免耕播種機精量穴施肥系統設計與試驗

吳 南 林 靜 李寶筏

(1.沈陽農業大學工程學院, 沈陽 110866； 2.遼寧機電職業技術學院材料工程系，丹東 118009)

0 引言

科學施肥是保護性耕作的一項重要內容，是提高作物產量的重要因素之一。精量穴施肥技術是一種提高肥料利用率、保護土壤環境的有效途徑，對實現“高產、優質、高效、環保和改土”農業綜合目標具有重要意義[1-3]。目前，國內免耕播種施肥主要采用側位分施，一般為側深施，采取粗放的條溝施肥方式一次播排混合肥料，沒有針對特定種子，易造成營養成分過剩，肥料利用率不高，不僅造成經濟損失，而且使土壤環境的營養平衡受到破壞，長期如此將造成嚴重的地下水污染、土壤礦化變硬、破壞耕層等問題[4-13]。

穴施肥技術針對每一粒種子施用一定量的肥料，可以提高肥料利用率，降低化肥使用成本，改善因化肥施用不當造成的農業污染問題[14]。張勛等[15]設計了穴播穴施肥裝置控制系統，在窩眼輪式排肥裝置上增加了肥料二次定位機構，實現了穴播穴施肥控制功能。李沐桐等[16]通過試驗分析穴施肥控制機構的結構和工作參數，研究施肥傳動機構工作參數對施肥控制精度的影響規律，設計了玉米苗期自動穴施肥控制機構,實現了對中耕作物的自動穴施肥。胡紅等[17]設計了一種玉米行間定點扎穴深施追肥機，能夠在行間距600 mm的玉米行間進行追肥作業，1次完成2行玉米扎穴追肥。開魯縣吉祥農機制造有限責任公司[18]發明了一種直插式中耕穴施肥機，可將化肥精確地施在農作物附近，提高化肥吸收率。張培坤[19]發明了一種起壟施肥機用穴施肥機構，通過在肥料出口設置肥料擴散堵盤，利用凸輪控制堵盤升降實現穴施肥。基于國內外專家學者對穴施肥裝置的研究，本文結合玉米穴播穴施肥技術要求，設計一種穴施肥控制系統，通過穴施肥控制算法實現穴施肥位置控制。通過調節排肥軸轉速和鴨嘴閥開合頻率，實現穴施肥量控制。通過臺架試驗獲得穴施肥裝置較優的工作參數組合，以提高穴施肥系統的精確度和肥料利用率。

1 系統總體設計

1.1 穴施肥控制系統總體結構

為了提高免耕播種機施肥過程中肥料利用率，針對研制的2BMGYF-2型玉米壟作免耕播種機結構特點，設計了一種精量穴施肥裝置，將其安裝在免耕播種機原排肥器下方，實現免耕播種機精量穴施肥功能。免耕播種機穴施肥控制系統結構如圖1所示[20]。

圖1 免耕播種機穴施肥控制系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of control system for fertilization control system of no-tillage planter1.四連桿機構 2.機架 3.穴施肥裝置 4.施肥驅動電動機 5.肥箱 6.種箱 7.排種驅動電動機 8.鎮壓輪 9.覆土輪 10.播種開溝器 11.測深施肥開溝器 12.清壟輪 13.破茬盤

1.2 穴施肥控制原理

穴施肥控制系統由穴施肥控制器、播種控制、施肥量控制、肥料成穴控制4部分組成。控制系統原理如圖2所示。

圖2 控制系統原理圖Fig.2 Structure diagram of control system

施肥控制電動機與外槽輪式排肥器排肥軸相連，通過控制電動機轉速實現施肥量控制，在播種施肥作業時，排肥器根據設定的施肥量適時旋轉，肥料經過排肥口落入穴施肥控制裝置中，當播種檢測傳感器檢測到播種信號，鴨嘴閥適時打開，將每穴肥料集中施入合理位置，穴施肥完成后，鴨嘴閥快速關閉，續存下一穴肥料，進而實現精量穴施肥控制。

2 穴施肥控制裝置設計

穴施肥控制裝置由穴施肥裝置和控制電動機組成，穴施肥裝置成穴部件是鴨嘴閥。玉米免耕播種機在較高工作速度下進行精密播種施肥作業，要實現精準穴播種肥，鴨嘴閥開合需具有較高的頻率，搖桿機構直接控制鴨嘴開合，其參數對穴播質量至關重要，穴施肥裝置由搖桿、推桿、導肥管、鴨嘴閥等組成，結構如圖3所示。

