玉米行间定点扎穴深施追肥机的设计与试验

胡 红，李洪文，王庆杰，何 进，张翼夫，陈婉芝，王宪良



玉米行间定点扎穴深施追肥机的设计与试验

胡 红，李洪文※，王庆杰，何 进，张翼夫，陈婉芝，王宪良

（中国农业大学工学院，北京 100083）

为解决玉米生长中后期追肥机械化水平低且追肥困难的问题，结合追肥农艺要求，设计了一种玉米行间定点扎穴深施追肥机，能够在行距为600 mm的玉米行间进行追肥作业，1次完成2行玉米追肥。该机采用植株位置探测机构和棘轮离合机构确定扎穴深施追肥的位置，采用水平位移补偿装置和曲柄连杆机构共同控制扎穴施肥机构的运动轨迹，实现玉米定点扎穴深施追肥与扎穴施肥机构在入土排肥过程中垂直运动，满足零速排肥要求，减少肥料滚动。该文采用理论计算与经验设计，对凸轮、探测杆等关键零部件进行了参数设计，采用MATLAB软件对扎穴器尖部运动轨迹进行了仿真分析。追肥机田间追肥性能试验结果表明，排肥轴含肥腔长度为20 mm时的穴追肥量为2.3 g，总排肥量稳定性变异系数为3.2%，平均追肥深度和平均追肥距离分别为91.3和127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距离合格率分别为88.3%和96.7%，漏追率为2.7%，相关指标均达到技术要求。该研究为应用于玉米中后期行间精确追肥机械的设计提供了参考。

农业机械；设计；农作物；玉米行间；定点扎穴；深施追肥机

0 引 言

玉米是重要的粮食作物和饲料来源，在解决人类粮食问题中意义重大[1-2]。提高玉米单产和总产水平，是确保国家粮食安全的重要途径[3]。实践证明，生育期内合理追肥特别是氮素化肥能够有效促进玉米生长，提高玉米产量[4-5]。

大喇叭口期是玉米生长发育最为旺盛的阶段，是养分需求最大的时期，大喇叭口期追肥对玉米产量具有决定性的作用。但由于玉米大喇叭口期植株高大，机械进地困难，往往采用人工追肥或小型追肥器追肥。人工追肥效率低下，肥料撒施地表利用率低，污染环境，威胁人类饮水安全[6-7]；小型追肥器主要靠人工操作，劳动强度大，且追肥量难以精确控制，造成肥料浪费，利用率差[8-9]。为提高追肥作业机械化水平，科研工作者们结合中耕作业，在玉米拔节期左右提前进行追肥，研制出集深松、除草和追肥于一体的中耕追肥机[10-12]，但存在伤根伤苗现象，影响玉米植株生长发育。

定点扎穴追肥是指在玉米植株根部附近进行一对一的扎穴深施追肥，而对没有玉米植株区域不进行追肥的施肥方式，能够减轻化肥滥用，提高肥料利用效率，减轻环境污染。目前国内外主要采用红外线探测技术[13-14]、超声波测距传感器[15-17]、机器视觉和图像处理技术等进行目标识别[18-21]，将遥感技术、全球定位系统和地理信息系统融合在一起获取目标的综合信息，主要应用于果树及农作物等的病虫害防治，减少农药的滥用和用药不足[22-24]，但用于玉米追肥还未见报道。而扎穴施肥的方式主要有2种：一是扎穴施肥分段实施，首先采用人工扎穴，然后用手将肥料放入穴中，工作效率低，劳动强度大；二是采用曲柄摇杆机构或行星齿轮等驱动扎穴机构作有规律的复合运动，实现扎穴深施追肥[25-27]，但存在扎穴器与土壤的相互作用力较大，增大了牵引阻力，且扎穴器尺寸较小，一般适用于液态肥追肥，不适宜固态肥追肥。

为解决上述问题，本文结合追肥农艺要求，设计开发一种玉米行间定点扎穴深施追肥机，通过经验设计和理论计算，对各个工作机构进行运动学分析，对整机进行了田间性能试验，以期达到玉米对株定点扎穴、零速排肥、化肥精量深施的效果。

1 整机方案确定

1.1 设计依据

针对玉米生长中后期行间追肥存在的问题，结合传统追肥农艺经验和相关试验研究，确定了玉米行间定点扎穴深施追肥机的设计依据：

1）追肥机行距适应性：合理密植可以使群体和个体协调发展，近年来玉米密植技术在中国得到大力推广与应用，按1公顷52 500～67 500株玉米计算，则行距为600 mm为最佳，增产效果最明显[28]，比较适合机械化田间作业，且具有较好的增产效果。

2）追肥方式：目前玉米中后期追肥主要采用开沟条施和表面撒施，存在肥料利用率低以及污染环境的问题，因此采取扎穴深施的追肥方式，将肥料深施于玉米根部，供玉米吸收，减少了肥料施用量，提高了肥料利用效率，减少环境污染。

3）追肥距离及深度：根据已有研究和追肥经验，扎穴点与玉米植株距离确定为100～150 mm，追肥深度确定为80～100 mm[29]。

1.2 整机结构

玉米行间定点扎穴深施追肥机的结构示意图如图1所示，主要由转向轮1、机架2、动力输出总成3、转向机构4、肥箱8、棘轮离合装置9、曲柄连杆机构10、扎穴施肥机构11、水平位移补偿装置12、覆土镇压装置13、植株位置探测机构14和传动系统16等组成。其中植株位置探测机构、棘轮离合机构、水平位移补偿装置、曲柄连杆机构、扎穴施肥机构和覆土镇压装置均为2组，对称安装于机架两侧，位于驱动轮后方。曲柄连杆机构与棘轮离合机构固定连接，与扎穴施肥机构铰接，其初始位置为曲柄位于上止点的位置；棘轮离合机构与水平位移补偿装置1∶1链传动连接，与植株位置探测机构通过接触面接触；覆土镇压装置安装在机架末端，位于扎穴施肥机构正后方；肥箱与机架固定连接，位于座椅正后方。整机的主要结构参数如表1所示。

