發(fā)布時(shí)間：2020-02-27所屬分類(lèi)：農(nóng)業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為了提高玉米種植中化肥的利用率、減少資源浪費(fèi)，基于玉米穴播穴施肥的理論設(shè)計(jì)了一臺(tái)玉米變量穴施肥的試驗(yàn)臺(tái)。在前人研究運(yùn)用外槽輪排肥器實(shí)現(xiàn)變量施肥的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)的啟動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)與排肥口的擋片設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)玉米穴施肥，同時(shí)配合玉米
摘要:為了提高玉米種植中化肥的利用率、減少資源浪費(fèi)，基于玉米穴播穴施肥的理論設(shè)計(jì)了一臺(tái)玉米變量穴施肥的試驗(yàn)臺(tái)。在前人研究運(yùn)用外槽輪排肥器實(shí)現(xiàn)變量施肥的基礎(chǔ)上，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)的啟動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)與排肥口的擋片設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)玉米穴施肥，同時(shí)配合玉米排種器監(jiān)測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)種肥同步。玉米穴施肥裝置主要由外槽輪排肥器、步進(jìn)電機(jī)、排肥口擋片和光電檢測(cè)裝置構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的優(yōu)點(diǎn)，控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，易于推廣。試驗(yàn)結(jié)果表明:總排肥變異性系數(shù)為4.39%，在開(kāi)度10mm下排肥效果最佳，排肥變異性系數(shù)為0.28%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)≤7.8%，且實(shí)際穴距與種肥距離符合相關(guān)農(nóng)藝要求。
關(guān)鍵詞:玉米;變量穴施肥;試驗(yàn)臺(tái);排肥器
0引言
玉米是我國(guó)重要的糧食作物，播種面積僅次于稻、麥，居第3位[1]。其中，東北是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，玉米播種面積占全國(guó)玉米總播種面積的26.3%左右[2]。20世紀(jì)末，隨著玉米工業(yè)屬性的拓展，以玉米為原料的燃料乙醇產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)玉米的需求量不斷增加。為此，借鑒其它發(fā)達(dá)國(guó)家化肥施用經(jīng)驗(yàn)，科學(xué)提高施肥水平、降低平均施用量、提高玉米單位面積產(chǎn)量，已成為降低農(nóng)業(yè)能源消耗、減少化肥施用浪費(fèi)、改善化肥供求、滿(mǎn)足世界糧食需要和保護(hù)土壤與生態(tài)環(huán)境等的重要選擇，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑[3]。
目前，玉米種植大多采用條耕、條施的方式，條耕屬于保護(hù)性耕作的一種，只對(duì)苗帶進(jìn)行耕作，最大限度地減少了對(duì)土壤的影響。條耕能提供出一個(gè)更加溫暖、疏松的苗床，且能夠?qū)⒎柿仙钍┰诟鲄^(qū)的土壤中，以提高其料利用率[4]。近年來(lái)，精密播種技術(shù)發(fā)展迅速，許多作物實(shí)現(xiàn)了穴播[5]。對(duì)于穴播的作物，如果繼續(xù)采用條施的方式，肥料與種子位置不一一對(duì)應(yīng)，種子穴之間的肥料很難被吸收，造成大部分肥料被浪費(fèi)，且未被吸收的肥料會(huì)破壞土壤生態(tài)環(huán)境，造成農(nóng)業(yè)污染[6]。
在了解國(guó)內(nèi)當(dāng)前的玉米生產(chǎn)施肥基上，設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)具行駛速度變化的玉米變量穴施肥的試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)化肥利用率高的穴施肥，為以后玉米穴施肥裝置的控制系統(tǒng)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相關(guān)的理論支持和參考。
1玉米穴施肥概念
玉米穴施肥技術(shù)通常與穴播技術(shù)相配合使用。穴播是指根據(jù)農(nóng)藝要求將玉米成穴播入土壤中，確保一定的行距和穴距。玉米穴施肥技術(shù)是將化肥呈穴狀施入扎穴后的土壤中，化肥位置在種子的側(cè)下方或正下方，之間有一定的距離[7]。穴播穴施肥效果如圖1所示。
2整體結(jié)構(gòu)和工作原理
2.1整體結(jié)構(gòu)
玉米變量穴施肥試驗(yàn)臺(tái)主要由傳送帶平臺(tái)、箱體、玉米穴播穴施裝置、控制系統(tǒng)及光電檢測(cè)裝置組成，如圖2所示。
2.2工作原理
