玉米行間定點扎穴深施追肥機的設計與試驗

胡 紅，李洪文，王慶杰，何 進，張翼夫，陳婉芝，王憲良

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玉米行間定點扎穴深施追肥機的設計與試驗

胡 紅，李洪文※，王慶杰，何 進，張翼夫，陳婉芝，王憲良

（中國農業(yè)大學工學院，北京 100083）

為解決玉米生長中后期追肥機械化水平低且追肥困難的問題，結合追肥農藝要求，設計了一種玉米行間定點扎穴深施追肥機，能夠在行距為600 mm的玉米行間進行追肥作業(yè)，1次完成2行玉米追肥。該機采用植株位置探測機構和棘輪離合機構確定扎穴深施追肥的位置，采用水平位移補償裝置和曲柄連桿機構共同控制扎穴施肥機構的運動軌跡，實現(xiàn)玉米定點扎穴深施追肥與扎穴施肥機構在入土排肥過程中垂直運動，滿足零速排肥要求，減少肥料滾動。該文采用理論計算與經驗設計，對凸輪、探測桿等關鍵零部件進行了參數設計，采用MATLAB軟件對扎穴器尖部運動軌跡進行了仿真分析。追肥機田間追肥性能試驗結果表明，排肥軸含肥腔長度為20 mm時的穴追肥量為2.3 g，總排肥量穩(wěn)定性變異系數為3.2%，平均追肥深度和平均追肥距離分別為91.3和127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距離合格率分別為88.3%和96.7%，漏追率為2.7%，相關指標均達到技術要求。該研究為應用于玉米中后期行間精確追肥機械的設計提供了參考。

農業(yè)機械；設計；農作物；玉米行間；定點扎穴；深施追肥機

0 引 言

玉米是重要的糧食作物和飼料來源，在解決人類糧食問題中意義重大[1-2]。提高玉米單產和總產水平，是確保國家糧食安全的重要途徑[3]。實踐證明，生育期內合理追肥特別是氮素化肥能夠有效促進玉米生長，提高玉米產量[4-5]。

大喇叭口期是玉米生長發(fā)育最為旺盛的階段，是養(yǎng)分需求最大的時期，大喇叭口期追肥對玉米產量具有決定性的作用。但由于玉米大喇叭口期植株高大，機械進地困難，往往采用人工追肥或小型追肥器追肥。人工追肥效率低下，肥料撒施地表利用率低，污染環(huán)境，威脅人類飲水安全[6-7]；小型追肥器主要靠人工操作，勞動強度大，且追肥量難以精確控制，造成肥料浪費，利用率差[8-9]。為提高追肥作業(yè)機械化水平，科研工作者們結合中耕作業(yè)，在玉米拔節(jié)期左右提前進行追肥，研制出集深松、除草和追肥于一體的中耕追肥機[10-12]，但存在傷根傷苗現(xiàn)象，影響玉米植株生長發(fā)育。

定點扎穴追肥是指在玉米植株根部附近進行一對一的扎穴深施追肥，而對沒有玉米植株區(qū)域不進行追肥的施肥方式，能夠減輕化肥濫用，提高肥料利用效率，減輕環(huán)境污染。目前國內外主要采用紅外線探測技術[13-14]、超聲波測距傳感器[15-17]、機器視覺和圖像處理技術等進行目標識別[18-21]，將遙感技術、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)融合在一起獲取目標的綜合信息，主要應用于果樹及農作物等的病蟲害防治，減少農藥的濫用和用藥不足[22-24]，但用于玉米追肥還未見報道。而扎穴施肥的方式主要有2種：一是扎穴施肥分段實施，首先采用人工扎穴，然后用手將肥料放入穴中，工作效率低，勞動強度大；二是采用曲柄搖桿機構或行星齒輪等驅動扎穴機構作有規(guī)律的復合運動，實現(xiàn)扎穴深施追肥[25-27]，但存在扎穴器與土壤的相互作用力較大，增大了牽引阻力，且扎穴器尺寸較小，一般適用于液態(tài)肥追肥，不適宜固態(tài)肥追肥。

為解決上述問題，本文結合追肥農藝要求，設計開發(fā)一種玉米行間定點扎穴深施追肥機，通過經驗設計和理論計算，對各個工作機構進行運動學分析，對整機進行了田間性能試驗，以期達到玉米對株定點扎穴、零速排肥、化肥精量深施的效果。