1.3 工作原理

发动机启动后，追肥机在玉米行间行进。当植株位置探测机构未探测到玉米植株时，棘轮离合机构处于断开状态，追肥机在玉米行间行进但动力不会传递到水平位移补偿装置和曲柄连杆机构，因而扎穴施肥机构仍处于相对静止状态；当植株位置探测机构探测到玉米植株时，棘轮离合机构结合，动力传递到曲柄连杆机构和水平位移补偿装置，共同驱动扎穴施肥机构作有规律的复合运动，水平位移补偿装置驱动扎穴施肥机构向机具运动方向相反的方向运动，其水平速度与机具前进速度大小相等，方向相反，则在此过程中扎穴施肥机构的水平速度为零，水平位移为0；曲柄连杆机构驱动扎穴施肥机构作上下往复运动，完成入土扎穴与排肥。当植株位置探测机构绕过玉米植株时，植株位置探测机构回到初始位置，曲柄连杆机构运动一个周期后回到初始位置，棘轮离合机构断开，水平位移补偿装置和扎穴追肥机构回到初始位置，与机架保持相对静止状态，直至下一次检测到玉米植株重复上诉步骤，追肥机定点扎穴深施追肥过程原理结构简图如图2所示。

表1 玉米行间定点扎穴深施追肥机的主要结构参数

2 主要零部件设计

2.1 水平位移补偿装置的设计

由参考文献[27]可知，现有的扎穴装置存在入出土垂直度差的问题，在土壤中运动复杂，土壤扰动量大；排出的肥料作平抛运动，具有较大的跳动或滚动，影响施肥精准度，降低肥料利用效率[30]。因此，保证扎穴装置垂直出入土，是获得精准施肥的关键。为确保扎穴装置入出土过程作垂直运动，即水平速度为零，则需要对扎穴装置进行水平位移补偿，且补偿大小与追肥机前进距离大小相等，方向相反。

2.1.1 水平位移补偿装置与驱动轮传动比

为保证水平位移补偿装置与追肥机具有确定的相对运动，则水平位移补偿装置与追肥机驱动轮之间具有固定的传动比。水平位移补偿装置与驱动轮的传动比可以根据最小扎穴距离确定

式中为驱动轮直径，=450 mm，为水平位移补偿装置与驱动轮的传动比；P为最小扎穴距离，根据玉米密植要求，保证机具的株距适应性，取P=180 mm。

由式（1）算出，=7.85，为保证扎穴距离取到最小，因此取=8时方便传动链轮的齿数选取与传动计算。

2.1.2 水平位移补偿装置结构参数

水平位移补偿装置由凸轮、凸轮轴、异型轴承、推杆、滑块和水平导轨组成。当凸轮轴转动时，凸轮随着一起转动，推动推杆和滑块在水平导轨上滑动，从而驱动扎穴施肥机构相对机架运动，实现扎穴施肥机构的水平位移补偿。

凸轮端面开设凹槽，凹槽内壁推动推杆，实现水平位移补偿功能；外壁拉动推杆，使凸轮与推杆始终保持紧密结合，实现初始位置回复功能。凹槽与推杆通过异型轴承连接，异型轴承在凹槽内运动，考虑到凸轮安装空间和异型轴承轴的强度，选取异型轴承为S726 GB/292-1994，其外径为19 mm，厚度为6mm，且选择2个异型轴承并联使用，增加接触面积。凸轮凹槽宽度设计为20 mm，深度设计为10 mm，内外壁厚均设计为5 mm，凸轮厚度设计为15 mm。

水平位移补偿装置的补偿位移大小由凹槽中心线的瞬时半径决定，根据水平补偿位移大小等于机具前进距离的要求，可以计算出一半凸轮凹槽中心线的半径变化曲线

（3）

式中为驱动轮转速，r/min；为水平位移补偿装置的运动周期，s；R为凸轮凹槽中心线半径变化量，mm。

计算得到R=88.3 mm，凸轮转过的角度为180°，为方便计算可取R=90 mm。假设追肥机为匀速前进，则凹槽中心线半径变化为线性，即凸轮每转过1°，半径变化0.5 mm。绘制凹槽中心线时，取最小半径为30 mm,每隔20°取一点，半径增加10 mm，直至取到最大值处，然后将各点通过样条曲线连接起来，形成沟槽中心线轨迹一半的绘制，递减曲线段与递增曲线段对称图3a为凹槽中心线轨迹。由图3a可以看出，在对称曲线过渡点处凹槽中心线轨迹突变，容易造成大的冲击甚至卡死，所以在突变点采用倒圆角30 mm处理，得到的凸轮三维模型如图3b所示。

2.2 植株位置探测机构和棘轮离合机构的设计

植株位置探测机构的主要功能是准确找到玉米植株的位置，然后将检测信号传递给棘轮离合机构，决定是否连通动力，驱动扎穴施肥机构进行定点扎穴追肥。

当植株位置探测机构未检测到玉米植株时，棘轮离合机构处于待机状态，棘爪与棘爪隔离开关接触，与棘轮断开，离合链轮没有旋转速度；当植株位置探测机构探测到玉米植株时，在玉米植株作用下摆杆转动一定角度，棘爪隔离开关和棘爪断开连接，棘爪压紧弹簧使棘爪与棘轮啮合，棘轮离合机构处于工作状态，带动离合链轮同步旋转，驱动后续工作部件运动。图4a为棘轮离合装置处于待机状态时的示意图，图4b为棘轮离合机构处于工作状态时的示意图。

