深施型變量式鉆洞—液料施肥機的研制

王遠+鄭宇+郭小艷+劉飛

摘要：山地、丘陵地區種植的旱地農作物（特別是烤煙）在中期追施液肥時，一般需2人協同作業，一人先在植株地里鉆1個土洞，另一人再把液肥施于其內，這種作業方式存在勞動強度大、效率不高等弊端。大型農業機械設備（特別是以農用拖拉機為動力的農業機械設備）受山地、丘陵地區地形的條件限制而不宜應用。因此，本研究設計開發了一種以小型汽油機為動力，集鉆土洞與可調節施肥量的深施液肥于一體的背負式小型農業機械設備，旨在減輕在山地、丘陵地區給旱地農作物中期追施液肥時的勞動強度，提高追肥作業效率，同時也為這類設備的后續設計研發提供一定的理論指導與技術借鑒。

關鍵詞：旱地農作物；協同作業；勞動強度；背負式；液料施肥機；鉆土洞；深施肥

中圖分類號： S224.21文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）04-0177-02

在我國山地、丘陵地區多以種植旱地農作物為主，例如云貴多數地區都以烤煙、辣椒和玉米等為主要的經濟作物。這些經濟作物多需中期追肥，因為液肥具有吸收快、穩定性好、抗逆性強、使作物增產效果顯著等優點[1-2]，因此追肥多施液肥，即把多種固態肥料先溶解于水后，再施于植株根部。對山地、丘陵地區種植在斜坡上的旱地農作物進行施液肥時，肥水易沿著斜坡下流，所以施肥前須先在植株地的上方鉆出1個土洞，再把液肥施于其內，以減少肥水流失[3]?，F云南山地的作業方式為2人協同進行，一人在前用木棍或鐵棍于地里撬出1個土洞，另一人用瓢把提桶里的肥水澆灌于土洞內，這種作業效率低，且在坡度較大的斜地里無法放置盛液肥的桶。液肥在加拿大、荷蘭、英國及美國等發達國家已占據較大比例[4-6]，他們研制了多種穴施及條施的液料施肥機具[7-8]，以及國內現有的液料施肥機，如深施型液態施肥機[9-10]、凱斯“愛國者”液體施肥機、液體注肥器[11]、液肥變量施肥機[12]，水肥一體化自動精準灌溉施肥技術[13]、帶擠壓泵的施液肥機[14]等都不能先在植株地里鉆出1個土洞，再把液肥施于其內。另外，山地、丘陵地區的地形復雜，溝谷交錯，少成片平地，極不利于大型農業機械設備[15-16]，特別是以農用拖拉機為動力的農業機械設備的應用。綜上所述，本研究針對山地、丘陵地區旱地農作物種植的中期追施液肥作業中存在的不足和大型農業機械設備受地形限制而不宜應用的弊端，設計開發一種以小型汽油機為動力、集鉆土洞與可調節施肥量的深施液肥于一體的背負式小型農業機械設備，旨在減輕在山地、丘陵地區給旱地農作物中期追施液肥的勞動強度，提高追肥作業效率。

1總體結構與工作原理

1.1總體結構

深施型變量式鉆洞-液料施肥機的結構如圖1所示，該施肥機由液料箱、可調式取液肥裝置和鉆土洞裝置等三大部分組成。其中，可調式取液肥裝置由進/出料管、進/出料單向閥、定料筒和柱塞桿等組成。進料管的上端連接于液料箱，下端內置單向進料閥后連接于定料筒。出料管的上端內置單向出料閥后連接于定料筒，下端伸入護泥罩，靠近鉆頭外緣，以確保所施液肥能輕噴到鉆頭上，并沿鉆頭流下并流入所鉆土洞內。定料筒內安裝柱塞桿、頂桿彈簧及調節螺栓，并固定于連接板上。鉆土洞部分由小型汽油機、彈性聯軸器、動力套、軸承、鉆頭和護泥罩等組成。鉆頭通過螺紋與動力套旋合，動力套內置小型汽油機自帶的彈性聯軸器實現動力輸出，鉆頭外裝配護泥罩以防止鉆土洞時泥土飛濺?？烧{式取液肥裝置和鉆土洞裝置都裝配在連接板上，此外連接板上還安裝了手提桿。為減輕質量，整機的大部分金屬零部件采用2024鋁合金制成，不帶液料箱部分的外形尺寸（L×W×H）為 450 mm×160 mm×1 000 mm，總質量約8 kg。液料箱外形尺寸（L×W×H）為300 mm×200 mm×400 mm，容積約22.5 L，追肥量為0.2～0.25 L/株，1次裝料能追肥90～100株。

