水稻机插秧同步智能侧深施肥装置研究现状与展望.pdf

第 61 卷 第 8 期Vol.61 No.82023 年 8 月August 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言水稻是我国主要粮食作物。水稻种植过程中施用适量化肥能有效提高水稻产量1。我国施用方式是人工在地表撒施化肥，再利用旋耕机将表层土壤与肥料混合，进行全层施用，或采用铧式犁对地表的翻伐作用将肥料施入犁底层。这种先撒肥后旋耕或耕翻的施用方法造成了肥料无序投送、施用量大和利用率低等问题2。水稻侧深施肥技术较抛撒施肥方式能有效提高肥料利用率，在缩短缓苗期、促进水稻根部生长、增加水稻产量的同时，减少了施肥次数和肥料用量，降低了人工投入和养分损失，从而促进农业绿色高质量发展。而侧深施肥技术的实行需要农业机械配合，施肥机将肥料施入距离秧苗 35cm、深度 46cm 的位置，并覆盖泥浆以避免肥料漂移。近年来，我国关于侧深施肥装置的研究不断深入，针对实际生产中的问题进行结构优化，取得显著成果。为我国水稻机插秧同步侧深施肥机的发展奠定了基础3-4。水稻侧深施肥技术的发展促进了农机农艺结合，对水稻种植模式和农机设施提出了更高的要求。本文对国内外施肥装置的研究现状，特别是施肥整机、排肥部件结构、排肥方式等方面进行总结，对未来发展方向进行展望，为水稻侧施肥装置的研发提供参考。1 国内外典型机具1.1 欧美肥料撒施机在欧美国家，主要采用旱直播种植方式，施肥工作依靠大型撒施机完成，分为离心式和气力式撒肥机，离心式用于施撒固态肥料，气力式用于施撒液态肥料5-6。法国库恩公司生产的 AXIS50.1W 型撒肥机，幅宽达 50m，驾驶员在驾驶室可控制肥料在撒肥盘上的落点位置，作业效率达 500kg/min，doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.08.011水稻机插秧同步智能侧深施肥装置研究现状与展望张雅蓉1，谢方平1，2，符志勇1，郑鹏1，刘大为1，2，王修善1，2（1.410128湖南省长沙市湖南农业大学机电工程学院；2.410128湖南省长沙市智能农机装备湖南省重点实验室）摘要 从国内外典型的水稻施肥机具分析研究入手，对水稻机插秧同步侧深施肥装置的典型结构、工作原理、关键部件、排肥方式、智能化等方面进行阐述，并对目前解决排肥装置出现肥料雍堵、断肥等方法进行综述，以期为促进我国侧深施肥机械智能化、精量化提供参考。关键词 侧深施肥；水稻；排肥器 中图分类号 S223.91 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)08-0051-05引用格式：张雅蓉,谢方平,符志勇,等.水稻机插秧同步智能侧深施肥装置研究现状与展望J.农业装备与车辆工程,2023,61(8):51-55.Research status and prospect of intelligent side deep fertilization device for rice transplanting by machineZHANGYarong1,XIEFangping1,2,FUZhiyong1,ZHENGPeng1,LIUDawei1,2,WANGXiushan1,2(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,Hunan,China;2.HunanKeyLaboratoryofIntelligentAgriculturalMachineryEquipment,Changsha410128,Hunan,China)AbstractComparedwiththetraditionalmethodofthrowingfertilizer,thericesidedeepfertilizationtechnologycaneffectivelyimprovethefertilizerutilizationrate,anditisofgreatsignificancetoachieveaccurateandefficientfertilizationbyaccuratelyandquantitativelyapplyingfertilizeraroundtherootsystemofriceseedlingsbyusingthesidedeepfertilizationdevice.Startingfromtheanalysisandresearchoftypicalricefertilizationequipmentathomeandabroad,thispaperexpoundsthetypicalstructure,workingprinciple,keycomponents,fertilizerdischargemethodandintelligenceofricemachinesynchronoussidedeepfertilizationdevice,andreviewsthemethodstosolvethefertilizerblockingandfertilizerbreakinginfertilizerdischargedevice,inordertoprovidereferenceforpromotingtheintelligenceandprecisionofsidedeepfertilizationmachineryinChina.Key wordssidedeepfertilization;rice;fertilizerdischarger基金项目：湖南省重点研发计划项目（2021NK2022）收稿日期：2023-02-0752农业装备与车辆工程 2023 年作业速度可达 20km/h；美国约翰迪尔公司生产的4630 自走式喷肥机配备变量静液压传动系统及喷杆和悬挂系统，结构可靠，施肥效率高7。精准变量施肥思想在欧美国家的旱田农业生产中已深入人心。作业机械进行变量施肥通过 2 种方式，一种是变量施肥处方图的施肥决策数据；另一种是实时传感器计算获得施肥数据，根据数据在一定农田区域内施用指定量肥料。变量施肥设备已实现商品化，AG-Chem 公司对固体及液体 2 种类型肥料进行变量施肥控制，由提前加载的变量施肥决策处方图对多种肥料进行变量施肥控制；美国生产的 ACCU-PLANT 播种机施肥控制系统，改变电动机转速调整施肥量，从而达到变量施肥的目的8。欧美国家对旱田作物的精准施肥技术相比水田施肥更为成熟。1.2 日韩同步侧深施肥机亚洲的水稻生产主要集中在中国、日本、韩国等国，在水稻生产机械研究方面，日本一直处于领先地位。日本的侧深施肥设备需安装在插秧机上进行作业，以久保田、井关、洋马为代表的农机企业进行了深入研究，侧深施肥设备与各自生产的插秧机配套使用，形成了成熟的系列化产品9，参见表 1。在水稻精准变量施肥研究中，日本侧重于水稻秧苗过程的变量施肥，该技术尚未普及，小范围试验可同时进行多种化学肥料的变量施肥。1.3 国内侧深施肥机械我国于 20 世纪 60 年代展开了侧深施肥技术及相关设备的研究10，研制了多种水田深施肥机具，但难满足实际生产需求。近年来水稻侧深施肥技术成为农业农村部的主推技术，水稻施肥机械研究进度加快。相关科研机构及企业研发了水稻施肥使用的设备，市场上已出现多款水稻深施肥机产品。南通富来威 2ZG-6DMF 型、浙江亿森 2FH-1-8A 侧深施肥机与乘坐式高速插秧机联用，侧深施肥装置均采用槽轮排肥器，压缩空气喷射系统实现与插秧同步定距侧深施肥。湖南龙舟研发的 2FH 系列水稻插秧同步精量施肥机，采用螺杆强制推肥机构对肥料进行输送，实现了水田定位深施肥，保证了施肥量可调；浙江锦禾的侧深施肥机采用纵型筛盘滚筒和气吹形式进行肥料输送，旋钮调节排肥量，76L 的肥料箱满足大区域作业。2 结构原理与关键部件2.1 典型结构与工作原理2.1.1 典型结构施肥装置包括肥料箱、排肥部件、输送部件。