石金杉，齊浩凱，孫富才，趙建國(guó)，趙曉順，馬志凱，李建昌，郝建軍，馬躍進(jìn)

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

近年來(lái)，深松整地作業(yè)得到了普遍推廣。實(shí)施深松整地作業(yè)，利于小麥、玉米等農(nóng)作物根系下扎和生長(zhǎng)發(fā)育，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)［1-2］，而深松的同時(shí)進(jìn)行分層施肥，可滿足不同時(shí)期根系對(duì)養(yǎng)分的需求。

深松分層施肥作業(yè)，可一次性將肥料施在距離地表10 ～25 cm 的土層，肥料間隔在5 ～8 cm［3-4］： 可滿足農(nóng)作物在全部生長(zhǎng)過(guò)程中都有足夠的肥料，減少后期追肥、節(jié)約勞動(dòng)力，降低作業(yè)成本。與傳統(tǒng)撒播施肥效果相比，深層施肥可以提高肥料利用率，減少肥料用量，促進(jìn)作物根系發(fā)育，增強(qiáng)作物抗旱、抗倒伏能力，利于增產(chǎn)增收［5～6］。

為了有效進(jìn)行肥料機(jī)械化分層深施，滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求，頓國(guó)強(qiáng)［7］等設(shè)計(jì)了肥料調(diào)配裝置，可按一定比例進(jìn)行肥料分層深施，采用仿真和驗(yàn)證試驗(yàn)，優(yōu)化了肥料均布器參數(shù)，為關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)提供了參考。姚萬(wàn)生［8］等研發(fā)了組合式下位分層施肥播種開溝器，可將種子播于地表下5 cm 處，同時(shí)將3∶7的種肥基肥分層施入種子下6、12 cm 的位置，可滿足作物苗期、中后期生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需求。趙金［9］等在玉米深松全層施肥精量播種機(jī)上設(shè)計(jì)了可調(diào)全層施肥裝置，通過(guò)調(diào)整施肥片的位置達(dá)到控制不同深度肥料多少的目的。王云霞［10］等設(shè)計(jì)了1 種施肥量可調(diào)式分層施肥器，可將肥料施入距離地表 5、10、15 cm 的土壤中，通過(guò)改變施肥器安裝角度和施肥片的長(zhǎng)度來(lái)改變各層施肥比例的大小。楊然兵［11］等設(shè)計(jì)具有V 型防堵功能的馬鈴薯種植機(jī)分層施肥開溝器，試驗(yàn)結(jié)果表明，開溝器可以實(shí)現(xiàn)上、下層施肥，施肥層間距為9.2 cm，開溝器作業(yè)性能穩(wěn)定，可滿足作物種植農(nóng)藝要求。

以上研究的深松施肥裝置及技術(shù)可一次性將肥料施入土壤中，但是因?yàn)榈貐^(qū)土質(zhì)不同導(dǎo)致的回土速度不同以及拖拉機(jī)行進(jìn)過(guò)程中啟、停等不確定性因素導(dǎo)致肥料大部分集中于土壤底層，且施肥口極易堵塞影響施肥效果。文獻(xiàn)［12］表明，小麥根系70%多分布在距離地表8 ～25 cm 的耕作層內(nèi)，種肥和基肥比例為3∶7 時(shí)，能夠滿足小麥不同生長(zhǎng)期對(duì)養(yǎng)分的需求。為了進(jìn)一步細(xì)化施肥比例，提高分層施肥效果，避免養(yǎng)分過(guò)于集中，達(dá)到肥料在土壤上層和底層分布少，中下層分布多的比例狀態(tài)，以獲取更高的肥料利用效率。本研究中將肥料分為4層施入土壤，并設(shè)計(jì)1 種具有防堵功能的分層施肥鏟，通過(guò)離散元仿真方法研究施肥裝置安裝角度、導(dǎo)肥片長(zhǎng)度、疏肥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)施肥配比的的影響規(guī)律，并通過(guò)室內(nèi)及田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，確定最佳工藝參數(shù)。

