马铃薯微型种薯种植机双侧位深施肥装置设计与试验

王兵督

（池州学院，安徽 池州 247000）

在全球粮食系统中，马铃薯占据重要地位。作为马铃薯播种面积最大的国家，我国种薯繁育和种植技术迅速发展，截至2022 年底，马铃薯种植面积达5 807 万亩，年产量达1.14 亿t。而在马铃薯种植过程中，播种施肥为关键环节，将给马铃薯产量和质量带来直接影响。采用脱毒培育的微型种薯耕种可以提升马铃薯品质，但需进一步采取有效种植机械提高产量。因此，应结合种薯农艺要求加快现代化种植机具研发，为推动马铃薯产业规模化发展提供有力技术支撑。

1 马铃薯微型种薯种植要求

马铃薯微型种薯又被称为“小薯苗”，利用脱毒苗组培扩繁，能有效提高培苗生产效率，满足马铃薯大批量、机械化种植需求[1]。马铃薯主要采用露地和大棚种植方式，均为单垄单行，种前应提前开沟，种植深度控制在100 mm 左右，株距约200 mm，行距为600 mm~700 mm。马铃薯采用两侧点肥方式，施肥到种薯下方50 mm~80 mm 位置，横向与种薯保持30 mm~60 mm距离，合理控制施肥量，避免出现烧苗问题。在培土起垄时，应确认垄面平均宽度达到300 mm 以上，高度在200 mm 以上。不同于切块薯，微型种薯更适宜机械化种植，要求实现播种、施肥一体化作业，全面提高马铃薯产量和品质[2]。但采用传统外槽轮式播种机存在肥料定位不准、施肥量不足等问题，无法满足微型种薯高效种植需求[3]。

2 马铃薯微型种薯种植机整机结构及工作原理

2.1 整机结构

在设备研发方面，为满足马铃薯微型种薯机械化种植需求，设计集开沟、施肥、播种、覆土、起垄等功能于一体的设备。在施肥方面，采取侧位分施方法，从种薯两侧向深处土壤施肥，为种薯提供足够肥力。采用悬挂式设计方案，通过主机悬挂架悬挂各种播种和施肥部件，通过车轮传动和液压马达提供动力，能够通过简化机械结构达到较高传动效率，有效降低机械设备生产和制造成本[4]。从设备构成来看，主要包含开沟器、播种器、施肥器、划行器、起垄培土圆盘、肥箱、种箱、液压马达和控制系统等，将对称中心面当成基准，实现各种部件纵向布置，形成4 行悬挂结构。整机前部为开沟和施肥装置，开沟后将肥料施加在肥沟内，然后在种沟内完成种薯播种，后方为划行器和起垄装置，依靠地轮提供动力，将种薯深埋后起垄。

2.2 工作原理

在种植机作业过程中，由拖拉机带动种植机地轮转动，完成开沟、播种、起垄等作业。开沟器包含两套，分别配合播种器和施肥器作业。设备主要采用针刺式排种方式，通过地轮带动链条向与整机相反的方向转动，并在链条上按固定距离均布取种针。使用张紧装置完成链条预紧，可以防止链条松动，使株距得到有效控制。在播种器工作过程中，取种针将在链条带动下转至种箱位置插取种薯，并携带种薯向下运转，在接触到地面后，依靠种针和地面的相互作用力将种薯留置在种沟内。施肥过程可以划分为充肥、分肥和排肥三个阶段，通过地轮传动方式带动施肥器作业，使肥料依靠自重和流动性从肥箱进入施肥器[5]。利用施肥器中的螺旋装置拌肥，并将肥料输入两侧排肥口中，能够完成分肥作业，最后肥料排入输肥管中，落入肥沟内。

3 马铃薯微型种薯种植机双侧位深施肥装置设计与试验

3.1 施肥装置设计

3.1.1 设计方案

在马铃薯种植机设计过程中，重点需做好施肥装置设计。根据设计需求，在使用种植机播种施肥前，可通过电控盒输入亩施肥量，并通过地轮上的转速传感器向电控盒反馈速度信号，可按照预定程序实现播种器和施肥器电磁阀控制，驱动各部分协调作业[6]。在施肥装置工作过程中，施肥器螺旋轴配备转速传感器，能读取轴实际转速，将信号传输至电控盒内，通过实时对比设定转速，纠正电磁阀开关量，确保施肥量得到精准控制。在施肥深度控制上，可知施肥开沟器的开沟弹齿通过卡子固定在横梁上，能通过弹齿和卡子间的紧固螺栓调整开沟深度和施肥宽度。

在装置设计实践中，应实现肥料预拌操作，因此在肥箱内设置搅拌轴，通过液压马达驱动运行，直接将多种肥料加入肥箱后，可通过电控设备完成肥料混合。在种植机作业期间，搅拌轴持续作业，使结块肥料得到有效处理，保证肥料拥有良好的流动性。从施肥器构成来看，包含螺旋装置、接肥腔和护腔结构，螺旋装置包含轴和叶片，接肥腔由两端两个出口构成，可以将接到的肥料均匀划分为两部分，护腔结构通过螺栓紧固在一处，中间设置矩形入肥口，下部与排肥口连接，保证肥料能够深施至种薯两侧。在种植机作业时，肥料从肥箱进入施肥器，由于螺旋面存在摩擦力，导致肥料颗粒运动受叶片转动影响，将沿着轴线和圆周运动，向着出肥口方向移动[7]。经过搅动后，肥料到达输送器末端，从螺旋装置上脱落，沿着肥腔向前减速运动。在肥料移动过程中，颗粒间将进行动态接触，在叶片推力下接近排肥口位置，掉落至输肥管中，顺利完成肥料投放。施肥器安装在肥箱下方，通过地轮传动方式带动螺旋轴转动。而轴上叶片的螺旋方向相反，能够将肥料分别推送至不同出肥口。

