精准打窝施肥机的研制与试验

□周彦君 刘小谭 邓佳 吴伦/四川省农业机械研究设计院

0 引言

在作物生产中，施肥是提高作物产量和质量的重要途径，也是劳动强度较大的一项工艺过程[1]。目前，发达国家的施肥机械自动化程度较高，其施肥机械广泛采用较为先进的技术如智能传感技术、自动避障装置、变量施肥技术等[2-4]。

我国农业机械化发展较晚，施肥机械化程度较低，大部分作物生产过程中仍采用人工施肥的作业方式，劳动强度大，作业效率低，已成为制约我国作物生产的重要因素[5]。而目前机械施肥又多采用开沟施肥、抛撒施肥等方式，一方面，均匀性和精准性难以控制；另一方面，对肥料的利用率较低，增加了生产成本，造成了资源浪费。

为有效提高作物生产过程中施肥这一工艺的机械化水平，结合精准施肥要求，笔者设计了一款精准打窝施肥机，并对其进行了相关的田间试验。

1 精准打窝施肥机整机结构与工作原理

1.1 整机结构

精准打窝施肥机的整机结构如图1所示，主要由行走装置、打窝装置、机架、传动装置、施肥装置、操纵杆以及动力装置组成。其动力装置采用173F柴油机，该机额定功率3.5 kW，额定输出转速3 600 r/min。

1.2 工作原理

作业时，由柴油机为精准打窝施肥机提供动力，柴油机通过离合器将动力传递到传动装置，传动装置通过链传动或皮带传动将动力分别传递给行走装置、打窝装置以及施肥装置。在链传动和皮带传动的作用下，打窝装置能够同时做上下运动和旋转运动，实现打窝功能；在缺齿齿轮传动作用下，行走装置和打窝装置实现互锁功能，即打窝施肥机处于行走状态时，打窝装置处于非作业状态；打窝装置处于作业状态时，行走装置处于静止状态，确保打窝质量和施肥的精准性。

2 关键零部件的设计

2.1 打窝装置的设计

图1 精准打窝施肥机整机结构图

打窝装置如图2所示，综合考虑打窝的工艺要求，采用曲轴机构来实现打窝装置在竖直方向的进给运动，打窝装置的旋转切土功能采用皮带轮带动导向轴旋转实现。连杆与导向轴之间采用万向节连接，便于更换不同类型的打窝头，打窝头由6个相同的刀片呈均角焊接在导向轴上，刀片材料选用耐磨性较好的65Mn钢，综合考虑打窝施肥的农艺要求，打窝头的打窝半径为140 mm，打窝深度为220 mm。

作业时，在曲轴带动连杆竖直方向往复运动以及皮带轮带动导向轴旋转的共同作用下，打窝头一边向下运动，一边依靠旋转运动切土并将切下的土壤抛出坑外，实现打窝功能。

图2 打窝装置示意图

2.2 打窝与行走互锁装置的设计

打窝和行走的互锁装置见图3，打窝装置的主动齿轮为双联齿轮，行走装置的主动齿轮为两个不同规格的独立齿轮，两者的主动齿轮安装在同一根主动轴上。行走装置和传动装置的从动轴相互独立，且均安装有与主动齿轮对应的两个不同规格的从动齿轮。

图3 打窝与行走的互锁装置

图4 打窝装置与行走装置互锁齿轮

打窝装置与行走装置互锁齿轮见图4，打窝装置的双联主动齿轮为缺齿齿轮，行走装置左侧的主动齿轮也为缺齿齿轮，且与打窝装置的缺齿齿轮为互补齿轮。当打窝装置的主从动齿轮处于非啮合状态，行走装置的全齿主动齿轮与其从动齿轮啮合时，打窝装置处于非工作状态，打窝施肥机可快速行走；当打窝施肥机的缺齿主动齿轮和行走装置的缺齿主动齿轮分别与其对应的从动齿轮啮合时，打窝施肥机处于工作状态，由于二者的主动齿轮为互补齿轮，因此，打窝装置和行走装置的缺齿主动齿轮能够实现对打窝装置和行走装置的互锁功能，即当打窝装置的主动齿轮有齿部分与其从动齿轮啮合，带动打窝装置工作时，行走装置的缺齿主动齿轮与其从动齿轮处于非啮合状态，行走装置处于非工作状态，反之亦然。

