對行開溝分層深施肥鏟的設計與試驗

劉進寶，湯智輝，鄭炫，楊懷君，張魯云，孟祥金，何興村

(新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000)

我國在農業生產中，長期依賴大量使用肥料達到增產的效果.但是由于當前施肥大都采用地表撒施、播種施種肥、中耕追肥等方式，作業環節較多，施肥技術落后，施肥模式不合理，導致肥料施用量大、利用率低，造成了土壤污染，增加了農業生產成本[1-4].

近年來隨著衛星導航拖拉機自動駕駛技術的成熟推廣應用，將肥料精準施在作物生長能吸收到養分的土壤范圍成為現實.對行分層深施肥技術是將肥料一次性、分層施用在作物種行上，確保作物在不同的生長期都可有效吸收土壤中的養分，減少肥料施用量和施用環節，提高肥料利用率，實現作物在整個生長周期只施一次肥料，對農業生產節本增效有明顯的促進作用[5-7].

相關研究人員對分層施肥技術模式及關鍵部件分層施肥器進行了大量研究[8-12].吳景貴等[13]對玉米分層施肥、淺施肥、深施肥進行了對比試驗，結果表明分層施肥效果最佳.馮慧敏等[14]研制了一款小麥對行深施追肥機，對小麥對行深施追肥和傳統撒施肥做了對比試驗，試驗表明對行深施追肥模式下，小麥增產486.5 kg/hm2左右.鄒忠君等[15]對玉米分層施肥和常規分期施肥做了對比試驗，結果表明，分層施肥使玉米增產12.1%.姚萬生等[16]研制了一種分層施肥開溝器，進行了相關試驗研究，結果表明可以將種子與化肥施播在不同深度的土壤層中.目前的分層施肥器存在不同類型土壤中施肥作業適應性較差，高速作業條件下阻力大，肥料分層效果不一致，上下兩層肥料施用量不穩定及不可調等問題.

為此本試驗提出了一種基于北斗導航技術的作物基肥機械化對行分層深施方式，設計了一種對行開溝分層深施肥鏟，上下兩層施肥口采用前后分置式，連接不同的排肥盒，使兩層施肥量均可調，并且可以改變兩層施肥口的前后距離，確保在不同類型的土壤中施肥作業時，有足夠的空間與時間將兩層肥料分別覆蓋，達到肥料分層穩定的效果，提高對不同類型土壤施肥作業的適應性，科學合理施肥.

1 結構設計與工作原理

1.1 開溝分層深施肥鏟結構

開溝分層深施肥鏟是施肥作業的入土部件，可實現入土對行開溝和分層深施肥兩種功能.由開溝鏟部件和分層深施肥器兩部分組成，分層深施肥器通過焊接方式連接在開溝鏟上.其中開溝鏟包括開溝鏟柄、前刃板和鏟尖，分層深施肥器包括淺層排肥管、深層排肥管、淺層排肥口、深層排肥口、導肥底板、擋肥板等，結構如圖1所示.主要技術指標如表1所示.

1：開溝鏟柄；2：前刃板；3：鏟尖；4：擋肥板；5：深層排肥口；6：導肥底板；7：淺層排肥口；8：淺層肥管；9：深層肥管.1:Ditching shovel;2:Front blade board;3:Shovel tip;4:Fertilizer baffle;5:Deep fertilizer outlet;6:Fertilizer guide floor;7:Shallow fertilizer outlet;8:Shallow fertilizer pipe;9:Deep layer fertilizer pipe.圖1 開溝分層深施肥鏟結構圖Figure 1 The structure picture of deep fertilizing shovel for furrow and layering

表1 主要技術指標

1.2 施肥模式

開溝分層深施肥鏟主要用于施作物基肥，在播種前，利用衛星導航拖拉機自動駕駛技術，將施肥作業路徑與下一步播種作業路徑進行精確匹配，達到肥行與種行的精準對行.

