基于新能源技術的夏玉米穴施肥作業電控設計與試驗*

古冬冬，關陽，張征，楊杰，趙俊強，范素香

(華北水利水電大學機械學院，鄭州市，450046)

0 引言

近年來，我國形成了功能較為完善的中耕追肥機械系列，根據肥料的形態可分為固態肥料追肥機和液態肥料追肥機[1]。最初大多為小型機械，使用人力驅動，效率比較低，存在追肥過程中傷根傷苗情況[2]。也有利用新能源電力技術驅動完成施肥的小型施肥機，如陳黎卿等[3]設計的電動施肥機，該機構由電池、傳動系統、控制系統、開溝等裝置組成工作時，玉米施肥機可以同時對田間的兩行玉米追肥，且追肥行距范圍可調。后期科研人員研制出松土、追肥和除草等功能集成的一體機，大大提高了效率。鄭媛媛[4]融合農機農藝的要求，研發了一款純電動玉米中耕追肥機，采用電力驅動，做到零污染，降噪處理，利用調速手柄控制追肥量。趙超凡[5]設計了液態追肥和除草于一體的機械裝置，該裝置可以完成開溝、追肥、除草、覆土一系列作業，也可以調節施肥位置，除草機構是由電動控制調節除草深度以及速度。

黃淮海地區地勢平坦，土層深厚，光熱水土資源匹配較好，一年兩熟復種指數高，有利于機械化生產的發展[6]。但目前我國的化肥單位面積施用量偏高、施肥結構不平衡且利用率不高，人工撒施、表施占主導地位，機械施肥率不高[7-8]。玉米的田間機械化管理技術還存在技術難題，沒有實現全程機械化[9]。總之，黃淮海地區穴施肥機械主要存在以下問題：一是傳統的施肥機械缺少行之有效的電控系統，控制界面復雜，不宜操縱，人機交互界面較少；二是地面的高低不平影響施肥效果；三是針對智能識別植株研究不足。針對現存玉米中耕問題，根據河南玉米的施肥現狀及玉米施肥機械的發展情況[10]，在農機農藝融合的背景下，研究夏玉米中耕施肥的機械化技術，設計一種基于新能源(純電動)技術的精準定穴施肥試驗機械。

1 中耕施肥試驗作業車總體結構

作業車能源動力供應采用純電動新能源技術，采用4塊100 Ah的大電瓶串聯起來給作業車驅動電路和控制電路供電，機構設計依據農藝作業要求，整機結構主要由電池及整車控制電箱，整機支撐架，行走電機，施肥單體提升機構和水平滑移機構，肥箱及施肥單體，玉米植株識別系統，前輪和把手等轉向機構等組成，如圖1所示。分為7個部分，分別是整體機架結構部分、驅動行走及轉向機構部分、電池及電控箱機構部分、施肥單體提升及自適應橫向平移機構部分、扎穴施肥單體機構部分、玉米植株識別機構部分和施肥穴與植株距離識別機構部分。

作業車的整體機架采用40 mm×40 mm的鋼管切割焊接而成，強度可以滿足作業要求[11]。作業車的7個部分組成了一個有機聯合體，驅動完成作業車行走，識別玉米植株并扎穴施肥和自適應地面、植株距離調整施肥位置等功能，施肥機的主要設計參數如表1所示。

圖1 玉米高地隙穴施肥機構Fig. 1 Corn hole fertilization mechanism of high-clearance1.玉米植株識別系統 2.肥箱及施肥單體 3.施肥單體提升機構和水平滑移機構 4.轉向機構 5.行走電機 6.機架 7.電池及整車控制電箱

表1 施肥機主要結構參數Tab. 1 Main structure parameters of fertilizer applicator

2 控制系統組成

電控系統介紹包括整車行走驅動控制電路、施肥架升降電路、施肥單體平移電路、扎穴電路設計和玉米植株探測識別電路等部分。電控制系統流程圖如圖2所示。

所有的動力源都是源自電池組模塊，超威6-EVF-100A電動道路車輛用鉛酸蓄電池。電控設計系統中的3組功能區因功率大小要求不同，分別采用的電壓為48 V、220 V和24 V，以此滿足各自工作的需要。箱子表面按鈕分成了3個控制區，分別為推桿升降和水平橫移控制區、扎穴施肥及排肥槽伸縮動作控制區和整車驅動行走控制區。

