祝清震，武廣偉，陳立平，孟志軍，史江濤，趙春江

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基于旋耕覆土的冬小麥基肥分層定深施用裝置設(shè)計(jì)

祝清震1,2，武廣偉2，陳立平3，孟志軍3，史江濤4，趙春江1,2※

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100； 2. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097； 4. 西安亞澳農(nóng)機(jī)股份有限公司，西安 710300）

針對中國黃淮海地區(qū)冬小麥主產(chǎn)區(qū)基肥的無序、過量施用和利用率低等問題，該文在基肥分層施用農(nóng)藝研究基礎(chǔ)上，基于旋耕機(jī)覆土原理，提出了土壤后覆蓋方式下的冬小麥基肥精準(zhǔn)分層定深投送方法，并設(shè)計(jì)了冬小麥基肥分層定深施用裝置，該裝置可一次完成旋耕、分層施肥和鎮(zhèn)壓作業(yè)。其中旋耕機(jī)構(gòu)配備變速齒輪傳動(dòng)箱，可以進(jìn)行高、中、低3種轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換，選用國標(biāo)IT245型號旋耕刀，在刀輥上按對稱螺旋線布置；肥料分層投送機(jī)構(gòu)配深層和淺層排肥管，用于深層和淺層肥料的投送作業(yè)。在北京小湯山精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行了裝置的田間作業(yè)性能試驗(yàn)，結(jié)果顯示：裝置在120、150和180 mm的3種耕深作業(yè)工況下，耕深最大誤差為5 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)最小為93.84%，滿足旋耕機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能技術(shù)要求；設(shè)置淺層和深層肥料的目標(biāo)施用深度分別為80和150 mm，實(shí)際肥料施用深度穩(wěn)定性系數(shù)分別為92.38%和95.11%、合格率分別為83.33%和90%，滿足旋耕施肥裝置的作業(yè)性能指標(biāo)要求。該研究可以為冬小麥基肥的機(jī)械化精準(zhǔn)分層定深施用技術(shù)提供裝備支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；旋耕；基肥；分層施肥

0 引 言

基肥施用是農(nóng)作物生長管理過程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，高效的施用基肥方法對保證農(nóng)作物的產(chǎn)量具有重要意義[1-2]。在中國黃淮海地區(qū)，小麥等農(nóng)作物的基肥施用方法仍然沿用地表撒施+深翻或旋耕的深施或全層施用技術(shù)模式，這2種基肥施用模式方式存在化肥無序投放、利用率低和過量施用的缺點(diǎn)[3-4]，改變和優(yōu)化現(xiàn)有小麥的基肥施用方式是亟需解決的問題，因此研究人員從農(nóng)藝的角度對基肥施用方式進(jìn)行了大量研究，其中基肥分層施用是較為先進(jìn)的施肥技術(shù)方式之一[5-7]，夏光利等[8]以濟(jì)麥22號作為試驗(yàn)對象，發(fā)現(xiàn)采用分層施肥可以顯著提高小麥的產(chǎn)量和氮肥的利用率；席天元等[9]研究發(fā)現(xiàn)分層施磷可以明顯促進(jìn)冬小麥生長發(fā)育，提高地上部和根系干重，增加下層根系比例，和提高磷肥的利用率；耿偉等[10]研究了肥料分層深施對旱作冬小麥光合生理特性及產(chǎn)量的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明按10 cm+30 cm+50 cm分層施肥可明顯改善旱作冬小麥光合生理特性，提高產(chǎn)量。因此，開展冬小麥基肥的機(jī)械化分層施用技術(shù)研究具有重要意義。

最近幾年，國內(nèi)外學(xué)者對分層施肥機(jī)械裝備進(jìn)行了大量的研究，其中以玉米、棉花、大豆等寬行距株植農(nóng)作物為應(yīng)用對象的相關(guān)分層施肥機(jī)械研究較多，如河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉其潼等設(shè)計(jì)開發(fā)的玉米分層施肥裝置[11-12]，王云霞等[13]應(yīng)用離散元法對該分層施肥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化研究；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的頓國強(qiáng)等設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于中國東北地區(qū)大豆種植模式的調(diào)比控位分層施肥裝置[14-15]；劉進(jìn)寶等[16]設(shè)計(jì)開發(fā)了適用于中國新疆地區(qū)棉花種植模式的2FQ-5多層施肥機(jī)。目前應(yīng)對小麥等密植窄行距農(nóng)作物的分層施肥機(jī)械還較少，王志偉等[17]研發(fā)了一種可以同時(shí)完成深松、分層施肥、播種和覆土及鎮(zhèn)壓的機(jī)具，其中分層施肥機(jī)構(gòu)安裝在深松鏟后側(cè)，依靠肥料顆粒的重力進(jìn)行分層作業(yè)；姚萬生等[18]設(shè)計(jì)了組合式下位分層施肥播種聯(lián)合作業(yè)裝置，這些分層施肥裝置和機(jī)具雖然能取得一定的分層施用效果，但其大多與開溝器相配合使用，在應(yīng)用過程中，肥料的分層施用效果不能完全適應(yīng)冬小麥的窄行距密植管理模式，因此開展適用于中國黃淮海地區(qū)的小麥基肥精準(zhǔn)分層定深施用裝置的創(chuàng)新研究十分必要。