在肥箱與種箱內(nèi)分別裝滿(mǎn)肥料和種子，電源開(kāi)啟后，傳送帶勻速運(yùn)動(dòng)以模擬機(jī)車(chē)與田地的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)控制排種器運(yùn)轉(zhuǎn)把玉米種子排至傳送帶平面上;在排種管口安裝的光電傳感器探頭檢測(cè)到種子將信號(hào)傳送至單片機(jī)，控制排肥電機(jī)通過(guò)所需排肥量轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度排落到傳送帶上;同時(shí)，控制排肥管口擋片旋轉(zhuǎn)事先設(shè)定好的角度，使排肥口與擋片上的圓型缺口重合，將肥料排出，達(dá)到成穴效果，完成穴施肥，即肥料落在勻速移動(dòng)的傳送帶上呈一堆一堆的狀態(tài)。其中，通過(guò)控制排肥器轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)施肥量進(jìn)行控制。在試驗(yàn)臺(tái)下方由交流減速電機(jī)配套的調(diào)速器提供動(dòng)力，通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬田間作業(yè)的車(chē)速環(huán)境。
3參數(shù)及主要模塊
3.1試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
3.2主要模塊
3.2.1施肥機(jī)構(gòu)
施肥機(jī)構(gòu)是整個(gè)裝置的核心部分。目前，外槽輪排肥器應(yīng)用比較廣泛，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流動(dòng)性好和施肥均勻的優(yōu)點(diǎn)，所以將其作為試驗(yàn)臺(tái)的排肥裝置。市場(chǎng)上更為常見(jiàn)的是鑄塑型外槽輪排肥器，殼體以塑料制作，可以改善肥料對(duì)排肥器壁上的粘著與腐蝕，配合相應(yīng)電機(jī)及控制系統(tǒng)可以滿(mǎn)足實(shí)際試驗(yàn)的要求[8]。
3.2.2傳送帶平臺(tái)
試驗(yàn)臺(tái)平臺(tái)框架采用2020型鋁合金型材搭建，傳送帶平臺(tái)長(zhǎng)2.5m、寬0.4m。傳送帶平臺(tái)的動(dòng)力來(lái)源于61K200RGU-CF型號(hào)的交流齒輪減速電機(jī)，調(diào)速功能由與交流齒輪減速電機(jī)配套使用的US-52調(diào)速器實(shí)現(xiàn)。此電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為90～1400r/min，功率為200W，傳送帶速度范圍是0～2.2km/h。
3.2.3控制系統(tǒng)
試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，決定了試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)效果。其主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、人機(jī)接口模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊組成，如圖3所示。它通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制排肥器來(lái)進(jìn)行精準(zhǔn)排肥。單片機(jī)選用的是較為常用的STC15F2K60S2，其編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、成本較低，傳承于經(jīng)典的8051單片機(jī)，單時(shí)鐘機(jī)器周期，內(nèi)部集成高精準(zhǔn)R/C時(shí)鐘及高可靠復(fù)位電路[9]。
4穴施肥性能試驗(yàn)
4.1試驗(yàn)條件
1)試驗(yàn)依據(jù):NY/T1003-2006《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》。
2)試驗(yàn)肥料:含硫加鉀控緩釋尿素。
3)試驗(yàn)時(shí)間:2018年9月10日。
4)試驗(yàn)地點(diǎn):黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院204實(shí)驗(yàn)室。
5)試驗(yàn)設(shè)備:精度為0.01g的電子秤及卷尺。
4.2試驗(yàn)方案
打開(kāi)電源，通過(guò)穴施肥控制器設(shè)定需求排肥量與玉米排種器的轉(zhuǎn)速等參數(shù)，點(diǎn)擊“開(kāi)啟”按鈕開(kāi)啟試驗(yàn)臺(tái)工作。通過(guò)設(shè)定排肥器的不同開(kāi)度，測(cè)定其每次施肥量，計(jì)算玉米變量穴施肥試驗(yàn)臺(tái)的施肥變異性系數(shù)并繪制殘差圖，用來(lái)判斷每次穴施肥量是否在目標(biāo)施肥量的誤差范圍內(nèi)及是否達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，測(cè)量穴距、種肥距離，根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的性能能否達(dá)到要求。
4.3試驗(yàn)方法
