趙建國，趙超凡，李 浩，齊浩凱，馬躍進(jìn)，盧占喜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001；2.河北雙天機械制造有限公司，河北 定州 073099）

玉米是我國三大糧食作物之一，其產(chǎn)量對于我國糧食安全起著至關(guān)重要的作用［1］。玉米施肥、除草環(huán)節(jié)是保證其茁壯生長、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的重要措施。目前大部分農(nóng)戶為了節(jié)省勞力和時間，種植玉米時往往實行一次性施底肥，該方式施肥量大，很難平衡玉米不同生長期對肥量的不同需求，尤其到玉米大喇叭口前后期，肥料供給不足凸顯，且追肥多以施顆粒肥為主，肥料利用率低［2］。針對田間雜草問題，農(nóng)戶多數(shù)采用苗前封閉或苗后施藥的方式，藥液過量施用及利用率低的問題普遍存在，環(huán)境污染大，對玉米生長產(chǎn)生了一定的不利影響。

為實現(xiàn)玉米田間追肥，歐美國家大多使用大型撒肥或噴肥機械，如約翰迪爾4730 型噴肥機［3］可以實現(xiàn)噴液態(tài)肥和化學(xué)除草劑，工作效率高。由于國外種植面積廣，其大型機具難以適用我國田間作業(yè)。目前我國現(xiàn)有的追肥機大部分為低地隙追肥機，如3ZF-6 型中耕追肥機，可以實現(xiàn)多行開溝、追肥、除草、培土復(fù)合作業(yè)，行距和開溝深度可調(diào)，工作效率高，但離地間隙低，僅適用于玉米幼苗期追肥，在玉米生長中后期難以下地。為提高追肥精度，王金武［4］設(shè)計了1 種液態(tài)差動式雙向噴肥裝置，對玉米根部深施液態(tài)肥，大大提高了肥料利用率，但工作精度要求過高，工作效率低。為實現(xiàn)機械除草，研究者也進(jìn)行了大量研究，但除草鏟多為單翼鏟或雙翼鏟，此類除草結(jié)構(gòu)對土壤擾動量較大，且易纏草。3ZCF-7700 型中耕除草機［5］可實現(xiàn)追肥、除草一體，其除草采用箭鏟式除草鏟，除草率較低，傷苗率較大。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)顧向陽［6］設(shè)計了1 種旋轉(zhuǎn)式除草機，通過性強，除草率高，機具由7 個單體構(gòu)成，工作效率較高。

本文為實現(xiàn)玉米中后期追液態(tài)肥，提高肥料利用率，減少化學(xué)除草劑的使用，研制了1 臺高地隙玉米追肥除草一體機。該機具可以在玉米生長中后期對根部雙側(cè)深施液態(tài)肥，以水帶肥，水肥能迅速到達(dá)根部，更易于根部的吸收，提高化肥利用率［7］。采用機械除草機構(gòu)進(jìn)行除草作業(yè)，在減少化學(xué)除草藥劑使用的同時，還能起到松土透氣、防止表層土壤板結(jié)的作用。

1 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

高地隙玉米追肥除草一體機如圖1 所示，主要由肥箱、機架、支撐輪、除草結(jié)構(gòu)、雙側(cè)開溝施肥器、覆土輪構(gòu)成，可實現(xiàn)開溝、施肥、除草、覆土等功能。

圖1 整機結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the whole machine structure

機具的4 個單體通過U 型螺栓連接在機架橫梁上，拖拉機通過三點懸掛帶動機具前進(jìn)。四連桿仿形結(jié)構(gòu)可以保障機具開溝深度、除草深度穩(wěn)定，彈性結(jié)構(gòu)能夠保證機具在工作過程中不易被破壞［8］。電機驅(qū)動除草輪工作，除草架上絲杠結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)除草深度。在單體上焊接橫梁，用來固定雙側(cè)開溝施肥器。2 個開溝器通過方形口和U 型卡安裝在橫梁的左右兩側(cè)，實現(xiàn)開溝器的高度和苗帶間距的調(diào)節(jié)。機架上安裝有2 個肥箱，排肥管連接開溝器后端焊接的圓柱輸肥管進(jìn)行施肥。