1 整機方案確定

1.1 設計依據

針對玉米生長中后期行間追肥存在的問題，結合傳統(tǒng)追肥農藝經驗和相關試驗研究，確定了玉米行間定點扎穴深施追肥機的設計依據：

1）追肥機行距適應性：合理密植可以使群體和個體協(xié)調發(fā)展，近年來玉米密植技術在中國得到大力推廣與應用，按1公頃52 500～67 500株玉米計算，則行距為600 mm為最佳，增產效果最明顯[28]，比較適合機械化田間作業(yè)，且具有較好的增產效果。

2）追肥方式：目前玉米中后期追肥主要采用開溝條施和表面撒施，存在肥料利用率低以及污染環(huán)境的問題，因此采取扎穴深施的追肥方式，將肥料深施于玉米根部，供玉米吸收，減少了肥料施用量，提高了肥料利用效率，減少環(huán)境污染。

3）追肥距離及深度：根據已有研究和追肥經驗，扎穴點與玉米植株距離確定為100～150 mm，追肥深度確定為80～100 mm[29]。

1.2 整機結構

玉米行間定點扎穴深施追肥機的結構示意圖如圖1所示，主要由轉向輪1、機架2、動力輸出總成3、轉向機構4、肥箱8、棘輪離合裝置9、曲柄連桿機構10、扎穴施肥機構11、水平位移補償裝置12、覆土鎮(zhèn)壓裝置13、植株位置探測機構14和傳動系統(tǒng)16等組成。其中植株位置探測機構、棘輪離合機構、水平位移補償裝置、曲柄連桿機構、扎穴施肥機構和覆土鎮(zhèn)壓裝置均為2組，對稱安裝于機架兩側，位于驅動輪后方。曲柄連桿機構與棘輪離合機構固定連接，與扎穴施肥機構鉸接，其初始位置為曲柄位于上止點的位置；棘輪離合機構與水平位移補償裝置1∶1鏈傳動連接，與植株位置探測機構通過接觸面接觸；覆土鎮(zhèn)壓裝置安裝在機架末端，位于扎穴施肥機構正后方；肥箱與機架固定連接，位于座椅正后方。整機的主要結構參數如表1所示。

1.3 工作原理

發(fā)動機啟動后，追肥機在玉米行間行進。當植株位置探測機構未探測到玉米植株時，棘輪離合機構處于斷開狀態(tài)，追肥機在玉米行間行進但動力不會傳遞到水平位移補償裝置和曲柄連桿機構，因而扎穴施肥機構仍處于相對靜止狀態(tài)；當植株位置探測機構探測到玉米植株時，棘輪離合機構結合，動力傳遞到曲柄連桿機構和水平位移補償裝置，共同驅動扎穴施肥機構作有規(guī)律的復合運動，水平位移補償裝置驅動扎穴施肥機構向機具運動方向相反的方向運動，其水平速度與機具前進速度大小相等，方向相反，則在此過程中扎穴施肥機構的水平速度為零，水平位移為0；曲柄連桿機構驅動扎穴施肥機構作上下往復運動，完成入土扎穴與排肥。當植株位置探測機構繞過玉米植株時，植株位置探測機構回到初始位置，曲柄連桿機構運動一個周期后回到初始位置，棘輪離合機構斷開，水平位移補償裝置和扎穴追肥機構回到初始位置，與機架保持相對靜止狀態(tài)，直至下一次檢測到玉米植株重復上訴步驟，追肥機定點扎穴深施追肥過程原理結構簡圖如圖2所示。

表1 玉米行間定點扎穴深施追肥機的主要結構參數

2 主要零部件設計

2.1 水平位移補償裝置的設計

由參考文獻[27]可知，現(xiàn)有的扎穴裝置存在入出土垂直度差的問題，在土壤中運動復雜，土壤擾動量大；排出的肥料作平拋運動，具有較大的跳動或滾動，影響施肥精準度，降低肥料利用效率[30]。因此，保證扎穴裝置垂直出入土，是獲得精準施肥的關鍵。為確保扎穴裝置入出土過程作垂直運動，即水平速度為零，則需要對扎穴裝置進行水平位移補償，且補償大小與追肥機前進距離大小相等，方向相反。

