劉曉東，王緒坪，陳禮源，張朝宇，劉溫伯，丁幼春

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

油菜直播機(jī)分層定量施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉曉東，王緒坪，陳禮源，張朝宇，劉溫伯，丁幼春※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)現(xiàn)有油菜直播同步肥料混施作業(yè)，肥料施用方式粗放的問題，結(jié)合油菜廂面條播種植模式及油菜根系生長(zhǎng)規(guī)律，該研究提出了一種基于肥料流均勻分布的上下層肥量按比例分配、上層肥料左右分施技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種分層定量施肥裝置，通過構(gòu)建肥料在均布器中均勻分散的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣驗(yàn)證該裝置的肥料均布效果，并確定了裝置的基本參數(shù)。以擋桿直徑、擋桿組數(shù)、擋桿組間距為試驗(yàn)因素，實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例最小誤差為目標(biāo)，利用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)確定肥料均布裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為擋桿直徑3 mm、擋桿組數(shù)5、擋桿組間距8.9 mm。為進(jìn)一步驗(yàn)證肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)性能，以目標(biāo)施肥比例與實(shí)際施肥比例的誤差、上下層落肥管排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和上層落肥管左右兩側(cè)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展最優(yōu)參數(shù)組合下的排肥性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，上下層實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例的最大誤差為4.1個(gè)百分點(diǎn)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于3.9%，說明肥料分配比例穩(wěn)定；上層左右落肥管實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例的誤差低于4.1個(gè)百分點(diǎn)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于4.8%，滿足上層肥料按比例分施要求。田間試驗(yàn)表明，下層肥料平均施肥深度為141.2 mm，上層左側(cè)肥料平均施肥深度為81.9 mm，右側(cè)平均施肥深度為81.6 mm，上層左、右側(cè)肥料間的平均間距為67.8 mm，滿足油菜分層施肥要求。該研究可為油菜肥料按比例分層施用提供技術(shù)支撐。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；油菜；分層施肥；深施肥

0 引 言

習(xí)近平總書記指出，農(nóng)業(yè)發(fā)展不僅要杜絕生態(tài)環(huán)境欠新賬，而且要逐步還舊賬，要打好農(nóng)業(yè)面源污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)[1]?；实倪^量施用是造成農(nóng)業(yè)面源污染問題不斷加劇的重要原因之一，破解當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的瓶頸問題，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展的重要途徑[2-3]。長(zhǎng)江中下游地區(qū)是國(guó)內(nèi)油菜主產(chǎn)區(qū)[4-5]，播種時(shí)采用化肥廂面撒施，施用方式粗放、肥料利用率低，嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展[6-7]。

分層深施是實(shí)現(xiàn)化肥減施增效的重要途徑[8]，國(guó)內(nèi)外科研工作者根據(jù)化肥在土壤中的轉(zhuǎn)化、移動(dòng)與擴(kuò)散，提出了位置肥效理論，為肥料深施提供了理論依據(jù)。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家圍繞精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)開展了系統(tǒng)研究，但分層施肥研究尚未見報(bào)道，國(guó)內(nèi)近年來為積極響應(yīng)化肥減施，針對(duì)分層施肥開展了大量研究。曾山等[9]根據(jù)水稻根系生長(zhǎng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種基于氣力式的分層施肥系統(tǒng)；祝清震等[10]基于旋耕覆土原理設(shè)計(jì)了冬小麥基肥分層定深施用裝置；楊曉龍等[11]設(shè)計(jì)了一種組合式分層施肥開溝器；頓國(guó)強(qiáng)等[12]設(shè)計(jì)了肥料比例分配和控位分層施肥組合的調(diào)比控位分層施肥裝置；楊然兵等[13]結(jié)合馬鈴薯根系分布規(guī)律提出了一種基于曲面排肥與V型防堵結(jié)構(gòu)的分層施肥技術(shù)；王金峰等[14]設(shè)計(jì)了一種葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置，通過對(duì)施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的分析，確定了裝置的最優(yōu)參數(shù)；宋少龍等[15]設(shè)計(jì)了一種分層施肥靴，對(duì)推動(dòng)新疆地區(qū)精量減肥具有重要意義。上述深施肥裝置結(jié)構(gòu)形式和施肥方式均能為分層施肥裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

