调比控位分层施肥装置设计与试验

顿国强，陈海涛，冯夷宁，查韶辉，纪文义，李昂

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

调比控位分层施肥装置设计与试验

顿国强，陈海涛*，冯夷宁，查韶辉，纪文义，李昂

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为满足不同作物生育期养分供应，实现免耕播种作业同时肥料调比控位分层深施，设计由肥料调比分配装置及控位分层施肥开沟器组成调比控位分层施肥装置，通过理论分析及试验确定各关键部件主要参数。肥料均布器结构参数优化试验结果表明，均肥份数为极显著影响，挡杆直径为显著影响，挡杆间距无影响；挡杆直径5 mm，均肥份数16，挡杆间距8 mm，试验指标合格指数0.884，肥料均布器均肥效果最佳，优化参数通过试验验证。田间试验结果表明，控位分层施肥开沟器可按照设计要求完成肥料分层施放，实现设计功能。

农业机械；基肥与种肥；调比控位；分层施肥；设计与试验

网络出版时间2015-12-25 13:10:22[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151225.1310.008.html

顿国强,陈海涛,冯夷宁,等.调比控位分层施肥装置设计与试验[J].东北农业大学学报,2015,46(12):86-93.

Dun Guoqiang,Chen Haitao,Feng Yining,et al.Design and test of adjustable ratio and control position separated layer fertilization device[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(12):86-93.(in Chinese with English abstract)

免耕播种作业后，地表因有大量根茬秸秆覆盖，影响中耕追肥作业，同时，基肥不能随翻耕提前施入，因此需在免耕播种作业时施足种肥与底肥，以满足作物整个生育期养分需求[1-5]。相关研究[6-10]指出：种肥、基肥间距12 cm，施肥比7∶3，能满足小麦作物生长过程中不同阶段养分需求；分层间距4～8 cm，施肥比1∶2时，大豆种植效果最佳。且施肥方式多种多样，正位分层、侧位分层、正侧位分层皆有应用。张伟等设计滑刀式分层施肥开沟器[11]；李杞超设计整体式分层分量施肥装置，采用并排双排肥轮设计实现种肥底肥比例调节[12-13]；姚万生等设计组合式下位分层施肥播种开沟器，可实现肥料分层施入，但比例为定值[14]。因此，研究可调基肥、底肥比例，施肥位置可控调比控位分层施肥装置，具有重要意义。

本文在综合分析现有施肥装置基础上，设计调比控位分层施肥装置，并采用理论分析与试验结合方法确定关键部件主要参数。同时，采用正交试验方法优化肥料均布器结构参数，并验证试验及开沟器田间性能试验。

1　装置组成及工作原理

调比控位分层施肥装置如图1所示，主要由肥料调比分配装置和控位分层施肥开沟器两部分组成。其中，肥料调比分配装置由斜舌外槽轮排肥器1、肥料均布器2及肥料调比器3组成，在肥料调比器下部分别设有浅层管口4及深层管口5；控位分层施肥开沟器由主开沟器6及浅层排肥尾管7组成，在主开沟器上部及中后部设有浅层管8和深层管9，由排肥管将其与肥料调比器浅层管口4和深层管口5对应连接；控位分层施肥开沟器由U型卡固装在主机架上。

图1　装置结构组成及工作原理Fig.1Device structure and function

作业时，地轮通过传动装置驱动排肥器槽轮旋转，肥箱内肥料由排肥口经排肥舌落入肥料均布器，通过肥料均布器作用，将在进口处呈局部集中分布肥料均匀分布在出口端面，肥料调比器将肥料按预先设定好比例分配到深、浅管口，被分配好肥料分别由主开沟器及浅层尾管按设定施肥位置分施到不同深度土层，进而完成调比控位分层施肥作业。