2.1.1 水平位移補償裝置與驅動輪傳動比

為保證水平位移補償裝置與追肥機具有確定的相對運動，則水平位移補償裝置與追肥機驅動輪之間具有固定的傳動比。水平位移補償裝置與驅動輪的傳動比可以根據最小扎穴距離確定

式中為驅動輪直徑，=450 mm，為水平位移補償裝置與驅動輪的傳動比；P為最小扎穴距離，根據玉米密植要求，保證機具的株距適應性，取P=180 mm。

由式（1）算出，=7.85，為保證扎穴距離取到最小，因此取=8時方便傳動鏈輪的齒數選取與傳動計算。

2.1.2 水平位移補償裝置結構參數

水平位移補償裝置由凸輪、凸輪軸、異型軸承、推桿、滑塊和水平導軌組成。當凸輪軸轉動時，凸輪隨著一起轉動，推動推桿和滑塊在水平導軌上滑動，從而驅動扎穴施肥機構相對機架運動，實現(xiàn)扎穴施肥機構的水平位移補償。

凸輪端面開設凹槽，凹槽內壁推動推桿，實現(xiàn)水平位移補償功能；外壁拉動推桿，使凸輪與推桿始終保持緊密結合，實現(xiàn)初始位置回復功能。凹槽與推桿通過異型軸承連接，異型軸承在凹槽內運動，考慮到凸輪安裝空間和異型軸承軸的強度，選取異型軸承為S726 GB/292-1994，其外徑為19 mm，厚度為6mm，且選擇2個異型軸承并聯(lián)使用，增加接觸面積。凸輪凹槽寬度設計為20 mm，深度設計為10 mm，內外壁厚均設計為5 mm，凸輪厚度設計為15 mm。

水平位移補償裝置的補償位移大小由凹槽中心線的瞬時半徑決定，根據水平補償位移大小等于機具前進距離的要求，可以計算出一半凸輪凹槽中心線的半徑變化曲線

（3）

式中為驅動輪轉速，r/min；為水平位移補償裝置的運動周期，s；R為凸輪凹槽中心線半徑變化量，mm。

計算得到R=88.3 mm，凸輪轉過的角度為180°，為方便計算可取R=90 mm。假設追肥機為勻速前進，則凹槽中心線半徑變化為線性，即凸輪每轉過1°，半徑變化0.5 mm。繪制凹槽中心線時，取最小半徑為30 mm,每隔20°取一點，半徑增加10 mm，直至取到最大值處，然后將各點通過樣條曲線連接起來，形成溝槽中心線軌跡一半的繪制，遞減曲線段與遞增曲線段對稱圖3a為凹槽中心線軌跡。由圖3a可以看出，在對稱曲線過渡點處凹槽中心線軌跡突變，容易造成大的沖擊甚至卡死，所以在突變點采用倒圓角30 mm處理，得到的凸輪三維模型如圖3b所示。

2.2 植株位置探測機構和棘輪離合機構的設計

植株位置探測機構的主要功能是準確找到玉米植株的位置，然后將檢測信號傳遞給棘輪離合機構，決定是否連通動力，驅動扎穴施肥機構進行定點扎穴追肥。

當植株位置探測機構未檢測到玉米植株時，棘輪離合機構處于待機狀態(tài)，棘爪與棘爪隔離開關接觸，與棘輪斷開，離合鏈輪沒有旋轉速度；當植株位置探測機構探測到玉米植株時，在玉米植株作用下擺桿轉動一定角度，棘爪隔離開關和棘爪斷開連接，棘爪壓緊彈簧使棘爪與棘輪嚙合，棘輪離合機構處于工作狀態(tài)，帶動離合鏈輪同步旋轉，驅動后續(xù)工作部件運動。圖4a為棘輪離合裝置處于待機狀態(tài)時的示意圖，圖4b為棘輪離合機構處于工作狀態(tài)時的示意圖。

1.探測桿 2.扭轉彈簧 3.擺桿回位彈簧 4.擺桿 5.軸承座 6.離合軸 7.棘爪隔離開關 8.棘爪 9.棘爪壓緊彈簧 10.棘輪 11.離合套軸承 12.離合鏈輪 13.離合套 14.卡簧

1.Proof stick 2.Torsion spring 3.Return spring of oscillating bar 4.Oscillating bar 5.Bearing pedestal 6.Clutch shaft 7.Disconnect switch of pawl 8.Pawl 9.Retainer spring of pawl 10.Ratchet wheel 11. Bearing of clutch cover 12.Clutch sprocket 13.Clutch cover 14.Circlip

注：為離合軸角速度，rad·s-1。

Note:is angular velocity of clutch shaft, rad·s-1.

