玉米智能施肥中耕機(jī)設(shè)計與試驗

王 飛，李建東，楊 薇，石紹濱，郝 超

(1.中機(jī)美諾科技股份有限公司，北京 100083；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

0 引言

中耕除草是我國農(nóng)業(yè)精耕細(xì)作的重要環(huán)節(jié)之一。中耕作業(yè)的主要作用是鏟除雜草、疏松土壤、保墑抗旱、提高地溫和改善土壤營養(yǎng)環(huán)境等[1-5]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，通過中耕機(jī)進(jìn)行機(jī)械除草、施肥，相比人工中耕施肥，作物可增產(chǎn)20%左右[6]。

國內(nèi)的馬鈴薯中耕機(jī)技術(shù)比較成熟，主要是以適應(yīng)馬鈴薯中耕農(nóng)藝需求為主要設(shè)計初衷，現(xiàn)有的玉米中耕機(jī)是在馬鈴薯中耕機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上演變而來，以開溝鏟結(jié)構(gòu)為主，在玉米種植模式的適應(yīng)性上有所欠缺。目前施肥中耕機(jī)在施肥量的調(diào)整方面大多是通過更換傳動輪方式實現(xiàn)，調(diào)節(jié)肥量的便利性有待提高。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，現(xiàn)有機(jī)械驅(qū)動施肥機(jī)型還存在施肥量不能按照用戶的具體要求實施等影響中耕施肥效果的問題[6]。

在充分調(diào)研國內(nèi)玉米的種植模式及中耕農(nóng)藝要求的情況下，設(shè)計一款具備智能控制施肥量功能的玉米施肥中耕機(jī)。該機(jī)的施肥量智能控制技術(shù)是基于全球定位系統(tǒng)(GPS)、北斗定位系統(tǒng)(BDS)的雙星變量施肥，控制精度高。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

智能施肥中耕機(jī)主要由懸掛焊接機(jī)架、大容量肥箱、電驅(qū)動肥盒、無級可調(diào)限深輪、仿形機(jī)構(gòu)、彈性彈齒鏟柄和矛式松土鏟等部件組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)與拖拉機(jī)的掛接方式為3點懸掛，可與40.43～51.45 kW(55～70 hp)的拖拉機(jī)配套使用，可一次完成玉米小區(qū)行間中耕松土、除草、變量施肥等中耕作業(yè)。要求拖拉機(jī)的輪距可調(diào)范圍為120～130 cm，防止中耕作業(yè)時拖拉機(jī)輪胎破壞玉米幼苗。

1.開溝松土總成 2.施肥總成 3.機(jī)架總成圖1 智能施肥中耕機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of intelligent fertilizing cultivator

中耕施肥作業(yè)前，將中耕機(jī)與拖拉機(jī)掛接，調(diào)整好拖拉機(jī)輪距與中耕機(jī)的松土總成行距，通過施肥控制器的肥量調(diào)整上下按鍵調(diào)整施肥量，機(jī)手駕駛拖拉機(jī)控制輪胎在玉米行間前進(jìn)，智能施肥控制系統(tǒng)的程序自動根據(jù)拖拉機(jī)的行駛速度控制電動肥盒的轉(zhuǎn)速[7]。采用電驅(qū)動肥盒的變量施肥方式，拖拉機(jī)行駛速度快，電動肥盒轉(zhuǎn)速就高，拖拉機(jī)行駛速度慢，電動肥盒轉(zhuǎn)速就低，零延遲，可完全取代地輪鏈傳動，實現(xiàn)中耕作業(yè)的精確定量施肥。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 智能施肥總成

變量施肥部件主要由槽輪肥盒、低速高扭電機(jī)、耐腐蝕肥箱、傳動軸和施肥控制器等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時，施肥控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)動通過傳動軸帶動肥盒轉(zhuǎn)動，將肥箱的肥料通過槽輪排到肥溝里?？紤]到中耕施肥的施肥量小于常規(guī)播種施肥的實際情況，肥盒驅(qū)動電機(jī)采用低速電機(jī)。

1.肥盒電機(jī) 2.傳動轉(zhuǎn)軸 3.肥料盒圖2 施肥部件結(jié)構(gòu)Fig.2 Fertilizer component structure

中耕施肥作業(yè)前，在施肥控制器上調(diào)整施肥量到用戶要求的單位面積施肥量，控制系統(tǒng)根據(jù)控制器內(nèi)置的GPS、BDS信號實時計算機(jī)器行駛速度v，并根據(jù)行駛速度v實時調(diào)整肥盒電機(jī)的排肥轉(zhuǎn)速n。n與v的邏輯關(guān)系如式(1)所示。當(dāng)v2>v1時，控制系統(tǒng)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速n1加快到n2；當(dāng)v2

