“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝扎穴施肥裝置設計

戴 飛，趙武云，孫步功，楊 杰，唐學鵬，辛尚龍

(1.甘肅農業大學機電工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.中國農業大學工學院， 北京 100083；3.新疆農業大學機械交通學院， 新疆 烏魯木齊 830052)

“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝播農藝技術是將覆膜栽培、農田免耕和輪作方式相結合與配套的一種抗旱、保墑新技術，具有蓄水保墑、提高地溫、抑制雜草病蟲害、節水增效等優點，是干旱、半干旱雨養農業區農業增產、農民增收的有效技術途徑[1-2]。2015年甘肅省玉米全膜雙壟溝播技術示范面積達到7.6×105hm2以上，并由此派生出了集“全膜覆蓋雙壟溝播技術”、“免耕技術”相結合的“一膜兩年用”免耕種植模式[3]。但是，該農藝技術由于上年種床在覆蓋地膜的制約下田間基肥無法及時準確施入，使得作物不同生長階段膜下的追肥、施肥問題成為制約其推廣應用的“瓶頸與難點”。因此，機械化膜下精量扎穴施肥將是今后大面積推廣“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝播技術的重要載體與必然選擇，是實現全膜雙壟溝大田作物生產全程機械化的關鍵環節[4]。

目前，國內液態肥追肥裝置應用較多，但其并不適宜于“十年九旱”的西北旱區雨養農業[5-6]，因此，施用固態顆粒肥更能滿足西北旱區全膜雙壟溝“一膜兩年用”農藝技術要求。實地調研發現，我國西北地區玉米全膜雙壟溝“一膜兩年用”農藝技術配套的相關膜下施肥機具主要是依靠手持的追肥槍，人工操作勞動強度高，作業效率低，追施質量得不到保障。相關研究表明：玉米全膜雙壟溝膜上播種、施肥過程中作業機觸土部件引起的挑膜、撕膜現象是制約該農藝技術配套發展全程機械化的主要原因之一。為此，課題組在前期研發了攜有盤型凸輪水平分速補償機構的玉米全膜雙壟溝直插式穴播裝置[7]。但在田間樣機可靠性試驗過程中發現，由于盤型凸輪補償機構受制于凸輪輪廓內凹段軌跡影響，補償放大機構在與其接觸、頂推過程中容易產生拐點和死區現象，推桿與凸輪內凹段會產生瞬間沖擊，導致推桿折彎或者卡死而不能平滑過渡，最終使得速度補償機構失效；且該裝置在不更換不同曲率盤型凸輪的前提下， 僅依靠改變補償機構相關結構、 運動參數無法完成不同穴距調整。 因此， 為滿足和適應甘肅不同降雨量地區有關不同株距的玉米種植模式的需求， 進一步改善和提高直插式膜下施肥裝置水平分速補償的準確性， 通過鏈傳動將轉動導桿機構和正弦機構進行串聯， 設計一種攜有近等速補償機構且在作業過程中僅需調整該機構中曲柄長度、 主動桿轉速及曲柄軸轉速即可實現施肥穴距改變的“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝膜下扎穴施肥裝置。

1 整機結構與工作原理

1.1 結構組成

“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝扎穴施肥機主要由機架、近等速補償機構、肥箱、曲柄-連桿機構、放大機構、輸肥管、扎穴施肥裝置、傳動系統、動力機、行走輪、減速器、地輪和操作扶手等部件組成，作業機結構如圖1所示。

注：1.行走輪；2.動力機；3.放大機構；4.操作手柄；5.肥箱；6.機架；7.曲柄-連桿機構；8.輸肥管；9.扎穴施肥裝置；10.地輪；11.近等速補償機構；12.變速箱

Note: 1.wheel; 2.power machine; 3.amplifying structure; 4.operating handle; 5.applicator tank; 6.rack; 7.crank linkage mechanism; 8.fertilizer spout; 9.picking hole fertilize mechanism; 10.land wheel; 11.compensation mechanism with approximate constant speed; 12.gearbox