圖2 電控制系統流程圖Fig. 2 Flow chart of electric control system

2.1 控制系統設計

2.1.1 扎穴施肥機構

電控系統組成中驅動電機系統由電池組、兩個步進電機、開關電源連接、步進驅動器等組成[12]。步進電機、控制器和驅動器電路關系設計圖如圖3所示。步進電機控制器是整個行走控制中關鍵的一環，控制器能夠發出均勻脈沖信號，并送給步進電機驅動器，驅動器再將脈沖信號轉換成強電流信號，從而運轉步進電機。步進電機控制器可以精確控制步進電機運轉過程中轉過的每個角度。

圖3 步進電機電路設計圖Fig. 3 Electric drawing of stepping motor

作業車的行走采用兩個步進電機驅動兩輪，主要通過電控設計中的旋轉開關實現電機的轉速調整，從而驅動作業車行走。主要工作原理為：首先，按下總開關保持急停按鈕為張開狀態；其次，旋轉電箱上控制作業車行走的對應旋鈕“前進—停止—后退”；最后，旋轉調速開關調整速度大小，電控按鈕通過鏈傳動。其中通斷按鈕采用帶有指示燈的自復位按鈕[13]；行走模式選擇檔位開關，分別為前進，停止和后退三個檔位；速度選擇可調電位器，通過調電阻來完成調節轉速。供電回路設計電路如圖4所示，其中字母L、N表示火線、零線，字母SB代表按鈕開關，字母KM表示接觸器，字母JT表示急停旋鈕。

圖4 供電回路設計Fig. 4 Design of power supply circuit

2.1.2 施肥機構升降和橫移控制系統

玉米施肥機構包括施肥架及施肥單體[14]。施肥架在整個作業車的中部，可以實現上下升降功能。施肥單體連接在施肥架上，可以實現水平橫移功能。在電控系統設計中，首先需要將電池組的電壓逆變成交流電220 V，再轉換成直流電并實現穩壓輸出，然后串聯24 V的開關電源，實現濾波穩壓作用。玉米施肥架升降系統主要依靠兩個升降電推桿實現。

升降推桿的電路設計圖如圖5所示，其中字母SB13和SB23表示自復位式按鈕開關，按鈕開關帶有指示燈，字母M表示推桿電機，字母KA13和KA23表示電磁繼電器，5和9、8和12表示繼電器的觸點。升降推桿電控設計的工作原理為通過手動按鈕控制左右兩個推桿單獨的升降，便于一側升降產生卡死現象時，調整另一側來平衡施肥架的傾斜位置。

圖5 升降推桿按鈕與電路設計圖Fig. 5 Circuit design of lifting push rod

穴施肥單體的水平橫移功能在結構設計上是依靠在作業車頂部的兩個固定推桿來實現的。實際作業時，在玉米行間行走過程中，后輪支撐架兩側分別安裝有探針式行程開關，共4個探針，用于探測后輪架與左右玉米行的距離。實際工作中，如果某側距離過小，說明車輪距離該側玉米植株過近，會觸發行程開關的探針，導通該側的行程開關，形成通路，驅動電推桿橫移施肥單體，直至最佳的玉米行間位置。

水平橫移推桿電控設計的工作原理為通過手動或自動單獨調節一側推桿的伸縮功能，即施肥單體的水平橫移功能，停留在合適的玉米行間。電路設計圖如圖6所示，該圖為單側推桿控制電路，分為手動按鈕左右橫移控制和探針檢測自動橫移控制兩種方式，其中電表箱上有四個按鈕開關，分別控制施肥架上左右推桿的橫向移動。電路圖中字母SB11和SB21表示自復位式按鈕開關，SQ11和SQ21表示探針式行程開關，字母KA1和KA2表示電磁繼電器。由電磁繼電器控制兩個電路是互鎖關系，即由電磁線圈控制常開觸點5和9，8和12，當繼電器KA1線圈通電時，常開觸點閉合，實現通路，推桿電機開始工作，此時繼電器KA2觸點處于常開狀態，不導通。觸點電源極性的連接也是相反的，保證了推桿電機的正反轉功能。如果兩個探針都不小心觸碰到，則會出現推桿電機短路的情況，推桿不工作，實現了安全互鎖的功能。

