水稻机插秧同步智能侧深施肥装置研究现状与展望

张雅蓉，谢方平，2，符志勇，郑鹏，刘大为，2，王修善，2

（1.410128 湖南省 长沙市 湖南农业大学 机电工程学院；2.410128 湖南省 长沙市 智能农机装备湖南省重点实验室）

0 引言

水稻是我国主要粮食作物。水稻种植过程中施用适量化肥能有效提高水稻产量[1]。我国施用方式是人工在地表撒施化肥，再利用旋耕机将表层土壤与肥料混合，进行全层施用，或采用铧式犁对地表的翻伐作用将肥料施入犁底层。这种先撒肥后旋耕或耕翻的施用方法造成了肥料无序投送、施用量大和利用率低等问题[2]。水稻侧深施肥技术较抛撒施肥方式能有效提高肥料利用率，在缩短缓苗期、促进水稻根部生长、增加水稻产量的同时，减少了施肥次数和肥料用量，降低了人工投入和养分损失，从而促进农业绿色高质量发展。而侧深施肥技术的实行需要农业机械配合，施肥机将肥料施入距离秧苗3～5 cm、深度4～6 cm 的位置，并覆盖泥浆以避免肥料漂移。近年来，我国关于侧深施肥装置的研究不断深入，针对实际生产中的问题进行结构优化，取得显著成果。为我国水稻机插秧同步侧深施肥机的发展奠定了基础[3-4]。

水稻侧深施肥技术的发展促进了农机农艺结合，对水稻种植模式和农机设施提出了更高的要求。本文对国内外施肥装置的研究现状，特别是施肥整机、排肥部件结构、排肥方式等方面进行总结，对未来发展方向进行展望，为水稻侧施肥装置的研发提供参考。

1 国内外典型机具

1.1 欧美肥料撒施机

在欧美国家，主要采用旱直播种植方式，施肥工作依靠大型撒施机完成，分为离心式和气力式撒肥机，离心式用于施撒固态肥料，气力式用于施撒液态肥料[5-6]。法国库恩公司生产的AXIS 50.1W 型撒肥机，幅宽达50 m，驾驶员在驾驶室可控制肥料在撒肥盘上的落点位置，作业效率达500 kg/min，作业速度可达20 km/h；美国约翰迪尔公司生产的4630 自走式喷肥机配备变量静液压传动系统及喷杆和悬挂系统，结构可靠，施肥效率高[7]。

精准变量施肥思想在欧美国家的旱田农业生产中已深入人心。作业机械进行变量施肥通过2 种方式，一种是变量施肥处方图的施肥决策数据；另一种是实时传感器计算获得施肥数据，根据数据在一定农田区域内施用指定量肥料。变量施肥设备已实现商品化，AG-Chem 公司对固体及液体2 种类型肥料进行变量施肥控制，由提前加载的变量施肥决策处方图对多种肥料进行变量施肥控制；美国生产的ACCU-PLANT 播种机施肥控制系统，改变电动机转速调整施肥量，从而达到变量施肥的目的[8]。欧美国家对旱田作物的精准施肥技术相比水田施肥更为成熟。

1.2 日韩同步侧深施肥机

亚洲的水稻生产主要集中在中国、日本、韩国等国，在水稻生产机械研究方面，日本一直处于领先地位。日本的侧深施肥设备需安装在插秧机上进行作业，以久保田、井关、洋马为代表的农机企业进行了深入研究，侧深施肥设备与各自生产的插秧机配套使用，形成了成熟的系列化产品[9]，参见表1。在水稻精准变量施肥研究中，日本侧重于水稻秧苗过程的变量施肥，该技术尚未普及，小范围试验可同时进行多种化学肥料的变量施肥。

表1 国外水稻侧深施肥典型机具及应用Tab.1 Typical tools and applications of foreign rice side deep fertilization

1.3 国内侧深施肥机械

我国于20 世纪60 年代展开了侧深施肥技术及相关设备的研究[10]，研制了多种水田深施肥机具，但难满足实际生产需求。近年来水稻侧深施肥技术成为农业农村部的主推技术，水稻施肥机械研究进度加快。相关科研机构及企业研发了水稻施肥使用的设备，市场上已出现多款水稻深施肥机产品。南通富来威2ZG-6DMF 型、浙江亿森2FH-1-8A 侧深施肥机与乘坐式高速插秧机联用，侧深施肥装置均采用槽轮排肥器，压缩空气喷射系统实现与插秧同步定距侧深施肥。湖南龙舟研发的2FH 系列水稻插秧同步精量施肥机，采用螺杆强制推肥机构对肥料进行输送，实现了水田定位深施肥，保证了施肥量可调；浙江锦禾的侧深施肥机采用纵型筛盘滚筒和气吹形式进行肥料输送，旋钮调节排肥量，76 L 的肥料箱满足大区域作业。

