陳相安 張學(xué)敏 侯秀寧 王 杰 劉思瑤 倪志明

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.鹽城市新明悅機械制造有限公司， 鹽城 224000)

0 引言

在果園的田間管理中，果樹施肥是一個重要的環(huán)節(jié)，不僅決定著果品的質(zhì)量和產(chǎn)量，還影響著果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益[1]。目前，我國固態(tài)肥常用的施肥方法以開溝(環(huán)狀溝、條狀溝、放射溝等)施肥為主，鏵式犁開溝、鏈條刀開溝、旋耕開溝、圓盤刀開溝等開溝施肥機械較為成熟[2-4]。近年來，液態(tài)肥以利用率高、易于調(diào)整施肥配方等優(yōu)點被用于果樹注肥中，隨著液態(tài)肥的推廣施用，果園液態(tài)肥施用機械被國內(nèi)外學(xué)者研究，并取得一定成果。

國外的液態(tài)肥施用機械研究以大田作業(yè)為主，果園的液態(tài)肥施用主要采用水肥一體化技術(shù)，通過水肥一體機將水肥科學(xué)配比通過輸送管道將水肥送到果樹根部[5-8]。國內(nèi)在1999年開始對果園液態(tài)肥施用機械進(jìn)行研究，陳國文、鄭建國、王洪強等分別發(fā)明了單一人工手持式注肥器[9-11]，趙春江等[12]發(fā)明了依靠動力牽引作業(yè)的注肥噴藥一體裝置，提高了作業(yè)效率。鄭傳剛等[13]對高壓輸氧深松土壤注肥進(jìn)行研究，發(fā)明土壤輸氧注肥機。奚小波等[14]對氣爆作用下的土壤裂隙擴展規(guī)律進(jìn)行研究，建立了土體裂隙跡線方程及土體擾動模型，基于此研發(fā)了3SFBQ-500型果園松土氣爆注肥機，利用PLC開發(fā)了控制系統(tǒng)，能一鍵操作完成作業(yè)，自動化程度高。

果樹液態(tài)肥施用要求為：保證水肥在果樹吸收根周圍均勻擴散且不上溢，在施用過程中減小對土壤、根系擾動。以上果園注肥機械研究成果雖能實現(xiàn)液肥注射，但仍存在以下問題：作業(yè)效率低，人工勞動強度大；注肥機在注肥作業(yè)過程中存在土壤擾動大、損傷根系、水肥上溢等問題。針對減小土壤擾動、防止水肥上溢、保證水肥橫向均勻擴散的技術(shù)難點，本文基于Fluent仿真與試驗相結(jié)合的方法，研究氣流引導(dǎo)式注肥方法，設(shè)計氣流引導(dǎo)式果園注肥機，并對注肥效果進(jìn)行田間試驗分析，為果園注肥技術(shù)研究提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 果樹注肥農(nóng)藝

果園注肥機的設(shè)計應(yīng)以果園注肥農(nóng)藝要求為指導(dǎo)，液態(tài)肥的施用應(yīng)滿足由遠(yuǎn)及近、由淺變深、由集中到分散、固定注肥等要求，其根本目的是把水肥均勻的送到果樹的吸收根附近，保證最大的水肥吸收率。注肥位置、深度根據(jù)不同品種、不同樹齡的果樹有所差異，一般認(rèn)為注肥位置要到樹冠垂直投影的外圈，深度為吸收根分布集中處，距離地表20～40 cm范圍內(nèi)[15-16]，以樹干為中心，進(jìn)行多點注肥。

1.2 整機結(jié)構(gòu)

氣流引導(dǎo)式果園注肥機主要由履帶底盤、機架、發(fā)動機、電池組、肥料箱、液壓系統(tǒng)、通氣注肥系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部件組成。履帶底盤依靠電機驅(qū)動行走，是承載其他部件的主體；通氣注肥系統(tǒng)由空氣壓縮機、高壓注肥泵、承載板、折疊臂、注肥裝置等組成，注肥系統(tǒng)通過掛接機構(gòu)與機架連接，掛接機構(gòu)由連接銷、升降液壓油缸、導(dǎo)軌與滑塊組成，升降液壓油缸通過銷軸與注肥系統(tǒng)的承載板相連，依靠液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓油缸上下升降實現(xiàn)注肥裝置的下壓和回升，整機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of complete machine structure1.行走履帶 2.車架 3.發(fā)動機 4.液壓泵 5.空氣壓縮機 6.肥料箱 7.承載板 8.注肥裝置 9.控制閥 10.電池組 11.折疊臂 12.運動連桿 13.液壓缸 14.控制柜

