大壟雙行播種玉米機械化生產(chǎn)試驗研究

楊志強

(承德縣農(nóng)牧局農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站，河北 承德 067400)

0 引言

玉米大壟雙行播種是一種新興、可行的玉米高效率種植技術(shù)，可簡單理解為：選取1.2～1.3m作為壟距，0.6m作為壟溝寬度，0.45m作為行距，壟的頂面進行雙行播種玉米的一種播種方式，如圖1所示。采用此模式進行玉米機械化生產(chǎn)，一定程度上加大了壟與壟之間的距離，可以很好地增加采光通風(fēng)效果，利于玉米后期的生長和接穗；另一方面，還可以根據(jù)實際情況進行合理地密植播種，提高玉米產(chǎn)量。承德縣于2014年和2015年在三溝鎮(zhèn)甲皮山村、六溝鎮(zhèn)牛旺溝村兩村每年分別示范5.33hm2，取得玉米均產(chǎn)量為9 430kg/hm2，示范效果良好。筆者基于大壟雙行播種技術(shù)，對玉米播種生產(chǎn)機械化進行了試驗研究，可為開發(fā)和研制新的符合農(nóng)藝要求的玉米機械化生產(chǎn)設(shè)備提供一定的參考。

1 玉米播種機結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米播種機作為一種自動化農(nóng)業(yè)機械，其工作效率的高低直接影響玉米種子播種、生長以致最終的玉米作物產(chǎn)量，因此其相關(guān)參數(shù)的選取及實現(xiàn)功能的匹配至關(guān)重要。本試驗選取同時進行施肥和播種的玉米播種機械裝置，如圖2所示。其核心部件包括深松鏟、各種施肥管及種子播種管和鎮(zhèn)壓輪等，各機械部件間相互協(xié)調(diào)配合，按照預(yù)設(shè)程序進行開溝、播種、施肥及覆土等一整套玉米播種作業(yè)。需強調(diào)的是播種器的精密程度決定了播種的精準(zhǔn)度，各機構(gòu)的銜接和運動保證了玉米種子的全方位正確接觸和依照一定的順序進行播種，做到不撒播、不漏播、不重播。

圖1 大壟雙行播種技術(shù)關(guān)鍵尺寸示意圖

大壟雙行的玉米播種模式，可以有效利用自然氣候，如增加光合作用的傳輸、行間距的加寬及機械化播種機具的應(yīng)用，可提高玉米的產(chǎn)量；同時，采用鉛酸蓄電池為電氣控制線路供電，減速電機型號、功率與田地作業(yè)的實際情況進行匹配，播種機的前進速率通過關(guān)鍵控制部件控制，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)置離合動力防堵功能，播種裝置實現(xiàn)無級調(diào)速，進一步進行播種機的作業(yè)動力、輔助動力及液壓系統(tǒng)支撐動力的測算，以及關(guān)鍵部件的有限元承載能力分析，可使玉米播種機的作業(yè)效率最大化。

圖2 玉米播種機簡易結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

2 關(guān)鍵控制系統(tǒng)設(shè)計

對玉米播種機關(guān)鍵部件凸輪的運動規(guī)律進行設(shè)計，選取排種裝置的相關(guān)參數(shù)，包括曲柄長度、連桿長度和導(dǎo)桿長度及切膜裝置的開口尺寸等。在排種系統(tǒng)中加入傳感器檢測，其檢測原理可描述為

(1)

式中C—玉米種子通過時的瞬時值；

C0—無玉米種子通過時的初始值；

s—極板間形成的面積(m2)；

ε1—玉米種子的介電常數(shù)(F/m)；

ε2—空氣介電常數(shù)(F/m)；

ρ1—玉米種子的密度(kg/m3)；

d—兩極板之間的距離(m)；

V—檢測場體積(m3)；

m1—傳感器內(nèi)部玉米種子的質(zhì)量(kg)。

對玉米播種的漏播和重播進行判斷：通過實時采集傳感器所傳遞運輸?shù)男盘栠M行動態(tài)運算、實時調(diào)整，根據(jù)排種器排種播種的過程中實際玉米種子粒距與排種器內(nèi)部理論粒距的大小關(guān)系進行判斷，確保最大限度減少漏播、重播率，提高播種的均勻性。對于進入土壤內(nèi)部的溝刀實行精確的入土深度控制，保證玉米種子被植入土壤深度的一致性。由圖3排種過程機理可知

Vt=R·ω

(2)

(3)

(4)

t2<Δt+t1

(5)

t2-t1>2Ts

(6)

式中Vt—玉米種子的運動速率(m/s)；

R—播種裝置形成的排種圓半徑(m)；

ω—角速度(rad/s)；

H—播種裝置與傳感器上部邊界的距離(m)；

θ—排種角度(rad)；

L—極板的總長度(m)；

t1—玉米種子播種運動至感應(yīng)裝置上部邊界的時間(s)；

t2—玉米種子播種運動至感應(yīng)裝置下部邊界的時間(s)；

g—物體的重力加速度；

△t—相鄰玉米種子排種的時間間隔(s)；

Ts—脈沖掃描周期(s)。

針對播種自動控制，首先進行初始化操作，之后進行各端口和模塊的參數(shù)功能設(shè)置及通信設(shè)置，繪制上位機程序執(zhí)行的流程及主要運算過程，如圖3所示。

