“一膜两年用”玉米全膜双垄沟扎穴施肥装置设计

戴 飞，赵武云，孙步功，杨 杰，唐学鹏，辛尚龙

(1.甘肃农业大学机电工程学院， 甘肃 兰州 730070； 2.中国农业大学工学院， 北京 100083；3.新疆农业大学机械交通学院， 新疆 乌鲁木齐 830052)

“一膜两年用”玉米全膜双垄沟播农艺技术是将覆膜栽培、农田免耕和轮作方式相结合与配套的一种抗旱、保墒新技术，具有蓄水保墒、提高地温、抑制杂草病虫害、节水增效等优点，是干旱、半干旱雨养农业区农业增产、农民增收的有效技术途径[1-2]。2015年甘肃省玉米全膜双垄沟播技术示范面积达到7.6×105hm2以上，并由此派生出了集“全膜覆盖双垄沟播技术”、“免耕技术”相结合的“一膜两年用”免耕种植模式[3]。但是，该农艺技术由于上年种床在覆盖地膜的制约下田间基肥无法及时准确施入，使得作物不同生长阶段膜下的追肥、施肥问题成为制约其推广应用的“瓶颈与难点”。因此，机械化膜下精量扎穴施肥将是今后大面积推广“一膜两年用”玉米全膜双垄沟播技术的重要载体与必然选择，是实现全膜双垄沟大田作物生产全程机械化的关键环节[4]。

目前，国内液态肥追肥装置应用较多，但其并不适宜于“十年九旱”的西北旱区雨养农业[5-6]，因此，施用固态颗粒肥更能满足西北旱区全膜双垄沟“一膜两年用”农艺技术要求。实地调研发现，我国西北地区玉米全膜双垄沟“一膜两年用”农艺技术配套的相关膜下施肥机具主要是依靠手持的追肥枪，人工操作劳动强度高，作业效率低，追施质量得不到保障。相关研究表明：玉米全膜双垄沟膜上播种、施肥过程中作业机触土部件引起的挑膜、撕膜现象是制约该农艺技术配套发展全程机械化的主要原因之一。为此，课题组在前期研发了携有盘型凸轮水平分速补偿机构的玉米全膜双垄沟直插式穴播装置[7]。但在田间样机可靠性试验过程中发现，由于盘型凸轮补偿机构受制于凸轮轮廓内凹段轨迹影响，补偿放大机构在与其接触、顶推过程中容易产生拐点和死区现象，推杆与凸轮内凹段会产生瞬间冲击，导致推杆折弯或者卡死而不能平滑过渡，最终使得速度补偿机构失效；且该装置在不更换不同曲率盘型凸轮的前提下， 仅依靠改变补偿机构相关结构、 运动参数无法完成不同穴距调整。 因此， 为满足和适应甘肃不同降雨量地区有关不同株距的玉米种植模式的需求， 进一步改善和提高直插式膜下施肥装置水平分速补偿的准确性， 通过链传动将转动导杆机构和正弦机构进行串联， 设计一种携有近等速补偿机构且在作业过程中仅需调整该机构中曲柄长度、 主动杆转速及曲柄轴转速即可实现施肥穴距改变的“一膜两年用”玉米全膜双垄沟膜下扎穴施肥装置。

1 整机结构与工作原理

1.1 结构组成

“一膜两年用”玉米全膜双垄沟扎穴施肥机主要由机架、近等速补偿机构、肥箱、曲柄-连杆机构、放大机构、输肥管、扎穴施肥装置、传动系统、动力机、行走轮、减速器、地轮和操作扶手等部件组成，作业机结构如图1所示。

注：1.行走轮；2.动力机；3.放大机构；4.操作手柄；5.肥箱；6.机架；7.曲柄-连杆机构；8.输肥管；9.扎穴施肥装置；10.地轮；11.近等速补偿机构；12.变速箱

Note: 1.wheel; 2.power machine; 3.amplifying structure; 4.operating handle; 5.applicator tank; 6.rack; 7.crank linkage mechanism; 8.fertilizer spout; 9.picking hole fertilize mechanism; 10.land wheel; 11.compensation mechanism with approximate constant speed; 12.gearbox

图1 “一膜两年用”玉米全膜双垄沟扎穴施肥机结构

Fig.1 Structure diagram of picking hole fertilize mechanism with “one film used for two years” pattern of corn whole

plastic-film on double ridges

其中，肥箱排肥器选用外槽轮式排肥器，动力机为小型风冷式柴油机，减速器选用蜗轮蜗杆减速器；近等速补偿机构主要由主动杆、传动齿轮、导杆、平移杆等部件组成；曲柄-连杆机构由曲柄、连杆和滑块组成。