為實現(xiàn)均勻追肥，采用GPS 測速的電驅(qū)式玉米精量追肥控制系統(tǒng)，機具在前進(jìn)過程中，排肥量隨車速的變化而變化，從而實現(xiàn)精量排肥［9］。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

依據(jù)玉米行距為600 mm，設(shè)計單體中心距為600 mm。為了避免傷苗，單體的最大寬處為480 mm，機具的橫梁總長度為2.5 m。

玉米拔節(jié)期的高度約為700 mm，為了實現(xiàn)高地隙追肥，且考慮到機具的穩(wěn)定性及對玉米地凹凸不平的適應(yīng)性，設(shè)計橫梁的離地高度為850 mm，主要參數(shù)如表1 所示。

表1 追肥除草一體機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structural parameters of the topdressing and weeding machine

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計

1.3.1 追肥結(jié)構(gòu)設(shè)計 追肥結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示，主要由肥箱、水泵、流量計、肥管、開溝器、鎮(zhèn)壓輪等組成。首先由每個單體兩側(cè)的開溝器在地上開出肥溝，肥箱內(nèi)的液態(tài)肥經(jīng)水泵排出，通過輸肥管流到肥溝內(nèi)，每個水泵為1 個單體的2 個開溝器進(jìn)行供肥。該機可實現(xiàn)對玉米根部雙側(cè)深施肥，通過調(diào)節(jié)開溝器的縱向和橫向位置來調(diào)節(jié)追肥深度和追肥苗帶位置。為避免水肥揮發(fā)，設(shè)計鎮(zhèn)壓輪，通過連桿結(jié)構(gòu)將鎮(zhèn)壓輪與開溝器連接在一起，使鎮(zhèn)壓軌跡與除草輪開溝軌跡一致，實現(xiàn)良好的鎮(zhèn)壓效果。

圖2 追肥結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of topdressing

1.3.2 除草結(jié)構(gòu)設(shè)計 通過田間調(diào)查，在玉米生長中后期，田間雜草平均高度≤300 mm。為避免在除草過程中纏草現(xiàn)象，要保證2πr≥L。式中r為除草輪半徑，mm；L為苗間雜草高度［10］，mm。在半徑為100 mm 的輪轂電機上焊接刀片，除草輪整體半徑為150 mm，滿足上式要求。參考現(xiàn)有的除草輪尺寸與結(jié)構(gòu)，設(shè)計刀齒數(shù)目為6。除草輪轉(zhuǎn)速較高，且機具前進(jìn)速度較慢，故不會出現(xiàn)漏除的情況。為保障不傷苗，除草輪寬度即刀片長度為330 mm。

除草結(jié)構(gòu)如圖3 所示，除草輪通過軸銷安裝在除草架上。除草架一端通過軸銷安裝在單體上，另一端通過絲杠結(jié)構(gòu)安裝在單體梁上，通過調(diào)節(jié)螺栓來實現(xiàn)除草深度的調(diào)節(jié)，彈簧可使除草結(jié)構(gòu)具有一定的仿形能力。

圖3 除草結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of weeding

2 除草輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化試驗方案

除草輪在工作過程中，其阻力主要來自于刀片切入土壤過程中受到的阻力，阻力越大耗電量越大，為減小入土阻力，對除草輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

以除草輪刀齒厚度、刀齒寬度、刀齒焊接角度（焊縫與除草輪旋轉(zhuǎn)中心間的夾角）為變量因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。依據(jù)除草輪整體結(jié)構(gòu)，綜合考慮刀片形狀以及使用壽命情況，每個因素設(shè)置3 個水平，其因素水平表如下表2 所示。考慮到各試驗因素之間的交互效應(yīng)關(guān)系，采用響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗設(shè)計與分析，在Design-Expert 軟件中根據(jù)Box-Behnken 試驗設(shè)計，采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗［11］。

