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精细旋耕施药机的设计和试验
摘 要：精细旋耕施药机是通过安装专用旋耕刀的反转刀辊的高速旋转,使土壤被精细切削,形成碎土率达到80%以上的细小土壤颗粒耕作层,同时在旋耕机上部安装施药装置,通过地轮的同步驱动,将细小颗粒状药料同被精细切削的土壤均匀混合的农业应用机械.针对轮式拖拉机动力输出系统（轴）和悬挂机构的特征对该机器进行变形设计,使其与牵引动力进行直接联接,从而形成整体结构,达到安全、可靠的施放农药的效果.
关键词：反转刀辊；同步驱动；碎土率；农业机械
0引言
我国是一个农业大国,人口多,耕地少,人均资源相对不足,农业发展正面临着耕地日益减少、人口不断增长和社会总需求不断增加的严峻挑战.要在有限的人均资源条件下,满足人们日益增长的对农副产品的需求,必须走高效设施农业的发展之路[1].我国每年农药的使用量在170万t,是世界平均水平的2.5倍,农药使用量在5800万t[2],全国有3600万hm2耕地面积受农药的污染,主要农产品的农药残留物超标率达20%,农药残留物对人体健康和蔬菜贸易带来严重的威胁[3].而且施药技术落后影响着农药效力的发挥,由于缺少高效的施药机械,药物多用撒布器或手施撒至地表,再用旋耕机进行作业,使之与土壤混合药粉,从而导致药物与土壤混合不均匀,单位面积施药量有差异.本文针对改善传统的耕作方式设计开发出一款既能提高工作效率和改善工作环境,又能使药物和土壤均匀混合,充分发挥药效的精细旋耕施药机,该机器的主要特点是将土壤精细旋耕和施药结合起来,达到药土均匀混合的目的[4-8].
1工作原理和主要结构
与常规施药机相比,该装备主要特点在于刀轴反转和排药管后置（见图1）.刀轴反转有助于提高碎土率,降低土壤粒径；药粒经后置排药管直接落入旋耕部件内部,与高速运动的土壤混合,混合均匀好,排药机构结构紧凑.
精细旋耕施药机与拖拉机为刚性连接.动力经输出轴、联轴器传至分动箱,通过分动箱内锥齿轮啮合实现两侧传动,由侧链轮带动旋耕刀辊和定量排药机构转动.刀辊反向高速旋转精细切削土壤,土壤被抛起的同时与落下的药粒均匀混合,形成精细的耕作层.整体结构如图2所示.
1.牵引动力2.液压部件3.传动系统4.刀辊部件5.药箱部件6.尾轮部件7.安全防护罩
2关键部件的设计与计算
2.1施药部件设计
施药部件安装在旋耕部件上方,主要由施药箱、药料输送定量器、底座等组成.通过定量排药机构将颗粒药料与被精细切削的土壤均匀混合,埋入土壤杀死土壤中的害虫.通过与精细旋耕部件的配合,可一次性完成土壤的旋耕和施药作业,土壤细碎、药粒均匀,降低了劳动强度.
1.料斗箱侧板2.气弹簧上支架固定板3.透窗密封条4.盖板透视窗5.气弹簧下支架固定板6.透视窗垫板7.料斗箱盖板8.料斗箱堵头板9.封料板组件10.尼龙封料板11.不锈钢送料管12.料斗轴支撑套13.料斗轴垫块14.料斗轴支撑座15.料箱固定板
2.2最大理论施药量计算
以棉隆（一种杀菌剂）为例,介绍最大理论施药量计算方法.
送料槽容积V′可由下式计算：
（1）
式中：L1-排药槽长度（mm）,本例中L1等于54mm；
L2-排药槽宽度（mm）,本例中L2等于4mm；
H-排药槽深度（mm）,本例中H等于1.9mm；
则V′等于434.3mm3.
