楊 柳，衣淑娟，武 志，李渤海，李衣菲

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學 a.工程學院；b.電氣與信息學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江北大荒農(nóng)機有限公司，哈爾濱 150090 )

0 引言

化肥作為糧食的養(yǎng)分，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可利用化肥有效提高糧食產(chǎn)量，因而合理并高效地施用化肥對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展顯得尤為重要。近年來，我國化肥施用量穩(wěn)居世界首位，據(jù)相關資料顯示，2016年我國化肥總產(chǎn)量 7 004.92萬t(折純量)，是世界第一化肥生產(chǎn)和消費大國。以氮肥為例，據(jù)2016年1-11月中國氮肥行業(yè)經(jīng)濟運行數(shù)據(jù)表明，我國氮肥施用量遠高于其他各國，超過美國、俄羅斯和巴西等國均85%以上[1]。近年來，施肥不均衡現(xiàn)象表現(xiàn)突出，化肥的利用率和投入產(chǎn)出比低下等問題比較尖銳。目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者施用化肥仍然以人工施肥、傳統(tǒng)的粗放施肥及經(jīng)驗施肥為核心，導致我國單位面積施肥量普遍偏高， 遠遠高出全球的平均水平，是歐盟國家和美國的 2 倍以上[2]。過量施肥造成了土壤結構變差，化肥利用率偏低，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，作物病蟲害增加，環(huán)境污染嚴重等一系列環(huán)境和社會問題。

目前，農(nóng)業(yè)已成為我國的最大面源污染產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)污染問題引起了政府和社會的普遍關注，實施科學施肥與變量施肥技術顯得尤為重要。為了改善現(xiàn)有人工施肥現(xiàn)狀，以東北地區(qū)土壤為試驗基礎，優(yōu)化設計了氣吸式免耕播種機的施肥機構，并研制出2BZD-2型智能電動播種機施肥機構，有效解決了化肥利用率低、人工施肥過量及環(huán)境污染嚴重等問題。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

自20世紀以來，國外精準農(nóng)業(yè)起步較早，發(fā)展迅速且技術成熟，尤其在北美、歐洲等地區(qū)精準變量施肥技術表現(xiàn)突出。

美國NT公司與當?shù)馗咝：献鏖_發(fā)了一款利用光電傳感器的實時變量施肥機[3]，可針對不同類型的多種肥料進行施肥，為今后變量施肥技術的研究開辟了一個新的發(fā)展方向。

日本的一款水稻變量施肥機，可根據(jù)機車行走的位置不同，經(jīng)預先設置好的地塊網(wǎng)格信息，實現(xiàn)不同地塊不同肥量的施用[4]。

德國AMAZONE公司研制的精準變量施肥機，其原理為通過安裝在機器前端的光傳感器測得作物生長所缺失的養(yǎng)分，經(jīng)過信號轉化處理，實現(xiàn)實時變量施肥[5]。

法國的精準變量施肥技術具有較高的自動化水平。俄羅斯研制的變量施肥機根據(jù)電磁振動原理來控制肥口的開關，進而達到變量施肥的目的[6]。

國外變量施肥技術發(fā)展至今已經(jīng)非常完善，尤其在發(fā)達國家，但國外機器價格比較昂貴，并不適宜在國內(nèi)推廣；同時，機器的安裝與關鍵部件維修都需要國外技術人員在場，費時費力并且較多設備不適合我國農(nóng)田基本情況。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著精準農(nóng)業(yè)技術的發(fā)展，變量施肥技術已經(jīng)成為目前研究重點之一，創(chuàng)新并研制符合我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的變量施肥機器尤為重要。

上海農(nóng)業(yè)機械研究所聯(lián)合上海交通大學研制的我國首臺利用GPS技術的變量施肥機械，是一項重大突破[7]。

黑龍江八一農(nóng)墾大學設計了一款變量施肥播種機種機，可提取土壤肥力信息，根據(jù)所生成土壤養(yǎng)分肥力分布圖來實現(xiàn)對同一地塊、不同區(qū)域中施肥量及肥料配比的控制[8]。

吉林大學研制了一款變量施肥機，可將變量施肥信息提前儲存在IC卡中，試驗證明，該機具變量施肥效果良好[9]。同時，國內(nèi)眾多科研院所和各大高校均對變量施肥技術有著不同程度的探索及研究。

對比國外變量施肥技術，國內(nèi)研究起步雖然較晚，但發(fā)展迅速。目前，國內(nèi)變量施肥技術仍然處于發(fā)展中階段，需研制適合我國國情的變量施肥機械，在智能化程度上也需進一步提高。

2 關鍵部件的設計

2.1 排肥器工作原理及結構

2.1.1 工作原理

常見排肥器的類型有很多，如外槽輪式、擺斗式、滾輪式、振動式及螺旋輸送式等[10]。外槽輪式排肥器具有結構簡單、通用性強等特點，是現(xiàn)在市面上被廣泛施用的排肥器。一般的外槽輪排肥器由排肥盒、排肥槽輪、阻塞輪及擋刷等組成[11]，如圖1所示。