本文應(yīng)對中國黃淮海地區(qū)冬小麥主產(chǎn)區(qū)基肥的無序、過量施用和利用率低等問題，基于旋耕機(jī)覆土原理，提出了土壤后覆蓋方式下的冬小麥基肥精準(zhǔn)分層定深投送方法，并依據(jù)該方法設(shè)計(jì)了冬小麥基肥分層定深施用裝置，為小麥基肥的機(jī)械化分層施用技術(shù)提供裝備支撐。

1 施肥裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 機(jī)構(gòu)組成及技術(shù)參數(shù)

冬小麥的基肥精準(zhǔn)分層定深施用裝置是根據(jù)我國黃淮海平原一年兩熟地區(qū)的冬小麥種植施肥管理農(nóng)藝需求設(shè)計(jì)研發(fā)的，該施肥裝置將肥料分層施用過程與傳統(tǒng)的旋耕整地作業(yè)相結(jié)合，可以一次完成冬小麥基肥深層和淺層的精準(zhǔn)定深投送，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、限深機(jī)構(gòu)、旋耕機(jī)構(gòu)、肥料分層投放機(jī)構(gòu)、鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、精準(zhǔn)排肥控制系統(tǒng)、深層肥箱、淺層肥箱等組成。機(jī)架下側(cè)從前往后依次安裝布置限深機(jī)構(gòu)、旋耕機(jī)構(gòu)、肥料分層投放機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)，機(jī)架上側(cè)由前向后依次安裝布置淺層肥箱和深層肥箱，其中精準(zhǔn)排肥控制系統(tǒng)安裝在淺層肥箱和深層肥箱一側(cè)。該裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)架 2.深層肥料箱 3.淺層肥料箱 4.精準(zhǔn)排肥控制系統(tǒng) 5.鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu) 6.肥料分層投放機(jī)構(gòu) 7.旋耕機(jī)構(gòu) 8.限深機(jī)構(gòu)

1.2 工作原理

冬小麥基肥分層定深施用裝置是采用土壤后覆蓋的形式對不同目標(biāo)施用深度的肥料進(jìn)行精準(zhǔn)投放作業(yè)。裝置由拖拉機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力和舉升力，旋耕機(jī)構(gòu)的前端通過萬向伸縮傳動(dòng)軸與拖拉機(jī)的動(dòng)力后輸出軸連接，依靠齒輪傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)刀軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，刀軸上的旋耕刀完成碎土、切茬和拋土作業(yè)，被旋耕刀切碎的土壤向機(jī)具后端拋撒，安裝在旋耕機(jī)構(gòu)后端的基肥分層投送機(jī)構(gòu)排出的肥料，可以立即被回落到溝底的土壤覆蓋，達(dá)到不同深度位置的淺層肥料和深層肥料層疊分布的技術(shù)效果，如圖2所示。位于裝置最后端的鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)對施肥后的地表進(jìn)行鎮(zhèn)壓，形成較緊實(shí)的土壤表層環(huán)境，減少淺層化肥的揮發(fā)。其中施肥裝置上端的淺層肥箱和深層肥箱可以為分層投放機(jī)構(gòu)提供持續(xù)的化肥物料，精準(zhǔn)排肥控制系統(tǒng)通過調(diào)整排肥輪的轉(zhuǎn)速可以對淺層和深層肥料的排出量進(jìn)行精準(zhǔn)控制；旋耕機(jī)構(gòu)配備變速齒輪傳動(dòng)箱，可以根據(jù)不同的土壤環(huán)境和機(jī)具前進(jìn)速度，對刀軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整；限深機(jī)構(gòu)和鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)相互配合可以對裝置的旋耕深度進(jìn)行調(diào)整；根據(jù)肥料分層施用深度實(shí)際需求，可以對肥料分層投送機(jī)構(gòu)的排肥管位置進(jìn)行縱向和橫向調(diào)整。

