花生起垄分层施肥覆膜播种机研制

张春艳，荐世春，康建明，向阳，华伟

（1.250100 山东省 济南市 山东省农业机械科学研究院；2.255000 山东省 淄博市 山东理工大学；3.266600 山东省 青岛市 青岛万农达花生机械有限公司）

0 引言

花生是我国重要的油料作物，全国播种面积约460 万hm2，总产约1700 万t，是国民经济发展和维护国家粮油安全的重要保障[1]。经研究，花生在不同生长时期对营养元素的需求和吸收规律不同，在特定时间段进行针对性的供肥，既能满足植株的需要，又能充分发挥生物固氮的能力，达到增产节肥的目的。根据花生需肥规律，实现一次施肥全程可控是花生增产节肥的重大突破。

分层施肥技术依据花生苗期、中后期植株对营养需要差异的特点，在花生播种环节将含有不同营养成分的肥料一次性施入土壤中，将原来的2-3 次施肥减少至1 次施肥，达到减肥、增效的目的，有效缓解土壤酸化和盐碱化胁迫，同时提高了化肥的利用效率[2]。分层施肥机具的研究发展迅速，顿国强[3]设计了调比控位施肥装置，主要装置由肥料均布器和控位分层施肥开沟器组成，深层肥料比例在50 %～70 %内可调，深、浅肥施肥位置在4～8 cm 内可调；王云霞[4]等设计了一种施肥量可调式分层施肥器，利用离散元法对肥料颗粒的运动规律以及影响施肥配比的主要因素进行仿真研究，可实现施肥深度在5，10，15 cm 之间的调节，并且可改变分层施肥器施肥配比；王志伟[5]等研发了小麦深松分层施肥播种机，结合深松分层施肥精播技术设计了具有深松和分层深施肥功能的分层施肥深松铲，能够在播种时一次施足控释肥等。

目前对分层施肥的研究多在理想环境下，且主要针对小麦和玉米，面对花生播种需要进行起垄整地和精量播种复杂工况[6-7]，容易造成施肥深度不匀、播种质量不高等问题。本文结合花生的播种条件，针对花生全生命周期施肥问题，设计出一种可实现起垄、分成施肥、覆膜花生播种机，可根据不同生育期需肥规律，将不同肥料一次性施入不同深度土层，形成立体条带式肥料分布，并结合单粒精播、覆膜覆土等装置完成多道工序，从而减少机具进地次数，提高化肥施用后的利用率，解决后续土壤压实严重、劳动强度大等问题，保证了苗全、苗齐、苗壮，实现夏花生高质量播种。

1 整机结构与工作机理

1.1 技术要点与设计方案

花生作为一种养分需求量很大的农作物，目前在我国花生机械化种植中，施肥过程采用复混肥一次性笼统施加，这种施肥方式可能导致某种元素肥料偏施，土壤中养分不平衡，不仅不利于花生幼苗的养分吸收，而且会浪费肥料资源。

由于花生幼苗在不同生长阶段对不同营养元素的需求量也有所不同，采用分层施肥种植模式，可让花生幼苗在生长过程中，根据不同层次根系吸收不同养分。在花生幼苗期需复合肥，达到全苗、齐苗和壮苗，在花生开花下针期和结荚前期，花生需要大量的钙镁磷肥，到了结荚中后期和饱果期主要需要钙肥，达到果实饱满目标。根据花生生产全过程所需营养成分选用启爆氮与中补钙复合肥、后援氮复合肥，两种肥料与种子的位置关系如图1 所示，具体参数如表1 所示。

图1 两垄四行花生分层施肥位置图Fig.1 Layered fertilization location of peanut in two ridges and four rows

图1 中：L1——垄面宽度；L2——花生种子间横向间距；L3——垄距；L4——垄底宽度；H1——垄高；H2——花生种子播种深度；H3——启爆氮与中补钙复合肥施肥深度；H4——后援氮复合肥施肥深度。