為簡化動力傳輸路線，便于傳動布置，整機采用混合動力方案。高壓注肥泵、空氣壓縮機均由電機驅(qū)動，在工作過程中發(fā)動機運轉(zhuǎn)，一方面為液壓系統(tǒng)提供動力，另一方面帶動發(fā)電機為電池組和各工作部件提供電能，整機采用手柄遠(yuǎn)程遙控?zé)o人駕駛模式，有效降低了整機高度，能量流路線如圖2所示。

圖2 能量流示意圖Fig.2 Schematic of energy flow

1.3 工作原理

果樹的根系主要分布在距主樹干80～120 cm的范圍內(nèi)[17]，注肥機在果園作業(yè)時行走在果樹行間，采用兩側(cè)注肥，每側(cè)帶有4個注肥裝置的工作形式，一次下壓注肥，滿足肥量的需求，提高了工作效率。整個工作流程如下：遙控整機到達(dá)注肥點，展開平行折疊臂并將折疊臂鎖止，開始注肥作業(yè)。注肥作業(yè)包括注肥裝置下壓土壤、通氣引導(dǎo)、注肥擴散、注肥裝置回升4個過程，通過升降液壓缸將兩側(cè)的注肥裝置壓入土壤指定深度，兩側(cè)的氣路電磁閥依次打開，高壓氣流對土壤進(jìn)行疏松，形成注肥引導(dǎo)層，通氣結(jié)束后，依次打開兩側(cè)的肥路高壓電磁閥，此時高壓注肥泵自動開啟開始注肥，注肥完成后高壓電磁閥關(guān)閉，高壓注肥泵停機，液壓缸上升將注肥裝置提起，完成注肥。

氣流引導(dǎo)式注肥解決了傳統(tǒng)果樹液肥施用過程中對土壤擾動大、損傷根系嚴(yán)重、液肥上溢等問題，氣流引導(dǎo)原理如圖3所示，在氣流的作用下產(chǎn)生土壤疏松的注肥引導(dǎo)層，位于氣流道上方未被沖擊的土壤形成水肥隔離層，氣流引導(dǎo)后，土壤與果樹根系交織成的復(fù)合體結(jié)構(gòu)被改變，土壤疏松度變大，高壓水肥經(jīng)注肥裝置送入土壤，沿氣流引導(dǎo)層水平擴展，有效防止高壓注肥過程中高壓肥液對土壤急速高壓充盈造成土壤的撕裂而導(dǎo)致根系斷裂，達(dá)到保護(hù)根系的目的。相對于傳統(tǒng)的注肥方式，引導(dǎo)層的存在可防止注肥裝置上出流口被堵塞，使注肥完成后存留在注肥裝置腔體內(nèi)的肥液得以釋放，按照單次注肥1.5 L計算，肥液利用率提高14%。氣流引導(dǎo)式注肥以較小的土壤擾動擴大肥液的擴散范圍，形成的隔離層可有效阻止肥液上溢，提高了肥料利用率。

圖3 氣流引導(dǎo)注肥示意圖Fig.3 Schematics of airflow guided fertilizer injection

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

果樹的種植農(nóng)藝與田間管理相適應(yīng)，為了便于疏花疏果、果樹修剪、采摘等作業(yè)，目前果園多采用低矮種植模式，根據(jù)鹽城市龍崗鎮(zhèn)現(xiàn)代化梨園示范基地及北京市平谷區(qū)大華山鎮(zhèn)標(biāo)準(zhǔn)化桃園實地調(diào)研可知，果樹的行距為4 m,株距在3～4 m之間，樹杈點距離地面高度為60 cm，主干距離地面約為120 cm，樹形多修剪為疏散分層形。為避免注肥機在果園中對枝桿造成損傷，保證作業(yè)順利進(jìn)行，設(shè)計的氣流引導(dǎo)式果園注肥機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 注肥裝置

