3ZFD-440型玉米大垄双行动力中耕追肥机设计与试验*

吴家安，李向军，常传义，高明宇，刘恩宏

(哈尔滨市农业科学院，哈尔滨市，150028)

0 引言

玉米大垄双行栽培技术是一种新型玉米栽培方式，相对于传统垄作或者平作，通过调整作物行距，增加边际空间等方式提高气候资源利用率，从而提高玉米产量[1-2]。但这种新的栽培方式在中耕施肥等方面缺少对应的机械化配套机具，只能通过传统的人力畜力以及单行中耕机进行中耕作业，极大阻碍了该栽培方式的推广与发展。

国内外研发人员针对不同的作物、栽培方式研制了多种中耕机具。国外研发的典型的玉米中耕机具有HS系列中耕机和IH4600型中耕机，上述两种中耕机虽然在全球内应用范围非常广且具有良好的稳定性，但是功能上比较单一，只有碎土、除草的功能，没有施肥、培土功能。近年来国内中耕机的发展速度也较为迅速[3-9]，3ZQ系列中耕起垄追肥机能够独立完成深松、施肥、起垄、镇压作业；车刚等研制的3ZFC-7型全方位复式中耕机能完成松土、除草、施肥等功能但无法完成深松、侧深施肥作业；李楠楠等研制的3ZT-3型中耕追肥机能够一次完成垄沟除草和侧深施肥；徐宗保研制了振动式深松中耕作业机能提高土壤蓄水保墒的能力等。但以上作业机具均存在碎土率不高、培土效果不能满足玉米大垄双行栽培的农艺要求的问题。

针对玉米大垄双行耕作栽培方式的改变，现有中耕机具作业存在碎土率低、培土效果差等问题。本研究根据玉米大垄双行中耕作业的农艺要求和机具的设计要求，首先对机具整体结构进行设计，并阐述基本结构和工作原理。其次通过仿真建模和理论计算推导出导流式培土器元线角的变化规律，并完成了施肥系统、碎土除草部件、导流式培土器的设计，最后进行田间试验效果验证。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

3ZFD-440型玉米大垄双行动力中耕追肥机主要匹配动力为118.4～154.4 kW的拖拉机，挂接方式为三点悬挂。由机架、施肥系统、传动系统、垄沟碎土灭草系统、垄底深松系统、垄台培土系统等组成，机具总体结构如图1所示。

图1 3ZFD-440玉米大垄双行动力中耕追肥机结构图

1.2 技术参数

3ZFD-440型玉米大垄双行动力中耕追肥机的性能参数如表1所示。

表1 技术参数Tab. 1 Structure parameter

1.3 工作原理

3ZFD-440型玉米大垄双行动力中耕追肥机的工作原理如图2所示。机具在玉米苗高15～25 cm[10]，进行第一次中耕作业时使用，一次作业可完成垄沟碎土除草、垄底深松、多苗带侧深施肥、垄台培土等多项工作。其拖拉机动力输出轴为碎土除草部件提供动力，施肥系统动力则由行走地轮提供。

根据大垄双行栽培技术农艺要求，每条垄上有2个苗带，考虑到每条垄上单位面积内的植株增加，肥量需求增多，机具分别在苗带的两侧及中间各分配一个施肥带，其中位于苗带两侧垄塝上采用靴式开沟器施肥，两苗带中间为防止杂草的干扰采用圆盘开沟器施肥。为提高碎土率，垄沟采用凿形直刀进行旋转碎土，碎土刀片连续不断地切削土壤，并将切下的土块与杂草一起向后抛掷与集土护罩猛烈撞击，土壤破碎后与破碎杂草一起落到地面，既保证了碎土率，又能有效地去除杂草。按照大垄双行栽培的技术要求，垄台台顶宽度为普通宽度的一倍左右，为了保证垄形饱满，采用导流式培土器，土壤通过培土器曲面抛洒向垄台位置，对垄台进行覆盖，起到垄台的培土与除草目的。

