十字槽种肥分施及分层施肥开沟器设计

张军昌，闫小丽，李国华，曹晓东，刘 娜，孙丽雯，仝 敏

(西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100)

0 引言

影响玉米产量的因素很多，施用化肥是提高玉米产量的重要保证之一，我国大部分地区土壤地力较低，大量施用化肥成为提高作物单产的主要途径[1-3]。我国玉米机械化施肥技术有多种，包括分期施肥、种肥混施、种肥侧位分施及种肥正位分施等[4-5]。分期施肥会增加机械进地次数，对土壤多次压实，且易对玉米植株和根系造成伤害[6-8]；种肥混施会使玉米种子与肥料直接相接触，容易腐蚀伤害种子；种肥侧位分施时，种、肥不同沟，可以为种子发芽提供良好的条件，但存在玉米生长后期脱肥问题[9,11]。由于需要2个开沟器完成开沟工作，种肥分施增加了对地表的破坏，且开沟器之间的间隙较小，易被田间秸秆和杂草堵塞[12-13]。种肥正位分施时，种子和肥料同沟，在播种时将玉米生长周期所需的肥料一次性、分多层施入土壤。对玉米一次性分层缓释施肥的研究发现，分层施肥植株生长状况好，比常规分期施肥增产效果好，经济效益明显；但受开沟器结构形式所限，在土壤墒情较大时，土壤自然回土能力差，易造成种肥混合，出现烧种现象[14]：严重时种子和肥料全部落入100mm左右深度的基肥区，无法出苗，且只能施用一种化肥。

综上所述，玉米机械化施肥应一次性完成玉米生长前期种肥和后期所需基肥的施放，种肥施用速效肥，基肥施用缓释肥，并要实现种子、种肥的分施和种肥、基肥的分层施放，以满足玉米整个生长期对养分的需求。同时，为了减小开沟器对地表破坏和土壤的扰动，提高种区的保墒能力，开沟器一次开沟要实现上述要求。

本文设计了一种十字槽开沟器，一次开沟可实现种子、种肥分施及种肥和基肥分层施放，仅对种区的土壤扰动一次，并进行了室内土壤试验验证。

1 结构及工作原理

十字槽开沟器主要由立刀、两侧的两个横刀和开沟器后部安装的种肥管、基肥管和排种管组成，如图1所示。

图1 十字槽开沟器结构示意图Fig.1 Cross slot opener structure diagram

在播种施肥作业过程中，开沟器的立刀开出基肥沟，实现基肥的深层施放。立刀的两侧各安装一个横刀，在土壤下层基肥沟上部两侧分别开出种沟和种肥沟，实现种子和种肥的分施。其工作原理如图2所示。十字槽开沟器在作业时一次开沟完成种子、种肥的分施，同时实现种肥及基肥的分层施放，种肥可施速效肥，基肥可施缓释肥，以满足玉米生长前期和生长后期对肥料的需求。由于作业过程中横刀是在土壤下层开出种沟和种肥沟，减小了种子萌发区域土层的混乱和干湿土混杂，提高了播种施肥作业后土壤的保墒能力，也避免了种子、种肥与地表残茬的混杂，解决了草土混杂问题。十字槽开沟器作业后的断面图如图3所示。由图3可见，其在种子发芽区形成了种、肥、水交互的小环境，利于种子的发芽和幼苗的生长。

图2 十字槽开沟器工作原理图Fig.2 Cross slot opener working principle

图3 种区土壤小环境Fig.3 Seed growing soil environment

2 关键部件设计

2.1 种、肥管

基肥管是一根直管，根据《农业机械设计手册(上)》其直径选取25mm，其向下只要不伸出立刀护板即可，故取其长度为500mm。在排肥口沿着开沟器前进的方向反方向斜切45°，使排肥口面积增大，利于排肥的通畅性。种管和种肥管需向两侧弯曲，在横刀的下部伸出，以便将种子、种肥施到横刀开出的沟槽内。玉米种子和种肥间距农艺要求为30～50mm，由于开沟器在开沟后土壤会向中间回土，根据试验测试，种、肥管向两侧水平伸出35mm，可保证横向种肥间距，如图4所示。种肥管向两侧弯曲半径R和向下垂直伸出长度H的关系为

