喬清旭，劉 峰，齊瑞鋒

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林長(zhǎng)春 130000）

1 研究背景和研究意義

1.1 研究背景

我國(guó)作為人口大國(guó)，以9%的耕作面積滿足了20%人口的糧食需求。隨著退耕還林、耕地轉(zhuǎn)城鎮(zhèn)的加速，2000年至今，每5年下降約0.29%的耕作面積，但糧食產(chǎn)量仍保持上升趨勢(shì)，其中肥料的使用，對(duì)糧食產(chǎn)量的提升起到了決定性的作用。近年來我國(guó)農(nóng)業(yè)肥料的投入逐年遞增，然而肥效利用率較低，長(zhǎng)期粗放式施肥作業(yè)導(dǎo)致肥料資源浪費(fèi)、土壤酸化、影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。合理的肥料使用，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。

傳統(tǒng)農(nóng)用肥料以顆粒肥為主，該肥料利用率低、吸收慢、土壤酸化嚴(yán)重等，弊端較多，不利于長(zhǎng)期使用。隨著對(duì)保護(hù)環(huán)境的重視，污染較小、吸收率更高的液肥得到了國(guó)家的支持。目前，液肥施肥作業(yè)主要以人力為主，機(jī)械化程度低、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此，研制出更加智能、高效、操作簡(jiǎn)單的液體施肥機(jī)械對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要的意義。

1.2 研究意義

科學(xué)的施肥方式可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高農(nóng)作效率、同時(shí)有助于減小環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家液體肥料的使用達(dá)30%。液體肥料相較于顆粒肥料的優(yōu)點(diǎn)：一是顆粒肥料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用過程中粉塵嚴(yán)重，對(duì)施工人員及土壤環(huán)境造成一定影響；液肥作為濃縮藥液，使用時(shí)根據(jù)農(nóng)藝要求按照比例溶于水，操作方便，無粉塵困擾。二是顆粒肥料無法精準(zhǔn)控制施肥量。當(dāng)下顆粒肥料仍為粗放式施肥作業(yè)，造成肥料浪費(fèi)、土壤污染嚴(yán)重。液肥按需配比，作業(yè)時(shí)搭配施肥管路、流量計(jì)控制施肥量，達(dá)到可控可調(diào)的目的。三是液肥的肥效優(yōu)于顆粒肥，土壤對(duì)液肥的吸收率高于顆粒肥三倍以上。四是液肥使用時(shí)溶于水，配比更容易掌握，相較于顆粒肥料作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的堆肥情況，液肥可減少燒苗、燒根的情況。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)液肥的研究較早，發(fā)展至今液肥的使用占比較大，配套機(jī)械化裝備已經(jīng)全面覆蓋農(nóng)用施肥領(lǐng)域；我國(guó)在該領(lǐng)域發(fā)展滯后。

國(guó)外于1930年開始研究液肥及配套設(shè)備，美國(guó)首先開始推廣使用。早期肥料以液氨為主，施肥機(jī)械主要由料灌、施肥管、施肥噴嘴構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一。隨著研究的深入，H.Mark Hanna通過測(cè)試得出施肥深度可提高肥效利用率；隨后Nyord根據(jù)施肥深度對(duì)肥效的影響，在液體施肥機(jī)后側(cè)加裝開溝裝置，可完成底肥深施，并對(duì)肥料噴管加壓，實(shí)現(xiàn)向前、向下、向后噴射液肥；約翰迪爾公司研制的自走式施肥機(jī)，已達(dá)到全機(jī)械化施肥作業(yè)，作業(yè)寬幅達(dá)30.5 m，料箱容積為4 500 L，可自動(dòng)調(diào)節(jié)噴灑高度、噴灑間距。

我國(guó)施肥機(jī)械起步較晚，研究基礎(chǔ)薄弱，研究方向單一，作業(yè)對(duì)象為玉米、大豆、棉花等作物。1960年華北、東北、西北等地區(qū)出現(xiàn)施肥聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。1980年，大型施肥機(jī)械發(fā)展遲緩，小型施肥機(jī)械發(fā)展迅速，多半為小型施肥機(jī)械與播種機(jī)聯(lián)合作業(yè)。近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及，我國(guó)施肥機(jī)械得到快速發(fā)展，但仍不完善，無法做到全自動(dòng)化，作業(yè)時(shí)依靠半人力、半機(jī)械完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，農(nóng)作效率低，因此研發(fā)更加便利施肥機(jī)械對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展有重要的意義。

3 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

液體施肥機(jī)主要由肥箱、牽引裝置、支撐地輪、控制閥組、流量計(jì)、輸肥管、隔膜泵、機(jī)架、分草輪掛接臂、施肥單組連接臂、施肥噴頭、開溝器組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 液體施肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)具尺寸長(zhǎng)3 900 mm、寬3 400 mm、高2 500 mm（詳見表1）。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

