水稻插秧同步精量施肥機的設計

藥林桃,曹曉林,宋思明,羅 翔,戴晨明,王東榮

(1.江西省農業科學院 農業工程研究所,南昌 330200;2.湖南龍舟農機股份有限公司,湖南 汨羅 414400;3.江西農業大學,南昌 330045;4.江西省農業機械化技術推廣監測站,南昌 330045)

0 引言

水稻在我國種植面積廣泛,產量幾乎占全國糧食總產量的40%,但目前水稻機械化生產水平相對于旱地作物還存在一定的差距。尤其是機械化種植和施肥水平依然不高,施肥作業主要是以人工或機械拋灑為主的全層施肥和表面施肥,肥料拋灑不均勻,利用率低,還會造成環境污染[1-3]。2017年,中央1號文件提出“推行綠色生產方式,增強農業可持續發展能力”,明確要大力推進化肥農藥減量增效等“一控兩減三基本”的工作目標。水稻機械化生產技術中,采用水稻插秧機帶側深施肥裝置的同步施肥技術,是國際上公認的減少化肥施用量最為有效的技術措施之一。

水稻機插秧同步側深施肥裝置可以搭載插秧機,在機插秧的同時將顆粒狀肥料準確、均勻、可靠地施在水稻秧苗根系附近,有效提高了肥料利用率和作業效率[4-6]。日本、韓國生產的毯狀苗插秧機都配有同步側深施肥裝置,主要采用風力把固態肥料顆粒吹入輸肥管,風力作用能有效防止輸肥管和排肥口堵塞,施肥效果較好,但由于價格、肥料特性和差異化技術設備銷售等原因,在國內應用較少[7-9]。目前,國內已開展了多種水稻插秧機同步施肥裝置的試驗研究,排肥部件主要有風力式、槽輪式和螺旋式等[10]。但是,國內的肥料極易潮解,水田作業環境下風力式和槽輪式排肥裝置易堵塞,施肥效果差。

2FH系列水稻插秧同步精量施肥機采用分割式肥箱,每個肥箱供應兩行施肥器,可搭載多種型號插秧機。該機具采用直流電機驅動、螺桿旋轉強制排肥,可以防止排肥口擁堵,持續、均勻地將肥料推送入土壤中,實現了水田定位深施肥,保證了施肥量精量可調。

1 整機結構及工作原理

2FH系列水稻插秧同步精量施肥機主要由肥料箱、施肥支架、輸送管、施肥機構、覆泥裝置、測速機構和電器部件等組成[11],如圖1所示。機具與插秧機搭載采用后置固定連接,與插秧部件為同一動力源,不但傳動可靠且可以保證施肥與插秧同步,插秧即施肥,不插秧時施肥機即停止,提高肥料利用率。肥料箱安裝在施肥支架上方,用于儲存肥料,每個肥箱供應兩行施肥器。施肥機構由執行電機、輸送螺桿、輸送筒及傳感器等組成,肥料靠自身的重力和機具震動的作用,通過電動螺旋式排肥器排出,通過調節電機轉速實現施肥量的無級調節;施肥管與開溝覆泥裝置連接,開溝器可在水田泥土中開出4～5cm 深的溝,螺旋攪龍推動顆粒肥料排入溝內,在覆泥裝置作用下將施入肥料的泥溝閉合,肥料即可精施在秧苗的預定側、深位置,如圖2所示。智能顯控機構安裝在插秧機前端秧盤架上,用于設定排肥量、插秧株距等參數,并監測施肥機的實時作業狀態。機具在插秧的同時,肥料通過輸送管到達導肥管,執行電機根據設置的參數帶動螺桿旋轉,將導肥管里的肥料輸送到秧苗側、深處指定的位置。肥料傳感器用于監測肥料箱里面是否有肥料,插植速度傳感器用于監測插秧機的插植速度,施肥速度傳感器用于檢測施肥機輸送螺桿的轉速。

1.履泥裝置 2.開溝器 3.輸肥管 4.肥箱 5.導線管 6.顯控機構 7.插秧機 8.控制器 9.電動螺旋式排肥器 10. 施肥支架

1.肥料 2.覆蓋泥土 3.秧苗

選用YR60DZF(9寸)高速插秧機與2FH-6型水稻插秧同步精量施肥機搭載,組合機具可同步完成機插和施肥作業。肥料量設置范圍為 15～45 kg/667m2,調節精度為1kg/667m2,株距設置的數值必須與插秧機設置的株距一致。