1 施肥鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

深松防堵分層施肥鏟結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由鏟尖、鏟柄、分層施肥裝置組成。施肥鏟進(jìn)行深松開溝作業(yè)時(shí)，通過(guò)分層施肥口將肥料分層施入土壤，同時(shí)位于施肥裝置內(nèi)部的肥料刮板往復(fù)運(yùn)動(dòng)可防止施肥口的堵塞。

圖1 深松防堵分層施肥鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of subsoiling and anti-blocking layered fertilizing shovel

分層施肥裝置如圖2 所示，主要由疏肥機(jī)構(gòu)、肥料管、施肥片組成。肥料通過(guò)肥料管導(dǎo)入施肥裝置，施肥裝置后面安裝有3 個(gè)施肥片、并形成了4 個(gè)施肥出口。3 個(gè)施肥片將從施肥口流出的肥料分層導(dǎo)入土壤，4 個(gè)施肥出口到地面距離分別為10、15、20、25 cm。

圖2 防堵分層施肥裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of anti-blocking and layered fertilizing device

疏肥機(jī)構(gòu)如圖3 所示，主要由肥料刮板、電機(jī)組件兩部分組成。肥料刮板有5 組刮肥片，刮肥片固接排列于刮板兩側(cè)，肥料刮板可沿施肥裝置內(nèi)的固定滑槽進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)組件由減速器、電機(jī)、凸輪軸和連桿組成，電機(jī)安裝固定在施肥裝置上端提供動(dòng)力（如圖2），經(jīng)減速器、凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到肥料刮板，從而實(shí)現(xiàn)刮板的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)肥料刮板往復(fù)距離，確定偏心輪回轉(zhuǎn)半徑為20 mm。

圖3 疏肥機(jī)構(gòu)組件Fig.3 Components of fertilizer distributor

1.2 工作原理

調(diào)整好深松分層施肥鏟入土深度，并將肥料軟管插入肥料管內(nèi)。在排肥器槽輪驅(qū)動(dòng)下，肥料經(jīng)肥料管進(jìn)入施肥裝置，肥料沿管壁下滑、碰撞后，經(jīng)施肥片分流由4 個(gè)施肥口流出進(jìn)入土壤完成分層施肥作業(yè)。同時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)偏心凸輪軸旋轉(zhuǎn)，偏心凸輪軸帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肥料刮板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。位于肥盒內(nèi)的5 組刮肥片可以去除施肥裝置內(nèi)壁黏結(jié)的肥料，同時(shí)與施肥裝置內(nèi)的肥料進(jìn)行碰撞，起到破碎結(jié)塊肥料、實(shí)現(xiàn)通暢、均勻施肥的目的。

2 施肥過(guò)程仿真分析

運(yùn)用離散元EDEM 仿真軟件對(duì)施肥過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)影響施肥裝置施肥比例的關(guān)鍵因素：安裝角度γ（施肥裝置外壁與豎直方向上的夾角）、施肥片工作長(zhǎng)度L、疏肥機(jī)構(gòu)往返頻率f 進(jìn)行仿真分析，得到其變化規(guī)律。為了便于觀察，在進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，只考慮分層施肥裝置實(shí)際工作部分進(jìn)行模擬仿真，仿真模型如圖4 所示。

圖4 防堵分層施肥裝置模型Fig.4 Model of anti-blocking and layered fertilizing device

2.1 仿真模型建立

氮、磷、鉀肥球形率在90%以上，仿真使用球形模型［13］。離散元仿真軟件中肥料顆粒模型參數(shù)設(shè)置如表1 所示。顆粒生成平面定義為Virtual，肥料顆粒動(dòng)態(tài)生成速度為500 粒/s，總數(shù)為2 000 粒。

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置［14-16］Table.1 Parameters setting of simulation model