分層施肥深淺層肥量比例精準(zhǔn)調(diào)節(jié)控制，是滿足不同地區(qū)施肥量要求，提高肥料利用率、保證作物后期優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)的重要手段[16]。王云霞等[17]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)施肥量的玉米分層施肥器，并利用離散元法對(duì)肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及影響施肥配比的主要因素進(jìn)行仿真研究，在機(jī)具不同作業(yè)速度下均能滿足目標(biāo)施肥量配比要求；楊慶璐等[18]設(shè)計(jì)了一種氣力集排式變量排肥系統(tǒng)分層施肥量調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)農(nóng)藝要求調(diào)整上下層施肥量的比例，提高了分層施肥作業(yè)中肥料的可靠穩(wěn)定分肥作業(yè)水平；張俊雄等[19]設(shè)計(jì)了一種玉米分層正位穴施肥精播機(jī)，能夠精確地將化肥按預(yù)定比例施入不同深度土層中，化肥分布由深至淺依次遞減，滿足玉米生長(zhǎng)過程中的實(shí)際需肥規(guī)律；頓國(guó)強(qiáng)等[20-21]設(shè)計(jì)了一種肥料調(diào)配裝置，通過肥料調(diào)比分配和控位分層施肥開溝器的組合完成肥料分層深施。

上述分層施肥裝置主要是針對(duì)糧食作物，對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)的適應(yīng)性較差，不能直接應(yīng)用于油菜直播機(jī)。隨著分層施肥理論研究的深入，肥料分層深施成為油菜輕簡(jiǎn)化栽培的重要一環(huán)，肥料分層深施技術(shù)可將肥料施于作物根系密集層，使肥料養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物生長(zhǎng)周期養(yǎng)分需求同步，延長(zhǎng)養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)間，保證充分的養(yǎng)分供給，提高肥料利用率，一次性施肥可顯著提高油菜籽產(chǎn)量，達(dá)到減施增效的目的[22-24]。根據(jù)油菜根系生長(zhǎng)規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了一種分層定量施肥裝置，通過理論分析確定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過田間試驗(yàn)進(jìn)行分層施肥效果驗(yàn)證，以期為油菜按比例分層施肥提供技術(shù)支撐。

1 油菜直播技術(shù)要點(diǎn)與施肥農(nóng)藝要求

1.1 油菜直播技術(shù)要點(diǎn)

油菜直播多采用廂面條播，省工、省時(shí)，直播地塊要求整地質(zhì)量高、保墑好，播種時(shí)適當(dāng)增大種植密度，播種量為4.5～9.0 kg/hm2。本設(shè)計(jì)根據(jù)油菜廂面條播種植模式開展。

1.2 油菜施肥農(nóng)藝要求

長(zhǎng)江中下游地區(qū)現(xiàn)有油菜直播機(jī)同步施肥方式為淺層混施，將顆粒肥排于油菜直播機(jī)前端地表，施肥量為225～525 kg/hm2，通過直播機(jī)前端旋耕機(jī)組完成顆粒肥的淺層混施，肥料分布于淺層土壤和土壤表面，顆粒肥施用量大，肥料利用率低，且播種后存在燒種現(xiàn)象，同時(shí)由于田間土壤狀況不同，旋耕后肥料分布不均，導(dǎo)致后期作物根系吸收肥量不一致，影響作物產(chǎn)量。

按照油菜需肥量要求（垂直根早期搶先發(fā)育導(dǎo)致地上部徒長(zhǎng)延遲開花結(jié)果，反之，水平根發(fā)育良好形成根網(wǎng)，有助于地上部較順利地向生殖生長(zhǎng)轉(zhuǎn)化），同時(shí)結(jié)合發(fā)育早期，垂直根系分枝能力較差、水平根系分枝性較強(qiáng)的特點(diǎn)[25-26]，本文提出了一種分層定量施肥方案。即將肥料分成2層排施，上層肥料排施量約占總排施量的30%～50%，為油菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)提供養(yǎng)料，下層肥料排施量約占總排施量的50%～70%，為油菜生殖生長(zhǎng)提供養(yǎng)料，上層肥料左右分施，兩側(cè)肥量各占上層排施量的一半。油菜肥料分層排施模式如圖1所示，施肥播種作業(yè)后，上層肥料位于油菜籽下左右兩側(cè)，下層肥料位于油菜籽正下方，該種方式可實(shí)現(xiàn)集中施肥，減少化肥施用量，并實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的最大化利用。肥料與油菜籽的位置關(guān)系可由上層肥料和油菜籽的縱向距離、上層左右兩側(cè)肥料的橫向距離及下層肥料與油菜籽的縱向距離控制，結(jié)合文獻(xiàn)[26]，取50～100 mm，取100～150 mm，取60～80 mm。后期油菜籽發(fā)芽生根后，側(cè)根吸收上層兩側(cè)肥料養(yǎng)分，隨著根系生長(zhǎng)，主根生長(zhǎng)至下層肥料帶，保證后期養(yǎng)分供應(yīng)。