3.1.2 主要技术参数

在施肥器设计中，要求肥料流入后可以将螺旋叶片充满，需做好叶片直径、周转直径和螺距等主要参数设计。设备施肥效率与行进速度、种植面积等相关，能够得到：

式中，Q为施肥效率；G为单位面积施肥量；v和w分别为行进速度和作业幅宽；x为施肥轴数量。设备拥有4个施肥轴，作业幅宽为3.6 m，行进速度为5 km/h，能够确定设备施肥效率。结合设备设计经验，可知：

式中，D为螺旋叶片直径；S为螺距；A为肥料综合特性系数，取45；M为肥料填充系数，取0.5；ρ为肥料密度，取980 kg/m3；ε为倾斜输送系数，取1；k1为螺距和叶片直径比例系数，取0.8。

通过分析，能够得到螺旋叶片直径为57 mm，螺距为45.6 mm，轴直径为18 mm。选用推力大的实体螺旋面设计施肥器，为保证螺旋装置结构强度足够，并且具有一定耐腐蚀性，选用304 不锈钢制作叶片和轴，叶片厚达2 mm。

为确保肥料顺利充入腔体内，将入口设计为160 mm×65 mm 矩形，肥腔和出肥口直径同样为65 mm，两个出肥口间保持340 mm 距离。为确认设备的肥料输送效果，将肥料当成研究对象，将螺旋轴平行方向看成x轴，将与出肥口横截面垂直方向看成y轴，对肥料运动过程展开分析[8]。使用SolidWorks 软件模拟肥料运动过程，可以发现螺距越大，肥料颗粒间将发生更长时间的相互作用，导致排肥过程不稳，因此需通过增加叶片长度减小螺距，确保肥料靠近出肥口。而想要使肥料达到最大轴向速度，同时减小圆周旋转速度，需建立无滑动接触力学模型完成离散元仿真分析[9]。从分析结果来看，螺距的增加将促使肥料加速向轴向方向运动，同时圆周方向的运动速度也有所加快。经过系统分析，最终确定在轴距达到45 mm时，肥料沿轴向的运动速度可以达到12 mm/s 以上，且圆周方向的运动速度变化不大，可以有效提高施肥器输肥能力。

3.2 装置性能试验

3.2.1 台架试验

采取台架试验方式验证装置输肥效果，可使用SL300 型3D 打印机完成施肥器加工，然后将史丹利复合肥当成材料，搭建试验台架开展输肥试验。肥料为颗粒状，在模拟种植机运行时，将传送带运行速度设定为0.5 m/s，螺旋轴转速需达到30 r/min，传送带与排肥口保持120 mm 距离。使用直尺在传送带上按照200 mm×220 mm 的尺寸划分网格，并利用胶带标记，在排肥后完成各网格肥料收集，并利用电子秤分别称量。若肥料落在胶带边框，则遵循“记上、记右”原则收集，分析得到各区域肥料质量分布规律[10]。重复开展5 次试验，取均值作为试验结果。按照式（3）计算排肥均匀度变异系数：

式中，n为监测网格数目，取值6；m为网格内肥料质量均值；mi为第i个网格肥料质量；s为肥料总质量标准差；σ为排肥均匀度变异系数，大小与施肥器排肥均匀性成反比。

从试验结果来看，施肥器的排肥均匀度变异系数为3.99%，说明设计的施肥装置施肥能力良好，能够将肥料高效输送至指定位置范围。

3.2.2 田间试验

为验证配备双侧位深施肥装置的种植机能否用于开展马铃薯微型种薯种植作业，选取100 m×50 m矩形地块开展试验。试验基地位于黑龙江，土壤为黑壤土，湿度达到19.7%。提前准备好电子天平、游标卡尺、土壤水分速测仪、钢卷尺、拖拉机等机具，并完成整地作业，确保土壤疏松、平整，达到机械化作业要求。通过拖拉机挂接种植机具作业，以0.5 m/s速度前进。在试验过程中，重点对开沟深度、施肥量和种肥横、纵间距等指标进行测量，确认施肥装置能否做到精准施肥。为此，在播种后完成种植行编号，在机械设备稳定运行后随机选取5 行测量各项指标。将10 m长当成区间段，各段测量5次区平均值。

从试验结果来看，设备开沟深度平均值能够达到119.2 mm，利用下式计算沟深稳定性系数：

式中，Y为沟深稳定性系数；S1为沟深标准差；h为沟深均值；hi为i处沟深；V为沟深变异系数。

通过分析可知，设备的沟深稳定性系数能够达到93%以上，可以保证施肥深度足够。从种肥横向间距来看，平均能够达到51.2 mm，垂直方向间距平均可以达到63.5 mm，均能满足马铃薯种植要求。此外，从种植机整体作业情况来看，设备开沟性能良好，可以做到精准播种，播种后地表平整度良好，起垄高度也能达到农艺要求。

4 结论

综上所述，使用微型马铃薯种薯开展机械化种植作业的过程中，需解决精准施肥的难题。设计集播种、施肥、起垄等功能于一体的种植机，使用专门的施肥装置完成充肥、分肥和排肥操作，需设计高度可调的开沟器配合作业，并通过内置螺旋装置完成肥料预拌，然后通过肥腔在种薯两侧肥沟内施加肥料。采用仿真分析手段辅助确定各项结构设计参数，确定在螺距达到45 mm时装置能达到较高的输肥效率，然后通过台架试验和田间试验证实了设备作业性能良好，能够加快马铃薯规模化种植进程。