2 结构原理与关键部件

2.1 典型结构与工作原理

2.1.1 典型结构

施肥装置包括肥料箱、排肥部件、输送部件。水稻侧深施肥机按装配方式分为一体式和分体式，一体式与水稻插秧机装配销售，动力直接提供至排肥装置，售后服务方便，施肥量易调节，但难以适应多种行距的种植模式；分体式适用于6 行或8行的种植模式，通过卡簧等连接插秧机，安装繁琐。

2.1.2 工作原理

侧深施肥装置按输送形式可分为气吹式、机械式、电控螺旋式3 种。

（1）气吹式

施肥装置多采用气吹式输送肥料。水田环境中利用气力输送肥料会因排肥管路长且曲折，水和泥浆倒灌导致雍堵，难以精量排肥。左兴健等[11]设计了风送式施肥装置，如图1 所示，气体经过鼓风机压缩后送至风送输肥管，气流与肥料颗粒混合，由排肥管、排肥口在气流和重力的作用下进入下肥口，最终落至已插秧苗侧位的矩形沟槽中。

图1 气力输送系统Fig.1 Pneumatic conveying system

（2）机械式

作业时，控制器驱动电机，电机带动螺旋输送器转动，继而启动电动排肥器，槽轮转动将肥料从肥箱排出至排肥部件中，控制器调节电动排肥器转速从而调整排肥量[12]。陈长海[13]研发的可装配水田螺旋式侧深施肥装置如图2 所示，配合插秧机一次性完成开沟、侧深施肥、覆泥、插秧等作业。

图2 螺旋式搅龙式侧深施肥装置结构图Fig.2 Structural diagram of spiral auger side deep fertilization device

（3）电控螺杆式

电控螺杆式由电子智能控制装置设定排肥量，直流电机驱动螺杆旋转强制排肥。王金峰等[14]利用电动机驱动螺旋式排肥器，如图3 所示，肥料颗粒随着排肥器转动避免脉冲现象，气力输送保持排肥均匀性。电控螺旋杆强制输送肥料入泥，防止肥料与水面直接接触，使用传感器、闭环控制系统控制各行螺旋转速。肥料深施入泥，使水稻侧深施肥机械达到减施增产效果。

图3 电控螺杆式排肥电子智能控制装置Fig.3 Electronic intelligent control device for electronically controlled screw fertilizer drainage

2.2 关键部件

排肥器是水稻施肥装置的关键组成部件，排肥器结构设计是否合理对施肥的精度控制、机具的工作质量、化肥的利用率以及水稻产量、装置排肥效果产生直接影响，常用水稻排肥装置可分为槽轮式、螺旋式2 种方式。

2.2.1 槽轮式排肥器

我国多采用外槽轮排肥器。排肥器需保证排肥性能好、通用性好、可调节排肥量；可适应各类品种、不同密度的化肥及作业环境；降低排肥作业前进速度和地形等因素的影响[15]。常见外槽轮式排肥器由排肥盒、外槽轮、排肥舌、阻塞套和花挡圈构成，结构简单，施肥均匀性好，用于排流动性强的松散化肥及复合颗粒肥。但其自身结构的原因会导致排肥过程不连续，产生脉动，影响排肥。

顿国强等[16]利用双齿轮的齿脊和齿槽保持一定间隙以确保排肥均匀性，并降低脉动影响，结构如图4 所示。方龙羽等[17]对外槽轮排肥器进行了改进，缩小槽与槽之间的脊宽，提高了排肥均匀性。

图4 双齿轮式排肥器结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of double gear type fertilizer discharger

2.2.2 螺旋式排肥器

螺旋推进式排肥装置将肥料通过螺旋杆强制输送至泥中，防止肥料与水接触导致肥效损失。作业时，动力传至排肥器轴，带动螺旋运动，进而将化肥输送至排肥口，肥料从输肥管排出。排肥量通过调节排肥口的大小确定，也可通过调节轴的转速控制。螺旋推进式侧深施肥装置排肥稳定、均匀性好[18]。

为了降低肥料颗粒形态对排肥装置性能的影响，陈雄飞等[19]设计了2 级螺旋排肥装置，如图5 所示。利用左右稳流输送螺旋提供足够肥料传至料口，防止搅拌箱中肥料起拱架空，2 级排肥螺旋确保肥料精量排出，但排肥量脉动变化以及肥料卡滞问题仍需进一步研究。

