3ZFD-440型玉米大壟雙行動力中耕追肥機設計與試驗*

吳家安，李向軍，常傳義，高明宇，劉恩宏

(哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院，哈爾濱市，150028)

0 引言

玉米大壟雙行栽培技術是一種新型玉米栽培方式，相對于傳統(tǒng)壟作或者平作，通過調整作物行距，增加邊際空間等方式提高氣候資源利用率，從而提高玉米產(chǎn)量[1-2]。但這種新的栽培方式在中耕施肥等方面缺少對應的機械化配套機具，只能通過傳統(tǒng)的人力畜力以及單行中耕機進行中耕作業(yè)，極大阻礙了該栽培方式的推廣與發(fā)展。

國內(nèi)外研發(fā)人員針對不同的作物、栽培方式研制了多種中耕機具。國外研發(fā)的典型的玉米中耕機具有HS系列中耕機和IH4600型中耕機，上述兩種中耕機雖然在全球內(nèi)應用范圍非常廣且具有良好的穩(wěn)定性，但是功能上比較單一，只有碎土、除草的功能，沒有施肥、培土功能。近年來國內(nèi)中耕機的發(fā)展速度也較為迅速[3-9]，3ZQ系列中耕起壟追肥機能夠獨立完成深松、施肥、起壟、鎮(zhèn)壓作業(yè)；車剛等研制的3ZFC-7型全方位復式中耕機能完成松土、除草、施肥等功能但無法完成深松、側深施肥作業(yè)；李楠楠等研制的3ZT-3型中耕追肥機能夠一次完成壟溝除草和側深施肥；徐宗保研制了振動式深松中耕作業(yè)機能提高土壤蓄水保墑的能力等。但以上作業(yè)機具均存在碎土率不高、培土效果不能滿足玉米大壟雙行栽培的農(nóng)藝要求的問題。

針對玉米大壟雙行耕作栽培方式的改變，現(xiàn)有中耕機具作業(yè)存在碎土率低、培土效果差等問題。本研究根據(jù)玉米大壟雙行中耕作業(yè)的農(nóng)藝要求和機具的設計要求，首先對機具整體結構進行設計，并闡述基本結構和工作原理。其次通過仿真建模和理論計算推導出導流式培土器元線角的變化規(guī)律，并完成了施肥系統(tǒng)、碎土除草部件、導流式培土器的設計，最后進行田間試驗效果驗證。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

3ZFD-440型玉米大壟雙行動力中耕追肥機主要匹配動力為118.4～154.4 kW的拖拉機，掛接方式為三點懸掛。由機架、施肥系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、壟溝碎土滅草系統(tǒng)、壟底深松系統(tǒng)、壟臺培土系統(tǒng)等組成，機具總體結構如圖1所示。

圖1 3ZFD-440玉米大壟雙行動力中耕追肥機結構圖

1.2 技術參數(shù)

3ZFD-440型玉米大壟雙行動力中耕追肥機的性能參數(shù)如表1所示。

表1 技術參數(shù)Tab. 1 Structure parameter

1.3 工作原理

3ZFD-440型玉米大壟雙行動力中耕追肥機的工作原理如圖2所示。機具在玉米苗高15～25 cm[10]，進行第一次中耕作業(yè)時使用，一次作業(yè)可完成壟溝碎土除草、壟底深松、多苗帶側深施肥、壟臺培土等多項工作。其拖拉機動力輸出軸為碎土除草部件提供動力，施肥系統(tǒng)動力則由行走地輪提供。

根據(jù)大壟雙行栽培技術農(nóng)藝要求，每條壟上有2個苗帶，考慮到每條壟上單位面積內(nèi)的植株增加，肥量需求增多，機具分別在苗帶的兩側及中間各分配一個施肥帶，其中位于苗帶兩側壟塝上采用靴式開溝器施肥，兩苗帶中間為防止雜草的干擾采用圓盤開溝器施肥。為提高碎土率，壟溝采用鑿形直刀進行旋轉碎土，碎土刀片連續(xù)不斷地切削土壤，并將切下的土塊與雜草一起向后拋擲與集土護罩猛烈撞擊，土壤破碎后與破碎雜草一起落到地面，既保證了碎土率，又能有效地去除雜草。按照大壟雙行栽培的技術要求，壟臺臺頂寬度為普通寬度的一倍左右，為了保證壟形飽滿，采用導流式培土器，土壤通過培土器曲面拋灑向壟臺位置，對壟臺進行覆蓋，起到壟臺的培土與除草目的。

