陳昶 易文裕 楊昌敏 王攀 熊昌國 程方平

摘要：針對四川桑園施肥機械化水平低、勞動強度大的問題，秉持機藝融合，研制一款桑園偏置式施肥機。該機主要由履帶底盤、傳動裝置、液壓調(diào)深裝置、螺旋刀具和排肥裝置等部件組成，作業(yè)時肥料通過排肥器排至地面，在螺旋刀具的攪拌作用下與土壤混合并被覆蓋。結(jié)合桑園施肥農(nóng)藝要求，確定施肥機螺旋刀具、液壓調(diào)深裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。以刀具轉(zhuǎn)速、排肥速率、行進速度為試驗因素，以肥料覆蓋率為評價指標(biāo)，進行二次回歸正交組合試驗。結(jié)果表明，對肥料覆蓋率的影響顯著性大小的因素依次為刀具轉(zhuǎn)速、行走速度、排肥速率。優(yōu)化后的最佳參數(shù)組合為刀具轉(zhuǎn)速320 r/min、排肥速率57 g/m、行進速度0.32 km/h，此時理論肥料覆蓋率為88.2%。田間試驗結(jié)果表明，在優(yōu)化組合參數(shù)條件下，肥料覆蓋率為88%，驗證試驗結(jié)果與理論優(yōu)化值吻合度較好，可有效指導(dǎo)實際生產(chǎn)，研究結(jié)果可為同類機型的優(yōu)化設(shè)計和作業(yè)參數(shù)設(shè)定提供參考。

關(guān)鍵詞：偏置式施肥機；攪拌施肥；機藝融合；桑園

中圖分類號：S224

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0076-07

Abstract： Aiming at the problems of low mechanization level and high labor intensity of fertilization in Sichuan mulberry garden， a self-propelled bias fertilizer applicator for mulberry garden was developed by adhering to the integration of machinery and techniques. This machine is mainly composed of caterpillar chassis， transmission device， hydraulic depth adjusting device， spiral cutter and fertilizer discharging device. During the operation， the fertilizer is discharged to the ground through the fertilizer dispenser， and then mixed with the soil and covered under the stirring action of the spiral cutter. Both structural parameters and working parameters of the spiral cutter and the hydraulic depth adjusting device of the bias fertilizer applicator were determined combining with the agronomic requirements of fertilization in mulberry garden. Quadratic regression orthogonal combination test was carried out with the cutter speed， fertilizer discharge rate and traveling speed as the test factors， and fertilizer coverage rate as the evaluation index. The results showed that the significance of the influence of fertilizer coverage rate was in the descending order of the cutter speed， the traveling speed and the fertilizer discharge rate. After optimization， the maximum value of theoretical fertilizer coverage rate reached 88.2% with the cutter speed of 320 r/min， the fertilizer discharge rate of 57 g/m and the traveling speed of 0.32 km/h. The results of field experiment showed that under the condition of optimized combination parameters， the fertilizer coverage rate was 88%. The verification test results are in good agreement with the theoretical optimization value， which can effectively guide the actual production and provide a sound reference for the theoretical design and experimental verification in the mulberry fertilizer applicator.

Keywords：? bias fertilizer applicator; stirring fertilization; integration of machinery and techniques; mulberry garden

0 引言

我國已有5 000多年栽桑養(yǎng)蠶的歷史，自“東桑西移”戰(zhàn)略實施以來，蠶桑產(chǎn)業(yè)不斷拓展，基本形成了桑、蠶、種、繭、絲、綢全產(chǎn)業(yè)鏈體系［1］。截至2019年，四川的桑園面積超過150 khm2，占全國的19.9%［2］，但桑園生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機械化水平不高，尤其是桑園每年的施肥環(huán)節(jié)還大量依靠人力，其主要農(nóng)藝過程為：在桑園行間靠近吸收根系處挖一條深約120 mm、寬約130 mm的溝，然后將肥料撒入溝中，最后回填。人力施肥耗時費力效率低，隨著勞動力日益緊缺以及用工成本上升，人力施肥無法滿足規(guī)?；@施肥的需要。

目前，對施肥機的研究主要集中在地勢平坦、行間距大的果園，應(yīng)用機型較多。HF-35型履帶開溝施肥機利用圓盤開溝刀在行的中間開溝施肥，施肥點距離吸收根系較遠(yuǎn)；2FK-40型果園開溝施肥機由40 kW的拖拉機牽引，利用圓盤旋耕刀一次行走完成開溝、施肥和覆土，開溝深度達(dá)200～400 mm；1KFY-20 型偏置式開溝施肥機［3］利用偏置式圓盤旋耕刀開溝施肥，牽引功率超過了16 kW。以上機具雖然在一定程度上解決了果園機械化施肥的難題，但中大型施肥機需要較大的作業(yè)空間和牽引動力，由于四川桑園多分布在丘陵地區(qū)及盆周山區(qū)［4-5］，地塊小，機具有效作業(yè)率低，使用維護成本高，因此上述機型難以在四川桑園推廣使用；而現(xiàn)有的小型施肥機僅在行中間施肥，距離吸收根系較遠(yuǎn)，且機具操作不便，不符合桑園施肥的農(nóng)藝要求，無法進一步提高生產(chǎn)效率，因此桑園施肥環(huán)節(jié)亟需專用的機械。