2 工作部件

施肥工作部件由肥箱、執行電機、螺旋式排肥器、輸肥管、開溝覆泥裝置及傳感器等組成,可定量將肥料輸送到指定位置如圖3所示。

2.1 排肥裝置的設計

排肥器選用電動螺旋式排肥器,通過調節電機轉速進行施肥量的控制,轉速根據設定的施肥量進行調整,實現精量施肥。相比于無動力方式(如窩槽施肥器、外槽輪式施肥器等),電動螺旋式排肥器不僅可以保證不淤、不堵、排肥順暢,還能夠有效保證排肥的穩定性、一致性和均勻性。單個施肥機的結構圖如圖4所示。

1.覆泥裝置 2.輸肥管 3.肥箱 4.執行電機 5.導肥管 6.楔形開溝器

圖4 電動螺旋式排肥器

排肥量Q是衡量螺旋排肥器工作能力的一個重要指標,它與輸送桿的傾斜角度、橫斷面積A、葉片螺距s、電機轉速n等參數密切相關[12-14]。

2.1.1 電機

根據高速插秧機的電路特點,電動螺旋式排肥器選用12V 60W直流無刷電機,最高轉速為1 500 r/min。

2.1.2 輸送桿橫斷面積

輸送桿橫斷面積計算公式為

(1)

式中A—橫斷面積(m2);

D—螺旋葉片的直徑(m);

d—螺旋軸直徑(m);

φ—填充系數。

2.1.3 螺旋軸直徑d

根據螺旋面與肥料的摩擦關系及速度各分量的適當分布,來確定最合理的軸徑。計算公式為

d=0.5×D

(2)

2.1.4 螺距s

螺距的大小直接影響著肥料輸送過程。排肥量Q和螺旋葉片的直徑D一定時,螺距改變,肥料運動的滑移面隨著改變,這將導致肥料運動速度分布的變化。通常螺距應根據螺旋面與肥料的摩擦關系、速度各分量間的適當分布關系,來確定最合理的螺距尺寸。計算公式為

s=k1×D

(3)

通常k1值在1～1.5范圍內取,在同樣的輸肥量和效率時選用較大值。試驗證明,較低的k1值將引起肥料較大的破損。因此,本文取k1=1.15。

2.1.5 肥料的移動速度

在實際工作中, 通常不考慮肥料軸向阻滯的影響,因此肥料的移動速度計算公式為

v=s×n

(4)

式中v—移動速度(m/min);

s—葉片螺距(m);

n—轉速(r/min)。

2.1.6 螺旋輸送機構的輸送量

螺旋輸送機構的輸送量計算公式為

Q=A×v×λ×ε=47×(D2-d2)×

φ×s×n×λ×ε

(5)

式中Q—輸送量(kg/h);

λ—肥料容重(kg/m3)。

水稻插秧同步精量施肥機工作狀態下傾斜角度為77°,查閱相關的手冊可知:傾斜輸送系數ε=0.54,肥料填充系數φ=0.32。

根據插秧機的工作效率和大田施肥量,單個螺旋輸送桿輸肥量為7.5～45kg/h,肥料容重約為1 100 kg/m3。經過計算,得出螺旋輸送機構的設計尺寸為D=22mm、d=11mm、s=25mm。

選擇最低轉速50r/min和最高轉速1 500r/min輸肥量公式,Qmin=4.05kg/h,Qmax=121.6kg/h,滿足作業要求。

2.2 開溝覆泥裝置的設計

開溝覆泥裝置由楔形塊、導肥管和覆泥板組成,如圖5所示。插秧機作業速度不高,選用楔形開溝器,水田作業時光滑的楔形塊具有減阻降粘的作用[6];開溝覆泥裝置選用塑鋼材料,防生銹,開溝阻力小,入土性好。

作業過程中,經過船板底部的根茬、雜草等在通過開溝器時,被光滑的楔形塊兩側隨泥漿沿向后張開的梯形導肥器分流而去,使泥漿無法瞬間彌合開出的溝槽,為經過導肥器中的肥料順利通行創造了條件。每個肥箱左右兩側各1個開溝覆泥裝置,覆泥板安裝在開溝器左右兩側的后方。

1.導肥管 2.楔形塊 3.覆泥板

2.3 質心計算

水稻插秧同步精量施肥機搭載在插秧機上,整機的質心位置關系到插秧機作業的穩定性、操控的平順性、制動性及通過性。質心高度對機具的使用性能有重要的影響,質心過高,很易導致機具橫向失穩,特別是轉彎掉頭時易造成側向傾翻。高速插秧機采用方向盤操作,本文采用卡車質心位置計算方法模擬計算施肥機搭載插秧機空載和滿載時的質心坐標[15-18]。

