玉米變量穴施肥試驗臺的設計與試驗

王紫玉,梁春英,王洪超,王振民,黃麗萍

(黑龍江八一農墾大學 電氣與信息學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

玉米是我國重要的糧食作物,播種面積僅次于稻、麥,居第3位[1]。其中,東北是我國重要的商品糧生產基地,玉米播種面積占全國玉米總播種面積的26.3%左右[2]。20世紀末,隨著玉米工業屬性的拓展,以玉米為原料的燃料乙醇產業迅速發展,市場對玉米的需求量不斷增加。為此,借鑒其它發達國家化肥施用經驗,科學提高施肥水平、降低平均施用量、提高玉米單位面積產量,已成為降低農業能源消耗、減少化肥施用浪費、改善化肥供求、滿足世界糧食需要和保護土壤與生態環境等的重要選擇,也是實現我國農業可持續發展的重要途徑[3]。

目前,玉米種植大多采用條耕、條施的方式,條耕屬于保護性耕作的一種,只對苗帶進行耕作,最大限度地減少了對土壤的影響。條耕能提供出一個更加溫暖、疏松的苗床,且能夠將肥料深施在耕作區的土壤中,以提高其料利用率[4]。近年來,精密播種技術發展迅速,許多作物實現了穴播[5]。對于穴播的作物,如果繼續采用條施的方式,肥料與種子位置不一一對應,種子穴之間的肥料很難被吸收,造成大部分肥料被浪費,且未被吸收的肥料會破壞土壤生態環境,造成農業污染[6]。

在了解國內當前的玉米生產施肥基上,設計了一種基于機具行駛速度變化的玉米變量穴施肥的試驗臺,實現化肥利用率高的穴施肥,為以后玉米穴施肥裝置的控制系統和機構設計提供相關的理論支持和參考。

1 玉米穴施肥概念

玉米穴施肥技術通常與穴播技術相配合使用。穴播是指根據農藝要求將玉米成穴播入土壤中,確保一定的行距和穴距。玉米穴施肥技術是將化肥呈穴狀施入扎穴后的土壤中,化肥位置在種子的側下方或正下方,之間有一定的距離[7]。穴播穴施肥效果如圖1所示。

1．種子 2．成穴肥料圖1 種子肥料位置分布圖Fig.1 Distribution of fertilizer and seed

2 整體結構和工作原理

2.1 整體結構

玉米變量穴施肥試驗臺主要由傳送帶平臺、箱體、玉米穴播穴施裝置、控制系統及光電檢測裝置組成,如圖2所示。

1.擋片結構 2.擋片步進電機 3.排肥器與排肥步進電機 4.肥箱與種箱 5.排種器與排種直流電機 6.光電檢測裝置 7.傳送帶平臺圖2 玉米變量穴施肥試驗臺Fig.2 Corn variable hole fertilizer test bed

2.2 工作原理

在肥箱與種箱內分別裝滿肥料和種子,電源開啟后,傳送帶勻速運動以模擬機車與田地的相對運動,電機控制排種器運轉把玉米種子排至傳送帶平面上;在排種管口安裝的光電傳感器探頭檢測到種子將信號傳送至單片機,控制排肥電機通過所需排肥量轉動相應角度排落到傳送帶上;同時,控制排肥管口擋片旋轉事先設定好的角度,使排肥口與擋片上的圓型缺口重合,將肥料排出,達到成穴效果,完成穴施肥,即肥料落在勻速移動的傳送帶上呈一堆一堆的狀態。其中,通過控制排肥器轉速來對施肥量進行控制。在試驗臺下方由交流減速電機配套的調速器提供動力,通過相對運動來模擬田間作業的車速環境。

3 參數及主要模塊

3.1 試驗臺的主要技術參數

試驗臺的主要技術參數如表1所示。

表1 試驗臺主要技術參數Table 1 Main technical parameters of test bed

3.2 主要模塊

3.2.1 施肥機構

施肥機構是整個裝置的核心部分。目前,外槽輪排肥器應用比較廣泛,具有結構簡單、流動性好和施肥均勻的優點,所以將其作為試驗臺的排肥裝置。市場上更為常見的是鑄塑型外槽輪排肥器,殼體以塑料制作,可以改善肥料對排肥器壁上的粘著與腐蝕,配合相應電機及控制系統可以滿足實際試驗的要求[8]。

3.2.2 傳送帶平臺

試驗臺平臺框架采用2020型鋁合金型材搭建,傳送帶平臺長2.5m、寬0.4m。傳送帶平臺的動力來源于61K200RGU-CF型號的交流齒輪減速電機,調速功能由與交流齒輪減速電機配套使用的US-52調速器實現。此電機轉速范圍為90～1 400r/min,功率為200W,傳送帶速度范圍是0～2.2km/h。

3.2.3 控制系統

試驗臺控制系統是整個試驗臺的重要組成部分,決定了試驗臺驗效果。其主要由數據采集模塊、單片機控制模塊、人機接口模塊和執行機構模塊組成,如圖3所示。它通過改變電機轉速來控制排肥器來進行精準排肥。單片機選用的是較為常用的STC15F2K60S2,其編程簡單、系統穩定、成本較低,傳承于經典的8051單片機,單時鐘機器周期,內部集成高精準R/C時鐘及高可靠復位電路[9]。