1.探测杆 2.扭转弹簧 3.摆杆回位弹簧 4.摆杆 5.轴承座 6.离合轴 7.棘爪隔离开关 8.棘爪 9.棘爪压紧弹簧 10.棘轮 11.离合套轴承 12.离合链轮 13.离合套 14.卡簧

1.Proof stick 2.Torsion spring 3.Return spring of oscillating bar 4.Oscillating bar 5.Bearing pedestal 6.Clutch shaft 7.Disconnect switch of pawl 8.Pawl 9.Retainer spring of pawl 10.Ratchet wheel 11. Bearing of clutch cover 12.Clutch sprocket 13.Clutch cover 14.Circlip

注：为离合轴角速度，rad·s-1。

Note:is angular velocity of clutch shaft, rad·s-1.

图4 探测装置和棘轮离合机构不同作业状态结构示意图

Fig.4 Structure diagram of different working states of detection mechanism and ratchet clutch mechanism

2.2.1 结构参数设计

根据玉米种植行距和植株位置探测机构的结构，绘制植株位置探测机构作业时的位置参数图，如图5所示。

摆杆转动需要克服的力主要有棘爪和棘爪隔离开关的摩擦力、控制杆回位弹簧弹力和扭转弹簧力，根据各杆件的运动顺序和弹簧弹性刚度计算公式可给出以下约束条件[31]

（5）

（6）

式中为探测杆长度，mm；为摆杆转动角度，=15°；为探测杆相对摆杆转动角度，(°)；为追肥机路径偏移量，为保证摆杆适用范围，取=50 mm；为棘爪离合开关和棘爪的摩擦系数，=0.15；为弹簧材料的切变模量，弹簧材料为碳素钢丝，查表得到=8×104MPa；1为棘爪压紧弹簧直径，mm；1为棘爪压紧弹簧内径，mm；1为棘爪压紧弹簧有效圈数；1为棘爪压紧弹簧拉伸长度，mm；2为摆杆回位弹簧直径，mm；2为摆杆回位弹簧内径，mm；2为摆杆回位弹簧有效圈数；2为摆杆回位弹簧拉伸长度，mm；为弹簧材料的弹性模量，=2×105MPa；3为扭转弹簧直径，mm；3为扭转弹簧内径，mm；3为扭转弹簧有效圈数；[]为距离地面200 mm高度处玉米茎秆最大折断力，取[]=295 N[32]；[]为安全系数，[]=1.5。

根据式（4）～式（6）计算得到75 mm<<127.6 mm，综合考虑探测杆探测距离和回位时间，取=100 mm，则可算得<59°，然后可根据已有数据计算选取合适的弹簧参数。

2.2.2理论扎穴点位置

追肥机在玉米行间进行扎穴时，扎穴点位置与机具路径偏移量和行距变化有很大关系，很难确定出一个确定的扎穴点，但可以计算处追肥机在理想工作条件下的扎穴点位置。首先提出两点假设：一是玉米行距始终为600 mm；二是追肥机前进方向与玉米行距中心线重合，无路径偏移。根据以上假设，可以计算得到扎穴点的理论位置和理论追肥距离

（9）

（10）

式中d为扎穴点与玉米植株的纵向距离，mm；M为理论追肥距离，mm；为摆杆与离合轴的水平方向距离，mm。计算得到45 mm<<157 mm，取=100 mm，则可算出d=45 mm，M=114 mm。

2.3 扎穴施肥机构的设计

2.3.1 基本结构与工作原理

为了满足扎穴施肥的要求，对扎穴施肥机构的运动规律进行探究后，设计了符合机构运动规律的扎穴施肥机构，主要由扎穴嘴1、排肥轴2、水平导轨4、竖直导轨7、连杆8、曲柄9、扎穴器10和蹄型滑轨14等组成，如图6所示。

在植株位置探测机构探测到玉米植株时，棘轮离合机构接通动力，驱动曲柄连杆机构和水平位移补偿装置运动，从而驱动扎穴施肥机构在水平导轨和竖直导轨上作直线运动，机构进行工作。由机构运动规律可知，扎穴和施肥工序与扎穴器竖直方向的运动相关：扎穴器向下入土时，扎穴嘴闭合，定量的肥料储存在扎穴嘴和扎穴器尖部形成的尖嘴中，排肥轴进行充肥；扎穴器向上运动时，扎穴嘴张开，肥料进入穴孔，在扎穴器最下端离开地面后，扎穴嘴闭合，保证肥料排尽且不夹泥，排肥轴进行排肥，肥料流入扎穴嘴和扎穴器尖部形成的腔中，待下一次追肥。

2.3.2 扎穴器运动分析

扎穴器的运动是复合运动：一是曲柄连杆机构驱动的竖直方向运动，二是水平位移补偿装置驱动的水平方向运动，三是随机具的牵连运动。将曲柄、连杆、扎穴器和推杆等效成杆件，以离合轴旋转中心为坐标原点，以追肥机前进方向为轴正向，竖直向下方向为轴正向建立坐标系，如图7所示。由于扎穴器为刚性，且始终垂直于地面，因此其上各点具有相同的速度和相同的值。因此，扎穴器尖端点的运动可由点得到，分别建立(x,y)、(x,y)、(x,y)各点坐标与运动时间的相对运动方程。

1.凸轮 2.推杆 3.水平导轨 4.曲柄 5.连杆 6.竖直导轨 7.扎穴器

1.Cam 2.Push rod 3.Horizontal guide rail 4.Crank 5.Connecting rod 6.Vertical guide rail 7.Hole-pricker

注：1为曲柄长度，mm；2为连杆长度，mm；3为扎穴器长度，mm。

Note:1is the length of crank, mm;2is the length of connecting rod, mm;3is the length of hole-pricker, mm.