表2 試驗因素水平Table 2 Level of test factors

2.2 除草輪離散元仿真與結(jié)果分析

為得到除草輪受力，將每組參數(shù)的除草輪結(jié)構(gòu)通過EDEM 軟件進(jìn)行離散元仿真分析。建立虛擬土槽模擬真實土壤情況，依據(jù)除草輪結(jié)構(gòu)及入土深度，設(shè)置土槽長×寬×高為2 000 mm×400 mm×200 mm，土壤顆粒形狀為球狀顆粒，顆粒半徑為5 mm。通過參考文獻(xiàn)［12-14］，對顆粒、65Mn 鋼的屬性參數(shù)以及兩者接觸系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)如表3所示。設(shè)置生成顆粒的總時長為9 s，顆粒的生成數(shù)量為2 000 個/s，顆粒的掉落速度為-2 m/s，時間步長為10%，網(wǎng)格尺寸單元為3 倍的最小顆粒半徑。

接觸模型是建立虛擬土槽的關(guān)鍵［15］，接觸模型的建立以及參數(shù)的設(shè)置能夠反映實際的土壤力學(xué)特性［16］。Hertz-Mindlin with Bonding 模型顆粒之間的粘結(jié)鍵，可以用其來模擬土壤顆粒之間的液橋力，該模型主要用于模擬破碎和斷裂等問題［17］。因此該仿真選擇Hertz-Mindlin with Bonding 接觸模型，其參數(shù)如表3 所示。顆粒粘結(jié)半徑的大小，通過含水率計算得出，土壤含水率為15%。

表3 仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters

式中，m1為土壤顆粒的質(zhì)量，kg；m2為水分的質(zhì)量，kg；ρ1，ρ2為土壤密度和水的密度，kg/m3；v1為土壤所占體積，m3；v2為水分所占體積，m3；R1為土壤顆粒半徑，mm；R′1為土壤顆粒模型粘結(jié)半徑，mm。

上式聯(lián)立可得土壤粘結(jié)半徑為5.4 mm。

在SolidWorks 中建立三維結(jié)構(gòu)圖，并保存為STEP 格式，導(dǎo)入EDEM 軟件中。為控制變量，入土深度均為30 mm，且初始位置一致。設(shè)置仿真時間為4 s，仿真Rayleigh 時間步長為10%，進(jìn)行仿真分析。圖4 中a 為除草輪在仿真過程中顆粒的速度云圖、b 為除草輪的受力云圖。

圖4 除草輪仿真過程圖Fig. 4 Simulation process diagram of weeding wheel

分別將各組除草輪的受力數(shù)據(jù)導(dǎo)出，將1.0 ～3.0 s的數(shù)據(jù)求平均值得出其平均受力結(jié)果，其結(jié)果如表4所示。

表4 試驗方案與結(jié)果Table 4 Scheme and results of the test

應(yīng)用Design-Expert 軟件對表中除草輪所受阻力進(jìn)行回歸方程方差分析［18］，其分析結(jié)果如表5 所示。

表5 受力方差分析Table 5 Analysis of variance force

由表5 可知，模型顯著性檢驗P值＜0.000 1，失擬項P值為0.155 5，表示模型極其顯著，試驗正確有效，失擬項不顯著，擬合程度高。分析結(jié)果可以清楚的看到每一個因素對除草輪受力的影響程度，越顯著表明此因素對指標(biāo)的影響越大，相關(guān)度也就越高［19］。結(jié)果表明，一次項焊接角度（A）、刀齒厚度（B）對除草輪受力影響極顯著（P＜0.01）；一次項刀齒寬度（C）對除草輪受力影響顯著（P＜0.05）；交互作用項AB、AC對除草輪受力影響顯著，即焊接角度和刀齒厚度的交互作用項影響顯著、焊接角度和刀齒寬度交互作用項影響顯著，刀齒厚度和刀齒寬度交互作用項影響不顯著。二次項A2對除草輪受力影響顯著。其余各項對除草輪受力影響不顯著。其顯著性順序為A、B＞AB＞C＞AC＞A2；剔除顯著性低的因素進(jìn)行方差分析，得到除草輪受力與各因素之間的二次多元方程為：y=188.02+37.65A+24.15B-6.00C-9.27AB-8.07AC+6.99A2