目前許多作物都采用寬窄行種植模式，窄行行距為a，寬行行距為b.以西北干旱地區棉花和玉米種植模式為例，其中，棉花種植模式為窄行行距a=100 mm，寬行行距b=660 mm，根據棉花根系性狀以及吸收土壤養分的范圍，采用在窄行處兩行種子對應一行肥料的施肥模式，即將肥料施在窄行a處的中心.玉米種植模式為窄行行距a=400 mm，寬行行距b=600 mm，采用每行種子對應一行肥料的施肥模式.施肥模式如圖2所示.淺層施肥深度一般在100～130 mm，深層施肥深度一般在180～200 mm.

圖2 種植及施肥模式Figure 2 Planting and fertilization model

2 結構分析

2.1 開溝分層深施肥鏟受力分析

依據耕作土壤動力學模型[17]，該結構開溝鏟受力部分包括傾斜鏟尖和圓弧鏟柄兩部分.

2.1.1 鏟尖受力分析 傾斜鏟尖受力部分如圖3-A所示，土壤主要依靠剪切作用失效，根據圖中的受力分析可得出傾斜鏟尖在水平方向的平衡方程：

Fz=N0sinδ+μ1N0cosδ+Fb

(1)

式中：Fz為牽引力，N；N0為鏟尖斜面所受法向載荷，N；Fb為土壤對鏟尖的切削阻力，N；μ1為土壤與鏟尖表面的摩擦系數，δ為鏟尖入土角，(°).

圖3 鏟尖受力分析圖Figure 3 Force analysis diagram of shovel tip

由于一般土壤的純切削是很小的，只有遇到石頭、樹根等堅硬物時，切削阻力才較為明顯，因此一般情況下，土壤對鏟尖的切削阻力Fb可以忽略不計.此時分析傾斜鏟尖上部土塊受力情況，如圖3-B所示，設土塊在水平和豎直方向均處于平衡狀態，便可得出土塊在水平方向與豎直方向的平衡方程：

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

(2)

G-N0(cosδ-μ1sinδ)-N1(cosδ1-μcosδ1)+(FcSa+Fg)sinδ1=0

(3)

式中：G為土塊自身重力，N；N1為作用于土塊前失效面的法向載荷，N；Fg為土壤加速力，N；Fc為土壤內聚力，N；Sa為前剪切失效面面積，m2；μ為土壤內摩擦系數；δ1為前失效面的傾角，(°).

在此過程中土壤阻力Fz1與牽引力Fz為一對平衡力，結合公式(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)

式中：m為被加速的土壤質量，kg；v為被加速土壤的速度，m/s；tg為加速時間，s.

由于槽型鏟尖的松土范圍是以鏟尖為定點，以近45°角向兩側上方延伸的扇形面[17]，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，進一步分析可知牽引阻力根本決定因素是鏟尖長度和入土角.

2.1.2 鏟柄受力分析 根據西涅阿可夫關于切削部件作用于土壤后受力狀態的力學模型理論[18]，在耕深小于20 cm時，土壤主要表現為純切削受力狀態，鏟柄受力如圖4所示.根據鏟柄在前進方向的平衡狀態可得：

圖4 鏟柄受力分析圖Figure 4 An analysis diagram of the force of a shovel handle

(8)

式中：Fp為作用在鏟柄上的阻力，N；Nb1為鏟柄楔刃上的法向力，N；Nb2為鏟柄側刃上的法向力，N；μ2為土壤與鏟柄表面的滑動摩擦系數；δ2為鏟柄楔角，(°).

其中：

Nb1=k1A1

(9)

Nb2=k2A2

(10)

式中：k1為土壤變形比阻；k2為土壤的比壓；A1位鏟柄楔刃的面積，m2；A2為鏟柄側刃面積，m2.