注肥裝置是氣流引導(dǎo)式注肥能否滿足作業(yè)要求的關(guān)鍵，果樹的吸收根是果樹吸收水肥的重要部位，吸收根是生長在主根距地表200～400 mm的側(cè)生根[18]。從氣流引導(dǎo)注肥工作原理可以看出，通氣引導(dǎo)和高壓注肥是兩個獨立的過程，為避免多次下壓對土壤擾動過大導(dǎo)致根系破壞，將注肥裝置設(shè)計為氣、肥兩道嵌套式，內(nèi)徑為10 mm的液肥腔體鑲套在內(nèi)徑為25 mm的氣道腔內(nèi)，如圖4所示，兩者可獨立工作，互不干涉。根據(jù)將水肥送到吸收根系部位的農(nóng)藝要求，注肥裝置設(shè)計總長度為450 mm，通氣口距離地面最大插入深度L1為300 mm,高壓注肥口位于通氣口的下方，距離地面最大插入深度L2為350 mm，兩口直徑為2 mm，相距50 mm有利于適應(yīng)呼吸根在縱向維度上的分布狀況，擴大肥液在呼吸根附近擴散的范圍，也為引導(dǎo)層發(fā)揮擴大橫向擴展范圍作用提供了有利條件。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

圖4 注肥裝置Fig.4 Fertilizer injection device1.注肥口 2.通氣口 3.高壓氣道 4.液肥腔 5.肥管接頭 6.氣管接頭

為進(jìn)一步確定出流口設(shè)計參數(shù)，需要對出流效果進(jìn)行分析，管道進(jìn)出口壓力差與孔道出流速度直接相關(guān)，壓力差越大，則出流速度也越大。流量、孔道截面積、進(jìn)出口壓力差及出流孔數(shù)量之間關(guān)系為

(1)

(2)

式中Q——流量，m3/s

Cv——流量系數(shù)

A——出流孔截面積，m2

Δp——進(jìn)出口壓力差，Pa

ρ——流體密度，kg/m3

n——孔道個數(shù)Φ——孔徑，m

在流量Q與壓力差Δp一定的情況下，孔道截面積確定，根據(jù)公式(1)、(2)容易確定孔道個數(shù)與單個孔直徑，為確保每個孔最大噴射出流覆蓋域盡可能廣，以通氣口為例用Fluent流體仿真軟件對通氣口數(shù)量分別為3、4、5、6個進(jìn)行仿真分析。

為簡化模型，采用2D平面，外流場邊界范圍為400 mm×400 mm，注肥槍外徑為28 mm，通氣口均分于注肥槍外壁，為保證單一變量，通氣進(jìn)流氣壓為0.8 MPa。仿真計算完成后，得到不同通氣口數(shù)量下出流外流場速度分布矢量圖，如圖5所示。

圖5 不同通氣口數(shù)量的外流場速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagrams of outflow field with different numbers of vents

根據(jù)圖5可知，3個通氣口氣流的出流分布較均勻，但高壓氣流經(jīng)通氣口后在空間分布的離散度較低，其流速分布輻射范圍較小，主要集中在通氣口附近，未能在外流場中產(chǎn)生較大范圍的氣流輻射；4個通氣口氣流的出流分布相比3個通氣口更加均勻，高壓氣流經(jīng)通氣口后在空間分布的離散度好，在相鄰兩口間的氣流速度分布范圍廣泛，整體流速分布輻射范圍呈現(xiàn)對稱式分布；5個通氣口和6個通氣口均出現(xiàn)兩口氣流重疊干擾，導(dǎo)致氣流分布出現(xiàn)不均勻情況，空間分布離散度較差，但6個通氣口流速輻射范圍和空間分布離散度較5個通氣口好，比4個通氣口均勻性差。綜合各仿真結(jié)果來看，通氣口數(shù)為4個時氣流分布輻射范圍更廣且均勻，形成的引導(dǎo)層更有利于液肥的擴散。

