玉米液态追肥除草机设计与试验

赵建国，赵超凡，李 浩，齐浩凯，马跃进，卢占喜

（1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001；2.河北双天机械制造有限公司，河北 定州 073099）

玉米是我国三大粮食作物之一，其产量对于我国粮食安全起着至关重要的作用［1］。玉米施肥、除草环节是保证其茁壮生长、稳产增产的重要措施。目前大部分农户为了节省劳力和时间，种植玉米时往往实行一次性施底肥，该方式施肥量大，很难平衡玉米不同生长期对肥量的不同需求，尤其到玉米大喇叭口前后期，肥料供给不足凸显，且追肥多以施颗粒肥为主，肥料利用率低［2］。针对田间杂草问题，农户多数采用苗前封闭或苗后施药的方式，药液过量施用及利用率低的问题普遍存在，环境污染大，对玉米生长产生了一定的不利影响。

为实现玉米田间追肥，欧美国家大多使用大型撒肥或喷肥机械，如约翰迪尔4730 型喷肥机［3］可以实现喷液态肥和化学除草剂，工作效率高。由于国外种植面积广，其大型机具难以适用我国田间作业。目前我国现有的追肥机大部分为低地隙追肥机，如3ZF-6 型中耕追肥机，可以实现多行开沟、追肥、除草、培土复合作业，行距和开沟深度可调，工作效率高，但离地间隙低，仅适用于玉米幼苗期追肥，在玉米生长中后期难以下地。为提高追肥精度，王金武［4］设计了1 种液态差动式双向喷肥装置，对玉米根部深施液态肥，大大提高了肥料利用率，但工作精度要求过高，工作效率低。为实现机械除草，研究者也进行了大量研究，但除草铲多为单翼铲或双翼铲，此类除草结构对土壤扰动量较大，且易缠草。3ZCF-7700 型中耕除草机［5］可实现追肥、除草一体，其除草采用箭铲式除草铲，除草率较低，伤苗率较大。东北农业大学顾向阳［6］设计了1 种旋转式除草机，通过性强，除草率高，机具由7 个单体构成，工作效率较高。

本文为实现玉米中后期追液态肥，提高肥料利用率，减少化学除草剂的使用，研制了1 台高地隙玉米追肥除草一体机。该机具可以在玉米生长中后期对根部双侧深施液态肥，以水带肥，水肥能迅速到达根部，更易于根部的吸收，提高化肥利用率［7］。采用机械除草机构进行除草作业，在减少化学除草药剂使用的同时，还能起到松土透气、防止表层土壤板结的作用。

1 整机结构设计

1.1 整机结构和工作原理

高地隙玉米追肥除草一体机如图1 所示，主要由肥箱、机架、支撑轮、除草结构、双侧开沟施肥器、覆土轮构成，可实现开沟、施肥、除草、覆土等功能。

图1 整机结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the whole machine structure

机具的4 个单体通过U 型螺栓连接在机架横梁上，拖拉机通过三点悬挂带动机具前进。四连杆仿形结构可以保障机具开沟深度、除草深度稳定，弹性结构能够保证机具在工作过程中不易被破坏［8］。电机驱动除草轮工作，除草架上丝杠结构可以调节除草深度。在单体上焊接横梁，用来固定双侧开沟施肥器。2 个开沟器通过方形口和U 型卡安装在横梁的左右两侧，实现开沟器的高度和苗带间距的调节。机架上安装有2 个肥箱，排肥管连接开沟器后端焊接的圆柱输肥管进行施肥。

为实现均匀追肥，采用GPS 测速的电驱式玉米精量追肥控制系统，机具在前进过程中，排肥量随车速的变化而变化，从而实现精量排肥［9］。

1.2 主要技术参数

依据玉米行距为600 mm，设计单体中心距为600 mm。为了避免伤苗，单体的最大宽处为480 mm，机具的横梁总长度为2.5 m。

玉米拔节期的高度约为700 mm，为了实现高地隙追肥，且考虑到机具的稳定性及对玉米地凹凸不平的适应性，设计横梁的离地高度为850 mm，主要参数如表1 所示。

表1 追肥除草一体机主要结构参数Table 1 Main structural parameters of the topdressing and weeding machine

