十字槽種肥分施及分層施肥開溝器設計

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 機械與電子工程學院，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]。分期施肥會增加機械進地次數(shù)，對土壤多次壓實，且易對玉米植株和根系造成傷害[6-8]；種肥混施會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，種、肥不同溝，可以為種子發(fā)芽提供良好的條件，但存在玉米生長后期脫肥問題[9,11]。由于需要2個開溝器完成開溝工作，種肥分施增加了對地表的破壞，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，種子和肥料同溝，在播種時將玉米生長周期所需的肥料一次性、分多層施入土壤。對玉米一次性分層緩釋施肥的研究發(fā)現(xiàn)，分層施肥植株生長狀況好，比常規(guī)分期施肥增產(chǎn)效果好，經(jīng)濟效益明顯；但受開溝器結(jié)構(gòu)形式所限，在土壤墑情較大時，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]：嚴重時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，玉米機械化施肥應一次性完成玉米生長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，以滿足玉米整個生長期對養(yǎng)分的需求。同時，為了減小開溝器對地表破壞和土壤的擾動，提高種區(qū)的保墑能力，開溝器一次開溝要實現(xiàn)上述要求。

本文設計了一種十字槽開溝器，一次開溝可實現(xiàn)種子、種肥分施及種肥和基肥分層施放，僅對種區(qū)的土壤擾動一次，并進行了室內(nèi)土壤試驗驗證。

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，實現(xiàn)基肥的深層施放。立刀的兩側(cè)各安裝一個橫刀，在土壤下層基肥溝上部兩側(cè)分別開出種溝和種肥溝，實現(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)時一次開溝完成種子、種肥的分施，同時實現(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，以滿足玉米生長前期和生長后期對肥料的需求。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。

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 關鍵部件設計

2.1 種、肥管

基肥管是一根直管，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械設計手冊(上)》其直徑選取25mm，其向下只要不伸出立刀護板即可，故取其長度為500mm。在排肥口沿著開溝器前進的方向反方向斜切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向中間回土，根據(jù)試驗測試，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和向下垂直伸出長度H的關系為

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度H過大，會造成橫刀入土角過大，否則會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，種、肥管向下垂直伸出長度H要大于種、肥管的直徑25mm。根據(jù)試驗測試結(jié)果，在種肥管向兩側(cè)彎曲半徑R=28mm時，排種、排肥皆暢通，計算得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和工作阻力，立刀的寬度應盡量小，為避免肥管對土壤的擾動，應大于基肥管的直徑。為防止立刀開溝后回土對基肥管的堵塞，立刀的兩側(cè)后部加裝護板并安裝種、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]，本設計取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，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，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，基肥不能到達溝底。入土隙角一般取5°～10°[15]，本設計取ε=8°。

斜切角γ對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，橫刀的橫向伸出長度不宜過小，根據(jù)多次試驗確定單側(cè)橫刀橫向伸出長度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，過大會造成種區(qū)土壤擾動大，土層混亂，工作阻力加大；過小則造成橫刀的寬度H1過大，也會造成橫刀對土壤擾動增大。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對土壤產(chǎn)生滑切作用，且有利于橫刀對土壤中的根茬進行切割，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度l2為75mm確定的情況下，橫刀長度l將會增大。橫刀長度過大也會造成對土壤的擾動加大，取橫刀后傾角θ=20°，則可得橫刀的長度為80mm。為保證橫刀的強度，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)以上設計對十字槽開溝器進行了三維建模并制作了實物，如圖7所示。

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

3 十字槽開溝器試驗裝置試制與試驗

3.1 十字槽開溝器試驗裝置的試制

為了驗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裝置，并在室內(nèi)土槽進行了試驗。排種和排肥器均選用外槽輪式；樣機一側(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)動輪；十字槽開溝器通過U型夾固定在機架上，樣機后部為鎮(zhèn)壓輪，確保種、肥與土壤緊密接觸，整機以三點懸掛方式與動力機械相連接。十字槽開溝器試驗裝置三維造型圖及實物如圖8所示。

3.2 試驗材料與方法

在西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院室內(nèi)土槽試驗臺上進行了十字槽開溝器性能試驗，如圖9所示。試驗所選用的土壤來自陜西省關中地區(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，試驗前24h將薄膜取下，旋耕攪勻土壤，整平后再用輥子將土壤壓實，使土壤的含水率達到16%左右，50～200mm土層土壤堅實度達到1 500kPa。

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

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

測試用化肥選取大顆粒復合肥，玉米種子選用先玉336，測試速度為4km/h，試驗區(qū)前5m為加速區(qū)，后5m為減速區(qū)，中間10m為穩(wěn)定測試區(qū)。試驗中，在測試區(qū)每隔2m挖出2個種溝斷面(見圖10)，測量播種深度、施肥深度、種肥與種子間距、種子與基肥間距，進行3次重復試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

由圖10可以看出：十字槽開溝器可以實現(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)土槽試驗數(shù)據(jù)表Table 1 Opener seed row, row fertilizer test value mm

4 結(jié)論

1) 設計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，一次開溝可以實現(xiàn)種子、種肥分施及種肥與基肥分層施放，減小了對種區(qū)土壤的擾動。

3) 制作了十字槽試驗裝置，在室內(nèi)土槽進行了試驗，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。