1.2工作原理

圖1所示的位置為施液肥狀態，定料筒內的一部分液肥已施出。施肥前啟動汽油機，把液料箱背于后背，手持手提桿，把施肥機的鉆頭置于植株上方靠近植株約100 mm處，此時護泥罩在頂罩彈簧的作用下緊緊頂靠于地面。同時，用腳踩柱塞桿，使柱塞桿下端緊靠調節螺栓頂面，柱塞桿下移過程中，單向進料閥打開，料液進入到定料筒。柱塞桿頂緊螺旋后，繼續向下用力踩柱塞桿，同時扳動油門開關，汽油機輸出軸轉速升高，彈性聯軸器張開與動力套結合并把動力傳遞給鉆頭，鉆頭轉動并鉆入土內，形成1個直徑約60 mm、深約 50 mm 的土洞。隨后松開油門開關，汽油機輸出軸轉速降低，彈性聯軸器內縮，與動力套脫離結合，汽油機空轉，鉆頭停止轉動。同時，提起施肥機使鉆頭退到地面以上，腳松開柱塞桿，柱塞在頂桿彈簧的作用下向上移動，此時單向出料閥打開，定料筒內的料液經由出料閥進入出料管后輕噴到鉆頭上，沿著鉆頭流下進入所鉆土洞內。在坡度作用下，土洞內所施料液向靠近植株的根部滲透，從而有利于植株根須吸收料液，這在防止料液流失的同時提高了料液利用率。當一次施肥完成后，汽油機處于空轉狀態下，把整個施肥機移至下一株待施肥植株的上方，進行先鉆土洞后施肥的相同作業。

2主要零部件的設計

2.1可調式取液肥裝置

可調式取液肥裝置在施肥作業中起著定量取液肥的作用，也是液料箱內的料液施于所鉆土洞的一個中轉站，其結構如圖2所示，主要由定料筒、柱塞桿和調節螺栓等組成。按照量取液肥的可變容積為0.15～0.35 L之間設計定料筒的主要結構尺寸，同時考慮連接板寬度，取定料筒的內徑d為 80 mm，柱塞桿小徑d取8 mm。當量取液肥的體積在0.15～0.35 L之間時，柱塞桿端面與定料筒頂面之間的距離約在30.2～70.4 mm之間?？紤]彈簧壓縮至最短長度時，彈簧絲各圈所占據的高度，定料筒的深度取150 mm。當量取0.15 L的液肥時，調節螺桿旋入定料筒內111.8 mm（柱塞桿底部厚度8 mm）；當量取0.35 L液肥時，調節螺桿旋入定料筒內716 mm，所以調節螺栓長度取135 mm，并在連接板的外側面旋合2個螺母，以防止調節好后的螺栓松動。

2.2護泥罩

護泥罩在作業中所起的作用主要包括：其一防止鉆土洞時鉆頭鉆削所攪起泥土的飛濺；其二固定出料管伸入其內的一段與鉆頭間的相對位置，以確保所施液肥能沿著鉆頭流下

進入所鉆土洞內，其結構如圖3所示。護泥罩頂部的孔為鉆頭轉軸的通過孔，孔周邊平面是護泥罩頂靠在鉆頭轉軸軸肩上的支持面，所以孔與鉆頭轉軸之間單面留0.5 mm的間隙，軸肩支撐面寬度為20 mm。護泥罩右側面的孔為出料管伸入其內的通過孔，也是出料管與鉆頭相對位置的固定孔，出料管緊緊塞入該孔后，確定好伸入端的長度，即可固定兩者間的相對位置。護泥罩底部采用外翻邊形式，以加大護泥罩與地面的支撐面積。