(11)

由于當前棉花種植區犁耕作業耕深一般在30 cm左右，犁耕后的土壤較為稀松，阻力相對較小，為了減小開溝阻力，設計鏟尖入土深度H為25 cm，鏟尖長度為12 cm，因此鏟柄圓弧段入土深度為19 cm，由西涅阿可夫提出的土壤彈性和塑性變形原理得出：

(12)

(13)

結合公式(11)、(12)、(13)可以看出，當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.

根據機械行業標準JB/T 9788-1999深松鏟和深松鏟柄標準，以及土質特點，取入土角δ為23°，鏟柄選用扁鋼60 mm×25 mm規格，鏟柄楔角δ2為60°，鏟柄圓弧半徑r1為295 mm，圓心角φ為48°.

2.2 土壤擾動分析

由于土壤在空間分布狀態的差異性、土壤的翻垡破碎及運動過程的復雜性，導致開溝鏟在開溝作業過程中會對土壤產生一定的擾動作用，開溝后的土壤呈溝渠狀，如圖5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速度有密切關系.

圖5 土壤擾動溝型圖Figure 5 Soil disturbance ditch pattern

為了研究土壤開溝過程的流動性和回落覆蓋過程，選取了伊寧縣青年農場耕整后的土壤作為測試對象，開溝速度設定為6 km/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，其中回土深度為間接測量數據，依據耕深與未回土區域的深度差計算，所得尺寸如表2所示.

表2 土壤溝型尺寸

根據試驗數據可以看出開溝鏟對土壤的擾動影響比較明顯，會產生較為明顯的溝渠，需要進行覆土填埋作業，土壤回流效果也較為明顯，回流覆蓋深度超過淺層肥料的深度.

3 施肥深度穩定性分析

利用離散元仿真與田間試驗相結合的方式分析施肥深度的穩定性.首先利用EDEM軟件進行離散元仿真分析，利用Solidworks建立開溝分層深施肥鏟三維實體模型，并且通過布爾運算簡化模型，將模型導入EDEM軟件，建立離散元仿真模型(圖6).

圖6 EDEM仿真模型Figure 6 EDEM simulation model

采用系統默認的Hertz-mindlin(no-slip)模型定義模型中肥料顆粒間、肥料顆粒與土壤間、土壤與開溝器間、肥料與開溝器間的接觸力學模型，依據相關研究[19-21]，對土壤和肥料進行了基于離散單元法的參數標定.

確定了模型參數，如表3所示.

圖7 土壤與肥料參數標定試驗Figure 7 Calibration test of soil and fertilizer parameters

表3 全局變量參數設置

仿真時為方便觀察肥料流動及分布情況，將土槽設置為透明，仿真運行后，得到如圖8所示的仿真效果圖.隨機測量仿真數據見表4.

圖8 仿真效果Figure 8 Effect of EDEM simulation

為了驗證仿真效果，同時為確定開溝分層深施肥鏟的田間工作性能，將開溝分層深施肥鏟安裝在由新疆農墾科學院聯合科神公司研制的2FQ-5分層施肥機上，在伊寧縣青年農場進行田間試驗，試驗效果如圖9所示，隨機測量試驗數據見表4.

圖9 肥料分層試驗效果Figure 9 Effect of fertilizer stratification test

表4 試驗數據

由仿真分析與試驗結果可以看出，施肥深度比較穩定，深層肥料的深度仿真結果平均值為19.7 cm，試驗平均值為19.5 cm；淺層肥料的深度仿真結果平均值為11.5 cm，試驗平均值為11.8 cm.由此可見，施肥深度比較穩定，可以有效滿足作業要求.

4 田間試驗

4.1 試驗條件

4.1.1 試驗地理位置 伊寧縣青年農場，田間地勢平坦，肥力均勻.

4.1.2 試驗作物 玉米.

4.1.3 化肥使用情況 化肥用量為20 kg/667m2，化肥為特拉華化肥貿易有限公司生產的磷酸二銨.