圖4 探測裝置和棘輪離合機構不同作業(yè)狀態(tài)結構示意圖

Fig.4 Structure diagram of different working states of detection mechanism and ratchet clutch mechanism

2.2.1 結構參數設計

根據玉米種植行距和植株位置探測機構的結構，繪制植株位置探測機構作業(yè)時的位置參數圖，如圖5所示。

擺桿轉動需要克服的力主要有棘爪和棘爪隔離開關的摩擦力、控制桿回位彈簧彈力和扭轉彈簧力，根據各桿件的運動順序和彈簧彈性剛度計算公式可給出以下約束條件[31]

（5）

（6）

式中為探測桿長度，mm；為擺桿轉動角度，=15°；為探測桿相對擺桿轉動角度，(°)；為追肥機路徑偏移量，為保證擺桿適用范圍，取=50 mm；為棘爪離合開關和棘爪的摩擦系數，=0.15；為彈簧材料的切變模量，彈簧材料為碳素鋼絲，查表得到=8×104MPa；1為棘爪壓緊彈簧直徑，mm；1為棘爪壓緊彈簧內徑，mm；1為棘爪壓緊彈簧有效圈數；1為棘爪壓緊彈簧拉伸長度，mm；2為擺桿回位彈簧直徑，mm；2為擺桿回位彈簧內徑，mm；2為擺桿回位彈簧有效圈數；2為擺桿回位彈簧拉伸長度，mm；為彈簧材料的彈性模量，=2×105MPa；3為扭轉彈簧直徑，mm；3為扭轉彈簧內徑，mm；3為扭轉彈簧有效圈數；[]為距離地面200 mm高度處玉米莖稈最大折斷力，取[]=295 N[32]；[]為安全系數，[]=1.5。

根據式（4）～式（6）計算得到75 mm<<127.6 mm，綜合考慮探測桿探測距離和回位時間，取=100 mm，則可算得<59°，然后可根據已有數據計算選取合適的彈簧參數。

2.2.2理論扎穴點位置

追肥機在玉米行間進行扎穴時，扎穴點位置與機具路徑偏移量和行距變化有很大關系，很難確定出一個確定的扎穴點，但可以計算處追肥機在理想工作條件下的扎穴點位置。首先提出兩點假設：一是玉米行距始終為600 mm；二是追肥機前進方向與玉米行距中心線重合，無路徑偏移。根據以上假設，可以計算得到扎穴點的理論位置和理論追肥距離

（9）

（10）

式中d為扎穴點與玉米植株的縱向距離，mm；M為理論追肥距離，mm；為擺桿與離合軸的水平方向距離，mm。計算得到45 mm<<157 mm，取=100 mm，則可算出d=45 mm，M=114 mm。

2.3 扎穴施肥機構的設計

2.3.1 基本結構與工作原理

為了滿足扎穴施肥的要求，對扎穴施肥機構的運動規(guī)律進行探究后，設計了符合機構運動規(guī)律的扎穴施肥機構，主要由扎穴嘴1、排肥軸2、水平導軌4、豎直導軌7、連桿8、曲柄9、扎穴器10和蹄型滑軌14等組成，如圖6所示。

在植株位置探測機構探測到玉米植株時，棘輪離合機構接通動力，驅動曲柄連桿機構和水平位移補償裝置運動，從而驅動扎穴施肥機構在水平導軌和豎直導軌上作直線運動，機構進行工作。由機構運動規(guī)律可知，扎穴和施肥工序與扎穴器豎直方向的運動相關：扎穴器向下入土時，扎穴嘴閉合，定量的肥料儲存在扎穴嘴和扎穴器尖部形成的尖嘴中，排肥軸進行充肥；扎穴器向上運動時，扎穴嘴張開，肥料進入穴孔，在扎穴器最下端離開地面后，扎穴嘴閉合，保證肥料排盡且不夾泥，排肥軸進行排肥，肥料流入扎穴嘴和扎穴器尖部形成的腔中，待下一次追肥。

2.3.2 扎穴器運動分析

扎穴器的運動是復合運動：一是曲柄連桿機構驅動的豎直方向運動，二是水平位移補償裝置驅動的水平方向運動，三是隨機具的牽連運動。將曲柄、連桿、扎穴器和推桿等效成桿件，以離合軸旋轉中心為坐標原點，以追肥機前進方向為軸正向，豎直向下方向為軸正向建立坐標系，如圖7所示。由于扎穴器為剛性，且始終垂直于地面，因此其上各點具有相同的速度和相同的值。因此，扎穴器尖端點的運動可由點得到，分別建立(x,y)、(x,y)、(x,y)各點坐標與運動時間的相對運動方程。

1.凸輪 2.推桿 3.水平導軌 4.曲柄 5.連桿 6.豎直導軌 7.扎穴器

1.Cam 2.Push rod 3.Horizontal guide rail 4.Crank 5.Connecting rod 6.Vertical guide rail 7.Hole-pricker

注：1為曲柄長度，mm；2為連桿長度，mm；3為扎穴器長度，mm。

Note:1is the length of crank, mm;2is the length of connecting rod, mm;3is the length of hole-pricker, mm.