1.2 整机结构

花生起垄分层施肥覆膜播种机整机结构如图2 所示，主要包括起垄装置、施肥装置、播种装置和覆膜覆土装置，播种机采用三点悬挂与拖拉机相连，并且在悬挂机架与机架固定各装置的基础上增加加强杆，保证工作时机身稳定。覆膜覆土装置插接于机架后部与施肥播种装置完成组装，不工作时可任意拆卸，方便运输。

图2 花生起垄分层施肥覆膜播种机结构图Fig.2 Structure diagram of peanut ridging,layer fertilization and film mulching seeding machine

1.3 工作机理

花生起垄分层施肥覆膜播种机工作时，通过传动装置将动力输送至地轮，播种机前进过程中，起垄铲先对田间土壤进行深松，由起垄辊将土壤起垄压实，种下施肥铲、行间施肥铲和双圆盘开沟器开沟，经地轮带动施肥器轴和排种器轴转动，不同的肥料经过种下施肥装置和行间施肥装置由深到浅依次排出，花生种子由单粒精量播种器排出，地膜由展膜辊展开，在压膜轮的作用下地膜固定于垄上，膜边覆土圆盘将土壤刮起推送至覆土滚筒内，随着覆土滚筒的滚动，土壤经螺旋状导土板输送至漏土带，并撒落在膜边处，为花生种子生长提供良好的种床条件。整机主要技术参数如表2 所示。

表2 整机主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of the machine

2 关键部件设计

2.1 起垄装置

起垄装置由起垄铲、起垄辊、机架和悬挂机架组成，如图3 所示，并且在起垄铲与起垄辊中间部位留有一定间距安装种下施肥装置，在播种机前进过程中进一步将土壤破碎，便于起垄辊起垄和压实。通过松紧螺栓可调节起垄圆片的距离，进而调节起垄宽度。

图3 起垄装置Fig.3 Ridging device

2.2 分层施肥装置

分层施肥装置采用单体式分层施肥装置使每个单体单独作业，通过调节安装位置使深施肥组件和浅施肥组件的入土深度实现分层作业。单垄施肥组件分布如图4 所示。

图4 分层施肥装置布局图Fig.4 Layout diagram of layered fertilization device

该机包含4 套后援氮复合肥施肥装置和2 套启爆氮与中补钙复合肥施肥装置。为了减少花生种子与肥料、肥料与肥料之间的横向分布误差，本设计选用滑刀式开沟器，并且滑刀式开沟器工作时为挤压式开沟，具有开沟宽度窄和土层保留完整等特点。

现对滑刀式开沟器刃口进行受力分析。如图5 可知，滑刀与土壤之间存在多种相互作用力，由于滑刀刃口相对开沟器作用面面积较小，故可一并视为两侧面处理。假设工作过程中开沟器深度稳定，两楔形面受到的正应力为σ、剪切力为τ，并且开沟器切削阻力F2相对较小忽略不计，则可建立方程：

图5 滑刀式刃口受力分析图Fig.5 Force analysis diagram of sliding blade

式中：Q1——机身牵引力；Q2——开沟器所受正压力；F1——土壤与滑刀之间相互作用力；Fx，Fy——F1的水平和竖直方向分力；μ——开沟器两侧面摩擦系数；A——滑刀侧面积；F0——土壤对滑刀侧面作用力。

结合土壤抗剪强度，其中正应力为σ、剪切力为τ，需满足条件：

式中：C——土壤粘结力；φ——内摩擦角。

将τ带入式（1）可得：

由上述结果可以看出，土壤性质一定时，滑刀工作过程中受力与滑刀滑切角、滑刀表面材料光滑属性相关，因此滑刀式开沟器的刀片具有圆弧形结构[9]，能够减小开沟阻力，且斜板具有折弯段，能够减小开沟器底部在工作过程中所受的阻力。据此，设计了单体式分层施肥装置，如图6 所示。