图7 扎穴施肥机构运动原理图

Fig.7 Schematic diagram of movement of hole-pricking and deep-fertilization mechanism

式中x为曲柄与连杆的连接点在坐标系中的横坐标值，mm；y为曲柄与连杆的连接点在坐标系中的纵坐标值，mm；1为曲柄长度，1的取值决定了扎穴器在竖直方向上的运动范围，由施肥深度（100 mm）和离地安全高度（40 mm）组成，则1=70 mm；为离合轴旋转角速度，rad/s；为运动时间，s。

（12）

式中x为连杆与扎穴器的连接点在坐标系中的横坐标值，mm；y为连杆与扎穴器的连接点在坐标系中的纵坐标值，mm；2为连杆长度，取2=150 mm。

（14）

式中x为扎穴器下端在坐标系中的横坐标值，mm；y为扎穴器下端在坐标系中的纵坐标值，mm；3为扎穴器长度，根据离合轴旋转中心离地高度可得到3=566 mm。

(x，y)点随追肥机的牵连运动方程

（16）

采用MATLAB软件编写代码，则可绘制出扎穴器尖部一个周期的绝对运动轨迹，如图8所示。

由图8可以看出，在一个周期内，扎穴器尖部在水平方向上的位移为176 mm，在竖直方向上的位移为140 mm，扎穴最深点距离地面100 mm，开始进行补偿的点距离地面30 mm，与理论设计值一致。同时可以从轨迹线看出，在水平位移补偿阶段，其入土轨迹与出土轨迹不重合，这是因为在凸轮设计时，为计算方便，其半径最大增量与追肥机前进距离具有1.7 mm的差值。

2.3.3 扎穴嘴参数设计

根据扎穴嘴内肥料运动规律及施肥时间要求，扎穴嘴闭合与打开的时间具有严格的要求。通过变轨法实现扎穴嘴在不同运动行程的不同状态，当扎穴器向下运动时，滑轨轴承通过蹄型滑轨内侧轨道，扎穴嘴闭合；当扎穴器向上运动时，滑轨轴承经过蹄型滑轨外侧轨道，扎穴嘴张开。图9为滑轨轴承处于蹄型滑轨不同轨道时扎穴嘴的位置图。

根据扎穴器运动轨迹及变轨要求，可得到实现扎穴嘴状态切换的约束条件

式中为滑轨轴承的半径=10 mm；为蹄型滑轨内侧面与扎穴器的距离，mm；1为蹄型滑轨曲线段半径，mm；为扎穴嘴开闭连杆的长度，=120 mm；为蹄型滑轨曲面顶点与蹄型滑轨内侧面的水平距离，mm；为蹄型滑轨的宽度，mm；为蹄型滑轨直线段的长度，mm；为扎穴嘴闭合时扎穴嘴开闭连杆与水平面的夹角，=75°；为扎穴嘴张开时扎穴嘴开闭连杆与水平面的夹角，扎穴嘴转动到竖直位置时，能够保证顺利排肥，因此可计算得到=45°。

1.扎穴嘴 2.扎穴嘴开闭连杆 3.拉紧弹簧 4.扎穴器 5.蹄型滑轨 6.滑轨轴承

1.Pricker mouth 2. Lockage connecting rod of pricking mouth 3.Stretched spring 4.Hole-ppricker 5. Hoof type slideway 6.Slideway bearing

注：为扎穴嘴高度，此处值为120 mm；为滑轨轴承半径，=10 mm；为蹄型滑轨厚度，mm；为蹄型滑轨直线段长度，mm；1为蹄型滑轨曲线段半径，mm；为蹄型滑轨曲面顶点与蹄型滑轨内侧面的水平距离，mm；为蹄型滑轨内侧面与扎穴器的距离，mm；为扎穴嘴闭合时扎穴嘴开闭连杆与水平面的夹角，=75°；为扎穴嘴张开时扎穴嘴开闭连杆与水平面的夹角，此处取=45°；为扎穴嘴开闭连杆长度，=120 mm；为扎穴器运动方向。

Note:is height of hole pricker, and it’s 120 mm;is the radius of slideway bearing,=10 mm;is the thickness of hoof type slideway, mm;is the straight line length of hoof type slideway, mm;1is curve segment radius of hoof type slideway, mm;is the horizontal distance of the peak of curve segment and inner side of hoof type slideway, mm;is the distance of inner side of hoof type slideway and hole pricker, mm;is the angle of connecting rod and horizontal plane when it was closed state,=75°;is the angle of connecting rod and horizontal plane when it was opening state,=45°;is the length of connecting rod,=120 mm;is the direction of the hole pricker.