圖3 穴施肥裝置結構示意圖Fig.3 Structure diagram of hole fertilization mechanism1.外殼 2.搖桿 3.支架 4.推桿 5.導肥管 6.鴨嘴閥

2.1 穴施肥裝置設計

根據穴施肥運動要求及其結構尺寸，建立圖4所示直角坐標系，α為鴨嘴閥支點C和F連線與水平方向夾角，β為鴨嘴閥側邊BE與垂直方向夾角，θ為推桿AD與連桿CD之間的夾角，δ為搖桿HG運動到IG轉過的角度，均為角度變量[21]。

圖4 穴施肥裝置簡圖Fig.4 Diagram of hole fertilization mechanism

由圖4的幾何關系可以得到點C(x0,y0)的坐標方程為

(1)

點B(x1,y1)的坐標方程為

(2)

點D(x2,y2)的坐標方程為

(3)

由此可得推桿頂點A(x3,y3)的坐標方程為

(4)

2BMGYF-2型玉米壟作免耕播種機播種開溝器播種深度為40～70 mm，施肥開溝器施肥深度為70～100 mm。施肥開溝器采用雙圓盤側深施肥開溝器，施肥肥溝一側為缺口圓盤，半徑170 mm；另一側為光面圓盤，半徑150 mm，與缺口圓盤呈7°斜角[22-23]。穴施肥控制裝置的鴨嘴閥安裝在雙圓盤開溝器夾角內，使穴施肥時不受外界環境和開溝深度影響。依據2BMGYF-2型玉米壟作免耕播種機側深施肥器結構尺寸要求，鴨嘴閥開合工作時不能與雙圓盤開溝器干涉，將鴨嘴閥安裝在雙圓盤開溝器后上方，鴨嘴閥頂點可在圓盤軸軸線上方，鴨嘴閥橫向長度和高度應小于125 mm。雙圓盤側深施肥器結構如圖5所示。

圖5 雙圓盤側深施肥器結構圖Fig.5 Diagram of double disc fertilizer attachment1.搖把 2.立板 3.穴施肥控制裝置 4.導肥管 5.推桿 6.鴨嘴閥 7.圓盤軸 8.缺口圓盤

綜合以上因素，本設計中鴨嘴閥橫向長度取60 mm，縱向長度取20 mm，高度取80 mm，推桿長度lAD取240 mm，lEF取20 mm，lCD取25 mm，當鴨嘴閥閉合時，lOD取30 mm，則lBD=50 mm。可求得lBE=67.08 mm，β=26.57°，θ=36.88°，lCF=52.20 mm，各點坐標為C(15，-50)，B(0，-80)，D(0，-30)，A(0，210)。依據各點坐標可知ζ=16.70°，η=9.87°，β=99.86°-α，從而可得

(5)

當鴨嘴閥開角最大時，即θ=90°，各點坐標為C(25，-51.96)，B(16.12，-84.29)，D(0，-51.96)，A(0，188.04)。由此可知，鴨嘴閥推桿移動范圍為0～21.96 mm。滾子半徑取5 mm，當滾子由H(x4,y4)運動到I(x5,y5)點時，推桿向下運動21.96 mm，此時滾子與推桿中心相切，由此可知

(6)

得搖桿lHG為50.72 mm。以吉農4號肥，每穴施肥量10 g為例，肥料顆粒密度為1.22 g/cm3 [24],10 g肥料所占體積為8.22 cm3。鴨嘴閥為錐形結構，續存10 g肥料的高度約為2.06 cm。

2.2 穴施肥裝置仿真

為保證穴施肥性能，對穴施肥裝置成穴性進行仿真試驗。試驗以吉農4號肥為研究對象，肥料顆粒平均密度為1.22 g/cm3，等效直徑為4.35 mm，肥料顆粒基本呈圓形，球形率0.95。應用顆粒系統仿真軟件EDEM，分析在施肥粒距25 cm，穴施肥量5 g,播種速度3、5、7 km/h條件下鴨嘴閥的成穴性能[25]。