圖7 扎穴施肥機構運動原理圖

Fig.7 Schematic diagram of movement of hole-pricking and deep-fertilization mechanism

式中x為曲柄與連桿的連接點在坐標系中的橫坐標值，mm；y為曲柄與連桿的連接點在坐標系中的縱坐標值，mm；1為曲柄長度，1的取值決定了扎穴器在豎直方向上的運動范圍，由施肥深度（100 mm）和離地安全高度（40 mm）組成，則1=70 mm；為離合軸旋轉角速度，rad/s；為運動時間，s。

（12）

式中x為連桿與扎穴器的連接點在坐標系中的橫坐標值，mm；y為連桿與扎穴器的連接點在坐標系中的縱坐標值，mm；2為連桿長度，取2=150 mm。

（14）

式中x為扎穴器下端在坐標系中的橫坐標值，mm；y為扎穴器下端在坐標系中的縱坐標值，mm；3為扎穴器長度，根據離合軸旋轉中心離地高度可得到3=566 mm。

(x，y)點隨追肥機的牽連運動方程

（16）

采用MATLAB軟件編寫代碼，則可繪制出扎穴器尖部一個周期的絕對運動軌跡，如圖8所示。

由圖8可以看出，在一個周期內，扎穴器尖部在水平方向上的位移為176 mm，在豎直方向上的位移為140 mm，扎穴最深點距離地面100 mm，開始進行補償的點距離地面30 mm，與理論設計值一致。同時可以從軌跡線看出，在水平位移補償階段，其入土軌跡與出土軌跡不重合，這是因為在凸輪設計時，為計算方便，其半徑最大增量與追肥機前進距離具有1.7 mm的差值。

2.3.3 扎穴嘴參數設計

根據扎穴嘴內肥料運動規(guī)律及施肥時間要求，扎穴嘴閉合與打開的時間具有嚴格的要求。通過變軌法實現(xiàn)扎穴嘴在不同運動行程的不同狀態(tài)，當扎穴器向下運動時，滑軌軸承通過蹄型滑軌內側軌道，扎穴嘴閉合；當扎穴器向上運動時，滑軌軸承經過蹄型滑軌外側軌道，扎穴嘴張開。圖9為滑軌軸承處于蹄型滑軌不同軌道時扎穴嘴的位置圖。

根據扎穴器運動軌跡及變軌要求，可得到實現(xiàn)扎穴嘴狀態(tài)切換的約束條件

式中為滑軌軸承的半徑=10 mm；為蹄型滑軌內側面與扎穴器的距離，mm；1為蹄型滑軌曲線段半徑，mm；為扎穴嘴開閉連桿的長度，=120 mm；為蹄型滑軌曲面頂點與蹄型滑軌內側面的水平距離，mm；為蹄型滑軌的寬度，mm；為蹄型滑軌直線段的長度，mm；為扎穴嘴閉合時扎穴嘴開閉連桿與水平面的夾角，=75°；為扎穴嘴張開時扎穴嘴開閉連桿與水平面的夾角，扎穴嘴轉動到豎直位置時，能夠保證順利排肥，因此可計算得到=45°。

1.扎穴嘴 2.扎穴嘴開閉連桿 3.拉緊彈簧 4.扎穴器 5.蹄型滑軌 6.滑軌軸承

1.Pricker mouth 2. Lockage connecting rod of pricking mouth 3.Stretched spring 4.Hole-ppricker 5. Hoof type slideway 6.Slideway bearing

注：為扎穴嘴高度，此處值為120 mm；為滑軌軸承半徑，=10 mm；為蹄型滑軌厚度，mm；為蹄型滑軌直線段長度，mm；1為蹄型滑軌曲線段半徑，mm；為蹄型滑軌曲面頂點與蹄型滑軌內側面的水平距離，mm；為蹄型滑軌內側面與扎穴器的距離，mm；為扎穴嘴閉合時扎穴嘴開閉連桿與水平面的夾角，=75°；為扎穴嘴張開時扎穴嘴開閉連桿與水平面的夾角，此處取=45°；為扎穴嘴開閉連桿長度，=120 mm；為扎穴器運動方向。

Note:is height of hole pricker, and it’s 120 mm;is the radius of slideway bearing,=10 mm;is the thickness of hoof type slideway, mm;is the straight line length of hoof type slideway, mm;1is curve segment radius of hoof type slideway, mm;is the horizontal distance of the peak of curve segment and inner side of hoof type slideway, mm;is the distance of inner side of hoof type slideway and hole pricker, mm;is the angle of connecting rod and horizontal plane when it was closed state,=75°;is the angle of connecting rod and horizontal plane when it was opening state,=45°;is the length of connecting rod,=120 mm;is the direction of the hole pricker.