扎穴施肥装置在膜下施肥作业过程中的堵塞问题是影响穴施效果(固体颗粒肥料漏施、多施)的关键因素。为此，扎穴施肥装置采用限制钢丝软绳开启长度的方法控制施肥成穴器的打开与关闭。当外槽轮式排肥器转动作业，固体颗粒肥通过输肥管进入扎穴施肥装置成穴器，并随着曲柄-连杆机构做水平运动。在扎穴施肥器没有插入覆膜种床前，扎穴施肥装置主要依靠压板弹簧来控制其闭合，如图2a所示。当扎穴施肥装置插入覆膜种床且至下极限点位置时，限定长度的钢丝软绳则随着曲柄-连杆机构转动与直插杆下移被拉紧，装置弹簧压板收缩并受到种床挤压，保证了扎穴施肥器的准确开启(图2b)。由于钢丝软绳通过插销轴中心，即使仿形杆在前后方向上倾斜一定的角度，其两边的拉伸长度也是一致的。

1.2 传动方案与作业原理

“一膜两年用”玉米全膜双垄沟扎穴施肥机传动系统如图3所示。柴油机动力经带轮传递至减速器，减速器经链传动将动力传输至两侧地轮轴上，带动地轮转动前行；地轮轴经大、小齿轮啮合传动与链传动分别将动力传递至近等速补偿机构与排肥器转轴上，并在中置放大机构的作用下配合完成膜下直插式扎穴施肥作业。

注：1.插销轴；2.直插成穴杆；3.扎穴施肥器；4.仿形杆；5.钢丝软绳；6.弹簧压板

Note: 1.wheel; 2.direct insert-cavitation rod; 3.picking hole fertilize mechanism; 4.profiling rod; 5.soft steel wire rope; 6.spring pressing plate

图2 扎穴施肥装置结构 Fig.2 Structure diagram of picking hole fertilize mechanism

注：1.柴油机；2.减速器；3.地轮；4.地轮轴；5.近等速补偿机构；6.放大机构；7.排肥器转轴

Note: 1.diesel engine; 2.reducer; 3.land wheel; 4.axle; 5.compensation mechanism with approximate constant speed; 6.amplifying structure; 7.spindle of fertilizer device

图3 传动系统示意图

Fig.3 Schematic diagram of transmission system

样机工作时，柴油机转动作业，通过动力输出端的带轮将动力传递，同时带动转动导杆机构与正弦机构运行，实现近等速补偿机构(即将转动导杆机构与正弦机构通过链传动转动串联)、放大机构与曲柄-连杆机构共同控制扎穴施肥器的运动，以补偿施肥器在机具前进方向上的位移[8]。如图4所示，当施肥器入土和出土时，近等速补偿机构通过放大机构为曲柄-连杆机构中的滑块部件提供近等速补偿，使得施肥器相对于地面的水平分速度近等于零，近似垂直破膜入土、出土完成膜下精量施肥作业。

1.3 主要技术参数

“一膜两年用”玉米全膜双垄沟膜下施肥方式如图5所示，依照玉米植株在小垄垄沟内种植位置的分布，膜下扎穴施肥位置设定在靠近小垄垄体膜侧，并与玉米种植位置呈“品”字型排列，两者间距保持在30 mm[9]。因此，将扎穴施肥器行距设计为200 mm，施肥穴距根据当地玉米播种株距进行调节，施肥深度在40～50 mm之间。“一膜两年用”玉米全膜双垄沟膜下施肥机技术参数如表1所示。

注：1.机架；2.主动杆；3.导杆滑槽；4.导杆；5.小齿轮；6.大齿轮；7.曲柄；8.平移杆滑槽；9.平移杆；10.放大机构；11.曲柄-连杆机构；12.扎穴施肥器

Note: 1.rack; 2.driving link; 3.guide chute; 4.guide rod; 5.small gear wheel; 6.big gear wheel; 7.crank; 8.shift lever chute; 9.shift lever; 10.amplifying structure; 11.crank linkage mechanism; 12.picking hole fertilize mechanism

图4 工作原理 Fig.4 Schematic diagram of operation machine

注：1.扎穴施肥位置；2.大垄垄体；3.小垄垄沟；4.玉米种植位置；5.小垄垄体

Note: 1.picking hole fertilize location; 2.big ridge body; 3.small ridges furrow; 4.corn planting location; 5.small ridge body

