李國昌，吳雪梅，殷坤勤，張富貴， 陳　勝

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽　550025；2.貴州省煙草公司 遵義市公司，貴州 遵義　563000；3.貴州省煙草公司 六盤水市公司，貴州 六盤水　553000)

0　引言

肥料是煙草生長的基礎(chǔ)，其正確使用是形成優(yōu)質(zhì)煙葉的關(guān)鍵，而不合理的施用引起的肥料浪費、效益下降、環(huán)境污染等一系列問題越來越受到重視。在保證烤煙質(zhì)量的同時，如何施肥提高肥料使用效率是當前一項重要的課題。

國內(nèi)的研究人員對施肥機械進行了大量的理論分析和試驗驗證。張小麗[1]設(shè)計了一套旋轉(zhuǎn)耕作機構(gòu)，可用于播種及肥料深施，在雙層施肥旋耕播種機等操作機構(gòu)播種時同時應(yīng)用，淺層施肥，并對開溝器和功率消耗進行了分析計算，驗證了該裝置的可行性和原則上的合理性。鄧春巖[2]設(shè)計了施肥的小裝置，施肥時間短、動蕩小、環(huán)境污染低，頂桿的仿形效果較好，肥料和清除箱從桿進洞，實現(xiàn)定量施肥作業(yè)。李寧[3]等人開發(fā)的煙草挖外槽輪式施肥機,施肥機加裝凸輪下方，由外槽輪式排肥箱肥料把肥均勻地排入凸輪入土口，挖掘輪順時針驅(qū)動鏈輪，并帶動凸輪；凸輪驅(qū)動搖臂，搖臂克服復位彈簧的張力致順時針擺動，施肥閥向下移動，肥粒落入孔管，從而施肥作業(yè)。2BJ-2 式精密播種施肥機的設(shè)計者辛莉[4]等人提出，通過施肥駕駛盤旋轉(zhuǎn)、手指尾桿接觸及換擋桿帶動肥料排放閥的導管被打開和關(guān)閉的排肥口和孔施肥，可以適應(yīng)多種作物栽培要求，通過改變肥料覆蓋點的范圍，來調(diào)整與手指接觸的杠桿位置。周舟[5]等人開發(fā)了一套施肥量可調(diào)、精準施肥，可在不同的溫室中自由移動的施肥機，主要由機架、施肥控制系統(tǒng)、混合泵和管道系統(tǒng)等組成，從而實現(xiàn)滴灌施肥和葉面噴施。

但上述機具存在以下問題：一些機械裝備挖坑深度淺，挖坑不均勻；施肥不到位和不夠定量，造成肥料浪費；拖拉機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)復雜，成本較高。目前，缺乏結(jié)構(gòu)簡單、定點底肥施用、同時適應(yīng)貴州地貌的煙地小型精準定點施肥機。針對上述情況，本文設(shè)計了一款煙用自走式起壟定點施肥機,可以達到起壟、定點施肥(窩施)和節(jié)省肥料的目的，進而實現(xiàn)改善煙葉品質(zhì)目標。

1　總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1作業(yè)要求

自走式底肥深施機定點施肥裝置采用一壟一行模式，間距1 100mm；作業(yè)對象為貴州山區(qū)土地；在旋耕作業(yè)完成后，煙苗種植之前，起壟與施肥作業(yè)同時進行。煙壟的壟型斷面示意圖如圖1所示。

1.2總體結(jié)構(gòu)

自走式起壟定點施肥機主要由起壟裝置、起壟成型裝置、定點施肥裝置、肥料釋放點標記裝置及限深輪裝置5部分組成。整機結(jié)構(gòu)如圖2所示，三維模型圖如圖3所示。

起壟裝置為自走式起壟定點施肥機的主要工作部件之一，它直接對土壤進行切削并推土成壟，從而完成旋耕起壟作業(yè)。起壟裝置主要由刀軸、起壟刀片及刀座等組成。為了不使刀具夾土且保證刀軸受力平衡，將起壟刀片以雙螺旋變螺距的螺旋方式安裝在刀軸上，以提高工作穩(wěn)定性及起壟效率。刀座一端以一定角度焊接在刀軸上，另一端通過螺栓與起壟刀片連接，用來傳遞動力。

