穴式水稻侧深施肥试验装置设计**

黄法伟 ，张 浩 ，刘俊兵 ，王鑫淼 ，董晓威

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆 163319）

0 引言

近二十年来，在我国每年的粮食总产量中，水稻的产量一直在总产量中占比31%以上[1]，而化肥对保证水稻的高产与稳产的作用占比高达50%[2-3]，但施肥方式一直以表面撒施、条施技术为主，因此存在着化肥用量高、利用率低的问题，对生态、农业绿色可持续发展造成了阻碍[4]。

穴施肥技术适用于穴播作物，能够合理地减少化肥用量。万玲等研制了滚轮式穴施肥装置，通过液压系统提供动力完成扎穴入土工作，实现了排肥器同步机具速度进行施肥，施肥深度可由液压装置调节[5]。张俊雄等研制了正位穴施肥装置，使用单片机控制挡肥板的开合，间断地将化肥施入土壤中，并通过排种、排肥的延时时间间隔保证了施肥位置的准确性[6]。刘正道等研制了腔盘式精量穴施肥装置，通过调节定子与转子所形成的肥腔大小调节施肥量，并确定了排肥性能最优的肥腔形状，并结合气吹式辅助排肥提高了排肥稳定性[7]。李沐桐等研制了机械式自动穴施肥装置，以可恢复式微力放大装置为核心部件，同时采用螺旋绞龙施肥部件完成穴式施肥[8]。课题组通过传感器、步进电机及其驱动器控制螺旋绞龙排肥器的启停、转速、转角实现穴式施肥，通过可编程逻辑控制器PLC设置延时模块来调控插秧与施肥两种运动的耦合关系，以达到最高的苗-肥纵向距离合格率。

1 水稻穴施肥概念

水稻穴施肥技术即为施肥质量评价标准中定义的不等距间隔施肥方式，将化肥呈穴状施入作物种子或植株播行中心线靠近种子或植株一侧的位置。结合目前水稻侧深施肥前沿技术，具体的农艺要求为将化肥呈穴式施到距离水稻秧苗根系一侧3 cm～5 cm、深3 cm～5 cm范围内的施肥技术[9]。穴施肥效果如图1所示。

图1 穴施肥效果示意图（单位：mm）

2 装置整体结构与工作原理

2.1 整体结构

装置主要由控制箱、插秧机构、施肥机构、行走系统、人机交互系统组成，如图2所示。其中，控制系统主要由PLC、步进电机驱动器、继电器等组成，由外部电源供电工作，并通过触摸屏对装置的相关工作参数进行设置与调整，进而实现对装置排肥与插秧动作的运行控制；施肥机构由肥箱、螺旋绞龙、护肥管等组成，由步进电机通过链传动的方式提供动力；插秧部位采用后置式分插机构，由减速电机通过链传动形式提供动力；行走系统由减速电机通过链传动的方式提供动力。

图2 试验台结构示意图

2.2 工作原理及过程

装置整体作匀速直线运动的同时，插秧机构作周期性的插秧运动并由秧针在土槽内形成插秧点，每完成一次插秧动作，传感器便捕捉到一次信号并传至PLC。PLC控制步进电机驱动器在延时时间过后向步进电机发送一定频率与数目的脉冲，步进电机响应脉冲完成一次间歇排肥过程。

2.3 控制系统硬件组成

选择西门子S 7 2 0 0 S T 2 0型号P L C，昆仑通态TPC-7062TX型号触摸屏，普菲德12 N·m转矩86BYG250H型号步进电机及普菲德DMA860H型号步进驱动器，60 W、350 rad可调速插秧减速电机，100 W、150 rad可调速行进减速电机，菲尔斯特BRW600-400A型号传感器。

2.4 排肥螺旋绞龙的参数确定

由式（1）确定绞龙外径，可选参数为D=（17、19、21、23、25） mm；由式（2）确定绞龙的工作转速，可选参数为N=（170、180、190、200、220） r/min。螺旋轴的内径d=（0.2～0.35）D=（5～9） mm，螺旋绞龙螺距

式中：C——螺旋倾角系数，取0.46；

ψ——化肥填充系数，取0.9；

D——螺旋轴直径，mm；

ρ——化肥密度，取1.552 t/m3；

R——螺旋轴半径，mm；

K——物料综合特性系数，取0.063 2；

Q——目标排肥量，t·h-1，取26.65。

3 装置的性能试验与分析

在EDEM软件中对装置的穴施肥性能进行仿真后，仿真结果满足穴施肥农艺要求，再于实际中通过试验验证仿真试验结果，通过质量流量传感采集设备对护肥管末端排出的化肥进行实时数据采集，得到低、中、高三种作业速度下的图像，如图3、图4所示。

图3 验证试验

图4 化肥质量流量图

由验证试验得到的图4所示结果与仿真试验结果基本相符，但比较仿真试验的结果，随着装置在0.35 m/s～0.6 m/s的范围内行进速度的增大，波峰接近于穴施肥计算量的程度有所减小，波峰波动幅度有所增大，并且出现了2～3个连续的插秧点持续性施肥的现象。但总体波峰波谷分界显著，说明成穴性能都较好，并且苗-肥纵向距离合格率满足施肥质量评价标准中的≥80%的基本要求。

4 结论

课题组设计了一台穴式水稻侧深施肥装置，确定了关键部件螺旋绞龙排肥器的内外径、螺距、转速的取值范围。通过选择合适型号的硬件组成控制系统，由其中的延时模块实现了对插秧与施肥运动耦合的控制，实现了最优的苗-肥纵向距离合格率[10]。在仿真试验的基础上，通过实际验证试验说明了装置在0.35 m/s～0.6 m/s的行进速度范围内成穴性能都较好，虽然随着行进速度的增加，成穴性能逐渐减弱，但施肥效果满足穴施肥农艺要求。