石金杉，齊浩凱，孫富才，趙建國，趙曉順，馬志凱，李建昌，郝建軍，馬躍進

（河北農業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001）

近年來，深松整地作業(yè)得到了普遍推廣。實施深松整地作業(yè)，利于小麥、玉米等農作物根系下扎和生長發(fā)育，實現(xiàn)穩(wěn)產高產［1-2］，而深松的同時進行分層施肥，可滿足不同時期根系對養(yǎng)分的需求。

深松分層施肥作業(yè)，可一次性將肥料施在距離地表10 ～25 cm 的土層，肥料間隔在5 ～8 cm［3-4］： 可滿足農作物在全部生長過程中都有足夠的肥料，減少后期追肥、節(jié)約勞動力，降低作業(yè)成本。與傳統(tǒng)撒播施肥效果相比，深層施肥可以提高肥料利用率，減少肥料用量，促進作物根系發(fā)育，增強作物抗旱、抗倒伏能力，利于增產增收［5～6］。

為了有效進行肥料機械化分層深施，滿足農作物生長需求，頓國強［7］等設計了肥料調配裝置，可按一定比例進行肥料分層深施，采用仿真和驗證試驗，優(yōu)化了肥料均布器參數(shù)，為關鍵部件設計提供了參考。姚萬生［8］等研發(fā)了組合式下位分層施肥播種開溝器，可將種子播于地表下5 cm 處，同時將3∶7的種肥基肥分層施入種子下6、12 cm 的位置，可滿足作物苗期、中后期生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求。趙金［9］等在玉米深松全層施肥精量播種機上設計了可調全層施肥裝置，通過調整施肥片的位置達到控制不同深度肥料多少的目的。王云霞［10］等設計了1 種施肥量可調式分層施肥器，可將肥料施入距離地表 5、10、15 cm 的土壤中，通過改變施肥器安裝角度和施肥片的長度來改變各層施肥比例的大小。楊然兵［11］等設計具有V 型防堵功能的馬鈴薯種植機分層施肥開溝器，試驗結果表明，開溝器可以實現(xiàn)上、下層施肥，施肥層間距為9.2 cm，開溝器作業(yè)性能穩(wěn)定，可滿足作物種植農藝要求。

以上研究的深松施肥裝置及技術可一次性將肥料施入土壤中，但是因為地區(qū)土質不同導致的回土速度不同以及拖拉機行進過程中啟、停等不確定性因素導致肥料大部分集中于土壤底層，且施肥口極易堵塞影響施肥效果。文獻［12］表明，小麥根系70%多分布在距離地表8 ～25 cm 的耕作層內，種肥和基肥比例為3∶7 時，能夠滿足小麥不同生長期對養(yǎng)分的需求。為了進一步細化施肥比例，提高分層施肥效果，避免養(yǎng)分過于集中，達到肥料在土壤上層和底層分布少，中下層分布多的比例狀態(tài)，以獲取更高的肥料利用效率。本研究中將肥料分為4層施入土壤，并設計1 種具有防堵功能的分層施肥鏟，通過離散元仿真方法研究施肥裝置安裝角度、導肥片長度、疏肥機構運動頻率對施肥配比的的影響規(guī)律，并通過室內及田間試驗進行驗證，確定最佳工藝參數(shù)。

1 施肥鏟結構設計及工作原理

1.1 整體結構

深松防堵分層施肥鏟結構如圖1 所示，主要由鏟尖、鏟柄、分層施肥裝置組成。施肥鏟進行深松開溝作業(yè)時，通過分層施肥口將肥料分層施入土壤，同時位于施肥裝置內部的肥料刮板往復運動可防止施肥口的堵塞。

圖1 深松防堵分層施肥鏟結構示意圖Fig.1 Structure diagram of subsoiling and anti-blocking layered fertilizing shovel

分層施肥裝置如圖2 所示，主要由疏肥機構、肥料管、施肥片組成。肥料通過肥料管導入施肥裝置，施肥裝置后面安裝有3 個施肥片、并形成了4 個施肥出口。3 個施肥片將從施肥口流出的肥料分層導入土壤，4 個施肥出口到地面距離分別為10、15、20、25 cm。