图9 扎穴嘴不同工作状态位置图

Fig.9 Position of hole-pricker at different working state

根据式（17）计算得到：>12，37.2<<77.2，1=30，>20，<19，在考虑安全余量和安装空间的情况下，最终取得=15 mm，=40 mm，1=30 mm，=22 mm，=15 mm。

3 田间播种试验及结果分析

3.1 试验条件与方法

3.1.1 试验条件

2016年7月，玉米行间定点扎穴深施追肥机田间追肥性能试验在辽宁省抚顺市清原县孤山子村试验地进行。试验地长50 m，宽20 m，玉米于5月份播种，试验用玉米种子为吉农玉409，发芽率≥95%，行距为600 mm，平均株距为235 mm。试验前测得玉米平均株高为148.6 cm，每公顷株数为67 500株，5、10 cm土层深度的土壤紧实度分别为386 、942 kPa。试验用颗粒肥为复合肥，含水率为2.91%，N：P2O5：K2O的比例为15:16:12，平均颗粒直径为4.3 mm。试验时，追肥机的前进速度为0.8 m/s，图10为追肥机田间追肥试验及追肥作业后穴孔分布效果图。

a. 田间追肥试验a. Field experiment of topdressingb. 扎穴效果图b. Effect picture of hole-pricking

根据设计方案，测试内容主要包括漏追率、追肥深度、追肥深度合格率、追肥距离、追肥距离合格率和竖直方向最大振幅。试验前，准备好各项用到的试验器材：美国Spectrum Technologies, Inc生产的SC-900土壤紧实度仪、北京航天智控监测技术研究院研发生产的AIC3600手持式振动分析仪、十分度游标卡尺、小铁铲、秒表和钢卷尺。

3.1.2 试验指标与方法

1）漏追率

随机选取3个作业行程的玉米行作为取样区，避开田边，在选取的玉米行中间段选取20 m作为计数取样段，然后在每个样段内随机选取50株玉米，共取得150株玉米，利用小铁铲挖取玉米植株扎穴点的土壤剖面，观察相应玉米植株是否进行扎穴追肥，统计3个取样段进行了扎穴追肥的株数L，则漏追率可由式（18）得到。

式中为漏追率，%；L为取样段内完成追肥的玉米株数；L为取样玉米株数，L=150。

2）穴追肥量和总排肥量稳定性

参照国家标准GB/T 20346.2-2006《施肥机械试验方法第2部分行间施肥机》的试验方法，反向安装驱动轮（驱动轮上安装有单向离合器），追肥机驱动轴旋转时追肥机不会前进。试验前，将肥料装入肥箱中，保证肥箱内的肥料不少于肥箱容积的1/4，且肥料顶面低于肥箱口；肥料收集器置于施肥器正下方，其外形轮廓为150 mm×150 mm，深度为150 mm，排肥轴的含肥腔长度设置为20 mm。启动发动机，人工操作探测杆，使施肥器运动排肥，两侧施肥器同时试验，试验20次后称量肥料收集器总质量，每侧排肥器试验重复3次，取平均值。平均穴追肥量和总排肥量稳定性变异系数可表示为

（20）

式中M为平均排肥量，g；m为测得的肥料收集器和收集到的肥料总质量，g；为肥料收集器的质量，g；肥料收集器序号；V为总排肥量稳定性变异系数，%。

3）追肥深度与追肥深度合格率

随机选取3行作业后的玉米行，在每行中间部位选取20 m作为取样区，然后在取样区内随机选取20株完成追肥的玉米植株，共取得60个取样点。用小铁铲剖开所选玉米植株追肥点穴孔截面，然后用钢卷尺测量肥料最低点距离地面的高度即追肥深度，计算所有取样点测量值的平均值，然后计数追肥深度合格的穴孔（追肥深度值处于80～100 mm的穴孔），则追肥深度合格率为合格穴孔数与总测试穴孔数的比值，计算公式为

式中为追肥深度合格率，%；t为追肥深度合格的点数；t为总的取样点数，t=60。

4）追肥距离及追肥距离合格率

在测量追肥深度时，同时能够测量追肥距离，因此采用测量追肥深度的取样点，不用重新取样。用钢卷尺测量取样玉米植株对应的追肥点中心与玉米茎秆中心的距离，计算所有取样点追肥距离的平均值，即为追肥机的追肥距离；然后计数追肥距离合格的点数，即追肥距离值处于100～150 mm的点，追肥距离合格率为合格追肥点数与总取样点数的比值，计算公式参照式（21）。

5）竖直方向最大振幅

连接好振动分析仪与振动传感器，将振动传感器吸附在机架上，开机后随追肥机前进测量追肥机在竖直方向的最大振幅，通过传感器信号电缆线将测得的结果在液晶屏上显示。分别选取3行不同的玉米行作为测试区，每行内选取5个长为5 m的测试段，共测得15个数据，计算平均值，作为追肥机竖直方向上的最大振幅。

3.2 试验结果与分析

按照所述试验方法，在150株漏追率测试取样玉米中，共有4株玉米未完成扎穴追肥，146株玉米完成扎穴追肥；在60株取样玉米中，追肥深度值处于80～100 mm的有53个，追肥距离值处于100～150 mm的有58个。玉米行间定点扎穴深施追肥机田间追肥性能试验结果如表2所示，技术要求主要参考标准《中耕施肥机质量评价技术规范》、农业行业标准及设计方案要求。

表2 田间追肥性能试验结果

由表2可知，玉米行间定点扎穴深施追肥机追肥作业后的漏追率为2.7%，排肥轴含肥腔长度为20 mm时的穴追肥量为2.3 g，总排肥量稳定性变异系数为3.2%，平均追肥深度和平均追肥距离分别为91.3和127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距离合格率分别为88.3%和96.7%，相关指标均达到技术要求。

