一壟雙行深施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李　緒，吳雪梅，張富貴 ，符德龍，何厚龍，聶　堯

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng)　550025；2.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州 畢節(jié)　551700；3.貴州省煙草公司黔西南州公司，貴州 興義　562400)

0　引言

煙草是貴州的主要作物之一，種植模式一般采用單壟單行，起壟和施肥等作業(yè)依次完成。一方面，在貴州山區(qū)烤煙由坡地向平壩地、土煙向田煙轉(zhuǎn)移的背景下，該方式實(shí)際操作費(fèi)工費(fèi)時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，并且會(huì)增加機(jī)器進(jìn)地次數(shù)，破壞土壤物理結(jié)構(gòu)，使地面堅(jiān)實(shí)度增加，不利于機(jī)械化推廣[1]。另一方面，該方式生產(chǎn)投入大，土壤利用率低，單位土地面積的經(jīng)濟(jì)效益不高、煙葉質(zhì)量不穩(wěn)定。對(duì)機(jī)械化施肥水平不高的貴州來說，煙草施肥環(huán)節(jié)常常由人工施肥或簡(jiǎn)單機(jī)械施肥，施肥方式的粗放和施肥量的不均常常導(dǎo)致煙草作物燒苗或營(yíng)養(yǎng)缺失，肥效利用率低，長(zhǎng)期會(huì)導(dǎo)致土壤肥力失衡和土壤板結(jié)[2]?；实臏\施常導(dǎo)致化肥揮發(fā)、肥效利用率低，不利于作物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收，達(dá)不到增產(chǎn)增收的效果。在已開展的精準(zhǔn)施肥技術(shù)方面，主要是基于GIS處方圖的精準(zhǔn)施肥技術(shù)研究，但對(duì)于貴州山區(qū)來說難以生成和共享精準(zhǔn)處方圖[3-4]。

針對(duì)以上問題，項(xiàng)目組提出將一壟雙行種植模式、煙草深施肥技術(shù)和精準(zhǔn)施肥技術(shù)應(yīng)用于貴州煙區(qū)，以解決煙草種植起壟、施肥環(huán)節(jié)存在的問題。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款適用于貴州平壩地區(qū)的一壟雙行深施肥機(jī)械，并匹配安裝了精準(zhǔn)施肥控制系統(tǒng)，使拖拉機(jī)行速與施肥量相關(guān)連，可以一次性起壟，同時(shí)對(duì)兩壟煙精準(zhǔn)深施肥，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有機(jī)結(jié)合，如圖1所示。通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，以達(dá)到相應(yīng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)省工、降本、增效的目的。

1　一壟雙行深施肥機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1整體結(jié)構(gòu)與工作原理

機(jī)具主要由變速箱、機(jī)架、刀滾、起壟裝置、施肥裝置、肥箱、懸掛裝置、覆土輪等部件構(gòu)成。機(jī)具與拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛裝置連接，拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)具前進(jìn)且通過萬(wàn)向節(jié)傳遞動(dòng)力到旋耕刀軸并使其旋耕土壤。機(jī)具行走時(shí)，固定在拖拉機(jī)后輪上的速度傳感器將采集機(jī)具速度信號(hào)；控制系統(tǒng)則將機(jī)具行進(jìn)速度與排肥直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配，達(dá)到精準(zhǔn)施肥的效果[5]。調(diào)節(jié)左右兩根排肥管的距離和施肥深度，排肥軸在直流電機(jī)帶動(dòng)下進(jìn)行排肥，同時(shí)機(jī)架后方的起壟板起壟并由連接在機(jī)架后方的可調(diào)拖板刮平壟頂，一次性完成旋耕、起壟及施肥作業(yè)過程。該機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

1.機(jī)架　2.肥箱　3.斜板　4.取肥口 5.直流電機(jī)　6.轉(zhuǎn)速傳感器　7.排肥軸　8.排肥管 9.開溝器　10.覆土輪　11.外槽輪　12.起壟器 13.可調(diào)拖板　14.懸掛架　15.刀滾　16.變速箱　17.控制箱圖2　一壟雙行深施肥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2一壟雙行深施肥機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

一壟雙行深施肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　一壟雙行深施肥機(jī)主要參數(shù)

續(xù)表1

2　一壟雙行深施肥機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)

2．1起壟成型裝置

起壟成型裝置主要由兩側(cè)呈對(duì)稱分布的起壟刮板、高度調(diào)節(jié)器和壟面刮土板構(gòu)成[6]，如圖3所示。機(jī)具前進(jìn)時(shí)土壤被耕松，后方起壟刮板起壟并由壟面刮土板刮平壟頂，形成飽滿的壟體和平實(shí)的壟面，為后期的煙草種植和管理提供了條件。