1.3 关键部件设计

1.3.1 追肥结构设计 追肥结构设计如图2 所示，主要由肥箱、水泵、流量计、肥管、开沟器、镇压轮等组成。首先由每个单体两侧的开沟器在地上开出肥沟，肥箱内的液态肥经水泵排出，通过输肥管流到肥沟内，每个水泵为1 个单体的2 个开沟器进行供肥。该机可实现对玉米根部双侧深施肥，通过调节开沟器的纵向和横向位置来调节追肥深度和追肥苗带位置。为避免水肥挥发，设计镇压轮，通过连杆结构将镇压轮与开沟器连接在一起，使镇压轨迹与除草轮开沟轨迹一致，实现良好的镇压效果。

图2 追肥结构图Fig. 2 Structure diagram of topdressing

1.3.2 除草结构设计 通过田间调查，在玉米生长中后期，田间杂草平均高度≤300 mm。为避免在除草过程中缠草现象，要保证2πr≥L。式中r为除草轮半径，mm；L为苗间杂草高度［10］，mm。在半径为100 mm 的轮毂电机上焊接刀片，除草轮整体半径为150 mm，满足上式要求。参考现有的除草轮尺寸与结构，设计刀齿数目为6。除草轮转速较高，且机具前进速度较慢，故不会出现漏除的情况。为保障不伤苗，除草轮宽度即刀片长度为330 mm。

除草结构如图3 所示，除草轮通过轴销安装在除草架上。除草架一端通过轴销安装在单体上，另一端通过丝杠结构安装在单体梁上，通过调节螺栓来实现除草深度的调节，弹簧可使除草结构具有一定的仿形能力。

图3 除草结构图Fig. 3 Structure diagram of weeding

2 除草轮结构优化设计

2.1 优化试验方案

除草轮在工作过程中，其阻力主要来自于刀片切入土壤过程中受到的阻力，阻力越大耗电量越大，为减小入土阻力，对除草轮结构进行优化设计。

以除草轮刀齿厚度、刀齿宽度、刀齿焊接角度（焊缝与除草轮旋转中心间的夹角）为变量因素进行优化设计。依据除草轮整体结构，综合考虑刀片形状以及使用寿命情况，每个因素设置3 个水平，其因素水平表如下表2 所示。考虑到各试验因素之间的交互效应关系，采用响应面分析法进行试验设计与分析，在Design-Expert 软件中根据Box-Behnken 试验设计，采用三因素二次回归正交旋转组合试验［11］。

表2 试验因素水平Table 2 Level of test factors

2.2 除草轮离散元仿真与结果分析

为得到除草轮受力，将每组参数的除草轮结构通过EDEM 软件进行离散元仿真分析。建立虚拟土槽模拟真实土壤情况，依据除草轮结构及入土深度，设置土槽长×宽×高为2 000 mm×400 mm×200 mm，土壤颗粒形状为球状颗粒，颗粒半径为5 mm。通过参考文献［12-14］，对颗粒、65Mn 钢的属性参数以及两者接触系数和恢复系数进行设置，其参数如表3所示。设置生成颗粒的总时长为9 s，颗粒的生成数量为2 000 个/s，颗粒的掉落速度为-2 m/s，时间步长为10%，网格尺寸单元为3 倍的最小颗粒半径。

接触模型是建立虚拟土槽的关键［15］，接触模型的建立以及参数的设置能够反映实际的土壤力学特性［16］。Hertz-Mindlin with Bonding 模型颗粒之间的粘结键，可以用其来模拟土壤颗粒之间的液桥力，该模型主要用于模拟破碎和断裂等问题［17］。因此该仿真选择Hertz-Mindlin with Bonding 接触模型，其参数如表3 所示。颗粒粘结半径的大小，通过含水率计算得出，土壤含水率为15%。