2 分層定量施肥裝置設(shè)計(jì)

2.1 施肥裝置整體結(jié)構(gòu)與工作原理

分層定量施肥裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由肥料均布器、肥量控制與分流機(jī)構(gòu)、上層落肥管、下層落肥管等組成。根據(jù)油菜廂面條播種植農(nóng)藝要求，上層肥料與油菜籽為非同溝分層排布，下層肥料與油菜籽為正位同溝分層排布。

分層定量施肥裝置通過安裝板與油菜直播機(jī)后端鏟架連接，且能在安裝板豎直方向調(diào)節(jié)，以滿足不同施肥深度要求；由于不同地區(qū)前茬作物留茬高度不一，翻耕作業(yè)后仍有稻茬，作業(yè)中稻茬易纏繞鏟體造成壅土堵塞，影響機(jī)器順利作業(yè)，因此，在鏟體前端加裝防堵輥，防堵輥為外徑60 mm、壁厚2 mm的圓管，長(zhǎng)度250 mm；為保證上層肥料分施，分土板采用2.5 mm厚鋼板切割成L形，側(cè)翼板與鏟體側(cè)面呈一定夾角焊接在鏟體左右兩側(cè)，同時(shí)為保證下層施肥后土壤迅速回填滿足上層肥料分施條件，在側(cè)翼板中間位置焊接有扇形回土板，可將兩側(cè)土壤快速導(dǎo)入下層肥溝內(nèi)。

圖3a為肥料比例調(diào)節(jié)分配部件，主要由肥料均布器、分肥板、肥料比例調(diào)節(jié)滑槽等組成?？偱欧使苡蓪?0 mm、高20 mm、壁厚2 mm的方管直接切割而成，上端通過螺栓與肥料均布器聯(lián)接，肥料均布器與排肥管末端連接。如圖3b所示，為保證肥料順利從下層排肥口排出，下層落肥管豎直管壁與底部排種面夾角為130°，為方便加工焊接，下層排肥口尺寸與下層落肥管豎直管道相同，與下層落肥管豎直管道下端口焊接；上層落肥管上部豎直管道也采用與下層落肥管尺寸相同的方管切割而成，上層落肥管（圖3c）焊接在上層落肥管上部豎直管道護(hù)板后端，通過緊固螺栓實(shí)現(xiàn)上層肥料排施深度的調(diào)整。

分層定量施肥裝置安裝在2BYL-8型離心式油菜直播機(jī)后端機(jī)架上，工作時(shí)，稻草在防堵輥的作用下向鏟體兩側(cè)移動(dòng)，施肥鏟開出肥溝，肥料通過肥量控制與分流機(jī)構(gòu)按比例進(jìn)入上層和下層落肥管，下層肥料通過下層排肥口落入溝底，土壤在L形分土板缺口處回填，形成上層溝底，在L形分土板上端翼板的作用下，形成上層肥溝，上層肥料通過左右排肥口實(shí)現(xiàn)肥料左右分施，回土板將土壤回填在上層肥料帶，完成分層施肥作業(yè)。

2.2 肥料均勻分布策略

現(xiàn)有施肥裝置均是將與排肥器連接的排肥管末端直接放在落肥管中，排肥管末端的朝向、角度均無法調(diào)控，不利于精量和穩(wěn)定施肥。本文設(shè)計(jì)的肥料均布器如圖4所示，主要由肥管接口、均肥管、均肥擋桿等組成。肥料均布器上端與排肥管末端連接，并置于總排肥管中間位置，以保證肥料流動(dòng)方向的集中穩(wěn)定，同時(shí)在圓管內(nèi)壁設(shè)計(jì)有軸向等距、徑向垂直、中間未交叉的5組均肥擋桿，相鄰層均肥擋桿徑向夾角45°，通過碰撞保證肥料均勻分散在管道內(nèi)，為后續(xù)的肥料分配比例提供支持。

1.肥管接口 2.調(diào)節(jié)塊 3.均肥管 4.均肥擋桿

1.Interface of fertilizer tube 2.Adjustment block 3.Fertilizer distributing tube 4.Fertilizer uniform distributing rod

注：為均肥管內(nèi)徑，mm；為均肥擋桿末端所在圓內(nèi)徑，mm；1、2、3、4、5為肥料的流通區(qū)域。

Note:is the inner diameter of fertilizer uniform distributing tube, mm;is the inner diameter of the circle formed by the end of fertilizer uniform distributing rod, mm;1,2,3,4and5are the fertilizer circulation areas.