(1)

式中n——肥盒電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

Q——施肥量，kg/hm2

s——行距，m

v——拖拉機(jī)行駛速度，km/h

q——槽輪肥盒每轉(zhuǎn)排肥量，g/r

為減少拖拉機(jī)在作業(yè)邊界掉頭造成的肥料排出浪費，控制系統(tǒng)設(shè)計了一個外置限位開關(guān)，安裝在拖拉機(jī)的懸掛下拉桿上。作業(yè)到地塊邊界時，升起中耕機(jī)，下拉桿觸碰限位開關(guān)，控制系統(tǒng)自動斷電，機(jī)器往前行走，肥盒電機(jī)不轉(zhuǎn)；調(diào)頭將機(jī)器調(diào)到下一回程作業(yè)行時，落下中耕機(jī)，下拉桿釋放限位開關(guān)，控制系統(tǒng)自動上電工作，當(dāng)機(jī)器往前行走時，肥盒電機(jī)按之前設(shè)置好的排肥量工作，轉(zhuǎn)速隨行駛速度變化。變量施肥控制流程如圖3所示。

圖3 變量施肥控制流程Fig.3 Control of variable fertilization

2.2 中耕松土部件

中耕松土部件主要包括仿形機(jī)架、無級可調(diào)限深輪、柔性松土彈齒鏟柄和幼苗護(hù)板等，如圖4所示。

1.松土彈齒鏟柄 2.幼苗護(hù)板 3.仿形機(jī)架 4.限深輪圖4 中耕松土部件Fig.4 Intertilled loose soil parts

中耕松土部件可滿足不同行距、不同耕深等田間農(nóng)藝要求。松土彈齒鏟柄的左右間距無級可調(diào)，可根據(jù)玉米種植行距及雜草情況調(diào)整使用。中耕松土深度可根據(jù)雜草深度、土壤軟硬情況通過深度無級可調(diào)手柄調(diào)整限深輪相對于機(jī)架的位置實現(xiàn)。

苗期中耕作業(yè)中鏟起的土塊飛起容易傷到幼苗，為保護(hù)幼苗不被土塊傷到，中耕松土部件兩側(cè)設(shè)有護(hù)苗擋板，擋板機(jī)構(gòu)具有仿形結(jié)構(gòu)，可避讓障礙物，減少因機(jī)器傷苗造成的減產(chǎn)損失[8]。松土彈齒鏟柄左右對稱安裝在仿形機(jī)架上，保證在中耕作業(yè)時，中耕松土部件受力平衡，保證5個彈齒的松土深度一致性。為防止中耕機(jī)的松土部件碰到石頭等情況時瞬間過載損壞，松土鏟柄采用了具備撓性安全防過載的彈性鏟柄，這種結(jié)構(gòu)自身的彈性特點，在工作時可產(chǎn)生一定的脈沖振動，能使土壤松土效果更好。

3 性能試驗

參考NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評價體系》和DB21T 1519—2007《中耕施肥機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，性能試驗重點驗證該機(jī)在變量施肥方面是否能按照用戶要求實現(xiàn)定量施肥。

將中耕機(jī)的施肥量調(diào)至規(guī)定的肥量，重復(fù)測定5次，按式(2)～(4)計算排肥量穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)差S和變異系數(shù)V[9-10]。試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 施肥穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Fertilization stability test data

(2)

(3)

(4)

式中X——每次施肥量，kg

S——標(biāo)準(zhǔn)差，kg

n——測定次數(shù)

V——變異系數(shù)，%

4 結(jié)論

針對玉米苗期中耕施肥的定量施肥要求，設(shè)計了一種基于GPS、BDS雙定位系統(tǒng)的玉米智能控制施肥中耕機(jī)，可實現(xiàn)以下功能。

(1)松土鏟間距無級可調(diào)，可滿足不同行距、不同土壤情況小區(qū)地塊松土、除草作業(yè)。

(2)基于北斗定位系統(tǒng)施肥量智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)肥盒電機(jī)轉(zhuǎn)速隨行車速度自隨動的定量施肥功能。

性能試驗結(jié)果表明，施肥中耕機(jī)在施肥穩(wěn)定性方面滿足變異系數(shù)≤6%的要求。通過參數(shù)可分析出，該機(jī)可滿足用戶精量施肥的要求。該機(jī)還需要大面積、長時間的中耕施肥作業(yè)試驗，以驗證機(jī)器在施肥量智能控制、耐疲勞強度方面的可靠性及適應(yīng)性。