圖1 外槽輪式排肥器

外槽輪式排肥器主要施用具有一定流動性的顆粒肥料。工作時，排肥軸帶動外槽輪轉動，槽輪凹槽內(nèi)充滿的肥料隨著槽輪轉動排出排肥盒。由于顆粒肥料之間存在一定的摩擦力，隨著槽輪的轉動，會帶動凹槽以外的肥料一起轉動，進而實現(xiàn)肥料的排出[12]。由此可以看出：影響外槽輪式排肥器的排肥量的主要影響因素為槽輪的工作長度和轉速。

2.1.2 排肥器的結構設計

普通市面上的排肥器調(diào)節(jié)工作長度靠阻塞輪及排肥擋板，缺點為調(diào)節(jié)麻煩、肥料容易側漏及擋板長時間容易變形等[13]。所以，本次設計排肥器去掉阻塞輪及排肥擋板，設計一個花擋圈(見圖2)，其與排肥槽輪外形相似互補，避免肥料側漏；同時與槽輪外側螺桿互相配合，通過螺旋擰手來調(diào)節(jié)工作長度，方便快捷。

圖2 花擋圈

槽輪轉動軸與槽輪為一體結構，在槽輪一側伸出長度大于花擋圈加螺旋擰手總長的一段螺旋軸，與螺旋擰手相配合來調(diào)節(jié)槽輪的工作長度，如圖3所示。對比傳統(tǒng)阻塞輪，其調(diào)節(jié)槽輪工作長度的方便性大大提高，在花擋圈與排肥盒接觸處增減橡膠圈，提高肥盒密封程度，防止花擋圈與排肥盒接觸處由于轉動引起的磨損和肥料側漏現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 花擋圈與槽輪配合結構

2.2 肥箱的設計

2.2.1 肥箱的要求

1)選取適宜大小的肥箱。若肥箱的容積太小，會影響在肥料施用過程中的填肥次數(shù)，造成不必要的麻煩；若肥箱的的容積太大，機器整體質(zhì)量增加，造成機車整體牽引力和功耗增加。

2)肥箱側壁傾角應大于肥料自然休止角，使肥料通過重力自然滑落，減少肥料在肥箱中的滯留。

3)肥箱選取質(zhì)量輕、結構堅實、不易腐蝕的材料。

4)設置清肥口，方便清理殘留肥料。

5)肥箱密封性要好，防止由于天氣潮濕造成肥料結塊問題的出現(xiàn)。

與此同時，校企合作模式還有利于企業(yè)更好的選用優(yōu)秀人才，通過參與到學校的教育教學過程當中，挖掘隱藏在學校內(nèi)部的優(yōu)質(zhì)人才資源，優(yōu)先選拔和聘用該類人才可以為企業(yè)節(jié)約大量的人才資源吸引和培養(yǎng)成本。企業(yè)還可以通過學校這個平臺來宣傳企業(yè)的文化和理念，提升企業(yè)的品牌效應，吸引更多的客戶和合作者。

2.2.2 肥箱容量的計算

影響肥箱容積的因素主要有工作幅寬、肥料密度、施肥距離及施肥量。在設計時，需要預留10%～20%的空余量[14]，防止出現(xiàn)因為肥量的多少影響施肥效果的現(xiàn)象。

肥箱的容量V公式為

式中L—肥料所能施肥的距離不低于1個往返行程，取L=400m；

B—工作幅寬，B=1.8m；

Qmax—單位面積最大使用量(kg/hm2)；

r—肥料的密度(kg/L)。

經(jīng)過公式計算得肥箱容積為220L，設計肥箱容積比計算值約大10%，肥箱實際容積為244L。本設計采用3個肥箱，比例為1:1:2，則每個肥箱容積為68、68、108L。

2.2.3 肥箱尺寸

2.2.4 肥箱的總體結構

變量施肥裝置的肥箱設計分為3個，分別盛放種不同成分的肥料。根據(jù)主肥與輔助肥存在施肥量的差別，設計成被分為1:1:2的一個大箱。其中，大箱為主肥箱，裝氮肥；兩小箱為輔助肥箱，分別裝磷肥和鉀肥。每個肥箱的結構型式大體相同，由箱體、箱體左右端板和肥箱支腿組成，通過螺栓連接，固定在機架大梁上，如圖4所示。肥箱底板設置安裝有清肥口、外槽輪排肥器、排肥驅(qū)動軸及電機等；肥箱側面安裝有伺服電機與減速機，直接與排肥軸相連，無傳動系統(tǒng)，通過六方聯(lián)軸器將動力傳遞給排肥驅(qū)動軸。