圖6 單側橫移推桿電路設計圖Fig. 6 Circuit design of rod

2.1.3 玉米植株識別及施肥控制系統

玉米植株識別系統主要由玉米植株識別傳感器、推拉式電磁鐵和槽輪開度控制推桿3個關鍵部分組成。在電控系統設計中，需要將電池組的電壓逆變成交流電220 V，給電磁鐵供電，同時再轉換成直流電，串聯24 V的開關電源并實現濾波穩壓輸出，給傳感器和電推桿供電。玉米植株識別傳感器主要作用是識別玉米植株的秸稈，當玉米植株識別傳感器在行進過程中接觸到玉米植株秸稈，傳感器的探針會擺動，將物理觸碰信號轉化為電信號，傳送給推拉式電磁鐵。采用的同樣是自復位行程開關(或限位開關)，型號為CHNT YBLX-ME/8107。

推拉式電磁鐵負責推動施肥單體機構，實現動力輸出，是執行機構核心部件。當施肥架調整到合適的離地位置，玉米植株識別傳感器探測到植株，觸碰信號轉化為電信號，傳遞給電磁鐵控制器，實現向下運動，再配合施肥單體的機械結構，實現鴨嘴式扎穴器將肥料扎進距離玉米秸稈根部合適的位置，完成施肥作業。本設計推拉式電磁鐵專業定制行程為80 mm長行程，推拉力可達245 N。整個電磁鐵手動及自動控制電路示意圖如圖7所示，字母SQ代表探針式行程開關，字母SB12表示按鈕式開關，分別可以導通電磁鐵前端的蓄能器，隨后導通電磁鐵實現扎穴運動。

圖7 手動及自動控制電磁鐵電路示意圖Fig. 7 Schematic diagram of manual and automatic control electromagnet circuit

肥料的進出依靠槽輪來實現，槽輪為特質的3D打印件，由兩個可以伸縮的組合件組成，其伸縮部件表面上刻有進深的刻度，在微型電推桿的作用下可以實現肥料槽長度的變化，達到控制肥料的施入量。

槽輪推桿的電路設計圖如圖8所示，其中字母SB14和SB24表示自復位式按鈕開關，字母M表示推桿電機，字母KA14和KA24表示電磁繼電器。本設計所選型號為TGJC1-52Z，直流額定電壓為28 V，最大電流為5 A。同樣，由電磁繼電器控制兩個電路是互鎖關系，即由電磁線圈控制常開觸點5和9，8和12，當繼電器KA13線圈通電時，常開觸點閉合，實現通路，推桿電機開始工作，此時繼電器KA23觸點處于常開狀態，不導通。觸點電源極性的連接也是相反的，保證了推桿電機的正反轉功能。槽輪推桿電控設計均為手動控制，前期需要標定推桿的伸縮長度和排肥量的大小關系。

圖8 槽輪開度控制按鈕和電路圖Fig. 8 Control circuit diagram of Geneva

3 電控施肥系統試驗

3.1 試驗設計

試驗參考《施肥機械試驗方法第2部分：行間施肥機》，選擇施肥距離、扎穴深度為施肥性能指標[15]。使用試驗設備包括：玉米作業施肥車、栽植好的玉米模型植株套裝(種植玉米植株模型時將土壓實，硬度參考當地莊稼地土地硬度)、肥料收集器、尿素、鋼尺、鐵鏟和秒表。試驗采用玉米植株模型，將玉米植株栽植在鐵箱中，模仿真實農田[16]。玉米植株模型尺寸為1.2 m，玉米植株模型擺放為兩行，每行9株玉米植株(分別記為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ…)，共計18株，株距擺放為25 cm，行距設為60 cm。設定行進速度分別為0.252 km/h、2 km/h、4 km/h，在每個行進速度下進行探針伸出長度分別為10 cm、13 cm的定穴施肥試驗，記錄每株玉米植株的施肥結果。其中作業車行走速度的測定由測速儀測得；扎穴間隔時間為施肥單體下降扎穴到再次下降扎穴時間間隔，用秒表進行測定；扎穴深度、施肥距離以尺子實際測量為準。