2.2 仿真試驗(yàn)方案

分層施肥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及防堵疏肥機(jī)構(gòu)性能是施肥效果的主要影響因素，其中安裝角度γ、施肥片工作長(zhǎng)度L 及疏肥機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)頻率f 為主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。首先選取施肥裝置在不同安裝角度（γ 分別為25°、30°、35°、40°、45°、50°）時(shí)，對(duì)施肥過(guò)程進(jìn)行仿真分析，確定施肥裝置的最佳安裝角度；在最佳安裝角度確定下，選取施肥片長(zhǎng)度（L 分別為2、5、8、11、14、17、20、23、26、29 mm）時(shí)，仿真模擬施肥口施肥量比例的變化規(guī)律；在最佳安裝角度和最佳施肥片長(zhǎng)度確定下，對(duì)運(yùn)動(dòng)頻率f分別為0.5、1.0、1.5 Hz 的疏肥機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，分析施肥口施肥量比例的變化規(guī)律，確定疏肥機(jī)構(gòu)的最佳運(yùn)動(dòng)頻率。

2.3 仿真結(jié)果與分析

2.3.1 不同安裝傾角仿真結(jié)果分析 不同安裝角度下的肥料分布狀態(tài)如圖5 所示。在重力作用下，肥料下落速度逐漸加快，到上層施肥片時(shí)，速度達(dá)到最快，部分肥料落入上層施肥口中；由于肥料顆粒會(huì)與自身和施肥片都會(huì)產(chǎn)生摩擦和碰撞，從而使肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，導(dǎo)致一部分肥料顆粒從上層施肥口排除，一部分肥料顆粒落入中層施肥口和下層施肥口，另外一部分肥料顆粒落入底層施肥口。當(dāng)安裝角度為25°時(shí)，落入底層施肥口的肥量最多，隨著安裝角度的增大，上層施肥口的施肥量增加，底層施肥口的施肥量減少，中層施肥口和下層施肥口施肥量基本不變。

圖5 不同安裝傾角施肥狀態(tài)Fig.5 The fertilizing status of different installation angles

不同安裝角度施肥量比例的變化如圖6 所示。

圖6 安裝傾角對(duì)施肥比例的影響Fig.6 Effect of installation angles on fertilizing proportion

由圖可知，當(dāng)安裝角度增大時(shí)，上、中、下3層施肥口施肥量比例增加，上層施肥量比例增加約30%，中、下層施肥量比例增加約15%；而底層施肥量比例降低約60%。因此，增大安裝角度對(duì)底層施肥量比例影響顯著，且更接近于各層施肥量比例需求。當(dāng)安裝角度為30°時(shí)，上層施肥口施肥量約占總施肥量的23.5%，符合小麥對(duì)上層肥量比例生長(zhǎng)需求，但底層施肥量比例偏大，未能達(dá)到上層、底層肥量少，而中、下層肥量比例多的分布要求，因此可通過(guò)調(diào)整施肥片長(zhǎng)度來(lái)滿足各層施肥量比例要求。

2.3.2 施肥片工作長(zhǎng)度仿真結(jié)果分析 圖7 為施肥裝置安裝傾角為30°，中、下層施肥片長(zhǎng)度分別為14、29 mm 時(shí)施肥口施肥量比例狀態(tài)圖。安裝角度為30°時(shí)，上層施肥量比例保持穩(wěn)定，而中層施肥片調(diào)節(jié)為14 mm、下層施肥片調(diào)節(jié)為29 mm 時(shí)，中、下層施肥量比例增加，而底層施肥量比例減少。分析認(rèn)為，增長(zhǎng)后的導(dǎo)肥片進(jìn)一步阻礙了肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)，起到了分流、限流的作用。

圖7 不同長(zhǎng)度施肥片施肥狀態(tài)Fig.7 The fertilizing status of different length of fertilizing tablets