表1 主要技術(shù)參數(shù) Table 1 Main structural parameters of the device

1.旋耕機(jī)構(gòu) 2.深層肥料投送管 3.淺層肥料投送管 4.未耕土壤 5.已耕土壤 6.深層肥帶 7.淺層肥帶

1.Rotary tilling device 2.Pipeline of deep layered fertilizer delivery 3.Pipeline of shallow fertilizer layered delivery 4.Unploughed soil 5.Cultivated soil 6.Deep layered fertilizer belt 7.Shallow layered fertilizer belt

注：圖中箭頭表示旋耕刀旋轉(zhuǎn)方向。

Note: Arrow in figure means rotation direction of rotary blade

圖2 肥料精準(zhǔn)分層定深施用工作原理

Fig.2 Working theory of precision stratified application device of base-fertilizer

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到基肥精準(zhǔn)分層投送的技術(shù)效果，需要對該裝置的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文主要對旋耕機(jī)構(gòu)和肥料分層投放機(jī)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)。

2.1 旋耕機(jī)構(gòu)

旋耕機(jī)構(gòu)除了完成對田間土壤進(jìn)行耕、耙作業(yè)，為種子發(fā)芽提供良好的種床條件外，由裝置的工作原理可知，旋耕機(jī)構(gòu)還必須具有較好的土壤拋撒特性，以達(dá)到肥料的分層覆蓋效果。

2.1.1 總體設(shè)計(jì)

旋耕機(jī)構(gòu)主要由可變速齒輪傳動(dòng)箱、刀輥、刀座、旋耕刀、竄垡型小犁、支撐側(cè)板和破茬小鏟等組成，如圖3所示。為了使旋耕機(jī)構(gòu)布局緊湊，縮短傳動(dòng)路徑，以及使旋耕刀軸對稱布置，旋耕機(jī)構(gòu)采用中間傳動(dòng)形式，刀輥分左右安裝在變速齒輪傳動(dòng)箱兩側(cè)，為了防止齒輪箱下側(cè)出現(xiàn)漏耕現(xiàn)象，在齒輪箱前端安裝竄垡型小犁，刀輥外側(cè)兩端通過支撐側(cè)板上的軸承固定，對于秸稈覆蓋較多的地表，旋耕機(jī)構(gòu)2個(gè)支撐側(cè)板前方易出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象，本文在支撐側(cè)板前端安裝破茬小鏟，以提高旋耕機(jī)構(gòu)兩支撐側(cè)板的通過性，另外一方面，與傳統(tǒng)的旋耕機(jī)構(gòu)相比，本文設(shè)計(jì)的旋耕機(jī)構(gòu)后側(cè)不配備后拖板，可以使旋耕刀拋出的土壤順利向后拋撒。

1.機(jī)架 2.變速齒輪傳動(dòng)箱 3.支撐側(cè)板 4.刀座 5.竄垡型小犁 6.刀輥 7.旋耕刀，8.破茬小鏟

2.1.2 變速齒輪傳動(dòng)箱

旋耕刀的轉(zhuǎn)速對碎土率和拋土效果具有重要影響[19]，為了滿足不同工況下旋耕刀轉(zhuǎn)速的不同需求，同時(shí)為了提高作業(yè)效率，設(shè)計(jì)了變速齒輪傳動(dòng)箱，并將齒輪箱分為主齒輪箱和副齒輪箱，其中主齒輪箱主要完成變速功能，副齒輪箱主要完成傳動(dòng)和變向功能，其動(dòng)力傳輸方案如圖4所示。在主齒輪箱內(nèi)，通過檔位撥叉對齒輪組之間的嚙合關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)低、中、高3種轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換，當(dāng)一軸上主動(dòng)齒輪1與二軸上從動(dòng)齒輪1′嚙合時(shí)，刀輥進(jìn)行低速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)一軸上主動(dòng)齒輪2與二軸上從動(dòng)齒輪2′嚙合時(shí)，刀輥進(jìn)行中速旋轉(zhuǎn)；當(dāng)一軸上主動(dòng)齒輪3與二軸上從動(dòng)齒輪3′嚙合時(shí)，刀輥進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。將主動(dòng)齒輪1、2、3進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，以保證動(dòng)力傳輸過程中有且僅有一對齒輪進(jìn)行嚙合。