水稻侧深施肥机按装配方式分为一体式和分体式，一体式与水稻插秧机装配销售，动力直接提供至排肥装置，售后服务方便，施肥量易调节，但难以适应多种行距的种植模式；分体式适用于 6 行或 8表 1 国外水稻侧深施肥典型机具及应用Tab.1 Typical tools and applications of foreign rice side deep fertilization典型施肥机型号肥料排出及输送结构结构示意图主要特点久保田高速水稻插秧机（NSPV-6CMD）搭载侧深施肥机 2FH 系列带槽滚筒式+气吹式、气体强制输送装置采用大容量 73.5L 肥料箱，可搭载6、8 行插秧机，温风输送肥料颗粒东风井关PZ60-AHDRTFLE智能侧深施肥机风吹式、自然落下采用分割式施肥箱，施肥箱设置在插秧机两侧，单边 30kg 直式肥料箱；手轮调节施肥量，一次施肥 6 行，利用发动机产生热气防止肥料结块洋马乘坐式插秧机搭载侧深施肥装置机械式多级分料+气动输送料箱设置在插秧机两侧，70kg 直式肥料箱，保障长时间工作，调节旋钮控制施肥量，一次施肥 6 行，选择25mm 球形肥料颗粒高速插秧机侧深施肥装置侧深施肥装置53第 61 卷第 8 期行的种植模式，通过卡簧等连接插秧机，安装繁琐。2.1.2 工作原理侧深施肥装置按输送形式可分为气吹式、机械式、电控螺旋式 3 种。（1）气吹式施肥装置多采用气吹式输送肥料。水田环境中利用气力输送肥料会因排肥管路长且曲折，水和泥浆倒灌导致雍堵，难以精量排肥。左兴健等11设计了风送式施肥装置，如图 1 所示，气体经过鼓风机压缩后送至风送输肥管，气流与肥料颗粒混合，由排肥管、排肥口在气流和重力的作用下进入下肥口，最终落至已插秧苗侧位的矩形沟槽中。（2）机械式作业时，控制器驱动电机，电机带动螺旋输送器转动，继而启动电动排肥器，槽轮转动将肥料从肥箱排出至排肥部件中，控制器调节电动排肥器转速从而调整排肥量12。陈长海13研发的可装配水田螺旋式侧深施肥装置如图 2 所示，配合插秧机一次性完成开沟、侧深施肥、覆泥、插秧等作业。（3）电控螺杆式电控螺杆式由电子智能控制装置设定排肥量，直流电机驱动螺杆旋转强制排肥。王金峰等14利用电动机驱动螺旋式排肥器，如图 3 所示，肥料颗粒随着排肥器转动避免脉冲现象，气力输送保持排肥均匀性。电控螺旋杆强制输送肥料入泥，防止肥料与水面直接接触，使用传感器、闭环控制系统控制各行螺旋转速。肥料深施入泥，使水稻侧深施肥机械达到减施增产效果。2.2 关键部件排肥器是水稻施肥装置的关键组成部件，排肥器结构设计是否合理对施肥的精度控制、机具的工作质量、化肥的利用率以及水稻产量、装置排肥效果产生直接影响，常用水稻排肥装置可分为槽轮式、螺旋式 2 种方式。2.2.1 槽轮式排肥器我国多采用外槽轮排肥器。排肥器需保证排肥性能好、通用性好、可调节排肥量；可适应各类品种、不同密度的化肥及作业环境；降低排肥作业前进速度和地形等因素的影响15。常见外槽轮式排肥器由排肥盒、外槽轮、排肥舌、阻塞套和花挡圈构成，结构简单，施肥均匀性好，用于排流动性强的松散化肥及复合颗粒肥。但其自身结构的原因会导致排肥过程不连续，产生脉动，影响排肥。顿国强等16利用双齿轮的齿脊和齿槽保持一定间隙以确保排肥均匀性，并降低脉动影响，结构如图 4 所示。方龙羽等17对外槽轮排肥器进行了改进，缩小槽与槽之间的脊宽，提高了排肥均匀性。1.施肥箱2.过渡动力部件3.过渡链轮4.输入动力部件 5.变速箱链轮6.变速箱尼龙齿轮7.调整尼龙齿轮8.螺旋推运器尼龙齿轮9.变速箱10.施肥管11.螺旋搅龙排肥部件图 2 螺旋式搅龙式侧深施肥装置结构图Fig.2 Structural diagram of spiral auger side deep fertilization device7654321891011图 3 电控螺杆式排肥电子智能控制装置Fig.3 Electronic intelligent control device for electronically controlled screw fertilizer drainage1.鼓风机2.调节风速开关3.送风管4.风送输肥管5.排肥器6.料斗7.排肥管图 1 气力输送系统 Fig.1 Pneumatic conveying system53471256张雅蓉等：水稻机插秧同步智能侧深施肥装置研究现状与展望54农业装备与车辆工程 2023 年2.2.2 螺旋式排肥器螺旋推进式排肥装置将肥料通过螺旋杆强制输送至泥中，防止肥料与水接触导致肥效损失。