2.2 注肥氣液管路設(shè)計

氣流引導(dǎo)式注肥機氣路和液路是兩個獨立的工作系統(tǒng)，在工作過程中兩側(cè)的注肥裝置既可單獨亦可同時作業(yè)。高壓注肥系統(tǒng)主要由肥料箱、高壓肥泵、蓄能器、高壓電磁閥、高壓肥管等部件組成。氣流引導(dǎo)系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、氣罐、電磁閥、通氣管等組成。整機的氣液管路布置如圖6所示?？諝鈮嚎s機加壓后形成的高壓空氣儲存在氣罐內(nèi)，氣罐上安裝兩個高壓氣出口分別接左、右電磁閥，經(jīng)氣管分配至左右兩側(cè)的注肥裝置上，當(dāng)工作開始時，左、右兩側(cè)的電磁閥按需開啟，氣路被導(dǎo)通，完成氣壓松土、氣流引導(dǎo)作業(yè)。液肥儲存在肥料箱內(nèi)，經(jīng)高壓肥泵加壓后的高壓液肥儲放在蓄能器及左、右兩高壓電磁閥之前的液肥管道內(nèi)，蓄能器裝有壓力傳感器與高壓肥泵構(gòu)成閉環(huán)反饋控制，可調(diào)節(jié)高壓肥的注肥壓力，當(dāng)注肥作業(yè)時，根據(jù)需要開啟高壓電磁閥，高壓液肥經(jīng)高壓肥管、注肥裝置進(jìn)入土壤。

圖6 氣路和液路布置圖Fig.6 Gas liquid piping layout1.右電磁閥1 2.氣管 3.注肥裝置 4.氣道快速接頭 5.高壓肥管 6.肥料箱 7.高壓肥泵 8.肥路三通 9.蓄能器 10.右高壓電磁閥 11.壓力傳感器 12.左高壓電磁閥 13.左電磁閥 14.氣罐 15.空氣壓縮機

在注肥作業(yè)過程中，氣流引導(dǎo)是影響注肥效果的關(guān)鍵，設(shè)定引導(dǎo)氣壓為0.6～0.8 MPa可調(diào)，通過試驗可知在不同氣壓下，通氣量為40 L時引導(dǎo)層的結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，為保證在通氣引導(dǎo)過程中有持續(xù)穩(wěn)定的氣壓輸出，需要為氣流引導(dǎo)系統(tǒng)配備合適的氣罐，本文選用的氣泵排氣壓力為0.8 MPa，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下排氣量為500 L/min,由于空氣壓縮機達(dá)到預(yù)定壓力時會自動停機，因此在氣流引導(dǎo)過程中氣壓維持狀態(tài)分為兩種情況：空壓機停止供氣，僅靠氣罐貯存的壓縮空氣維持工作；空氣壓縮機和氣罐同時維持壓力，但用氣量大于空氣壓縮機的排氣量。氣罐容積取滿足以上兩種供氣狀態(tài)下的較大者。

在第1種氣壓維持狀態(tài)下，氣罐容積滿足

(3)

式中pa——大氣壓力，MPa

p1——氣罐內(nèi)初始壓力，MPa

p2——系統(tǒng)允許工作最低壓力，MPa

q——最大耗氣量，L/min

t——維持工作時間，s

根據(jù)實驗和計算可得q為640 L/min，初始壓力為0.8 MPa，允許工作最低壓力為0.6 MPa，此時得V≥80 L。

當(dāng)空氣壓縮機和氣罐同時為氣流引導(dǎo)供氣時，確定氣罐容積為

(4)

式中qv——系統(tǒng)耗氣量，L/min

qY——空氣壓縮機氣量，L/min

p——使用壓力，MPa

在此狀態(tài)下p取0.8 MPa，由于空壓機的補給作用，此狀態(tài)下計算得V≥3.88 L。綜合分析兩種氣壓維持狀態(tài)下匹配的氣罐容積，取氣罐容積為80 L。

高壓注肥系統(tǒng)主要功用是將低壓液態(tài)肥加壓到預(yù)定壓力，通過高壓肥路經(jīng)注肥裝置注射到土壤里。在肥液流動過程中，液體與肥路管道壁之間的摩擦及管道截面的變化會造成肥壓的損失，其壓力損失可分為沿程壓力損失和局部壓力損失兩部分，沿程壓力損失計算公式為

(5)

式中λ——沿程阻力系數(shù)

l——管長，mmdn——管徑，mm

v——流速，mm/s

沿程壓力損失經(jīng)驗公式為

(6)

