張軍昌，閆小麗，李國華，曹曉東，劉 娜，孫麗雯，仝 敏

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

0 引言

影響玉米產(chǎn)量的因素很多，施用化肥是提高玉米產(chǎn)量的重要保證之一，我國大部分地區(qū)土壤地力較低，大量施用化肥成為提高作物單產(chǎn)的主要途徑[1-3]。我國玉米機(jī)械化施肥技術(shù)有多種，包括分期施肥、種肥混施、種肥側(cè)位分施及種肥正位分施等[4-5]。分期施肥會(huì)增加機(jī)械進(jìn)地次數(shù)，對(duì)土壤多次壓實(shí)，且易對(duì)玉米植株和根系造成傷害[6-8]；種肥混施會(huì)使玉米種子與肥料直接相接觸，容易腐蝕傷害種子；種肥側(cè)位分施時(shí)，種、肥不同溝，可以為種子發(fā)芽提供良好的條件，但存在玉米生長(zhǎng)后期脫肥問題[9,11]。由于需要2個(gè)開溝器完成開溝工作，種肥分施增加了對(duì)地表的破壞，且開溝器之間的間隙較小，易被田間秸稈和雜草堵塞[12-13]。種肥正位分施時(shí)，種子和肥料同溝，在播種時(shí)將玉米生長(zhǎng)周期所需的肥料一次性、分多層施入土壤。對(duì)玉米一次性分層緩釋施肥的研究發(fā)現(xiàn)，分層施肥植株生長(zhǎng)狀況好，比常規(guī)分期施肥增產(chǎn)效果好，經(jīng)濟(jì)效益明顯；但受開溝器結(jié)構(gòu)形式所限，在土壤墑情較大時(shí)，土壤自然回土能力差，易造成種肥混合，出現(xiàn)燒種現(xiàn)象[14]：嚴(yán)重時(shí)種子和肥料全部落入100mm左右深度的基肥區(qū)，無法出苗，且只能施用一種化肥。

綜上所述，玉米機(jī)械化施肥應(yīng)一次性完成玉米生長(zhǎng)前期種肥和后期所需基肥的施放，種肥施用速效肥，基肥施用緩釋肥，并要實(shí)現(xiàn)種子、種肥的分施和種肥、基肥的分層施放，以滿足玉米整個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)養(yǎng)分的需求。同時(shí)，為了減小開溝器對(duì)地表破壞和土壤的擾動(dòng)，提高種區(qū)的保墑能力，開溝器一次開溝要實(shí)現(xiàn)上述要求。

本文設(shè)計(jì)了一種十字槽開溝器，一次開溝可實(shí)現(xiàn)種子、種肥分施及種肥和基肥分層施放，僅對(duì)種區(qū)的土壤擾動(dòng)一次，并進(jìn)行了室內(nèi)土壤試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

十字槽開溝器主要由立刀、兩側(cè)的兩個(gè)橫刀和開溝器后部安裝的種肥管、基肥管和排種管組成，如圖1所示。

圖1 十字槽開溝器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Cross slot opener structure diagram

在播種施肥作業(yè)過程中，開溝器的立刀開出基肥溝，實(shí)現(xiàn)基肥的深層施放。立刀的兩側(cè)各安裝一個(gè)橫刀，在土壤下層基肥溝上部?jī)蓚?cè)分別開出種溝和種肥溝，實(shí)現(xiàn)種子和種肥的分施。其工作原理如圖2所示。十字槽開溝器在作業(yè)時(shí)一次開溝完成種子、種肥的分施，同時(shí)實(shí)現(xiàn)種肥及基肥的分層施放，種肥可施速效肥，基肥可施緩釋肥，以滿足玉米生長(zhǎng)前期和生長(zhǎng)后期對(duì)肥料的需求。由于作業(yè)過程中橫刀是在土壤下層開出種溝和種肥溝，減小了種子萌發(fā)區(qū)域土層的混亂和干濕土混雜，提高了播種施肥作業(yè)后土壤的保墑能力，也避免了種子、種肥與地表殘茬的混雜，解決了草土混雜問題。十字槽開溝器作業(yè)后的斷面圖如圖3所示。由圖3可見，其在種子發(fā)芽區(qū)形成了種、肥、水交互的小環(huán)境，利于種子的發(fā)芽和幼苗的生長(zhǎng)。

圖2 十字槽開溝器工作原理圖Fig.2 Cross slot opener working principle

圖3 種區(qū)土壤小環(huán)境Fig.3 Seed growing soil environment

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 種、肥管

基肥管是一根直管，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)》其直徑選取25mm，其向下只要不伸出立刀護(hù)板即可，故取其長(zhǎng)度為500mm。在排肥口沿著開溝器前進(jìn)的方向反方向斜切45°，使排肥口面積增大，利于排肥的通暢性。種管和種肥管需向兩側(cè)彎曲，在橫刀的下部伸出，以便將種子、種肥施到橫刀開出的溝槽內(nèi)。玉米種子和種肥間距農(nóng)藝要求為30～50mm，由于開溝器在開溝后土壤會(huì)向中間回土，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試，種、肥管向兩側(cè)水平伸出35mm，可保證橫向種肥間距，如圖4所示。種肥管向兩側(cè)彎曲半徑R和向下垂直伸出長(zhǎng)度H的關(guān)系為

