射流式變量深施液體施肥機的設計與研究

喬清旭，劉 峰，齊瑞鋒

（吉林省農業(yè)機械研究院，吉林長春 130000）

1 研究背景和研究意義

1.1 研究背景

我國作為人口大國，以9%的耕作面積滿足了20%人口的糧食需求。隨著退耕還林、耕地轉城鎮(zhèn)的加速，2000年至今，每5年下降約0.29%的耕作面積，但糧食產(chǎn)量仍保持上升趨勢，其中肥料的使用，對糧食產(chǎn)量的提升起到了決定性的作用。近年來我國農業(yè)肥料的投入逐年遞增，然而肥效利用率較低，長期粗放式施肥作業(yè)導致肥料資源浪費、土壤酸化、影響農產(chǎn)品質量。合理的肥料使用，對農業(yè)生產(chǎn)至關重要。

傳統(tǒng)農用肥料以顆粒肥為主，該肥料利用率低、吸收慢、土壤酸化嚴重等，弊端較多，不利于長期使用。隨著對保護環(huán)境的重視，污染較小、吸收率更高的液肥得到了國家的支持。目前，液肥施肥作業(yè)主要以人力為主，機械化程度低、作業(yè)效率低、勞動強度大。因此，研制出更加智能、高效、操作簡單的液體施肥機械對農業(yè)發(fā)展有重要的意義。

1.2 研究意義

科學的施肥方式可以降低勞動強度、提高農作效率、同時有助于減小環(huán)境污染等優(yōu)點，一些發(fā)達國家液體肥料的使用達30%。液體肥料相較于顆粒肥料的優(yōu)點：一是顆粒肥料在生產(chǎn)、運輸、使用過程中粉塵嚴重，對施工人員及土壤環(huán)境造成一定影響；液肥作為濃縮藥液，使用時根據(jù)農藝要求按照比例溶于水，操作方便，無粉塵困擾。二是顆粒肥料無法精準控制施肥量。當下顆粒肥料仍為粗放式施肥作業(yè)，造成肥料浪費、土壤污染嚴重。液肥按需配比，作業(yè)時搭配施肥管路、流量計控制施肥量，達到可控可調的目的。三是液肥的肥效優(yōu)于顆粒肥，土壤對液肥的吸收率高于顆粒肥三倍以上。四是液肥使用時溶于水，配比更容易掌握，相較于顆粒肥料作業(yè)時出現(xiàn)的堆肥情況，液肥可減少燒苗、燒根的情況。

2 國內外研究現(xiàn)狀

歐美等發(fā)達國家對液肥的研究較早，發(fā)展至今液肥的使用占比較大，配套機械化裝備已經(jīng)全面覆蓋農用施肥領域；我國在該領域發(fā)展滯后。

國外于1930年開始研究液肥及配套設備，美國首先開始推廣使用。早期肥料以液氨為主，施肥機械主要由料灌、施肥管、施肥噴嘴構成，結構簡單、功能單一。隨著研究的深入，H.Mark Hanna通過測試得出施肥深度可提高肥效利用率；隨后Nyord根據(jù)施肥深度對肥效的影響，在液體施肥機后側加裝開溝裝置，可完成底肥深施，并對肥料噴管加壓，實現(xiàn)向前、向下、向后噴射液肥；約翰迪爾公司研制的自走式施肥機，已達到全機械化施肥作業(yè)，作業(yè)寬幅達30.5 m，料箱容積為4 500 L，可自動調節(jié)噴灑高度、噴灑間距。

我國施肥機械起步較晚，研究基礎薄弱，研究方向單一，作業(yè)對象為玉米、大豆、棉花等作物。1960年華北、東北、西北等地區(qū)出現(xiàn)施肥聯(lián)合作業(yè)機械。1980年，大型施肥機械發(fā)展遲緩，小型施肥機械發(fā)展迅速，多半為小型施肥機械與播種機聯(lián)合作業(yè)。近年來，隨著農業(yè)機械化的普及，我國施肥機械得到快速發(fā)展，但仍不完善，無法做到全自動化，作業(yè)時依靠半人力、半機械完成，勞動強度大，農作效率低，因此研發(fā)更加便利施肥機械對我國農業(yè)領域發(fā)展有重要的意義。

3 整機結構及工作原理

3.1 整機結構

液體施肥機主要由肥箱、牽引裝置、支撐地輪、控制閥組、流量計、輸肥管、隔膜泵、機架、分草輪掛接臂、施肥單組連接臂、施肥噴頭、開溝器組成。整機結構示意圖如圖1所示。

圖1 液體施肥機整機結構示意圖

3.2 主要技術參數(shù)

機具尺寸長3 900 mm、寬3 400 mm、高2 500 mm（詳見表1）。

表1 主要技術參數(shù)