圖2 機具原理圖

2 關鍵工作部件設計

2.1 施肥系統(tǒng)設計

3ZFD-440型玉米大壟雙行動力中耕追肥機施肥系統(tǒng)如圖3所示，包含地輪、鏈傳動系統(tǒng)、肥箱、靴式開溝器、圓盤開溝器等。

圖3 施肥系統(tǒng)結構圖

大壟雙行栽培技術采用壟距為110 cm，每條壟上有2行植株，傳統(tǒng)栽培技術壟距為65 cm，每條壟上植株1行。經(jīng)計算可知同面積下，大壟雙行栽培技術下植株數(shù)量比傳統(tǒng)栽培技術的數(shù)量增加18%。隨著單位面積的植株增加，肥量需求也相應增加，因此相對于傳統(tǒng)栽培的側深施肥，機具在每條壟上布置3條施肥帶，如圖4所示，在雙苗帶外側各10 cm采用靴式開溝器進行施肥、雙苗帶中間位置(距離苗20 cm)處采用圓盤開溝器進行施肥，施肥深度為5～8 cm。雙行苗帶中間位置的施肥距離是兩側施肥距離的兩倍，類似于分層施肥，有利于提高肥料利用率[11]。施肥系統(tǒng)左右對稱布置，分4個肥箱，每個肥箱上有3個出肥口，分別對應1個壟臺，共有12個施肥帶。動力來源于地輪，地輪依靠與地面摩擦力驅動自身滾動，然后將動力通過二級鏈輪傳遞到排肥軸上，排肥軸將排肥調節(jié)器與各個外槽輪型排肥盒串聯(lián)，施肥盒攪動肥箱中的肥料通過肥管落入開溝施肥器中完成施肥作業(yè)。

圖4 壟上施肥原理圖

2.2 排肥調節(jié)系統(tǒng)設計

排肥的調節(jié)系統(tǒng)主要部件如圖5所示。

(a) 排肥調節(jié)器 (b) 排肥盒

排肥調節(jié)器由調節(jié)手輪、鎖緊螺母、限位塊、排肥調節(jié)器固定座組成。排肥盒由排肥盒體、限位塊、外槽輪組成。為了保證每個施肥帶的排肥一致性。初始安裝，需要將所有排肥盒的排肥量調至最小。具體位置如圖6所示。將排肥盒中外槽輪調至最外端排肥量最小、將排肥調節(jié)器鎖止螺母、限位環(huán)、排肥調節(jié)器固定座等調節(jié)至靠近調節(jié)手輪端，且用開口銷將排肥調節(jié)器與排肥盒的限位塊、外槽輪限位。調節(jié)肥量大小時，將鎖止螺母打開，退出限位環(huán)，然后旋轉調節(jié)手輪，調節(jié)手輪的圓周運動轉化為排肥軸的橫向位移，再通過排肥軸的位移推動外槽輪與排肥盒的嚙合面積，以此來調節(jié)排肥量的大小。調節(jié)至所需肥量后，現(xiàn)將限位環(huán)的牙狀凸起與排肥調節(jié)器固定座相互鑲嵌，再用鎖止螺母固定。

地輪每轉動n圈每個排肥盒的排肥量計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：q——地輪轉動n圈每個排肥盒的施肥量，g；

Q——農(nóng)藝要求每公頃施肥，g；

D——地輪直徑，m；

m——排肥口數(shù)，m取12個；

n——地輪轉動圈數(shù)；

a——幅寬，a取4.4 m。

圖6 施肥系統(tǒng)結構圖

2.3 碎土除草部件設計

碎土除草部件主要由變速箱、壟底深松鏟、左右刀軸總成、集土護罩構成。整體結構如圖7所示，在變速箱前端安裝壟底深松鏟，既可以在中耕過程中進行深松，起到抗旱防澇的作用，又能消除漏耕，壟底深松鏟采用鑿型深松鏟。

