玉米智能施肥中耕機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

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(guó)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(yíng)養(yǎng)環(huán)境等[1-5]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(guó)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(jì)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(lái)，以開(kāi)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(guò)更換傳動(dòng)輪方式實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)肥量的便利性有待提高。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，現(xiàn)有機(jī)械驅(qū)動(dòng)施肥機(jī)型還存在施肥量不能按照用戶的具體要求實(shí)施等影響中耕施肥效果的問(wèn)題[6]。

在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)玉米的種植模式及中耕農(nóng)藝要求的情況下，設(shè)計(jì)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(dòng)肥盒、無(wú)級(jí)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(diǎn)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(shí)拖拉機(jī)輪胎破壞玉米幼苗。

1.開(kāi)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(guò)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(dòng)根據(jù)拖拉機(jī)的行駛速度控制電動(dòng)肥盒的轉(zhuǎn)速[7]。采用電驅(qū)動(dòng)肥盒的變量施肥方式，拖拉機(jī)行駛速度快，電動(dòng)肥盒轉(zhuǎn)速就高，拖拉機(jī)行駛速度慢，電動(dòng)肥盒轉(zhuǎn)速就低，零延遲，可完全取代地輪鏈傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中耕作業(yè)的精確定量施肥。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

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(dòng)軸和施肥控制器等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時(shí)，施肥控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)肥盒轉(zhuǎn)動(dòng)，將肥箱的肥料通過(guò)槽輪排到肥溝里。考慮到中耕施肥的施肥量小于常規(guī)播種施肥的實(shí)際情況，肥盒驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用低速電機(jī)。

1.肥盒電機(jī) 2.傳動(dòng)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(hào)實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器行駛速度v，并根據(jù)行駛速度v實(shí)時(shí)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(shí)，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(fèi)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)外置限位開(kāi)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(shí)，升起中耕機(jī)，下拉桿觸碰限位開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)，落下中耕機(jī)，下拉桿釋放限位開(kāi)關(guān)，控制系統(tǒng)自動(dòng)上電工作，當(dāng)機(jī)器往前行走時(shí)，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(wú)級(jí)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(wú)級(jí)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(guò)深度無(wú)級(jí)可調(diào)手柄調(diào)整限深輪相對(duì)于機(jī)架的位置實(shí)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(duì)稱安裝在仿形機(jī)架上，保證在中耕作業(yè)時(shí)，中耕松土部件受力平衡，保證5個(gè)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(shí)瞬間過(guò)載損壞，松土鏟柄采用了具備撓性安全防過(guò)載的彈性鏟柄，這種結(jié)構(gòu)自身的彈性特點(diǎn)，在工作時(shí)可產(chǎn)生一定的脈沖振動(dòng)，能使土壤松土效果更好。

3 性能試驗(yàn)

參考NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)體系》和DB21T 1519—2007《中耕施肥機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，性能試驗(yàn)重點(diǎn)驗(yàn)證該機(jī)在變量施肥方面是否能按照用戶要求實(shí)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(cè)定5次，按式(2)～(4)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 施肥穩(wěn)定性試驗(yàn)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(cè)定次數(shù)

V——變異系數(shù)，%

4 結(jié)論

針對(duì)玉米苗期中耕施肥的定量施肥要求，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)以下功能。

(1)松土鏟間距無(wú)級(jí)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(shí)現(xiàn)肥盒電機(jī)轉(zhuǎn)速隨行車速度自隨動(dòng)的定量施肥功能。

性能試驗(yàn)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(guò)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(zhǎng)時(shí)間的中耕施肥作業(yè)試驗(yàn)，以驗(yàn)證機(jī)器在施肥量智能控制、耐疲勞強(qiáng)度方面的可靠性及適應(yīng)性。