基于耕整播一体机的阶梯施肥装置设计与分析*

赵永来 ， 冯瑞龙 ， 牛文学 ， 高 伟 ， 樊 琦

（内蒙古农业大学职业技术学院，内蒙古 包头 014109）

0 引言

党的二十大报告明确指出，全面推进乡村振兴，坚持农业农村优先发展，巩固拓展脱贫攻坚成果，加快建设农业强国，合理控制化肥、农药、地膜使用量，实施化肥农药减量替代计划。当前，我国农业生产中，施肥模式逐渐向科学方式转变，肥料利用率逐渐提高[1-4]。农业生产随着气候与地理位置的变化而特征迥异，对于不同区域、不同耕作模式、不同施肥方式尚未建立科学的管理系统。以内蒙古沿黄流域保护性耕作农田为例，实施玉米和大豆间作的种植区域在春季的施肥方式以在待耕地表撒施肥料，然后进行犁耕作业，生长期水肥一体化追肥为主；秋季施基肥主要采用犁耕方式，导致了肥料颗粒大量进入犁底层，造成施肥过深，作物根系无法完全吸收，同时还存在施肥不均匀和过量施肥的情况，导致肥料大量浪费，造成环境污染[5-8]。由此可见，传统的施肥方式显然不能满足精量高效的现代化农业生产的要求。

国外学者对气力输送固体颗粒进行了深入研究，包括气力输送中颗粒速度、加速度的影响因素以及固体颗粒在输送管道中的沉积特性[9-13]。这些研究主要集中在管道输送固体颗粒方面，缺乏对阶梯施肥分配特性和排肥器内颗粒肥料流动特性的分析。国内学者的研究集中在采用外槽轮式单变量排肥，即通过控制排肥轴转速来控制排肥量；通过调节排肥口开度和施肥轴转速来控制施肥量；开发基于ARM和DSP的双变量施肥控制系统，施入单一肥料和复合肥，增强了变量控制的灵活性和扩展性等[14-16]。目前，所研究的施肥机具很难保证各行施肥量的均匀性，也不能满足带状间作、定量均衡的大田施肥作业要求。

研究表明，合理的深松和肥料深施能改善土壤理化性质，促进作物养分吸收和根系生长，提高肥料利用率，增加作物产量[17-19]。目前，相关学者对阶梯施肥技术的研究多数集中在单一作物、单一种类肥料的施用上，难以达到满意的施肥效果。内蒙古沿黄流域实行保护性免少耕耕作技术后，结合玉米与大豆间作模式，先前传统的追肥作业更加难以实现。基于此，本文结合内蒙古沿黄流域免少耕耕作模式的播种与施肥需求，提出适合禾豆间作缓释肥与普通复合肥阶梯同施的方法，研制耕整播一体机并设计阶梯送肥装置，对作业过程的功率消耗进行了分析与计算，给出了一体机动力匹配方案；采用计算流体动力学的方法，对装置进行参数分析，实现缓释肥与普通复合肥的阶梯同施，以期为间作模式下送肥系统的设计与优化提供技术参考和理论支撑。

1 整机结构设计

1.1 总体结构

耕整播一体机结构如图1所示，整机主要包括施肥装置、旋耕机部分、风机、播种单体总成部分与传动连接部分。施肥装置包括肥箱、驱动电机、调肥机构、分层施肥钩、排肥盒等；旋耕机部分主要包括旋耕机机架、齿轮箱、传动装置、旋耕刀、刮土板等；播种单体总成部分主要包括主梁、单体（含玉米种箱与大豆种箱、宽窄两种限深轮、排种器总成、宽窄两种镇压轮、破茬波纹盘）、地轮、变速箱等。整机通过三点悬挂方式与拖拉机连接，齿轮箱输入轴从拖拉机输出万向节处获得工作动力，侧输出端连接驱动旋耕部分作业，后输出轴通过联轴器驱动风机，播种机利用风机产生负压将种子吸附在排种盘上。