R2=(R-35)2+H2

(1)

由式(1)可以看出：R增大，H随之变大，R越大，则排种排肥的通畅性越好；但R过大使种、肥管向下垂直伸出长度H过大，会造成横刀入土角过大，否则会使排种和排肥口超出作业中横刀形成的无土空腔，造成堵塞。同时，种、肥管向下垂直伸出长度H要大于种、肥管的直径25mm。根据试验测试结果，在种肥管向两侧弯曲半径R=28mm时，排种、排肥皆畅通，计算得H=27mm，满足要求。

图4 种、肥管结构参数示意图及三维造型Fig.4 Species, fertilizer pipe structure parameter diagram and three-dimensional modeling

2.2 立刀参数的确定

十字槽开沟器立刀的主要作用是开出基肥沟，疏松底层土壤便于根系下扎。为减小底层土壤扰动和工作阻力，立刀的宽度应尽量小，为避免肥管对土壤的扰动，应大于基肥管的直径。为防止立刀开沟后回土对基肥管的堵塞，立刀的两侧后部加装护板并安装种、肥管及横刀，因此立刀宽度B1取60mm[16]。开沟器立刀尺寸如图5所示。立刀高度过高易发生壅土，根据玉米种植基肥施肥深度要求为150mm左右[15，17]，确定其高度H1为170mm。

为提高开沟器入土性能，立刀刃口的脊线曲线半径R2取250～350mm[15]，本设计取300mm。

立刀入土角α为开沟器工作面与水平面之间的夹角。α过大时，土壤易被抬高翻土，不利于蓄水保墒。立刀入土角的取值范围为15°～25°。为降低土壤扰动，入土角α不宜过大[18]，本文取入土角α=20°。

图5 开沟器立刀尺寸Fig.5 Opener vertical cutter size

入土隙角ε为开沟器底面与地面之间的夹角，利于开沟器破茬入土。立刀入土隙角ε过小，易造成开沟器入土能力差，摩擦阻力增大；ε过大，易造成土壤过早回落，沟底过早回填，基肥不能到达沟底。入土隙角一般取5°～10°[15]，本设计取ε=8°。

斜切角γ对开沟过程中土壤的流向、侧向抛掷、工作阻力等方面具有重要的影响，一般选取范围为60°～80°[17，19]，本文选取γ=70°。

2.3 横刀参数的确定

十字槽开沟器横刀的作用是开出种沟和种肥沟，并将种管和种肥管向外伸出的部分在上方遮盖，防止横刀上方的土壤下落影响排种和排肥。横刀结构如图6所示。为避免开沟器两侧的回土堵塞排种和排肥管口，横刀的横向伸出长度不宜过小，根据多次试验确定单侧横刀横向伸出长度l2=75mm。横刀的宽度为

(2)

式中γ—横刀入土角(°)。

图6 横刀结构示意图Fig.6 Horizontal knife Structural diagram

横刀的入土角不易过大，过大会造成种区土壤扰动大，土层混乱，工作阻力加大；过小则造成横刀的宽度H1过大，也会造成横刀对土壤扰动增大。综合立刀的入土角，确定横刀的入土角γ=20°，由上文可知H=27mm，根据式(2)可知横刀的宽度H2需大于79mm，本文取H2=100mm。

横刀后倾使横刀在开沟时对土壤产生滑切作用，且有利于横刀对土壤中的根茬进行切割，可有效减小作业阻力。横刀后倾角越大，减阻效果越好，横刀后倾θ与横刀的长度l为

(3)

