射流式变量深施液体施肥机的设计与研究

2024-01-03乔清旭齐瑞锋

农业开发与装备 2023年11期

乔清旭，刘峰，齐瑞锋

（吉林省农业机械研究院，吉林长春 130000）

1 研究背景和研究意义

1.1 研究背景

我国作为人口大国，以9%的耕作面积满足了20%人口的粮食需求。随着退耕还林、耕地转城镇的加速，2000年至今，每5年下降约0.29%的耕作面积，但粮食产量仍保持上升趋势，其中肥料的使用，对粮食产量的提升起到了决定性的作用。近年来我国农业肥料的投入逐年递增，然而肥效利用率较低，长期粗放式施肥作业导致肥料资源浪费、土壤酸化、影响农产品质量。合理的肥料使用，对农业生产至关重要。

传统农用肥料以颗粒肥为主，该肥料利用率低、吸收慢、土壤酸化严重等，弊端较多，不利于长期使用。随着对保护环境的重视，污染较小、吸收率更高的液肥得到了国家的支持。目前，液肥施肥作业主要以人力为主，机械化程度低、作业效率低、劳动强度大。因此，研制出更加智能、高效、操作简单的液体施肥机械对农业发展有重要的意义。

1.2 研究意义

科学的施肥方式可以降低劳动强度、提高农作效率、同时有助于减小环境污染等优点，一些发达国家液体肥料的使用达30%。液体肥料相较于颗粒肥料的优点：一是颗粒肥料在生产、运输、使用过程中粉尘严重，对施工人员及土壤环境造成一定影响；液肥作为浓缩药液，使用时根据农艺要求按照比例溶于水，操作方便，无粉尘困扰。二是颗粒肥料无法精准控制施肥量。当下颗粒肥料仍为粗放式施肥作业，造成肥料浪费、土壤污染严重。液肥按需配比，作业时搭配施肥管路、流量计控制施肥量，达到可控可调的目的。三是液肥的肥效优于颗粒肥，土壤对液肥的吸收率高于颗粒肥三倍以上。四是液肥使用时溶于水，配比更容易掌握，相较于颗粒肥料作业时出现的堆肥情况，液肥可减少烧苗、烧根的情况。

2 国内外研究现状

欧美等发达国家对液肥的研究较早，发展至今液肥的使用占比较大，配套机械化装备已经全面覆盖农用施肥领域；我国在该领域发展滞后。

国外于1930年开始研究液肥及配套设备，美国首先开始推广使用。早期肥料以液氨为主，施肥机械主要由料灌、施肥管、施肥喷嘴构成，结构简单、功能单一。随着研究的深入，H.Mark Hanna通过测试得出施肥深度可提高肥效利用率；随后Nyord根据施肥深度对肥效的影响，在液体施肥机后侧加装开沟装置，可完成底肥深施，并对肥料喷管加压，实现向前、向下、向后喷射液肥；约翰迪尔公司研制的自走式施肥机，已达到全机械化施肥作业，作业宽幅达30.5 m，料箱容积为4 500 L，可自动调节喷洒高度、喷洒间距。

我国施肥机械起步较晚，研究基础薄弱，研究方向单一，作业对象为玉米、大豆、棉花等作物。1960年华北、东北、西北等地区出现施肥联合作业机械。1980年，大型施肥机械发展迟缓，小型施肥机械发展迅速，多半为小型施肥机械与播种机联合作业。近年来，随着农业机械化的普及，我国施肥机械得到快速发展，但仍不完善，无法做到全自动化，作业时依靠半人力、半机械完成，劳动强度大，农作效率低，因此研发更加便利施肥机械对我国农业领域发展有重要的意义。

3 整机结构及工作原理

3.1 整机结构

液体施肥机主要由肥箱、牵引装置、支撑地轮、控制阀组、流量计、输肥管、隔膜泵、机架、分草轮挂接臂、施肥单组连接臂、施肥喷头、开沟器组成。整机结构示意图如图1所示。

图1 液体施肥机整机结构示意图

3.2 主要技术参数

机具尺寸长3 900 mm、宽3 400 mm、高2 500 mm（详见表1）。

表1 主要技术参数

3.3 工作原理

射流式变量深施液体施肥机依靠配套拖拉机牵引式作业，主要是在播种前对土壤进行肥料补充。市面上液体施肥机以喷洒式、穴播式为主。喷洒式施肥作业，土壤吸收率较差、肥料挥发程度较高，造成肥料浪费的问题；穴播式施肥量小、施肥效率低，机械结构复杂故障率高。为减少肥料喷洒过程中的挥发流失、提高土壤吸收效率、提高作业效率，此机具采用射流式持续供肥，搭配开沟机构实现底肥深施作业。施肥作业主要分为三个步骤：药箱供液、供给管路分流作业、施肥单体开沟作业。肥箱中液肥由隔膜泵将液肥输送至供给管路；供给管路由输肥管、控制阀组、流量计、施肥喷头组成。作业时液肥经输送管、控制阀组、流量计，从施肥单体的喷头喷出，通过流量计监测肥料流量，控制阀组调节施肥量。施肥单体主要由连接架、分草轮、开沟器组成，作业时施肥单体随机组前行，开沟器依靠机组自重提供竖直压力，通过拖拉机水平牵引动力完成开沟作业，搭配施肥管路，将药液从喷头喷射到洒到沟槽内，完成底肥深施作业。

4 关键部件设计

4.1 供给管路设计

供给系统主要由肥箱、隔膜泵、控制器、电动控制阀组、分流器、施肥喷口组成，图2为供给管路图。作业时肥箱中肥料经隔膜泵工作下，流向分肥管路，经过控制器、控制阀组，流向两侧施肥管，由电控阀组控制液肥流向。其中控制阀组A侧三条管路为大流量管路、B侧三条管路为小流量管路（大小管路药液施量不同），每条管路由分流器分为2条支路，共12条支路，每个施肥喷口与两条不同支路连接。此种管路连接方式，保证施肥口有三种流量调节方式，包括：大管路施肥；小管路施肥；大小管路结合施肥。

图2 供给管路图

4.2 施肥单体设计

图3为施肥单体，该结构主要由连接架、开沟器、施肥喷管、仿型减震弹簧、分草轮挂接臂组成。开沟器作为主要触土部件，作业时田间地况复杂、作业条件严格，故该部件在设计时需满足：第一，在复杂的地块环境下，保证机组达到一定作业速度；第二，考虑到配合播种作业进行施肥作业，故开沟器需对土壤扰动较小；第三，结合当下免耕为主作业模式，该开沟器需满足在秸秆、根插、杂草等覆盖地块的情况下仍可以满足高效作业。

图3 施肥单体二维模型图

综上所述，本机施肥单体的开沟部件选择为圆盘开沟器。圆盘开沟器具有作业效率高、作业速度快、不易堆土、对土壤扰动较小、外圆刃口可对地块上的秸秆进行切削，以减少茬地上秸秆对机具的影响。开沟器直径520 mm，开沟深度为0～175 mm，配合侧边施肥管（液肥经肥料管路喷出时，具备初始喷射速度）将液肥喷射到沟槽内。当施肥单体在秸秆覆盖量较大的地段作业时，施肥单体前端可加装分草轮，将开沟器前侧秸秆残渣分于两侧，保证施肥单体高效作业。