圖9 扎穴嘴不同工作狀態(tài)位置圖

Fig.9 Position of hole-pricker at different working state

根據式（17）計算得到：>12，37.2<<77.2，1=30，>20，<19，在考慮安全余量和安裝空間的情況下，最終取得=15 mm，=40 mm，1=30 mm，=22 mm，=15 mm。

3 田間播種試驗及結果分析

3.1 試驗條件與方法

3.1.1 試驗條件

2016年7月，玉米行間定點扎穴深施追肥機田間追肥性能試驗在遼寧省撫順市清原縣孤山子村試驗地進行。試驗地長50 m，寬20 m，玉米于5月份播種，試驗用玉米種子為吉農玉409，發(fā)芽率≥95%，行距為600 mm，平均株距為235 mm。試驗前測得玉米平均株高為148.6 cm，每公頃株數為67 500株，5、10 cm土層深度的土壤緊實度分別為386 、942 kPa。試驗用顆粒肥為復合肥，含水率為2.91%，N：P2O5：K2O的比例為15:16:12，平均顆粒直徑為4.3 mm。試驗時，追肥機的前進速度為0.8 m/s，圖10為追肥機田間追肥試驗及追肥作業(yè)后穴孔分布效果圖。

a. 田間追肥試驗a. Field experiment of topdressingb. 扎穴效果圖b. Effect picture of hole-pricking

根據設計方案，測試內容主要包括漏追率、追肥深度、追肥深度合格率、追肥距離、追肥距離合格率和豎直方向最大振幅。試驗前，準備好各項用到的試驗器材：美國Spectrum Technologies, Inc生產的SC-900土壤緊實度儀、北京航天智控監(jiān)測技術研究院研發(fā)生產的AIC3600手持式振動分析儀、十分度游標卡尺、小鐵鏟、秒表和鋼卷尺。

3.1.2 試驗指標與方法

1）漏追率

隨機選取3個作業(yè)行程的玉米行作為取樣區(qū)，避開田邊，在選取的玉米行中間段選取20 m作為計數取樣段，然后在每個樣段內隨機選取50株玉米，共取得150株玉米，利用小鐵鏟挖取玉米植株扎穴點的土壤剖面，觀察相應玉米植株是否進行扎穴追肥，統(tǒng)計3個取樣段進行了扎穴追肥的株數L，則漏追率可由式（18）得到。

式中為漏追率，%；L為取樣段內完成追肥的玉米株數；L為取樣玉米株數，L=150。

2）穴追肥量和總排肥量穩(wěn)定性

參照國家標準GB/T 20346.2-2006《施肥機械試驗方法第2部分行間施肥機》的試驗方法，反向安裝驅動輪（驅動輪上安裝有單向離合器），追肥機驅動軸旋轉時追肥機不會前進。試驗前，將肥料裝入肥箱中，保證肥箱內的肥料不少于肥箱容積的1/4，且肥料頂面低于肥箱口；肥料收集器置于施肥器正下方，其外形輪廓為150 mm×150 mm，深度為150 mm，排肥軸的含肥腔長度設置為20 mm。啟動發(fā)動機，人工操作探測桿，使施肥器運動排肥，兩側施肥器同時試驗，試驗20次后稱量肥料收集器總質量，每側排肥器試驗重復3次，取平均值。平均穴追肥量和總排肥量穩(wěn)定性變異系數可表示為

（20）

式中M為平均排肥量，g；m為測得的肥料收集器和收集到的肥料總質量，g；為肥料收集器的質量，g；肥料收集器序號；V為總排肥量穩(wěn)定性變異系數，%。

3）追肥深度與追肥深度合格率

隨機選取3行作業(yè)后的玉米行，在每行中間部位選取20 m作為取樣區(qū)，然后在取樣區(qū)內隨機選取20株完成追肥的玉米植株，共取得60個取樣點。用小鐵鏟剖開所選玉米植株追肥點穴孔截面，然后用鋼卷尺測量肥料最低點距離地面的高度即追肥深度，計算所有取樣點測量值的平均值，然后計數追肥深度合格的穴孔（追肥深度值處于80～100 mm的穴孔），則追肥深度合格率為合格穴孔數與總測試穴孔數的比值，計算公式為