圖2 防堵分層施肥裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of anti-blocking and layered fertilizing device

疏肥機構如圖3 所示，主要由肥料刮板、電機組件兩部分組成。肥料刮板有5 組刮肥片，刮肥片固接排列于刮板兩側，肥料刮板可沿施肥裝置內的固定滑槽進行上下往復運動。電機組件由減速器、電機、凸輪軸和連桿組成，電機安裝固定在施肥裝置上端提供動力（如圖2），經減速器、凸輪機構、連桿機構將動力傳遞到肥料刮板，從而實現(xiàn)刮板的上下往復運動。根據(jù)肥料刮板往復距離，確定偏心輪回轉半徑為20 mm。

圖3 疏肥機構組件Fig.3 Components of fertilizer distributor

1.2 工作原理

調整好深松分層施肥鏟入土深度，并將肥料軟管插入肥料管內。在排肥器槽輪驅動下，肥料經肥料管進入施肥裝置，肥料沿管壁下滑、碰撞后，經施肥片分流由4 個施肥口流出進入土壤完成分層施肥作業(yè)。同時，電機帶動偏心凸輪軸旋轉，偏心凸輪軸帶動連桿轉動實現(xiàn)肥料刮板的往復運動。位于肥盒內的5 組刮肥片可以去除施肥裝置內壁黏結的肥料，同時與施肥裝置內的肥料進行碰撞，起到破碎結塊肥料、實現(xiàn)通暢、均勻施肥的目的。

2 施肥過程仿真分析

運用離散元EDEM 仿真軟件對施肥過程進行仿真試驗，對影響施肥裝置施肥比例的關鍵因素：安裝角度γ（施肥裝置外壁與豎直方向上的夾角）、施肥片工作長度L、疏肥機構往返頻率f 進行仿真分析，得到其變化規(guī)律。為了便于觀察，在進行仿真試驗時，只考慮分層施肥裝置實際工作部分進行模擬仿真，仿真模型如圖4 所示。

圖4 防堵分層施肥裝置模型Fig.4 Model of anti-blocking and layered fertilizing device

2.1 仿真模型建立

氮、磷、鉀肥球形率在90%以上，仿真使用球形模型［13］。離散元仿真軟件中肥料顆粒模型參數(shù)設置如表1 所示。顆粒生成平面定義為Virtual，肥料顆粒動態(tài)生成速度為500 粒/s，總數(shù)為2 000 粒。

表1 仿真模型參數(shù)設置［14-16］Table.1 Parameters setting of simulation model

2.2 仿真試驗方案

分層施肥裝置結構參數(shù)及防堵疏肥機構性能是施肥效果的主要影響因素，其中安裝角度γ、施肥片工作長度L 及疏肥機構運動頻率f 為主要結構性能參數(shù)。首先選取施肥裝置在不同安裝角度（γ 分別為25°、30°、35°、40°、45°、50°）時，對施肥過程進行仿真分析，確定施肥裝置的最佳安裝角度；在最佳安裝角度確定下，選取施肥片長度（L 分別為2、5、8、11、14、17、20、23、26、29 mm）時，仿真模擬施肥口施肥量比例的變化規(guī)律；在最佳安裝角度和最佳施肥片長度確定下，對運動頻率f分別為0.5、1.0、1.5 Hz 的疏肥機構進行模擬仿真，分析施肥口施肥量比例的變化規(guī)律，確定疏肥機構的最佳運動頻率。

2.3 仿真結果與分析

2.3.1 不同安裝傾角仿真結果分析 不同安裝角度下的肥料分布狀態(tài)如圖5 所示。在重力作用下，肥料下落速度逐漸加快，到上層施肥片時，速度達到最快，部分肥料落入上層施肥口中；由于肥料顆粒會與自身和施肥片都會產生摩擦和碰撞，從而使肥料顆粒的運動軌跡發(fā)生改變，導致一部分肥料顆粒從上層施肥口排除，一部分肥料顆粒落入中層施肥口和下層施肥口，另外一部分肥料顆粒落入底層施肥口。當安裝角度為25°時，落入底層施肥口的肥量最多，隨著安裝角度的增大，上層施肥口的施肥量增加，底層施肥口的施肥量減少，中層施肥口和下層施肥口施肥量基本不變。