試驗因素交互作用顯著項對除草輪所受阻力的響應(yīng)面如圖5 所示。從圖a 中可以得出，在刀齒寬度一定的情況下，阻力隨著刀齒厚度及焊接角度的增加而增加；從圖b 中可以看出，在刀齒厚度一定的情況下，焊接角度越大，阻力越大，刀齒寬度增加，其阻力增加不明顯。

圖5 試驗因素交互作用顯著項對阻力的響應(yīng)面Fig. 5 The response surface of the significant item of experimental factor interaction to resistance

依據(jù)以上結(jié)果，在Design-Expert 軟件中以除草輪所受阻力最低為指標(biāo)，對除草輪刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到除草輪結(jié)構(gòu)工作的最優(yōu)參數(shù)組合為焊接角度0.07°，刀齒厚度3.02 mm，刀齒寬度40.06 mm，考慮實際加工情況，選擇焊接角0°，刀齒厚度3 mm，刀齒寬度40 mm。以最優(yōu)參數(shù)建立除草輪三維模型，并進(jìn)行EDEM 仿真試驗，得到其平均受力為117.325 N。

為了驗證除草刀的結(jié)構(gòu)強度是否合理，本文采用EDEM 接口，將除草輪在EDEM 仿真過程中與土壤顆粒之間的接觸力導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中［20］。對除草輪進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸3 mm。共劃分22 618 個單元，得到47 420 個節(jié)點，由于刀片是焊接在除草輪電機上，所以對除草輪電機兩側(cè)添加固定約束。

分析結(jié)果如圖6 所示，圖a 為除草輪總變形云圖，除草輪的最大變形發(fā)生在除草輪入土刀片上的兩端，且最大變形量為0.161 mm；圖b 為除草輪等效應(yīng)力云圖，除草輪在工作過程中最大應(yīng)力為11.392 MPa，遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力（150 ～286 MPa）［21］，除草輪在工作狀態(tài)下滿足設(shè)計要求。

圖6 除草輪有限元分析結(jié)果Fig. 6 Finite element analysis results of weeding wheel

3 室內(nèi)試驗與田間試驗

依據(jù)DB63/T 1289—2014《中耕除草機作業(yè)質(zhì)量》、JB/T7864—2013《中耕追肥機》和GB/T 20346.1—2006《施肥機械試驗方法》中的試驗標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行試驗。為了驗證追肥結(jié)構(gòu)的工作性能，以施肥量偏差、排肥量穩(wěn)定性、各行排肥量一致性為指標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)試驗［22］；為了綜合驗證除草結(jié)構(gòu)的工作性能，以除草率、傷苗率為指標(biāo)進(jìn)行田間試驗。試驗要求施肥量偏差≤5%，各行排肥量一致性變異系數(shù)≤8.0%，除草率≥80%，傷苗率≤5%。

3.1 排肥試驗

排肥試驗在室內(nèi)進(jìn)行。在肥箱內(nèi)裝有配比好的液態(tài)肥，手轉(zhuǎn)地輪搖把模擬車前進(jìn)，用8 個相同的水桶在每個排肥口接肥，并用臺秤進(jìn)行稱重。