3.3 工作原理

射流式變量深施液體施肥機(jī)依靠配套拖拉機(jī)牽引式作業(yè)，主要是在播種前對(duì)土壤進(jìn)行肥料補(bǔ)充。市面上液體施肥機(jī)以噴灑式、穴播式為主。噴灑式施肥作業(yè)，土壤吸收率較差、肥料揮發(fā)程度較高，造成肥料浪費(fèi)的問題；穴播式施肥量小、施肥效率低，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜故障率高。為減少肥料噴灑過程中的揮發(fā)流失、提高土壤吸收效率、提高作業(yè)效率，此機(jī)具采用射流式持續(xù)供肥，搭配開溝機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)底肥深施作業(yè)。施肥作業(yè)主要分為三個(gè)步驟：藥箱供液、供給管路分流作業(yè)、施肥單體開溝作業(yè)。肥箱中液肥由隔膜泵將液肥輸送至供給管路；供給管路由輸肥管、控制閥組、流量計(jì)、施肥噴頭組成。作業(yè)時(shí)液肥經(jīng)輸送管、控制閥組、流量計(jì)，從施肥單體的噴頭噴出，通過流量計(jì)監(jiān)測(cè)肥料流量，控制閥組調(diào)節(jié)施肥量。施肥單體主要由連接架、分草輪、開溝器組成，作業(yè)時(shí)施肥單體隨機(jī)組前行，開溝器依靠機(jī)組自重提供豎直壓力，通過拖拉機(jī)水平牽引動(dòng)力完成開溝作業(yè)，搭配施肥管路，將藥液從噴頭噴射到灑到溝槽內(nèi)，完成底肥深施作業(yè)。

4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

4.1 供給管路設(shè)計(jì)

供給系統(tǒng)主要由肥箱、隔膜泵、控制器、電動(dòng)控制閥組、分流器、施肥噴口組成，圖2為供給管路圖。作業(yè)時(shí)肥箱中肥料經(jīng)隔膜泵工作下，流向分肥管路，經(jīng)過控制器、控制閥組，流向兩側(cè)施肥管，由電控閥組控制液肥流向。其中控制閥組A側(cè)三條管路為大流量管路、B側(cè)三條管路為小流量管路（大小管路藥液施量不同），每條管路由分流器分為2條支路，共12條支路，每個(gè)施肥噴口與兩條不同支路連接。此種管路連接方式，保證施肥口有三種流量調(diào)節(jié)方式，包括：大管路施肥；小管路施肥；大小管路結(jié)合施肥。

圖2 供給管路圖

4.2 施肥單體設(shè)計(jì)

圖3為施肥單體，該結(jié)構(gòu)主要由連接架、開溝器、施肥噴管、仿型減震彈簧、分草輪掛接臂組成。開溝器作為主要觸土部件，作業(yè)時(shí)田間地況復(fù)雜、作業(yè)條件嚴(yán)格，故該部件在設(shè)計(jì)時(shí)需滿足：第一，在復(fù)雜的地塊環(huán)境下，保證機(jī)組達(dá)到一定作業(yè)速度；第二，考慮到配合播種作業(yè)進(jìn)行施肥作業(yè)，故開溝器需對(duì)土壤擾動(dòng)較小；第三，結(jié)合當(dāng)下免耕為主作業(yè)模式，該開溝器需滿足在秸稈、根插、雜草等覆蓋地塊的情況下仍可以滿足高效作業(yè)。

圖3 施肥單體二維模型圖

綜上所述，本機(jī)施肥單體的開溝部件選擇為圓盤開溝器。圓盤開溝器具有作業(yè)效率高、作業(yè)速度快、不易堆土、對(duì)土壤擾動(dòng)較小、外圓刃口可對(duì)地塊上的秸稈進(jìn)行切削，以減少茬地上秸稈對(duì)機(jī)具的影響。開溝器直徑520 mm，開溝深度為0～175 mm，配合側(cè)邊施肥管（液肥經(jīng)肥料管路噴出時(shí)，具備初始噴射速度）將液肥噴射到溝槽內(nèi)。當(dāng)施肥單體在秸稈覆蓋量較大的地段作業(yè)時(shí)，施肥單體前端可加裝分草輪，將開溝器前側(cè)秸稈殘?jiān)钟趦蓚?cè)，保證施肥單體高效作業(yè)。

5 結(jié)論

本機(jī)具圍繞液肥深施技術(shù)、液肥施量控制技術(shù)進(jìn)行研究分析，設(shè)計(jì)一款變量深施液體施肥機(jī)，該施肥機(jī)具備穩(wěn)定性好、作業(yè)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)為迎合當(dāng)下市場(chǎng)需求，該施肥機(jī)優(yōu)點(diǎn)有：

1）設(shè)計(jì)的變量施肥管路，針對(duì)當(dāng)下不同作物、不同施肥農(nóng)藝要求下，進(jìn)行按需作業(yè)、定量施肥，解決現(xiàn)有粗放式施肥方式，減少肥料浪費(fèi)；

2）該機(jī)具可進(jìn)行底肥深施作業(yè)，施肥單體開溝器進(jìn)行土壤開溝，開溝深度在0～175 mm之間，施肥噴嘴將液肥噴射在溝槽內(nèi)，減少肥料揮發(fā)流失，提高土壤吸收效率。

3）該機(jī)具可進(jìn)行精準(zhǔn)、高速作業(yè)，減少勞動(dòng)力的投入、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高農(nóng)業(yè)作業(yè)效率，本次研究也為我國(guó)液體施肥技術(shù)及配套裝配的發(fā)展與研究提供了理論上的支持及技術(shù)上的借鑒。