式中ξ——沿程阻力系數(shù)

本文選取三缸柱塞式高壓肥泵，壓力范圍為1～3.5 MPa，水泵流量為26 L/min,肥液為無機鹽的水溶液，稀釋倍數(shù)為300～500，因此在水肥損失壓力計算過程水肥的物理性質(zhì)等同于水，肥路采用dn=10 mm的高壓橡膠軟管，總長度l=2 000 mm，其沿程阻力系數(shù)λ=80/Re,由于管道變小造成的局部阻力系數(shù)ξ=0.5，計算可得沿程壓力損失Δpλ=1.12×105Pa,局部壓力損失Δpξ=7.62×103Pa，兩者相比，局部壓力忽略不計，因此在設(shè)定注肥壓力時要消除沿程壓力損失的影響。

2.3 注肥下壓裝置

注肥下壓裝置是注肥機重要的執(zhí)行機構(gòu)，完成注肥裝置扎土、注肥深度調(diào)節(jié)等作業(yè)。注肥下壓裝置主要包括：升降裝置(液壓缸、滑塊、滑軌)、支撐裝置(承載板、橫梁、支座)、平行折疊掛接機構(gòu)(折疊臂、加強筋、收縮桿等)、鎖止裝置(套筒、鎖止銷)和注肥裝置，如圖7所示。液壓缸缸體固定在車架上，液壓桿與固定板鉸接；承載板后端安裝有滑塊，可沿滑軌上下移動；承載板前端固定有橫梁及支座，其中橫梁用來避免固定板受力變形；折疊臂通過套筒以及銷固定在支座上，可繞支座轉(zhuǎn)動，套筒上安裝有鎖止銷，可實現(xiàn)注肥裝置伸出或收縮時的鎖止。

圖7 注肥下壓裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of fertilizer injection and pressing device1.套筒 2.鎖止銷 3.滑軌 4.滑塊 5.橫梁 6.液壓缸 7.承載板 8.支座 9.加強筋 10.折疊臂 11.收縮連桿 12.注肥裝置

果園作業(yè)環(huán)境狹窄，液肥注射點在距離樹干80～120 cm的范圍內(nèi)，注肥機采用在行間行走兩側(cè)注肥的工作方式，為兼顧機動靈活性和注肥農(nóng)藝要求，設(shè)計了平行折疊注肥裝置掛接機構(gòu)。當(dāng)進(jìn)行注肥作業(yè)時，兩側(cè)的折疊臂打開并由鎖止銷鎖住，滿足果園注肥位置要求，當(dāng)注肥機械在果園轉(zhuǎn)彎、調(diào)頭或轉(zhuǎn)移地塊過程中，兩側(cè)的注肥裝置通過折疊臂與機架緊貼，縮小了整機尺寸。本文設(shè)計注肥機車架寬度為1 200 mm，基于此折疊臂設(shè)計長度為400 mm，支座套筒安裝中心距承載板為50 mm。

注肥裝置的下壓力來源于液壓系統(tǒng)，主要部件為液壓泵、液壓缸及控制閥，為滿足注肥下壓要求，對下壓負(fù)載及液壓參數(shù)進(jìn)行分析。當(dāng)液壓系統(tǒng)驅(qū)動注肥裝置下壓時，主要負(fù)載來源于注肥裝置與土壤的相互作用力，其受力狀況如圖8所示。

圖8 注肥裝置入土受力狀況Fig.8 Force condition of fertilizer injection device in soil

注肥裝置進(jìn)入土壤到達(dá)注肥一定深度位置其受力可分為3部分：土壤作用在尖端錐面的正壓力、土壤與尖端錐面的摩擦力、土壤與注肥裝置腔體的摩擦力[19]。

尖端錐面所受的正壓力p′μ可表示為

(7)

式中φ——土壤內(nèi)摩擦角，(°)

α——尖端錐角，(°)

q——土壤的均布載荷，MPa

C——土壤自重載荷，kPa

Nq、NC——土壤承載系數(shù)

μ——相對滑動摩擦因數(shù)

土壤給尖端錐面的摩擦力Fμ可表示為

(8)

式中R——注肥裝置外表面圓柱半徑

注肥裝置表面所受的摩擦力f，利用微元法在入土深度h上積分，其摩擦力表示為

(9)