根據(jù)旋耕機(jī)構(gòu)的低、中、高3種動(dòng)力傳輸要求機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，本文設(shè)計(jì)的變速齒輪傳動(dòng)箱內(nèi)各級齒輪齒數(shù)：1為21，2為20，3為19，1′為19，2′為20，3′為22，4為19，5為23，6為16，7為30，8為25。其中主齒輪箱內(nèi)不同嚙合齒輪之間的傳動(dòng)比見式（1）。

式中11′、22′、33′分別表示低速、中速、高速傳動(dòng)比；1、2、3分別表示一軸上齒輪1、齒輪2、齒輪3的工作轉(zhuǎn)速，r/min；1′、2′、3′分別表示二軸上齒輪1′、齒輪2′、齒輪3′的工作轉(zhuǎn)速，r/min；1、2、3分別表示一軸上齒輪1、齒輪2、齒輪3的齒數(shù)，1′、2′、3′分別表示二軸上齒輪1′、齒輪2′、齒輪3′的齒數(shù)。

副齒輪箱內(nèi)各級傳動(dòng)齒輪比為

式中45、68分別表示齒輪4和5、齒輪6和8的傳動(dòng)比；4、5、6、7、8分別表示齒輪4、齒輪5、齒輪6、齒輪7、齒輪8的工作轉(zhuǎn)速，r/min；4、5、6、7、8分別表示齒輪4、齒輪5、齒輪6、齒輪7、齒輪8的齒數(shù)。

故拖拉機(jī)的后輸出軸與旋耕機(jī)刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)之間的傳動(dòng)比關(guān)系存在3種形式，如式（4）所示。

式中表示變速齒輪傳動(dòng)箱可以選用的傳動(dòng)比。

以約翰迪爾1204型拖拉機(jī)作為機(jī)具的配套動(dòng)力，該型拖拉機(jī)的后輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min，結(jié)合式（4），利用式（5）可以對旋耕機(jī)構(gòu)刀輥的高、中、低3種轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算。

式中L、M、H分別表示變速齒輪傳動(dòng)箱的可以傳輸?shù)牡?、中、高工作轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)現(xiàn)有旋耕機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速一般介于220～350 r/min之間，本文所設(shè)計(jì)的3種轉(zhuǎn)速能夠滿足不同工況對旋耕刀轉(zhuǎn)速的需求。

1 (2、3).主動(dòng)齒輪 1′ (2′、3′).從動(dòng)齒輪 4.小錐齒輪 5.大錐齒輪 6.三軸平齒輪 7.四軸平齒輪 8.刀輥齒輪 9.檔位撥叉 10.一軸 11.二軸 12.旋耕刀

2.1.3 旋耕刀及其排列方式

旋耕刀是旋耕機(jī)構(gòu)直接與土壤接觸的關(guān)鍵部件，以正向旋轉(zhuǎn)作業(yè)為例，旋耕刀首先將旋耕機(jī)構(gòu)前端的土垡切下，然后將土垡向后拋出[20]。其中旋耕刀的種類、刀具數(shù)量、旋耕刀的排列方式等都會對旋耕機(jī)構(gòu)的碎土、拋土性能具有重要影響[21]。結(jié)合裝置的肥料分層覆蓋的特殊功能要求，對旋耕刀的型號、數(shù)量和排列方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

國標(biāo)IT245型彎刀因?yàn)榫哂休^好的滑切性能和防雜草、秸稈纏繞特性，在中國應(yīng)用最為廣泛[22]。本文選用國標(biāo)IT245型彎刀作為旋耕機(jī)構(gòu)的旋耕刀，其幅寬為50 mm，回轉(zhuǎn)半徑為245 mm，該型號彎刀理論的最大旋耕深度為205 mm。

旋耕刀正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，其上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡均為余擺線[23]，其運(yùn)動(dòng)軌跡分析見文獻(xiàn)[24]。

彎刀進(jìn)行切土的同時(shí)，刀端也會撕裂其附近的土壤，旋耕刀的縱向安裝間距應(yīng)該大于旋耕刀的工作幅寬，其取值服從式（6）。

式中?為相鄰2個(gè)旋耕刀的縱向固定間隙，常取10～20 mm；表示旋耕刀作業(yè)幅寬，mm；表示旋耕刀的縱向安裝間距，mm。本文選用的IT245彎刀工作幅寬為50 mm，為了提高旋耕刀的碎土率，本文?取11mm。

旋耕機(jī)構(gòu)的刀輥上安裝彎刀總數(shù)按式（7）計(jì)算。

式中表示每個(gè)切土小區(qū)內(nèi)刀片數(shù)，本文=2；為彎刀總數(shù)目（取偶數(shù)值）；為旋耕裝置一側(cè)刀輥的有效長度，mm。

裝置的作業(yè)總幅寬為2550 mm，其中變速齒輪箱下側(cè)寬度為145 mm，則單側(cè)刀輥的作業(yè)耕幅為1164 mm，帶入式（7），可知需要安裝的彎刀總數(shù)為76個(gè)，即每側(cè)安裝38個(gè)彎刀。為避免旋耕刀切削土壤過程中附加多余動(dòng)載荷和增加刀輥的脈沖振動(dòng)，參照現(xiàn)有旋耕機(jī)理論[25]，以變速齒輪箱為中心，采用對稱螺旋線排列方式對旋耕刀進(jìn)行安裝固定，其中每個(gè)切土小區(qū)的2個(gè)旋耕刀安裝夾角為142°，相鄰?fù)愋托兜陌惭b夾角為56.8°，安裝排列方式如圖5所示。

注：表示左旋刀，表示右旋刀。

2.2 肥料分層投送機(jī)構(gòu)

參考文獻(xiàn)[24]，對肥料分層投送機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖6所示，該機(jī)構(gòu)主要由深層排肥管、淺層排肥管、縱向梁、套筒、固定螺栓、U型螺栓等組成，深層排肥管、淺層排肥管分別通過固定螺栓固定在對應(yīng)的套筒上，套筒通過U型螺栓固定在縱向梁上，縱向梁前端固定在機(jī)架的中部橫梁，后端固定在機(jī)架后部橫梁。為了滿足不同施肥深度要求，深層排肥管、淺層排肥管可進(jìn)行橫縱調(diào)整，通過調(diào)節(jié)U型螺栓，使套管在縱向橫梁上前后移動(dòng)，調(diào)整排肥管與刀輥旋轉(zhuǎn)中心水平間距；通過調(diào)節(jié)固定螺栓，使排肥管在套筒內(nèi)上下移動(dòng)，調(diào)節(jié)排肥管作業(yè)深度。

1.機(jī)架后梁 2.縱向梁 3.固定螺栓 4.套筒 5.U型螺栓 6.機(jī)架中部橫梁 7.深層排肥管 8.淺層排肥管

3 田間作業(yè)性能試驗(yàn)

參照GB/T20346.1-2006《施肥機(jī)械試驗(yàn)方法》第1部分全幅寬施肥機(jī)、NY/T1003-2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》和JB/T 8401.1-2007《旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)械旋耕施肥播種機(jī)》，對所設(shè)計(jì)的小麥基肥精準(zhǔn)分層定深投送裝置進(jìn)行田間作業(yè)性能試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

2017年10月在北京市昌平區(qū)小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地（北緯40°，東經(jīng)116°26′）的北部試驗(yàn)田進(jìn)行小麥基肥精準(zhǔn)分層定深投送裝置試驗(yàn)，試驗(yàn)田前茬作物為玉米。試驗(yàn)區(qū)域的土壤為黃黏土，采用5點(diǎn)取樣法，應(yīng)用土壤緊實(shí)度儀（浙江托普儀器有限公司，TJSD-750-IV型號，精度0.02 kPa）、土壤濕度及溫度測試儀（德國STEPS，MST-3000+型號，濕度和溫度的精度分別為0.1%和0.1 ℃）和堆積角測量裝置對試驗(yàn)區(qū)域的各層土壤的緊實(shí)度、濕度、溫度和堆積角進(jìn)行測試記錄。對試驗(yàn)區(qū)域及數(shù)據(jù)采集點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)長70 m，寬3 m，小區(qū)前10 m作為加速區(qū)，后10 m作為減速區(qū)，中間50 m作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集區(qū)，并在該區(qū)域每隔5 m設(shè)置1個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)標(biāo)簽，共計(jì)10個(gè)采樣點(diǎn)，重復(fù)試驗(yàn)3次。