本文以四川桑園施肥農(nóng)機農(nóng)藝融合為出發(fā)點，設(shè)計了一款適宜在桑園施肥作業(yè)的輕簡型自走式桑園側(cè)施肥機。通過試驗確定了施肥機作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)組合，以期為桑園施肥機的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1 偏置式施肥機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

偏置式施肥機主要由履帶底盤、離合裝置、傳動裝置、排肥裝置、液壓調(diào)深裝置和螺旋刀具組成，如圖1所示。為避免作業(yè)時損傷桑樹枝，施肥機在行間行走并在距離桑樹主根0.3 m處采用側(cè)位條施的方式施肥［4］（圖2）。作業(yè)動力需從發(fā)動機分出一部分并傳遞至底盤外側(cè)，因此傳動裝置在承擔(dān)動力傳輸?shù)耐瑫r也為偏置的液壓調(diào)深裝置提供可靠的剛性支撐。螺旋刀具安裝在液壓調(diào)深裝置末端，二者共同構(gòu)成整機的核心部件。該機采用了螺旋攪拌的施肥方式，結(jié)構(gòu)緊湊，操作方便，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

作業(yè)時，液壓調(diào)深裝置帶動螺旋刀具下潛入土，肥料箱中的肥料顆粒通過排肥器經(jīng)管道到達(dá)地面，隨著施肥機前進，落在地面的肥料顆粒被螺旋刀具切削、抬升起來的土壤顆粒混合、覆蓋，完成施肥。通過調(diào)節(jié)排肥器的轉(zhuǎn)速實現(xiàn)變量施肥。

2 偏置式施肥機關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 雙頭螺旋刀具

通過參考現(xiàn)有刀具形式［6-10］并試驗，偏置式施肥機的刀具采用2條單線螺旋結(jié)構(gòu)，由軸管、螺旋葉片和刀齒組成，其中螺旋葉片采用非連續(xù)葉片，刀齒沿葉片外側(cè)螺旋線間隔90°分布在葉片外緣，如圖3所示，其中：D1為刀具外徑；D為螺旋外徑；d為螺旋內(nèi)徑；S為雙頭螺旋導(dǎo)程；a、b、c分別為刀齒長、寬、厚；e為葉片寬度。

該結(jié)構(gòu)刀片的優(yōu)點在于利用外緣刀齒提高碎土效果，同時非連續(xù)葉片避免了土壤堵塞，降低了作業(yè)阻力。螺旋刀具尺寸依據(jù)桑園施肥寬度、施肥深度和轉(zhuǎn)動方向設(shè)計如下，刀具葉片為左旋，螺旋刀具尺寸參數(shù)見表2。

2.2 液壓調(diào)深裝置

2.2.1 液壓調(diào)深裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

液壓調(diào)深裝置用于實現(xiàn)螺旋刀具下潛入土和抬升動作，主要由雙作用油泵、液壓缸、錐齒輪箱、雙頭法蘭管和豎直傳動軸組成，如圖5所示。

錐齒輪箱作為液壓調(diào)深裝置的“關(guān)節(jié)”，其內(nèi)部為一對1∶1嚙合的錐齒輪，錐齒輪箱端面與內(nèi)法蘭管端面、錐齒輪箱輸出端與雙頭法蘭管的端面均通過螺栓連接；豎直傳動軸穿過雙頭法蘭管連接了錐齒輪箱和螺旋刀具，豎直傳動軸與雙頭法蘭管之間有軸承，刀具與傳動軸之間通過銷連接；液壓缸缸體采用銷連接在長托板上的耳座中間，液壓缸的伸縮桿與穿過錐齒輪箱端面的銷軸連接，液壓系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

3 施肥性能試驗

3.1 試驗方法

試驗于2021年4—5月，在四川省南充蠶種場試驗示范基地進行。所選桑園地表土壤平整，無障礙物，0～150 mm土壤平均含水率為23.8%，0～150 mm 土壤平均堅實度為733.7 kPa，試驗所用肥料顆粒物理參數(shù)見表3。