（1）施肥量偏差測量

追肥系統(tǒng)安裝變量排肥控制裝置，可實現(xiàn)每畝地施肥量0 ～90 kg 可調(diào)，規(guī)定每畝地排肥量為60 kg 水肥。為了驗證其排肥能力，分別將其調(diào)節(jié)至最高、最低、以及實際工作時規(guī)定的排量，測量其60 s 內(nèi)實際排肥量與理論值的誤差，每組試驗進(jìn)行5 次，取平均值。由于添加GPS 系統(tǒng)，其排肥隨車速的變化而變化，從而保證施肥量均勻。此試驗在室內(nèi)進(jìn)行，手轉(zhuǎn)地輪搖把模擬車前進(jìn)，搖把轉(zhuǎn)1 圈為直徑450 mm 的地輪轉(zhuǎn)1 周所走過的路程，故其每分鐘排量僅與其搖把轉(zhuǎn)過的圈數(shù)有關(guān)。以車速為0.9 m/s 計算每分鐘驅(qū)動輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)：

式中，s1每分鐘車走過的路程，m；s2地輪轉(zhuǎn)1圈走過的路程，m；v為車速，m/s；n為每分鐘內(nèi)手搖地輪圈數(shù)；D為地輪直徑，m。

經(jīng)計算，所轉(zhuǎn)圈數(shù)為38 圈。

由于每畝地排肥總量一定，故每分鐘理論排肥值僅車速有關(guān)，以車速為0.9 m/s 計算每分鐘的理論總排量：

式中，t為當(dāng)車速為0.9 m/s 時，每畝地的工作時間，s；S為每畝地的面積，m2；L為拖拉機作業(yè)幅寬，m；v為車速，m/s；V為每分鐘理論排量值，kg/min。

經(jīng)計算，以0.9 m/s 車速，每畝地工作時間為308.8 s，理論值V值的計算結(jié)果如表中所示。手搖地輪，盡量使速度與實際車速保持一致，減小誤差。改變其每畝地排肥量，稱重地輪轉(zhuǎn)38 圈的排肥量。每分鐘理論排量值與實際平均排肥量如表6所示。

表6 排肥能力測量Table 6 Measurement of fertilizer discharge capacity

從表6 中可以看出，當(dāng)排量為10 kg/畝時，誤差為0.52%，當(dāng)排量為60 kg/畝時，誤差為3.09%，當(dāng)排量調(diào)節(jié)至最大為90 kg 每畝時，誤差為2.78%。

（2）排肥穩(wěn)定性測量

將排肥量設(shè)置為每畝地60 kg，測量地輪轉(zhuǎn)38圈的排肥量，試驗共進(jìn)行5 次，如表7 所示，通過公式7 ～9 計算得出其排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.01%。

表7 排肥穩(wěn)定性測量表Table 7 Table of measuring fertilizer stability

式中，x為各次排肥量平均值，kg；xi為各次排肥量，kg；n為測定次數(shù)；sf為各次排量一致性標(biāo)準(zhǔn)差，kg；v為各次排量一致性變異系數(shù)。

（3）各行排肥量一致性測量

將排肥量調(diào)節(jié)至60 kg/畝，稱重各個排肥口在地輪轉(zhuǎn)38 圈內(nèi)排出的水肥，試驗進(jìn)行5 次。表8 為各行排肥一致性測量表，各行排肥量一致性變異系數(shù)為3.45%。

表8 各行排肥一致性測量表Table 8 Measurement table of consistency of fertilizer discharge for each row

3.2 田間除草試驗

在河北省龐口鎮(zhèn)的試驗田進(jìn)行田間試驗。玉米為拔節(jié)時期，玉米葉片數(shù)9 個左右，玉米植株高度約為700 mm，行距為600 mm，株距為230 mm 左右。雜草生長密度及高度不規(guī)律，平均高度為100 ～300 mm。