2.3 施肥装置的设计

参照《农业机械设计手册》[6]设计外槽轮式施肥装置（如图5所示），该施肥装置由柴油机通过传动装置提供动力。

为保证整机的平衡性和作业效率，需要设计大小、结构合理的肥料箱，该施肥装置肥料箱分为上下两个部分：上部分是长宽高分别为320 mm、250 mm、

350 mm的长方体；下部分由顶面为300 mm×350 mm的矩形、底面为300 mm×130 mm的矩形、高为90 mm的五面体。因此，该肥料箱体积为0.029 m3。颗粒肥料的密度在700～800 kg/m3，如尿素的密度为720 kg/m3，硝酸二胺的密度为789 kg/m3。因此，该肥料箱一次可装20～24 kg的颗粒肥料。

图5 施肥装置示意图

根据作物生产施肥过程的农艺要求，参照相关行业标准[7]，外槽轮排肥器的转速设置为30 r/min，排肥轴工作长度在0～40 mm的范围内调节，施肥轴每转一周最大排肥量为0.029～0.033 kg，可通过抽拉肥量调节板调节排肥轴实际工作长度来调节排肥量。

根据打窝装置与行走装置的互锁功能，施肥装置的主动齿轮安装在打窝装置的从动轴上，当打窝装置处于工作状态时，施肥装置处于排肥状态，且可通过调节圈状施肥器的安装位置使其恰好将肥料施入上一个打窝机打出的窝坑中，实现精准施肥的目的。

3 精准打窝施肥机的田间性能试验

根据前期设计完成样机的制作后，为检验样机的作业性能是否满足打窝施肥的农艺要求，笔者选择双流区金桥镇久天家庭农场进行了性能试验。

3.1 试验方案

进行田间性能试验前，需要对试验地的某些参数进行测量，主要包括土壤含水率、0～300 mm土壤平均坚实度等。试验过程中需要对打窝的深度、直径、抛土距离、施肥效果、作业效率等参数进行测试。因此，试验准备有秒表、皮尺、深度尺、土壤坚实度仪、环刀等测量工具，相关参数的测量参照国标GB/T 5668.3-1995完成。

土壤的含水率测量采用环刀取样、真空干燥的方法。平均坚实度采用SC900土壤坚实度仪，该土壤坚实度仪测量压力范围为0～7 000 kPa，测量深度为0～450 mm，压力和深度测量精度分别为±103 kPa和12.5 mm；使用时，将坚实度仪垂直地面以低于25.4 mm/s的速度插入土壤中，仪器每隔25 mm自动记录土壤的坚实度，测试完成后可将数据导出处理。

3.2 精准打窝施肥机的田间性能试验

2018年4月，笔者在双流区金桥镇久天家庭农场进行了田间试验，如图6所示。该试验地的土壤平均含水率为20%，土壤0～300 mm平均坚实度为1.2 kPa，在该试验地进行打窝施肥作业过程中，机器运行平稳，能够实现一次作业完成打窝、施肥两个环节，平均打窝深度220 mm，平均打窝直径140 mm，机具平均生产率不低于1 000窝/h。

图6 打窝施肥机田间性能试验

4 结论

本文设计了一种精准打窝施肥机，该机作业性能满足作物生产过程中打窝、施肥的农艺要求，一次作业可完成打窝和施肥两项农艺环节。后期可对该机进一步优化，如优化打窝装置的结构，增加覆土装置，使其一次作业能够完成打窝、施肥、覆土三项农艺环节。