通過CAN參數(shù)預(yù)置和播種速度及玉米種粒與種粒之間的距離檢測，通過高精度傳感器傳送到下位機；下位機收到信號進行判別并控制執(zhí)行部件發(fā)出相應(yīng)的機械動作，包括玉米種子的排空防堵和報警提示等。同時，針對玉米種子脈沖的判別及中間脈沖信號間隔重點計數(shù)，統(tǒng)計出玉米總播種數(shù)量，進一步推算播種效率。

圖3 玉米播種機排種簡圖

該播種裝置的控制系統(tǒng)、傳遞組件和執(zhí)行機構(gòu)之間的密切無縫隙配合運動可以大大提高玉米播種機械化生產(chǎn)效率，加之大壟雙行模式，可進一步增加玉米作物播種的密度和植株數(shù)量；自動智能的關(guān)鍵控制系統(tǒng)保證玉米種子進入土壤深度的一致性及出苗的整齊性，可滿足排種效率提高的要求。

3 生產(chǎn)試驗分析

3.1 試驗前置要求

大壟雙行播種作業(yè)之前，準(zhǔn)備工作必須按照農(nóng)藝要求逐步實施和完成，才能確保實現(xiàn)玉米機械化作業(yè)生產(chǎn)的良好成效。前期進行溫度、有機藥物配比，選取最佳的玉米種子發(fā)芽組合；翻地的深度達到0.25m以上，做到松土到位，土壤可以均勻混合肥力；選取合適的日期，最好在溫度不是很高、太陽光線不強烈的時間進行，如圖4所示。通過統(tǒng)計測量可知：在大壟雙行模式下進行玉米播種，土壤地溫更適宜玉米種子的發(fā)芽及進一步生長，對提高玉米后期產(chǎn)量的作用不可忽視。

圖4 控制系統(tǒng)上位機程序簡圖

起壟作業(yè)完成后，需保證田間各壟形的平整、寬窄行距離達標(biāo)，做好起壟后土壤的鎮(zhèn)壓保墑，對于后續(xù)的玉米播種、玉米在土壤中較高的出芽率可起到關(guān)鍵作用。進行播種時，玉米肥料同步進行，要求肥料適合玉米高效生長，通常選取復(fù)混肥料；玉米種子優(yōu)良品種選取后，做到與土壤肥力、土壤水分的相適宜，可以有效保證玉米的高產(chǎn)出率，通常要求種子的純度達到98%以上。表1 為試驗過程中選取的關(guān)鍵因素參數(shù)。

表1 關(guān)鍵因素水平的選取

3.2 試驗分析

考慮進行大壟雙行模式試驗播種特定條件的局限性和誤差性，本試驗分塊分區(qū)選取試驗的播種玉米株數(shù)進行各類參數(shù)的分析比較。主要采取兩種方案：方案A為本試驗核心方案，即大壟雙行播種模式；方案B為本試驗的對比方案，即小壟單行播種模式。由于壟間距的加寬、采光通風(fēng)條件的優(yōu)越，使得玉米產(chǎn)出量較小壟明顯提升。由表2對試驗栽培玉米植株的關(guān)鍵可測量參數(shù)進行對比，可知：植株高度高出近6cm，玉米百粒質(zhì)量多出近3g，公頃產(chǎn)出量可高出近150kg，因此可推斷出玉米作物的公頃收益將隨之增加。

該技術(shù)在保證壟距合理的基礎(chǔ)條件上，減少了玉米生長過程中因自然環(huán)境、風(fēng)力條件、土壤保持力等關(guān)系的影響，可有效減少玉米植株的倒伏率；選取先進、精度高的玉米播種機進行播種，同時具備深耕施肥的功能，機械部件在各電氣液壓控制下準(zhǔn)確地開展施肥播種和覆土等構(gòu)件運動；種子在播種前經(jīng)篩分、晾干、培育等多道工序，保證優(yōu)質(zhì)玉米種子的生長溫度、發(fā)芽率等，后期施肥、澆水維護管理此環(huán)節(jié)亦因大壟雙行模式的影響，便于其他相關(guān)玉米機具的作業(yè)，從根源上有效利用了各類資源，達到高產(chǎn)出玉米的效果和目標(biāo)。

表2 試驗栽培玉米植株參數(shù)對比

4 結(jié)論

1)采用大壟雙行的播種技術(shù)，對玉米播種機的控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化、對玉米播種機進行試驗分析，以及間距離的擴寬、寬行通風(fēng)條件的提供，可為玉米種子的良好生產(chǎn)做好自然條件準(zhǔn)備。

2)生產(chǎn)試驗分析研究表明：基于大壟雙行播種技術(shù)，與小壟單行模式相比：一方面，玉米作物在株植的高度和抗倒伏率方面有明顯提高，玉米的顆粒飽滿性及玉米的穗粒大小和顆粒質(zhì)量等分別有明顯改善；另一方面，土壤田間玉米作物與間隙的合理布局，農(nóng)業(yè)機械化后續(xù)作業(yè)提供便利，可保持田地壟形的良好性，播種的質(zhì)量好，后期維護簡便，可達到穩(wěn)定、合理、有效提高玉米產(chǎn)量的效果，是一種值得廣泛推廣和應(yīng)用的農(nóng)作物播種模式。

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