从式(3)中可以看出：如果横刀后倾角θ过大，在横刀的横向伸出长度l2为75mm确定的情况下，横刀长度l将会增大。横刀长度过大也会造成对土壤的扰动加大，取横刀后倾角θ=20°，则可得横刀的长度为80mm。为保证横刀的强度，横刀的厚度取为10mm，为减小工作阻力并保证使用寿命，横刀前部刃角取为30°。

根据以上设计对十字槽开沟器进行了三维建模并制作了实物，如图7所示。

图7 十字槽开沟器三维造型及实物图Fig.7 Cross slot opener three-dimensional modeling and physical map

3 十字槽开沟器试验装置试制与试验

3.1 十字槽开沟器试验装置的试制

为了验证十字槽开沟器的作业效果，制作了单行十字槽开沟器玉米播种施肥试验装置，并在室内土槽进行了试验。排种和排肥器均选用外槽轮式；样机一侧的地轮只起限深作用，另一侧的地轮既是限深轮，又是排种排肥的驱动轮；十字槽开沟器通过U型夹固定在机架上，样机后部为镇压轮，确保种、肥与土壤紧密接触，整机以三点悬挂方式与动力机械相连接。十字槽开沟器试验装置三维造型图及实物如图8所示。

3.2 试验材料与方法

在西北农林科技大学机械与电子工程学院室内土槽试验台上进行了十字槽开沟器性能试验，如图9所示。试验所选用的土壤来自陕西省关中地区农田土壤，属黄土母质发育的农业土壤，为保证试验中土壤状态与田间相同，先取出土壤表层70～80mm土壤，将土槽内剩余的土壤表层撒适量水，覆盖薄膜保湿24h后用旋耕机松碎、充分混合土壤；然后，将前期挖出的土壤均匀回填至土槽内，洒水覆盖薄膜保湿24h；最后，试验前24h将薄膜取下，旋耕搅匀土壤，整平后再用辊子将土壤压实，使土壤的含水率达到16%左右，50～200mm土层土壤坚实度达到1 500kPa。

图8 试验装置三维造型Fig.8 Three-dimensional shape of test equipment

图9 土槽试验Fig.9 Seed row and row fertilizer test in soil trough

测试用化肥选取大颗粒复合肥，玉米种子选用先玉336，测试速度为4km/h，试验区前5m为加速区，后5m为减速区，中间10m为稳定测试区。试验中，在测试区每隔2m挖出2个种沟断面(见图10)，测量播种深度、施肥深度、种肥与种子间距、种子与基肥间距，进行3次重复试验，试验结果如表1所示。

由图10可以看出：十字槽开沟器可以实现一次开沟，种子、种肥分施及种肥与基肥分层施肥技术。由试验数据可知：十字槽开沟器播种深度平均为45mm，变异系数为7.2%；种肥深度平均为43mm，变异系数为5.3%；种子与种肥间距平均为52mm，变异系数为5.2%；基肥深度平均为148mm，变异系数为4.3%；种子与基肥间距平均为102mm，变异系数为6.9%。这说明十字槽开沟器的播种、施肥深度及种、肥间距具有较好的一致性，变异系数小于13%，满足播种施肥稳定性和一致性的要求。

图10 种沟断面图Fig.10 Seed trench section表1 室内土槽试验数据表Table 1 Opener seed row, row fertilizer test value mm

4 结论

1) 设计了一种新型十字槽玉米播种施肥开沟器，立刀和横刀的入土角20°，立刀的入土隙角8°，斜切角70°，横刀宽度100mm，长度80mm，后倾角20°，种、肥管向两侧弯曲半径R=28mm。

2) 十字槽玉米播种施肥开沟器，一次开沟可以实现种子、种肥分施及种肥与基肥分层施放，减小了对种区土壤的扰动。

3) 制作了十字槽试验装置，在室内土槽进行了试验，结果表明：玉米播种深度、种肥深度、种子与种肥间距及种子与基肥间距平均为44、43、52、102mm，变异系数小于13%，播种、施肥稳定性和一致性较好。