排药器体积V可由下式计算：
（2）
式中：Y1-排药槽轴向分布数,本例中为12.
Y2-排药槽径向分布数,本例中为15.
则V等于78.174cm3.
排药器旋转一周药物重量W可由下式计算：
（3）
式中：ρ－药物密度（g/cm3）,（棉隆ρ等于0.73g/cm3）.
则W等于57.07g.
地轮和排药轴速比M可由下式计算：
（4）
式中：Z1－地轮链轮齿数；
Z2－中间主动链轮齿数；
Z3－中间从动链轮齿数；
Z4－过渡主动链轮齿数；
Z5－过渡从动链轮齿数；
Z6－排药轴链轮齿数.
则M等于2.48.
地轮表面积S可由下式计算：
（5）
式中：D－地轮直径；
L3－地轮宽度.
则S等于1.70m2.
由上述计算,每亩最大理论施药量T可由下式计算：
（6）
则得T等于55.50kg.
根据以上计算可得该装备理论最大施药量为3.70kg/hm2.药粒和药粉通过定量器均量释放到旋耕起来的土壤流中,与土壤充分混均.根据农艺要求,可通过排药槽长度、行走速度进行施药量调节；还可通过液压泵升降调节0～25cm旋耕深度,达到调节施药深度的目的.
3试验效果
在参与“农业行业溴淘汰项目”实施过程中,在山东安丘对生姜减药栽培进行了试验.试验结果表明：
1）与人工施药后常规旋耕机作业相比,该装备施药量从35～45kg/667m2减少到25～35kg/667m2,减少了22%以上.每亩节约农药约10kg,大大提高农药利用率,节约了成本.
2）与人工施药后常规旋耕机作业相比,该装备耕作施药后的作物长势良好,产量有显著提高,见图4.
3）用户报告称使用精准施药旋耕机后,生姜产量增加约150kg/667m2.其他试验的结果表明,草莓产量平均增加约300kg/亩,西瓜产量平均增加约300～500kg/667m2.
4结论与展望
精细旋耕施药机可在精细粉碎土壤的同时,通过同步地轮精准控制施药量,同时均匀混合药土,以减少农药的用量,提高农药利用率,实现农药使用量的“零增长”或“负增长”.以棉隆为例,田间试验结果表明该装备可减少生姜农药用量22%～27%,生姜长势良好,产量显著提高.
该装备采用了旋耕刀轴反转的设计,具有不缠草、土壤切削效果好的优点,但是也带来了工作时前进速度较慢、功率消耗较大的缺点.尤其应当进行一定作业条件下的功率与作业参数匹配试验,否则反转旋耕刀切削的土块有可能随刀辊抛向前方,容易造成壅土和堵塞,需要进一步进行装备优化.
精细旋耕施药机有助于保护农业土壤的自然资源,减少农药施用,形成良好农业生态系统,为我国农业逐步实现节约高效、环境友好的可持续发展目标提供农业机械装备的支持.
参考文献
[1]杨其长,魏灵玲,刘文科,等.中国设施农业研究现状及其发展战略[J].中国农业信息,2012,（6）：22-27.
[2]王佳新,李媛,王秀东,等.中国农药使用现状及展望[J].农业生产展望,2017,（2）：56-60.
[3]王跃先,张荥慧.农业土壤污染防治的法律法规分析[J].东北农业大学学报：社会科学版.2012,10（6）：150-152.
[4]许光辉.一种旋耕机滚筒的旋耕刀组件[P].中国专利,2014-06-18.
[5]许光辉.一种旋耕机滚筒[P].中国专利,2014-06-18.
[6]许光辉.高温在线灭菌机动力传动装置[P].中国专利,2014-03-19.
[7]许光辉.高温在线灭菌机液压缸平衡装置[P].中国专利,2013-11-20.
[8]许光辉.一种旋耕机滚筒的刮板组件[P].中国专利,2014-06-18.
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