3.2 試驗(yàn)材料

為了測試裝置的基肥分層定深投送效果，必須對排施對象肥料進(jìn)行選型。傳統(tǒng)的化肥顆粒一旦施入土壤中，如何再次進(jìn)行回收和施用深度測量，是進(jìn)行田間試驗(yàn)的難點(diǎn)，本文在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，以肥料粒徑大小、肥料包衣顏色與試驗(yàn)區(qū)域黃黏土顏色差別大小作為篩選條件，最終選用中化山東肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的藍(lán)精靈復(fù)合肥（藍(lán)色）和山東紅日化工股份有限公司生產(chǎn)的艷陽天復(fù)合肥（粉紅色）作為裝置的化肥排施對象。使用游標(biāo)卡尺（桂林廣陸數(shù)字測控股份有限公司，K15G278418數(shù)顯卡尺，精度0.02 mm）對2種化肥顆粒的長、寬和高進(jìn)行測量，并對其等效直徑和球形率進(jìn)行計(jì)算[25]，相關(guān)測量和計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)田條件

表3 試驗(yàn)肥料的三維尺寸

3.3 試驗(yàn)方法

選用約翰迪爾1204型拖拉機(jī)作為動(dòng)力牽引裝置，經(jīng)過測試，選擇約翰迪爾1204拖拉機(jī)的中速1檔，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，可以保證機(jī)具穩(wěn)定在1.5 m/s的速度勻速前進(jìn)，同時(shí)其動(dòng)力后輸出軸可以穩(wěn)定在540 r/min的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)旋耕機(jī)構(gòu)的變速齒輪箱的檔位，使旋耕刀的作業(yè)轉(zhuǎn)速保持在245 r/min。本試驗(yàn)選擇設(shè)置120、150和180 mm 3種旋耕作業(yè)目標(biāo)深度用于考察裝置的旋耕作業(yè)性能；然后以旋耕目標(biāo)深度180 mm作業(yè)工況為例，進(jìn)行分層施肥作業(yè)性能試驗(yàn)，參考文獻(xiàn)[26]，設(shè)置深層肥料投送目標(biāo)深度為150 mm，淺層肥料投送目標(biāo)深度為80 mm，參考文獻(xiàn)[24]，對肥料分層投送機(jī)構(gòu)的排肥口空間位置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，試驗(yàn)測試內(nèi)容主要包括旋耕和施肥質(zhì)量等，試驗(yàn)及數(shù)據(jù)測量過程如圖7所示。

3.3.1 旋耕作業(yè)質(zhì)量測試及評價(jià)方法

作業(yè)耕深與耕深穩(wěn)定性系數(shù)是用來表征旋耕質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[23]。使用耕深尺在試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)對耕深數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，鑒于裝置的作業(yè)幅寬較大，為了減少試驗(yàn)誤差，選擇每個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)旋耕機(jī)構(gòu)的左、右刀輥的中部位置各測1次，取其平均值作為該采集點(diǎn)的旋耕作業(yè)深度，每個(gè)行程共計(jì)10個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，相同工況下重復(fù)3次，每種旋耕作業(yè)深度試驗(yàn)工況共計(jì)30組數(shù)據(jù)，該工況下機(jī)具的耕深平均值，目標(biāo)耕深誤差，耕深標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù)，按式（8）計(jì)算。

圖7 機(jī)具田間性能試驗(yàn)

3.3.2 分層施肥作業(yè)質(zhì)量測試及評價(jià)方法

式中表示肥料的深度合格率；N表示施肥深度滿足要求的測試點(diǎn)數(shù)目，這里取±1 cm為滿足肥料投送深度要求；N表示總測試點(diǎn)數(shù)。

4 結(jié)果與分析

4.1 旋耕作業(yè)質(zhì)量

對測取的旋耕作業(yè)深度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表4所示，3種旋耕作業(yè)目標(biāo)深度下，耕深最大誤差為5mm，作業(yè)過程中的耕深穩(wěn)定性系數(shù)最小為93.84%，耕深穩(wěn)定性系數(shù)大于85%，各項(xiàng)參數(shù)均滿足JB/T8401.1-2007《旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)械-旋耕施肥播種機(jī)》中規(guī)定的旋耕機(jī)構(gòu)作業(yè)性能技術(shù)要求，說明機(jī)具的旋耕機(jī)構(gòu)作業(yè)穩(wěn)定性較好，能夠?yàn)楹蠓椒柿系木珳?zhǔn)分層定深投送提供良好的作業(yè)條件。