圖7 碎土除草部件總圖

2.3.1 碎土除草刀設計

碎土除草輥由刀軸和在刀軸上按螺旋線排列的多把碎土刀構成。其工作原理是碎土刀片連續(xù)不斷地切削土壤，并將切下的土塊與雜草一起向后拋擲與集土護罩猛烈撞擊，土壤破碎后與破碎雜草一起落到地面，既保證了碎土率，又能有效地去除雜草。

碎土程度是該機具的關鍵指標之一，刀片的參數(shù)直接影響碎土率[12-13]。與傳統(tǒng)的彎刀和L型刀相比，鑿形直刀能夠減小切削阻力，減小纏草，可使切削應力更加集中，入土性能更好[14]，因此根據(jù)玉米大壟雙行栽培的農(nóng)藝要求，該機具選用鑿形直刀。其回轉半徑為235 mm，用65Mn鋼制造，切削刃口部分須經(jīng)淬火處理，碎土刀結構參考馬鈴薯驅動碎土刀設計，刀片厚度為10 mm。當碎土刀與土壤接觸時，土壤產(chǎn)生裂紋，刀刃方向與水平面成40°時，土壤更容易破碎[15]。因此在兼顧設計需求的情況下該組刀盤的碎土刀入土夾角選擇35°，刃口寬度為2 mm，側刃長度10 mm。刀型參數(shù)如圖8所示。

圖8 刀型圖

2.3.2 碎土除草刀軸設計

碎土除草刀軸采用分組、臥式正轉。在工作過程中，刀軸受動力驅使切削、撞擊土壤，反作用力對刀軸造成彎曲、扭轉等復雜應力變形。因此在不影響強度和使用要求的前提下減少刀軸的橫截面積，設計成空心軸，這樣可以節(jié)省大量的材料[16]，根據(jù)計算，采用外徑D=70 mm，內(nèi)徑d=60 mm，材料為Q235熱軋無縫鋼管，刀座間距46 mm，刀座與刀軸焊接；刀座與碎土刀用螺栓緊固。

碎土刀的排列在工作中既要減少漏耕和堵塞，又要保證刀軸均衡受力。一般要滿足以下要求：(1)碎土刀要以一定順序入土，均勻受力于刀軸。(2)兩個相近刀片的分離角度應較大，以預防堵塞。(3)刀片的排列應該盡量便于加工和使用，一般多用螺旋線排列。

圖9為一組作業(yè)單元的碎土刀的排列順序圖。該方式為雙頭螺旋線一一對應排列。

圖9 碎土刀排列

2.4 導流培土器設計

為滿足大壟雙行栽培的農(nóng)藝要求，壟臺臺頂寬度與壟距均有較大增幅，如圖10所示a0由傳統(tǒng)的200 mm 變成700 mm，總壟距由傳統(tǒng)600～700 mm變成1 100 mm。傳統(tǒng)的三角翼平板培土器沒有導流功能，無法將壟溝內(nèi)的土壤拋至壟臺上，壟形容易成M型，壟形不夠規(guī)整。因此為滿足大壟雙行栽培中耕的培土高度與壟臺寬度需求，本文重新設計了一種導流式培土器，采用Solidworks軟件設計了導流式培土器的翼面。培土器翼面左右對稱，翼面導曲線采用圓弧結構，土壤在翼面的推力下沿翼面上升至最高點，受離心力作用往壟臺方向拋擲，兩邊培土器翼面拋擲的土壤在壟臺中間部分疊加，填平M型壟臺的中間空缺部分，使壟形更加規(guī)范。

圖10 培土壟臺斷面圖

培土器主要參數(shù)如表2所示。

表2 培土器農(nóng)藝參數(shù)Tab. 2 Agronomic parameters of soil cultivator

當機車前進速度為v，時間t內(nèi)壟臺所需土量為Q0，壟溝挖出土量為Q1，溝底至壟頂總高h，壟臺成型增量為h0，開溝深度為h1。

從圖10可知

Q0=vt(a0+h0cotφ)h0

(2)

Q1=vt[a1+(h-h0)cotφ](h-h0)

(3)

L=a0+a1+2hcotφ

(4)

h1=h-h0

(5)

由于土壤經(jīng)碎土部件打碎，再由培土器翻轉，導致土壤疏松、膨脹體積增大，所以需土量與挖土量應滿足式(6)。

Q0=λQ1

(6)