图5 2 级螺旋装置排肥装置结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the structure of fertilizer discharge device of two-stage screw device

2.2.3 其他形式排肥器

当前水稻施肥排肥器主要是以螺旋式和外槽轮式为主，同时新的排肥器结构相继出现 ：（1）叶片式排肥器排肥量稳定均匀，满足精量排肥要求，但零件尺寸参数及零件配合条件高[20]；（2）圆盘式排肥器通过更换不同孔径圆盘和调节齿轮转速控制施肥量，依靠肥料自身重力落肥，其结构复杂、安装精密度高、配件易磨损，参见图6。（3）滑槽回转式排肥器工作时，肥料颗粒落至排肥圆盘，电动机驱动排肥器圆盘旋转，同时圆盘装置与上壳体弧形槽接触进行滑槽运动，伴随滑槽的引导，肥料颗粒推离圆盘，避免肥料颗粒因潮解、堵塞而难以排出[21]。

图6 圆盘顶出式排肥器Fig.6 Disc ejector drain

3 典型问题与研究方法

3.1 典型问题

排肥装置使用环境潮湿，肥料颗粒易潮解、粘结，作业过程易出现的问题：施肥箱输送管易堵塞断肥，肥料施肥深度不够，肥料易堵塞，风力太小，影响排肥装置稳定性及均匀性；装卸过程复杂及安装侧深施肥装置后插秧机动力不足、易陷田、转弯及过田埂困难、排肥效率下降等。

3.2 研究方法

排肥装置不同结构与参数设置都会影响排肥的均匀性、稳定性，需对排肥装置的结构进行研究与优化。排肥装置中肥料颗粒的运动状况及受力情况需设计、搭建试验台进行试验验证，但不适用于周期短的项目；借助计算机技术对肥料颗粒运动情况进行数值模拟，可缩短设计周期、降低费用。

3.2.1 离散元仿真

采用离散单元法建模技术，对整个排肥过程进行研究，得出不同肥料颗粒在不同排肥装置下的工作效率；针对装置作业参数（速度、螺距、槽轮直径等）对排肥稳定性及均匀性的影响进行研究；针对装置在不同参数条件下通过单因素仿真试验及均匀试验，得到各参数与各项排肥指标的关系。

施印炎等[22]建立了外槽轮式变量施肥机的仿真模型，利用离散单元法和EDEM 软件对施肥机排肥过程进行性能分析和数值模拟，研究排肥器结构和控制方式对排肥稳定性的影响。王鹏宇等[23]基于EDEM 对垂直螺旋式排肥器模型及肥料的离散元为研究目标，对排肥过程进行模拟分析，以优化排肥器整体结构，达到设计要求。

离散元仿真可直接获得试验中肥料颗粒运动轨迹、受力等参数，有助于排肥装置的优化设计，但需提高仿真模型建立的精度，让仿真更接近于实际情况。

3.2.2 气固两相流

EDEM 离散元仿真与 Fluent 流体动力学仿真软件已应用于农机设计，EDEM-Fluent 气固两相流耦合仿真可模拟排肥装置中肥料的运动状态，有助于研究肥料在排肥装置中的运动规律、改进并提高排肥装置的各项性能。。

李立伟等[24]通过流体动力学和离散元耦合方法对气送式水稻施肥机的气体肥料混合腔进行数值模拟，分析气体和肥料的运动规律，研究各因素对肥料排出速率的影响。杨庆璐等[25]在气固耦合模型中，通过研究分配器旋盖锥角和波纹管直径对气流压力、风速及肥料颗粒运动特性的影响，确定分肥装置最佳结构参数，并基于该结构进一步研究入口风速和施肥速率对分肥装置分肥均匀性的影响。

4 发展趋势

我国水稻施肥方面的研究投入逐渐加大，国内学者从施肥技术、施肥方法、排肥器性能优化与辅助分析、导航与精准施肥等方面均进行了深入研究，并取得了一定成果。这些成果虽然解决了一些特定作业条件下的问题，但在具体作业过程中仍存在排肥稳定性和均匀性较差、排肥管易堵塞等问题。

（1）通用性方面。不同厂家的农业机具可匹配其他厂家的施肥装置，也可根据需要任意改变、拆装施肥装置，满足水田、旱地施肥作业需求。

（2）智能化方面。施肥装置中施肥量、螺旋轴转速、排肥稳定性，实现在线监测与显示，自动调整施肥工作参数，使作业效率维持在良好范围。

（3）高性能方面。水稻侧深施肥技术的发展需深入研究施肥装置的有关结构参数、运动参数、肥料与施肥装置耦合过程，在理论指导下提高水稻侧深施肥机性能及效率。