图2 机具原理图

2 关键工作部件设计

2.1 施肥系统设计

3ZFD-440型玉米大垄双行动力中耕追肥机施肥系统如图3所示，包含地轮、链传动系统、肥箱、靴式开沟器、圆盘开沟器等。

图3 施肥系统结构图

大垄双行栽培技术采用垄距为110 cm，每条垄上有2行植株，传统栽培技术垄距为65 cm，每条垄上植株1行。经计算可知同面积下，大垄双行栽培技术下植株数量比传统栽培技术的数量增加18%。随着单位面积的植株增加，肥量需求也相应增加，因此相对于传统栽培的侧深施肥，机具在每条垄上布置3条施肥带，如图4所示，在双苗带外侧各10 cm采用靴式开沟器进行施肥、双苗带中间位置(距离苗20 cm)处采用圆盘开沟器进行施肥，施肥深度为5～8 cm。双行苗带中间位置的施肥距离是两侧施肥距离的两倍，类似于分层施肥，有利于提高肥料利用率[11]。施肥系统左右对称布置，分4个肥箱，每个肥箱上有3个出肥口，分别对应1个垄台，共有12个施肥带。动力来源于地轮，地轮依靠与地面摩擦力驱动自身滚动，然后将动力通过二级链轮传递到排肥轴上，排肥轴将排肥调节器与各个外槽轮型排肥盒串联，施肥盒搅动肥箱中的肥料通过肥管落入开沟施肥器中完成施肥作业。

图4 垄上施肥原理图

2.2 排肥调节系统设计

排肥的调节系统主要部件如图5所示。

(a) 排肥调节器 (b) 排肥盒

排肥调节器由调节手轮、锁紧螺母、限位块、排肥调节器固定座组成。排肥盒由排肥盒体、限位块、外槽轮组成。为了保证每个施肥带的排肥一致性。初始安装，需要将所有排肥盒的排肥量调至最小。具体位置如图6所示。将排肥盒中外槽轮调至最外端排肥量最小、将排肥调节器锁止螺母、限位环、排肥调节器固定座等调节至靠近调节手轮端，且用开口销将排肥调节器与排肥盒的限位块、外槽轮限位。调节肥量大小时，将锁止螺母打开，退出限位环，然后旋转调节手轮，调节手轮的圆周运动转化为排肥轴的横向位移，再通过排肥轴的位移推动外槽轮与排肥盒的啮合面积，以此来调节排肥量的大小。调节至所需肥量后，现将限位环的牙状凸起与排肥调节器固定座相互镶嵌，再用锁止螺母固定。

地轮每转动n圈每个排肥盒的排肥量计算公式如式(1)所示。

(1)

式中：q——地轮转动n圈每个排肥盒的施肥量，g；

Q——农艺要求每公顷施肥，g；

D——地轮直径，m；

m——排肥口数，m取12个；

n——地轮转动圈数；

a——幅宽，a取4.4 m。

图6 施肥系统结构图

2.3 碎土除草部件设计

碎土除草部件主要由变速箱、垄底深松铲、左右刀轴总成、集土护罩构成。整体结构如图7所示，在变速箱前端安装垄底深松铲，既可以在中耕过程中进行深松，起到抗旱防涝的作用，又能消除漏耕，垄底深松铲采用凿型深松铲。

图7 碎土除草部件总图

2.3.1 碎土除草刀设计

碎土除草辊由刀轴和在刀轴上按螺旋线排列的多把碎土刀构成。其工作原理是碎土刀片连续不断地切削土壤，并将切下的土块与杂草一起向后抛掷与集土护罩猛烈撞击，土壤破碎后与破碎杂草一起落到地面，既保证了碎土率，又能有效地去除杂草。

碎土程度是该机具的关键指标之一，刀片的参数直接影响碎土率[12-13]。与传统的弯刀和L型刀相比，凿形直刀能够减小切削阻力，减小缠草，可使切削应力更加集中，入土性能更好[14]，因此根据玉米大垄双行栽培的农艺要求，该机具选用凿形直刀。其回转半径为235 mm，用65Mn钢制造，切削刃口部分须经淬火处理，碎土刀结构参考马铃薯驱动碎土刀设计，刀片厚度为10 mm。当碎土刀与土壤接触时，土壤产生裂纹，刀刃方向与水平面成40°时，土壤更容易破碎[15]。因此在兼顾设计需求的情况下该组刀盘的碎土刀入土夹角选择35°，刃口宽度为2 mm，侧刃长度10 mm。刀型参数如图8所示。

图8 刀型图

2.3.2 碎土除草刀轴设计

碎土除草刀轴采用分组、卧式正转。在工作过程中，刀轴受动力驱使切削、撞击土壤，反作用力对刀轴造成弯曲、扭转等复杂应力变形。因此在不影响强度和使用要求的前提下减少刀轴的横截面积，设计成空心轴，这样可以节省大量的材料[16]，根据计算，采用外径D=70 mm，内径d=60 mm，材料为Q235热轧无缝钢管，刀座间距46 mm，刀座与刀轴焊接；刀座与碎土刀用螺栓紧固。

碎土刀的排列在工作中既要减少漏耕和堵塞，又要保证刀轴均衡受力。一般要满足以下要求：(1)碎土刀要以一定顺序入土，均匀受力于刀轴。(2)两个相近刀片的分离角度应较大，以预防堵塞。(3)刀片的排列应该尽量便于加工和使用，一般多用螺旋线排列。

