气吹式水稻水直播机侧深施肥装置的设计

李 宁，孙振雨，安龙哲，徐 峰，王丽君，聂海强，王密盛,吴忠民，李翠玲

(1.黑龙江省农业机械工程科学研究院 牡丹江分院，黑龙江 牡丹江 157011；2.牡丹江市农业机械化技术推广站，黑龙江 牡丹江 157011)

0 引言

水稻是中国主要的粮食作物，在保障我国粮食安全中起着重要的作用。化肥对提升水稻产量有不可替代的作用，通过合理的方式使用化肥，对提高肥料的利用率和保护农田环境有重要意义[1]。目前，我国水稻种植主要包括插秧和直播两种方式。近年来，由于农村地区劳动人口的减少，水稻机械化直播种植方式因具有省工、节本、省时等优势发展较快。目前，水稻直播施肥多采用人工或撒播机将化肥撒施在土壤表层。这种施肥方式存在肥料漏施或施肥过量等问题，导致水稻幼苗吸收养分不均，环境污染，直接影响水稻品质和产量。水田侧深施肥技术是将化肥一次性定量施入水稻植株根系侧面一定深度的土壤中，该项技术能提升化肥的利用率，保护环境，节约生产成本，减轻农民的劳动强度[2]。

以水田侧深施肥农艺要求为基础，针对水稻水直播机设计了气吹式水稻侧深施肥装置，采用电机驱动施肥、气吹送肥的原理。实现水稻直播作业与侧深施肥作业同时进行，提高肥料利用率，降低水稻的生产成本，增加农民收益。

1 整体结构和工作原理

1.1 整体结构

气吹式水稻侧深施肥装置的总体结构如图1所示，该装置主要由风力输送系统、肥箱、排肥轴、排肥器、排肥管、排肥口、立板等部分组成。

1.风力输送系统;2.肥箱;3.排肥轴;4排肥器;5排肥管;6.排肥口;7.立板

1.2 工作原理

水田侧深施肥装置应用电机驱动施肥、气吹送肥技术。作业开始前，在施肥控制器上输出所需的排肥量。作业时，排肥电机驱动排肥器工作，进行排肥作业，风机同步启动，产生气流，通过气流对颗粒肥进行输送。

采用排肥电机转速随水稻水直播机前进速度同步调节的方法控制排肥量，通过GPS实时测量水稻水直播机前进速度，根据水稻水直播机行进速度，实时调节排肥量。施肥开沟器在种穴侧面 3 cm 处开设一条深 5 cm的矩形沟槽，排肥器排出的颗粒肥在气流和重力的共同作用下，经排肥器、排肥管，落入开设的沟槽中。

2 主要工作部件设计

排肥机构和风力输送系统是水稻直播机侧深施肥装置的两个主要组成部分，其工作性能将直接影响侧深施肥装置的作业质量，通过理论分析和计算,确定了各主要工作部件的结构参数。

2.1 排肥部件

2.1.1 排肥器结构及工作原理

排肥器采用螺旋槽式结构，其整体结构如图2所示，主要包括调节螺栓、调节轮、清肥口锁扣、毛刷、弧形插板、排肥轮、壳体等部分组成。排肥器采用插板式调整机构，调节螺栓安装在壳体左端，调节轮通过螺纹与调节螺栓连接，调节轮上安装弧形插板，壳体侧端开设有弧形插板相对应的弧形槽。作业时,肥料通过箱下部的孔槽排出，落入螺旋槽式排肥器内。排肥器通过调节轮调整弧形插板的开度，实现排肥器排肥量的调整。螺旋式排肥轮(图3)由驱动轴带动旋转，肥料颗粒依靠重力依次填充排肥轮凹槽，肥料颗粒随排肥轮转动，肥料颗粒在螺旋槽轮轮脊的带动下，由排肥舌的端部边缘落下，经排肥口排出，完成作业。

1.调节螺栓;2.调节轮;3.清肥口锁扣;4.毛刷 ;5.弧形插板;6.排肥轮;7.壳体

图3 螺旋式排肥轮结构示意图

2.1.2 结构参数分析

目前，市场上使用广泛的外槽轮排肥器大都是直槽式排肥轮，这种排肥轮具有结构简单、排量稳定、调节方便、生产成本低等优点。但由于外槽轮排肥轮的轮脊结构影响，排肥轮旋转到轮槽处排出的肥量比轮脊处大，肥料颗粒易出现脉动现象。影响排肥的稳定性和均匀性。为解决上述问题，将排肥器的直槽式排肥轮改进为螺旋式排肥轮，在轮毂表面开设若干个按螺旋线轨迹均匀分布的圆弧形轮槽。随着排肥轮的转动，可以使肥料颗粒沿着圆弧形轮槽的旋转方向均匀、连续不断地排出。

