黃法偉 ，張 浩 ，劉俊兵 ，王鑫淼 ，董曉威

（黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶 163319）

0 引言

近二十年來，在我國每年的糧食總產量中，水稻的產量一直在總產量中占比31%以上[1]，而化肥對保證水稻的高產與穩(wěn)產的作用占比高達50%[2-3]，但施肥方式一直以表面撒施、條施技術為主，因此存在著化肥用量高、利用率低的問題，對生態(tài)、農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展造成了阻礙[4]。

穴施肥技術適用于穴播作物，能夠合理地減少化肥用量。萬玲等研制了滾輪式穴施肥裝置，通過液壓系統(tǒng)提供動力完成扎穴入土工作，實現(xiàn)了排肥器同步機具速度進行施肥，施肥深度可由液壓裝置調節(jié)[5]。張俊雄等研制了正位穴施肥裝置，使用單片機控制擋肥板的開合，間斷地將化肥施入土壤中，并通過排種、排肥的延時時間間隔保證了施肥位置的準確性[6]。劉正道等研制了腔盤式精量穴施肥裝置，通過調節(jié)定子與轉子所形成的肥腔大小調節(jié)施肥量，并確定了排肥性能最優(yōu)的肥腔形狀，并結合氣吹式輔助排肥提高了排肥穩(wěn)定性[7]。李沐桐等研制了機械式自動穴施肥裝置，以可恢復式微力放大裝置為核心部件，同時采用螺旋絞龍施肥部件完成穴式施肥[8]。課題組通過傳感器、步進電機及其驅動器控制螺旋絞龍排肥器的啟停、轉速、轉角實現(xiàn)穴式施肥，通過可編程邏輯控制器PLC設置延時模塊來調控插秧與施肥兩種運動的耦合關系，以達到最高的苗-肥縱向距離合格率。

1 水稻穴施肥概念

水稻穴施肥技術即為施肥質量評價標準中定義的不等距間隔施肥方式，將化肥呈穴狀施入作物種子或植株播行中心線靠近種子或植株一側的位置。結合目前水稻側深施肥前沿技術，具體的農藝要求為將化肥呈穴式施到距離水稻秧苗根系一側3 cm～5 cm、深3 cm～5 cm范圍內的施肥技術[9]。穴施肥效果如圖1所示。

圖1 穴施肥效果示意圖（單位：mm）

2 裝置整體結構與工作原理

2.1 整體結構

裝置主要由控制箱、插秧機構、施肥機構、行走系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)組成，如圖2所示。其中，控制系統(tǒng)主要由PLC、步進電機驅動器、繼電器等組成，由外部電源供電工作，并通過觸摸屏對裝置的相關工作參數(shù)進行設置與調整，進而實現(xiàn)對裝置排肥與插秧動作的運行控制；施肥機構由肥箱、螺旋絞龍、護肥管等組成，由步進電機通過鏈傳動的方式提供動力；插秧部位采用后置式分插機構，由減速電機通過鏈傳動形式提供動力；行走系統(tǒng)由減速電機通過鏈傳動的方式提供動力。

圖2 試驗臺結構示意圖

2.2 工作原理及過程

裝置整體作勻速直線運動的同時，插秧機構作周期性的插秧運動并由秧針在土槽內形成插秧點，每完成一次插秧動作，傳感器便捕捉到一次信號并傳至PLC。PLC控制步進電機驅動器在延時時間過后向步進電機發(fā)送一定頻率與數(shù)目的脈沖，步進電機響應脈沖完成一次間歇排肥過程。

2.3 控制系統(tǒng)硬件組成

選擇西門子S 7 2 0 0 S T 2 0型號P L C，昆侖通態(tài)TPC-7062TX型號觸摸屏，普菲德12 N·m轉矩86BYG250H型號步進電機及普菲德DMA860H型號步進驅動器，60 W、350 rad可調速插秧減速電機，100 W、150 rad可調速行進減速電機，菲爾斯特BRW600-400A型號傳感器。

2.4 排肥螺旋絞龍的參數(shù)確定

由式（1）確定絞龍外徑，可選參數(shù)為D=（17、19、21、23、25） mm；由式（2）確定絞龍的工作轉速，可選參數(shù)為N=（170、180、190、200、220） r/min。螺旋軸的內徑d=（0.2～0.35）D=（5～9） mm，螺旋絞龍螺距

式中：C——螺旋傾角系數(shù)，取0.46；

ψ——化肥填充系數(shù)，取0.9；

D——螺旋軸直徑，mm；

ρ——化肥密度，取1.552 t/m3；

R——螺旋軸半徑，mm；

K——物料綜合特性系數(shù)，取0.063 2；

Q——目標排肥量，t·h-1，取26.65。

3 裝置的性能試驗與分析

在EDEM軟件中對裝置的穴施肥性能進行仿真后，仿真結果滿足穴施肥農藝要求，再于實際中通過試驗驗證仿真試驗結果，通過質量流量傳感采集設備對護肥管末端排出的化肥進行實時數(shù)據(jù)采集，得到低、中、高三種作業(yè)速度下的圖像，如圖3、圖4所示。

圖3 驗證試驗

圖4 化肥質量流量圖

由驗證試驗得到的圖4所示結果與仿真試驗結果基本相符，但比較仿真試驗的結果，隨著裝置在0.35 m/s～0.6 m/s的范圍內行進速度的增大，波峰接近于穴施肥計算量的程度有所減小，波峰波動幅度有所增大，并且出現(xiàn)了2～3個連續(xù)的插秧點持續(xù)性施肥的現(xiàn)象。但總體波峰波谷分界顯著，說明成穴性能都較好，并且苗-肥縱向距離合格率滿足施肥質量評價標準中的≥80%的基本要求。

4 結論

課題組設計了一臺穴式水稻側深施肥裝置，確定了關鍵部件螺旋絞龍排肥器的內外徑、螺距、轉速的取值范圍。通過選擇合適型號的硬件組成控制系統(tǒng)，由其中的延時模塊實現(xiàn)了對插秧與施肥運動耦合的控制，實現(xiàn)了最優(yōu)的苗-肥縱向距離合格率[10]。在仿真試驗的基礎上，通過實際驗證試驗說明了裝置在0.35 m/s～0.6 m/s的行進速度范圍內成穴性能都較好，雖然隨著行進速度的增加，成穴性能逐漸減弱，但施肥效果滿足穴施肥農藝要求。