作业时，动力传至排肥器轴，带动螺旋运动，进而将化肥输送至排肥口，肥料从输肥管排出。排肥量通过调节排肥口的大小确定，也可通过调节轴的转速控制。螺旋推进式侧深施肥装置排肥稳定、均匀性好18。为了降低肥料颗粒形态对排肥装置性能的影响，陈雄飞等19设计了 2 级螺旋排肥装置，如图5 所示。利用左右稳流输送螺旋提供足够肥料传至料口，防止搅拌箱中肥料起拱架空，2 级排肥螺旋确保肥料精量排出，但排肥量脉动变化以及肥料卡滞问题仍需进一步研究。2.2.3 其他形式排肥器当前水稻施肥排肥器主要是以螺旋式和外槽轮式为主，同时新的排肥器结构相继出现：（1）叶片式排肥器排肥量稳定均匀，满足精量排肥要求，但零件尺寸参数及零件配合条件高20；（2）圆盘式排肥器通过更换不同孔径圆盘和调节齿轮转速控制施肥量，依靠肥料自身重力落肥，其结构复杂、安装精密度高、配件易磨损，参见图 6。（3）滑槽回转式排肥器工作时，肥料颗粒落至排肥圆盘，电动机驱动排肥器圆盘旋转，同时圆盘装置与上壳体弧形槽接触进行滑槽运动，伴随滑槽的引导，肥料颗粒推离圆盘，避免肥料颗粒因潮解、堵塞而难以排出21。3 典型问题与研究方法3.1 典型问题排肥装置使用环境潮湿，肥料颗粒易潮解、粘结，作业过程易出现的问题：施肥箱输送管易堵塞断肥，肥料施肥深度不够，肥料易堵塞，风力太小，影响排肥装置稳定性及均匀性；装卸过程复杂及安装侧深施肥装置后插秧机动力不足、易陷田、转弯及过田埂困难、排肥效率下降等。3.2 研究方法排肥装置不同结构与参数设置都会影响排肥的均匀性、稳定性，需对排肥装置的结构进行研究与优化。排肥装置中肥料颗粒的运动状况及受力情况需设计、搭建试验台进行试验验证，但不适用于周期短的项目；借助计算机技术对肥料颗粒运动情况进行数值模拟，可缩短设计周期、降低费用。3.2.1 离散元仿真采用离散单元法建模技术，对整个排肥过程进行研究，得出不同肥料颗粒在不同排肥装置下的工作效率；针对装置作业参数（速度、螺距、槽轮直径等）对排肥稳定性及均匀性的影响进行研究；针对装置在不同参数条件下通过单因素仿真试验及均匀试验，得到各参数与各项排肥指标的关系。1.排肥盒2.左渐开线排肥齿轮3.右渐开线排肥齿轮4.左传动齿轮5.右传动齿轮6.排肥口图 4 双齿轮式排肥器结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the structure of double gear type fertilizer discharger1356241.轴承座2.料箱3.稳流输送左螺旋4.稳流输送右螺旋5.轴承座6 链轮7.链轮8.链条9.轴承座10.稳流输送轴11.链轮12.排肥轴13.链条14.链轮15.轴承16.端盖17.下料口18.排肥螺旋19.料口 20.排肥器下壳体21.端盖22.轴承23.排肥器上壳体图 5 2 级螺旋装置排肥装置结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the structure of fertilizer discharge device of two-stage screw device12322212019181716151413234567891011121.驱动电机2.排肥转轴3.肥量紧固螺母4.上壳体5.弧形凸起6.肥量调节装置7.肥槽8.排肥圆盘9.下壳体10.下肥口11.紧固螺母12.压力弹簧13.排肥顶杆14.刮肥毛刷15.入肥口图 6 圆盘顶出式排肥器Fig.6 Disc ejector drain15141312111012345678955第 61 卷第 8 期施印炎等22建立了外槽轮式变量施肥机的仿真模型，利用离散单元法和 EDEM 软件对施肥机排肥过程进行性能分析和数值模拟，研究排肥器结构和控制方式对排肥稳定性的影响。王鹏宇等23基于 EDEM 对垂直螺旋式排肥器模型及肥料的离散元为研究目标，对排肥过程进行模拟分析，以优化排肥器整体结构，达到设计要求。离散元仿真可直接获得试验中肥料颗粒运动轨迹、受力等参数，有助于排肥装置的优化设计，但需提高仿真模型建立的精度，让仿真更接近于实际情况。