排肥轮轮槽截面如图4所示，轮槽截面为圆弧形。其面积为

图4 螺旋式排肥轮截面形状剖视图

(1)

式中α—轮槽节距角，rad；

β—轮槽在排肥轮截面上跨度，rad；

R—排肥轮半径，mm；

r—圆弧形轮槽的半径，mm；

z—轮槽数量；

s—单个凹槽截面积，mm2；

施肥作业时，肥料颗粒从肥箱落入排肥器内，充满排肥轮槽。随着排肥轮的转动，这部分肥料被强制排出。排肥轮齿的驱动和肥料颗粒之间的摩擦也会使位于排肥轮槽周边的肥料颗粒被带动排出，则排肥器每转的排肥量为

(2)

式中q1—强制排出肥料质量，g·r-1；

q2—被带动排出肥料质量，g·r-1；

q—转动1圈肥料排出质量，g·r-1；

ρ—肥料颗粒的密度，g·cm-3；

τ—肥料的充满系数；

B—有效工作宽度，mm；

λ—周边肥料颗粒的带动系数。

通过分析式(1)与式(2)可知，排肥轮半径、轮槽数量、有效工作宽度和轮槽截面形状是影响排肥轮工作性能的主要结构参数。螺旋式排肥轮直径越小，排肥轮上的轮槽数量就越少，必须提高排肥轴的旋转速度，才能增大排肥器施肥量的调节范围，但随着排肥轴旋转速度的提高，肥料颗粒磨损严重，部分肥料颗粒还会被排肥轮带回排肥器内，排肥轮的充肥时间缩短，排肥稳定性降低。螺旋式排肥轮直径增大，会导致排肥器结构尺寸过大，增加装置整体重量。根据农艺要求，设计目标排肥量为140～920 kg·hm-2，螺旋式排肥轮直径为55 mm，螺旋轮槽数量为8个。为保证排肥量能大幅度调节，有效工作宽度应大于30 mm。

为了保证排肥的均匀性，相邻的2个螺旋轮槽应保持连续工作状态，即在前一个轮槽完成工作的同时，下一个轮槽已经开始工作。所以螺旋角的取值范围应为

(3)

式中P0—轮槽节距，mm；

φ—轮槽螺旋角，rad；

D—排肥轮直径，mm。

螺旋角的大小会影响肥料颗粒的轴向移动和沿排肥轮径向旋转运动[3]。随着螺旋角的增大，肥料颗粒的轴向速度会先增大后减小，周向速度会逐渐增大，周向速度增大有利于肥料颗粒从轮槽内排出；但螺旋角的增大，会使部分肥料颗粒被轮槽带回排肥器内。在保证排肥稳定性和均匀性前提下，轮槽的螺旋角应越小越好。将设计参数代入式(3)中，得到轮槽螺旋角最小取值为35.75°，进行圆整，轮槽螺旋角设计为36°。

2.2 风力输送系统结构设计

在水田作业环境中，湿度较大，颗粒肥易潮解，容易粘附在排肥管内，水和泥浆有时也会进入排肥管内，这些情况都容易造成排肥管的堵塞。针对以上问题，该装置采用气吹式输送肥料系统进行辅助排肥。

风力输送系统主要由风速调节开关、风机、送风管、分流管接头、密封盖、分流管组成。图5为风力输送系统结构简图。

1.风速调节开关;2.风机;3.送风管;4.分流管接头;5.分流管;6.密封盖

风机挂接在机架左侧立板，与送风管始端相连接，送风管固定在机架中间立板，末端由密封盖封闭，并固定于机架右侧立板，分流管的进气口与送风管上的分流管接头连接在一起，分流管的出气口与排肥管连接。系统工作时，颗粒肥经排肥器下落至排肥管，风机将具有一定速度的压缩气体送入分流管，气流从分流管进气口输入，沿分流管进入排肥管，与排肥管内的肥料颗粒混合。在重力和气流的共同作用下，肥料颗粒通过排肥口落入施肥开沟器已开设出的沟槽内。

3 结论

依据寒地水稻侧深施肥技术农艺要求，结合水稻水直播生产技术，设计了气吹式水稻水直播机侧深施肥装置。通过理论分析和计算，确定了各项主要技术参数，完成装置的总体设计。