1)水平距離計算公式為

(6)

式中a—質心到前軸的水平距離;

G1—前軸負荷;

G2—后軸負荷;

L—軸距。

(7)

(8)

式中gi—各總成(載荷)質量;

Xi—各總成(載荷)到前軸的水平距離。

2)質心離地高度計算公式為

(9)

式中h— 質心到地面高度;

hi— 各總成(載荷)離地高度。

空載時,機具各總成包括發動機、油箱、載秧臺、外殼、施肥裝置、電池、傳動機構及車輪等;滿載時,除去上述總成還要加上,司機和工作人員,載秧臺秧苗、置秧架秧苗、肥料等。水稻插秧同步精量施肥機搭載高速插秧機在滿載時作業狀態和行走狀態的質心位置,如圖6所示。由圖6可以看出:整套機具在裝滿秧苗和肥料的情況下,質心位置在機具中心處,可以保證機具操作的平順性和整機的穩定性。

圖6 整機質心位置圖

3 排肥試驗

為了對水稻插秧同步精量施肥機的可行性進行驗證,對其進行了排肥量試驗。供試肥料為顆粒狀復合肥,平均粒徑3.2mm,球形率90%,密度1.15kg/L,休止角26.12°。

2018 年 4月,在江西省農科院工程所實驗室開展了排肥試驗。插秧機行駛速度并非是勻速度運動,螺旋排肥器轉速與插秧機行走速度有直接關系[19]。試驗設定施肥量28kg/667m2,進行不同株距和不同轉速下的排肥試驗,結果如表1所示。

表1 排肥量試驗結果

2018年4-7月,在江西奉新縣、臨川區試驗點進行了早、晚稻機插同步精量施肥田間試驗。試驗點共計3.33hm2,奉新2hm2,臨川1.33hm2,田塊地表平整,坡角≤3°,機插株距14cm,施肥深度5cm,測定平均施肥深度、標準偏差、變異系數[20]和不同施肥量的排肥情況。試驗過程中,肥料排放均勻,未發生堵塞現象,結果如表2所示。

表2 田間試驗結果

試驗結果表明:隨著水稻機插株距的增大,各行的平均排肥量增大,變異系數變大,但都符合國家相關標準規定。這說明,針對不同株距,該施肥機具的各行排肥量的穩定性、一致性和均勻性較好。在水稻株距相同的情況下,插秧機行走速度越高,轉速越快,各行的平均排肥量越大,變異系數也越大,插秧機行走速度變快,穩定性有所下降,但整體符合施肥要求。

實驗室排肥量試驗結果表明:各行排肥量變異系數范圍在1.9%～3%,實際排肥量與理論排肥量的相對誤差范圍在2.2%～3.8%之間。田間試驗結果表明:各行排肥量變異系數范圍在5.1%～6.3%,實際排肥量與理論排肥量的相對誤差范圍在5.7%～6.3%之間。這說明,受田塊的影響,在田間試驗的變異系數和實際排肥量與理論排肥量的相對誤差較實驗室試驗高,但都符合國家相關標準規定,表明該機具的各行排肥量的穩定性、一致性和均勻性較好。田間試驗設置的施肥深度為5cm,施肥深度偏差小于0.35cm,合格率高于90%,說明該施肥機具可以較好的控制好施肥深度。

綜上所述,該施肥機具各行排肥量變異系數、總排肥量偏差、施肥穩定性、一致性、均勻性及施肥深度合格率等重要指標均符合國家相關標準規定。

4 結論

1)水稻插秧同步精量施肥機搭載在高速插秧機上,能夠一次完成插秧、施肥作業。與傳統種植方式相比,減少了施肥作業環節,提高了勞動效率。施肥機具與插秧部件為同一動力源,傳動可靠且能夠保證施肥與插秧同步,操作簡單。機具結構合理、運轉平穩、工作安全可靠。電動螺旋式排肥器可將肥料精確施入秧苗的側深處,具有較好的施肥穩定性、一致性和均勻性,可以降低肥料用量,減少肥料流失,提高了肥料利用率。

2)插秧機的行進速度對施肥量有一定的影響。行進速度變大,各行的排肥量增大,機身的穩定性下降,各行的變異系數也增大,但總體能夠滿足國家相關標準的要求。同時,由于田間環境更復雜,受田塊環境的影響,田間試驗的誤差較實驗室試驗大,但整體滿足施肥要求。