圖4 肥料均布器

Fig.4 Fertilizer uniform distributor

調(diào)節(jié)塊根據(jù)總排肥管的參數(shù)確定，長(zhǎng)、寬均為36 mm，高20 mm，均肥管外徑設(shè)計(jì)為34 mm，壁厚為2 mm，則均肥管內(nèi)徑為30 mm，為保證肥料均勻分布于排肥管內(nèi)，1～4的各區(qū)域面積應(yīng)與5區(qū)域相同，則有：

式中為均肥擋桿直徑，mm。

設(shè)均肥擋桿的最大直徑為5 mm，則由（1）式得為11.53 mm，此時(shí)肥料的流通面積（mm2）為

由式（2）得為521.8 mm2。以最大施肥量525 kg/hm2、機(jī)器作業(yè)幅寬2300 mm、施肥行數(shù)8行、機(jī)器前進(jìn)速度為7 km/h為計(jì)算依據(jù)，則單位時(shí)間施肥量m為29.4 g/s。根據(jù)機(jī)器尺寸得肥料從排肥口排出的最小速度min約為1 920 mm/s，則均肥管不發(fā)生堵塞的最小流通面積min為

式中ρ為肥料的密度，845.61 kg/m3[26]。

根據(jù)式（3）得肥管不發(fā)生堵塞的最小流通面積min為18.1 mm2，遠(yuǎn)小于肥料的流通面積，肥料均布器滿足肥料流通要求。

2.3 肥料比例調(diào)節(jié)方法

不同地區(qū)肥料的施用量和上下層肥料施用比例有所不同，因此上下層肥料排施量需在一定比例內(nèi)可調(diào)，同時(shí)需保證分配比例的可靠穩(wěn)定。

本文設(shè)計(jì)的分肥板兩側(cè)與總排肥管之間僅留有便于安裝的0.5 mm間距，分肥板上端為倒楔形，以減少因肥料與分肥板碰撞彈跳引起的左右兩側(cè)肥料分配比例不穩(wěn)定，分肥板將肥料均布器中圓管的內(nèi)圓面積分割成2個(gè)部分（本文以緊固肥料均布器的螺栓所在位置為右，對(duì)面為左），左側(cè)為下層肥料通道，右側(cè)為上層肥料通道，通過在肥料比例調(diào)節(jié)滑槽內(nèi)左右移動(dòng)緊固件，調(diào)節(jié)肥料均布器中圓形落肥管的左右兩側(cè)落肥面積，以落肥面積占總圓面積的比例表征肥料分配比例，本文設(shè)計(jì)左側(cè)面積在50%～70%之間可調(diào)，右側(cè)面積在30%～50%之間可調(diào)，以滿足不同地區(qū)油菜施肥要求。

將肥料比例調(diào)節(jié)分配部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5所示，以肥料均布器圓管圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建直角坐標(biāo)系，以鏟體前進(jìn)方向的反方向?yàn)檩S的正方向，前進(jìn)方向的右方為軸的正方向，則肥料均布器內(nèi)圓的方程為

分肥板上端倒楔形頂部棱邊與軸平行，且將內(nèi)圓面積分成2部分。

注：0為分肥板與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離，mm；為分肥板左側(cè)區(qū)域面積，mm2；為分肥板右側(cè)區(qū)域面積，mm2。下同。

Note:0is the distance between the fertilizer separating board and the coordinate origin, mm;is the area on the left side of the fertilizer separating board, mm2;is the area on the right side of the fertilizer separating board, mm2. The same below.