圖1　烤煙壟型斷面示意圖

1.鏈傳動裝置　2.肥料箱　3.外槽輪式排肥器組件　4.扶手5.施肥點標記裝置　6.側(cè)起壟板　7.限深輪裝置　8.旋耕起壟裝置圖2　起壟施肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　The structure diagram of ridging and point fertilizing apparatus

圖3　煙用自走式起壟定點施肥裝置三維圖

起壟成型裝置用來完成起壟、壟型修復及清除溝底殘留土壤的作業(yè)，將其安裝在起壟裝置的后面(即已完成土壤旋耕起壟的正后面)。起壟成型裝置由左、右兩塊側(cè)起壟板、兩塊后起壟板及1塊上撫平板組成。上撫平板可以根據(jù)壟高要求進行上下調(diào)節(jié)，左右兩塊側(cè)起壟板各以一定角度與后擋板焊接。左、右起壟板及上起壟板保證了所切削的土壤隨螺旋刀片從兩端向中間運輸推土成壟。起壟成型裝置與起壟刀軸之間保留合適的距離，使其既能保證不與起壟刀軸發(fā)生干涉，又能保證起壟質(zhì)量。上撫平板起到平整壟頂?shù)淖饔?，左右起壟板起阻止溝中的土壤向外運輸?shù)淖饔?，后擋板起清除溝底殘留土壤并引導其向中間運輸?shù)淖饔谩?/p>

定點施肥裝置主要由料箱、外槽輪式排肥器、導肥管、喇叭形開溝器及錐體開關(guān)組成，其定點施肥過程的實現(xiàn)是由盤形凸輪控制的，錐體開關(guān)在盤形凸輪的控制下進行規(guī)律地開啟和關(guān)閉的動作，控制肥料進行間斷施肥。

肥料釋放點標記裝置由地輪、葉片、盤形凸輪、齒輪及鏈條組成，在定點施肥裝置施肥完成后，標記裝置在施肥點用石灰粉標記，明確施肥位置點，便于對煙苗進行井窖式移栽。整個標記裝置通過銷軸與排肥器的罩殼連接，并通過自身重力壓在已經(jīng)成型的壟上，通過與土壤的摩擦力驅(qū)動自身的轉(zhuǎn)動。地輪設(shè)計為有一定容積的圓柱桶，用來盛裝石灰粉，來標記施肥點。

限深輪裝置的作用是使自走式起壟定點施肥機在工作過程中能處于連續(xù)的平穩(wěn)狀態(tài)，同時通過升降輪子的高度，可以實現(xiàn)耕深的控制。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

壟底寬度/mm:600(可調(diào))

壟高/mm:250～400(可調(diào))

壟寬/mm:300(可調(diào))

起壟行數(shù):1壟1行

施肥量/g:45～55(每株)

施肥間距/mm:500～600(可調(diào))

施肥深度/mm:150～200(可調(diào))

料箱裝肥量/kg:20(可調(diào))

作業(yè)速度/m·h-1：2～10

配套動力/kW:6.3

連接方式：直接連接

生產(chǎn)率/hm2·h-1：0.07

壟形狀: 梯形

1.3.1主要運動參數(shù)的選擇

切土節(jié)距β和旋耕速比α是自走式底肥深施機定點施肥機參數(shù)中的重要參數(shù)，該參數(shù)的取值是否合理決定了機具的作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效果是否符合農(nóng)藝要求。旋耕刀端點的回轉(zhuǎn)切線速度與機組前進速度之比定義為旋耕速比。樣機的設(shè)計參照旋耕起壟機的有關(guān)計算公式[6-10]。起壟旋耕速比α同樣定義為

α=Rω/Vm

(1)

其中，ω為旋耕刀軸的回轉(zhuǎn)角速度，設(shè)計中取ω=23.03～47.12rad/s;vm為整機組的前進速度，vm=1.2m/s。

帶入數(shù)據(jù)，由式(1)可得:α=4.22～8.64。

同理，切土節(jié)距β定義為

β=2πR/Hα

(2)

其中，H為旋轉(zhuǎn)切削同一面內(nèi)刀具數(shù)量，H=2;β為切土節(jié)距(cm)。

由式(2)可得:β=7.99～16.38cm。

由計算出來的切土節(jié)距β和旋耕速比α的數(shù)值范圍分析可知:參數(shù)的選擇是有效的，并且符合農(nóng)機和農(nóng)藝的要求[10]。