由式(4)可推算

(7)

由以上各式可知

(8)

將表2中各數(shù)值代入以上各式中可知：h=220 mm、h0≈72 mm、h1≈148 mm。

由于培土器工作時土壤產(chǎn)生蓬松，所以上升高度大于壟臺高度，培土壁上邊線高度h2取壟臺高h的1.2倍。

h2=1.2×h=264 mm

(9)

根據(jù)表2及以上各式所得尺寸做出培土器的主視圖、俯視圖以及導曲線圖如圖11所示。

圖11 培土翼設計原理圖

根據(jù)原理圖11，以原點O作為鏵尖的位置，前視基準面作為主視圖方向。以上視基準面為基準，經(jīng)過O點作與右視基準面偏γ0的一條直線作為鏵刃線OM；在距離O點L/3處建立一個輔助基準點K，作輔助基準面1，以輔助基準面1為基準作導曲線，首先過基準點K(輔助基準面1的原點)作一條與y軸偏離γ0輔助線aM，再做輔助線nn與aM垂直，再經(jīng)原點K作輔助線k′k′與nn夾角ε，過K點作垂直于k′k′的直線aOR，OR為導曲線圓心，導曲線半徑由式(10)求出。

=248 mm

(10)

弧長aC由圓心角∠aORC確定，由式(11)求出。

∠aORC=90°-ε+Δε

(11)

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械手冊，γ0=32°、ε=30°、Δε=5°。將各個參數(shù)代入圖中，作出導曲線；每隔53 mm作一個平行于上視基準面的輔助平面，并在每個輔助平面上各作一條與導曲線相交的元線，元線角變化規(guī)律如表3所示；最后依次以元線角為輪廓線，以導曲線為引導線放樣，作出單側培土翼的曲面。按圖11中培土器主視圖輪廓對培土翼的曲面進行切割，得出完整翼面。

表3 元線角的變化規(guī)律Tab. 3 Variation law of element line angle

培土器總成如圖12所示，由鏟尖、鏟翼、鏟柄構成。培土器采用整體式鏟翼，培土器適用于壟距為1 100 mm的玉米大壟雙行栽培的中耕作業(yè)。

圖12 培土器總成

3 田間試驗測試與結果分析

3.1 試驗條件與材料

2019年6月于哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學院試驗地進行了樣機的田間試驗。試驗前測試條件如表4所示，試驗機具為3ZFD-440型大壟雙行動力中耕追肥機，試驗前對機具進行完善的檢查和調試，保證機器正常運轉，配套動力符合機具試驗的要求。

表4 機具測試前檢測條件Tab. 4 Testing conditions before machine testing

試驗主要用土壤堅實度儀，卷尺，卡尺，土壤水分檢測儀，電子天平，取土器，干燥箱，鋁盒等測出碎土率、壟形合格率、排肥一致性、傷苗、埋苗率等。

3.2 試驗方法

按照國家機械行業(yè)標準JB/T 7864—2013《中耕施肥機試驗方法》對玉米大壟雙行動力中耕追肥機的相關性能進行測試。主要包括：碎土率、排肥一致性、傷苗、埋苗率等，同時針對大壟雙行種植，對耕地的壟形合格率也做了詳細的測定。

3.2.1 碎土率測定

采用5點法檢測法，在確定測定點后，以該點為中心選定0.5 m×0.5 m的正方形范圍，在其全耕層內(nèi)，分別測量最長邊小于5 cm的土塊質量及所取土壤總質量。其百分比即為該點的碎土率，求5點平均值。碎土率按式(12)計算，結果如表5所示。

(12)

式中：E——碎土率，%；

Ms——測定點中、全耕層內(nèi)最長邊≤5 cm的土塊總質量，kg；

M——測定點中、全耕層內(nèi)所有土塊總質量，kg。

表5 碎土率結果Tab. 5 Fragmentation rate result

根據(jù)JB/T 7864—2013顯示，中耕碎土率要求≥85%，該機具工作中碎土率達到91.7%，高于國家標準。

3.2.2 壟形合格率測定

采用5點法檢測法，每個小區(qū)寬度為一個壟寬和一個壟溝寬度之和，寬度為1.1 m，分別測量區(qū)域內(nèi)壟臺臺頂寬度、壟臺深度并計算其與符合農(nóng)藝要求的標準壟臺臺頂寬度、壟臺深度變異系數(shù)，壟臺臺頂寬度變異系數(shù)按式(13)計算，壟臺深度變異系數(shù)按式(14)計算。結果如表6所示。