為驗證拖拉機前進(jìn)車速和除草深度對除草率和傷苗率的影響，進(jìn)行除草試驗［24］。在試驗前進(jìn)行單因素試驗，試驗證明：當(dāng)車速超過0.9 m/s 時，車速過快，拖拉機前進(jìn)方向掌握不穩(wěn)，導(dǎo)致傷苗率增大，當(dāng)車速低于0.3 m/s 時，車速過小，工作效率降低，所以車前進(jìn)速度設(shè)置為0.3、0.6、0.9 m/s 3 個水平。當(dāng)除草輪入土深度超過40 mm 時，阻力過大，會出現(xiàn)停轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在除草深度低于20 mm 時，除草輪與土壤接觸不夠，很多草未除到，所以除草深度的水平設(shè)置為20、30、40 mm 3 個水平，試驗共進(jìn)行9 組試驗。

（1）除草率測定

在每組試驗的試驗測區(qū)內(nèi)隨機選定5 個測點，由于除草輪寬度為330 mm，故選取每個測試區(qū)為長2 m，寬330 mm 的長方形區(qū)域統(tǒng)計除掉雜草根數(shù)和未除掉雜草根數(shù)。按公式（10）計算除草率：

式中，Cr為除草率，%；Z為除草試驗區(qū)域內(nèi)的總雜草數(shù)，株；S為除草后除草試驗區(qū)域內(nèi)剩余雜草數(shù)，株。

（2）傷苗率測定

在每組測區(qū)內(nèi)隨機選定5 個測點，每個測點內(nèi)測量10 m 內(nèi)玉米總株數(shù)，以及傷苗的株數(shù)。按公式（3）計算傷苗率：

式中：Ir為傷苗率，%；M為10 m 內(nèi)的玉米總數(shù)，株；I為10 m 內(nèi)傷苗總數(shù)，株。

除草效果如圖7 所示，其試驗結(jié)果如表9 所示。

表9 田間試驗Table 9 Field test

圖7 除草效果Fig. 7 Effect of weeding

使用極差分析來評價各試驗因素對評價指標(biāo)的影響程度，試驗因素的主次關(guān)系由極差的大小決定，極差越大，影響程度越大［10］。表中K1、K2、K3為每個因素對應(yīng)i水平的除草率或傷苗率之和，R為極差，即最大K值與最小K值之差。通過分析可以得出，各因素對除草率的影響順序由高到低為深度、速度；對傷苗率的影響順序由高到低為速度、深度。除草率越高越好，傷苗率越低越好，通過比較各因素的K值，得出除草率的最優(yōu)組合為：0.3 m/s，40 mm，傷苗率最優(yōu)：0.3 m/s，20 mm。通過上表可以看出當(dāng)車速為0.3 m/s 時，除草深度為40 mm 時，除草率達(dá)到最高，此時傷苗率小于5%，綜合考慮，故選擇車速0.3 m/s，除草深度40 mm。

通過計算9 組試驗的平均傷苗率為2.47%，平均除草率為93.91%，除草機的除草效果良好。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了1 臺高地隙玉米液態(tài)追肥除草機，可實現(xiàn)開溝、追肥、除草、覆土的復(fù)合作業(yè)。對玉米根部雙側(cè)深施液態(tài)肥，更易于根系吸收；以機械除草代替化學(xué)除草，不僅保護環(huán)境，且能疏松土壤。

（2）以除草輪入土阻力最小為邊界條件對除草輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其結(jié)果為：焊接角度0°，刀齒厚度3 mm，刀齒寬度40 mm，其最優(yōu)結(jié)構(gòu)的三維模型平均仿真受力為117.325 N，除草輪的最大變形為0.161 mm，最大應(yīng)力為11.392 MPa。優(yōu)化后阻力變小，且變形量與所受最大應(yīng)力均滿足材料的設(shè)計要求。

（3）室內(nèi)試驗和田間試驗結(jié)果表明，追肥除草一體機施肥量偏差平均為2.13%、排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.01%、各行排肥量一致性變異系數(shù)為3.45%，平均除草率為93.91%，平均傷苗率為2.47%。其排肥效果較好，施肥量均勻，除草率較高，傷苗率較低，易于玉米生長。