不同長(zhǎng)度施肥片施肥量比例的變化如圖8所示。由圖可知，中層施肥口施肥量比例隨施肥片長(zhǎng)度的增加呈線性增加，當(dāng)施肥片長(zhǎng)度為17 mm 時(shí)，施肥量比例可達(dá)到30%左右。下層施肥片在14 ～20 mm 范圍內(nèi)時(shí)，施肥量比例為10% 左右；當(dāng)下層施肥片在23 ～29 mm 范圍內(nèi)時(shí)，施肥量比例約為20%～30%。當(dāng)中、下施肥片長(zhǎng)度分別為14 mm 和29 mm 時(shí)，施肥裝置上層施肥口施肥量∶中層施肥口施肥量∶下層施肥口施肥量∶底層施肥口施肥量為23.4∶23.3∶23.2∶30.1，基本滿足小麥生長(zhǎng)需肥量上層、底層少，中下層多的肥量比例分布要求。

圖8 施肥片工作長(zhǎng)度對(duì)施肥比例的影響Fig.8 Effect of fertilizing tablet length on the fertilizing proportion

2.3.3 疏肥機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果分析 圖9 為施肥裝置安裝角度為30°，中、下層施肥片長(zhǎng)度分別為14、29 mm 時(shí)，疏肥機(jī)構(gòu)不同運(yùn)動(dòng)頻率下，施肥口施肥量比例狀態(tài)圖。由圖可知，肥料顆粒與施肥片、刮肥板發(fā)生碰撞后，多次改變運(yùn)動(dòng)軌跡，最終落入施肥口中。

圖9 不同頻率下肥料比例狀態(tài)Fig.9 Fertilizing proportion status at different frequencies

疏肥機(jī)構(gòu)不同往返頻率下，各層施肥口肥量比例分布如表2 所示。無(wú)疏肥機(jī)構(gòu)時(shí)，上、中、下、底層施肥量之比為23.4∶23.3∶23.2∶30.1，當(dāng)疏肥機(jī)構(gòu)往返頻率為0.5、1.0、1.5 Hz 時(shí)，上層、中層施肥量比例變化不大；而下層施肥量變化比較明顯，與無(wú)疏肥機(jī)構(gòu)相比，最大增加了8%。分析認(rèn)為，在施肥裝置內(nèi)，肥料先與上層施肥片碰撞從而改變運(yùn)動(dòng)軌跡后，一部分肥料被反彈后會(huì)與刮肥板發(fā)生碰撞而彈入中下層施肥口中，由于沖擊力度并不是很大，多數(shù)肥料顆粒落入下層施肥口。疏肥機(jī)構(gòu)往返頻率為1 Hz 時(shí)，上、中、下、底層施肥量之比為23.3∶23.8∶31.2∶21.7 時(shí)，滿足小麥生長(zhǎng)需肥量上層、底層少，中下層多的肥量比例分布需求。

綜上所述，確定分層施肥裝置安裝角度γ 為30°、中層施肥片長(zhǎng)度L1為14 mm、下層施肥片長(zhǎng)度為L(zhǎng)2為29 mm、疏肥機(jī)構(gòu)往返頻率f 為1.0 Hz。

表2 不同頻率下施肥比例分布Table 2 Distribution of fertilizer proportion at different frequencies %

3 深松分層施肥鏟室內(nèi)與田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

為進(jìn)一步驗(yàn)證深松分層施肥鏟的工作性能，以施肥比例、變異系數(shù)和深松效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析深松分層施肥鏟實(shí)際作業(yè)結(jié)果。試驗(yàn)肥料為氮磷鉀顆粒狀復(fù)合肥料，球形率在90%以上。

室內(nèi)試驗(yàn)如圖10 所示，將深松分層施肥鏟安裝在土槽試驗(yàn)臺(tái)架上，4 個(gè)施肥口分別用塑料袋包裹扎緊。試驗(yàn)時(shí)，每次取1 kg 復(fù)合肥，然后將復(fù)合肥導(dǎo)入施肥裝置，肥料下落結(jié)束后，測(cè)量通過(guò)4 個(gè)施肥口流出的肥料重量，計(jì)算各層肥料比例。試驗(yàn)重復(fù)5 次，最后求平均值。