圖5 不同安裝傾角施肥狀態(tài)Fig.5 The fertilizing status of different installation angles

不同安裝角度施肥量比例的變化如圖6 所示。

圖6 安裝傾角對施肥比例的影響Fig.6 Effect of installation angles on fertilizing proportion

由圖可知，當安裝角度增大時，上、中、下3層施肥口施肥量比例增加，上層施肥量比例增加約30%，中、下層施肥量比例增加約15%；而底層施肥量比例降低約60%。因此，增大安裝角度對底層施肥量比例影響顯著，且更接近于各層施肥量比例需求。當安裝角度為30°時，上層施肥口施肥量約占總施肥量的23.5%，符合小麥對上層肥量比例生長需求，但底層施肥量比例偏大，未能達到上層、底層肥量少，而中、下層肥量比例多的分布要求，因此可通過調整施肥片長度來滿足各層施肥量比例要求。

2.3.2 施肥片工作長度仿真結果分析 圖7 為施肥裝置安裝傾角為30°，中、下層施肥片長度分別為14、29 mm 時施肥口施肥量比例狀態(tài)圖。安裝角度為30°時，上層施肥量比例保持穩(wěn)定，而中層施肥片調節(jié)為14 mm、下層施肥片調節(jié)為29 mm 時，中、下層施肥量比例增加，而底層施肥量比例減少。分析認為，增長后的導肥片進一步阻礙了肥料顆粒的運動，起到了分流、限流的作用。

圖7 不同長度施肥片施肥狀態(tài)Fig.7 The fertilizing status of different length of fertilizing tablets

不同長度施肥片施肥量比例的變化如圖8所示。由圖可知，中層施肥口施肥量比例隨施肥片長度的增加呈線性增加，當施肥片長度為17 mm 時，施肥量比例可達到30%左右。下層施肥片在14 ～20 mm 范圍內時，施肥量比例為10% 左右；當下層施肥片在23 ～29 mm 范圍內時，施肥量比例約為20%～30%。當中、下施肥片長度分別為14 mm 和29 mm 時，施肥裝置上層施肥口施肥量∶中層施肥口施肥量∶下層施肥口施肥量∶底層施肥口施肥量為23.4∶23.3∶23.2∶30.1，基本滿足小麥生長需肥量上層、底層少，中下層多的肥量比例分布要求。

圖8 施肥片工作長度對施肥比例的影響Fig.8 Effect of fertilizing tablet length on the fertilizing proportion

2.3.3 疏肥機構仿真結果分析 圖9 為施肥裝置安裝角度為30°，中、下層施肥片長度分別為14、29 mm 時，疏肥機構不同運動頻率下，施肥口施肥量比例狀態(tài)圖。由圖可知，肥料顆粒與施肥片、刮肥板發(fā)生碰撞后，多次改變運動軌跡，最終落入施肥口中。

圖9 不同頻率下肥料比例狀態(tài)Fig.9 Fertilizing proportion status at different frequencies

疏肥機構不同往返頻率下，各層施肥口肥量比例分布如表2 所示。無疏肥機構時，上、中、下、底層施肥量之比為23.4∶23.3∶23.2∶30.1，當疏肥機構往返頻率為0.5、1.0、1.5 Hz 時，上層、中層施肥量比例變化不大；而下層施肥量變化比較明顯，與無疏肥機構相比，最大增加了8%。分析認為，在施肥裝置內，肥料先與上層施肥片碰撞從而改變運動軌跡后，一部分肥料被反彈后會與刮肥板發(fā)生碰撞而彈入中下層施肥口中，由于沖擊力度并不是很大，多數(shù)肥料顆粒落入下層施肥口。疏肥機構往返頻率為1 Hz 時，上、中、下、底層施肥量之比為23.3∶23.8∶31.2∶21.7 時，滿足小麥生長需肥量上層、底層少，中下層多的肥量比例分布需求。