根據(jù)前文設(shè)計和施肥機田間作業(yè)性能試驗，當(dāng)施肥機刀具轉(zhuǎn)速大于250 r/min、行走速度在0.3～0.8 km/h的工況下，施肥機可在桑園順利行走。為測試優(yōu)化施肥機的施肥覆土效果，對該機進行參數(shù)優(yōu)化試驗和驗證試驗［12］。參數(shù)優(yōu)化試驗以刀具轉(zhuǎn)速、排肥速率、行進速度作為試驗因素，以肥料覆蓋率［13-14］為評價指標(biāo)，依據(jù)Box-Behnken原理進行試驗設(shè)計，其中行進速度依靠變速箱調(diào)節(jié)，排肥速率依靠PWM調(diào)速器和行走速度配合調(diào)節(jié)，刀具轉(zhuǎn)速依靠改變皮帶傳動比和行進速度配合調(diào)節(jié)，試驗因素和水平見表4。

3.2 結(jié)果與分析

根據(jù)表5所列試驗方案進行試驗，將試驗結(jié)果錄入到Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件進行回歸擬合，得到肥料覆蓋率響應(yīng)值的回歸模型式（9）及回歸方程的顯著性檢驗。模型方差分析和模型誤差分析如表6、表7所示。

從模型方差分析結(jié)果來看：（1）對于響應(yīng)值模型，刀具轉(zhuǎn)速、排肥速率、行進速度、刀具轉(zhuǎn)速與排肥速率交互的P值＜0.01，表明其對肥料覆蓋率的影響很顯著。

（2）整體模型的P值＜0.001，表明該二次模型極顯著，而失擬項的P值為3.61，失擬項不顯著，說明模型能正確反映相應(yīng)指標(biāo)與因素之間的關(guān)系，并對試驗結(jié)果進行預(yù)測。

（3）由P值的大小可以得出，在試驗所選參數(shù)變化范圍內(nèi)，3個因素對肥料覆蓋率的顯著性順序為：刀具轉(zhuǎn)速>行進速度>排肥速率。

從模型誤差統(tǒng)計分析結(jié)果來看：復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.985 9，說明響應(yīng)值變化的98.59％來源于所選變量，即刀具轉(zhuǎn)速、排肥速率和行進速度。修正復(fù)相關(guān)系數(shù)R2adj為0.967 9，與R2接近。變異系數(shù)CV的值為0.18％，小于10％。預(yù)測殘差平方和PRESS為2.16，表明預(yù)測值與觀察值之間的誤差平方和較小。

運用Design-Expert軟件生成響應(yīng)曲面分析各因素對肥料覆蓋率的影響，如圖8所示。

由圖8可知，響應(yīng)變化規(guī)律與表6回歸方程方差分析的結(jié)果一致［15］，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速增大時，肥料覆蓋率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其主要原因為：刀具轉(zhuǎn)速過低，切削起來的土壤顆粒少；轉(zhuǎn)速過高，土壤顆粒在較大離心力作用下飛散，導(dǎo)致肥料裸露數(shù)量增大，肥料覆蓋率降低。當(dāng)行進速度增大時，肥料覆蓋率呈現(xiàn)下降趨勢，其主要原因為：當(dāng)行進速度增大時，螺旋刀具切削不充分，切削產(chǎn)生的土壤顆粒不足以覆蓋肥料，因而肥料覆蓋率較低。肥料覆蓋率在行進速度和刀具轉(zhuǎn)速之間并非簡單的線性關(guān)系。當(dāng)排肥速率增大時，肥料覆蓋率呈現(xiàn)減小趨勢，但減小幅度較小，影響顯著性較小。

通過Design-Expert軟件得出最優(yōu)數(shù)值解的各因素參數(shù)組合，綜合考慮施肥機工作要求和實際加工制造水平，確定實際最佳組合為：刀具轉(zhuǎn)速320 r/min，行進速度0.32 km/h，排肥速率57 g/m。該工作參數(shù)組合下施肥機的肥料覆蓋率理論值為88.2%。

3.4 試驗驗證

在南充蠶種場試驗示范基地，根據(jù)3.1節(jié)試驗方法和參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，進行3次重復(fù)驗證試驗，機具操作方便，通過性能良好，作業(yè)性能穩(wěn)定，肥料覆蓋率平均值為88.0%，與理論優(yōu)化結(jié)果的吻合度較好。此外，在作業(yè)后用幾何圖形法對作業(yè)面積進行測量，得到實際作業(yè)效率高于500 m2/h，達(dá)到設(shè)計要求和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

1） 設(shè)計的桑園側(cè)施肥機創(chuàng)新采用先落肥后攪拌混合的施肥方式，利用雙螺旋非連續(xù)刀具切碎土壤，覆蓋肥料顆粒，達(dá)到條施效果。該機結(jié)構(gòu)簡單，在桑園中操作方便，一次作業(yè)可完成施肥，極大地解放了勞動力。