傳統(tǒng)肥箱的結構簡單，僅適用于固定配比的復合肥料施播，同時存在清肥困難等缺點。與傳統(tǒng)肥箱相比，該設計的肥箱具有3箱結構，能實現(xiàn)氮磷鉀3種肥料的混合配比施播，可根據(jù)實際需要隨時更改氮磷鉀配比，實現(xiàn)了自動化肥料配比施播，減少了人力，節(jié)約了時間。

圖4 肥箱

2.3 電機的選擇

2.3.1 工作原理

其技術核心為微處理器技術與傳感器技術，工作方式采用直流電機驅(qū)動排肥軸轉動。電機輸出軸通過六方聯(lián)軸器直接與排肥驅(qū)動軸連接，減少中間傳動環(huán)節(jié)，進而直接控制外槽輪的轉速，使肥料從肥箱中排出，為實現(xiàn)變量施肥打下了基礎。

2.3.2 電機參數(shù)的選擇

選擇適合試驗排肥器的電機，需要根據(jù)以下幾種參數(shù)選擇，即功率、電壓、扭矩等。

查資料知，扭矩公式為

式中P—功率(kW)；

n—轉速(r/min)。

功率公式為

P=Fv

式中F—力(N)；

v—前行速度(m/s)。

機具的前行速度為6～8km/h，外槽輪排肥器轉速可調(diào)范圍為0～60r/min。根據(jù)扭矩傳感器測試實驗臺(見圖5)可測得：功率P為45.12W，扭矩T為7.9N·m。

圖5 扭矩傳感器測試實驗臺

根據(jù)功率P=45.12W、扭矩T=7.9N·m，可選取電機型號為ZD1531。電機電壓12V，功率50W，扭矩10N·m。一般傳動系統(tǒng)采取鏈傳動1:1或1:2，此裝置考慮到簡化結構及準確性，不采取鏈傳動，電機輸出軸直接連接六方聯(lián)軸器。此聯(lián)軸器外形尺寸與槽輪中心六方孔尺寸一致，電機輸出力通過該六方軸聯(lián)軸器直接控制槽輪轉動(見圖6)，來控制排肥。

圖6 電機與排肥器連接圖

2.4 機架的設計

2.4.1 機架材料選擇

采用槽鋼結構，取Q235鋼板厚度25mm。查資料可知，Q235材質(zhì)的屈服強度是235MPa，抗拉強度約375～460MPa。

2.4.2 機架尺寸確定

機架與肥箱采用螺栓連接，所以機架的尺寸由肥箱尺寸決定，如圖7所示。其中，機架的橫截面積為S=8×1+45×1=53cm2。

圖7 機架

2.4.3 機架強度校核

該機架主要受壓應力，查資料取Q235抗壓強度最小值375MPa，則

強度校核合格。整體結構如圖8所示。

圖8 機架與肥箱裝配圖

3 田間試驗結果與分析

2016年9月，在黑龍江省試驗地對2BZD-2型氣吸式電動播種機施肥裝置進行田間試驗。試驗選取市面常見氮磷鉀3種肥料，含水率均小于12%，粒度直徑范圍為0.85～2.80mm。試驗結果如表1所示。

表1 田間試驗數(shù)據(jù)

機具與43kW以上的拖拉機配套使用。作業(yè)時，碎土鎮(zhèn)壓輪把動力通過鏈條傳遞到排肥器上施肥，肥料通過撒肥管撒播在未動土壤表面上，旋耕刀條帶旋耕土壤，單圓盤開溝器在旋耕好的種床上開溝播種，然后經(jīng)鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓。經(jīng)公式計算可知：各行排肥量一致性變異系數(shù)分別為氮肥1.2%、磷肥2.2%、鉀肥1.2%，均遠小于國家標準13.0%；總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為氮肥1.5%、磷肥1.3%、鉀肥1.4%，均遠小于國家標準7.8%，同時滿足實際生產(chǎn)要求與農(nóng)藝要求。

4 結論

1)該施肥裝置在結構上不再通過地輪驅(qū)動排肥器工作，而是通過電機驅(qū)動排肥軸工作，每個排肥器均有單獨單機控制，解決了傳統(tǒng)播種機作業(yè)中地輪打滑對整機排肥效果產(chǎn)生影響的問題，同時降低了機械的復雜度；創(chuàng)新設計了肥箱結構，將肥箱分為3個肥槽，分別加裝氮磷鉀3種肥料，用戶可通過作業(yè)智能控制系統(tǒng)完成肥料配比的設置，不僅節(jié)約了人力，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)約了大量時間。

2)試驗表明：該機具施肥機構性能良好，各項指標均滿足中耕作物精密播種機械行業(yè)標準和精密播種機技術條件，各項變異系數(shù)均遠小于國家標準。

3)施肥機構排肥量誤差小，穩(wěn)定性好，滿足實際生產(chǎn)要求，能夠進行田間作業(yè)。該施肥裝置有效提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，減少了能源消耗，對提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平和增加糧食產(chǎn)量具有重要意義。