深松铲式深松、铺管、施肥一体化设备设计

　　引言

　　深松是用深松铲或凿形犁等松土农具不翻转土层而疏松土壤的一种深耕方法。深松整地是土壤耕作的重要内容之一，也是农业生产过程中经常采用的增产技术，能为作物的播种发芽、生长发育提供良好的土壤环境。渗灌技术因具有节水、可实现定量实时施肥等优点，深受农民欢迎。例如，在玉米种植中采用地下渗灌技术，通过人工控制水源，可随时满足玉米各生育阶段对水肥的需求，具有显着的节水、节肥、省工、增产等特点;但人工铺设渗灌管劳动强度大，铺设深度难以保证。现有铺设渗灌管的铺管机的作业方式都是首先在地表挖出一条管沟，然后铺管，最后覆土镇压。这类铺管机存在诸多缺点，如能耗大、结构复杂及对土壤扰动大等。应用化肥深施技术，可以减少化肥的损失，提高化肥利用率，提高作物产量，减少化肥对环境的污染。资料显示:碳酸氢铵表施 5 天后，氮素损失 13． 8% ;深施入土 7cm，5 天后氮素仅损失 0． 88% 。中国农业科学院土壤肥料研究所试验表明:碳酸氢铵、尿素深施到地表以下 6 ～10cm 的土层中，比表面撒施氮肥当季利用率由 27% 、37% 分别提高到 58% 、50% ，深施比表施利用率相对提高 15% 和 35% 。化肥深施可促使根系向下扎，扩大根系生长量，增强作物吸收水分、养分的能力，显着提高作物产量。化肥深施不仅提高了化肥利用率，减少了挥发和流失渗漏，而且能够大大地减少对生态环境的污染。为此，课题组结合深松、渗灌、施肥的技术要求，设计了一种深松铲式深松、铺管、施肥一体化设备。

　　1 整机设计方案

　　按照机械化保护性耕作的技术要求，实现少动土、机具少进地和复式作业，机具设计为一次进地完成深松、铺管、施肥作业的模式。考虑到渗灌管铺设要求及动力配置，采用全层土壤间隔深松方式，即工作部件采用一定间隔横向布置。作业时，两深松铲间深层的前行使两铲间土壤得到了部分松动，形成实虚并存的土壤结构。虚部土壤由板结型变为疏松型，增加透气、透水性能，有利于微生物活动;实部土壤透气性差，有利于土壤腐殖化。

　　深松铲上通过连接固定块焊接有铺设渗灌管的导管圆管，导管圆管上有用来固定施肥铲的固定板，三者结合形成本文自主设计的深松、铺管、施肥一体铲，铺管深度与施肥深度可调。深松铲尖采用凿形深松铲尖，阻力小，不打乱耕作层，不破坏土壤团粒结构，有利于农作物的根系发育。凿形铲的宽度很窄，它利用铲尖对土壤作用过程中产生的扇形松土区来保证松土宽度，对土壤的搅动比较少。

　　2 整机介绍

　　深松、深铺渗灌管、施肥复合作业机主要包括机架、深松部分、铺管部分和施肥部分，把这些部分按照设计的工作原理组合在一起，就构成了本文设计的机具，如图 1 所示。根据不同的动力配套，每次作业可以完成的幅宽不一样，铺管行数也不一样。根据不同的农业作业要求，也可以把施肥部分拆卸，单独完成深松、铺管作业。根据空间分布，本设计采用了前面两行分布在两侧、后面一行在中间的方式。实际应用时，根据行数、管间距、空间分布状况等，可合理选择装配位置，装配后应保证各部件运动不发生干涉，动力分布合理。

　　3 工作原理

　　本设备主要由 4 部分组成，包括机架、土壤深松设备、铺管机构和施肥机构。在深松的同时把渗灌管铺到犁底层，同时完成一定深度的施肥作业。具体工作过程如下:在深松铲上加装引导渗灌管的导管圆管，在机架上加装支撑渗灌管管盘的管盘支架;管盘支架用 U 型螺栓固定在机架上，固定位置可调，管盘安装在管盘支架的管盘轴上，管盘轴上有限位孔，保证管盘不轴向移动。深松铲入土前把渗灌管从固定在深松铲上的导管圆管中穿出来，深松铲入土前需要用手拉住或者把渗灌管固定，待入土铺设一定长度后因土壤阻力而放开。在拖拉机牵引下深松铲向前运动，渗灌管管盘在管盘支架的管盘轴上随动旋转，渗灌管源源不断地铺设到犁底层。施肥箱安装在机架上的施肥箱支架上，高度要保证排肥通畅。地轮驱动部分用 U 型螺栓固定在机架上，通过锥齿轮传动把地轮的动力传递到中间传动轴，再通过中间传动轴上的链轮、链条传动，把动力传递到施肥箱动力输入轴，带动排肥器转动。施肥铲采用上部中空、下部带有铲尖的圆管，施肥铲上设有固定板，固定板上有固定孔，用螺栓与导管圆管上的固定板连接固定，通过选用不同的固定孔可以调节施肥深度。