图1 耕整播一体机结构图

1.2 工作原理

一体机作业过程中，首先由深松铲对保护性农田土壤进行深松作业，由直流电机驱动肥箱下部阶梯排肥盒，排肥轮转动输出肥料，肥料经阶梯导肥管被施入土壤中，实现阶梯施肥（通过调节变频电机转速控制施肥量）；而后由旋耕机进行碎土整平并迅速镇压，为玉米与大豆种子生长提供良好的种床环境；最后进行播种作业。通过一体机一次入田，同时完成深松、施肥、整地、镇压、播种等多项作业。一体机作业过程中，地轮作为播种单元动力源，通过链轮、四方轴驱动变速箱，经过变速箱调整转速后驱动排种器，进行送种播种。

2 耕整播一体机作业功率与配套动力

2.1 拖拉机克服滚动阻力消耗的功率

由耕整播一体机结构与工作原理可知，机组的功率由拖拉机克服滚动阻力消耗的功率及一体机作业消耗的功率两部分组成。根据设计手册[20]，拖拉机前进克服滚动阻力消耗的功率计算公式为：

式中，Pf为克服滚动阻力功率，单位为kW；ms为拖拉机使用时的质量，单位为kg；g=9.8 m/s2；f为滚动阻力系数，取f=0.1；vm为拖拉机行进速度，单位为m/s。

2.2 一体机的作业功率

一体机在前进过程中存在的功率消耗主要包括深松铲、旋耕机碎土整平以及播种机排种器开沟排种三部分，旋耕机碎土辊镇压整平以及禾豆间作镇压主要作用于土壤表层，损耗功率与整体相比可以忽略，因此不加入计算。综上，得出一体机总功率消耗计算公式如下[21-23]：

式中，P0为体机理论功率消耗，单位为kW；P1为深松机功率消耗，单位为kW；P2为旋耕机功率消耗，单位为kW；P3为播种机功率消耗，单位为kW。

2.3 一体机配套动力选择

由于耕整播一体机进行深松、旋耕施肥、播种的联合作业，深松铲松土使旋耕阻力明显降低，旋耕刀辊正转产生水平推力又使牵引力比单项深松时有所下降。因此，一体机理论消耗总功率低于各部分单独作业功率消耗之和，约占各部分功率之和的75%～80%。理论上最大功率消耗为：

取拖拉机传动系的传动效率为0.9，动力输出到一体机的传动效率为0.9，由以上计算结果可确定，耕整播一体机所需的发动机功率为：

计算得出，耕整播一体机所需发动机的功率为95.93 kW，根据当前内蒙古沿黄流域农户及合作社拖拉机的持有情况，并充分考虑到田间作业的复杂性，保留一定的功率储备，选择约翰迪尔（John Deere）启航版6E-1404拖拉机为配套动力，该型号拖拉机主要作业参数如表1所示。

表1 约翰迪尔6E-1404型号拖拉机主要作业参数

3 阶梯施肥装置设计

3.1 阶梯施肥基本参数

犁体曲面上的导曲线是控制水平直元线位置的指导线，导曲线采用圆弧形的为圆柱形曲面，采用抛物线形的为熟地形和半螺旋型曲面，导曲线是犁体曲面与铧刃线的垂直平面相交的截面线[20]。阶梯施肥装置附着在深松铲侧面，其侧面形状为曲面设计，可根据深松铲的导曲线确定。导曲线的尺寸和形状由导曲线开度l和高度h、犁铧安装角ε、始端直线长度S和抛物线两端点切线的夹角ω决定。深松铲侧面阶梯施肥槽导曲线如图2所示。

图2 深松铲侧面阶梯施肥槽导曲线图

施肥槽导曲线一般方程为：

式中，h1=h-Ssinε；l1=l-Scosε；n=h1tanΔε+L；m=h1-L1tanε；l1为抛物线开度，单位为mm；L为导曲线平面位置，单位为mm；h1为抛物线高度，单位为mm。

在设计中，当导曲线高度一定时，开度l越小则曲面越陡，碎土能力越强，但犁体阻力较大；开度l越大，曲面越平缓，犁体阻力越小，但碎土能力也较弱。导曲线的高度h与犁体顶边的高度有关，通常使h略小于犁体最大高度，即按Hmax＞h＞H确定其数值。犁铧安装角ε=25°～30°，取最大值时碎土作用加强，但阻力增大，ε的最小值应保证犁铧固定螺栓头部不刮擦沟底。始端直线长度S一般取30 mm～60 mm，所取值随耕深而异，耕深大时可取大值。切线夹角ω由ε和Δε确定，即ω=90°+ε-Δε，其上端点的切线与铅垂线夹角Δε=0°～10°。结合深松铲设计与农艺要求，确定深松铲参数如下：l=150 mm，h=300 mm，ω=120°，ε=26°，S=35 mm，L=260 mm。