綜上所述，確定分層施肥裝置安裝角度γ 為30°、中層施肥片長度L1為14 mm、下層施肥片長度為L2為29 mm、疏肥機構往返頻率f 為1.0 Hz。

表2 不同頻率下施肥比例分布Table 2 Distribution of fertilizer proportion at different frequencies %

3 深松分層施肥鏟室內與田間試驗

3.1 試驗材料與方法

為進一步驗證深松分層施肥鏟的工作性能，以施肥比例、變異系數(shù)和深松效果為評價指標，分析深松分層施肥鏟實際作業(yè)結果。試驗肥料為氮磷鉀顆粒狀復合肥料，球形率在90%以上。

室內試驗如圖10 所示，將深松分層施肥鏟安裝在土槽試驗臺架上，4 個施肥口分別用塑料袋包裹扎緊。試驗時，每次取1 kg 復合肥，然后將復合肥導入施肥裝置，肥料下落結束后，測量通過4 個施肥口流出的肥料重量，計算各層肥料比例。試驗重復5 次，最后求平均值。

圖10 分層施肥鏟室內試驗Fig.10 Laboratory test of layered fertilizing shovel

田間試驗如圖11 所示，將深松分層施肥鏟安裝在作業(yè)機具上。作業(yè)參數(shù)調節(jié)：深松深度30 cm，拖拉機作業(yè)速度分別為2.6、4.1、5.1 km/h。取中間穩(wěn)定作業(yè)區(qū)域，垂直于深松分層施肥鏟工作軌跡方向挖開土壤斷面，測量深松深度及土壤中肥料顆粒分布狀況。

圖11 分層施肥鏟田間試驗Fig.11 Field test of layered fertilizing shovel

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 分層施肥相關參數(shù)結果與分析 室內土槽試驗結果如表3 所示。由表可知，上層和底層施肥量變異系數(shù)相對較大，分別為7.46%和9.00%，而中層和下層施肥口變異系數(shù)相對較小，分別為3.90%和4.30%。分析認為，肥料顆粒先與上層施肥片發(fā)生碰撞，顆粒運動軌跡改變比較明顯，對上層和底層施肥量比例影響較大。上層施肥量最小為總施肥量的20.3%，最大為總施肥量的25.3%；而底層施肥量最小為總施肥量的19.6%，最大達到了總施肥量的25.7%。但其總體分布規(guī)律呈現(xiàn)為中、下層多、上、底層少的狀態(tài)。表3 中上、中、下、底層施肥量平均值之比為23.2∶25.8∶28.9∶22.1，與仿真值結果相對誤差分別為0.1%、2%、2.3%、0.4%，相對誤差在5%以內。

肥料在田間分布狀態(tài)如圖11（b）所示，試驗測量結果如表4 所示。

表4 每層施肥量比例Table 4 The proportion of fertilizer amount per layer %

中層和下層施肥口在不同工作速度下變異系數(shù)相對較小，分別為1.92%和6.18%，上層和底層施肥口變異系數(shù)相對較大，分別為8.86%和8.87%。因此，在不同工作速度下分層施肥裝置不同施肥口施肥量比例發(fā)生了一定的變化，當拖拉機作業(yè)速度為5.1 km/h 時，變化最大。分析認為，在田間作業(yè)時，地面起伏顛簸、機具振動、土壤耕作阻力變化等會導致施肥裝置有時處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從而對各施肥口施肥量比例造成一定影響。

4 結論

（1）為滿足小麥不同生長時期的肥量需要，減少肥料堵塞，設計了具有自動疏肥機構的分層施肥鏟。

（2）利用離散元軟件EDEM 建立了分層施肥裝置仿真模型。通過仿真試驗，確定施肥器安裝角度為30°、中層施肥片長度為14 mm、下層施肥片長度為29 mm、疏肥機構往返頻率為1 Hz。

（3）室內試驗中，施肥口上、中、下、底層施肥量之比為23.2∶25.8∶28.9∶22.1，與仿真結果相對誤差均在5% 以內。室內和田間試驗結果表明，深松分層施肥裝置各層施肥量比例變異系數(shù)均在10% 以內，表明分層施肥裝置工作性能比較穩(wěn)定。