旋耕機器的作業(yè)中，有關(guān)經(jīng)驗[11-13]設(shè)計公式為

(3)

式中N—小型拖拉機額定功率(kW);

T—作業(yè)幅度(m)。

小型拖拉機的額定功率取N= 6.7kW，根據(jù)式(3)可得:T= 0.67 ～0.88m。參考烤煙農(nóng)作物壟面載植時的技術(shù)要求，該機器的設(shè)計幅寬取T=0.8m，符合農(nóng)藝要求。

1.3.2功率消耗計算

影響功率消耗的因素很多，主要有刀輥轉(zhuǎn)速、機組前進速度、耕深、土質(zhì)、土壤含水率和土壤堅實度等。為了計算功耗，國內(nèi)外學者提出了諸如單元法、能量法、比功法、比阻法等解析方法。由于影響旋耕功耗的因素較多所以解析法難以應(yīng)用，可用經(jīng)驗公式簡單計算，即

N=0.1KλdvmB

(4)

式中d—耕深(cm)；

vm—機組前進速度(m/s)；

B—耕幅(m)；

Kλ—旋耕比阻(N/cm2)，Kλ=KgK1K2K3K4。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊，Kg、K1、K2、K3、K4分別取值11、0.8、0.82、0.7、0.66，可求得Kλ=3.33，進而可求得N=0.1KλdvmB=4.8。

1.4工作原理

小型柴油機的動力輸出經(jīng)減速器、鏈傳動將動力傳遞至刀軸，并驅(qū)動其轉(zhuǎn)動；起壟刀旋轉(zhuǎn)對土壤進行切削、碎土并將土壤向中間推送，在起壟成型裝置的作用下形成單行壟型；在起壟的同時若為間斷施肥，在地輪的驅(qū)動作用下，施肥與施肥點標記兩個動作同時進行，肥料施在土壤15～20cm的深度內(nèi)，石灰標記點標記在肥料的正上方的壟頂出，為后續(xù)的打孔工序做準備；若為連續(xù)條施肥方式，在肥料直接施在土壤中，標記裝置不再起作用，最終實現(xiàn)了起壟施肥及標記的功能。

2　主要工作部件設(shè)計

2.1起壟刀軸

起壟刀軸是自走式起壟定點施肥機的主要工作部件，起壟刀的排列方式是否合理對起壟效果是否符合農(nóng)藝要求及起壟機的功率消耗量大小等有很大影響。根據(jù)相關(guān)文獻，本文設(shè)計刀座與刀軸軸線成25°夾角焊接，且刀座在刀軸上的排列為雙螺旋線形式[14-18]。刀片之間的角度分別為90°，刀片左右對稱安裝。圖4即為自走式起壟定點施肥機的刀軸示意圖。

圖4　煙用起壟定點施肥機刀軸示意圖

2.2定點施肥機構(gòu)設(shè)計

在杠桿的另一端，通過拉伸線與喇叭口里面的錐體連接，當?shù)剌喤c凸輪轉(zhuǎn)動時，凸輪上的高點和低點與滾子交替接觸，使得杠桿有規(guī)律地擺動，即每旋轉(zhuǎn)1周杠桿擺動兩次，每次杠桿的高點與滾子接觸拉線拉動錐體關(guān)閉，每次杠桿的低點與滾子接觸拉線拉動錐體打開；錐體間斷、有規(guī)律地開合，完成了肥料的間斷施肥；起壟施肥機間斷施肥的后，肥料以橢圓狀均勻鋪撒于土壤中，避免了肥料集中釋放的弊端。這種形狀符合農(nóng)藝的要求，不會產(chǎn)生燒苗的情況。

凸輪的形狀是對稱的，形狀如圖5中部件7所示。當凸輪轉(zhuǎn)到最高點時，錐體通過杠桿拉動呈關(guān)閉狀態(tài)，肥料開始積累；當凸輪轉(zhuǎn)到最低點是，錐體打開，肥料落下。錐體形狀如圖5中部件11所示。

1.肥料箱　2.外槽輪式排肥器　3.鏈條　4. 5.擺動從動件　6.滾子　7.凸輪　8.地輪　 9.葉片　10.喇叭口　11.錐體開關(guān)　12.拉線　13.導肥管圖5　定點施肥裝置及施肥點標記裝置結(jié)構(gòu)