圖5 肥料比例調(diào)節(jié)示意圖

Fig.5 Schematic diagram of fertilizer proportion adjustment

根據(jù)積分求圓面積的方法，結(jié)合分層施肥比例要求，應(yīng)用Excel軟件求解不同施肥比例對(duì)應(yīng)的0值如表1所示。

表1 不同施肥比例的分肥板位置

2.4 土壤回填機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

分土板參數(shù)對(duì)下層肥溝的土壤回填和上層肥溝的成型具有重要影響，直接影響分層施肥效果。為滿足上層肥料左右分施要求，根據(jù)上層排肥口尺寸，分土板與鏟體外側(cè)面夾角設(shè)計(jì)為160°，其角度遠(yuǎn)大于土壤與鏟體的摩擦角[13]，土壤可在重力作用下回填；為實(shí)現(xiàn)上層肥溝深度的調(diào)整，上側(cè)翼板下端與下側(cè)翼板下端距離設(shè)計(jì)為90 mm，并通過調(diào)整上層落肥管的豎向位置實(shí)現(xiàn)施肥深度的調(diào)整，同時(shí)為保證分土板的分土性能，上側(cè)翼板的高度設(shè)計(jì)為80 mm。

上側(cè)翼板下端的土壤顆粒經(jīng)過點(diǎn)后，進(jìn)入下層土壤回填階段，下層肥溝溝頂?shù)倪吘壨寥李w粒下落。為了避免土壤回填時(shí)間過長(zhǎng)，造成上層肥料隨土壤滾落至下層肥溝內(nèi)，影響分層施肥效果，設(shè)計(jì)了通過焊接與L形分土板呈一定角度的扇形回土板，扇形回土板為以寬度3為半徑的四分之一圓，圓弧面向前焊接在L形分土板下側(cè)，以保證土壤快速回填到下層肥溝內(nèi)，同時(shí)利用回土板為上層肥料劃切出肥溝。分土板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

為保證上層肥料落在上層肥溝內(nèi)，鏟體寬度與回土板與分土板焊接位置與鏟體側(cè)面的距離需滿足：

本文設(shè)計(jì)的鏟體寬度l為40mm，根據(jù)式（5）得2的取值范圍為10～20 mm，本文取2=15 mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系，回土板與分土板的焊接位置到點(diǎn)的距離1為

根據(jù)式（6）得1為44 mm。為保證土壤順利回填，扇形回土板與鏟體側(cè)面的夾角需遠(yuǎn)大于土壤與鏟體的摩擦角[13]，本文取135°。同時(shí)，為避免回土板對(duì)下層肥溝已回填土壤的擾動(dòng)，扇形回土板末端與鏟體側(cè)面需盡量保持在一個(gè)面上，則扇形回土板的寬度3為

根據(jù)上式得扇形回土板的寬度3=22 mm。同時(shí)為保證較好的上層肥料埋土效果，在鏟體后方也安裝了回土板。

3 肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)與分析

肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)是影響上下層肥料排施比例的關(guān)鍵部件，其作業(yè)效果直接影響施肥比例的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。本文通過構(gòu)建肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)模型，應(yīng)用EDEM仿真軟件進(jìn)行多因素試驗(yàn)，分析各參數(shù)對(duì)肥料分配比例準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的影響，獲取肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 仿真模型構(gòu)建

為保證仿真的準(zhǔn)確性并縮短仿真時(shí)間，將與肥料顆粒無接觸的部件省去，按照1:1的比例，采用SolidWorks軟件建立肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)三維模型，以.IGS格式導(dǎo)入EDEM軟件。肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)上端接一段斜置的肥管，仿真時(shí)肥料從肥管開始進(jìn)入。適用于油菜的配方肥球形度均大于87%，球形度較高，因此用球形代替顆?；蔥27-28]，設(shè)置其密度為845.61 kg/m3，等效直徑為3.3 mm，泊松比為0.25，剪切模量為1.1×108Pa[25]。結(jié)合實(shí)際施肥量和機(jī)器作業(yè)速度，設(shè)置顆粒生成速度為500 粒/s，固定時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的20%，仿真時(shí)間10 s[29]。由于顆?；蕿轭惽蛐紊⒘ｓw，顆粒表面無粘附作用，因此選擇Hertz-Mindlin (no-slip)無滑動(dòng)接觸模型[30]。

3.2 仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

肥料均布器中的均肥擋桿直徑D、均肥擋桿組數(shù)D及相鄰均肥擋桿組之間的距離D是影響肥料均勻分布效果進(jìn)而影響上下層肥料分配比例穩(wěn)定性的主要因素，采用Design-Expert軟件響應(yīng)面分析中的Box-Behnken Design(BBD)響應(yīng)面優(yōu)化分析法進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