表3 仿真参数Table 3 Simulation parameters

式中，m1为土壤颗粒的质量，kg；m2为水分的质量，kg；ρ1，ρ2为土壤密度和水的密度，kg/m3；v1为土壤所占体积，m3；v2为水分所占体积，m3；R1为土壤颗粒半径，mm；R′1为土壤颗粒模型粘结半径，mm。

上式联立可得土壤粘结半径为5.4 mm。

在SolidWorks 中建立三维结构图，并保存为STEP 格式，导入EDEM 软件中。为控制变量，入土深度均为30 mm，且初始位置一致。设置仿真时间为4 s，仿真Rayleigh 时间步长为10%，进行仿真分析。图4 中a 为除草轮在仿真过程中颗粒的速度云图、b 为除草轮的受力云图。

图4 除草轮仿真过程图Fig. 4 Simulation process diagram of weeding wheel

分别将各组除草轮的受力数据导出，将1.0 ～3.0 s的数据求平均值得出其平均受力结果，其结果如表4所示。

表4 试验方案与结果Table 4 Scheme and results of the test

应用Design-Expert 软件对表中除草轮所受阻力进行回归方程方差分析［18］，其分析结果如表5 所示。

表5 受力方差分析Table 5 Analysis of variance force

由表5 可知，模型显著性检验P值＜0.000 1，失拟项P值为0.155 5，表示模型极其显著，试验正确有效，失拟项不显著，拟合程度高。分析结果可以清楚的看到每一个因素对除草轮受力的影响程度，越显著表明此因素对指标的影响越大，相关度也就越高［19］。结果表明，一次项焊接角度（A）、刀齿厚度（B）对除草轮受力影响极显著（P＜0.01）；一次项刀齿宽度（C）对除草轮受力影响显著（P＜0.05）；交互作用项AB、AC对除草轮受力影响显著，即焊接角度和刀齿厚度的交互作用项影响显著、焊接角度和刀齿宽度交互作用项影响显著，刀齿厚度和刀齿宽度交互作用项影响不显著。二次项A2对除草轮受力影响显著。其余各项对除草轮受力影响不显著。其显著性顺序为A、B＞AB＞C＞AC＞A2；剔除显著性低的因素进行方差分析，得到除草轮受力与各因素之间的二次多元方程为：y=188.02+37.65A+24.15B-6.00C-9.27AB-8.07AC+6.99A2

试验因素交互作用显著项对除草轮所受阻力的响应面如图5 所示。从图a 中可以得出，在刀齿宽度一定的情况下，阻力随着刀齿厚度及焊接角度的增加而增加；从图b 中可以看出，在刀齿厚度一定的情况下，焊接角度越大，阻力越大，刀齿宽度增加，其阻力增加不明显。

图5 试验因素交互作用显著项对阻力的响应面Fig. 5 The response surface of the significant item of experimental factor interaction to resistance

依据以上结果，在Design-Expert 软件中以除草轮所受阻力最低为指标，对除草轮刀片的结构参数进行优化，得到除草轮结构工作的最优参数组合为焊接角度0.07°，刀齿厚度3.02 mm，刀齿宽度40.06 mm，考虑实际加工情况，选择焊接角0°，刀齿厚度3 mm，刀齿宽度40 mm。以最优参数建立除草轮三维模型，并进行EDEM 仿真试验，得到其平均受力为117.325 N。

为了验证除草刀的结构强度是否合理，本文采用EDEM 接口，将除草轮在EDEM 仿真过程中与土壤颗粒之间的接触力导入到ANSYS Workbench 中［20］。对除草轮进行自动网格划分，网格尺寸3 mm。共划分22 618 个单元，得到47 420 个节点，由于刀片是焊接在除草轮电机上，所以对除草轮电机两侧添加固定约束。