該設(shè)計可以完成兩種形式的施肥過程：一種是上述所說的間斷施肥方式；另一種便是常規(guī)的條施方式，即當取消杠桿與凸輪的配合時，錐體一直保持打開的狀態(tài)，肥料下落，完成條施肥。同時，杠桿與凸輪不配合，輪子上的標記孔不進行標記。

2.3肥料釋放點標記裝置設(shè)計

肥料釋放點標記裝置靠自身重力壓在已經(jīng)起壟型的頂部，整機前進時，在與土壤的摩擦力的作用下開始轉(zhuǎn)動，并驅(qū)動外槽輪式排肥器轉(zhuǎn)動。當起壟施肥機以間斷施肥方式作業(yè)時，標記輪便起到了作用，錐體開關(guān)在凸輪控制下，同時進行施肥與標記。施肥點與標記點的配合過程是：當凸輪轉(zhuǎn)到低點時，錐體打開，肥料下落；石灰粉通過標記孔落下，完成施肥點的標記；凸輪有兩個低點，對應(yīng)的輪子上設(shè)有兩個標記孔，輪子每旋轉(zhuǎn)一周完成兩次標記過程；施肥喇叭口的位置位于標記裝置的前面，在此過程中標記點標記的位置總是前一次的施肥點，按此順序，施肥與標記過程連續(xù)進行。

2.4標記點與施肥點的誤差分析

肥料釋放點與標記點的配合受整機震動、前進速度、壟型高低變化、土壤形狀等因素的影響會產(chǎn)生配合誤差。對定點施肥裝置及施肥點標記裝置結(jié)構(gòu)進行簡化，簡化后的簡圖如圖6所示。

圖6中：L為起壟高度；r0為地輪半徑；h0為葉片長度；a為支撐架長度；o為旋轉(zhuǎn)中心；α為旋轉(zhuǎn)角度；g為施肥深度；s為施肥點間距(株距)。

圖6　定點施肥機構(gòu)簡化圖

在定點施肥機的起壟高度L和施肥深度g確定的條件下，株距的距離隨葉片的長度變化而變化，其關(guān)系式為

s=asinα

(5)

α=arccos[(H-g-r0-h0)/α](4cm

(6)

在地輪旋轉(zhuǎn)1周的過程中，在凸輪的控制下標記系統(tǒng)有兩次標記的過程，所以標記點之間的距離s1為地輪與葉片總周長的1/2，則

s1=2π(r0+h0)/2

(7)

由式(1)～式(3)可以求出施肥點與標記點之間的誤差，即

Δs=|s-s1|

(8)

通過MatLab對式(5)～式(8)進行編程可以得到誤差Δs與h0的變化關(guān)系，如圖7所示。

圖7　誤差Δs與h0的變化關(guān)系

由圖7可知：當4cm

2.5限深輪裝置

限深輪組件安裝在后起壟板上，保證其工作在起壟成型后溝底的地面，使起壟機平穩(wěn)運行，減輕作業(yè)者的負荷。限深輪的工作原理是：手柄與螺柱連接，螺柱與小輪叉螺紋連接，限深輪套筒聯(lián)接在后起壟板及后梁連接架上，當轉(zhuǎn)動手柄時輪叉可實現(xiàn)上下移動；輪叉與輪子通過連接塊相連接，從而使輪子能夠隨時升降，滿足實際的深耕要求。限深輪組件結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示。

1.手柄　2.上撫平板　3.后起壟板　4.左右起壟板 5.輪子　6.升降桿圖8　限深輪裝置

3　田間試驗

3.1試驗條件與方法

試驗地點為貴州省遵義市播州區(qū)樂山科技園，如圖9所示。

圖9　貴州省貴州省遵義市播州區(qū)樂山科技園

在外槽輪式排肥器的轉(zhuǎn)輪開口長度設(shè)為40mm、整機前進速度為1.5m/s的條件下，進行連續(xù)條施肥方式與定點施肥方式的對比試驗。根據(jù)烤煙農(nóng)藝要求，間斷定點施肥時，每株烤煙附近需施45g顆粒狀復合肥，并且烤煙根系能吸收利用到的肥料的有效范圍可近似為20cm×20cm的方形區(qū)域。為了能進行連續(xù)條施肥與間斷施肥兩種施肥方式的對比試驗，可將條施肥方式等效為連續(xù)的間斷施肥方式，即在30m的施肥距離內(nèi)，烤煙株距為50cm的條件下，若間斷施肥方式可施60個點，則連續(xù)條施肥方式可認為施了150點。在此條件下進行試驗，共進行10次，每次施肥距離為30m，包括5次連續(xù)條施肥和5次間斷施肥。