2　关键部件设计

2.1外槽轮排肥器改进设计试验

外槽轮排肥器因适应性强、排量稳定、经济性好、调节方便及使用可靠而广泛应用，但因其槽轮结构特点而使其在排肥过程中存在脉动现象，影响排肥均匀性[15-19]。为提高其排肥均匀性，常采用螺旋槽式外槽轮结构或将排肥舌外端做成倾斜状。研究选用外购外槽轮排肥器，槽轮直径55 mm,轮槽数7，单个轮槽面积147.71 mm2，槽口弧长20.11 mm，槽轮最大工作长度50 mm。如图2所示，采用黑龙江省农业工程科学研究院研制JPS-12计算机视觉精密排种器性能检测试验台，分析排肥舌结构参数变化对排肥均匀性影响，优化排肥舌最佳结构。

如图2所示，设计加工长45 cm，宽10 cm，间隔3 cm肥料测试槽，设定带速0.15 m·s-1，槽轮转速20 r·min-1，如图3（a）所示，设定排肥舌外端斜角侧面长度a分别为0、5、10、15和20 mm，其中0 mm为未改结构，20 mm为斜口周向长度包覆槽轮单个槽口，槽轮工作长度分别设定为25和50 mm，分别按测试槽充肥先后次序作质量测定，测试结果如图3（b）所示。同时，计算各试验水平质量标准差，以评价排肥器排量均匀性，试验结果如图3（c）所示，由图3可知，在槽轮两个工作长度下，排肥质量标准差均随倒角值增大而减小，即排肥均匀性提高，且在a=20 mm时，排量波动性最小。因此，排肥舌端部倒角最优结构为20 mm×50 mm。

图2　排肥器试验台Fig.2Structure of fertilizer feeder test-bed

图3　排肥舌改进设计试验Fig.3Improved fertilizer tongue design test

2.2肥料均布器

参考西北农林科技大学研制组合式下位分层施肥播种开沟器[14]，设计肥料均布器，如图4所示。主要由肥管及内部轴向等距、周向均布挡杆组成，可将来自排肥器肥料均匀分布在均布器出口端面。

图4　肥料均布器设计Fig.4Fertilizer uniform distribution device design

设肥管内径D，挡杆数N，挡杆直径d，挡杆间距l，均布器单层通过面面积为：

式中，M单-单层通过面积（mm2）；D-肥管内径（mm）；d-挡杆直径。

以东北垄距65 cm标准垄为设计依据，公顷极限施肥量750 kg，作业速度上限3 m·s-1，计算排肥器秒施肥量195 g；所选用外槽轮排肥器由排肥舌到均布器入口垂直距离3 cm，假设肥料脱离排肥舌垂直速度为0 m·s-1，计算肥料通过均布器入口速度为76.7 cm·s-1，则肥管最小通过面积为：

式中，M通-最小通过面积（cm2）；m秒-单位时间施肥量（g·s-1）；ρ堆积-肥料颗粒堆积密度（g·cm-3）；v入-肥料端面流速（cm·s-1）。

所设计均布器内径4.5 cm，挡杆直径5 mm，计算均布器单层流通面积13.65 cm2，远大于肥管最小流通面积，满足设计要求。

2.3肥料调比器

如图5所示，肥料调比器作用是将进入调比器肥料按设定比例分配到深、浅层管口，主要由分肥叉管1，调节器2及锁紧螺钉3组成。相关研究[6-10]指出，为满足作物生长周期养分需求，针对不同作物，其深层肥料百分比应在0.50～0.70可调。所设计肥料调比器内旋转插装肥料调节器，在调节器上设有接盘、螺纹孔及螺旋面，螺旋面周线夹角为72°，转动调节器，调至相应位置，可将浅层管口上部空间部分肥料沿螺旋面滑向深层管口，实现设计功能。

