李建軍 侯寶華 何義川

(塔里木大學機械電氣化工程學院,新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

新疆棉花總產量已連續(xù)20多年位居全國第一位，占全國棉花種植面積的80%。南疆地區(qū)棉花平均畝產在500kg左右。種植過程中施肥管理是增產的重要方式之一，施肥已成為農業(yè)生產中不可或缺的一部分。中國現(xiàn)已成為世界上農業(yè)大國之一，目前農民追求增產的盲目性和過度性的行為，以及不科學不合理的施肥方法導致化肥使用效率低下，肥料浪費和土壤污染等[1-2]。

目前南疆地區(qū)棉花的機械化施肥主要有苗期追肥、播種施種肥和秋季撒施基肥3種方式[3]。南疆地區(qū)棉花種植普遍使用地膜覆蓋，因此苗期追肥不利于中耕作業(yè)；在播種過程中進行施肥作業(yè)，容易燒苗，且只能適于棉花生長初期；秋季通過犁撒施基肥，肥料堆積現(xiàn)象嚴重，不均勻，不科學、不合理的施肥方式急需解決[4]。

我國學者對機械化合理施肥開展了大量的研究[5-7]。劉進寶等人為了滿足施肥與增效的要求，提出一種多層施肥機構，并對機構的重要部分進行受力分析[8]，設計了一種棉花基肥對行分層深施機，為南疆地區(qū)棉花種植過程中科學合理地施肥提供依據(jù)。

1 基肥深施機結構設計

1.1 總體結構

基肥深施機主要由開溝鏟、分層施肥器和覆土機構組成。分層施肥器設置在施肥箱的上方；施肥箱的外槽輪排肥盒與開溝分層施肥器相連接；開溝施肥器的開溝鏟與機架相連接，其正后方設置覆土裝置。其中實際作業(yè)行距可以調節(jié)，開溝施肥器和覆土裝置的作業(yè)幅寬方向設置6組。

1.2 工作原理

棉花在南疆地區(qū)以秋施春播的分層交錯模式種植，保證肥料的效能和使用量，秋季分別對10～13cm和18～20cm土壤層施肥，通過冬季保墑，肥料完全融化在窄行土壤中；春季采用3s技術在肥行上播下種子，實現(xiàn)對行作業(yè)，其誤差在2cm左右。

2 重要機構設計及受力分析

2.1 開溝分層施肥器的研究

2.1.1 開溝分層施肥器機構設計

開溝鏟部件和分層施肥器是該機構的重要組成部件，實現(xiàn)對土壤的開溝和分層施肥作業(yè)。其中開溝鏟的鏟尖為槽型深松鏟，鏟柄為輕型柄；分層器由送肥管、調節(jié)擋板和排肥口組成。肥料顆粒通過排肥管分別從淺層和深層排肥口滑出，同時調節(jié)橫向調節(jié)板與豎向調節(jié)板的長度，控制淺層排肥口處通道的尺寸大小。排肥管下口設置為扁狀，減小碰撞作用。

2.1.2 開溝鏟受力分析

依據(jù)耕作土壤動力學模型[9-10]，分別對開溝鏟的傾斜鏟尖和圓弧鏟柄受力進行分析。

(1)鏟尖受力分析

圖1 鏟尖受力分析圖

傾斜鏟尖受力部分如圖1a所示，根據(jù)圖中的受力分析得出傾斜鏟尖在水平方向的平衡方程：

F2=N0sinδ+μ1N0cosδ+Fb

(1)

式中，F(xiàn)z是牽引力；N0是鏟尖斜面所受法向載荷；Fb是土壤對鏟尖的切削阻力；μ1是土壤與鏟尖表面的摩擦系數(shù)；δ是鏟尖入土角。

鏟尖相對于土壤的切削阻力忽略不計，則土塊在鏟尖上水平和垂直方向的受力情況如圖1b所示，

N0(sinδ+μ1cosδ)-N1(sinδ1+μcosδ1)-(FcSa+Fg)cosδ1=0

(2)

G-N0(cosδ-μ1sinδ)-N1(cosδ1-μ1cosδ1)+(FcSa+Fg))sinδ1=0

(3)

式中G是土壤重力；N1是失效面法向載荷；Fg是土壤加速力；Fc是土壤內聚力；Sa是前剪切失效面面積；μ是土壤內摩擦系數(shù)；δ1是前失效面的傾角。

開溝過程中土壤阻力與牽引力為一對平衡力，由公式(1)、(2)、(3)解得：

(4)

為簡化上式，令：

(5)

則公式4可表示為：

(6)

其中土壤加速力

(7)

m是被加速的土壤質量；v是被加速土壤的速度；tg是加速時間。

因此，當前進速度一定時，牽引阻力大小主要由鏟尖處對應的土壤體積決定，可知牽引阻力由根本鏟尖長度和入土角決定。

(2)鏟柄受力分析

依據(jù)西涅阿可夫關于切削部件作用于土壤后受力狀態(tài)的力學模型理論[11]，土壤耕深小于20cm時，為純切削受力狀態(tài)，如圖2所示。根據(jù)鏟柄在前進方向的平衡狀態(tài)可得：

圖2 鏟柄受力分析圖

(8)