2） 參數(shù)優(yōu)化試驗結(jié)果表明：對肥料覆蓋率的影響程度大小依次為刀具轉(zhuǎn)速、行進速度、排肥速率，最佳參數(shù)組合為刀具轉(zhuǎn)速320 r/min、行進速度0.32 km/h、排肥速率57 g/m。

3） 驗證試驗表明：施肥機在組合工況為：刀具轉(zhuǎn)速320 r/min、行進速度0.32 km/h、排肥速率57 g/m的條件下，肥料覆蓋率不低于88%，無需后續(xù)覆土，作業(yè)效率高于500 m2/h，滿足桑園施肥農(nóng)藝和設(shè)計要求。

參 考 文 獻

［1］ 王勇斌， 宋占華， 高天浩， 等. 我國桑園管理機的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］. 中國蠶業(yè)， 2016， 37（4）： 55-59， 64.

［2］ 2019年中國繭絲綢行業(yè)生產(chǎn)格局分析［EB/OL］. https：//www.chyxx.com/industry/202008/890659.html， 2020-08-24.

［3］ 蘇子昊， 藍(lán)峰， 黎子明， 等. 1KFY-20型油茶偏置式開溝施肥機的研制與試驗［J］. 南方農(nóng)機， 2012（4）： 42-45.

［4］ 楊昌敏， 易文裕， 王攀， 等. 四川桑園施肥技術(shù)現(xiàn)狀及機械化需求調(diào)研［J］. 四川蠶業(yè)， 2020， 48（4）： 10-12.

［5］ 陳全， 陳國榮. “6215”桑園種植模式與套種研究［J］. 四川蠶業(yè)， 2010， 38（1）： 25-27.

［6］ 周文琪， 肖紅， 劉子銘， 等. SYJ-3深施型斜置式液肥穴施肥機設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2020， 51（4）： 78-86.

Zhou Wenqi， Xiao Hong， Liu Ziming， et al. Design and test of SYJ-3 deep application-type inclined liquid fertilizer hole applicator ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（4）： 78-86.

［7］ 劉文政， 何進， 李洪文， 等. 馬鈴薯微型種薯種植機雙側(cè)位深施肥裝置設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2020， 51（1）： 56-65.

Liu Wenzheng， He Jin， Li Hongwen， et al. Design and experiment of double-side deep fertilizing device for potato micro-seed planter ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（1）： 56-65.

［8］ 鄭永軍， 江世界， 陳炳太， 等. 丘陵山區(qū)果園機械化技術(shù)與裝備研究進展［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2020， 51（11）： 1-20.

Zheng Yongjun， Jiang Shijie， Chen Bingtai， et al. Review on technology and equipment of mechanization in hilly orchard ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（11）： 1-20.

［9］ Chen Chang， He Peixiang， Zhang Jianjun， et al. A fixed-amount and variable-rate fertilizer applicator based on pulse width modulation ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2018， 148： 330-336.

［10］ 王東升， 肖偉中， 王江濤， 等. 新型花生免耕施肥播種機研制［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2020， 41（3）： 40-45.

Wang Dongsheng， Xiao Weizhong， Wang Jiangtao， et al. Design of the new no-tillage peanut planter with fertilizing ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（3）： 40-45.

［11］ 潘世強， 趙亞祥， 金亮， 等. 2BFJ-6型變量施肥機外槽輪式排肥器的設(shè)計與試驗研究［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2016， 37（1）： 40-42.

Pan Shiqiang， Zhao Yaxiang， Jin Liang， et al. Design and experimental research of external grooved wheel fertilizer apparatus of 2BFJ-6 type variable rate fertilizer applicator ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（1）： 40-42.

［12］ 曹鑫， 謝方平， 王修善， 等. 雙向螺旋送肥離心錐盤式排肥裝置的設(shè)計與試驗［J］. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2021， 47（3）： 338-343.

Cao Xin， Xie Fangping， Wang Xiushan， et al. Design and experiment of the centrifugal cone disc fertilizer discharging device with a two way screw fertilizer feeding mechanism ［J］. Journal of Hunan Agricultural University（Natural Sciences）， 2021， 47（3）： 338-343.

［13］ NY/T 1003—2006， 施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范［S］.

［14］ NY/T 740—2003， 田間開溝機械作業(yè)質(zhì)量［S］.

［15］ 王方艷， 張欽， 張振宇， 等. 梳齒式甜菜清纓切頂機研制［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2021， 37（4）： 69-79.

Wang Fangyan， Zhang Qin， Zhang Zhenyu， et al. Development of comb type leaves clearing and top cutting machine for beets ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（4）： 69-79.