3.2 施肥管内肥料颗粒受力分析

肥料经排肥器分配后进入阶梯施肥装置，顶层和中层肥料经分肥管被分配至两侧。肥料颗粒在摩擦力、管壁的支持力、气流的曳力与自身重力作用下，运动至排肥口。肥料颗粒在分管内的受力情况如图3所示。

图3 管内肥料颗粒受力分析图

肥料颗粒的受力方程为：

整理得：

式中，β为分肥管向下倾斜角；μ1为肥料颗粒与管壁的摩擦系数；G为肥料颗粒重量，单位为N，G=mg；m为肥料颗粒质量，单位为kg；F1N为肥料颗粒受到管壁的支持力，单位为N；Fk为气流作用在肥料颗粒上的曳力，单位为N；Fr为肥料颗粒受到的合力，单位为N。

由式（6）可知，肥料颗粒受到的合力Fr随着分肥管向下倾斜角β的增大而减小，β的取值范围为50°～64°。阶梯施肥装置作业过程中，肥料回土速度是影响分层施肥作业效果的关键因素之一，阶梯施肥装置铲尖和翼铲切开土壤后，土壤依靠自身重力下落，完成回土作业。当作业速度增大时，破碎的土壤相对于阶梯施肥装置运动的距离越大，回土时间越长，易造成回土不及时，影响阶梯施肥效果。分析得出，施肥作业速度是影响阶梯施肥作业效果的重要因素，参照相关文献，一体机作业速度范围为2 km/h～4 km/h[24-25]。

3.3 肥箱设计与容量计算

结合禾豆间作农艺要求，一体机肥箱需要保证一次添加种肥至少可完成田间一次来回的施肥播种作业，避免出现行驶过程中肥料不足的问题；肥箱底部应有一定倾斜角，利于肥料顺利落入送肥器中；应保证上端开口面积适当；种肥箱应坚固耐用，具有一定的刚度条件，且质量不宜过重。根据播种行程、施肥量以及作业幅宽等因素来确定肥箱的容积，作业时不能一次将肥料全部播完，应至少保证肥料能够盖住送肥口，一般应保留10%～20%，肥箱体积大小应与作业面积和排肥量相适应，同时不宜装满肥箱，以免因颠簸而流失肥料。可根据公式（7）计算肥箱体积。

式中，V为肥箱体积，单位为L；s为装满肥箱所能工作的最大距离，单位为m；B为施肥工作幅宽，单位为m；Q为单位面积施肥量，单位为kg/hm2；ρ为单位肥料质量，单位为kg/L；k为体积系数，k≈1.25。

分析式（7）可知，肥箱大小主要取决于一次性施肥作业的距离大小，在不影响机具承载能力的情况下，挑选较大的肥箱可以有效提高机具作业效率，减少添加肥料的时间。根据内蒙古沿黄流域农业作业模式标准，通常的谷物条播机每米工作幅宽的肥料箱容积为50 L～90 L。考虑到一体机需采用三点悬挂的方式，同时进行禾豆间作，因此采用双肥箱分左右两边安置的方式。

4 结论

1）结合农艺要求，以实现田间作业为目标，提出耕整播一体机的结构设计方案，初步确定一体机作业技术参数并阐明其结构与工作原理。

2）分析并计算了一体机作业过程中各功能部件的功率消耗，得出一体机工作所需拖拉机功率为95.93 kW，选择约翰迪尔6E-1404拖拉机作为配套动力机具，结合作业参数可知，选择的拖拉机能够满足一体机的工作需要。

3）通过理论分析和设计计算，确定了深松铲侧面阶梯施肥槽导曲线的基本结构参数，结合深松铲设计与农艺要求，确定深松铲参数为l=150 mm，h=300 mm，ω=120°，ε=26°，S=35 mm，L=260 mm；明确了影响阶梯施肥装置肥料颗粒运动的主要因素，肥料颗粒受到的合力Fr随着分肥管向下倾斜角β的增大而减小，确定β的取值范围为50°～64°，分析一体机肥箱设计影响因素并确定作业容积区间为50 L～90 L。