黃法偉 ，張 浩 ，劉俊兵 ，王鑫淼 ，董曉威

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

近二十年來(lái)，在我國(guó)每年的糧食總產(chǎn)量中，水稻的產(chǎn)量一直在總產(chǎn)量中占比31%以上[1]，而化肥對(duì)保證水稻的高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)的作用占比高達(dá)50%[2-3]，但施肥方式一直以表面撒施、條施技術(shù)為主，因此存在著化肥用量高、利用率低的問題，對(duì)生態(tài)、農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展造成了阻礙[4]。

穴施肥技術(shù)適用于穴播作物，能夠合理地減少化肥用量。萬(wàn)玲等研制了滾輪式穴施肥裝置，通過(guò)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力完成扎穴入土工作，實(shí)現(xiàn)了排肥器同步機(jī)具速度進(jìn)行施肥，施肥深度可由液壓裝置調(diào)節(jié)[5]。張俊雄等研制了正位穴施肥裝置，使用單片機(jī)控制擋肥板的開合，間斷地將化肥施入土壤中，并通過(guò)排種、排肥的延時(shí)時(shí)間間隔保證了施肥位置的準(zhǔn)確性[6]。劉正道等研制了腔盤式精量穴施肥裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)定子與轉(zhuǎn)子所形成的肥腔大小調(diào)節(jié)施肥量，并確定了排肥性能最優(yōu)的肥腔形狀，并結(jié)合氣吹式輔助排肥提高了排肥穩(wěn)定性[7]。李沐桐等研制了機(jī)械式自動(dòng)穴施肥裝置，以可恢復(fù)式微力放大裝置為核心部件，同時(shí)采用螺旋絞龍施肥部件完成穴式施肥[8]。課題組通過(guò)傳感器、步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器控制螺旋絞龍排肥器的啟停、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)穴式施肥，通過(guò)可編程邏輯控制器PLC設(shè)置延時(shí)模塊來(lái)調(diào)控插秧與施肥兩種運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系，以達(dá)到最高的苗-肥縱向距離合格率。

1 水稻穴施肥概念

水稻穴施肥技術(shù)即為施肥質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中定義的不等距間隔施肥方式，將化肥呈穴狀施入作物種子或植株播行中心線靠近種子或植株一側(cè)的位置。結(jié)合目前水稻側(cè)深施肥前沿技術(shù)，具體的農(nóng)藝要求為將化肥呈穴式施到距離水稻秧苗根系一側(cè)3 cm～5 cm、深3 cm～5 cm范圍內(nèi)的施肥技術(shù)[9]。穴施肥效果如圖1所示。

圖1 穴施肥效果示意圖（單位：mm）

2 裝置整體結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整體結(jié)構(gòu)

裝置主要由控制箱、插秧機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)、行走系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)組成，如圖2所示。其中，控制系統(tǒng)主要由PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、繼電器等組成，由外部電源供電工作，并通過(guò)觸摸屏對(duì)裝置的相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置排肥與插秧動(dòng)作的運(yùn)行控制；施肥機(jī)構(gòu)由肥箱、螺旋絞龍、護(hù)肥管等組成，由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)的方式提供動(dòng)力；插秧部位采用后置式分插機(jī)構(gòu)，由減速電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)形式提供動(dòng)力；行走系統(tǒng)由減速電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)的方式提供動(dòng)力。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理及過(guò)程

裝置整體作勻速直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，插秧機(jī)構(gòu)作周期性的插秧運(yùn)動(dòng)并由秧針在土槽內(nèi)形成插秧點(diǎn)，每完成一次插秧動(dòng)作，傳感器便捕捉到一次信號(hào)并傳至PLC。PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器在延時(shí)時(shí)間過(guò)后向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送一定頻率與數(shù)目的脈沖，步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)脈沖完成一次間歇排肥過(guò)程。

2.3 控制系統(tǒng)硬件組成

選擇西門子S 7 2 0 0 S T 2 0型號(hào)P L C，昆侖通態(tài)TPC-7062TX型號(hào)觸摸屏，普菲德12 N·m轉(zhuǎn)矩86BYG250H型號(hào)步進(jìn)電機(jī)及普菲德DMA860H型號(hào)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，60 W、350 rad可調(diào)速插秧減速電機(jī)，100 W、150 rad可調(diào)速行進(jìn)減速電機(jī)，菲爾斯特BRW600-400A型號(hào)傳感器。

2.4 排肥螺旋絞龍的參數(shù)確定

由式（1）確定絞龍外徑，可選參數(shù)為D=（17、19、21、23、25） mm；由式（2）確定絞龍的工作轉(zhuǎn)速，可選參數(shù)為N=（170、180、190、200、220） r/min。螺旋軸的內(nèi)徑d=（0.2～0.35）D=（5～9） mm，螺旋絞龍螺距

式中：C——螺旋傾角系數(shù)，取0.46；

ψ——化肥填充系數(shù)，取0.9；

D——螺旋軸直徑，mm；

ρ——化肥密度，取1.552 t/m3；

R——螺旋軸半徑，mm；

K——物料綜合特性系數(shù)，取0.063 2；

Q——目標(biāo)排肥量，t·h-1，取26.65。

3 裝置的性能試驗(yàn)與分析

在EDEM軟件中對(duì)裝置的穴施肥性能進(jìn)行仿真后，仿真結(jié)果滿足穴施肥農(nóng)藝要求，再于實(shí)際中通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證仿真試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)質(zhì)量流量傳感采集設(shè)備對(duì)護(hù)肥管末端排出的化肥進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，得到低、中、高三種作業(yè)速度下的圖像，如圖3、圖4所示。

圖3 驗(yàn)證試驗(yàn)

圖4 化肥質(zhì)量流量圖

由驗(yàn)證試驗(yàn)得到的圖4所示結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果基本相符，但比較仿真試驗(yàn)的結(jié)果，隨著裝置在0.35 m/s～0.6 m/s的范圍內(nèi)行進(jìn)速度的增大，波峰接近于穴施肥計(jì)算量的程度有所減小，波峰波動(dòng)幅度有所增大，并且出現(xiàn)了2～3個(gè)連續(xù)的插秧點(diǎn)持續(xù)性施肥的現(xiàn)象。但總體波峰波谷分界顯著，說(shuō)明成穴性能都較好，并且苗-肥縱向距離合格率滿足施肥質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的≥80%的基本要求。

4 結(jié)論

課題組設(shè)計(jì)了一臺(tái)穴式水稻側(cè)深施肥裝置，確定了關(guān)鍵部件螺旋絞龍排肥器的內(nèi)外徑、螺距、轉(zhuǎn)速的取值范圍。通過(guò)選擇合適型號(hào)的硬件組成控制系統(tǒng)，由其中的延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)插秧與施肥運(yùn)動(dòng)耦合的控制，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的苗-肥縱向距離合格率[10]。在仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證試驗(yàn)說(shuō)明了裝置在0.35 m/s～0.6 m/s的行進(jìn)速度范圍內(nèi)成穴性能都較好，雖然隨著行進(jìn)速度的增加，成穴性能逐漸減弱，但施肥效果滿足穴施肥農(nóng)藝要求。