玉米液肥播種機的設計

余兵兵,汪 春,,李海亮,于珍珍,李海源,張欣悅

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163000;2.中國熱帶農業科學院 南亞熱帶作物研究所/循環農業研究中心,廣東 湛江 524000)

0 引言

農業生產過程中起到至關重要作用的是播種機械。作物生長的關鍵是播種,播種能夠直接影響到作物生長過程中的各項指標及最后產量。因此,研究出一種高質量、高要求、高效率的播種機械是當代農機發展的迫切需求。 我國是一個肥料使用大國,化肥使用率只有30%～37%,2010年化肥消費量已經達到了4 500萬t多?；什缓侠硎褂貌粌H造成資源的極大浪費,而且對環境污染嚴重。施肥方法主要有3種,即底肥、種肥和追肥。其中,種肥在3種施肥方式中很重要,種肥同播技術可以為種子的發芽及生長發育初期提供營養需求,為后期生長打下基礎。根據肥料與種子相對位置不同,種肥又可分為側深施肥、正深施肥和種肥混施。如何做到合理施肥,提高肥料的利用率,減少環境污染等問題,已成為現代農業生產中急需解決的問題。不正確施肥時,若肥料與作物距離太遠,肥料不能被作物充分吸收利用,造成肥料的浪費;若距離太近,又極易造成燒種燒苗現象。 另外,土壤中沒有被吸收的肥料破壞了土壤生態環境,或者隨雨水被沖刷到河流中,對環境造成污染,這些都是亟待解決的農機農藝問題。

種肥同播技術是將播種和施肥同步進行,可以根據玉米在種子生長過程中對養料的需求直接施肥。生育期內再進行少量追肥。 這種將優質種子與高效肥料、先進的農業機械有機結合的機械化生產方式,實現了省工省時省力、降低生產成本、減少環境污染、提高作物產量和增加農民收入的目標。

為了提高農機化水平,解決目前播種環節存在的播種質量不高等農業生產問題,以及不合理施肥導致環境污染嚴重等問題,需研制出適合本地區農機發展要求和保護土壤環境的新型液肥播種機具。為此,筆者設計出一種能夠適應液肥與種同播、作業時各行能夠單獨仿形保證播種精度及施肥量達到適合作物生長條件的播種機械。

為了適應作物生產過程中的簡單化、機械化的生產需要,國內外許多專家學者開始對播種施肥一體化機械進行研究。美國Siberbush最早開始研究種肥一體化技術,試驗研究表明,播種時將種子與肥料一起施入土壤有利于促進作物的生長,能夠有效促進種子破土而出。后期,Morrs公司對液態施肥機進行研究,研制出一種自動精量施肥裝置,并與GPS系統結合,實現了施肥的自動化、精量化控制。20世紀70年代,Schock首次將玉米播種施肥一體化機械使用液態肥,將自動粉碎裝置改為液態肥儲存裝置,在施肥過程中可以減小農業生產過程中的噪音。其在4英畝的土地上進行玉米播種施肥一體化機械,試驗通過對玉米生長過程中的形態指標(包括株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量)及玉米產量進行記錄,結果表明:液肥播種機可以縮短種子出土時間及促進植株的生長與產量的提高。

20世紀以來,隨著液態肥料的發展逐漸代替了傳統固體肥料的使用,液態肥料由于具有無粉塵、易生產、便于運輸等優點得到了廣泛的使用。大量試驗研究表明:液態肥料可以有效減少對環境的污染及農業生產廢棄物的排放,可以有效地保護生態環境;而且相應的液態施肥機無需將肥料進行破碎,可大大降低液體施肥機的復雜程度,減少噪音污染。液體肥料最早發展于美國地區,美國屬于集約化大規模生產農業發展,所以對肥料的儲存要求及便于運輸和安全性極高。20世紀初,美國蘭辛的一個肥料配料站,首次使用液態氮液肥料進行播種機研制,而后進行大批量生產,美國的液態肥料目前占全國肥料的79%。液態肥料在1950年左右引入我國,最開始是在東北長春地區進行液態氮施肥試驗,取得了良好的效果,但是由于技術條件有限,氮液儲存不穩定,無法進行有效地推廣和發展。

20世紀70年代后期,伴隨我國氮肥技術的快速發展,開始逐步使用液態氮進行施肥,同時在新疆、山東、甘肅、遼寧進行大規模試驗研究。試驗結果表明:使用液態氮施肥可使作物增產5%,同時降低化肥成本8%～10%。