3.2.2 气固两相流EDEM 离散元仿真与Fluent 流体动力学仿真软件已应用于农机设计，EDEM-Fluent气固两相流耦合仿真可模拟排肥装置中肥料的运动状态，有助于研究肥料在排肥装置中的运动规律、改进并提高排肥装置的各项性能。李立伟等24通过流体动力学和离散元耦合方法对气送式水稻施肥机的气体肥料混合腔进行数值模拟，分析气体和肥料的运动规律，研究各因素对肥料排出速率的影响。杨庆璐等25在气固耦合模型中，通过研究分配器旋盖锥角和波纹管直径对气流压力、风速及肥料颗粒运动特性的影响，确定分肥装置最佳结构参数，并基于该结构进一步研究入口风速和施肥速率对分肥装置分肥均匀性的影响。4 发展趋势我国水稻施肥方面的研究投入逐渐加大，国内学者从施肥技术、施肥方法、排肥器性能优化与辅助分析、导航与精准施肥等方面均进行了深入研究，并取得了一定成果。这些成果虽然解决了一些特定作业条件下的问题，但在具体作业过程中仍存在排肥稳定性和均匀性较差、排肥管易堵塞等问题。（1）通用性方面。不同厂家的农业机具可匹配其他厂家的施肥装置，也可根据需要任意改变、拆装施肥装置，满足水田、旱地施肥作业需求。（2）智能化方面。施肥装置中施肥量、螺旋轴转速、排肥稳定性，实现在线监测与显示，自动调整施肥工作参数，使作业效率维持在良好范围。（3）高性能方面。水稻侧深施肥技术的发展需深入研究施肥装置的有关结构参数、运动参数、肥料与施肥装置耦合过程，在理论指导下提高水稻侧深施肥机性能及效率。参考文献1曹鑫,谢方平,王修善,等.双向螺旋送肥离心锥盘式排肥装置的设计与试验J.湖南农业大学学报（自然科学版）,2021,47(3):338-343.2李想,戴维,高红菊,等.基于 BP 神经网络的粮食产量与化肥用量相关性研究J.农业机械学报,2017,48(S1):186-192.3齐兴源,周志艳,杨程,等.稻田气力式变量施肥机关键部件的设计与试验J.农业工程学报,2016,32(6):20-26,316.4马昕,杨艳明,刘智蕾,等.机械侧深施控释掺混肥提高寒地水稻的产量和效益J.植物营养与肥料学报,2017,23(4):1095-1103.5陈书法,张石平,孙星钊,等.水田高地隙自走式变量撒肥机设计与试验J.农业工程学报,2012,28(11):16-21.6吴苗苗.水稻侧深施肥机的设计D.杭州:浙江理工大学,2017.7蔡忠颖,熊辉.约翰迪尔4630型自走式喷药机J.现代化农业,2011,(12):30.8左兴健.风送式水稻侧深精准施肥装置设计与试验研究D.杨凌:西北农林科技大学,2016.9李耀明,徐立章,向忠平,等.日本水稻种植机械化技术的最新研究进展J.农业工程学报,2005,21(11):190-193.10 王德强.农业生产中水稻机械侧深施肥技术分析J.时代农机,2015,42(3):25-26.11左兴健,武广伟,付卫强,等.风送式水稻侧深精准施肥装置的设计与试验J.农业工程学报,2016,32(3):14-21.12 位国建,祁兵,焦伟,等.水田机械式强制排肥装置设计与试验J.农业机械学报,2020,51(S1):154-164.13 陈长海.水稻插秧机螺旋搅龙式侧深施肥装置的设计与试验研究D.大庆:黑龙江八一农垦大学,2016.14 王金峰,高观保,翁武雄,等.水田侧深施肥装置关键部件设计与试验J.农业机械学报,2018,49(6):92-104.15 潘世强,赵亚祥,金亮,等.2BFJ-6 型变量施肥机外槽轮式排肥器的设计与试验研究J.中国农机化学报,2016,37(1):40-42.16 顿国强,高志勇,郭艳玲,等.圆弧齿轮排肥器圆弧结构参数仿真试验及优化J.浙江大学学报（农业与生命科学版）,2020,46(5):625-636.17 方龙羽,罗锡文,杨文武,等.插板式叶轮排肥器安装角度的优化与试验J.农机化研究,2021,43(2):139-144.18 曹艳文.基于离散元法的螺旋式排肥器仿真分析与试验研究D.长春:吉林农业大学,2017.19 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