì)，但需進(jìn)一步采取有效種植機(jī)械提高產(chǎn)量。因此，應(yīng)結(jié)合種薯農(nóng)藝要求加快現(xiàn)代化種植機(jī)具研發(fā)，為推動馬鈴薯產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展提供有力技術(shù)支撐。

1 馬鈴薯微型種薯種植要求

馬鈴薯微型種薯又被稱為“小薯苗”，利用脫毒苗組培擴(kuò)繁，能有效提高培苗生產(chǎn)效率，滿足馬鈴薯大批量、機(jī)械化種植需求[1]。馬鈴薯主要采用露地和大棚種植方式，均為單壟單行，種前應(yīng)提前開溝，種植深度控制在100 mm 左右，株距約200 mm，行距為600 mm~700 mm。馬鈴薯采用兩側(cè)點(diǎn)肥方式，施肥到種薯下方50 mm~80 mm 位置，橫向與種薯保持30 mm~60 mm距離，合理控制施肥量，避免出現(xiàn)燒苗問題。在培土起壟時(shí)，應(yīng)確認(rèn)壟面平均寬度達(dá)到300 mm 以上，高度在200 mm 以上。不同于切塊薯，微型種薯更適宜機(jī)械化種植，要求實(shí)現(xiàn)播種、施肥一體化作業(yè)，全面提高馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。但采用傳統(tǒng)外槽輪式播種機(jī)存在肥料定位不準(zhǔn)、施肥量不足等問題，無法滿足微型種薯高效種植需求[3]。

2 馬鈴薯微型種薯種植機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

在設(shè)備研發(fā)方面，為滿足馬鈴薯微型種薯機(jī)械化種植需求，設(shè)計(jì)集開溝、施肥、播種、覆土、起壟等功能于一體的設(shè)備。在施肥方面，采取側(cè)位分施方法，從種薯兩側(cè)向深處土壤施肥，為種薯提供足夠肥力。采用懸掛式設(shè)計(jì)方案，通過主機(jī)懸掛架懸掛各種播種和施肥部件，通過車輪傳動和液壓馬達(dá)提供動力，能夠通過簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到較高傳動效率，有效降低機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)和制造成本[4]。從設(shè)備構(gòu)成來看，主要包含開溝器、播種器、施肥器、劃行器、起壟培土圓盤、肥箱、種箱、液壓馬達(dá)和控制系統(tǒng)等，將對稱中心面當(dāng)成基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)各種部件縱向布置，形成4 行懸掛結(jié)構(gòu)。整機(jī)前部為開溝和施肥裝置，開溝后將肥料施加在肥溝內(nèi)，然后在種溝內(nèi)完成種薯播種，后方為劃行器和起壟裝置，依靠地輪提供動力，將種薯深埋后起壟。

2.2 工作原理

在種植機(jī)作業(yè)過程中，由拖拉機(jī)帶動種植機(jī)地輪轉(zhuǎn)動，完成開溝、播種、起壟等作業(yè)。開溝器包含兩套，分別配合播種器和施肥器作業(yè)。設(shè)備主要采用針刺式排種方式，通過地輪帶動鏈條向與整機(jī)相反的方向轉(zhuǎn)動，并在鏈條上按固定距離均布取種針。使用張緊裝置完成鏈條預(yù)緊，可以防止鏈條松動，使株距得到有效控制。在播種器工作過程中，取種針將在鏈條帶動下轉(zhuǎn)至種箱位置插取種薯，并攜帶種薯向下運(yùn)轉(zhuǎn)，在接觸到地面后，依靠種針和地面的相互作用力將種薯留置在種溝內(nèi)。施肥過程可以劃分為充肥、分肥和排肥三個階段，通過地輪傳動方式帶動施肥器作業(yè)，使肥料依靠自重和流動性從肥箱進(jìn)入施肥器[5]。利用施肥器中的螺旋裝置拌肥，并將肥料輸入兩側(cè)排肥口中，能夠完成分肥作業(yè)，最后肥料排入輸肥管中，落入肥溝內(nèi)。

3 馬鈴薯微型種薯種植機(jī)雙側(cè)位深施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

3.1 施肥裝置設(shè)計(jì)

3.1.1 設(shè)計(jì)方案

在馬鈴薯種植機(jī)設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)需做好施肥裝置設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，在使用種植機(jī)播種施肥前，可通過電控盒輸入畝施肥量，并通過地輪上的轉(zhuǎn)速傳感器向電控盒反饋速度信號，可按照預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)播種器和施肥器電磁閥控制，驅(qū)動各部分協(xié)調(diào)作業(yè)[6]。在施肥裝置工作過程中，施肥器螺旋軸配備轉(zhuǎn)速傳感器，能讀取軸實(shí)際轉(zhuǎn)速，將信號傳輸至電控盒內(nèi)，通過實(shí)時(shí)對比設(shè)定轉(zhuǎn)速，糾正電磁閥開關(guān)量，確保施肥量得到精準(zhǔn)控制。在施肥深度控制上，可知施肥開溝器的開溝彈齒通過卡子固定在橫梁上，能通過彈齒和卡子間的緊固螺栓調(diào)整開溝深度和施肥寬度。