每次間斷施肥試驗所使用的肥料，均用收納袋收納并進行稱重，再取平均值。間斷施肥試驗之后隨機選取6個點，對施肥點和標記點的相對位置進行測量并記錄。

每次連續(xù)條施肥試驗，隨機取5個點，每個點的區(qū)域范圍為20cm×20cm，并取出該范圍內(nèi)的肥料進行稱重，再取平均值。

壟型的測定則在10次起壟施肥之后分別對壟高、壟底寬、壟間距進行測量。

3.2結(jié)果與分析

3.2.1連續(xù)條施肥方式與間斷施肥方式的對比試驗

通過試驗測得連續(xù)條施與間斷施肥兩種施肥方式在20×20cm方形區(qū)域范圍內(nèi)(烤煙根系可以吸收利用的范圍)的施肥量，結(jié)果如表1所示。

表1連續(xù)條施肥方式與定點施肥方式試驗結(jié)果對比

Table 1Test contrast between continuous fertilizing and point fertilizingg

施肥質(zhì)量條施肥間斷施肥119．248．2221．953．4323．249．3420．354．2518．554．2平均值20．651．1

連續(xù)條施肥時，在20cm×20cm方形區(qū)域范圍內(nèi)肥料的平均值為20.6g；間斷施肥時，在施肥長度為30m、株距為50cm的條件下，共有60個施肥點，平均每個施肥點的施肥量為51.1g。從施肥結(jié)果看出：在施肥條件相同的條件下，連續(xù)條施肥方式的施肥量達不到50g，不能滿足農(nóng)藝要求；間斷施肥方式時每點的施肥量為51.1g，可以滿足農(nóng)藝要求。

烤煙根系周圍20cm×20cm方形區(qū)域是施肥的有效區(qū)域，離根系較遠的肥料區(qū)域，根系無法吸收利用，則認為是無效區(qū)域。在此條件下，當連續(xù)條施肥時，在30m的施肥長度下，可以分為150個施肥區(qū)域，其中有效的施肥區(qū)域(有效施肥點)個數(shù)為60，無效施肥區(qū)域(無效施肥點)為90個，則肥料浪費率為

3.2.2壟型參數(shù)結(jié)果

通過測量10個測量點并計算平均值，求得壟高為301.5mm、壟底寬為804.5mm、壟間距為1104.6mm，各尺寸均滿足農(nóng)藝要求。根據(jù)需要可調(diào)節(jié)壟高、壟底寬、壟間距，以滿足不同農(nóng)藝要求。

3.2.3標記點與施肥點的試驗誤差結(jié)果

試驗驗證，間斷施肥的肥料撒落形狀近似于橢圓形，以橢圓形的中心為參考點與標記點進行誤差測量，通過測量6個施肥點與標記點的誤差距離結(jié)果如表2所示。

表2標記點與施肥點的誤差結(jié)果

Table 2Error between marker point and point of fertilizer cm

測量點誤差測量點誤差14．1023．9035．2044．3053．7064．20平均值4．23

通過表2可以看出：標記點與施肥點的試驗誤差平均值在4.23cm，滿足設(shè)計要求且滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求。

4　結(jié)論

1)理論分析與試驗表明：研制的自走式起壟定點施肥機能實現(xiàn)一壟一行的烤煙起壟及定點施肥的作業(yè)要求，各項作業(yè)指標滿足農(nóng)藝要求。

2)起壟刀軸的螺旋線設(shè)計能實現(xiàn)土壤快速向中間聚集，能夠保證起壟的效率。

3)所設(shè)計凸輪機構(gòu)能實現(xiàn)肥料的間斷施肥，標記點與施肥點的試驗誤差平均值4.23cm，滿足設(shè)計要求且滿足烤煙種植的農(nóng)藝要求，為后續(xù)的打孔提供了方便，對前期煙苗的生長有較好的作用。

4)煙田田間對比試驗表明：連續(xù)條施肥方式的肥料浪費率為60%，間斷定點施肥方式則能滿足農(nóng)藝要求，節(jié)約了肥料，減少了污染。

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ID:1003-188X(2018)04-0104-EA