2.4控位分层施肥开沟器

查阅相关研究[20-22]，设计控位分层施肥开沟器，如图6所示。因开沟器主要配装在2BMFJ型免耕清秸覆秸精量播种机上，机具定轴钢齿种床整备装置已清除施肥播种带上秸秆及根茬，因此，分层施肥开沟器只需具备良好入土性能及较佳分层效果即可，开沟器主要由主开沟器3及固装在其套管9上浅层尾管6组成，主开沟器由钢板、矩管及圆管焊接而成，为防止开沟器排肥口堵塞，在开沟器深层排肥口处焊接防堵板4，开沟器入土角为55°，入土隙角7°，开沟器前部形成深层肥通道，其后部空腔、套管及浅层尾管组成浅层肥通道，主开沟器套管上开有纵横交错凹槽结构，与其配装浅层尾管对应接合部位设有条状凸起，两者接合可实现深层肥与浅层肥施肥深度在4～8 cm范围1 cm间距可调，横向距离-45 mm及45 mm两种形式，深浅肥口纵向间距12 cm，及深浅肥口横向错位结构设计提升开沟器回土性能。

图5　肥料调比器设计Fig.5Fertilizer adjustable ratio device design

3　肥料均布器参数优化试验

肥料均布器作为肥料调比分配装置关键部件，作业性能直接影响肥料调比准确性及稳定性。因此，通过台架试验研究肥料均布器结构参数变化对提高性能、优化结构参数具有重要意义。

3.1试验材料与试验装置

试验材料为乐索尔复合肥料（玉米用长效硫酸钾复合肥）。试验于2014年10月2日在东北农业大学排种器性能实验室进行，试验装置如图7所示。主要包括肥箱、改进外槽轮排肥器、肥料均布器（有机玻璃粘接制成）、肥料调比器（材料PLA，3D打印制成），借助JPS-12计算机视觉精密排种器性能检测实验台进行装置排肥性能试验。

图6　控位分层施肥开沟器Fig.6Control position separated layer fertilization opener

图7　肥料调比分配装置与试验台Fig.7Fertilizer adjustable ratio distribution device and test bed

3.2试验设计

采用3因素3水平正交试验方法，以挡杆直径，挡杆间距，均肥份数为试验因素，试验因素水平如表1所示。

表1　试验因素水平Table 1Test factors and levels

将肥料调比分配装置固装在排种器试验台机架上，通过更换不同结构肥料均布器实现试验因素变化，试验设定槽轮25、50 mm两个水平，浅层肥料百分比30%、40%、50%三个水平，每个处理重复6次。

3.3结果与分析

试验方案及结果如表2所示。

采用Design-expert 6.0.10分析试验数据，设定显著性水平0.01，试验指标合格指数方差分析见表3。

由表3可知，在信度0.01水平下，对试验指标合格指数σ因素影响主次顺序为B＞A＞C，且因素均肥份数为极显著影响，挡杆直径为显著影响，挡杆间距无影响。各因素对指标影响，如图8所示。

由图8（a）可知，合格指数随着均肥份数增加而减小，即肥料调比分配合格率提高。因均肥份数增加时，肥料颗粒撞击挡杆次数增加，在均布器出口断面空间分布均匀性显著提高，进而提高分配合格率，分肥合格指数减小。

由图8（b）可知，合格指数随着挡杆直径增加而减小，即肥料调比分配合格率提高。因挡杆直径增加时，肥料均布器截面绝对通过空间减小，会加大肥料颗粒沿径向向外运动趋势，增加肥料颗粒在均布器出口周向分布均匀性，进而提升肥料分配合格率，合格指数减小。

表2　试验方案及结果Table 2Test plan and results

表3　试验结果合格指数方差分析Table 3Variance analysis of test results qualified index

图8　两因素对指标合格系数影响Fig.8Response of factors'effects on qualified index

3.4参数优化及试验验证

利用Design-expert 6.0.10软件中优化模块，考虑挡杆间距对指标无影响，且挡杆间距越小，肥料均布器材料成本越小，因此，设定挡杆间距为8 mm。按照合格指数越小越好原则，优化得出：挡杆直径5 mm，均肥份数16，挡杆间距8 mm，试验指标合格指数0.884，肥料均布器均肥效果最佳。为验证肥料均布器参数优化结果，按优化参数加工肥料均布器，以相同试验条件试验，试验结果合格指数为0.892，在误差允许范围内等于0.884，验证优化参数正确性。