在裝置設(shè)計(jì)實(shí)踐中，應(yīng)實(shí)現(xiàn)肥料預(yù)拌操作，因此在肥箱內(nèi)設(shè)置攪拌軸，通過液壓馬達(dá)驅(qū)動運(yùn)行，直接將多種肥料加入肥箱后，可通過電控設(shè)備完成肥料混合。在種植機(jī)作業(yè)期間，攪拌軸持續(xù)作業(yè)，使結(jié)塊肥料得到有效處理，保證肥料擁有良好的流動性。從施肥器構(gòu)成來看，包含螺旋裝置、接肥腔和護(hù)腔結(jié)構(gòu)，螺旋裝置包含軸和葉片，接肥腔由兩端兩個出口構(gòu)成，可以將接到的肥料均勻劃分為兩部分，護(hù)腔結(jié)構(gòu)通過螺栓緊固在一處，中間設(shè)置矩形入肥口，下部與排肥口連接，保證肥料能夠深施至種薯兩側(cè)。在種植機(jī)作業(yè)時(shí)，肥料從肥箱進(jìn)入施肥器，由于螺旋面存在摩擦力，導(dǎo)致肥料顆粒運(yùn)動受葉片轉(zhuǎn)動影響，將沿著軸線和圓周運(yùn)動，向著出肥口方向移動[7]。經(jīng)過攪動后，肥料到達(dá)輸送器末端，從螺旋裝置上脫落，沿著肥腔向前減速運(yùn)動。在肥料移動過程中，顆粒間將進(jìn)行動態(tài)接觸，在葉片推力下接近排肥口位置，掉落至輸肥管中，順利完成肥料投放。施肥器安裝在肥箱下方，通過地輪傳動方式帶動螺旋軸轉(zhuǎn)動。而軸上葉片的螺旋方向相反，能夠?qū)⒎柿戏謩e推送至不同出肥口。

3.1.2 主要技術(shù)參數(shù)

在施肥器設(shè)計(jì)中，要求肥料流入后可以將螺旋葉片充滿，需做好葉片直徑、周轉(zhuǎn)直徑和螺距等主要參數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)備施肥效率與行進(jìn)速度、種植面積等相關(guān)，能夠得到：

式中，Q為施肥效率；G為單位面積施肥量；v和w分別為行進(jìn)速度和作業(yè)幅寬；x為施肥軸數(shù)量。設(shè)備擁有4個施肥軸，作業(yè)幅寬為3.6 m，行進(jìn)速度為5 km/h，能夠確定設(shè)備施肥效率。結(jié)合設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可知：

式中，D為螺旋葉片直徑；S為螺距；A為肥料綜合特性系數(shù)，取45；M為肥料填充系數(shù)，取0.5；ρ為肥料密度，取980 kg/m3；ε為傾斜輸送系數(shù)，取1；k1為螺距和葉片直徑比例系數(shù)，取0.8。

通過分析，能夠得到螺旋葉片直徑為57 mm，螺距為45.6 mm，軸直徑為18 mm。選用推力大的實(shí)體螺旋面設(shè)計(jì)施肥器，為保證螺旋裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠，并且具有一定耐腐蝕性，選用304 不銹鋼制作葉片和軸，葉片厚達(dá)2 mm。

為確保肥料順利充入腔體內(nèi)，將入口設(shè)計(jì)為160 mm×65 mm 矩形，肥腔和出肥口直徑同樣為65 mm，兩個出肥口間保持340 mm 距離。為確認(rèn)設(shè)備的肥料輸送效果，將肥料當(dāng)成研究對象，將螺旋軸平行方向看成x軸，將與出肥口橫截面垂直方向看成y軸，對肥料運(yùn)動過程展開分析[8]。使用SolidWorks 軟件模擬肥料運(yùn)動過程，可以發(fā)現(xiàn)螺距越大，肥料顆粒間將發(fā)生更長時(shí)間的相互作用，導(dǎo)致排肥過程不穩(wěn)，因此需通過增加葉片長度減小螺距，確保肥料靠近出肥口。而想要使肥料達(dá)到最大軸向速度，同時(shí)減小圓周旋轉(zhuǎn)速度，需建立無滑動接觸力學(xué)模型完成離散元仿真分析[9]。從分析結(jié)果來看，螺距的增加將促使肥料加速向軸向方向運(yùn)動，同時(shí)圓周方向的運(yùn)動速度也有所加快。經(jīng)過系統(tǒng)分析，最終確定在軸距達(dá)到45 mm時(shí)，肥料沿軸向的運(yùn)動速度可以達(dá)到12 mm/s 以上，且圓周方向的運(yùn)動速度變化不大，可以有效提高施肥器輸肥能力。