图6 单体式分层施肥装置结构示意图Fig.6 Structure diagram of monomer layered fertilization device

单体式分层施肥装置包括覆土器、施肥管和滑刀式开沟器。施肥管固定于开沟器内部，出口下部有隔板，施肥管工作时不直接接触土壤，不会引起堵塞。覆土器通过开沟侧板的通孔安装于开沟器远离刀片一侧，通过安装于不同通孔位置以调节覆土深度。覆土器包括两个对称安装的覆土侧板，覆土侧板之间固定有刮平板，两个覆土侧板之间通过连接板相连，且二者之间形成圆弧形区域，刮平板位于圆弧形区域内，且刮平板端部与覆土侧板端部具有设定距离，刮平板可在覆土过程中将土壤刮平，使覆土均匀。施肥管另一端穿过连接方管且与之固定连接，连接方管套设于固定方管内部且二者可拆卸连接。固定方管一侧固定有安装板，安装板通过U 型螺栓与横梁相连。连接方管通过若干螺栓及防松螺母与固定方管固定。开沟深度可通过连接方管与固定方管、施肥器和连接方管之间的相对位置进行调节。开沟器的底部封板为平面，能够平均开沟器下落过程所受阻力，同时保护施肥管，而施肥管位于开沟器内部，施肥管底部为开沟器平面，不直接接触土壤，不会引起堵塞。

2.3 播种装置

播种装置采用单粒播种，主要由机架、圆盘开沟器、排种器、种箱、镇压机构组成。圆盘开沟器开出种沟，由排种器排出的种子落入种沟内。排种器采用内充式垂直圆盘排种器，主要由排种轮、护种板、传动轴等结构组成，排种盘在排种器内腔，并在地轮的带动下转动，每转一圈完成一个排种周期，具体结构如图7 所示。

图7 内充种式排种器结构简图Fig.7 Schematic diagram of inner-filled seed plater

排种器的排种过程分为充种、清种、护种和投种4 个阶段，如图8 所示。种子从进种口进入排种器内腔，随着排种轮的转动，排种器内腔中种子在离心力和重力作用下，先进入排种盘上的复式型孔的外孔中，并逐渐进入到复式型孔的内孔中，复式型孔内孔中的种子在护种板的保护下进入投种区，在重力和离心力的作用下完成投种。

图8 内充种式排种器排种过程Fig.8 Seeding process of inner-filled seed plater

2.4 覆膜覆土装置

覆膜机构主要包括开沟圆盘、展膜机构、膜边覆土机构等，如图9 所示。将地膜卷安装在地膜支架上，地膜通过展膜机构等部件拉向后方。工作时，随着机组的行走，开沟圆片在待铺膜畦面上开出两道压膜沟，地膜被从膜卷上拉出，由在地面滚动的展膜辊平铺在整形后的畦面上，然后由压膜轮将膜边压入开沟圆盘开出的膜沟内，靠压膜轮的圆弧面在膜沟内滚动，对地膜产生一个横向拉伸力，使地膜紧紧贴于地表，紧接着由覆土圆片取土压牢膜边。

图9 覆膜覆土机构结构简图Fig.9 Structure diagram of film-covered soil-covered mechanism

工作前调整开沟圆盘与前进方向的夹角，使其在15°～20°之间，保证入土深度在60～70 mm之间。按播种要求的行距确定垄面宽度，对两个开沟圆盘刃口间距离进行调整，保证所开的沟与压膜轮相对应。调整压膜轮使压膜轮与相应开沟圆盘走在同一直线的沟墙内，并使压膜轮弧面与开沟圆盘开出的沟壁正好贴紧，这样在压膜的同时对地膜能产生一个横向的拉伸力，使地膜能紧贴于地面。