圖1 “一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝扎穴施肥機結構

Fig.1 Structure diagram of picking hole fertilize mechanism with “one film used for two years” pattern of corn whole

plastic-film on double ridges

其中，肥箱排肥器選用外槽輪式排肥器，動力機為小型風冷式柴油機，減速器選用蝸輪蝸桿減速器；近等速補償機構主要由主動桿、傳動齒輪、導桿、平移桿等部件組成；曲柄-連桿機構由曲柄、連桿和滑塊組成。

扎穴施肥裝置在膜下施肥作業過程中的堵塞問題是影響穴施效果(固體顆粒肥料漏施、多施)的關鍵因素。為此，扎穴施肥裝置采用限制鋼絲軟繩開啟長度的方法控制施肥成穴器的打開與關閉。當外槽輪式排肥器轉動作業，固體顆粒肥通過輸肥管進入扎穴施肥裝置成穴器，并隨著曲柄-連桿機構做水平運動。在扎穴施肥器沒有插入覆膜種床前，扎穴施肥裝置主要依靠壓板彈簧來控制其閉合，如圖2a所示。當扎穴施肥裝置插入覆膜種床且至下極限點位置時，限定長度的鋼絲軟繩則隨著曲柄-連桿機構轉動與直插桿下移被拉緊，裝置彈簧壓板收縮并受到種床擠壓，保證了扎穴施肥器的準確開啟(圖2b)。由于鋼絲軟繩通過插銷軸中心，即使仿形桿在前后方向上傾斜一定的角度，其兩邊的拉伸長度也是一致的。

1.2 傳動方案與作業原理

“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝扎穴施肥機傳動系統如圖3所示。柴油機動力經帶輪傳遞至減速器，減速器經鏈傳動將動力傳輸至兩側地輪軸上，帶動地輪轉動前行；地輪軸經大、小齒輪嚙合傳動與鏈傳動分別將動力傳遞至近等速補償機構與排肥器轉軸上，并在中置放大機構的作用下配合完成膜下直插式扎穴施肥作業。

注：1.插銷軸；2.直插成穴桿；3.扎穴施肥器；4.仿形桿；5.鋼絲軟繩；6.彈簧壓板

Note: 1.wheel; 2.direct insert-cavitation rod; 3.picking hole fertilize mechanism; 4.profiling rod; 5.soft steel wire rope; 6.spring pressing plate

圖2 扎穴施肥裝置結構 Fig.2 Structure diagram of picking hole fertilize mechanism

注：1.柴油機；2.減速器；3.地輪；4.地輪軸；5.近等速補償機構；6.放大機構；7.排肥器轉軸

Note: 1.diesel engine; 2.reducer; 3.land wheel; 4.axle; 5.compensation mechanism with approximate constant speed; 6.amplifying structure; 7.spindle of fertilizer device

圖3 傳動系統示意圖

Fig.3 Schematic diagram of transmission system

樣機工作時，柴油機轉動作業，通過動力輸出端的帶輪將動力傳遞，同時帶動轉動導桿機構與正弦機構運行，實現近等速補償機構(即將轉動導桿機構與正弦機構通過鏈傳動轉動串聯)、放大機構與曲柄-連桿機構共同控制扎穴施肥器的運動，以補償施肥器在機具前進方向上的位移[8]。如圖4所示，當施肥器入土和出土時，近等速補償機構通過放大機構為曲柄-連桿機構中的滑塊部件提供近等速補償，使得施肥器相對于地面的水平分速度近等于零，近似垂直破膜入土、出土完成膜下精量施肥作業。

1.3 主要技術參數

“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝膜下施肥方式如圖5所示，依照玉米植株在小壟壟溝內種植位置的分布，膜下扎穴施肥位置設定在靠近小壟壟體膜側，并與玉米種植位置呈“品”字型排列，兩者間距保持在30 mm[9]。因此，將扎穴施肥器行距設計為200 mm，施肥穴距根據當地玉米播種株距進行調節，施肥深度在40～50 mm之間?！耙荒赡暧谩庇衩兹るp壟溝膜下施肥機技術參數如表1所示。