表4 旋耕作業(yè)主要性能指標(biāo)測試結(jié)果

4.2 分層施肥作業(yè)效果

對測取的深層和淺層肥料條帶的位置深度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如表5所示，淺層肥料的實(shí)際施用深度誤差為4.3 mm，深層肥料的實(shí)際施用深度誤差為5.8 mm，作業(yè)過程中淺層肥料的投放位置深度穩(wěn)定性變異系數(shù)為89.92%，深層肥料的投放位置深度穩(wěn)定性變異系數(shù)為95.09%，說明機(jī)具的深層和淺層肥料條帶的深度穩(wěn)定性較高；淺層肥料的施用深度合格率為83.33%，深層肥料的施用深度合格率為90%，能夠滿足JB/T 8401.1-2007《旋耕聯(lián)合作業(yè)機(jī)械旋耕施肥播種機(jī)》對施肥深度裝置的施肥作業(yè)性能指標(biāo)要求。相較于深層肥料，淺層肥料的施用深度穩(wěn)定性系數(shù)和合格率較低，這可能與試驗(yàn)區(qū)域地表玉米秸稈覆蓋量大有關(guān)，表層土壤出現(xiàn)架空現(xiàn)象，使淺層肥料帶位置深度穩(wěn)定性較差。

表5 分層施肥作業(yè)主要性能指標(biāo)測試結(jié)果

5 討 論

鑒于本文設(shè)計(jì)的冬小麥基肥精準(zhǔn)分層定深施用裝置是依靠旋耕機(jī)構(gòu)的拋土特性完成肥料的分層定深施用，肥料的分層施用最大深度必然受旋耕機(jī)構(gòu)的耕深限制，傳統(tǒng)的旋耕機(jī)構(gòu)作業(yè)耕深一般不大于200 mm，本裝置不能滿足冬小麥基肥分層施用的深度農(nóng)藝要求時(shí)，王志偉[17]借助深松鏟作業(yè)深度可以達(dá)到200 mm以上的技術(shù)特點(diǎn)，將分層排肥管固定在深松鏟柄后側(cè)，設(shè)計(jì)了適用于寬幅小麥的深松分層施肥機(jī)具，姚萬生[18]等設(shè)計(jì)了組合式下位分層施肥播種開溝器，應(yīng)用該組合式開溝器可以將深層肥料輸送到200 mm以上的目標(biāo)施用深度，同樣達(dá)到了深層肥料和淺層肥料層疊分布的技術(shù)效果，這些實(shí)施方案都可以彌補(bǔ)本文研究的不足。

本文的旋耕刀、后拋土塊的運(yùn)動(dòng)分析，以及對土壤結(jié)構(gòu)的最終穩(wěn)定狀態(tài)假設(shè)，都是基于理論狀態(tài)進(jìn)行推導(dǎo)的，試驗(yàn)過程也是在大田狀態(tài)下進(jìn)行的，沒有充分考慮土壤的物理參數(shù)如土壤含水率、土壤類型等對土塊運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，文獻(xiàn)[29-30]對不同含水率、緊實(shí)度等參數(shù)下的土壤擾動(dòng)與機(jī)具的作用關(guān)系進(jìn)行研究，其中土壤含水率對旋耕作業(yè)效果具有重要影響。鑒于土壤的物理參數(shù)對土壤的運(yùn)動(dòng)過程具有重要影響，為了進(jìn)一步完善和優(yōu)化基肥精準(zhǔn)分層定深投送裝置工作性能，后期會開展相關(guān)研究工作。

6 結(jié) 論

本文將傳統(tǒng)的旋耕機(jī)切拋土壤作業(yè)過程與小麥的基肥精準(zhǔn)分層投送過程結(jié)合，研制了一種小麥基肥精準(zhǔn)分層定深施用裝置，確定了其主要機(jī)構(gòu)和工作參數(shù)，并對其旋耕機(jī)構(gòu)和肥料分層投放機(jī)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)，對裝置的旋耕作業(yè)效果和肥料分層施用效果進(jìn)行了田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）裝置的旋耕機(jī)構(gòu)在120、150和180 mm的3種目標(biāo)旋耕深度作業(yè)工況下，耕深的最大誤差為5 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)最小值為93.84%，能夠滿足規(guī)定的旋耕作業(yè)性能技術(shù)要求，并能為后方肥料的精準(zhǔn)分層定深投送提供良好的作業(yè)條件；

2）裝置在淺層肥料目標(biāo)施用深度80 mm，深層肥料目標(biāo)施用深度為150 mm時(shí)，實(shí)際施用深度誤差的平均值分別為4.3和5.8 mm，深度穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為89.92%和95.09%，施用深度合格率分別為83.33%和90%，能夠滿足規(guī)定的旋耕施肥機(jī)具田間作業(yè)性能指標(biāo)要求，該研究可以為冬小麥基肥的機(jī)械化精準(zhǔn)分層定深施用技術(shù)提供裝備支撐。

