李 寧，孫振雨，安龍哲，徐 峰，王麗君，聶海強，王密盛,吳忠民，李翠玲

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院 牡丹江分院，黑龍江 牡丹江 157011；2.牡丹江市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站，黑龍江 牡丹江 157011)

0 引言

水稻是中國主要的糧食作物，在保障我國糧食安全中起著重要的作用。化肥對提升水稻產(chǎn)量有不可替代的作用，通過合理的方式使用化肥，對提高肥料的利用率和保護農(nóng)田環(huán)境有重要意義[1]。目前，我國水稻種植主要包括插秧和直播兩種方式。近年來，由于農(nóng)村地區(qū)勞動人口的減少，水稻機械化直播種植方式因具有省工、節(jié)本、省時等優(yōu)勢發(fā)展較快。目前，水稻直播施肥多采用人工或撒播機將化肥撒施在土壤表層。這種施肥方式存在肥料漏施或施肥過量等問題，導致水稻幼苗吸收養(yǎng)分不均，環(huán)境污染，直接影響水稻品質(zhì)和產(chǎn)量。水田側(cè)深施肥技術(shù)是將化肥一次性定量施入水稻植株根系側(cè)面一定深度的土壤中，該項技術(shù)能提升化肥的利用率，保護環(huán)境，節(jié)約生產(chǎn)成本，減輕農(nóng)民的勞動強度[2]。

以水田側(cè)深施肥農(nóng)藝要求為基礎(chǔ)，針對水稻水直播機設(shè)計了氣吹式水稻側(cè)深施肥裝置，采用電機驅(qū)動施肥、氣吹送肥的原理。實現(xiàn)水稻直播作業(yè)與側(cè)深施肥作業(yè)同時進行，提高肥料利用率，降低水稻的生產(chǎn)成本，增加農(nóng)民收益。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

氣吹式水稻側(cè)深施肥裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置主要由風力輸送系統(tǒng)、肥箱、排肥軸、排肥器、排肥管、排肥口、立板等部分組成。

1.風力輸送系統(tǒng);2.肥箱;3.排肥軸;4排肥器;5排肥管;6.排肥口;7.立板

1.2 工作原理

水田側(cè)深施肥裝置應(yīng)用電機驅(qū)動施肥、氣吹送肥技術(shù)。作業(yè)開始前，在施肥控制器上輸出所需的排肥量。作業(yè)時，排肥電機驅(qū)動排肥器工作，進行排肥作業(yè)，風機同步啟動，產(chǎn)生氣流，通過氣流對顆粒肥進行輸送。

采用排肥電機轉(zhuǎn)速隨水稻水直播機前進速度同步調(diào)節(jié)的方法控制排肥量，通過GPS實時測量水稻水直播機前進速度，根據(jù)水稻水直播機行進速度，實時調(diào)節(jié)排肥量。施肥開溝器在種穴側(cè)面 3 cm 處開設(shè)一條深 5 cm的矩形溝槽，排肥器排出的顆粒肥在氣流和重力的共同作用下，經(jīng)排肥器、排肥管，落入開設(shè)的溝槽中。

2 主要工作部件設(shè)計

排肥機構(gòu)和風力輸送系統(tǒng)是水稻直播機側(cè)深施肥裝置的兩個主要組成部分，其工作性能將直接影響側(cè)深施肥裝置的作業(yè)質(zhì)量，通過理論分析和計算,確定了各主要工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 排肥部件

2.1.1 排肥器結(jié)構(gòu)及工作原理

排肥器采用螺旋槽式結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括調(diào)節(jié)螺栓、調(diào)節(jié)輪、清肥口鎖扣、毛刷、弧形插板、排肥輪、殼體等部分組成。排肥器采用插板式調(diào)整機構(gòu)，調(diào)節(jié)螺栓安裝在殼體左端，調(diào)節(jié)輪通過螺紋與調(diào)節(jié)螺栓連接，調(diào)節(jié)輪上安裝弧形插板，殼體側(cè)端開設(shè)有弧形插板相對應(yīng)的弧形槽。作業(yè)時,肥料通過箱下部的孔槽排出，落入螺旋槽式排肥器內(nèi)。排肥器通過調(diào)節(jié)輪調(diào)整弧形插板的開度，實現(xiàn)排肥器排肥量的調(diào)整。螺旋式排肥輪(圖3)由驅(qū)動軸帶動旋轉(zhuǎn)，肥料顆粒依靠重力依次填充排肥輪凹槽，肥料顆粒隨排肥輪轉(zhuǎn)動，肥料顆粒在螺旋槽輪輪脊的帶動下，由排肥舌的端部邊緣落下，經(jīng)排肥口排出，完成作業(yè)。

1.調(diào)節(jié)螺栓;2.調(diào)節(jié)輪;3.清肥口鎖扣;4.毛刷 ;5.弧形插板;6.排肥輪;7.殼體

圖3 螺旋式排肥輪結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

目前，市場上使用廣泛的外槽輪排肥器大都是直槽式排肥輪，這種排肥輪具有結(jié)構(gòu)簡單、排量穩(wěn)定、調(diào)節(jié)方便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。但由于外槽輪排肥輪的輪脊結(jié)構(gòu)影響，排肥輪旋轉(zhuǎn)到輪槽處排出的肥量比輪脊處大，肥料顆粒易出現(xiàn)脈動現(xiàn)象。影響排肥的穩(wěn)定性和均勻性。為解決上述問題，將排肥器的直槽式排肥輪改進為螺旋式排肥輪，在輪轂表面開設(shè)若干個按螺旋線軌跡均勻分布的圓弧形輪槽。隨著排肥輪的轉(zhuǎn)動，可以使肥料顆粒沿著圓弧形輪槽的旋轉(zhuǎn)方向均勻、連續(xù)不斷地排出。