分析肥料均布器結(jié)構(gòu)可知，均肥擋桿直徑越小，越利于肥料通過，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越低；均肥擋桿組間距越小肥料越容易通過，但均肥效果越差，結(jié)合文獻(xiàn)[20]，在確保均肥擋桿強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，選取均肥擋桿直徑為3～5 mm，每層均肥擋桿組間距8～12 mm；根據(jù)肥料均勻分布策略和肥料均布器結(jié)構(gòu)限制，確定均肥擋桿組數(shù)為4～6組。試驗(yàn)因素水平如表2所示。各仿真參數(shù)如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素水平表

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

結(jié)合油菜生長(zhǎng)需肥特點(diǎn)，以上、下層施肥量比例4∶6設(shè)置分肥板位置，以機(jī)器前進(jìn)速度4 km/h時(shí)的排肥量設(shè)置顆粒生成速度，以上、下層施肥比例與設(shè)置的目標(biāo)比例誤差為試驗(yàn)指標(biāo)，考察肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)的作業(yè)效果。上、下層施肥比例與目標(biāo)施肥比例的誤差可由式（8）計(jì)算。

式中E為上層施肥量比例與目標(biāo)施肥比例的誤差；m為上層實(shí)際施肥量比例，%；m為設(shè)置的上層施肥量比例，%；E為下層施肥量比例與目標(biāo)施肥比例的誤差；m為下層實(shí)際施肥量比例，%；m為設(shè)置的下層施肥量比例，%。

3.2.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案和結(jié)果如表4所示，利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，剔除不顯著項(xiàng)，得到實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例誤差的二次回歸模型為

表4 試驗(yàn)方案和結(jié)果

注：1、2、3分別為均肥擋桿的直徑、組數(shù)和組間距編碼值。下同。

Note:1,2and3are the coded values for diameter, groups and distance between groups of fertilizer uniform distributing rods. Same as below.

對(duì)二次回歸模型進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 回歸方程方差分析

注：<0.01為極顯著影響；0.01≤<0.05為顯著影響。

Note:<0.01 means significant effect; 0.01<<0.05 means significant effect.

根據(jù)表5可知，二次回歸模型<0.01極顯著，失擬項(xiàng)>0.05失擬不顯著，說明擬合模型能正確反映各因素與誤差之間的關(guān)系，可以較好地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，1、2、3、12、12、22、32項(xiàng)極顯著，其余項(xiàng)均不顯著，根據(jù)模型回歸系數(shù)大小可知，各因素對(duì)誤差的影響由大到小依次為3、2、1。

將任一因素固定在0水平，得到其余兩因素交互作用對(duì)實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例誤差的響應(yīng)面圖，如圖7所示，由圖7a可知，當(dāng)擋桿組間距D處于0水平，且擋桿組數(shù)為5時(shí)誤差存在最小值；由圖7b可知，當(dāng)D處于0水平，擋桿組數(shù)D位于4.4～5.6之間時(shí)誤差存在最小值；由圖7c可知，當(dāng)D處于0水平，D值較大或較小且D較小時(shí)誤差存在最小值。利用軟件中Optimization-Numerical模塊求得最優(yōu)參數(shù)組合為D=3 mm，D=5.16，D=8.94 mm，此時(shí)實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例誤差為1.83%，結(jié)合加工實(shí)際，確定最優(yōu)參數(shù)為D=3 mm，D=5，D=8.9 mm。

4 排肥穩(wěn)定性試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與評(píng)價(jià)指標(biāo)

為驗(yàn)證仿真分析確定的最優(yōu)參數(shù)組合下肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，以螺旋擾動(dòng)錐體離心式排肥器為供肥裝置，選用史丹利復(fù)合肥，開展排肥器轉(zhuǎn)速在100、110、120 r/min（對(duì)應(yīng)播種速度約為1.8、2.6、3.1 km/h。此3種排肥器轉(zhuǎn)速下各行排肥量一致性系數(shù)高于96.5%，排肥均勻穩(wěn)定）[25]，上、下層設(shè)置施肥比例為50:50、40:60、30:70，供肥時(shí)間1 min的肥料比例分配性能試驗(yàn)，每次試驗(yàn)利用接肥袋收集各排肥管內(nèi)肥料，重復(fù)3次取平均值。試驗(yàn)以目標(biāo)施肥比例與實(shí)際施肥比例誤差、上下層落肥管排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和上層落肥管左右兩側(cè)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)由式（10）求得。

式中為試驗(yàn)次數(shù)；x為排肥量，g；CV為排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)，%。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 上下層排肥量穩(wěn)定性試驗(yàn)