該裝置應(yīng)在確保農(nóng)藝要求的前提下深耕和充分壟土，從而實(shí)現(xiàn)化肥深施。旋耕刀旋耕土壤深度會(huì)影響壟土量和施肥深度，其條件為

其中，H為旋耕深度(cm)；L1為壟頂寬(cm)；L2為機(jī)架長(zhǎng)度(cm)；W為邊緣寬度(cm)；D為起壟高度(cm)。

根據(jù)上式和農(nóng)藝要求，在施肥深度不變的情況下，壟底寬和壟頂寬越小越容易滿足足夠的壟土量，達(dá)到深施肥的效果。綜合以上因素，并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試，取壟頂寬L1為130cm，L2為190cm，W為10cm，起壟高度D為30cm。根據(jù)上式，旋耕深度為H=23.68cm，取H=25cm，以滿足化肥深施條件。旋耕深度25cm可獲得30cm的壟高、25～30cm施肥深度。

1.高度調(diào)節(jié)器　2.壟面刮土板　3.起壟刮板

2．2排肥控制系統(tǒng)

2.2.1排肥系統(tǒng)的構(gòu)成

傳統(tǒng)排肥裝置采用普通地輪驅(qū)動(dòng)排肥軸，受土壤濕度等情況的影響，滾輪易下陷和打滑，傳動(dòng)比波動(dòng)大，可靠性差，對(duì)施肥均勻性和排肥一致性產(chǎn)生較大偏差[7]?；谝陨锨闆r，本文設(shè)計(jì)了排肥控制系統(tǒng)，確保排肥量的精確。

該系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)、直流電機(jī)、12V車載直流電源及外槽輪排肥器等主要部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

1.肥箱　2.移速傳感器　3.拖拉機(jī)后輪　4.拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)軸 5.24V直流電機(jī)　6.渦輪蝸桿　7.排肥器　8.排肥軸

2．2．2排肥系統(tǒng)控制流程

PLC控制電路通過采集機(jī)具行進(jìn)速度和已設(shè)定的排肥量,經(jīng)計(jì)算得出所需要的脈沖數(shù)，將這個(gè)脈沖數(shù)輸入直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制排肥量的大小，按需輸出肥料[8]。由于不同地域土壤肥力的不同，在觸摸屏上可選手動(dòng)或者自動(dòng)施肥模式控制施肥量大小?？刂破鞑捎梦鏖T子CPU 224xp型PLC，接由拖拉機(jī)蓄電池提供的12V直流電源[9]。施肥作業(yè)控制系統(tǒng)接線電路和流程如圖5所示。

排肥器是機(jī)具施肥的重要工作部件，在直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將料箱肥料排出。由于現(xiàn)有排肥器比較成熟，故直接選用外槽輪排肥器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施肥均勻性較好，適用于排流動(dòng)性較好的松散化肥和復(fù)合顆粒。

圖5　控制系統(tǒng)流程圖和接線圖

2．2．3施肥決策函數(shù)的確定

施肥決策函數(shù)的確定選擇在硬地面進(jìn)行調(diào)試。煙草施肥量為675kg/hm2，根據(jù)煙草株距換算后選取2.8kg/30m進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。作業(yè)時(shí)，機(jī)器前進(jìn)速度一般不超過2m/s，將肥料用收納袋收集稱重并測(cè)出機(jī)具平均移速，反復(fù)調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，以施肥誤差小于5%(2.66～2.94kg)為指標(biāo)得到22組不同時(shí)施肥量數(shù)據(jù)，以及施肥決策函數(shù)y=3.16443-0.65469x+0.45727x2-0.11684x3(見圖6)，并輸入PLC。

圖6　施肥決策函數(shù)的確定

3　田間試驗(yàn)與結(jié)果

3.1試驗(yàn)地條件

為檢驗(yàn)樣機(jī)作業(yè)性能，于2016年6月20日在貴州省畢節(jié)市黃泥塘煙草基地進(jìn)行起壟施肥測(cè)試。試驗(yàn)區(qū)面積約1 400m2，測(cè)區(qū)為無茬田地。分別隨機(jī)取測(cè)區(qū)上、中、下層土壤各兩處，進(jìn)行土壤含水率測(cè)定，如圖7所示。