將試驗(yàn)臺(tái)電源接通，在控制系統(tǒng)上設(shè)定目標(biāo)施肥量與排肥排種電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于穴施肥需要間隔施肥并且每穴施肥量較小，所以在排肥過(guò)程中排肥電機(jī)是間斷啟動(dòng)停止的。也就是說(shuō)，轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量的影響不大，僅在排肥速度效果上有較小差異，即轉(zhuǎn)速越快每次排肥時(shí)間越短。經(jīng)測(cè)試，所選的步進(jìn)電機(jī)在轉(zhuǎn)速為40r/min時(shí)排肥較為穩(wěn)定，故將轉(zhuǎn)速設(shè)為40r/min，改變不同開(kāi)度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法為在穴施肥裝置下方放置一個(gè)器皿，用于盛裝每次施出的肥料。試驗(yàn)結(jié)果在手動(dòng)情況下測(cè)得，通過(guò)電子秤測(cè)量得到每次施肥量的質(zhì)量，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出穴施肥最適宜開(kāi)度，再設(shè)定為此開(kāi)度進(jìn)行下一步的穴距、種肥距離測(cè)量分析。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖如圖5所示。
4.3.1確定最優(yōu)開(kāi)度
設(shè)定轉(zhuǎn)速為40r/min、目標(biāo)排肥量為5g/穴，分別調(diào)整開(kāi)度為5、10、15、20、25、30mm進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)容器分為6個(gè)，分別標(biāo)號(hào)1～6號(hào)，依次的質(zhì)量分別為3.99、4.06、4.00、3.98、3.98、4.05g，將測(cè)得的每次穴施肥量減去相應(yīng)容器的質(zhì)量為每次凈穴施肥量。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，殘差散點(diǎn)圖如圖6所示。
通過(guò)計(jì)算可知:在不同開(kāi)度下的殘差平均值分別為1.287、0.348、1.107、0.647、0.832、0.853，即開(kāi)度在10mm時(shí)殘差平均值最小。由圖6可以看出:在開(kāi)度為10mm時(shí)，殘差較小且走勢(shì)較為平穩(wěn)，結(jié)合殘差均值可得出開(kāi)度為10mm時(shí)進(jìn)行穴施肥最為精準(zhǔn)穩(wěn)定。同時(shí)，根據(jù)公式(3)計(jì)算得出該試驗(yàn)臺(tái)總變異性系數(shù)為4.39%，開(kāi)度為10mm時(shí)變異性系數(shù)為0.28%，均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)≤7.8%的要求。
4.3.2穴距與種肥距離測(cè)量
將排肥器開(kāi)度設(shè)為10mm進(jìn)行進(jìn)一步的排肥試驗(yàn)。查閱相關(guān)書(shū)籍文獻(xiàn)可知，玉米種植穴距要求為15～40cm，種肥距離為3～5cm[10-11]。設(shè)定目標(biāo)穴距為30cm，啟動(dòng)穴施肥裝置與傳送帶平臺(tái)。由于傳送帶平臺(tái)長(zhǎng)度有限，設(shè)為6次連續(xù)穴施肥為1組，完成1組后即停止設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)為每穴肥量與種子的中心為端點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果如表3、表4所示。
試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明:實(shí)際穴距均滿(mǎn)足農(nóng)藝要求范圍的15～40cm，與目標(biāo)值的方差范圍為0.804～3.260;實(shí)際種肥距離基本滿(mǎn)足農(nóng)藝要求范圍的3～5cm。
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5結(jié)論
1)設(shè)計(jì)了一臺(tái)符合國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)械施肥標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)農(nóng)藝要求的玉米變量穴施肥試驗(yàn)臺(tái)，可以通過(guò)配套控制系統(tǒng)模擬機(jī)車(chē)在不同行駛速度下進(jìn)行同步穴施肥。
2)通過(guò)改變外槽輪開(kāi)度進(jìn)行試驗(yàn)表明:在開(kāi)度為10mm時(shí)，排肥最為精準(zhǔn)穩(wěn)定，且排肥變異性系數(shù)、穴距與種肥距離符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
3)試驗(yàn)結(jié)果表明:研制的玉米穴施肥試驗(yàn)臺(tái)性能可靠，操作方便，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以為以后的玉米穴施肥裝置的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供相關(guān)的理論支持。