上下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)是衡量肥料分配比例穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。肥料比例調(diào)節(jié)分配機(jī)構(gòu)排肥性能試驗(yàn)如圖8所示。排肥性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，相同上下層目標(biāo)施肥比例下，隨排肥器轉(zhuǎn)速增加，即排肥量的增加，實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例誤差逐漸增大；相同排肥器轉(zhuǎn)速下，隨上層目標(biāo)施肥比例的減小，實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例誤差也逐漸增加，最大誤差為4.1個(gè)百分點(diǎn)，該誤差較小，對(duì)油菜后期長(zhǎng)勢(shì)影響較弱，滿足油菜施肥要求。

上下層排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)隨排肥器轉(zhuǎn)速關(guān)系如表7所示。由表7可知，目標(biāo)施肥比例為40:60和30:70時(shí)，下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于上層實(shí)際排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)；目標(biāo)施肥比例為50:50和40:60時(shí)，隨排肥器轉(zhuǎn)速的增加，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)減小，上下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)最高為3.9%，說明上下層肥料比例分配穩(wěn)定，滿足油菜分層施肥要求。

4.2.2上層分施排肥性能試驗(yàn)

上層左右落肥管排肥量差異和穩(wěn)定性是影響油菜根系前期生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。上層排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)如表8所示。

從表8可以看出不同轉(zhuǎn)速下上層左右落肥管排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于4.8%，說明左右兩側(cè)排肥量穩(wěn)定性好，排肥器轉(zhuǎn)速對(duì)兩側(cè)排肥量穩(wěn)定性影響較小。

上層左右兩側(cè)落肥管的排肥性能試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。由表9可知，實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例誤差低于4.1個(gè)百分點(diǎn)，說明左右兩側(cè)落肥管分肥效果好，滿足上層肥料分施要求。

表6 不同轉(zhuǎn)速下肥量控制與分流機(jī)構(gòu)上下層排肥性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 不同轉(zhuǎn)速下上下層排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)

表8 不同轉(zhuǎn)速下上層左右側(cè)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)

表9 不同轉(zhuǎn)速下上層左右側(cè)排肥性能試驗(yàn)結(jié)果

5 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證分層定量施肥裝置的分層施肥效果，于2020年9月11日在監(jiān)利市試驗(yàn)示范基地開展田間試驗(yàn)。選用2BYL-8型離心式油菜直播機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)前地塊已旋耕，肥料為史丹利復(fù)合肥，采用東風(fēng)井關(guān)T954型拖拉機(jī)3.1 km/h開展試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用拖拉機(jī)12V蓄電池作為電源為排肥器直流電機(jī)提供動(dòng)力，排肥器轉(zhuǎn)速為120 r/min，試驗(yàn)中任取5行肥溝，機(jī)器前進(jìn)20 m后選取肥溝內(nèi)第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，間隔50 m后選取另一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共計(jì)10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量分層施肥深度和上層肥料分施間距，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

施肥深度為每層肥料與地表的最遠(yuǎn)肥料顆粒距離，上層分施間距為左右兩側(cè)距離最近的肥料顆粒之間的距離。由于測(cè)量過程中存在土壤流動(dòng)，且進(jìn)行肥料位置測(cè)量將土扒開過程造成肥料位置的改變，無法準(zhǔn)確測(cè)得實(shí)際值，因此為確保施肥位置的測(cè)量結(jié)果更接近實(shí)際值，采用位于落肥管內(nèi)且與排肥口最近的肥料顆粒位置作為測(cè)量依據(jù)，分別測(cè)得上、下層施肥深度和上層左右兩側(cè)肥料的分施間距，測(cè)量結(jié)果如表10所示。由表10可知，下層肥料平均深度為141.2 mm；上層左側(cè)肥料平均深度為81.9 mm，右側(cè)平均深度為81.6 mm，兩者相差不大；上層左側(cè)與右側(cè)肥料平均間距為67.8 mm。上述結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)施肥深度穩(wěn)定，滿足分層施肥要求。

表10 施肥位置測(cè)量結(jié)果

6 結(jié) 論

1）針對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)油菜播種同步施肥過程施肥方式粗放、分層施肥裝置匱乏問題，提出了一種基于肥料流均勻分布的上下層肥料比例調(diào)節(jié)、上層肥料左右分施技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種上下層施肥深度可調(diào)的分層定量施肥裝置，利用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，仿真分析確定了均布裝置的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：擋桿直徑為3 mm、擋桿組數(shù)為5、擋桿組間距為8.9 mm。