3.2 裝置性能試驗(yàn)

3.2.1 臺架試驗(yàn)

采取臺架試驗(yàn)方式驗(yàn)證裝置輸肥效果，可使用SL300 型3D 打印機(jī)完成施肥器加工，然后將史丹利復(fù)合肥當(dāng)成材料，搭建試驗(yàn)臺架開展輸肥試驗(yàn)。肥料為顆粒狀，在模擬種植機(jī)運(yùn)行時(shí)，將傳送帶運(yùn)行速度設(shè)定為0.5 m/s，螺旋軸轉(zhuǎn)速需達(dá)到30 r/min，傳送帶與排肥口保持120 mm 距離。使用直尺在傳送帶上按照200 mm×220 mm 的尺寸劃分網(wǎng)格，并利用膠帶標(biāo)記，在排肥后完成各網(wǎng)格肥料收集，并利用電子秤分別稱量。若肥料落在膠帶邊框，則遵循“記上、記右”原則收集，分析得到各區(qū)域肥料質(zhì)量分布規(guī)律[10]。重復(fù)開展5 次試驗(yàn)，取均值作為試驗(yàn)結(jié)果。按照式（3）計(jì)算排肥均勻度變異系數(shù)：

式中，n為監(jiān)測網(wǎng)格數(shù)目，取值6；m為網(wǎng)格內(nèi)肥料質(zhì)量均值；mi為第i個網(wǎng)格肥料質(zhì)量；s為肥料總質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差；σ為排肥均勻度變異系數(shù)，大小與施肥器排肥均勻性成反比。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，施肥器的排肥均勻度變異系數(shù)為3.99%，說明設(shè)計(jì)的施肥裝置施肥能力良好，能夠?qū)⒎柿细咝л斔椭林付ㄎ恢梅秶?/p>

3.2.2 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證配備雙側(cè)位深施肥裝置的種植機(jī)能否用于開展馬鈴薯微型種薯種植作業(yè)，選取100 m×50 m矩形地塊開展試驗(yàn)。試驗(yàn)基地位于黑龍江，土壤為黑壤土，濕度達(dá)到19.7%。提前準(zhǔn)備好電子天平、游標(biāo)卡尺、土壤水分速測儀、鋼卷尺、拖拉機(jī)等機(jī)具，并完成整地作業(yè)，確保土壤疏松、平整，達(dá)到機(jī)械化作業(yè)要求。通過拖拉機(jī)掛接種植機(jī)具作業(yè)，以0.5 m/s速度前進(jìn)。在試驗(yàn)過程中，重點(diǎn)對開溝深度、施肥量和種肥橫、縱間距等指標(biāo)進(jìn)行測量，確認(rèn)施肥裝置能否做到精準(zhǔn)施肥。為此，在播種后完成種植行編號，在機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行后隨機(jī)選取5 行測量各項(xiàng)指標(biāo)。將10 m長當(dāng)成區(qū)間段，各段測量5次區(qū)平均值。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，設(shè)備開溝深度平均值能夠達(dá)到119.2 mm，利用下式計(jì)算溝深穩(wěn)定性系數(shù)：

式中，Y為溝深穩(wěn)定性系數(shù)；S1為溝深標(biāo)準(zhǔn)差；h為溝深均值；hi為i處溝深；V為溝深變異系數(shù)。

通過分析可知，設(shè)備的溝深穩(wěn)定性系數(shù)能夠達(dá)到93%以上，可以保證施肥深度足夠。從種肥橫向間距來看，平均能夠達(dá)到51.2 mm，垂直方向間距平均可以達(dá)到63.5 mm，均能滿足馬鈴薯種植要求。此外，從種植機(jī)整體作業(yè)情況來看，設(shè)備開溝性能良好，可以做到精準(zhǔn)播種，播種后地表平整度良好，起壟高度也能達(dá)到農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

綜上所述，使用微型馬鈴薯種薯開展機(jī)械化種植作業(yè)的過程中，需解決精準(zhǔn)施肥的難題。設(shè)計(jì)集播種、施肥、起壟等功能于一體的種植機(jī)，使用專門的施肥裝置完成充肥、分肥和排肥操作，需設(shè)計(jì)高度可調(diào)的開溝器配合作業(yè)，并通過內(nèi)置螺旋裝置完成肥料預(yù)拌，然后通過肥腔在種薯兩側(cè)肥溝內(nèi)施加肥料。采用仿真分析手段輔助確定各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，確定在螺距達(dá)到45 mm時(shí)裝置能達(dá)到較高的輸肥效率，然后通過臺架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)證實(shí)了設(shè)備作業(yè)性能良好，能夠加快馬鈴薯規(guī)模化種植進(jìn)程。