式中為追肥深度合格率，%；t為追肥深度合格的點數；t為總的取樣點數，t=60。

4）追肥距離及追肥距離合格率

在測量追肥深度時，同時能夠測量追肥距離，因此采用測量追肥深度的取樣點，不用重新取樣。用鋼卷尺測量取樣玉米植株對應的追肥點中心與玉米莖稈中心的距離，計算所有取樣點追肥距離的平均值，即為追肥機的追肥距離；然后計數追肥距離合格的點數，即追肥距離值處于100～150 mm的點，追肥距離合格率為合格追肥點數與總取樣點數的比值，計算公式參照式（21）。

5）豎直方向最大振幅

連接好振動分析儀與振動傳感器，將振動傳感器吸附在機架上，開機后隨追肥機前進測量追肥機在豎直方向的最大振幅，通過傳感器信號電纜線將測得的結果在液晶屏上顯示。分別選取3行不同的玉米行作為測試區(qū)，每行內選取5個長為5 m的測試段，共測得15個數據，計算平均值，作為追肥機豎直方向上的最大振幅。

3.2 試驗結果與分析

按照所述試驗方法，在150株漏追率測試取樣玉米中，共有4株玉米未完成扎穴追肥，146株玉米完成扎穴追肥；在60株取樣玉米中，追肥深度值處于80～100 mm的有53個，追肥距離值處于100～150 mm的有58個。玉米行間定點扎穴深施追肥機田間追肥性能試驗結果如表2所示，技術要求主要參考標準《中耕施肥機質量評價技術規(guī)范》、農業(yè)行業(yè)標準及設計方案要求。

表2 田間追肥性能試驗結果

由表2可知，玉米行間定點扎穴深施追肥機追肥作業(yè)后的漏追率為2.7%，排肥軸含肥腔長度為20 mm時的穴追肥量為2.3 g，總排肥量穩(wěn)定性變異系數為3.2%，平均追肥深度和平均追肥距離分別為91.3和127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距離合格率分別為88.3%和96.7%，相關指標均達到技術要求。

平均穴追肥量為2.3 g，按每公頃種植67 500株玉米、玉米發(fā)芽率為95%計算，則追肥量為147.5 kg/hm2。設計追肥深度值為100 mm，比試驗值大8.7 mm，則追肥深度誤差率為9.5%；計算得到的理論追肥距離為114 mm，比試驗值小13.5 mm，則追肥距離誤差率為10.6%。經分析，追肥深度誤差產生的主要原因是地面不能保持完全水平，因此扎穴器尖部距離地面的高度不能保持始終為40 mm，因此扎穴深度始終在變，所以與設計值產生偏差；追肥距離誤差產生的主要原因是玉米行距的變化和追肥機前進路徑的偏移，扎穴點的實際位置與理論位置存在差異，所以實際追肥距離試驗值與理論追肥距離存在偏差。

追肥過程中，樣機在玉米行間行走穩(wěn)定，通過性能良好，豎直方向振動較小，測得的最大值為16.4 mm，對追肥機的穩(wěn)定性影響不大，無側偏現(xiàn)象發(fā)生；扎穴器在探測桿探測到玉米植株的時候才進行扎穴追肥，且扎穴器垂直入土，土壤擾動小，肥料分布集中。由于追肥機長度達到2 160 mm，地頭掉頭較為困難，且追肥機采用機械式探測機構，探測距離限制較大，導致追肥機只能在行距為600 mm的玉米行間作業(yè)，行距適應性較差，因此進一步研究的方向是縮短機具長度，增加掉頭靈活性；改變追肥機的植株位置探測機構，采用智能化的探測裝置，使探測更靈敏準確，增大探測范圍，滿足不同玉米行距的定點扎穴追肥。

4 結 論

本文針對玉米中后期追肥技術難點，結合追肥農藝要求，設計了一種玉米行間定點扎穴深施追肥機，能夠在行距為600 mm的玉米行間進行定點扎穴深施追肥，1次追肥2行。

1）對追肥機的主要零部件進行了結構參數設計和運動分析，結果得到水平位移補償裝置的凸輪為對稱結構，與驅動輪具有固定的傳動比8，最小半徑為30 mm，最大半徑為120 mm；探測桿長度為100 mm，與離合軸的水平距離為100 mm，計算得出理論扎穴點位于植株側后方，距離玉米植株114 mm。

