□周彥君 劉小譚 鄧佳 吳倫/四川省農業(yè)機械研究設計院

0 引言

在作物生產中，施肥是提高作物產量和質量的重要途徑，也是勞動強度較大的一項工藝過程[1]。目前，發(fā)達國家的施肥機械自動化程度較高，其施肥機械廣泛采用較為先進的技術如智能傳感技術、自動避障裝置、變量施肥技術等[2-4]。

我國農業(yè)機械化發(fā)展較晚，施肥機械化程度較低，大部分作物生產過程中仍采用人工施肥的作業(yè)方式，勞動強度大，作業(yè)效率低，已成為制約我國作物生產的重要因素[5]。而目前機械施肥又多采用開溝施肥、拋撒施肥等方式，一方面，均勻性和精準性難以控制；另一方面，對肥料的利用率較低，增加了生產成本，造成了資源浪費。

為有效提高作物生產過程中施肥這一工藝的機械化水平，結合精準施肥要求，筆者設計了一款精準打窩施肥機，并對其進行了相關的田間試驗。

1 精準打窩施肥機整機結構與工作原理

1.1 整機結構

精準打窩施肥機的整機結構如圖1所示，主要由行走裝置、打窩裝置、機架、傳動裝置、施肥裝置、操縱桿以及動力裝置組成。其動力裝置采用173F柴油機，該機額定功率3.5 kW，額定輸出轉速3 600 r/min。

1.2 工作原理

作業(yè)時，由柴油機為精準打窩施肥機提供動力，柴油機通過離合器將動力傳遞到傳動裝置，傳動裝置通過鏈傳動或皮帶傳動將動力分別傳遞給行走裝置、打窩裝置以及施肥裝置。在鏈傳動和皮帶傳動的作用下，打窩裝置能夠同時做上下運動和旋轉運動，實現打窩功能；在缺齒齒輪傳動作用下，行走裝置和打窩裝置實現互鎖功能，即打窩施肥機處于行走狀態(tài)時，打窩裝置處于非作業(yè)狀態(tài)；打窩裝置處于作業(yè)狀態(tài)時，行走裝置處于靜止狀態(tài)，確保打窩質量和施肥的精準性。

2 關鍵零部件的設計

2.1 打窩裝置的設計

圖1 精準打窩施肥機整機結構圖

打窩裝置如圖2所示，綜合考慮打窩的工藝要求，采用曲軸機構來實現打窩裝置在豎直方向的進給運動，打窩裝置的旋轉切土功能采用皮帶輪帶動導向軸旋轉實現。連桿與導向軸之間采用萬向節(jié)連接，便于更換不同類型的打窩頭，打窩頭由6個相同的刀片呈均角焊接在導向軸上，刀片材料選用耐磨性較好的65Mn鋼，綜合考慮打窩施肥的農藝要求，打窩頭的打窩半徑為140 mm，打窩深度為220 mm。

作業(yè)時，在曲軸帶動連桿豎直方向往復運動以及皮帶輪帶動導向軸旋轉的共同作用下，打窩頭一邊向下運動，一邊依靠旋轉運動切土并將切下的土壤拋出坑外，實現打窩功能。

圖2 打窩裝置示意圖

2.2 打窩與行走互鎖裝置的設計

打窩和行走的互鎖裝置見圖3，打窩裝置的主動齒輪為雙聯(lián)齒輪，行走裝置的主動齒輪為兩個不同規(guī)格的獨立齒輪，兩者的主動齒輪安裝在同一根主動軸上。行走裝置和傳動裝置的從動軸相互獨立，且均安裝有與主動齒輪對應的兩個不同規(guī)格的從動齒輪。

圖3 打窩與行走的互鎖裝置

圖4 打窩裝置與行走裝置互鎖齒輪

打窩裝置與行走裝置互鎖齒輪見圖4，打窩裝置的雙聯(lián)主動齒輪為缺齒齒輪，行走裝置左側的主動齒輪也為缺齒齒輪，且與打窩裝置的缺齒齒輪為互補齒輪。當打窩裝置的主從動齒輪處于非嚙合狀態(tài)，行走裝置的全齒主動齒輪與其從動齒輪嚙合時，打窩裝置處于非工作狀態(tài)，打窩施肥機可快速行走；當打窩施肥機的缺齒主動齒輪和行走裝置的缺齒主動齒輪分別與其對應的從動齒輪嚙合時，打窩施肥機處于工作狀態(tài)，由于二者的主動齒輪為互補齒輪，因此，打窩裝置和行走裝置的缺齒主動齒輪能夠實現對打窩裝置和行走裝置的互鎖功能，即當打窩裝置的主動齒輪有齒部分與其從動齒輪嚙合，帶動打窩裝置工作時，行走裝置的缺齒主動齒輪與其從動齒輪處于非嚙合狀態(tài)，行走裝置處于非工作狀態(tài)，反之亦然。