本研究擬設計一種液體肥與種子同播的液肥玉米播種機。由于我國南方地區具有地塊小、配套機械大多為小型機械等特點,選用半懸掛式播種機,作業行數為4行。在進行液肥播種機機械整體設計中,為了避免在工作過程中出現草土混雜、纏草堵塞機器、播種不均勻、漏播、重播率高等問題,達到精量播種、施肥效果好且能夠一次完成松開溝、播種、施肥、覆土、鎮壓等多項農業生產作業的目的,整機主要包括開溝裝置、播種裝置、施肥裝置、鎮壓裝置及機架等。機械設計完成后進行田間試驗,通過機械在播種過程中的各項技術參數來判定是否達到設計要求,主要是通過對播種時的播種效率、作物生長過程中的形態指標、作物產量及作物品質來驗證機具的設計是否合理及對玉米長勢是否有促進作用。

1 設計原理及結構

1.1 總體設計

玉米液肥播種機主要由機架、種箱、開溝器、排種裝置、肥箱、排肥系統、鎮壓輪及傳動系統等組成,如圖 1 所示。其中,開溝器與排種器安裝在機架的前后梁上且在同一水平面上;傳動地輪固定在機架后梁中間,結構緊湊; 4個覆土輪分別設置在排種器后側。 該機采用楔刀型開溝器開溝,可在地表有秸稈殘茬的地上直接進行播種,能一次完成開溝、播種、施肥及覆土鎮壓作業。

1.排種箱 2.施肥箱 3.鏈輪 4.機架 5.施肥管 6.彈簧 7.覆土輪

1.2 設計原理

本研究在傳統的玉米播種施肥機的基礎上對施肥裝置進行改進,設計的玉米液肥播種機在進行播種施肥作業時,施入的肥料屬于液態水溶性肥,替代了傳統玉米播種施肥機的顆粒肥,可以有效提高肥料的利用率,避免造成不合理施肥帶來的環境污染,提高玉米產量。播種時,先由開溝器進行開溝作業,玉米種子從施肥裝置播下,然后由鎮壓輪進行覆土鎮壓,最后由噴肥裝置將液肥噴施播種后的地表完成作業。 本設計主要結構包括動力系統、傳動系統、播種系統及施肥裝置。 動力系統主要由電動機進行動力供給,傳動系統是靠鏈傳動,播種系統主要包括開溝器、排種器。施肥裝置主要包括肥料箱、排肥管及噴肥針。

1.3 技術參數

目前擬選用2BYCF-4四行新型玉米免耕播種機作為此次的試驗設備。

主要技術參數:

外形尺寸/mm: 1 700×2 200×1 200

作業幅寬/mm: 1 600～2 240

作業行數/行: 4

基本行距/mm: 400～600

播種株距/cm: 5～15

配套動力/kW: 16～32

工作效率/km·h-1: 6～8

2 關鍵部件及設計

2.1 排種裝置的設計

排種裝置主要由電機、排種器、排種管及控制器組成,利用排種器內部的排種輪與電動機軸相連接,使用電動機提供動力,取代地輪鏈傳動提供動力的機械式排種器, 通過調控電機轉速來調節播種株距。玉米播種作業時,先由開溝器進行開溝作業,接著玉米種從種箱排下,種子經過排種系統的排種管導入開溝器內,最后落入田地完成播種,覆土輪進行覆土鎮壓,并由施肥裝置進行噴施液肥完成播種作業。排種器示意圖,如圖2所示。

1.隔板 2.導種葉輪 3.殼體 4.排種管

2.2 開溝器的設計

傳統耕作過程中對開溝器要求不是很高,但免耕播種時地表堅實,且有秸稈覆蓋,所以要求開溝器具有良好的破茬入土性能,有鋒利的刃口,能夠有良好的破茬和切斷秸稈的功能。根據以上對開溝器的要求,設計了楔刀型開溝器,由底座和前刀刃組成,滿足了免耕播種時的開溝要求。開溝器的結構示意圖,如圖3所示。

1.底托 2開溝器刀 3.蓋板 4.連接板螺栓孔 5.連接板

2.3 鎮壓輪的設計

鎮壓輪將播種后的碎土壓實,可使播下的籽粒與土壤接觸緊密,大大減少水分的散失,且有利于地下水分的上升,為種子提前發芽提供充足水分。鎮壓輪既起到壓實、保墑、保苗的作用,更能令隨著種子一起施入的液態肥料完全吸收。 鎮壓輪作業的過程需滿足: 種子播入溝底后,再由覆土輪完成覆土,使種子有一定的覆土量,然后進行鎮壓作業,即滿足鎮壓作業對玉米的農藝要求。因此,應保證鎮壓作業滿足玉米農藝要求的最優值25～40kPa,并以此為依據對鎮壓輪結構進行總體設計。鎮壓輪的結構簡圖,如圖4所示。