平均穴追肥量为2.3 g，按每公顷种植67 500株玉米、玉米发芽率为95%计算，则追肥量为147.5 kg/hm2。设计追肥深度值为100 mm，比试验值大8.7 mm，则追肥深度误差率为9.5%；计算得到的理论追肥距离为114 mm，比试验值小13.5 mm，则追肥距离误差率为10.6%。经分析，追肥深度误差产生的主要原因是地面不能保持完全水平，因此扎穴器尖部距离地面的高度不能保持始终为40 mm，因此扎穴深度始终在变，所以与设计值产生偏差；追肥距离误差产生的主要原因是玉米行距的变化和追肥机前进路径的偏移，扎穴点的实际位置与理论位置存在差异，所以实际追肥距离试验值与理论追肥距离存在偏差。

追肥过程中，样机在玉米行间行走稳定，通过性能良好，竖直方向振动较小，测得的最大值为16.4 mm，对追肥机的稳定性影响不大，无侧偏现象发生；扎穴器在探测杆探测到玉米植株的时候才进行扎穴追肥，且扎穴器垂直入土，土壤扰动小，肥料分布集中。由于追肥机长度达到2 160 mm，地头掉头较为困难，且追肥机采用机械式探测机构，探测距离限制较大，导致追肥机只能在行距为600 mm的玉米行间作业，行距适应性较差，因此进一步研究的方向是缩短机具长度，增加掉头灵活性；改变追肥机的植株位置探测机构，采用智能化的探测装置，使探测更灵敏准确，增大探测范围，满足不同玉米行距的定点扎穴追肥。

4 结 论

本文针对玉米中后期追肥技术难点，结合追肥农艺要求，设计了一种玉米行间定点扎穴深施追肥机，能够在行距为600 mm的玉米行间进行定点扎穴深施追肥，1次追肥2行。

1）对追肥机的主要零部件进行了结构参数设计和运动分析，结果得到水平位移补偿装置的凸轮为对称结构，与驱动轮具有固定的传动比8，最小半径为30 mm，最大半径为120 mm；探测杆长度为100 mm，与离合轴的水平距离为100 mm，计算得出理论扎穴点位于植株侧后方，距离玉米植株114 mm。

2）采用MATLAB软件绘制了扎穴器尖部一个周期的运动轨迹，对轨迹各关键点进行分析可得到扎穴器在竖直方向上的位移为140 mm，最低点距离地面为100 mm，扎穴器入土扎穴过程中水平位移仅为1.7 mm，满足水平位移补偿要求。

3）田间性能试验结果表明，玉米行间定点扎穴深施追肥机追肥作业后的漏追率为2.7%，排肥轴含肥腔长度为20 mm时的穴追肥量为2.3 g，总排肥量稳定性变异系数为3.2%，平均追肥深度和平均追肥距离分别为91.3和127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距离合格率分别为88.3%和96.7%，相关指标均达到技术要求。

[1] 曾勰婷，彭正萍，彭云峰. 基于结构方程模型的玉米施氮量-光合产物-产量关系研究[J]. 农业工程学报，2016，32(10)：98－104.

Zeng Xieting, Peng Zhengping, Peng Yunfeng. Structural equation model analyzing relationship among N application-carbonhydrate product-grain yield of maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(10): 98－104. (in Chinese with English abstract)

[2] 战领，杨汉波，雷慧闽. 基于通量观测数据的玉米水碳交换量及水分利用效率分析[J]. 农业工程学报，2016,32（增刊1）:88－93.

Zhan Ling, Yang Hanbo, Lei Huimin. Analysis of corn water consumption, carbon assimilation and ecosystem water use efficiency based on flux observations[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016,32(Supp.1): 88－93. (in Chinese with English abstract)

[3] 矫江，项洪涛，王立志，等. 黑龙江省粮食单产大幅度提高的原因分析 [J]. 中国农学通报，2015,31(36):113－118.

Jiao Jiang, Xiang Hongtao, Wang Lizhi, et al. Reasons of grain yield increase per unit area in Heilongjiang province[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015, 31(36): 113－118. (in Chinese with English abstract)

[4] 张君，赵沛义，潘志华，等. 基于产量及环境友好的玉米氮肥投入阈值确定[J]. 农业工程学报，2016，32(12)：136－143.

Zhang Jun, Zhao Peiyi, Pan Zhihua, et al. Determination of input threshold of nitrogen fertilizer based on environment- friendly agriculture and maize yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(12): 136－143. (in Chinese with English abstract)

[5] Okumura R, Filho P, Scapim C, et al. Effects of nitrogen rates and timing of nitrogen topdressing applications on the nutritional and agronomic traits of sweet corn[J]. Journal of Food, Agricultural & Environment, 2014, 12(2): 391－398.

[6] 张亦涛，王洪媛，刘申，等. 氮肥农学效应与环境效应国际研究发展态势[J]. 生态学报，2016，36(15)：1－15.

Zhang Yitao, Wang Hongyuan, Liu Shen, et al. A bibliometrical analysis of status and trends of international researches on the agronomic and environmental effects of nitrogen application to farmland[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(15): 1－15. (in Chinese with English abstract)

[7] Paponov I, Engels C. Effect of nitrogen supply on leaf traits related to photosynthesis during grain filling in two maize genotypes with different N efficiency[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2003, 166(6): 756－763.

[8] 邓春岩，陈芳，张丽坤，等. 小型施肥器的设计[J]. 农机化研究，2011(6)：87－90.

Deng Chunyan, Chen Fang, Zhang Likun, et al. The design of a mini-type of fertilization equipment[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011(6): 87－90. (in Chinese with English abstract)

[9] 莫盛秋，李洪达. 一种农作物根部施肥机的设计[J]. 中国农机化，2011(2)：94－97.