4.1.4 機具情況 配套動力雷沃歐豹TG1254，導航設備AG leader，施肥機安裝6組相同的分層施肥鏟，每個分層施肥鏟的上下兩個排肥口分別連接兩個排肥盒，整機共設置12個排肥盒，每個排肥盒所在肥箱形成獨立空間，便于監測排肥量.作業速度6.5～7.0 km/h.

4.1.5 試驗時間 施肥作業于2019年4月8日～2019年4月25日進行.

4.2 試驗設計

4.2.1 分層施肥鏟施肥一致性試驗 試驗時每作業667 m2土地將肥箱剩余肥料稱質量，機具作業幅寬為3 m，即機具每作業前進222.3 m時，利用肥箱總肥量減去剩余肥量，計算出6組施肥鏟分別排出的肥料，重復5次試驗測定，并且計算排肥過程的標準差和變異系數，通過計算樣本數據的變異系數來判斷試驗數據的穩定性.

(14)

(15)

(16)

式中：Cv為變異系數；σ為標準差；N為樣本數量；X為樣本絕對平均值.

4.2.2 分層施肥與常規施肥對比試驗 選取肥力相當的兩塊地作為試驗田，一塊作為傳統撒施肥后深翻施肥方式，一塊作為分層深施肥方式，分層施肥上下兩層肥料施用量比例為4∶6，其他農藝措施相同.

表5 試驗設計

4.3 結果與分析

4.3.1 施肥一致性試驗結果 試驗時施肥過程順暢，施肥鏟未出現擁堵現象，實際排肥量見表6.

通過計算，各行排量一致性的標準差σ=0.054 kg，各行排量一致性變異系數Cv=1.62%；每次總排肥量一致性標準差σ=0.206 kg，每次總排肥量一致性變異系數Cv=1.03%.排肥性能良好，能滿足要求.

表6 施肥一致性試驗結果

4.3.2 對比試驗效果 在7月中旬籽粒成型期，測量玉米根系發育情況，分層施肥條件下的玉米植株，主根和毛根均發育良好；常規施肥條件下主根發育良好，毛根發育一般.通過調查玉米植株性狀，得到表7測量數據.可以看出，對行分層深施肥單株質量較傳統撒施肥單株質量多3%，單產增加8.74%.

通過對比試驗可以看出，開溝分層深施肥鏟的作業效果穩定，玉米作物對行分層深施肥技術和傳統撒施肥相比，具有增產效果，產生的經濟效益也較為突出.

表7 玉米生物學性狀調查結果

圖10 玉米根系發育對比效果Figure 10 Comparative effect of corn root development

5 結論

1) 本研究針對當前施肥方式不科學、深施肥開溝阻力大、肥料分層覆蓋效果不理想、不同深度肥料施用量不可調等問題，研制一種對行開溝分層深施肥鏟，其結構簡單，上下兩層施肥口采用前后分置式，連接不同的排肥盒，使兩層施肥量均可調，并且可以改變兩層施肥口的前后距離，確保在不同類型的土壤中施肥作業時，有足夠的空間與時間將兩層肥料分別覆蓋，達到肥料分層穩定的效果，提高了對不同類型土壤施肥作業的適應性.

2) 利用衛星導航拖拉機自動駕駛技術，將施肥作業路徑與下一步播種作業路徑進行精確匹配，達到肥行與種行的精準對行.棉花種植施肥模式為(66+10)cm寬窄行，采用在窄行處兩行種子對應一行肥料的施肥模式.玉米種植模式為(60+40)cm寬窄行，采用每行種子對應一行肥料的施肥模式.從而實現對行分層深施肥的作業模式，達到提高肥料利用率，有效促進作物生長與增產.

3) 通過仿真和試驗分析，分層施肥深度穩定性較好，仿真值與試驗值接近，淺層施肥平均深度為11.8 cm，深層施肥平均深度為19.5 cm.田間對比試驗表明，相對傳統肥料撒施深翻模式，利用精準對行分層施肥技術對玉米的生長具有明顯的促進作用，平均單株質量多3%，單產增加8.74%.