分析结果如图6 所示，图a 为除草轮总变形云图，除草轮的最大变形发生在除草轮入土刀片上的两端，且最大变形量为0.161 mm；图b 为除草轮等效应力云图，除草轮在工作过程中最大应力为11.392 MPa，远小于材料的许用应力（150 ～286 MPa）［21］，除草轮在工作状态下满足设计要求。

图6 除草轮有限元分析结果Fig. 6 Finite element analysis results of weeding wheel

3 室内试验与田间试验

依据DB63/T 1289—2014《中耕除草机作业质量》、JB/T7864—2013《中耕追肥机》和GB/T 20346.1—2006《施肥机械试验方法》中的试验标准和方法进行试验。为了验证追肥结构的工作性能，以施肥量偏差、排肥量稳定性、各行排肥量一致性为指标进行静态试验［22］；为了综合验证除草结构的工作性能，以除草率、伤苗率为指标进行田间试验。试验要求施肥量偏差≤5%，各行排肥量一致性变异系数≤8.0%，除草率≥80%，伤苗率≤5%。

3.1 排肥试验

排肥试验在室内进行。在肥箱内装有配比好的液态肥，手转地轮摇把模拟车前进，用8 个相同的水桶在每个排肥口接肥，并用台秤进行称重。

（1）施肥量偏差测量

追肥系统安装变量排肥控制装置，可实现每亩地施肥量0 ～90 kg 可调，规定每亩地排肥量为60 kg 水肥。为了验证其排肥能力，分别将其调节至最高、最低、以及实际工作时规定的排量，测量其60 s 内实际排肥量与理论值的误差，每组试验进行5 次，取平均值。由于添加GPS 系统，其排肥随车速的变化而变化，从而保证施肥量均匀。此试验在室内进行，手转地轮摇把模拟车前进，摇把转1 圈为直径450 mm 的地轮转1 周所走过的路程，故其每分钟排量仅与其摇把转过的圈数有关。以车速为0.9 m/s 计算每分钟驱动轮所转圈数：

式中，s1每分钟车走过的路程，m；s2地轮转1圈走过的路程，m；v为车速，m/s；n为每分钟内手摇地轮圈数；D为地轮直径，m。

经计算，所转圈数为38 圈。

由于每亩地排肥总量一定，故每分钟理论排肥值仅车速有关，以车速为0.9 m/s 计算每分钟的理论总排量：

式中，t为当车速为0.9 m/s 时，每亩地的工作时间，s；S为每亩地的面积，m2；L为拖拉机作业幅宽，m；v为车速，m/s；V为每分钟理论排量值，kg/min。

经计算，以0.9 m/s 车速，每亩地工作时间为308.8 s，理论值V值的计算结果如表中所示。手摇地轮，尽量使速度与实际车速保持一致，减小误差。改变其每亩地排肥量，称重地轮转38 圈的排肥量。每分钟理论排量值与实际平均排肥量如表6所示。

表6 排肥能力测量Table 6 Measurement of fertilizer discharge capacity

从表6 中可以看出，当排量为10 kg/亩时，误差为0.52%，当排量为60 kg/亩时，误差为3.09%，当排量调节至最大为90 kg 每亩时，误差为2.78%。

（2）排肥稳定性测量

将排肥量设置为每亩地60 kg，测量地轮转38圈的排肥量，试验共进行5 次，如表7 所示，通过公式7 ～9 计算得出其排肥量稳定性变异系数为1.01%。

表7 排肥稳定性测量表Table 7 Table of measuring fertilizer stability

式中，x为各次排肥量平均值，kg；xi为各次排肥量，kg；n为测定次数；sf为各次排量一致性标准差，kg；v为各次排量一致性变异系数。

（3）各行排肥量一致性测量

将排肥量调节至60 kg/亩，称重各个排肥口在地轮转38 圈内排出的水肥，试验进行5 次。表8 为各行排肥一致性测量表，各行排肥量一致性变异系数为3.45%。

表8 各行排肥一致性测量表Table 8 Measurement table of consistency of fertilizer discharge for each row

