深施型变量式钻洞—液料施肥机的研制

王远+郑宇+郭小艳+刘飞

摘要：山地、丘陵地区种植的旱地农作物（特别是烤烟）在中期追施液肥时，一般需2人协同作业，一人先在植株地里钻1个土洞，另一人再把液肥施于其内，这种作业方式存在劳动强度大、效率不高等弊端。大型农业机械设备（特别是以农用拖拉机为动力的农业机械设备）受山地、丘陵地区地形的条件限制而不宜应用。因此，本研究设计开发了一种以小型汽油机为动力，集钻土洞与可调节施肥量的深施液肥于一体的背负式小型农业机械设备，旨在减轻在山地、丘陵地区给旱地农作物中期追施液肥时的劳动强度，提高追肥作业效率，同时也为这类设备的后续设计研发提供一定的理论指导与技术借鉴。

关键词：旱地农作物；协同作业；劳动强度；背负式；液料施肥机；钻土洞；深施肥

中图分类号： S224.21文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）04-0177-02

在我国山地、丘陵地区多以种植旱地农作物为主，例如云贵多数地区都以烤烟、辣椒和玉米等为主要的经济作物。这些经济作物多需中期追肥，因为液肥具有吸收快、稳定性好、抗逆性强、使作物增产效果显著等优点[1-2]，因此追肥多施液肥，即把多种固态肥料先溶解于水后，再施于植株根部。对山地、丘陵地区种植在斜坡上的旱地农作物进行施液肥时，肥水易沿着斜坡下流，所以施肥前须先在植株地的上方钻出1个土洞，再把液肥施于其内，以减少肥水流失[3]。现云南山地的作业方式为2人协同进行，一人在前用木棍或铁棍于地里撬出1个土洞，另一人用瓢把提桶里的肥水浇灌于土洞内，这种作业效率低，且在坡度较大的斜地里无法放置盛液肥的桶。液肥在加拿大、荷兰、英国及美国等发达国家已占据较大比例[4-6]，他们研制了多种穴施及条施的液料施肥机具[7-8]，以及国内现有的液料施肥机，如深施型液态施肥机[9-10]、凯斯“爱国者”液体施肥机、液体注肥器[11]、液肥变量施肥机[12]，水肥一体化自动精准灌溉施肥技术[13]、带挤压泵的施液肥机[14]等都不能先在植株地里钻出1个土洞，再把液肥施于其内。另外，山地、丘陵地区的地形复杂，沟谷交错，少成片平地，极不利于大型农业机械设备[15-16]，特别是以农用拖拉机为动力的农业机械设备的应用。综上所述，本研究针对山地、丘陵地区旱地农作物种植的中期追施液肥作业中存在的不足和大型农业机械设备受地形限制而不宜应用的弊端，设计开发一种以小型汽油机为动力、集钻土洞与可调节施肥量的深施液肥于一体的背负式小型农业机械设备，旨在减轻在山地、丘陵地区给旱地农作物中期追施液肥的劳动强度，提高追肥作业效率。

1总体结构与工作原理

1.1总体结构

深施型变量式钻洞-液料施肥机的结构如图1所示，该施肥机由液料箱、可调式取液肥装置和钻土洞装置等三大部分组成。其中，可调式取液肥装置由进/出料管、进/出料单向阀、定料筒和柱塞杆等组成。进料管的上端连接于液料箱，下端内置单向进料阀后连接于定料筒。出料管的上端内置单向出料阀后连接于定料筒，下端伸入护泥罩，靠近钻头外缘，以确保所施液肥能轻喷到钻头上，并沿钻头流下并流入所钻土洞内。定料筒内安装柱塞杆、顶杆弹簧及调节螺栓，并固定于连接板上。钻土洞部分由小型汽油机、弹性联轴器、动力套、轴承、钻头和护泥罩等组成。钻头通过螺纹与动力套旋合，动力套内置小型汽油机自带的弹性联轴器实现动力输出，钻头外装配护泥罩以防止钻土洞时泥土飞溅。可调式取液肥装置和钻土洞装置都装配在连接板上，此外连接板上还安装了手提杆。为减轻质量，整机的大部分金属零部件采用2024铝合金制成，不带液料箱部分的外形尺寸（L×W×H）为 450 mm×160 mm×1 000 mm，总质量约8 kg。液料箱外形尺寸（L×W×H）为300 mm×200 mm×400 mm，容积约22.5 L，追肥量为0.2～0.25 L/株，1次装料能追肥90～100株。