2）采用MATLAB軟件繪制了扎穴器尖部一個周期的運動軌跡，對軌跡各關鍵點進行分析可得到扎穴器在豎直方向上的位移為140 mm，最低點距離地面為100 mm，扎穴器入土扎穴過程中水平位移僅為1.7 mm，滿足水平位移補償要求。

3）田間性能試驗結果表明，玉米行間定點扎穴深施追肥機追肥作業(yè)后的漏追率為2.7%，排肥軸含肥腔長度為20 mm時的穴追肥量為2.3 g，總排肥量穩(wěn)定性變異系數為3.2%，平均追肥深度和平均追肥距離分別為91.3和127.5 mm，追肥深度合格率和追肥距離合格率分別為88.3%和96.7%，相關指標均達到技術要求。

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Design and experiment of targeted hole-pricking and deep-application fertilizer applicator between corn rows

Hu Hong, Li Hongwen※, Wang Qingjie, He Jin, Zhang Yifu, Chen Wanzhi, Wang Xianliang

(100083,)

Corn is a kind of important food crop and feed source, which is of great significance for solving the grain problem of human. Practices have proved that reasonable topdressing especially nitrogen (N) fertilizers in corn growth period can promote the corn growth effectively and improve the corn yield. Huge bellbottom period for corn is the most important period for applying topdressing, during which vegetative growth and reproductive growth occur at the same time. Meanwhile, it is the fertilization habit to apply topdressing in corn’s huge bellbottom period in China. However, with the trend of rural labor transferring to the town in recent years, as well as the main fertilization machinery in the domestic market being handheld, the operation has low working efficiency and great labor intensity. For these reasons, it is more difficult to apply topdressing in the middle and later stage of corn growth, which can’t meet the requirement of high yield and high efficiency for corn cultivation. A targeted hole-pricking and deep-application fertilizer applicator, which worked between corn rows with 500-600 mm row spacing, was designed to deal with the difficulties in applying topdressing during the middle and later growth stage of corn, and the fertilizer applicator could fertilize 2 rows in a single pass. The corn plant position detection mechanism and ratchet clutch mechanism were used to determine the position of pricked holes, and the motion locus of hole-pricking and fertilization mechanism was synergistically controlled by a horizontal displacement compensator and a crank-link mechanism, which was aimed to realize the vertical movement in the processes of targeted hole pricking and the fertilizing with zero speed. Key parameters of corn plant position detection mechanism and hole-pricking and fertilization mechanism were determined based on the theoretical calculation and empirical design, the theoretic position of pricking point was calculated at the ideal conditions, and the motion locus of drill point of hole-pricker was simulated using MATLAB. Meanwhile, the structure and working principle of the main working parts of the fertilizer applicator were introduced. The field experiment verifying the working performance of the fertilizer applicator was conducted in July, 2016 in Qingyuan County, Fushen City, Liaoning Province. As indicated in the field experiment results, the fertilizing amount of per hole was 2.3 g when the fertilizer cavity was 20 mm long; the coefficient of variation for total fertilizing amount was 3.2%; the average fertilizing depth was 91.3 mm; the average fertilizing distance was 127.5 mm; the unfinished topdressing rate was 2.7%; and the qualified rates of fertilizing depth and fertilizing distance were 88.3% and 96.7%, respectively. All the related indicators met the technological requirements. The maximum amplitude at vertical direction was 16.2 mm, and side-slip phenomenon was not observed during the field experiment. The fertilizing amount was less than 52.5 kg·hm2when using the targeted hole-pricking and deep-application fertilizer applicator. In the forward process of fertilizer applicator, the hole-pricking and fertilization mechanism pricked holes vertically, the position of the pricked holes was one-to-one corresponding to the corn plant, and there was small soil disturbance. This study provides reference for the design of precise inter-row fertilizer applicator for corn.

agricultural machinery; design; crops; corn rows; targeted hole-pricking; deep-application fertilizer applicator

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.004

S224.21

A

1002-6819(2016)-24-0026-10

2016-10-02

2016-10-29

國家重點研發(fā)計劃課題—北方作物精量播種和精密化肥深施關鍵技術與裝備（2016YFD0200607）；教育部創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助項目（IRT13039）

胡 紅，男，四川巴中人，博士生，主要從事保護性耕作研究。北京 中國農業(yè)大學工學院，100083。Email：huhong@cau.edu.cn。

李洪文，男，江蘇泗陽人，教授，博士生導師，主要從事保護性耕作與農業(yè)裝備研究。北京 中國農業(yè)大學工學院，100083。Email：lhwen@cau.edu.cn。