R2=(R-35)2+H2

(1)

由式(1)可以看出：R增大，H隨之變大，R越大，則排種排肥的通暢性越好；但R過大使種、肥管向下垂直伸出長(zhǎng)度H過大，會(huì)造成橫刀入土角過大，否則會(huì)使排種和排肥口超出作業(yè)中橫刀形成的無土空腔，造成堵塞。同時(shí)，種、肥管向下垂直伸出長(zhǎng)度H要大于種、肥管的直徑25mm。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，在種肥管向兩側(cè)彎曲半徑R=28mm時(shí)，排種、排肥皆暢通，計(jì)算得H=27mm，滿足要求。

圖4 種、肥管結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖及三維造型Fig.4 Species, fertilizer pipe structure parameter diagram and three-dimensional modeling

2.2 立刀參數(shù)的確定

十字槽開溝器立刀的主要作用是開出基肥溝，疏松底層土壤便于根系下扎。為減小底層土壤擾動(dòng)和工作阻力，立刀的寬度應(yīng)盡量小，為避免肥管對(duì)土壤的擾動(dòng)，應(yīng)大于基肥管的直徑。為防止立刀開溝后回土對(duì)基肥管的堵塞，立刀的兩側(cè)后部加裝護(hù)板并安裝種、肥管及橫刀，因此立刀寬度B1取60mm[16]。開溝器立刀尺寸如圖5所示。立刀高度過高易發(fā)生壅土，根據(jù)玉米種植基肥施肥深度要求為150mm左右[15，17]，確定其高度H1為170mm。

為提高開溝器入土性能，立刀刃口的脊線曲線半徑R2取250～350mm[15]，本設(shè)計(jì)取300mm。

立刀入土角α為開溝器工作面與水平面之間的夾角。α過大時(shí)，土壤易被抬高翻土，不利于蓄水保墑。立刀入土角的取值范圍為15°～25°。為降低土壤擾動(dòng)，入土角α不宜過大[18]，本文取入土角α=20°。

圖5 開溝器立刀尺寸Fig.5 Opener vertical cutter size

入土隙角ε為開溝器底面與地面之間的夾角，利于開溝器破茬入土。立刀入土隙角ε過小，易造成開溝器入土能力差，摩擦阻力增大；ε過大，易造成土壤過早回落，溝底過早回填，基肥不能到達(dá)溝底。入土隙角一般取5°～10°[15]，本設(shè)計(jì)取ε=8°。

斜切角γ對(duì)開溝過程中土壤的流向、側(cè)向拋擲、工作阻力等方面具有重要的影響，一般選取范圍為60°～80°[17，19]，本文選取γ=70°。

2.3 橫刀參數(shù)的確定

十字槽開溝器橫刀的作用是開出種溝和種肥溝，并將種管和種肥管向外伸出的部分在上方遮蓋，防止橫刀上方的土壤下落影響排種和排肥。橫刀結(jié)構(gòu)如圖6所示。為避免開溝器兩側(cè)的回土堵塞排種和排肥管口，橫刀的橫向伸出長(zhǎng)度不宜過小，根據(jù)多次試驗(yàn)確定單側(cè)橫刀橫向伸出長(zhǎng)度l2=75mm。橫刀的寬度為

(2)

式中γ—橫刀入土角(°)。

圖6 橫刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Horizontal knife Structural diagram

橫刀的入土角不易過大，過大會(huì)造成種區(qū)土壤擾動(dòng)大，土層混亂，工作阻力加大；過小則造成橫刀的寬度H1過大，也會(huì)造成橫刀對(duì)土壤擾動(dòng)增大。綜合立刀的入土角，確定橫刀的入土角γ=20°，由上文可知H=27mm，根據(jù)式(2)可知橫刀的寬度H2需大于79mm，本文取H2=100mm。

橫刀后傾使橫刀在開溝時(shí)對(duì)土壤產(chǎn)生滑切作用，且有利于橫刀對(duì)土壤中的根茬進(jìn)行切割，可有效減小作業(yè)阻力。橫刀后傾角越大，減阻效果越好，橫刀后傾θ與橫刀的長(zhǎng)度l為

(3)

