2FP-130型桑园偏置式施肥机设计与试验

陈昶 易文裕 杨昌敏 王攀 熊昌国 程方平

摘要：針对四川桑园施肥机械化水平低、劳动强度大的问题，秉持机艺融合，研制一款桑园偏置式施肥机。该机主要由履带底盘、传动装置、液压调深装置、螺旋刀具和排肥装置等部件组成，作业时肥料通过排肥器排至地面，在螺旋刀具的搅拌作用下与土壤混合并被覆盖。结合桑园施肥农艺要求，确定施肥机螺旋刀具、液压调深装置的结构参数和工作参数。以刀具转速、排肥速率、行进速度为试验因素，以肥料覆盖率为评价指标，进行二次回归正交组合试验。结果表明，对肥料覆盖率的影响显著性大小的因素依次为刀具转速、行走速度、排肥速率。优化后的最佳参数组合为刀具转速320 r/min、排肥速率57 g/m、行进速度0.32 km/h，此时理论肥料覆盖率为88.2%。田间试验结果表明，在优化组合参数条件下，肥料覆盖率为88%，验证试验结果与理论优化值吻合度较好，可有效指导实际生产，研究结果可为同类机型的优化设计和作业参数设定提供参考。

关键词：偏置式施肥机；搅拌施肥；机艺融合；桑园

中图分类号：S224

文献标识码：A

文章编号：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

我国已有5 000多年栽桑养蚕的历史，自“东桑西移”战略实施以来，蚕桑产业不断拓展，基本形成了桑、蚕、种、茧、丝、绸全产业链体系［1］。截至2019年，四川的桑园面积超过150 khm2，占全国的19.9%［2］，但桑园生产环节的机械化水平不高，尤其是桑园每年的施肥环节还大量依靠人力，其主要农艺过程为：在桑园行间靠近吸收根系处挖一条深约120 mm、宽约130 mm的沟，然后将肥料撒入沟中，最后回填。人力施肥耗时费力效率低，随着劳动力日益紧缺以及用工成本上升，人力施肥无法满足规模化桑园施肥的需要。

目前，对施肥机的研究主要集中在地势平坦、行间距大的果园，应用机型较多。HF-35型履带开沟施肥机利用圆盘开沟刀在行的中间开沟施肥，施肥点距离吸收根系较远；2FK-40型果园开沟施肥机由40 kW的拖拉机牵引，利用圆盘旋耕刀一次行走完成开沟、施肥和覆土，开沟深度达200～400 mm；1KFY-20 型偏置式开沟施肥机［3］利用偏置式圆盘旋耕刀开沟施肥，牵引功率超过了16 kW。以上机具虽然在一定程度上解决了果园机械化施肥的难题，但中大型施肥机需要较大的作业空间和牵引动力，由于四川桑园多分布在丘陵地区及盆周山区［4-5］，地块小，机具有效作业率低，使用维护成本高，因此上述机型难以在四川桑园推广使用；而现有的小型施肥机仅在行中间施肥，距离吸收根系较远，且机具操作不便，不符合桑园施肥的农艺要求，无法进一步提高生产效率，因此桑园施肥环节亟需专用的机械。

本文以四川桑园施肥农机农艺融合为出发点，设计了一款适宜在桑园施肥作业的轻简型自走式桑园侧施肥机。通过试验确定了施肥机作业参数的最优组合，以期为桑园施肥机的设计与优化提供参考。

1 偏置式施肥机结构及工作原理

1.1 整机结构

偏置式施肥机主要由履带底盘、离合装置、传动装置、排肥装置、液压调深装置和螺旋刀具组成，如图1所示。为避免作业时损伤桑树枝，施肥机在行间行走并在距离桑树主根0.3 m处采用侧位条施的方式施肥［4］（图2）。作业动力需从发动机分出一部分并传递至底盘外侧，因此传动装置在承担动力传输的同时也为偏置的液压调深装置提供可靠的刚性支撑。螺旋刀具安装在液压调深装置末端，二者共同构成整机的核心部件。该机采用了螺旋搅拌的施肥方式，结构紧凑，操作方便，其主要技术参数如表1所示。

1.2 工作原理

作业时，液压调深装置带动螺旋刀具下潜入土，肥料箱中的肥料颗粒通过排肥器经管道到达地面，随着施肥机前进，落在地面的肥料颗粒被螺旋刀具切削、抬升起来的土壤颗粒混合、覆盖，完成施肥。通过调节排肥器的转速实现变量施肥。

2 偏置式施肥机关键部件设计

2.1 双头螺旋刀具

通过参考现有刀具形式［6-10］并试验，偏置式施肥机的刀具采用2条单线螺旋结构，由轴管、螺旋叶片和刀齿组成，其中螺旋叶片采用非连续叶片，刀齿沿叶片外侧螺旋线间隔90°分布在叶片外缘，如图3所示，其中：D1为刀具外径；D为螺旋外径；d为螺旋内径；S为双头螺旋导程；a、b、c分别为刀齿长、宽、厚；e为叶片宽度。

该结构刀片的优点在于利用外缘刀齿提高碎土效果，同时非连续叶片避免了土壤堵塞，降低了作业阻力。螺旋刀具尺寸依据桑园施肥宽度、施肥深度和转动方向设计如下，刀具叶片为左旋，螺旋刀具尺寸参数见表2。