3.3 工作原理

射流式變量深施液體施肥機依靠配套拖拉機牽引式作業(yè)，主要是在播種前對土壤進行肥料補充。市面上液體施肥機以噴灑式、穴播式為主。噴灑式施肥作業(yè)，土壤吸收率較差、肥料揮發(fā)程度較高，造成肥料浪費的問題；穴播式施肥量小、施肥效率低，機械結構復雜故障率高。為減少肥料噴灑過程中的揮發(fā)流失、提高土壤吸收效率、提高作業(yè)效率，此機具采用射流式持續(xù)供肥，搭配開溝機構實現(xiàn)底肥深施作業(yè)。施肥作業(yè)主要分為三個步驟：藥箱供液、供給管路分流作業(yè)、施肥單體開溝作業(yè)。肥箱中液肥由隔膜泵將液肥輸送至供給管路；供給管路由輸肥管、控制閥組、流量計、施肥噴頭組成。作業(yè)時液肥經(jīng)輸送管、控制閥組、流量計，從施肥單體的噴頭噴出，通過流量計監(jiān)測肥料流量，控制閥組調節(jié)施肥量。施肥單體主要由連接架、分草輪、開溝器組成，作業(yè)時施肥單體隨機組前行，開溝器依靠機組自重提供豎直壓力，通過拖拉機水平牽引動力完成開溝作業(yè)，搭配施肥管路，將藥液從噴頭噴射到灑到溝槽內，完成底肥深施作業(yè)。

4 關鍵部件設計

4.1 供給管路設計

供給系統(tǒng)主要由肥箱、隔膜泵、控制器、電動控制閥組、分流器、施肥噴口組成，圖2為供給管路圖。作業(yè)時肥箱中肥料經(jīng)隔膜泵工作下，流向分肥管路，經(jīng)過控制器、控制閥組，流向兩側施肥管，由電控閥組控制液肥流向。其中控制閥組A側三條管路為大流量管路、B側三條管路為小流量管路（大小管路藥液施量不同），每條管路由分流器分為2條支路，共12條支路，每個施肥噴口與兩條不同支路連接。此種管路連接方式，保證施肥口有三種流量調節(jié)方式，包括：大管路施肥；小管路施肥；大小管路結合施肥。

圖2 供給管路圖

4.2 施肥單體設計

圖3為施肥單體，該結構主要由連接架、開溝器、施肥噴管、仿型減震彈簧、分草輪掛接臂組成。開溝器作為主要觸土部件，作業(yè)時田間地況復雜、作業(yè)條件嚴格，故該部件在設計時需滿足：第一，在復雜的地塊環(huán)境下，保證機組達到一定作業(yè)速度；第二，考慮到配合播種作業(yè)進行施肥作業(yè)，故開溝器需對土壤擾動較小；第三，結合當下免耕為主作業(yè)模式，該開溝器需滿足在秸稈、根插、雜草等覆蓋地塊的情況下仍可以滿足高效作業(yè)。

圖3 施肥單體二維模型圖

綜上所述，本機施肥單體的開溝部件選擇為圓盤開溝器。圓盤開溝器具有作業(yè)效率高、作業(yè)速度快、不易堆土、對土壤擾動較小、外圓刃口可對地塊上的秸稈進行切削，以減少茬地上秸稈對機具的影響。開溝器直徑520 mm，開溝深度為0～175 mm，配合側邊施肥管（液肥經(jīng)肥料管路噴出時，具備初始噴射速度）將液肥噴射到溝槽內。當施肥單體在秸稈覆蓋量較大的地段作業(yè)時，施肥單體前端可加裝分草輪，將開溝器前側秸稈殘渣分于兩側，保證施肥單體高效作業(yè)。

5 結論

本機具圍繞液肥深施技術、液肥施量控制技術進行研究分析，設計一款變量深施液體施肥機，該施肥機具備穩(wěn)定性好、作業(yè)效率高、結構簡單、故障率低等優(yōu)點。同時為迎合當下市場需求，該施肥機優(yōu)點有：

1）設計的變量施肥管路，針對當下不同作物、不同施肥農藝要求下，進行按需作業(yè)、定量施肥，解決現(xiàn)有粗放式施肥方式，減少肥料浪費；

2）該機具可進行底肥深施作業(yè)，施肥單體開溝器進行土壤開溝，開溝深度在0～175 mm之間，施肥噴嘴將液肥噴射在溝槽內，減少肥料揮發(fā)流失，提高土壤吸收效率。

3）該機具可進行精準、高速作業(yè)，減少勞動力的投入、降低勞動強度、提高農業(yè)作業(yè)效率，本次研究也為我國液體施肥技術及配套裝配的發(fā)展與研究提供了理論上的支持及技術上的借鑒。