(13)

式中：ηa——壟臺臺頂寬度變異系數(shù)，%；

a——測定區(qū)域內(nèi)實際壟臺臺頂寬度，cm；

A——測定點區(qū)域內(nèi)理論壟臺頂寬度，cm。

(14)

式中：ηλ——壟臺深度變異系數(shù)，%；

λ——測定區(qū)域內(nèi)實際壟臺臺頂距離壟溝深度，cm；

H——測定點區(qū)域內(nèi)理論壟臺臺頂距離壟溝深度，cm。

壟臺臺頂寬度變異系數(shù)平均為1.64%，壟臺深度變異系數(shù)平均為4.34%，均小于5%，基本與設計壟形保持一致。

表6 壟臺臺頂寬度變異系數(shù)、壟臺深度變異系數(shù)Tab. 6 Coefficient of variation of ridge platform top width、 coefficient of variation of ridge depth

3.2.3 壟溝底部浮土厚度的測定

采用5點法檢測法，用鋼板尺測出測量點上壟溝溝底浮土厚度、結果如表7所示。

表7 壟溝溝底浮土厚度Tab. 7 Thickness of floating soil at the bottom of ditch

根據(jù)JB/T 7864—2013顯示，溝底浮土厚度一般為4～6 cm即為合格，該機具實測為4.6 cm，所以該機具溝底浮土厚度完全符合國家標準。

3.2.4 排肥一致性變異系數(shù)檢測

測定方法：使中耕施肥地輪離地，機架保持水平，轉動地輪且轉速與田間施肥相似，每次轉動20圈。接取每個排肥口所排肥量，稱重。重復3次求平均值。排肥量按式(4)調整，其中每公頃排肥總量按150、165、180、195、210、225 kg統(tǒng)計。排肥一致性按式(15)～式(17)計算。測得結果如表8所示。

(15)

(16)

(17)

式中：x——每次排肥量，g；

s——標準差，g；

n——測定次數(shù)，取3；

V——變異系數(shù)，%。

表8 排肥一致性變異系數(shù)Tab. 8 Coefficient of variation of fertilizer consistency

根據(jù)JB/T 7864—2013顯示，排肥一致性變異系數(shù)低于8%即為合格，該機具為3.1%，可見該機具排肥一致性變異系數(shù)完全符合國家標準。

3.3 測量結果分析

通過上述結果顯示，在樣機作業(yè)過程中，碎土率、壟溝浮土厚度、排肥一致性都達到國家標準；作業(yè)后壟形的關鍵尺寸：壟臺頂部寬度與壟頂深度變化率分別為1.64%與4.34%，可見變異系數(shù)很低，壟形規(guī)范、培土效果良好。

4 結論

1) 根據(jù)玉米大壟雙行中耕作業(yè)的農(nóng)藝要求，通過理論計算和試驗分析完成施肥系統(tǒng)、碎土除草部件、導流式培土器的設計。該機具一次作業(yè)可完成壟溝碎土除草、壟底深松、多苗帶側深施肥、壟臺培土等聯(lián)合作業(yè)，降低了因機具多次進地對土壤造成的壓實。

2) 通過理論計算和試驗分析確立了各關鍵部件的參數(shù)。采用3苗帶側施肥；碎土刀選用鑿形直刀，回轉半徑為235 mm，刀片厚度為10 mm，碎土刀入土夾角選擇35°，刃口寬度為2 mm，側刃長度為10 mm；采用導流式培土器，基礎元線角為32°，導曲線切線與垂直面夾角為30°，導曲線切線與垂直面夾角增量為5°，導曲線半徑為248 mm。

3) 通過對3ZFD-440型大壟雙行動力中耕追肥機進行田間試驗，結果表明：作業(yè)碎土率為91.7%、壟臺臺頂寬度變異系數(shù)為1.64%，壟臺深度變異系數(shù)為4.34%、溝底浮土厚度為4.6 cm，作業(yè)效果良好，各項作業(yè)指標均符合國家標準。