式中K0——靜止土壓力系數(shù)

γ——土體重度，kN/m3

Z——注肥裝置入土深度，m

注肥裝置順利壓入土壤應(yīng)滿足公式

pW>μπRK0γh2+πR2(1+μcotα)p′μ

(10)

式中pW——單個注肥裝置入土需要的壓力

從公式(10)可以看出，當(dāng)注肥深度及作業(yè)環(huán)境確定時，入土阻力是注肥裝置尖端錐角α的函數(shù)，求解公式(10)的最小值，當(dāng)α=30.026°時阻力最小，結(jié)合作業(yè)土壤各項參數(shù)[20-21](表2)，計算得此時單個注肥裝置入土阻力為0.725 kN。

表2 土壤屬性參數(shù)Tab.2 Soil attribute parameters

本文選用CBN-E308型液壓泵，額定壓力為10 MPa，為留有儲備功率初選液壓缸的工作壓力為3 MPa,選用的液壓缸為單出桿活塞缸，為滿足注肥深度，液壓缸行程取450 mm，單出桿液壓缸的主要參數(shù)為缸內(nèi)徑D及活塞桿直徑d。根據(jù)注肥機的工作需求，當(dāng)注肥裝置下壓時無桿腔為工作腔，注肥裝置回收時有桿腔為進(jìn)液端。液壓缸缸徑D表示為

(11)

式中F1——液壓負(fù)載，N

η——機械效率

pA——下壓工作壓力，Pa

pB——下壓液壓缸背壓，Pa

p3——回收工作壓力，Pa

p4——回收液壓缸背壓，Pa

當(dāng)注肥裝置回收時，為提高工作效率，設(shè)計回收與下壓速比β為2，則液壓缸桿徑d與缸徑D的關(guān)系可表示為

(12)

根據(jù)公式(7)～(10)計算得到入土阻力，當(dāng)4個注肥裝置同時扎入土壤時，其阻力為2 900 N,機械效率為90%，液壓缸背壓忽略不計，經(jīng)計算得D=36.98 mm，根據(jù)GB/T 2348—1993(ISO3320)選D=40 mm，d=28 mm。

3 氣流引導(dǎo)參數(shù)與注肥參數(shù)交互試驗

為探究通氣壓力和注肥壓力對注肥效果的綜合影響，進(jìn)行土壤注肥擴散交互試驗，為注肥機最優(yōu)注肥參數(shù)設(shè)定提供理論依據(jù)。試驗設(shè)計如下：考慮到通氣壓力和注肥壓力對注肥效果影響較大，先進(jìn)行單因素預(yù)試驗，根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果選定交互試驗因素水平，再進(jìn)行交互試驗探究多因素和注肥效果的關(guān)系，為控制試驗變量，減少試驗測量誤差，試驗中設(shè)置單次通氣量為40 L，注肥量為1.5 L。試驗過程分為3個步驟：①為模擬果園土壤環(huán)境，采用砂土制備試驗土箱，將土壤壓實至堅實度為4.0 MPa，初始土壤含水率為22%。②將注肥裝置從土箱幾何中心壓入土壤內(nèi)300 mm后，設(shè)定試驗參數(shù)，依次進(jìn)行通氣引導(dǎo)和高壓注肥，完成氣流引導(dǎo)注肥。③測量不同深度、距注肥中心不同位置的含水率來探究液肥擴散分布情況，如圖9所示。

圖9 試驗過程Fig.9 Test process

在通氣壓力預(yù)試驗中，通氣壓力從0.1 MPa開始每次增加0.1 MPa，通過對試驗結(jié)果觀察和統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通氣壓力低于0.4 MPa時，由于通氣壓力對土壤擾動小在注肥過程出現(xiàn)水肥上溢，隨著通氣壓力增加，水肥擴散半徑呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)通氣壓力超過0.8 MPa時，土壤出現(xiàn)“爆炸”現(xiàn)象，土壤擾動過大不利于引導(dǎo)層形成。注肥壓力單因素試驗中，注肥壓力從0.6 MPa開始每次增加0.3 MPa，經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)注肥壓力低于0.9 MPa時水肥擴散出現(xiàn)明顯不均勻現(xiàn)象，說明注肥壓力不足，注肥孔被土壤堵塞，隨著注肥壓力升高，水肥擴散趨勢明顯向好，擴散半徑逐漸增大，當(dāng)注肥壓力超過2.1 MPa時，對土壤沖擊過大、沖刷嚴(yán)重。結(jié)合實際作業(yè)條件和預(yù)試驗結(jié)果，取通氣壓力與注肥壓力的交互試驗因素水平如表3所示。