從式(3)中可以看出：如果橫刀后傾角θ過大，在橫刀的橫向伸出長(zhǎng)度l2為75mm確定的情況下，橫刀長(zhǎng)度l將會(huì)增大。橫刀長(zhǎng)度過大也會(huì)造成對(duì)土壤的擾動(dòng)加大，取橫刀后傾角θ=20°，則可得橫刀的長(zhǎng)度為80mm。為保證橫刀的強(qiáng)度，橫刀的厚度取為10mm，為減小工作阻力并保證使用壽命，橫刀前部刃角取為30°。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)對(duì)十字槽開溝器進(jìn)行了三維建模并制作了實(shí)物，如圖7所示。

圖7 十字槽開溝器三維造型及實(shí)物圖Fig.7 Cross slot opener three-dimensional modeling and physical map

3 十字槽開溝器試驗(yàn)裝置試制與試驗(yàn)

3.1 十字槽開溝器試驗(yàn)裝置的試制

為了驗(yàn)證十字槽開溝器的作業(yè)效果，制作了單行十字槽開溝器玉米播種施肥試驗(yàn)裝置，并在室內(nèi)土槽進(jìn)行了試驗(yàn)。排種和排肥器均選用外槽輪式；樣機(jī)一側(cè)的地輪只起限深作用，另一側(cè)的地輪既是限深輪，又是排種排肥的驅(qū)動(dòng)輪；十字槽開溝器通過U型夾固定在機(jī)架上，樣機(jī)后部為鎮(zhèn)壓輪，確保種、肥與土壤緊密接觸，整機(jī)以三點(diǎn)懸掛方式與動(dòng)力機(jī)械相連接。十字槽開溝器試驗(yàn)裝置三維造型圖及實(shí)物如圖8所示。

3.2 試驗(yàn)材料與方法

在西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院室內(nèi)土槽試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了十字槽開溝器性能試驗(yàn)，如圖9所示。試驗(yàn)所選用的土壤來自陜西省關(guān)中地區(qū)農(nóng)田土壤，屬黃土母質(zhì)發(fā)育的農(nóng)業(yè)土壤，為保證試驗(yàn)中土壤狀態(tài)與田間相同，先取出土壤表層70～80mm土壤，將土槽內(nèi)剩余的土壤表層撒適量水，覆蓋薄膜保濕24h后用旋耕機(jī)松碎、充分混合土壤；然后，將前期挖出的土壤均勻回填至土槽內(nèi)，灑水覆蓋薄膜保濕24h；最后，試驗(yàn)前24h將薄膜取下，旋耕攪勻土壤，整平后再用輥?zhàn)訉⑼寥缐簩?shí)，使土壤的含水率達(dá)到16%左右，50～200mm土層土壤堅(jiān)實(shí)度達(dá)到1 500kPa。

圖8 試驗(yàn)裝置三維造型Fig.8 Three-dimensional shape of test equipment

圖9 土槽試驗(yàn)Fig.9 Seed row and row fertilizer test in soil trough

測(cè)試用化肥選取大顆粒復(fù)合肥，玉米種子選用先玉336，測(cè)試速度為4km/h，試驗(yàn)區(qū)前5m為加速區(qū)，后5m為減速區(qū)，中間10m為穩(wěn)定測(cè)試區(qū)。試驗(yàn)中，在測(cè)試區(qū)每隔2m挖出2個(gè)種溝斷面(見圖10)，測(cè)量播種深度、施肥深度、種肥與種子間距、種子與基肥間距，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

由圖10可以看出：十字槽開溝器可以實(shí)現(xiàn)一次開溝，種子、種肥分施及種肥與基肥分層施肥技術(shù)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：十字槽開溝器播種深度平均為45mm，變異系數(shù)為7.2%；種肥深度平均為43mm，變異系數(shù)為5.3%；種子與種肥間距平均為52mm，變異系數(shù)為5.2%；基肥深度平均為148mm，變異系數(shù)為4.3%；種子與基肥間距平均為102mm，變異系數(shù)為6.9%。這說明十字槽開溝器的播種、施肥深度及種、肥間距具有較好的一致性，變異系數(shù)小于13%，滿足播種施肥穩(wěn)定性和一致性的要求。

圖10 種溝斷面圖Fig.10 Seed trench section表1 室內(nèi)土槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Opener seed row, row fertilizer test value mm

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種新型十字槽玉米播種施肥開溝器，立刀和橫刀的入土角20°，立刀的入土隙角8°，斜切角70°，橫刀寬度100mm，長(zhǎng)度80mm，后傾角20°，種、肥管向兩側(cè)彎曲半徑R=28mm。

2) 十字槽玉米播種施肥開溝器，一次開溝可以實(shí)現(xiàn)種子、種肥分施及種肥與基肥分層施放，減小了對(duì)種區(qū)土壤的擾動(dòng)。

3) 制作了十字槽試驗(yàn)裝置，在室內(nèi)土槽進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：玉米播種深度、種肥深度、種子與種肥間距及種子與基肥間距平均為44、43、52、102mm，變異系數(shù)小于13%，播種、施肥穩(wěn)定性和一致性較好。