　　4 主要部件设计

　　该设备的主体部分包括机架﹑深松机构﹑施肥机构﹑铺管机构及地轮传动部分等。各部分的设计要满足使用性能要求，保证安全可靠，机架要有足够的刚度和强度，地轮传动要平稳、连续等。机架截面形状选择多数机架常用的空心矩形截面，综合刚性好。机架壁厚的选择取决于刚度、强度、材料和尺寸等因素，在满足要求的情况下尽量选择最小壁厚，以减轻零件质量。

　　4． 1 机架的设计

　　机架必须保证足够的刚度和强度，通过布置肋板可以提高机架的刚度和强度，使机架尽可能质量轻、成本低。机架的结构设计要合理，以便于其它零部件的安装、调整与修理，并具有良好的抗震性和公益性。

　　机架截面形状选择常用的空心矩形截面，具有良好的综合刚性。机架壁厚的选择取决于其强度、刚度、材料和尺寸等，在满足要求的条件下尽量选择最小壁厚，以减轻质量。

　　4． 2 深松机构的设计

　　深松机构包括限位块、深松铲柄及深松铲尖等。

　　根据前期渗灌管水分渗漏分布情况实验结果可知:渗灌管铺设深度在 35 ～ 40cm 之间时，可以满足作物生长的水肥需要;工作时，犁架离地面距离 15cm 左右为宜。为满足以上要求，并使铺管深度具有一定调节范围，参考中华人民共和国机械行业标准 JB/T9788 －1999。深松铲柄设计如图 2 所示。

　　图 2 中，深松铲长度 700cm，宽度 60cm，厚度25cm，铲柄上有 6 个调节限位孔，开棱总高度 420mm，曲率半径 284mm，深松铲柄采用 65 锰钢制造，技术条件参照 JB/T9788 － 1999 来执行。深松铲尖选用 JB/T9788 － 1999 标准凿形深松铲。
　　
　　4． 3 铺管机构的设计

　　铺管机构总体上分为管盘支架和铺管导管两部分。管盘支架主要是用来支撑管盘，保证管盘随着铺管的进行在管盘轴上旋转，把渗灌管不断地送入铺管导管。为了把管盘支架固定在犁架上并使固定位置便于调节，管盘支架与犁架之间采用用 U 形螺栓固定。试验表明，管盘轴采用旋转轴时，会使管盘旋转受惯性影响(旋转过快)，不能与铺管进程保持一致;采用固定轴时由于受管盘自重的限制，管盘自身在轴上的旋转可以满足要求。依据简化设计的原则，管盘支架设计示意图如图 3 所示。铺管导管用来把渗灌管导入地下进行铺设，与深松铲固定在一起，固定位置要满足铺设深度，不影响深松设备的安装等要求。导管采用无缝钢管弯曲而成，导管内径以保证渗灌管顺利通过为宜，导管壁厚3mm，材料选用耐磨钢材。

　　4． 4 施肥机构的设计

　　施肥机构主要包括地轮部分、施肥箱及施肥铲。地轮传动部分首先通过锥齿轮传动把地轮的转动换向后传递到靠近施肥箱的中间传动轴，再通过链轮传动把动力从中间传动轴传递到施肥箱动力输入轴;施肥箱选用带调节手柄的施肥箱，通过调节手柄能够调节施肥量，施肥箱固定在施肥箱支架上。排肥器选用外槽轮式排肥器，影响排肥量的工作参数主要是轮长L 和转速 n。施肥铲为上部中空，下部带有铲尖的圆管，施肥铲上设有固定板，固定板上有固定孔，用螺栓与铺管圆管上的固定板连接固定，通过选用不同的固定孔可以调节施肥深度。

　　把深松铲、铺管导管、施肥铲连接在一起就组成了深松铺管施肥铲，能同时完成深松、铺管、施肥。深松铺管施肥铲如图 4 所示。图 4 中，连接固定块要在保证连接可靠的同时不影响深松铲的安装，固定位置要保证通过调节深松铲安装孔的位置能使铺管深度符合要求。

　　5 实验数据分析

　　样机以 3 行深松、铺管、施肥进行田间试验，铺管深度 350mm，管间距 80cm，动力为 88． 2kW 拖拉机。

　　试验结果表明:铺管深度误差在 5% 以内，管间距误差小于 6% ;各行直线度好，铺管精度高，施肥深度误差小，施肥量精确，实现了深施肥及精量施肥;作业效率0． 2 ～ 0． 27hm2/ h。

　　6 结论

　　1)该设备主要适合大田与温室作业，不留地头，主要为铺设渗灌管，稍加改造也可用于田间电缆的铺设等。

　　2)铺设渗灌管时每次转向前要人工剪断管子，转向后开始铺管之前要先固定管子的一端，有待进一步改进。3) 铺管对行精度靠驾驶员水平决定。由于田间作业风沙大，驾驶员的驾驶水平及长时间枯燥乏味的跟踪驾驶对开沟铺管作业的直线度有很大影响。

　　4)作业过程中，如拖拉机有翘头现象，可在拖拉机前横梁上或前轮上加适当配重。

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