表3 交互試驗因素水平Tab.3 Interactive test factors and levels MPa

為直觀分析通氣壓力和注肥壓力對注肥效果的影響，根據(jù)試驗結(jié)果繪制土壤含水率等值線圖[22]，依據(jù)含水率的等值線圖，以液肥擴散均勻性、擴散深度和含水率分布情況綜合評價液肥擴散效果，其中液肥擴散均勻性是指液肥擴散范圍以注肥中心對稱橫向擴展，不出現(xiàn)單側(cè)含水率集中區(qū)域。

在氣壓0.4 MPa條件下，土壤含水率等值線如圖10所示(橫向坐標(biāo)40 cm時為施肥中心)，土壤的含水率明顯呈現(xiàn)兩側(cè)不均勻現(xiàn)象，液肥擴散集中于注肥中心左側(cè)，右側(cè)擴散較差。從擴散深度和高含水率分布分析，注肥壓力為1.0 MPa時(圖10a)，在距注肥中心15 cm左右，土層深度30 cm左右的含水率最高，高含水率區(qū)域較為集中，但主要分布在土壤一側(cè)。注肥壓力為1.5 MPa(圖10b)和2.0 MPa(圖10c)時，高含水率區(qū)域分布廣，對應(yīng)的土層深度為15～25 cm，分布區(qū)域逐漸趨于土體表面，有肥液溢出的情況發(fā)生。

圖10 通氣壓力0.4 MPa下土壤含水率等值線Fig.10 Isogram of soil water content under ventilation pressure of 0.4 MPa

圖11 通氣壓力0.6 MPa下土壤含水率等值線Fig.11 Isogram of soil water content under ventilation pressure of 0.6 MPa

在氣壓0.6 MPa 條件下，土壤含水率等值線如圖11所示，土壤的含水率在土層中的分布不均勻情況得到改善，出現(xiàn)了較為對稱的高含水率區(qū)域(圖11a)，隨著注肥壓力的增大，液肥擴散出現(xiàn)紊亂，圖11c尤其明顯，高含水率區(qū)域關(guān)于注肥中心兩側(cè)對稱性差，液肥擴散不均勻。從擴散深度和高含水率分布分析，在注肥壓力為1.0 MPa(圖11a)時，在距離注肥中心15 cm左右，土層深度為10～25 cm處出現(xiàn)了高含水率分布，但液肥擴散域距離土表較近，有較大液肥溢出趨勢。如圖11b所示，在注肥壓力為1.5 MPa時，高含水率區(qū)域得到擴大，主要集中在距注肥中心20 cm，土層深度為25～40 cm之間，但其高含水率區(qū)域在土體中分布差異明顯。如圖11c所示，在注肥壓力為2.0 MPa時，高含水率區(qū)域出現(xiàn)在土體深度為10～20 cm的表層附近，在試驗過程中出現(xiàn)了肥液溢出現(xiàn)象。

圖12 通氣壓力0.8 MPa下土壤含水率等值線Fig.12 Isogram of soil water content under ventilation pressure of 0.8 MPa

在氣壓0.8 MPa條件下，土壤含水率等值線如圖12所示，液肥擴散均勻性與氣壓為0.6 MPa時類似，在注肥壓力為1.0、1.5 MPa時出現(xiàn)了較對稱的高含水率分布域，當(dāng)注肥壓力為2.0 MPa時液肥擴散分布較亂，高含水率區(qū)域集中注肥中心左側(cè)分布，液肥擴散均勻性差。從擴散深度和高含水率分布分析，在注肥壓力為1.0 MPa(圖12a)時，在距注肥中心30 cm 左右出現(xiàn)了高含水率區(qū)域，但在距注肥中心10～15 cm、深度為30～35 cm處出現(xiàn)了肥液擴散盲區(qū)。如圖12b所示，在注肥壓力為1.5 MPa時，高含水率區(qū)域?qū)?yīng)注肥中心距離在30 cm左右，在土層深度為25～40 cm之間區(qū)域的含水率梯度分布明顯，在靠近土體表層的10～20 cm處含水率較低，試驗過程中未出現(xiàn)肥液溢出情況，是較為理想的液肥擴散情況。如圖12c所示，當(dāng)注肥壓力為2.0 MPa時，高含水率區(qū)域分布不均，在土體表面附近含水率普遍較高，液肥擴散情況較差，且在試驗中出現(xiàn)了肥液溢出情況。