圖4 鎮壓輪

2.4 施肥裝置的設計

施肥系統主要由施肥箱、施肥管及噴肥針構成。噴肥針是施肥裝置的關鍵執行部件,為了避免噴液自控閥開合頻繁,無法瞬間截止和形成脈動噴施的問題,以防止液肥回滴、阻塞噴孔及保證施肥的有效性,依據液壓傳動相關知識,采用壓力控制閥開閉原理對噴肥針結構進行了設計。

3 田間試驗與結果

3.1 試驗基本條件

供試玉米品種選“新美夏珍”,屬于甜玉米單交種。秋植全生育期74～77天,比穗甜1號遲熟3～5天。植株高224～238cm,穗位高71～92cm,穗長19.4cm,穗粗5.0cm,禿頂長0.8cm,單苞鮮質量313g,千粒質量392～395g,出籽率72.56%～72.79%, 一級果穗率83%～86%。可溶性糖含量18.4%～18.7%,皮厚53.3μm,適口性88.8分。株型較為緊湊,葉色呈濃綠,前中期生長較快,后期保綠度好,整齊度較好,果穗美觀,籽粒呈淡黃色、飽滿、排列整齊,商品性好;高抗紋枯病,中抗小斑病,田間調查高抗莖腐病;抗倒性較強,適應性好。

試驗地選在廣東省湛江市中國熱帶農業科學院南亞熱帶作物研究所循環農業試驗基地,位于中國大陸最南端雷州半島,地處北回歸線以南的低緯地區,屬熱帶和亞熱帶季風氣候,終年受海洋氣候調節,冬無嚴寒,夏無酷暑。施肥管理,整地時每公頃生物質有機肥3 450kg,過磷酸鈣825kg,農用磷酸一銨240kg,尿素465kg,氯化鉀480kg,每周施肥1～2次,芽期和苗期量少一些,其他時間較多。 每次每公頃施肥90kg,施肥時,先將肥料進行溶解,然后隨著管道進入玉米根部。鮮食玉米生長中期噴1～2次含微量元素的葉面肥。

根據查閱相關標準,播種質量衡量指標主要有播種深度合格率、株距合格率、漏播率與重播率,本研究通過對這幾個值的測量,對播種質量進行驗證。

3.2 試驗結果

測試播種精度的方法為播種作業完成后,在耕地選取6行進行測試,每行選取4 m的測試區間,區間內選取5個測點,一共30個測點。測定時,在測量點的上方切開土層,測量上端玉米種子的覆土厚度,種深測量數據如表1所示。

表1 種深測量數據

試驗通過測定玉米生長時期的株高玉米鮮質量、千粒質量及玉米鮮質量來表示玉米生長情況比較分析液態播種施肥機與傳統播種施肥機對玉米長勢的影響差異性,如表2所示。

表2 玉米長勢差異

3.3 分析與討論

由于是在大田進行試驗,受到雨水、氣壓、溫度及濕度等外界條件的影響,所以下一步應計劃采用溫室大棚進行對比試驗。試驗結果表明:免耕播種可提前玉米播種期,節省了耕地作業成本,提高了農民收入,且增加了土壤中的有機質含量及土壤肥力,改善了土壤結構。

4 結論

試驗分析得出,運用液態播種施肥機可以具有以下優點:

1)應用玉米免耕液態播種施肥機可以降低農業生產成本、減少勞動力、增加玉米產量。

2)應用玉米免耕液態播種施肥機可以改善土壤團粒結構、提高土壤肥力。

3)應用玉米免耕液態播種施肥機可以提高地塊蓄水保墑能力、土壤的水、肥、氣、熱可協調供給,干旱時土壤不易裂縫,雨后不易積水、玉米生長快,苗情好。

4)免耕玉米播種表層根量多、主根發達、根系與土體固結能力強,所以抗倒伏性強。

雖然該玉米免耕液肥播種機能改善土壤結構,提高玉米產量,但在播種設備上仍有缺點,如要求大小均勻的玉米種子才能避免播種時重播漏播,今后應在播種系統中進行優化。