覆土装置的主要工作部件有覆土滚筒和覆土圆片，如图9 所示。覆土滚筒两侧设计成压膜圈，同时兼顾覆土、开沟、压膜的作用，省去压膜轮等一些机构，减小了机具纵向长度，使机具重心前移，结构更加紧凑，同时降低了拖拉机悬挂提升难度，增加机具灵活性，便于转向和运输。覆土圆片设计成球面状，当土壤条件发生变化时，可以通过调节覆土圆片的前倾角和外倾角获得较好的挖土及轴向推土效果。

为土壤能准确地覆盖在种行上，控制覆盖在种行上的土量，并保证膜面所需的采光面积，对覆土滚筒的左右位置和漏土带的间隙进行调整，使覆土滚筒上漏土带能和种行在同一直线上，根据不同的土壤，靠近覆土圆片的漏土带间隙为15～20 mm，另一个漏土带的间隙为25～30 mm，当土质为粘重土壤时，间隙还可适当调整增大。

3 田间试验与结果

3.1 试验条件

为检验花生起垄分层施肥覆膜播种机的作业效果，在山东省农业科学院济阳试验基地进行了田间试验，如图10 所示。播种时间为2019年5 月，地区土壤轻砂壤土，结实层疏松，耕作层生物活性强，3 年内未种过花生的生茬地，土壤容重1.2～1.3 g/cm3，总孔隙度50 %左右，有机质8.5 g/kg 以上，并要求地势平坦、排涝方便，灌溉设施齐全。单粒精播对种子质量要求很高，否则容易出现缺苗断垄现象，选用花育33，使用启爆氮与中补钙复合肥、后援氮复合肥两种肥料，使用量为1 125 kg/hm2。

图10 播种机田间试验Fig.10 Field trial of seeder

3.2 试验目的与方法

此次试验主要针对播种机播种性能、施肥性能和覆膜覆土性能考核，其中播种机分层施肥作业性能需对不同肥料进行分层测定，各测试参照国家标准GB/T 20865-2007《免耕施肥播种机》和国家机械行业标准JB/T7732-2006《铺膜播种机》规定完成。采用小区抽样检测法，选取多个面积为10 m2的小区，在机具作业后记录并整理试验数据。

3.3 试验结果

经过田间试验测定播种机具体试验数据，在分层施肥环节中得出启爆氮复合肥与中补钙复合肥平均施肥深度为99.6 mm、后援氮复合肥平均施肥深度为180.1 mm，计算出分层施肥性能参数，测试结果如表3 所示。

表3 分层施肥性能参数Tab.3 Performance parameters of layered fertilization

作业过程中，播种机其它环节顺利完成，其中整地表现良好，种子播种中排种器极少存在伤种和漏种现象，覆膜时膜卷放膜顺畅无卡滞，且左右串动不明显，覆土过程中膜边覆土装置转动灵活，工作中各部位均安全可靠。田间试验结果如表4 所示，试验数据均满足花生种植农艺要求。

表4 覆膜播种性能参数Tab.4 Seeding performance parameters of film mulching

4 结论

结合研究方案提出了分层施肥结构可实现两种肥料在不同深度、不同位置施用，为花生全生命周期提供养分，并减少全生命周期施肥次数，将原来的2-3 次施肥减少至1 次施肥，达到减肥、增效的目的，有效缓解土壤酸化和盐碱化胁迫，同时提高了化肥的利用效率。

设计的花生起垄分层施肥覆膜播种机在试验过程中各性能表现良好，各项指标均达到国家规定标准，为花生播种在起垄、施肥、播种、覆膜和覆土作业上提供了技术支持，基本实现对花生大面积机械化播种。

花生起垄分层施肥覆膜播种机中单体式分层施肥装置组合作业，将启爆氮与中补钙复合肥、后援氮复合肥两种施肥装置有序排布，通过连接方管与固定方管、施肥器和连接方管之间的相对位置调节开沟器深度，使不同肥料在土壤中合理分布，满足了花生生长周期所需要的各类营养元素。