3.2 試驗結果與分析

根據試驗數據，計算追肥距離及扎穴深度合格率，計算方法如式(1)所示[17-18]。

(1)

式中：η1——追肥距離合格率，%；

SH——追肥距離合格的點數；

SP——總的取樣點數。

同樣地，扎穴深度H合格率為合格穴孔數與總測試穴孔數的比值，計算方法見式(2)所示。

(2)

式中：η2——扎穴深度合格率，%；

HH——扎穴深度合格的點數；

HP——總的取樣點數。

為了試驗數據的可靠性，需在相同行走速度和探針長度重復5次扎穴施肥。試驗數據見表2～表4所示。

利用Origin對試驗數據結果進行分析，其中橫坐標L1*V1(H)表示當探針長度為L1，作業車速度為V1時得到的組合數據，縱坐標是施肥距離以及扎穴深度。得到不同組合下同時滿足施肥距離和扎穴深度的散點分布圖，如圖9所示。分析可知，不同探針長度、作業車速度不同時，扎穴深度、施肥距離發生相應變化。其中當探針伸出長度為10 cm，行駛速度為4 km/h時,行駛速度適中，扎穴施肥穩定，追肥距離及扎穴深度合格率最高，滿足國家標準《施肥機械試驗方法第2部分：行間施肥機》[13]，玉米在該生長期時，中耕追肥施肥距離為100～150 mm、扎穴深度為80～100 mm的技術要求。

表2 作業車速度為0.252 km/h，探針長度分別為10 cm和13 cm時的排肥試驗數據Tab. 2 Exhaust fertilizer test data when vehicle speed is 0.252 km/h and probe length is 10 cm and 13 cm respectively

表3 作業車速度為2 km/h，探針長度分別為10 cm和13 cm時的排肥試驗數據Tab. 3 Exhaust fertilizer test data when vehicle speed is 2 km/h and probe length is 10 cm and 13 cm respectively

表4 作業車速度為4 km/h，探針長度分別為10 cm和13 cm時的排肥試驗數據Tab. 4 Exhaust fertilizer test data when vehicle speed is 4 km/h and probe length is 10 cm and 13 cm respectively

(a) 扎穴深度散點分布圖 (b) 施肥距離散點圖圖9 試驗結果分析Fig. 9 Test result analysis

4 結論

本文基于新能源技術設計了精準定穴施肥試驗機構，并進行了試驗驗證，主要有以下結論。

1) 為解決我國玉米化肥單位面積施用量偏高、施肥結構不平衡且利用率低等問題，根據黃淮海玉米真實生長情況調研，結合農藝要求，設計了一種基于新能源技術的精準定穴施肥試驗機械，可以在600 mm等行距的玉米田間實現兩行的精準定穴施肥，電控系統運行穩定，施肥作業性能良好。

2) 基于新能源技術的精準定穴施肥試驗機械電控系統包括整車行走驅動控制電路、施肥架升降電路、施肥單體平移電路、扎穴電路設計和玉米植株探測識別電路等部分。搭載了超威6-EVF-100A車輛用鉛酸蓄電池的玉米施肥作業車，根據功能分成48 V、220 V、和24 V三組電壓驅動，三部分有機結合，能實現作業車在玉米行間行走時，識別玉米植株和完成精準定量扎穴施肥的功能。

3) 排肥試驗表明，在種植玉米行距為600 mm的情況下，基于新能源技術的夏玉米穴施肥作業車探針伸出長度為10 cm，行駛速度為4 km/h時，追肥距離和扎穴深度合格率最高，滿足中耕追肥施肥距離為100～150 mm、扎穴深度為80～100 mm的技術要求。