圖3 控制系統硬件框圖Fig.3 Hardware components of control system

圖4 控制系統實物圖Fig.4 Control system physical map

4 穴施肥性能試驗

4.1 試驗條件

1)試驗依據:NY/T1003-2006《中華人民共和國農業行業標準-施肥機械質量評價技術規范》。

2)試驗肥料:含硫加鉀控緩釋尿素。

3)試驗時間:2018年9月10日。

4)試驗地點:黑龍江八一農墾大學電氣與信息學院204實驗室。

5)試驗設備:精度為0.01g的電子秤及卷尺。

4.2 試驗方案

打開電源,通過穴施肥控制器設定需求排肥量與玉米排種器的轉速等參數,點擊“開啟”按鈕開啟試驗臺工作。通過設定排肥器的不同開度,測定其每次施肥量,計算玉米變量穴施肥試驗臺的施肥變異性系數并繪制殘差圖,用來判斷每次穴施肥量是否在目標施肥量的誤差范圍內及是否達到國家標準。同時,測量穴距、種肥距離,根據相關農藝要求檢測試驗臺的性能能否達到要求。

穴施肥變異系數計算公式為

(1)

(2)

(3)

其中,xi為每穴施肥量(g);x為每穴施肥量的均值(g);S為總排肥量的穩定性的標準差;V為總施肥量穩定性的變異系數(%);n為測定次數。

4.3 試驗方法

將試驗臺電源接通,在控制系統上設定目標施肥量與排肥排種電機轉速。由于穴施肥需要間隔施肥并且每穴施肥量較小,所以在排肥過程中排肥電機是間斷啟動停止的。也就是說,轉速對排肥量的影響不大,僅在排肥速度效果上有較小差異,即轉速越快每次排肥時間越短。經測試,所選的步進電機在轉速為40r/min時排肥較為穩定,故將轉速設為40r/min,改變不同開度進行測量。測量方法為在穴施肥裝置下方放置一個器皿,用于盛裝每次施出的肥料。試驗結果在手動情況下測得,通過電子秤測量得到每次施肥量的質量,對數據進行分析,得出穴施肥最適宜開度,再設定為此開度進行下一步的穴距、種肥距離測量分析?，F場試驗圖如圖5所示。

圖5 現場試驗圖Fig.5 Test chart

4.3.1 確定最優開度

設定轉速為40r/min、目標排肥量為5g/穴,分別調整開度為5、10、15、20、25、30mm進行試驗。試驗容器分為6個,分別標號1～6號,依次的質量分別為3.99、4.06、4.00、3.98、3.98、4.05g,將測得的每次穴施肥量減去相應容器的質量為每次凈穴施肥量。試驗結果如表2所示,殘差散點圖如圖6所示。

表2 試驗臺在不同開度下穴施肥量Table 2 Amount of hole fertilization at the different opening degrees of test bed

圖6 不同開度下的穴施肥殘差散點圖Fig.6 Residual scatter plot of hole fertilization at the different opening degrees

通過計算可知:在不同開度下的殘差平均值分別為1.287、0.348、1.107、0.647、0.832、0.853,即開度在10mm時殘差平均值最小。由圖6可以看出:在開度為10mm時,殘差較小且走勢較為平穩,結合殘差均值可得出開度為10mm時進行穴施肥最為精準穩定。同時,根據公式(3)計算得出該試驗臺總變異性系數為4.39%,開度為10mm時變異性系數為0.28%,均符合國家標準≤7.8%的要求。

4.3.2 穴距與種肥距離測量

將排肥器開度設為10mm進行進一步的排肥試驗。查閱相關書籍文獻可知,玉米種植穴距要求為15～40cm,種肥距離為3～5cm[10-11]。設定目標穴距為30cm,啟動穴施肥裝置與傳送帶平臺。由于傳送帶平臺長度有限,設為6次連續穴施肥為1組,完成1組后即停止設備進行測量,測量點為每穴肥量與種子的中心為端點,測量結果如表3、表4所示。

表3 穴距測量結果Table 3 Hole distance measurement results

表4 種肥距離測量結果Table 4 Seed and fertilizer distance measurement results

試驗測量結果表明:實際穴距均滿足農藝要求范圍的15～40cm,與目標值的方差范圍為0.804～3.260;實際種肥距離基本滿足農藝要求范圍的3～5cm。

5 結論

1)設計了一臺符合國家農業機械施肥標準與相關農藝要求的玉米變量穴施肥試驗臺,可以通過配套控制系統模擬機車在不同行駛速度下進行同步穴施肥。

2) 通過改變外槽輪開度進行試驗表明:在開度為10mm時,排肥最為精準穩定,且排肥變異性系數、穴距與種肥距離符合國家相關標準。

3) 試驗結果表明:研制的玉米穴施肥試驗臺性能可靠,操作方便,滿足設計要求,可以為以后的玉米穴施肥裝置的設計和研發提供相關的理論支持。