2.2 液压调深装置

2.2.1 液压调深装置的结构和工作原理

液压调深装置用于实现螺旋刀具下潜入土和抬升动作，主要由双作用油泵、液压缸、锥齿轮箱、双头法兰管和竖直传动轴组成，如图5所示。

锥齿轮箱作为液压调深装置的“关节”，其内部为一对1∶1啮合的锥齿轮，锥齿轮箱端面与内法兰管端面、锥齿轮箱输出端与双头法兰管的端面均通过螺栓连接；竖直传动轴穿过双头法兰管连接了锥齿轮箱和螺旋刀具，竖直传动轴与双头法兰管之间有轴承，刀具与传动轴之间通过销连接；液压缸缸体采用销连接在长托板上的耳座中间，液压缸的伸缩杆与穿过锥齿轮箱端面的销轴连接，液压系统原理图如图6所示。

3 施肥性能试验

3.1 试验方法

试验于2021年4—5月，在四川省南充蚕种场试验示范基地进行。所选桑园地表土壤平整，无障碍物，0～150 mm土壤平均含水率为23.8%，0～150 mm 土壤平均坚实度为733.7 kPa，试验所用肥料颗粒物理参数见表3。

根据前文设计和施肥机田间作业性能试验，当施肥机刀具转速大于250 r/min、行走速度在0.3～0.8 km/h的工况下，施肥机可在桑园顺利行走。为测试优化施肥机的施肥覆土效果，对该机进行参数优化试验和验证试验［12］。参数优化试验以刀具转速、排肥速率、行进速度作为试验因素，以肥料覆盖率［13-14］为评价指标，依据Box-Behnken原理进行试验设计，其中行进速度依靠变速箱调节，排肥速率依靠PWM调速器和行走速度配合调节，刀具转速依靠改变皮带传动比和行进速度配合调节，试验因素和水平见表4。

3.2 结果与分析

根据表5所列试验方案进行试验，将试验结果录入到Design-Expert数据分析软件进行回归拟合，得到肥料覆盖率响应值的回归模型式（9）及回归方程的显著性检验。模型方差分析和模型误差分析如表6、表7所示。

從模型方差分析结果来看：（1）对于响应值模型，刀具转速、排肥速率、行进速度、刀具转速与排肥速率交互的P值＜0.01，表明其对肥料覆盖率的影响很显著。

（2）整体模型的P值＜0.001，表明该二次模型极显著，而失拟项的P值为3.61，失拟项不显著，说明模型能正确反映相应指标与因素之间的关系，并对试验结果进行预测。

（3）由P值的大小可以得出，在试验所选参数变化范围内，3个因素对肥料覆盖率的显著性顺序为：刀具转速>行进速度>排肥速率。

从模型误差统计分析结果来看：复相关系数R2为0.985 9，说明响应值变化的98.59％来源于所选变量，即刀具转速、排肥速率和行进速度。修正复相关系数R2adj为0.967 9，与R2接近。变异系数CV的值为0.18％，小于10％。预测残差平方和PRESS为2.16，表明预测值与观察值之间的误差平方和较小。

运用Design-Expert软件生成响应曲面分析各因素对肥料覆盖率的影响，如图8所示。

由图8可知，响应变化规律与表6回归方程方差分析的结果一致［15］，当刀具转速增大时，肥料覆盖率呈现先增加后降低的趋势，其主要原因为：刀具转速过低，切削起来的土壤颗粒少；转速过高，土壤颗粒在较大离心力作用下飞散，导致肥料裸露数量增大，肥料覆盖率降低。当行进速度增大时，肥料覆盖率呈现下降趋势，其主要原因为：当行进速度增大时，螺旋刀具切削不充分，切削产生的土壤颗粒不足以覆盖肥料，因而肥料覆盖率较低。肥料覆盖率在行进速度和刀具转速之间并非简单的线性关系。当排肥速率增大时，肥料覆盖率呈现减小趋势，但减小幅度较小，影响显著性较小。

通过Design-Expert软件得出最优数值解的各因素参数组合，综合考虑施肥机工作要求和实际加工制造水平，确定实际最佳组合为：刀具转速320 r/min，行进速度0.32 km/h，排肥速率57 g/m。该工作参数组合下施肥机的肥料覆盖率理论值为88.2%。

3.4 试验验证

在南充蚕种场试验示范基地，根据3.1节试验方法和参数优化结果，进行3次重复验证试验，机具操作方便，通过性能良好，作业性能稳定，肥料覆盖率平均值为88.0%，与理论优化结果的吻合度较好。此外，在作业后用几何图形法对作业面积进行测量，得到实际作业效率高于500 m2/h，达到设计要求和相关行业标准要求。

4 结论

1） 设计的桑园侧施肥机创新采用先落肥后搅拌混合的施肥方式，利用双螺旋非连续刀具切碎土壤，覆盖肥料颗粒，达到条施效果。该机结构简单，在桑园中操作方便，一次作业可完成施肥，极大地解放了劳动力。

2） 参数优化试验结果表明：对肥料覆盖率的影响程度大小依次为刀具转速、行进速度、排肥速率，最佳参数组合为刀具转速320 r/min、行进速度0.32 km/h、排肥速率57 g/m。

3） 验证试验表明：施肥机在组合工况为：刀具转速320 r/min、行进速度0.32 km/h、排肥速率57 g/m的条件下，肥料覆盖率不低于88%，无需后续覆土，作业效率高于500 m2/h，满足桑园施肥农艺和设计要求。

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