綜合分析不同通氣壓力和注肥壓力下各標(biāo)定點含水率情況得到的土壤含水率等值線圖，以及不同通氣壓力和注肥壓力對液肥在土體中最大擴散范圍影響的分析，在該試驗土壤條件下，確定當(dāng)通氣壓力為0.8 MPa、注肥壓力為1.5 MPa時能夠達(dá)到較為理想的果樹注肥效果。

4 田間驗證試驗

為了驗證注肥機的作業(yè)效果，分別于2020年8月在江蘇省亭湖區(qū)龍崗鎮(zhèn)的梨園，2021年5月在北京市平谷區(qū)大華山鎮(zhèn)桃園進(jìn)行注肥機的田間試驗。田間試驗現(xiàn)場如圖13所示。

圖13 試驗現(xiàn)場Fig.13 Test site

試驗用肥為稀釋400倍的無機肥水溶液，每次作業(yè)單根注肥槍注肥量為1.5 L，注肥深度為35 cm,氣流引導(dǎo)氣壓為0.8 MPa,注肥壓力為1.5 MPa。注肥完成后沿注肥孔中心剖開，測量液肥擴散后距離地面最小深度h1，距離地面最大深度h2，以及液肥的橫向擴散距離Ds，如圖14所示。重復(fù)多次試驗，結(jié)果取均值，試驗結(jié)果如表4所示。

圖14 試驗結(jié)果Fig.14 Test result

從表4可以看出，注肥機田間作業(yè)效果良好，在不同的果園區(qū)性能穩(wěn)定，由于北京試驗田的土壤緊實度高于江蘇試驗田，所以在江蘇作業(yè)效果優(yōu)于北京。分析試驗結(jié)果可知，肥液擴散范圍集中在距離地面260～320 mm之間，距離地面小于260 mm的土壤中無明顯液肥擴散跡象，與前文交互試驗得到的結(jié)果吻合，說明氣流引導(dǎo)形成的引導(dǎo)層及隔離層能較好控制液肥在土壤的擴散趨勢，達(dá)到預(yù)期效果。在做剖切土壤過程中未見明顯土壤裂隙及因氣流或高壓肥沖擊形成的空腔，表明在作業(yè)過程中對土壤的擾動小，未對根系造成傷害。

表4 田間試驗結(jié)果Tab.4 Results of field test

5 結(jié)論

(1)基于果樹注肥農(nóng)藝，提出了氣流引導(dǎo)注肥方法，采用混合動力方案設(shè)計了氣流引導(dǎo)式果園注肥機。注肥機主要由注肥下壓裝置、注肥氣液管路、電氣系統(tǒng)和電動履帶底盤等組成。

(2)對氣流引導(dǎo)式注肥機的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計。通過仿真和計算，設(shè)計了氣、肥各4個出流孔，孔徑為2 mm的嵌套式注肥裝置；對注肥氣液管路進(jìn)行分析并設(shè)計，確定氣罐容積為80 L，計算出液路壓力損失為1.12×105Pa；基于土壤屬性計算下壓載荷，確定注肥下壓裝置液壓缸行程為450 mm，缸徑D=40 mm,桿徑d=28 mm，保證注肥裝置順暢入土。

(3)通過試驗表明，最優(yōu)氣流引導(dǎo)注肥參數(shù)組合為引導(dǎo)氣壓0.8 MPa、注肥壓力1.5 MPa；氣流引導(dǎo)式注肥機田間作業(yè)液肥縱向擴散范圍為264～320 mm，橫向擴散范圍為250～270 mm，滿足果園液態(tài)肥注射的農(nóng)藝要求。