2）最優(yōu)參數(shù)組合下的排肥性能試驗(yàn)結(jié)果表明，上下層實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例最大誤差為4.1個(gè)百分點(diǎn)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于3.9%，說明肥料比例分配穩(wěn)定；上層左右落肥管實(shí)際施肥比例與目標(biāo)施肥比例誤差低于4.1個(gè)百分點(diǎn)，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)低于4.8%，滿足上層肥料分施要求；田間試驗(yàn)表明，施肥裝置作業(yè)穩(wěn)定，滿足油菜分層施肥要求。

本研究重點(diǎn)對(duì)顆?；示鶆蚍植及幢壤峙溟_展理論分析，以滿足肥料分層施用的要求，未進(jìn)行殘茬量大且未耕整地塊的試驗(yàn)，后續(xù)將結(jié)合主動(dòng)防堵裝置的研究對(duì)不同田塊的適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)與分析。

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Design and experiments of layered and quantitative fertilization device for rapeseed seeder

Liu Xiaodong,Wang Xuping,Chen Liyuan, Zhang Chaoyu, Liu Wenbo, Ding Youchun※

(1.,,430070,; 2.,430070,)

Overuse of chemical fertilizers is one of the important factors that cause the agricultural nonpoint source pollution to aggravate in precise agriculture. The middle and lower reaches of the Yangtze River are the main producing areas of oilseed rape in China. In sowing, the mixed and extensive application of chemical fertilizers with low utilization has become a severe restriction on the sustainable production of rape in green agriculture. Layered and quantitative fertilization is an alternative way to reduce the excessive amount, while increasing the efficiency of chemical fertilizers. In layered fertilizing, the proportion of fertilizers in the upper and lower layer can be accurately controlled with a high utilization rate for the later advantageous growth of crops in different areas. However, the traditional extensive mode of operation has posed a great challenge on the direct seeding of rapeseed in the middle and lower reaches of the Yangtze River. In this study, a layered and proportional fertilizing device was proposed for the uniform distribution of fertilizer flow in a rape seeder, according to the planting and growth pattern of the root system. A proportional control system was applied to adjust the amount of fertilizer in the upper and lower layers, while separately fertilizing at the left and right of the upper layer. A quadratic regression orthogonal test was conducted to take the diameter of blocking rod, the number of the blocking rod groups, and the distance between blocking rods as the experimental factors. The optimal structural parameters of the device were determined: the rod diameter was 3 mm, the number of rod groups was 5, and the distance between the rods was 8.9 mm. A performance test of fertilizer discharge was carried out under the optimal combination of parameters. The evaluation indexes were set as the error between the target fertilizing ratio and the actual fertilizing ratio, the variation coefficient of stable discharge volume for the upper and lower pipes, and the variation coefficient of stable discharge volume for the left and right sides of the upper pipe. The test results showed that the maximum error between the actual and target fertilizing ratio was 4.1 percentage points for the upper and lower layers, indicating very little influence on the later growth of rape. The variation coefficient of stable fertilizer discharge in the upper and lower layers was lower than 3.9%, indicating a stable distribution of fertilizer ratio for the standard requirements in the layered fertilization of rape. The error between the actual and target fertilizing ratio was less than 4.1 percentage points in the upper pipe, meaning an excellent fertilization effect for the standard requirements in the upper layer. The variation coefficient of stable discharge volume was lower than 4.8% in the upper pipe. There was no obvious relationship with the rotational speed of the discharge device, indicating excellent stability of discharge volume for the left and right sides. The field test showed that the fertilizing device was stable for the high requirements in the layered fertilization of rape. This finding can provide potential technical support for the proportional layering of fertilizer during large-scale production of oilseed rape.

design; experiments; rapeseed; layered fertilization; deep fertilization

劉曉東，王緒坪，陳禮源，等. 油菜直播機(jī)分層定量施肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.001 http://www.tcsae.org

Liu Xiaodong, Wang Xuping, Chen Liyuan, et al. Design and experiments of layered and quantitative fertilization device for rapeseed seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.001 http://www.tcsae.org

2020-09-29

2021-02-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200600、2016YFD0200606）；

劉曉東，博士生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控。 Email：17863963882@163.com

丁幼春，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛筒藱C(jī)械化生產(chǎn)智能化技術(shù)與裝備。Email：kingbug163@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.001

S223.2+4

A

1002-6819(2021)-05-0001-10