注：1.機架；2.主動桿；3.導桿滑槽；4.導桿；5.小齒輪；6.大齒輪；7.曲柄；8.平移桿滑槽；9.平移桿；10.放大機構；11.曲柄-連桿機構；12.扎穴施肥器

Note: 1.rack; 2.driving link; 3.guide chute; 4.guide rod; 5.small gear wheel; 6.big gear wheel; 7.crank; 8.shift lever chute; 9.shift lever; 10.amplifying structure; 11.crank linkage mechanism; 12.picking hole fertilize mechanism

圖4 工作原理 Fig.4 Schematic diagram of operation machine

注：1.扎穴施肥位置；2.大壟壟體；3.小壟壟溝；4.玉米種植位置；5.小壟壟體

Note: 1.picking hole fertilize location; 2.big ridge body; 3.small ridges furrow; 4.corn planting location; 5.small ridge body

圖5 “一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝膜下施肥方式示意圖

Fig.5 Schematic diagram of “one film used for two years” fertilization strategies under film pattern of corn whole plastic-film on double ridges

2 膜下扎穴施肥機構設計

如圖4所示，基于近等速補償機構的膜下扎穴施肥裝置是由轉動導桿機構和正弦機構兩部分串聯而成，為曲柄-連桿機構中的扎穴施肥器提供水平方向的循環近等速度，以近似補償機具的前進速度。

2.1 正弦機構設計

近等速補償機構中正弦機構如圖6所示，取曲柄與x方向的夾角為θ7，曲柄的長度為LDE，角速度為w7，分析平移桿的速度v9，即曲柄在x方向的分速度。

表1 作業機主要技術參數 Table 1 Main technical parameters of operation machine

注：1.大齒輪 2.曲柄 3.平移桿滑槽 4.平移桿

Note: 1.big gear wheel; 2.crank; 3.shift lever chute; 4.shift lever

圖6 正弦機構示意圖

Fig.6 Schematic diagram of the sine generator

由圖6分析可得：

v9=LDE×ω7=cosθ7

(1)

得到平移桿的速度v9的曲線，如圖7所示。

圖7 正弦機構中平移桿的速度曲線

Fig.7Curvefortheshiftleverofsinespeed

2.2 轉動導桿機構設計

近等速補償機構中轉動導桿機構結構如圖8所示，取AB的長度為LAB，主動桿BC的長度為LBC，取導桿AC的長度為LAC，取主動桿與機架豎直方向的夾角為θ2，取導桿與機架豎直方向夾角為θ4，主動桿角速度為w2，導桿角速度為w4，分析導桿角速度w4。

由圖8分析可得：

(2)

得到導桿的角速度速度w4的曲線，如圖9所示。

注：1.機架 2.主動桿 3.導桿滑槽 4.導桿 5.小齒輪

Note: 1.rack; 2.drivinglink; 3.guidechute; 4.guiderod; 5.smallgearwheel

圖8 轉動導桿機構示意圖Fig.8 Schematic diagram of rotating guide rod mechanism

圖9 轉動導桿機構中導桿的角速度曲線

Fig.9Curveforrotatingguiderodmechanismangularvelocityofrod

2.3 機構串聯設計

由正弦機構中平移桿的速度曲線(即曲柄在x方向分速度)與轉動導桿機構中導桿角速度曲線的變化趨勢可以看出，正弦機構中平移桿線速度在一個周期內出現了三次峰值，即有三次出現絕對值最大，轉動導桿機構中導桿的角速度在兩個周期內出現了三次最小值。正弦機構中平移桿的速度曲線(實線)與轉動導桿機構中導桿的角速度曲線(虛線)對照圖如圖10所示。

圖10v9與w4的曲線對照

Fig.10 Contrast figure forv9andw4curve

為此，將正弦機構和轉動導桿機構通過大齒輪與小齒輪嚙合傳動串聯起來，大齒輪與小齒輪分別安裝在機架D點和A點處，傳動比取2，使得轉動導桿機構中導桿角速度在兩個周期內出現的三次最小值可以將正弦機構中平移桿速度在一個周期內出現的三次峰值逐漸拉平，此時平移桿速度將出現兩段近等速運動，得到平移桿速度v9的曲線如圖11所示。