图9为一组作业单元的碎土刀的排列顺序图。该方式为双头螺旋线一一对应排列。

图9 碎土刀排列

2.4 导流培土器设计

为满足大垄双行栽培的农艺要求，垄台台顶宽度与垄距均有较大增幅，如图10所示a0由传统的200 mm 变成700 mm，总垄距由传统600～700 mm变成1 100 mm。传统的三角翼平板培土器没有导流功能，无法将垄沟内的土壤抛至垄台上，垄形容易成M型，垄形不够规整。因此为满足大垄双行栽培中耕的培土高度与垄台宽度需求，本文重新设计了一种导流式培土器，采用Solidworks软件设计了导流式培土器的翼面。培土器翼面左右对称，翼面导曲线采用圆弧结构，土壤在翼面的推力下沿翼面上升至最高点，受离心力作用往垄台方向抛掷，两边培土器翼面抛掷的土壤在垄台中间部分叠加，填平M型垄台的中间空缺部分，使垄形更加规范。

图10 培土垄台断面图

培土器主要参数如表2所示。

表2 培土器农艺参数Tab. 2 Agronomic parameters of soil cultivator

当机车前进速度为v，时间t内垄台所需土量为Q0，垄沟挖出土量为Q1，沟底至垄顶总高h，垄台成型增量为h0，开沟深度为h1。

从图10可知

Q0=vt(a0+h0cotφ)h0

(2)

Q1=vt[a1+(h-h0)cotφ](h-h0)

(3)

L=a0+a1+2hcotφ

(4)

h1=h-h0

(5)

由于土壤经碎土部件打碎，再由培土器翻转，导致土壤疏松、膨胀体积增大，所以需土量与挖土量应满足式(6)。

Q0=λQ1

(6)

由式(4)可推算

(7)

由以上各式可知

(8)

将表2中各数值代入以上各式中可知：h=220 mm、h0≈72 mm、h1≈148 mm。

由于培土器工作时土壤产生蓬松，所以上升高度大于垄台高度，培土壁上边线高度h2取垄台高h的1.2倍。

h2=1.2×h=264 mm

(9)

根据表2及以上各式所得尺寸做出培土器的主视图、俯视图以及导曲线图如图11所示。

图11 培土翼设计原理图

根据原理图11，以原点O作为铧尖的位置，前视基准面作为主视图方向。以上视基准面为基准，经过O点作与右视基准面偏γ0的一条直线作为铧刃线OM；在距离O点L/3处建立一个辅助基准点K，作辅助基准面1，以辅助基准面1为基准作导曲线，首先过基准点K(辅助基准面1的原点)作一条与y轴偏离γ0辅助线aM，再做辅助线nn与aM垂直，再经原点K作辅助线k′k′与nn夹角ε，过K点作垂直于k′k′的直线aOR，OR为导曲线圆心，导曲线半径由式(10)求出。

=248 mm

(10)

弧长aC由圆心角∠aORC确定，由式(11)求出。

∠aORC=90°-ε+Δε

(11)

根据农业机械手册，γ0=32°、ε=30°、Δε=5°。将各个参数代入图中，作出导曲线；每隔53 mm作一个平行于上视基准面的辅助平面，并在每个辅助平面上各作一条与导曲线相交的元线，元线角变化规律如表3所示；最后依次以元线角为轮廓线，以导曲线为引导线放样，作出单侧培土翼的曲面。按图11中培土器主视图轮廓对培土翼的曲面进行切割，得出完整翼面。

表3 元线角的变化规律Tab. 3 Variation law of element line angle

培土器总成如图12所示，由铲尖、铲翼、铲柄构成。培土器采用整体式铲翼，培土器适用于垄距为1 100 mm的玉米大垄双行栽培的中耕作业。

图12 培土器总成

3 田间试验测试与结果分析

3.1 试验条件与材料

2019年6月于哈尔滨市农业科学院试验地进行了样机的田间试验。试验前测试条件如表4所示，试验机具为3ZFD-440型大垄双行动力中耕追肥机，试验前对机具进行完善的检查和调试，保证机器正常运转，配套动力符合机具试验的要求。

表4 机具测试前检测条件Tab. 4 Testing conditions before machine testing

试验主要用土壤坚实度仪，卷尺，卡尺，土壤水分检测仪，电子天平，取土器，干燥箱，铝盒等测出碎土率、垄形合格率、排肥一致性、伤苗、埋苗率等。

3.2 试验方法

按照国家机械行业标准JB/T 7864—2013《中耕施肥机试验方法》对玉米大垄双行动力中耕追肥机的相关性能进行测试。主要包括：碎土率、排肥一致性、伤苗、埋苗率等，同时针对大垄双行种植，对耕地的垄形合格率也做了详细的测定。