4　田间性能试验

为验证控位分层施肥开沟器作业效果，于2014年10月8日在东北农业大学香坊试验基地进行开沟器肥料分层性能试验，土壤含水率为18.5%，平均土壤坚实度为1.1 MPa，如图9（a）所示，调比控位分层施肥装置安装在2BMFJ-3型免耕覆秸精量播种机上，设定施肥高度差4 cm、8 cm二个水平，横向间距4.5及-4.5 cm两个水平，机具行进10 m，每个试验处理地块随机选取5点进行肥料分层效果和肥料高度差均值测定，开沟器分层施肥效果如图9（b）所示。计算3个不同设定施肥深度高度差实测值分别为3.4和7.8 cm，设定施肥深度与实测施肥深度差值分别为0.6和0.2 cm，随着设定施肥深度差增大，开沟器分层施肥效果明显，同时发现，在定轴钢齿种床整备装置完成种床处理及结合开沟器防堵板结构设计基础上，可有效防止开沟器秸秆缠绕及排肥口堵塞。控位分层施肥开沟器可实现肥料分层施放，满足设计功能要求。

图9　田间性能试验Fig.9Field performance test

5　结论

a.设计调比控位分层装置，斜槽排肥舌提高肥料施放均匀性，且装置具有深、浅层肥料比例可调，施肥位置可控功能。

b.肥料均布器参数优化试验结果表明：对试验指标合格指数，均肥份数为极显著影响，挡杆直径为显著影响，挡杆间距无影响；挡杆直径5 mm，均肥份数16，挡杆间距8 mm，试验指标合格指数0.884，肥料均布器均肥效果最佳，同时，优化参数通过试验验证。

c.田间试验结果表明：控位分层施肥开口器可完成肥料分层施放，实现设计功能。

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Design and test of adjustable ratio and control position separated layer fertilization device

DUN Guoqiang,CHEN Haitao,FENG Yining,ZHA Shaohui,JI Wenyi,LI Ang(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Because the covering of amount stubble and straw,base and complementary fertilizer could not be applied before and after no tillage sowing,it was very important to applied sufficient fertilizer to meet different crops'nutrient requirements on the growth duration.Adjustable ratio and control position separated layer fertilization device consist of bevelled tongue outer groove-wheel fertilizer feeder,fertilizer uniform distribution device,fertilizer adjustable ratio device and control position separated layer fertilization furrow opener had been designed,the device had the function to separate the fertilizer in different layer according to setting proportional,meanwhile,main parameters of key parts had been acquired by theory analysis and test.In order to get the optimized structure of fertilizer uniform distribution device,bar diameter,divided number and bar distance was selected as factors, qualified index was selected as index,three factors and three levels orthogonal parameter optimization test had been done,the results indicate that,divided number is significant,bar diameter is notable for qualified index,but bar distance had no effects,qualified index decreased with the increase of divided number and bar diameter,the index qualified index is 0.884 and fertilizer uniform distribution device had the best performance when bar diameter was 5 mm,divided number was 16,bar distance was 8 mm,meanwhile,the optimized parameters has been verified by proof test.Field performance test results of control position separated layer fertilization furrow opener show that it could separate the fertilizer in different layer by design requirement and no blocking problem.

agricultural machinery;base and seed fertilizer;adjustable ratio control position; separated layer fertilization;design and test

S224.21

A

1005-9369（2015）12-0086-08

2015-07-29

现代农业产业技术体系建设专项资金（GARS-04）；公益性行业（农业）科研专项经费项目（20130311）；东北农业大学研究生科技创新基金（yjscx14020）

顿国强（1986-），男，博士研究生，研究方向为农业机械化工程。E-mail:dunguoqiang110@126.com

陈海涛，教授，博士生导师，研究方向为农业机械化工程和生物质材料。E-mail:htchen@neau.edu.cn