圖11 近等速補償機構中平移桿的速度曲線

Fig.11 Curve of shift lever of compensation mechanism with approximate constant speed

3 近等速機構的優化

3.1 優化目標提出

近等速補償機構中平移桿的線速度計算公式如下：

(3)

分析式(3)可知，影響近等速補償機構中平移桿速度的因素有主動桿長度LBC、主動桿與導桿旋轉中心距離LAB、曲柄長度LDE和主動桿角速度w2(為便于仿真參數設置，后續分析以主動桿轉速替代)。在計算機中反復測算，當主動桿轉速取90.90 r·min-1，平移桿速度在近等速運動時間段的平均速度為166.6 mm·s-1與166.7 mm·s-1之間時膜下扎穴施肥運動軌跡良好。所以，初步確定LBC=150 mm，LAB=60 mm，LDE=49.05 mm，并在此條件下對近等速補償機構進行優化設計，使得機構中平移桿速度在近等速運動時間段的速度標準偏差最小(即近等速運動平穩性最好)。

由于主動桿需要做圓周運動，所以：

LAB

(4)

3.2 樣機建模與優化

圖12 優化目標 Fig.12 Optimization of goal

圖13 優化后平移桿的速度曲線

Fig.13 Curve of shift lever speed after optimized

4 機構虛擬試驗

設置近等速補償機構各組成部件相關的最優組合變量為：LAB=60 mm、LBC=151 mm、LDE=49.035 mm，進行玉米全膜雙壟溝扎穴施肥裝置作業過程虛擬試驗，獲得施肥器的扎穴運動軌跡，并評價近等速補償機構對機具前進速度的補償效果。為了便于仿真分析，將裝置模型簡化，簡化機構與施肥器的運動軌跡如圖14所示。

采用SolidWorks Motion進行仿真分析，在曲柄-連桿機構中的曲柄與機架鉸接處添加旋轉馬達1，值為45.45 r·min-1，在近等速機構主動桿旋轉中心處添加旋轉馬達2，值為90.90 r·min-1，在機架水平方向添加線性馬達1，值為500 mm·s-1，設定仿真時間為4×1.32 s=5.28 s，機具的運行周期為1.32 s。開始計算，仿真結束后，得到施肥器的運動軌跡(對應施肥穴距為330 mm)。

依據甘肅省隴東(穴距為250 mm)、隴中(穴距為300 mm)和河西(穴距為200 mm)地區玉米全膜雙壟溝不同種植株距，調整扎穴施肥裝置近等速補償機構的設計參數，以實現施肥間距的變換調整[12-13]。不同的施肥穴距對應不同的曲柄轉速，對于近等速補償機構而言，需要對應不同的主動桿轉速；由于前進速度不變，所以水平補償速度不變。因此，在改變對應主動桿轉速、曲柄軸轉速的前提下對近等速補償機構中三個設計變量值進行改變，以補償整機的前進速度。

注：1.運動軌跡；2.近等速補償機構；3.放大機構；4.曲柄-連桿機構；5.機架；6.扎穴施肥器；7.小壟壟體側面

Note: 1.motion trajectories; 2.compensation mechanism with approximate constant speed; 3.amplifying structure; 4.crank linkage mechanism; 5.rack; 6.picking hole fertilize mechanism; 7.small ridge body side

圖14 虛擬樣機模型與運動軌跡

Fig.14 Simplified model and trajectories of virtual prototype

機構虛擬試驗過程中發現，當主動桿與導桿旋轉中心距離LAB與主動桿長度LBC的比值不變時，近等速運動段速度相對穩定，所以在調整施肥穴距過程中僅改變曲柄LDE的取值。如表2所示，當玉米全膜雙壟溝扎穴施肥裝置近等速補償機構取不同的作業參數時，能夠實現不同施肥穴距的調整，如圖15所示。