3.2.1 碎土率测定

采用5点法检测法，在确定测定点后，以该点为中心选定0.5 m×0.5 m的正方形范围，在其全耕层内，分别测量最长边小于5 cm的土块质量及所取土壤总质量。其百分比即为该点的碎土率，求5点平均值。碎土率按式(12)计算，结果如表5所示。

(12)

式中：E——碎土率，%；

Ms——测定点中、全耕层内最长边≤5 cm的土块总质量，kg；

M——测定点中、全耕层内所有土块总质量，kg。

表5 碎土率结果Tab. 5 Fragmentation rate result

根据JB/T 7864—2013显示，中耕碎土率要求≥85%，该机具工作中碎土率达到91.7%，高于国家标准。

3.2.2 垄形合格率测定

采用5点法检测法，每个小区宽度为一个垄宽和一个垄沟宽度之和，宽度为1.1 m，分别测量区域内垄台台顶宽度、垄台深度并计算其与符合农艺要求的标准垄台台顶宽度、垄台深度变异系数，垄台台顶宽度变异系数按式(13)计算，垄台深度变异系数按式(14)计算。结果如表6所示。

(13)

式中：ηa——垄台台顶宽度变异系数，%；

a——测定区域内实际垄台台顶宽度，cm；

A——测定点区域内理论垄台顶宽度，cm。

(14)

式中：ηλ——垄台深度变异系数，%；

λ——测定区域内实际垄台台顶距离垄沟深度，cm；

H——测定点区域内理论垄台台顶距离垄沟深度，cm。

垄台台顶宽度变异系数平均为1.64%，垄台深度变异系数平均为4.34%，均小于5%，基本与设计垄形保持一致。

表6 垄台台顶宽度变异系数、垄台深度变异系数Tab. 6 Coefficient of variation of ridge platform top width、 coefficient of variation of ridge depth

3.2.3 垄沟底部浮土厚度的测定

采用5点法检测法，用钢板尺测出测量点上垄沟沟底浮土厚度、结果如表7所示。

表7 垄沟沟底浮土厚度Tab. 7 Thickness of floating soil at the bottom of ditch

根据JB/T 7864—2013显示，沟底浮土厚度一般为4～6 cm即为合格，该机具实测为4.6 cm，所以该机具沟底浮土厚度完全符合国家标准。

3.2.4 排肥一致性变异系数检测

测定方法：使中耕施肥地轮离地，机架保持水平，转动地轮且转速与田间施肥相似，每次转动20圈。接取每个排肥口所排肥量，称重。重复3次求平均值。排肥量按式(4)调整，其中每公顷排肥总量按150、165、180、195、210、225 kg统计。排肥一致性按式(15)～式(17)计算。测得结果如表8所示。

(15)

(16)

(17)

式中：x——每次排肥量，g；

s——标准差，g；

n——测定次数，取3；

V——变异系数，%。

表8 排肥一致性变异系数Tab. 8 Coefficient of variation of fertilizer consistency

根据JB/T 7864—2013显示，排肥一致性变异系数低于8%即为合格，该机具为3.1%，可见该机具排肥一致性变异系数完全符合国家标准。

3.3 测量结果分析

通过上述结果显示，在样机作业过程中，碎土率、垄沟浮土厚度、排肥一致性都达到国家标准；作业后垄形的关键尺寸：垄台顶部宽度与垄顶深度变化率分别为1.64%与4.34%，可见变异系数很低，垄形规范、培土效果良好。

4 结论

1) 根据玉米大垄双行中耕作业的农艺要求，通过理论计算和试验分析完成施肥系统、碎土除草部件、导流式培土器的设计。该机具一次作业可完成垄沟碎土除草、垄底深松、多苗带侧深施肥、垄台培土等联合作业，降低了因机具多次进地对土壤造成的压实。

2) 通过理论计算和试验分析确立了各关键部件的参数。采用3苗带侧施肥；碎土刀选用凿形直刀，回转半径为235 mm，刀片厚度为10 mm，碎土刀入土夹角选择35°，刃口宽度为2 mm，侧刃长度为10 mm；采用导流式培土器，基础元线角为32°，导曲线切线与垂直面夹角为30°，导曲线切线与垂直面夹角增量为5°，导曲线半径为248 mm。

3) 通过对3ZFD-440型大垄双行动力中耕追肥机进行田间试验，结果表明：作业碎土率为91.7%、垄台台顶宽度变异系数为1.64%，垄台深度变异系数为4.34%、沟底浮土厚度为4.6 cm，作业效果良好，各项作业指标均符合国家标准。