Mo Shengqiu, Li Hongda. Design of plant root fertilizers machine[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2011(2): 94－97. (in Chinese with English abstract)

[10] 吴波，李问盈，李洪文，等. 垄台修复中耕施肥机的设计[J]. 农业工程学报，2008，24(9)：99－102.

Wu Bo, Li Wenying, Li Hongwen, et al. Design of ridge reshaping and intertillage fertilizer applicator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(9): 99－102. (in Chinese with English abstract)

[11] 李明金，张成亮，吴家安，等. 玉米大垄双行动力式中耕施肥机的设计与试验[J]. 农业科技与装备，2015(11)：26－28，31.

Li Mingjin, Zhang Chengliang, Wu Jiaan, et al. Design and experiment of power type intertillage fertilizer applicator for corn big double ridge[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2015(11): 26－28,31. (in Chinese with English abstract)

[12] 车刚，张伟，梁远，等. 3ZFC-7型全方位复式中耕机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2011，27(1)：130－135.

Che Gang, Zhang Wei, Liang Yuan, et al. Design and experiment of the 3ZFC-7 omni-bearing duplex type cultivator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 130－135. (in Chinese with English abstract)

[13] 陈志刚，王玉光，孟婷，等. 喷雾施药植株红外对靶试验[J]. 排灌机械，2009，27(4)：237－241，246.

Chen Zhigang, Wang Yuguang, Meng Ting, et al. Experiment of infrared target detection for plants pesticide spraying[J]. Drainage and Irrigation Machinery, 2009, 27(4): 237－241, 246. (in Chinese with English abstract)

[14] 邓巍，赵春江，何雄奎，等. 绿色植物靶标的光谱探测研究[J]. 光谱学与光谱分析，2010，30(8)：2179－2183.

Deng Wei, Zhao Chunjiang, He Xiongkui, et al. Study on spectral detection of green plant target[J]. Spectroscope and Spectral Analysis, 2010, 30(8): 2179－2183. (in Chinese with English abstract)

[15] 宋淑然，陈建泽，洪添胜，等. 果园柔性对靶喷雾装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(10)：57－63.

Song Shuran, Chen Jianze, Hong Tiansheng, et al. Design and experiment of orchard flexible targeted spray device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 57－63. (in Chinese with English abstract)

[16] 刘雪美，李扬，李明，等. 喷杆喷雾机精确对靶施药系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(3)：37－44.

Liu Xuemei, Li Yang, Li Ming, et al. Design and test of smart-targeting spraying system on boom sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 37－44. (in Chinese with English abstract)

[17] Brown D, Giles D, Oliver M, et al. Targeted spray technology to reduce pesticide in runoff from dormant orchards[J]. Crop Protection, 2008, 27(3/5): 545－552.

[18] 尹东富，陈树人，裴文超，等. 基于处方图的室内变量喷药除草系统设计[J]. 农业工程学报，2011，27(4)：131－135.

Yin Dongfu, Chen Shuren, Pei Wenchao, et al. Design of map-based indoor variable weed spraying system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(4): 131－135. (in Chinese with English abstract)

[19] 冯青青，赵春江，王晓楠，等. 基于视觉伺服的樱桃番茄果串对靶测量方法[J]. 农业工程学报，2015，31(16)：206－212.

Feng Qingqing, Zhao Chunjiang, Wang Xiaonan, et al. Fruit bunch measurement method for cherry tomato based on visual servo[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 206－212. (in Chinese with English abstract)

[20] Malnersic A, Dular M, Sirok B, et al. Close-range air-assisted precision spot-spraying for robotic applications: Aerodynamics and spray coverage analysis[J]. Biosystems Engineering, 2016, 146(Supp.1): 216－226.

[21] Oberti R, Marchi M, Tirelli P, et al. Selective spraying of grapevines for disease control using a modular agricultural robot[J]. Biosystems Engineering, 2016, 146(Supp.1): 203－215.

[22] 傅泽田，祁力钧，王俊红，等. 精准施药技术研究进展与对策[J]. 农业机械学报，2007，38(1)：189－192.

Fu Zetian, Qi Lijun, Wang Junhong, et al. Development tendency and strategies of precision pesticide application techniques[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(1): 189－192. (in Chinese with English abstract)

[23] 程旭锋，肖爱平，李婷，等. 葡萄树干局部环形对靶装置的设计与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(增刊1)：20－26.

Cheng Xufeng, Xiao Aiping, Li Ting, et al. Design and experiment of local grapevine trunk targeted precision sprayer[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2016, 32(Supp.1): 20－26. (in Chinese with English abstract)

[24] 曹峥勇，张俊雄，耿长兴，等. 温室对靶喷雾机器人控制系统[J]. 农业工程学报，2010，26(14)：228－233.

Cao Zhengyong, Zhang Junxiong, Geng Changxing, et al. Control system of target spraying robot in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2010, 26(14): 228－233. (in Chinese with English abstract)

[25] 王金武，潘振伟，周文琪，等. SYJ-2型液肥变量施肥机设计与试验[J]. 农业机械学报，2015,46(7)：53－58.

Wang Jinwu, Pan Zhenwei, Zhou Wenqi, et al. Design and test of SYJ-2 type liquid variable fertilizer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(7): 53－58. (in Chinese with English abstract)

[26] 刘春香，王金武，周文琪，等. 液肥深施双斜孔式喷肥针动力学分析与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(3)：53－58.