圖15 扎穴施肥裝置對應的不同穴距/mm

Fig.15 Different hole spacing of picking hole fertilize mechanism

由圖15施肥穴距調整及其運動軌跡可以看出，扎穴施肥裝置能夠滿足“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝不同穴距膜下近似垂直扎穴施肥作業；近等速補償機構變量最優組合可作為不同施肥穴距調整的理論依據。

5 結 論

1) 針對“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝田間基肥無法及時準確施入，種植作物需要不同生長階段膜下的追肥、施肥問題，設計了攜有近等速補償機構的“一膜兩年用”玉米全膜雙壟溝扎穴施肥裝置。該裝置在工作過程中對扎穴施肥裝置水平分速度補償準確、可靠，且僅需調整其曲柄長度、主動桿轉速及曲柄軸轉速便可實現施肥穴距的改變，避免了前期相關作業機構研究存在的問題。

表2 不同施肥穴距作業參數 Table 2 Main operation parameters of different fertilization hole spacing

注：前進速度均為0.50 m·s-1。

Note: forward velocity all is 0.50 m·s-1.

2) 對近等速補償機構作業過程進行理論分析，揭示了膜下近似垂直扎穴施肥裝置的工作原理，確定了影響其作業性能的相關因素，并對其設計參數進行優化，獲得在施肥穴距為330 mm時機構的最優組合變量：LAB長度為60 mm、LBC長度為151 mm、LDE長度為49.035 mm。

3) 對影響不同施肥穴距的近等速補償機構參數進行分析，通過仿真計算，獲得甘肅隴東(株距為250 mm)、隴中(株距為300 mm)、河西(株距為200 mm)地區不同施肥穴距下近等速補償機構所對應的作業參數。

[1] 謝軍紅，李玲玲，張仁陟，等.一膜兩年覆蓋條件下耕作方法對旱作玉米產量及土壤物理性狀的影響[J].水土保持學報，2016，30(3)：184-189.

[2] 殷 文，史倩倩，郭 瑤，等.秸稈還田、一膜兩年用及間作對農田碳排放的短期效應[J].中國生態農業學報，2016，24(6)：716-724.

[3] 張 雷，牛建彪，張成榮，等.旱地玉米雙壟全膜覆蓋“一膜用兩年”免耕栽培模式研究[J].干旱地區農業研究，2007，25(2)：8-12.

[4] 戴 飛，趙武云，張鋒偉，等.西北旱區玉米全膜雙壟溝機械化播種技術與裝備研究進展[J].中國農機化學報，2016，37(8)：217-222.

[5] 王金峰，王金武，鞠金艷，等.深施型液態施肥機扎穴機構研究進展[J].東北農業大學學報，2013，44(5)：157-160.

[6] 劉春香，王金武，唐 漢，等.基于貝塞爾曲線的液肥扎穴機構動力學分析與試驗[J].農業機械學報，2016，47(5)：115-122.

[7] 趙武云，戴 飛，楊 杰，等.玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機設計與試驗[J].農業機械學報，2013，44(11)：91-97.

[8] 王洪欣.基于轉動導桿的齒輪機構與正弦機構組合的近似等速比機構設計[J].機械設計，2007，24(6)：37-38.

[9] 戴 飛.一膜兩年用玉米全膜雙壟溝膜下施肥作業方法.中國ZL201510124462.9[P].2017-08-01.

[10] 趙武云，史增錄，戴 飛，等．ADAMS 2013基礎與應用實例教程[M]．北京：清華大學出版社，2015.

[11] 趙建托，趙武云，任顏華，等.玉米全膜覆蓋雙壟溝播機直插式播種裝置設計與仿真[J].農業機械學報，2010，41(10)：40-43.

[12] 張建軍，樊廷錄，黨 翼，等.密度與氮肥運籌對隴東旱塬全膜雙壟溝播春玉米產量及生理指標的影響[J].中國農業科學，2015，48(22)：4574-4584.

[13] 李 福.全膜雙壟溝播種技術[M].蘭州：甘肅科學技術出版社，2011.