1.2工作原理

图1所示的位置为施液肥状态，定料筒内的一部分液肥已施出。施肥前启动汽油机，把液料箱背于后背，手持手提杆，把施肥机的钻头置于植株上方靠近植株约100 mm处，此时护泥罩在顶罩弹簧的作用下紧紧顶靠于地面。同时，用脚踩柱塞杆，使柱塞杆下端紧靠调节螺栓顶面，柱塞杆下移过程中，单向进料阀打开，料液进入到定料筒。柱塞杆顶紧螺旋后，继续向下用力踩柱塞杆，同时扳动油门开关，汽油机输出轴转速升高，弹性联轴器张开与动力套结合并把动力传递给钻头，钻头转动并钻入土内，形成1个直径约60 mm、深约 50 mm 的土洞。随后松开油门开关，汽油机输出轴转速降低，弹性联轴器内缩，与动力套脱离结合，汽油机空转，钻头停止转动。同时，提起施肥机使钻头退到地面以上，脚松开柱塞杆，柱塞在顶杆弹簧的作用下向上移动，此时单向出料阀打开，定料筒內的料液经由出料阀进入出料管后轻喷到钻头上，沿着钻头流下进入所钻土洞内。在坡度作用下，土洞内所施料液向靠近植株的根部渗透，从而有利于植株根须吸收料液，这在防止料液流失的同时提高了料液利用率。当一次施肥完成后，汽油机处于空转状态下，把整个施肥机移至下一株待施肥植株的上方，进行先钻土洞后施肥的相同作业。

2主要零部件的设计

2.1可调式取液肥装置

可调式取液肥装置在施肥作业中起着定量取液肥的作用，也是液料箱内的料液施于所钻土洞的一个中转站，其结构如图2所示，主要由定料筒、柱塞杆和调节螺栓等组成。按照量取液肥的可变容积为0.15～0.35 L之间设计定料筒的主要结构尺寸，同时考虑连接板宽度，取定料筒的内径d为 80 mm，柱塞杆小径d取8 mm。当量取液肥的体积在0.15～0.35 L之间时，柱塞杆端面与定料筒顶面之间的距离约在30.2～70.4 mm之间。考虑弹簧压缩至最短长度时，弹簧丝各圈所占据的高度，定料筒的深度取150 mm。当量取0.15 L的液肥时，调节螺杆旋入定料筒内111.8 mm（柱塞杆底部厚度8 mm）；当量取0.35 L液肥时，调节螺杆旋入定料筒内716 mm，所以调节螺栓长度取135 mm，并在连接板的外侧面旋合2个螺母，以防止调节好后的螺栓松动。

2.2护泥罩

护泥罩在作业中所起的作用主要包括：其一防止钻土洞时钻头钻削所搅起泥土的飞溅；其二固定出料管伸入其内的一段与钻头间的相对位置，以确保所施液肥能沿着钻头流下

进入所钻土洞内，其结构如图3所示。护泥罩顶部的孔为钻头转轴的通过孔，孔周边平面是护泥罩顶靠在钻头转轴轴肩上的支持面，所以孔与钻头转轴之间单面留0.5 mm的间隙，轴肩支撑面宽度为20 mm。护泥罩右侧面的孔为出料管伸入其内的通过孔，也是出料管与钻头相对位置的固定孔，出料管紧紧塞入该孔后，确定好伸入端的长度，即可固定两者间的相对位置。护泥罩底部采用外翻边形式，以加大护泥罩与地面的支撑面积。

2.3钻头

钻土洞所用钻头为地钻钻头，结构如图4所示，一端配有定位中心钻，另一端加工的螺纹与小型汽油机输送的动力轴旋合连接，护泥罩支撑圆盘通过焊接方式与钻头转轴焊合。钻头的外径为60 mm，带螺旋切削刃的长度为75 mm，比实际钻土洞深度长25 mm，这有利于所钻土屑的排出。

3小结

深施型变量式钻洞-液料施肥机把山地、丘陵地区旱地农作物种植过程中的中期追液肥作业中的先钻土洞、后施液肥2步作业工序结合在一起。施液肥前，能在所设计施液肥容量范围内自由调节施肥量，实现精量施肥，且施在土洞内的液肥不易流失，有利于其流向植株根须附近，从而提高肥料的利用率。同时，所研制的农机设备结构轻巧、新颖、操作安全方便。经实地施肥试验，该农机设备能满足山地、丘陵地区的

旱地农作物，特别是烤烟种植中的中期追液肥作业要求，在很大程度上简化了劳作流程，减轻了劳作者的工作强度，这也为旱地农作物中期追液肥设备的设计与研发提供了一定的理论指导与技术借鉴。

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