图5 “一膜两年用”玉米全膜双垄沟膜下施肥方式示意图

Fig.5 Schematic diagram of “one film used for two years” fertilization strategies under film pattern of corn whole plastic-film on double ridges

2 膜下扎穴施肥机构设计

如图4所示，基于近等速补偿机构的膜下扎穴施肥装置是由转动导杆机构和正弦机构两部分串联而成，为曲柄-连杆机构中的扎穴施肥器提供水平方向的循环近等速度，以近似补偿机具的前进速度。

2.1 正弦机构设计

近等速补偿机构中正弦机构如图6所示，取曲柄与x方向的夹角为θ7，曲柄的长度为LDE，角速度为w7，分析平移杆的速度v9，即曲柄在x方向的分速度。

表1 作业机主要技术参数 Table 1 Main technical parameters of operation machine

注：1.大齿轮 2.曲柄 3.平移杆滑槽 4.平移杆

Note: 1.big gear wheel; 2.crank; 3.shift lever chute; 4.shift lever

图6 正弦机构示意图

Fig.6 Schematic diagram of the sine generator

由图6分析可得：

v9=LDE×ω7=cosθ7

(1)

得到平移杆的速度v9的曲线，如图7所示。

图7 正弦机构中平移杆的速度曲线

Fig.7Curvefortheshiftleverofsinespeed

2.2 转动导杆机构设计

近等速补偿机构中转动导杆机构结构如图8所示，取AB的长度为LAB，主动杆BC的长度为LBC，取导杆AC的长度为LAC，取主动杆与机架竖直方向的夹角为θ2，取导杆与机架竖直方向夹角为θ4，主动杆角速度为w2，导杆角速度为w4，分析导杆角速度w4。

由图8分析可得：

(2)

得到导杆的角速度速度w4的曲线，如图9所示。

注：1.机架 2.主动杆 3.导杆滑槽 4.导杆 5.小齿轮

Note: 1.rack; 2.drivinglink; 3.guidechute; 4.guiderod; 5.smallgearwheel

图8 转动导杆机构示意图Fig.8 Schematic diagram of rotating guide rod mechanism

图9 转动导杆机构中导杆的角速度曲线

Fig.9Curveforrotatingguiderodmechanismangularvelocityofrod

2.3 机构串联设计

由正弦机构中平移杆的速度曲线(即曲柄在x方向分速度)与转动导杆机构中导杆角速度曲线的变化趋势可以看出，正弦机构中平移杆线速度在一个周期内出现了三次峰值，即有三次出现绝对值最大，转动导杆机构中导杆的角速度在两个周期内出现了三次最小值。正弦机构中平移杆的速度曲线(实线)与转动导杆机构中导杆的角速度曲线(虚线)对照图如图10所示。

图10v9与w4的曲线对照

Fig.10 Contrast figure forv9andw4curve

为此，将正弦机构和转动导杆机构通过大齿轮与小齿轮啮合传动串联起来，大齿轮与小齿轮分别安装在机架D点和A点处，传动比取2，使得转动导杆机构中导杆角速度在两个周期内出现的三次最小值可以将正弦机构中平移杆速度在一个周期内出现的三次峰值逐渐拉平，此时平移杆速度将出现两段近等速运动，得到平移杆速度v9的曲线如图11所示。

图11 近等速补偿机构中平移杆的速度曲线

Fig.11 Curve of shift lever of compensation mechanism with approximate constant speed

3 近等速机构的优化

3.1 优化目标提出

近等速补偿机构中平移杆的线速度计算公式如下：

(3)

分析式(3)可知，影响近等速补偿机构中平移杆速度的因素有主动杆长度LBC、主动杆与导杆旋转中心距离LAB、曲柄长度LDE和主动杆角速度w2(为便于仿真参数设置，后续分析以主动杆转速替代)。在计算机中反复测算，当主动杆转速取90.90 r·min-1，平移杆速度在近等速运动时间段的平均速度为166.6 mm·s-1与166.7 mm·s-1之间时膜下扎穴施肥运动轨迹良好。所以，初步确定LBC=150 mm，LAB=60 mm，LDE=49.05 mm，并在此条件下对近等速补偿机构进行优化设计，使得机构中平移杆速度在近等速运动时间段的速度标准偏差最小(即近等速运动平稳性最好)。

由于主动杆需要做圆周运动，所以：

LAB

(4)