式中Fb1是鏟柄上的阻力；Nb1是楔刃法向力；Nb2是側刃法向力；μ2是滑動摩擦系數(shù)；δ2是鏟柄楔角。

其中：Nb1=k1A1

(9)

Nb2=k2A2

(10)

式中k1是土壤變形比阻；k2是土壤的比壓；A1是鏟柄楔刃面積；A2是鏟柄側刃面積。

(11)

為了減小開溝阻力，鏟柄圓弧段入土深度為19cm；鏟尖長度為12cm，入土深度為25cm。

(12)

(13)

由公式(11)、(12)、(13)可得，土壤特性和入土深度一定時，鏟柄阻力大小主要由入土角、鏟柄楔角、鏟柄厚度和寬度以及鏟柄圓弧半徑和對應的圓心角等因素決定。

2.1.3 土壤擾動分析

開溝作業(yè)過程，土壤受到開溝鏟的擾動作用呈溝渠狀，如圖3所示。當開溝鏟結構尺寸確定后，土壤擾動產生的溝型尺寸與作業(yè)速度有密切關系。

圖3 土壤擾動溝型圖

在阿拉爾市棉花種植區(qū)研究土壤開溝過程的流動性和回落覆蓋過程，開溝速度設定為6km/h，隨機測量5次，求得測試平均值，初步測得開溝后土壤表層的尺寸分布，間接測量回土深度，依據(jù)耕深與未回土區(qū)域的深度差計算的尺寸如表1所示。試驗數(shù)據(jù)表明，開溝鏟對土壤的擾動和回流現(xiàn)象影響比較明顯，需要進行覆土填埋作業(yè)。

表1 土壤溝型尺寸

2.1.4 肥料顆粒運動分析

肥料顆粒通過送肥管到達施肥器中，并在其中受到顆粒間的碰撞力和分層施肥器對肥料顆粒的作用力，如圖4所示。

圖4 肥料顆粒受力情況

根據(jù)肥料顆粒在底板受力情況可得：

(14)

式中m是施肥質量；v1是肥顆粒下滑速度；α1是底板傾角；μk是肥顆粒與底板摩擦系數(shù)，F(xiàn)k是底板對肥顆粒的支撐力。

由動能定理可知，肥顆粒所合外力為：

Fctc=mv′-mv1

(15)

式中v′是碰撞后的速度；Fc是肥顆粒所受合外力；tc是碰撞時間。

由動能定理可知，分析肥顆粒在排肥管和施肥器中的支撐力。

(16)

(17)

式中v2是淺層管排肥速度；v3是深層管排肥速度；Fk1是管壁對顆粒的支撐力；α2是淺層排肥口滑道傾角。

2.2 覆土裝置設計

覆土裝置安裝在開溝分層施肥器后方設置，由刮土板、連接臂、安裝座和仿形彈簧組成。左右覆土板呈八字狀，左右覆土板間距與夾角可進行調節(jié)。根據(jù)圖7所示的開溝鏟土壤擾動情況，覆土作業(yè)應滿足以下條件：

S1>B1

(18)

S2

(19)

式中S1是刮土板前開度；S2是刮土板后開度；S4是刮土板長度；(s1是刮土板與水平的夾角；

利用笛卡爾坐標系分析刮土板對土壤的推力F與作業(yè)速度的關系。

(21)

(22)

(23)

式中vx是土壤橫向速度；vy是土壤前進方向速度；vz是土壤豎直方向速度；mt是土壤質量；Fn是刮土板對土壤的推力；Fn1是地表對土壤的支撐力；t為時間；αs是刮土板對地傾角；αs1是刮土板與前進方向夾角；μ是土壤內摩擦系數(shù)；μ3是土壤與刮土板間摩擦系數(shù)。

3 田間試驗分析

2020年11月在阿拉爾市12團棉花種植基地進行試驗，選用安裝有北斗導航拖拉機自動駕駛系統(tǒng)的雷沃754輪式拖拉機在秋季犁耕并初步平整的棉花地進行試驗。設定施肥量為20kg/畝，作業(yè)速度為6km/h，深層施肥比例為60%，隨機選取10個測量點。試驗結果見表2。

表2 田間試驗數(shù)據(jù)

試驗結果表明：1)每畝棉花用肥量均是21.4kg，變異系數(shù)是4%，每畝用肥量穩(wěn)定；2)深層開溝施肥深度均是19.8cm，說明深度施肥較穩(wěn)定；3)刮土板相對地面的傾角75°；刮土板與前進方向的夾角23°，肥料覆蓋率達100%。4)淺層開溝施肥深度均是12.5cm，但測試點中有一組深度為19cm，說明分層穩(wěn)定差。

4 結語

(1)為了滿足南疆地區(qū)棉花基肥深施的特點，設計一種對行分層深施機，分別對基肥深施機的重要機構、開溝鏟受力情況、覆土裝置結構行了分析。

(2)田間試驗，南疆地區(qū)棉花用肥量21.4kg/畝左右，變異系數(shù)為4.0%，畝用肥量穩(wěn)定；開溝深層施肥深度是19.8cm左右，而淺層肥料深度是12.4cm左右，但穩(wěn)定性偏低，與土壤環(huán)境和機具作業(yè)速度相關，為研究基肥深施機奠定基礎。