Liu Chunxiang, Wang Jinwu, Zhou Wenqi, et al. Dynamics analysis and experiment of double oblique hole spray fertilizer needle of liquid fertilizer deep-fertilization[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 53－58. (in Chinese with English abstract)

[27] 王金武，周文琪，张春凤，等. 非规则齿轮行星系扎穴机构反求设计与试验[J]. 农业机械学报，2015，46(11)：70－75.

Wang Jinwu, Zhou Wenqi, Zhang Chunfeng, et al. Reverse design and experiment of non-circular gear planetary system picking hole mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(11): 70－75. (in Chinese with English abstract)

[28] 李洪，王斌，李爱军，等. 玉米株行距配置的密植增产效果研究[J]. 中国农学通报，2011，27(9)：309－313.

Li Hong, Wang Bin, Li Aijun, et al. Effects of allocations of row-spacing on maize yield under different planting densities[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(9): 309－313. (in Chinese with English abstract)

[29] 郑媛媛. 电动玉米中期追肥机的设计与试验研究[D]. 合肥：安徽农业大学，2013.

Zheng Yuanyuan. Design and Experiment of the Electric Fertilizer Applicator[D]. Hefei: Anhui Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[30] 高筱钧，周金华，赖庆辉. 中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(2)：20－28.

Gao Xiaojun, Zhou Jinhua, Lai Qinghui. Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed-metering device for panax notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transaction of the CSAE), 2016, 32(2): 20－28. (in Chinese with English abstract)

[31] 成大先. 机械设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2008.

[32] 李仕途，罗燕，宋成良，等. 玉米茎秆节间抗折强度分析[C]//北京力学会第17届学术年会论文集. 北京，2011.

[33] 高明波，金益，刘红军，等. 密度和追肥量对玉米产量的影响[J]. 黑龙江农业科学，2008(6)：38－41.

Gao Mingbo, Jin Yi, Liu Hongjun, et al. Effect of density and additional fertilizer amount on maize yield[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2008(6): 38－41. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of targeted hole-pricking and deep-application fertilizer applicator between corn rows

Hu Hong, Li Hongwen※, Wang Qingjie, He Jin, Zhang Yifu, Chen Wanzhi, Wang Xianliang

(100083,)

Corn is a kind of important food crop and feed source, which is of great significance for solving the grain problem of human. Practices have proved that reasonable topdressing especially nitrogen (N) fertilizers in corn growth period can promote the corn growth effectively and improve the corn yield. Huge bellbottom period for corn is the most important period for applying topdressing, during which vegetative growth and reproductive growth occur at the same time. Meanwhile, it is the fertilization habit to apply topdressing in corn’s huge bellbottom period in China. However, with the trend of rural labor transferring to the town in recent years, as well as the main fertilization machinery in the domestic market being handheld, the operation has low working efficiency and great labor intensity. For these reasons, it is more difficult to apply topdressing in the middle and later stage of corn growth, which can’t meet the requirement of high yield and high efficiency for corn cultivation. A targeted hole-pricking and deep-application fertilizer applicator, which worked between corn rows with 500-600 mm row spacing, was designed to deal with the difficulties in applying topdressing during the middle and later growth stage of corn, and the fertilizer applicator could fertilize 2 rows in a single pass. The corn plant position detection mechanism and ratchet clutch mechanism were used to determine the position of pricked holes, and the motion locus of hole-pricking and fertilization mechanism was synergistically controlled by a horizontal displacement compensator and a crank-link mechanism, which was aimed to realize the vertical movement in the processes of targeted hole pricking and the fertilizing with zero speed. Key parameters of corn plant position detection mechanism and hole-pricking and fertilization mechanism were determined based on the theoretical calculation and empirical design, the theoretic position of pricking point was calculated at the ideal conditions, and the motion locus of drill point of hole-pricker was simulated using MATLAB. Meanwhile, the structure and working principle of the main working parts of the fertilizer applicator were introduced. The field experiment verifying the working performance of the fertilizer applicator was conducted in July, 2016 in Qingyuan County, Fushen City, Liaoning Province. As indicated in the field experiment results, the fertilizing amount of per hole was 2.3 g when the fertilizer cavity was 20 mm long; the coefficient of variation for total fertilizing amount was 3.2%; the average fertilizing depth was 91.3 mm; the average fertilizing distance was 127.5 mm; the unfinished topdressing rate was 2.7%; and the qualified rates of fertilizing depth and fertilizing distance were 88.3% and 96.7%, respectively. All the related indicators met the technological requirements. The maximum amplitude at vertical direction was 16.2 mm, and side-slip phenomenon was not observed during the field experiment. The fertilizing amount was less than 52.5 kg·hm2when using the targeted hole-pricking and deep-application fertilizer applicator. In the forward process of fertilizer applicator, the hole-pricking and fertilization mechanism pricked holes vertically, the position of the pricked holes was one-to-one corresponding to the corn plant, and there was small soil disturbance. This study provides reference for the design of precise inter-row fertilizer applicator for corn.

agricultural machinery; design; crops; corn rows; targeted hole-pricking; deep-application fertilizer applicator

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.004

S224.21

A

1002-6819(2016)-24-0026-10

2016-10-02

2016-10-29

国家重点研发计划课题—北方作物精量播种和精密化肥深施关键技术与装备（2016YFD0200607）；教育部创新团队发展计划资助项目（IRT13039）

胡 红，男，四川巴中人，博士生，主要从事保护性耕作研究。北京 中国农业大学工学院，100083。Email：huhong@cau.edu.cn。

李洪文，男，江苏泗阳人，教授，博士生导师，主要从事保护性耕作与农业装备研究。北京 中国农业大学工学院，100083。Email：lhwen@cau.edu.cn。