3.2 田间除草试验

在河北省庞口镇的试验田进行田间试验。玉米为拔节时期，玉米叶片数9 个左右，玉米植株高度约为700 mm，行距为600 mm，株距为230 mm 左右。杂草生长密度及高度不规律，平均高度为100 ～300 mm。

为验证拖拉机前进车速和除草深度对除草率和伤苗率的影响，进行除草试验［24］。在试验前进行单因素试验，试验证明：当车速超过0.9 m/s 时，车速过快，拖拉机前进方向掌握不稳，导致伤苗率增大，当车速低于0.3 m/s 时，车速过小，工作效率降低，所以车前进速度设置为0.3、0.6、0.9 m/s 3 个水平。当除草轮入土深度超过40 mm 时，阻力过大，会出现停转的现象，在除草深度低于20 mm 时，除草轮与土壤接触不够，很多草未除到，所以除草深度的水平设置为20、30、40 mm 3 个水平，试验共进行9 组试验。

（1）除草率测定

在每组试验的试验测区内随机选定5 个测点，由于除草轮宽度为330 mm，故选取每个测试区为长2 m，宽330 mm 的长方形区域统计除掉杂草根数和未除掉杂草根数。按公式（10）计算除草率：

式中，Cr为除草率，%；Z为除草试验区域内的总杂草数，株；S为除草后除草试验区域内剩余杂草数，株。

（2）伤苗率测定

在每组测区内随机选定5 个测点，每个测点内测量10 m 内玉米总株数，以及伤苗的株数。按公式（3）计算伤苗率：

式中：Ir为伤苗率，%；M为10 m 内的玉米总数，株；I为10 m 内伤苗总数，株。

除草效果如图7 所示，其试验结果如表9 所示。

表9 田间试验Table 9 Field test

图7 除草效果Fig. 7 Effect of weeding

使用极差分析来评价各试验因素对评价指标的影响程度，试验因素的主次关系由极差的大小决定，极差越大，影响程度越大［10］。表中K1、K2、K3为每个因素对应i水平的除草率或伤苗率之和，R为极差，即最大K值与最小K值之差。通过分析可以得出，各因素对除草率的影响顺序由高到低为深度、速度；对伤苗率的影响顺序由高到低为速度、深度。除草率越高越好，伤苗率越低越好，通过比较各因素的K值，得出除草率的最优组合为：0.3 m/s，40 mm，伤苗率最优：0.3 m/s，20 mm。通过上表可以看出当车速为0.3 m/s 时，除草深度为40 mm 时，除草率达到最高，此时伤苗率小于5%，综合考虑，故选择车速0.3 m/s，除草深度40 mm。

通过计算9 组试验的平均伤苗率为2.47%，平均除草率为93.91%，除草机的除草效果良好。

4 结论

（1）设计了1 台高地隙玉米液态追肥除草机，可实现开沟、追肥、除草、覆土的复合作业。对玉米根部双侧深施液态肥，更易于根系吸收；以机械除草代替化学除草，不仅保护环境，且能疏松土壤。

（2）以除草轮入土阻力最小为边界条件对除草轮结构进行优化设计，其结果为：焊接角度0°，刀齿厚度3 mm，刀齿宽度40 mm，其最优结构的三维模型平均仿真受力为117.325 N，除草轮的最大变形为0.161 mm，最大应力为11.392 MPa。优化后阻力变小，且变形量与所受最大应力均满足材料的设计要求。

（3）室内试验和田间试验结果表明，追肥除草一体机施肥量偏差平均为2.13%、排肥量稳定性变异系数为1.01%、各行排肥量一致性变异系数为3.45%，平均除草率为93.91%，平均伤苗率为2.47%。其排肥效果较好，施肥量均匀，除草率较高，伤苗率较低，易于玉米生长。