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Jiang Jiandong, Gao Jie, Zhao Yingdi, et al. Finite element simulation and analysis on soil rotary tillage with external vibration excitation[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(1): 58－62. (in Chinese with English abstract)

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Design of stratified and depth-fixed application device of base-fertilizer for winter wheat based on soil-covering rotary tillage

Zhu Qingzhen1,2, Wu Guangwei2, Chen Liping3, Meng Zhijun3, Shi Jiangtao4, Zhao Chunjiang1,2※

(1.712100; 2.100097; 3100097; 4.710300)

Winter wheat is the most important crop for Huanghe-Huaihe-Haihe (H-H-H) region of China, which has the characteristics of large planting area, high yield per unit area and high total yield and so on. Base-fertilizer application is an important process of winter wheat production, which directly affects the yield of winter wheat. At present, base-fertilizer of winter wheat is applied to the surface of farmland by manure spreader or laborers in the H-H-H region of China, and the moldboard plow or rotary tiller is used to bury the base-fertilizer underground, but these methods have the shortcomings of disorderly application of fertilizer, and have caused great harm to the agricultural environment because of excessive application of fertilizer and low utilization efficiency. The precisely stratified and depth-fixed application method of base-fertilizerfor winter wheat is a perfect way to improve the utilization efficiency of fertilizer. On the stratified and depth-fixed application method of agronomic research in the base-fertilizer, a stratified and depth-fixed application method of base-fertilizer for winter wheat based on soil-covering rotary tillage was proposed in this paper, and the application device was set up. The device could implement rotary tillage, separated layer fertilization and compacting at the same time. The device was mainly composed of 8 parts: frame, deep fertilizer box, shallow fertilizer box, precise fertilizer control system, compacting device, mechanism of complete fertilizer layered device, rotary tilling device, depth-controlled component. The rotary tilling device was equipped with variable speed gearbox, which could convert between between high, medium and low rotate speed. National standard IT245 rotary blade was selected for the rotary tilling device and was arranged on the knife roller by a symmetrical spiral line. Through kinematic analysis of rotary blade and soil block, the mathematical model of the positions of fertilizer outlet orifice of the deep and shallow fertilizer tube and the depth of fertilization target was established. The mechanism of complete fertilizer layered device was designed and manufactured based on the mathematical model. The fertilizer layered mechanism could be adjusted longitudinally and laterally according to the requirements of the fertilize depth. In order to test the performance of stratified and depth-fixed application device, an experiment was designed and conducted at the National Experiment Station for Precision Agriculture located in Xiaotangshan Town, Beijing City on October 2017. The maximum rotary tillage depth error of the device is 5 mm, and the minimum coefficient of rotary tillage depth stability is 93.84% under 3 kinds of target rotary tillage working condition of 120, 150 and 180 mm. The result indicated that the rotary tilling device could meet the technical requirements of national standard. When the target application depth of the shallow and deep fertilizer was 80 and 150 mm, the coefficient of the shallow and deep actual fertilizer depth stability was 92.38% and 95.11% respectively, and the qualified rates of the shallow and deep actual fertilizer depth were 83.33% and 90% respectively. The result indicated that the stratified and depth-fixed application device could meet the technical requirements of rotary tillage and fertilizing. The research can provide equipment support for the mechanization of precisely stratified and depth-fixed application of base-fertilizer for winter wheat and improve the application efficiency of base-fertilizer in H-H-H region of China.

agricultural machinery; design; rotary tillage; base-fertilizer; separated layer fertilization

祝清震，武廣偉，陳立平，孟志軍，史江濤，趙春江. 基于旋耕覆土的冬小麥基肥分層定深施用裝置設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(13)：18－26.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.003 http://www.tcsae.org

Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, Chen Liping, Meng Zhijun, Shi Jiangtao, Zhao Chunjiang. Design of stratified and depth-fixed application device of base-fertilizer for winter wheat based on soil-covering rotary tillage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(13): 18－26. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.003 http://www.tcsae.org

2018-03-05

2018-05-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200600）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFD0200601）；北京市農(nóng)林科學(xué)院院級科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（JNKYT201607）

祝清震，男，山東菏澤人，博士生，主要從事小麥基肥精準(zhǔn)施用與裝備研究。Email：zhenforyou@163.com

趙春江，男，河北定州人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)研究。Email：zhaocj@nercita.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.003

S224.21

A

1002-6819(2018)-13-0018-09