3.2 样机建模与优化

图12 优化目标 Fig.12 Optimization of goal

图13 优化后平移杆的速度曲线

Fig.13 Curve of shift lever speed after optimized

4 机构虚拟试验

设置近等速补偿机构各组成部件相关的最优组合变量为：LAB=60 mm、LBC=151 mm、LDE=49.035 mm，进行玉米全膜双垄沟扎穴施肥装置作业过程虚拟试验，获得施肥器的扎穴运动轨迹，并评价近等速补偿机构对机具前进速度的补偿效果。为了便于仿真分析，将装置模型简化，简化机构与施肥器的运动轨迹如图14所示。

采用SolidWorks Motion进行仿真分析，在曲柄-连杆机构中的曲柄与机架铰接处添加旋转马达1，值为45.45 r·min-1，在近等速机构主动杆旋转中心处添加旋转马达2，值为90.90 r·min-1，在机架水平方向添加线性马达1，值为500 mm·s-1，设定仿真时间为4×1.32 s=5.28 s，机具的运行周期为1.32 s。开始计算，仿真结束后，得到施肥器的运动轨迹(对应施肥穴距为330 mm)。

依据甘肃省陇东(穴距为250 mm)、陇中(穴距为300 mm)和河西(穴距为200 mm)地区玉米全膜双垄沟不同种植株距，调整扎穴施肥装置近等速补偿机构的设计参数，以实现施肥间距的变换调整[12-13]。不同的施肥穴距对应不同的曲柄转速，对于近等速补偿机构而言，需要对应不同的主动杆转速；由于前进速度不变，所以水平补偿速度不变。因此，在改变对应主动杆转速、曲柄轴转速的前提下对近等速补偿机构中三个设计变量值进行改变，以补偿整机的前进速度。

注：1.运动轨迹；2.近等速补偿机构；3.放大机构；4.曲柄-连杆机构；5.机架；6.扎穴施肥器；7.小垄垄体侧面

Note: 1.motion trajectories; 2.compensation mechanism with approximate constant speed; 3.amplifying structure; 4.crank linkage mechanism; 5.rack; 6.picking hole fertilize mechanism; 7.small ridge body side

图14 虚拟样机模型与运动轨迹

Fig.14 Simplified model and trajectories of virtual prototype

机构虚拟试验过程中发现，当主动杆与导杆旋转中心距离LAB与主动杆长度LBC的比值不变时，近等速运动段速度相对稳定，所以在调整施肥穴距过程中仅改变曲柄LDE的取值。如表2所示，当玉米全膜双垄沟扎穴施肥装置近等速补偿机构取不同的作业参数时，能够实现不同施肥穴距的调整，如图15所示。

图15 扎穴施肥装置对应的不同穴距/mm

Fig.15 Different hole spacing of picking hole fertilize mechanism

由图15施肥穴距调整及其运动轨迹可以看出，扎穴施肥装置能够满足“一膜两年用”玉米全膜双垄沟不同穴距膜下近似垂直扎穴施肥作业；近等速补偿机构变量最优组合可作为不同施肥穴距调整的理论依据。

5 结 论

1) 针对“一膜两年用”玉米全膜双垄沟田间基肥无法及时准确施入，种植作物需要不同生长阶段膜下的追肥、施肥问题，设计了携有近等速补偿机构的“一膜两年用”玉米全膜双垄沟扎穴施肥装置。该装置在工作过程中对扎穴施肥装置水平分速度补偿准确、可靠，且仅需调整其曲柄长度、主动杆转速及曲柄轴转速便可实现施肥穴距的改变，避免了前期相关作业机构研究存在的问题。

表2 不同施肥穴距作业参数 Table 2 Main operation parameters of different fertilization hole spacing

注：前进速度均为0.50 m·s-1。

Note: forward velocity all is 0.50 m·s-1.

2) 对近等速补偿机构作业过程进行理论分析，揭示了膜下近似垂直扎穴施肥装置的工作原理，确定了影响其作业性能的相关因素，并对其设计参数进行优化，获得在施肥穴距为330 mm时机构的最优组合变量：LAB长度为60 mm、LBC长度为151 mm、LDE长度为49.035 mm。

3) 对影响不同施肥穴距的近等速补偿机构参数进行分析，通过仿真计算，获得甘肃陇东(株距为250 mm)、陇中(株距为300 mm)、河西(株距为200 mm)地区不同施肥穴距下近等速补偿机构所对应的作业参数。

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