2.3鉆頭

鉆土洞所用鉆頭為地鉆鉆頭，結構如圖4所示，一端配有定位中心鉆，另一端加工的螺紋與小型汽油機輸送的動力軸旋合連接，護泥罩支撐圓盤通過焊接方式與鉆頭轉軸焊合。鉆頭的外徑為60 mm，帶螺旋切削刃的長度為75 mm，比實際鉆土洞深度長25 mm，這有利于所鉆土屑的排出。

3小結

深施型變量式鉆洞-液料施肥機把山地、丘陵地區旱地農作物種植過程中的中期追液肥作業中的先鉆土洞、后施液肥2步作業工序結合在一起。施液肥前，能在所設計施液肥容量范圍內自由調節施肥量，實現精量施肥，且施在土洞內的液肥不易流失，有利于其流向植株根須附近，從而提高肥料的利用率。同時，所研制的農機設備結構輕巧、新穎、操作安全方便。經實地施肥試驗，該農機設備能滿足山地、丘陵地區的

旱地農作物，特別是烤煙種植中的中期追液肥作業要求，在很大程度上簡化了勞作流程，減輕了勞作者的工作強度，這也為旱地農作物中期追液肥設備的設計與研發提供了一定的理論指導與技術借鑒。

參考文獻：

[1]王云霞. 液體肥料的應用現狀與發展趨勢[J]. 化肥設計，2003，41（4）：10-13.

[2]汪家銘. 液體肥料的開發與應用[J]. 四川化工，2000（1）：31-33.

[3]王遠. 肩負式電動鉆洞與液料施肥器：ZL201120016270.3[P]. 2011-12-21.

[4]Nyord T，Sogaard H T，Hansen M N，et al. Injection methods to reduce ammonia emission from volatile liquid fertilisers applied to growing crops[J]. Biosystems Engineering，2008，100（2）：235-244.

[5]Chen Y，Samson R. Integration of liquid manure into conservation tillage corn systems[J]. Transactions of the ASAE，2002，45（6）：1729-1736.

[6]Morris D K，Ess D R，Hawkins S E，et al. Development of a site-specific application system for liquid animal manure[J]. Applied Engineering in Agriculture，1999，15（6）：633-638.[HJ1.5mm]

[7]Womae A R，Tompkins F D. Probe-type injection for fluid fertilizers[J]. Applied Engineering in Agriculture，1990，6（2）：149-154.

[8]Chen Y，Ren X. High performance tool for liquid manure injection[J]. Soil and Tillage Research，2002，67（1）：75-83.

[9]王金武，潘振偉，楊欣倫，等. 深施型液態施肥機液肥轉子式轉換器設計與試驗[J]. 農業機械學報，2014，45（10）：65，110-115.

[10]王金武，紀文義，馮金龍，等. 液態施肥機的設計與試驗研究[J]. 農業工程學報，2008，24（6）：157-159.

[11]鄒偉，王秀，張睿，等. 液體注肥器定量控制系統的設計[J]. 農機化研究，2013（8）：64-67，71.

[12]李杞超，姜微，張繼成. 液肥變量施肥液壓控制試驗臺設計與研究[J]. 液壓氣動與密封，2014，34（7）：3-5.

[13]吳玉發. 水肥一體化自動精準灌溉施肥設施技術的研究和實現[J]. 現代農業裝備，2013（4）：46-48.

[14]陳怡群，閔啟超，張曉文. 擠壓泵工作原理及其在施液肥機上的應用[J]. 農業機械學報，2005，36（3）：54-56，47.

[15]王遠，王應彪，劉學淵. 云貴山區烤煙移栽施肥-均肥器的研制[J]. 農機化研究，2011，33（2）：90-92.

[16]王遠，王應彪，劉學淵. 肩負式電動固料均肥-施肥器的研制[J]. 湖北農業科學，2014，53（1）：206-210.