玉米变量穴施肥试验台的设计与试验

2020-10-19王紫玉梁春英王洪超王振民黄丽萍

农机化研究 2020年4期

王紫玉,梁春英,王洪超,王振民,黄丽萍

(黑龙江八一农垦大学电气与信息学院,黑龙江大庆 163319)

0 引言

玉米是我国重要的粮食作物,播种面积仅次于稻、麦,居第3位[1]。其中,东北是我国重要的商品粮生产基地,玉米播种面积占全国玉米总播种面积的26.3%左右[2]。20世纪末,随着玉米工业属性的拓展,以玉米为原料的燃料乙醇产业迅速发展,市场对玉米的需求量不断增加。为此,借鉴其它发达国家化肥施用经验,科学提高施肥水平、降低平均施用量、提高玉米单位面积产量,已成为降低农业能源消耗、减少化肥施用浪费、改善化肥供求、满足世界粮食需要和保护土壤与生态环境等的重要选择,也是实现我国农业可持续发展的重要途径[3]。

目前,玉米种植大多采用条耕、条施的方式,条耕属于保护性耕作的一种,只对苗带进行耕作,最大限度地减少了对土壤的影响。条耕能提供出一个更加温暖、疏松的苗床,且能够将肥料深施在耕作区的土壤中,以提高其料利用率[4]。近年来,精密播种技术发展迅速,许多作物实现了穴播[5]。对于穴播的作物,如果继续采用条施的方式,肥料与种子位置不一一对应,种子穴之间的肥料很难被吸收,造成大部分肥料被浪费,且未被吸收的肥料会破坏土壤生态环境,造成农业污染[6]。

在了解国内当前的玉米生产施肥基上,设计了一种基于机具行驶速度变化的玉米变量穴施肥的试验台,实现化肥利用率高的穴施肥,为以后玉米穴施肥装置的控制系统和机构设计提供相关的理论支持和参考。

1 玉米穴施肥概念

玉米穴施肥技术通常与穴播技术相配合使用。穴播是指根据农艺要求将玉米成穴播入土壤中,确保一定的行距和穴距。玉米穴施肥技术是将化肥呈穴状施入扎穴后的土壤中,化肥位置在种子的侧下方或正下方,之间有一定的距离[7]。穴播穴施肥效果如图1所示。

1．种子 2．成穴肥料图1 种子肥料位置分布图Fig.1 Distribution of fertilizer and seed

2 整体结构和工作原理

2.1 整体结构

玉米变量穴施肥试验台主要由传送带平台、箱体、玉米穴播穴施装置、控制系统及光电检测装置组成,如图2所示。

1.挡片结构 2.挡片步进电机 3.排肥器与排肥步进电机 4.肥箱与种箱 5.排种器与排种直流电机 6.光电检测装置 7.传送带平台图2 玉米变量穴施肥试验台Fig.2 Corn variable hole fertilizer test bed

2.2 工作原理

在肥箱与种箱内分别装满肥料和种子,电源开启后,传送带匀速运动以模拟机车与田地的相对运动,电机控制排种器运转把玉米种子排至传送带平面上;在排种管口安装的光电传感器探头检测到种子将信号传送至单片机,控制排肥电机通过所需排肥量转动相应角度排落到传送带上;同时,控制排肥管口挡片旋转事先设定好的角度,使排肥口与挡片上的圆型缺口重合,将肥料排出,达到成穴效果,完成穴施肥,即肥料落在匀速移动的传送带上呈一堆一堆的状态。其中,通过控制排肥器转速来对施肥量进行控制。在试验台下方由交流减速电机配套的调速器提供动力,通过相对运动来模拟田间作业的车速环境。

3 参数及主要模块

3.1 试验台的主要技术参数

试验台的主要技术参数如表1所示。

表1 试验台主要技术参数Table 1 Main technical parameters of test bed

3.2 主要模块

3.2.1 施肥机构

施肥机构是整个装置的核心部分。目前,外槽轮排肥器应用比较广泛,具有结构简单、流动性好和施肥均匀的优点,所以将其作为试验台的排肥装置。市场上更为常见的是铸塑型外槽轮排肥器,壳体以塑料制作,可以改善肥料对排肥器壁上的粘着与腐蚀,配合相应电机及控制系统可以满足实际试验的要求[8]。