圖7　土壤含水率測(cè)量

測(cè)量方法是用燒杯盛適量樣本，用電子秤分別稱量烘干前后土壤的質(zhì)量，計(jì)算土壤絕對(duì)含水率，即

式中m1—烘干前土樣及燒杯質(zhì)量(g)；

m2—烘干后土樣及燒杯質(zhì)量(g)；

m—烘干后燒杯的質(zhì)量(g)。

經(jīng)計(jì)算，土壤耕層平均絕對(duì)含水率為17.46%，適合起壟與施肥的作業(yè)環(huán)境。

試驗(yàn)用肥為無機(jī)復(fù)合肥，采用耕王RM-804拖拉機(jī)懸掛式起壟施肥機(jī)測(cè)試起壟施肥參數(shù)。樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8　樣機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)前使用石灰粉劃分4處測(cè)區(qū)范圍。依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T5262-2008農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件、測(cè)定方法的一般規(guī)定》，在每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選擇5個(gè)點(diǎn)作測(cè)點(diǎn)。調(diào)整機(jī)具至煙草種植要求，以小于7km/h的速度前進(jìn)，同時(shí)開啟觸摸屏自動(dòng)施肥模式。由于起壟和施肥同時(shí)進(jìn)行，試驗(yàn)前后稱重肥料并記錄差值。在每個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)點(diǎn)處切開壟的斷面，用卷尺和水平儀分別測(cè)量壟高、壟頂寬、壟基寬和施肥深度及施肥寬度。

3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1壟高、壟頂寬及壟基寬

根據(jù)煙草種植標(biāo)準(zhǔn)要求，起壟形狀為等腰梯形，調(diào)節(jié)壟高為30cm，壟頂寬為130cm，壟基寬為170cm。農(nóng)藝要求為以上各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求的±10%以內(nèi)為合格。按下列關(guān)系式，分別計(jì)算壟高、壟頂寬、壟基寬變異系數(shù)，即

式中V—壟高、壟頂寬或壟基寬變異系數(shù)(%)；

S—壟高、壟頂寬或壟基寬標(biāo)準(zhǔn)差(cm)；

Qi—壟高、壟頂寬或壟基寬每次測(cè)量值(cm)；

n—各指標(biāo)測(cè)點(diǎn)數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。壟高、壟頂寬、壟基寬標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.80、1.94、1.38cm，變異系數(shù)分別為6.4%、1.5%、0.7%，合格率分別達(dá)到92%、93%、98%，實(shí)際試驗(yàn)效果壟型較好，壟體飽滿，壟面平實(shí)，完全滿足起壟農(nóng)藝要求。樣機(jī)在試驗(yàn)過程中由于受到山地地面不平整因素的影響，故導(dǎo)致壟高變異系數(shù)偏大。壟基寬的變異系數(shù)略好于壟頂寬，其原因是在某些硬地段旋耕刀旋土量不足導(dǎo)致壟頂土量不足。

表2　一壟雙行深施肥機(jī)起壟參數(shù)

3.3.2施肥偏差及效率

施肥均勻度測(cè)試在硬地面測(cè)試，地面鋪設(shè)薄膜，機(jī)具調(diào)至適當(dāng)高度以不同的速度反復(fù)行走4次，每個(gè)行程隨機(jī)選取穩(wěn)定區(qū)內(nèi)的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行均勻度測(cè)量。通過試驗(yàn)，測(cè)得施肥均勻性變異系數(shù)為12.28%，小于《貴州煙草農(nóng)機(jī)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》所規(guī)定的40%，性能達(dá)標(biāo)，并且沒有斷條產(chǎn)生。這說明，整個(gè)控制系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性強(qiáng)。

施肥效率和施肥偏差的測(cè)定在試驗(yàn)田各測(cè)區(qū)進(jìn)行，對(duì)每個(gè)測(cè)區(qū)計(jì)時(shí)并稱量施肥前后肥箱內(nèi)的肥料差值，得到各測(cè)區(qū)實(shí)際施肥量。田間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：該機(jī)具施肥效率高，施肥量偏差最大為4.58%，施肥精準(zhǔn)度高，完全符合農(nóng)藝農(nóng)藝規(guī)程。

表3　一壟雙行深施肥機(jī)田間施肥測(cè)試參數(shù)

4　結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的一壟雙行深施肥機(jī)配置了精準(zhǔn)施肥控制系統(tǒng)，可一次性完成起壟和精準(zhǔn)深施肥作業(yè)，系統(tǒng)穩(wěn)定，作業(yè)過程中無斷條現(xiàn)象，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施肥精度要求。

2)一壟雙行深施肥機(jī)的壟高、壟頂寬和壟基寬符合煙草農(nóng)藝要求，旋耕深度至少25cm，可滿足深施肥要求。

3)田間試驗(yàn)表明：該機(jī)具起壟效果好，合格率高，三項(xiàng)指標(biāo)變異系數(shù)均符合煙草作業(yè)起壟要求。施肥量偏差最大為4.58%，小于煙草行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8%，施肥效率最高達(dá)到0.41hm2/h。

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