2.3 施肥裝置的設計

參照《農業(yè)機械設計手冊》[6]設計外槽輪式施肥裝置（如圖5所示），該施肥裝置由柴油機通過傳動裝置提供動力。

為保證整機的平衡性和作業(yè)效率，需要設計大小、結構合理的肥料箱，該施肥裝置肥料箱分為上下兩個部分：上部分是長寬高分別為320 mm、250 mm、

350 mm的長方體；下部分由頂面為300 mm×350 mm的矩形、底面為300 mm×130 mm的矩形、高為90 mm的五面體。因此，該肥料箱體積為0.029 m3。顆粒肥料的密度在700～800 kg/m3，如尿素的密度為720 kg/m3，硝酸二胺的密度為789 kg/m3。因此，該肥料箱一次可裝20～24 kg的顆粒肥料。

圖5 施肥裝置示意圖

根據作物生產施肥過程的農藝要求，參照相關行業(yè)標準[7]，外槽輪排肥器的轉速設置為30 r/min，排肥軸工作長度在0～40 mm的范圍內調節(jié)，施肥軸每轉一周最大排肥量為0.029～0.033 kg，可通過抽拉肥量調節(jié)板調節(jié)排肥軸實際工作長度來調節(jié)排肥量。

根據打窩裝置與行走裝置的互鎖功能，施肥裝置的主動齒輪安裝在打窩裝置的從動軸上，當打窩裝置處于工作狀態(tài)時，施肥裝置處于排肥狀態(tài)，且可通過調節(jié)圈狀施肥器的安裝位置使其恰好將肥料施入上一個打窩機打出的窩坑中，實現精準施肥的目的。

3 精準打窩施肥機的田間性能試驗

根據前期設計完成樣機的制作后，為檢驗樣機的作業(yè)性能是否滿足打窩施肥的農藝要求，筆者選擇雙流區(qū)金橋鎮(zhèn)久天家庭農場進行了性能試驗。

3.1 試驗方案

進行田間性能試驗前，需要對試驗地的某些參數進行測量，主要包括土壤含水率、0～300 mm土壤平均堅實度等。試驗過程中需要對打窩的深度、直徑、拋土距離、施肥效果、作業(yè)效率等參數進行測試。因此，試驗準備有秒表、皮尺、深度尺、土壤堅實度儀、環(huán)刀等測量工具，相關參數的測量參照國標GB/T 5668.3-1995完成。

土壤的含水率測量采用環(huán)刀取樣、真空干燥的方法。平均堅實度采用SC900土壤堅實度儀，該土壤堅實度儀測量壓力范圍為0～7 000 kPa，測量深度為0～450 mm，壓力和深度測量精度分別為±103 kPa和12.5 mm；使用時，將堅實度儀垂直地面以低于25.4 mm/s的速度插入土壤中，儀器每隔25 mm自動記錄土壤的堅實度，測試完成后可將數據導出處理。

3.2 精準打窩施肥機的田間性能試驗

2018年4月，筆者在雙流區(qū)金橋鎮(zhèn)久天家庭農場進行了田間試驗，如圖6所示。該試驗地的土壤平均含水率為20%，土壤0～300 mm平均堅實度為1.2 kPa，在該試驗地進行打窩施肥作業(yè)過程中，機器運行平穩(wěn)，能夠實現一次作業(yè)完成打窩、施肥兩個環(huán)節(jié)，平均打窩深度220 mm，平均打窩直徑140 mm，機具平均生產率不低于1 000窩/h。

圖6 打窩施肥機田間性能試驗

4 結論

本文設計了一種精準打窩施肥機，該機作業(yè)性能滿足作物生產過程中打窩、施肥的農藝要求，一次作業(yè)可完成打窩和施肥兩項農藝環(huán)節(jié)。后期可對該機進一步優(yōu)化，如優(yōu)化打窩裝置的結構，增加覆土裝置，使其一次作業(yè)能夠完成打窩、施肥、覆土三項農藝環(huán)節(jié)。