3.2.2 传送带平台

试验台平台框架采用2020型铝合金型材搭建,传送带平台长2.5m、宽0.4m。传送带平台的动力来源于61K200RGU-CF型号的交流齿轮减速电机,调速功能由与交流齿轮减速电机配套使用的US-52调速器实现。此电机转速范围为90～1 400r/min,功率为200W,传送带速度范围是0～2.2km/h。

3.2.3 控制系统

试验台控制系统是整个试验台的重要组成部分,决定了试验台验效果。其主要由数据采集模块、单片机控制模块、人机接口模块和执行机构模块组成,如图3所示。它通过改变电机转速来控制排肥器来进行精准排肥。单片机选用的是较为常用的STC15F2K60S2,其编程简单、系统稳定、成本较低,传承于经典的8051单片机,单时钟机器周期,内部集成高精准R/C时钟及高可靠复位电路[9]。

图3 控制系统硬件框图Fig.3 Hardware components of control system

图4 控制系统实物图Fig.4 Control system physical map

4 穴施肥性能试验

4.1 试验条件

1)试验依据:NY/T1003-2006《中华人民共和国农业行业标准-施肥机械质量评价技术规范》。

2)试验肥料:含硫加钾控缓释尿素。

3)试验时间:2018年9月10日。

4)试验地点:黑龙江八一农垦大学电气与信息学院204实验室。

5)试验设备:精度为0.01g的电子秤及卷尺。

4.2 试验方案

打开电源,通过穴施肥控制器设定需求排肥量与玉米排种器的转速等参数,点击“开启”按钮开启试验台工作。通过设定排肥器的不同开度,测定其每次施肥量,计算玉米变量穴施肥试验台的施肥变异性系数并绘制残差图,用来判断每次穴施肥量是否在目标施肥量的误差范围内及是否达到国家标准。同时,测量穴距、种肥距离,根据相关农艺要求检测试验台的性能能否达到要求。

穴施肥变异系数计算公式为

(1)

(2)

(3)

其中,xi为每穴施肥量(g);x为每穴施肥量的均值(g);S为总排肥量的稳定性的标准差;V为总施肥量稳定性的变异系数(%);n为测定次数。

4.3 试验方法

将试验台电源接通,在控制系统上设定目标施肥量与排肥排种电机转速。由于穴施肥需要间隔施肥并且每穴施肥量较小,所以在排肥过程中排肥电机是间断启动停止的。也就是说,转速对排肥量的影响不大,仅在排肥速度效果上有较小差异,即转速越快每次排肥时间越短。经测试,所选的步进电机在转速为40r/min时排肥较为稳定,故将转速设为40r/min,改变不同开度进行测量。测量方法为在穴施肥装置下方放置一个器皿,用于盛装每次施出的肥料。试验结果在手动情况下测得,通过电子秤测量得到每次施肥量的质量,对数据进行分析,得出穴施肥最适宜开度,再设定为此开度进行下一步的穴距、种肥距离测量分析。现场试验图如图5所示。

图5 现场试验图Fig.5 Test chart

4.3.1 确定最优开度

设定转速为40r/min、目标排肥量为5g/穴,分别调整开度为5、10、15、20、25、30mm进行试验。试验容器分为6个,分别标号1～6号,依次的质量分别为3.99、4.06、4.00、3.98、3.98、4.05g,将测得的每次穴施肥量减去相应容器的质量为每次净穴施肥量。试验结果如表2所示,残差散点图如图6所示。

表2 试验台在不同开度下穴施肥量Table 2 Amount of hole fertilization at the different opening degrees of test bed

图6 不同开度下的穴施肥残差散点图Fig.6 Residual scatter plot of hole fertilization at the different opening degrees

通过计算可知:在不同开度下的残差平均值分别为1.287、0.348、1.107、0.647、0.832、0.853,即开度在10mm时残差平均值最小。由图6可以看出:在开度为10mm时,残差较小且走势较为平稳,结合残差均值可得出开度为10mm时进行穴施肥最为精准稳定。同时,根据公式(3)计算得出该试验台总变异性系数为4.39%,开度为10mm时变异性系数为0.28%,均符合国家标准≤7.8%的要求。

4.3.2 穴距与种肥距离测量

将排肥器开度设为10mm进行进一步的排肥试验。查阅相关书籍文献可知,玉米种植穴距要求为15～40cm,种肥距离为3～5cm[10-11]。设定目标穴距为30cm,启动穴施肥装置与传送带平台。由于传送带平台长度有限,设为6次连续穴施肥为1组,完成1组后即停止设备进行测量,测量点为每穴肥量与种子的中心为端点,测量结果如表3、表4所示。