排肥輪輪槽截面如圖4所示，輪槽截面為圓弧形。其面積為

圖4 螺旋式排肥輪截面形狀剖視圖

(1)

式中α—輪槽節(jié)距角，rad；

β—輪槽在排肥輪截面上跨度，rad；

R—排肥輪半徑，mm；

r—圓弧形輪槽的半徑，mm；

z—輪槽數(shù)量；

s—單個凹槽截面積，mm2；

施肥作業(yè)時，肥料顆粒從肥箱落入排肥器內(nèi)，充滿排肥輪槽。隨著排肥輪的轉(zhuǎn)動，這部分肥料被強制排出。排肥輪齒的驅(qū)動和肥料顆粒之間的摩擦也會使位于排肥輪槽周邊的肥料顆粒被帶動排出，則排肥器每轉(zhuǎn)的排肥量為

(2)

式中q1—強制排出肥料質(zhì)量，g·r-1；

q2—被帶動排出肥料質(zhì)量，g·r-1；

q—轉(zhuǎn)動1圈肥料排出質(zhì)量，g·r-1；

ρ—肥料顆粒的密度，g·cm-3；

τ—肥料的充滿系數(shù)；

B—有效工作寬度，mm；

λ—周邊肥料顆粒的帶動系數(shù)。

通過分析式(1)與式(2)可知，排肥輪半徑、輪槽數(shù)量、有效工作寬度和輪槽截面形狀是影響排肥輪工作性能的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。螺旋式排肥輪直徑越小，排肥輪上的輪槽數(shù)量就越少，必須提高排肥軸的旋轉(zhuǎn)速度，才能增大排肥器施肥量的調(diào)節(jié)范圍，但隨著排肥軸旋轉(zhuǎn)速度的提高，肥料顆粒磨損嚴重，部分肥料顆粒還會被排肥輪帶回排肥器內(nèi)，排肥輪的充肥時間縮短，排肥穩(wěn)定性降低。螺旋式排肥輪直徑增大，會導致排肥器結(jié)構(gòu)尺寸過大，增加裝置整體重量。根據(jù)農(nóng)藝要求，設(shè)計目標排肥量為140～920 kg·hm-2，螺旋式排肥輪直徑為55 mm，螺旋輪槽數(shù)量為8個。為保證排肥量能大幅度調(diào)節(jié)，有效工作寬度應(yīng)大于30 mm。

為了保證排肥的均勻性，相鄰的2個螺旋輪槽應(yīng)保持連續(xù)工作狀態(tài)，即在前一個輪槽完成工作的同時，下一個輪槽已經(jīng)開始工作。所以螺旋角的取值范圍應(yīng)為

(3)

式中P0—輪槽節(jié)距，mm；

φ—輪槽螺旋角，rad；

D—排肥輪直徑，mm。

螺旋角的大小會影響肥料顆粒的軸向移動和沿排肥輪徑向旋轉(zhuǎn)運動[3]。隨著螺旋角的增大，肥料顆粒的軸向速度會先增大后減小，周向速度會逐漸增大，周向速度增大有利于肥料顆粒從輪槽內(nèi)排出；但螺旋角的增大，會使部分肥料顆粒被輪槽帶回排肥器內(nèi)。在保證排肥穩(wěn)定性和均勻性前提下，輪槽的螺旋角應(yīng)越小越好。將設(shè)計參數(shù)代入式(3)中，得到輪槽螺旋角最小取值為35.75°，進行圓整，輪槽螺旋角設(shè)計為36°。

2.2 風力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在水田作業(yè)環(huán)境中，濕度較大，顆粒肥易潮解，容易粘附在排肥管內(nèi)，水和泥漿有時也會進入排肥管內(nèi)，這些情況都容易造成排肥管的堵塞。針對以上問題，該裝置采用氣吹式輸送肥料系統(tǒng)進行輔助排肥。

風力輸送系統(tǒng)主要由風速調(diào)節(jié)開關(guān)、風機、送風管、分流管接頭、密封蓋、分流管組成。圖5為風力輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。

1.風速調(diào)節(jié)開關(guān);2.風機;3.送風管;4.分流管接頭;5.分流管;6.密封蓋

風機掛接在機架左側(cè)立板，與送風管始端相連接，送風管固定在機架中間立板，末端由密封蓋封閉，并固定于機架右側(cè)立板，分流管的進氣口與送風管上的分流管接頭連接在一起，分流管的出氣口與排肥管連接。系統(tǒng)工作時，顆粒肥經(jīng)排肥器下落至排肥管，風機將具有一定速度的壓縮氣體送入分流管，氣流從分流管進氣口輸入，沿分流管進入排肥管，與排肥管內(nèi)的肥料顆粒混合。在重力和氣流的共同作用下，肥料顆粒通過排肥口落入施肥開溝器已開設(shè)出的溝槽內(nèi)。

3 結(jié)論

依據(jù)寒地水稻側(cè)深施肥技術(shù)農(nóng)藝要求，結(jié)合水稻水直播生產(chǎn)技術(shù)，設(shè)計了氣吹式水稻水直播機側(cè)深施肥裝置。通過理論分析和計算，確定了各項主要技術(shù)參數(shù)，完成裝置的總體設(shè)計。