圖10 分層施肥鏟室內(nèi)試驗(yàn)Fig.10 Laboratory test of layered fertilizing shovel

田間試驗(yàn)如圖11 所示，將深松分層施肥鏟安裝在作業(yè)機(jī)具上。作業(yè)參數(shù)調(diào)節(jié)：深松深度30 cm，拖拉機(jī)作業(yè)速度分別為2.6、4.1、5.1 km/h。取中間穩(wěn)定作業(yè)區(qū)域，垂直于深松分層施肥鏟工作軌跡方向挖開土壤斷面，測(cè)量深松深度及土壤中肥料顆粒分布狀況。

圖11 分層施肥鏟田間試驗(yàn)Fig.11 Field test of layered fertilizing shovel

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 分層施肥相關(guān)參數(shù)結(jié)果與分析 室內(nèi)土槽試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。由表可知，上層和底層施肥量變異系數(shù)相對(duì)較大，分別為7.46%和9.00%，而中層和下層施肥口變異系數(shù)相對(duì)較小，分別為3.90%和4.30%。分析認(rèn)為，肥料顆粒先與上層施肥片發(fā)生碰撞，顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡改變比較明顯，對(duì)上層和底層施肥量比例影響較大。上層施肥量最小為總施肥量的20.3%，最大為總施肥量的25.3%；而底層施肥量最小為總施肥量的19.6%，最大達(dá)到了總施肥量的25.7%。但其總體分布規(guī)律呈現(xiàn)為中、下層多、上、底層少的狀態(tài)。表3 中上、中、下、底層施肥量平均值之比為23.2∶25.8∶28.9∶22.1，與仿真值結(jié)果相對(duì)誤差分別為0.1%、2%、2.3%、0.4%，相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

肥料在田間分布狀態(tài)如圖11（b）所示，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表4 所示。

表4 每層施肥量比例Table 4 The proportion of fertilizer amount per layer %

中層和下層施肥口在不同工作速度下變異系數(shù)相對(duì)較小，分別為1.92%和6.18%，上層和底層施肥口變異系數(shù)相對(duì)較大，分別為8.86%和8.87%。因此，在不同工作速度下分層施肥裝置不同施肥口施肥量比例發(fā)生了一定的變化，當(dāng)拖拉機(jī)作業(yè)速度為5.1 km/h 時(shí)，變化最大。分析認(rèn)為，在田間作業(yè)時(shí)，地面起伏顛簸、機(jī)具振動(dòng)、土壤耕作阻力變化等會(huì)導(dǎo)致施肥裝置有時(shí)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而對(duì)各施肥口施肥量比例造成一定影響。

4 結(jié)論

（1）為滿足小麥不同生長(zhǎng)時(shí)期的肥量需要，減少肥料堵塞，設(shè)計(jì)了具有自動(dòng)疏肥機(jī)構(gòu)的分層施肥鏟。

（2）利用離散元軟件EDEM 建立了分層施肥裝置仿真模型。通過(guò)仿真試驗(yàn)，確定施肥器安裝角度為30°、中層施肥片長(zhǎng)度為14 mm、下層施肥片長(zhǎng)度為29 mm、疏肥機(jī)構(gòu)往返頻率為1 Hz。

（3）室內(nèi)試驗(yàn)中，施肥口上、中、下、底層施肥量之比為23.2∶25.8∶28.9∶22.1，與仿真結(jié)果相對(duì)誤差均在5% 以內(nèi)。室內(nèi)和田間試驗(yàn)結(jié)果表明，深松分層施肥裝置各層施肥量比例變異系數(shù)均在10% 以內(nèi)，表明分層施肥裝置工作性能比較穩(wěn)定。