在播種速度3、5、7 km/h時，對應肥料顆粒流量分別為0.016 67、0.027 78、0.038 76 kg/s，鴨嘴開合周期分別為0.30、0.18、0.13 s，鴨嘴閥向兩側旋轉角度為11.21°。試驗在3種工況下從第5秒開始，記錄30穴的施肥量，分析穴施肥效果。試驗中設置流量傳感器，每隔0.05 s記錄一次落到地面的肥料質量流量數據[26]，肥料質量流量隨時間變化，每穴施肥量為肥料質量流量對時間積分，穴距為相鄰兩個質量流量峰值的間隔時間與傳送帶速度的乘積，穴施肥量仿真曲線如圖6所示。

圖6 穴施肥量仿真曲線Fig.6 Simulated curves of hole fertilization

穴施肥仿真試驗數據表明，播種速度3 km/h，8.7 s施肥30穴，平均穴距24.90 cm；播種速度5 km/h時，5 s施肥30穴，平均穴距23.79 cm；播種速度7 km/h時，3.6 s施肥30穴，平均穴距23.28 cm。穴施肥仿真曲線表明，速度3 km/h時，波谷接近于零，表明肥料成穴性顯著，隨著速度上升，波谷波動較大，但波峰波谷分界顯著，試驗結果表明，在播種速度3～7 km/h時，鴨嘴閥成穴性能較好，隨著播種機速度的增加，成穴性能逐漸減弱。

3 穴施肥控制系統設計

3.1 穴施肥控制算法

玉米穴施肥是將肥料成穴施入距穴播種子一定間距的位置，肥料成穴位于種子側下方。肥料施用位置不同，直接影響增產效果和肥料利用率。穴施肥時肥料與種子垂直距離h2、水平距離a和播深是決定施肥位置的主要參數[27-30]，h2由排種口和排肥口的安裝位置決定，a可由穴施肥控制算法調節，播深由免耕播種機的開溝深度決定。種肥位置分布如圖7所示。

圖7 種肥位置分布圖Fig.7 Distribution diagram of seeds and fertilizer location

圖中h1為排種口與排種輪底部垂直距離；n1為排種盤轉速；σ為種子的投種角度；r為排種盤半徑；H1為排種輪底部與種溝距離；H2為排肥口底部與肥溝距離；vm為播種機前進速度；S為第N粒種子的位置；T為第N粒種子穴施肥位置。排種器在J點開始投種，種子脫離排種口時水平速度和垂直速度分別為

(7)

式中vx——種子脫離排種口水平分速度，m/s

vy——種子脫離排種口垂直分速度，m/s

種子從投種口落入種溝的運動時間t1滿足

其中

h1=r(1-cosσ)

(8)

種子脫離排種口到落于種溝的位移為

S1=vxt1-rsinσ

(9)

穴施肥裝置在K點開始施肥，忽略肥料間作用力和空氣阻力，肥料脫離排肥口水平和垂直速度分別為

(10)

肥料脫離排肥口落入地面的運動時間t2滿足

(11)

肥料脫離排肥口到落于肥溝上的位移為

S2=v′xt2

(12)

排種口與排肥口的水平距離為b,種子脫離排種口與肥料脫離排肥口的時間間隔為t3,若σ=0°，則h1=0，肥料與種子落于溝底的水平距離為

a=S1-S2+b+vmt3

(13)

當t3=0時，肥料與種子落于溝底的最小水平距離為

amin=S1-S2+b

(14)

穴施肥控制系統可以通過控制t3的值，實現肥料施用位置的有效調節。

玉米免耕播種每穴施肥量要綜合分析考慮多種因素，包括種子特性、土壤條件、產量水平以及栽培方式等。每穴施肥量由外槽輪式排肥器和穴施肥裝置聯合控制，由槽輪旋轉將肥料通過導肥管送入鴨嘴閥中，外槽輪式排肥器槽輪每轉的排肥量為

q1=fqLγz

(15)

式中fq——每個凹槽截面積，cm2

L——槽輪有效工作長度，cm

γ——肥料密度，g/cm3

z——凹槽個數

若每穴施肥量為q，則

(16)

式中n——排肥軸轉速，r/min

3.2 控制系統設計

系統采用臺達DVP-SX2系列PLC控制器，控制量主要包括2個100 kHz高速脈沖輸出接口，控制排種器和穴施肥控制裝置的驅動電動機，2個模擬輸出接口控制外槽輪式排肥器和傳送帶驅動電動機；輸入量主要包括2個100 kHz高速脈沖輸入接口，檢測排種器和穴施肥控制裝置的工作速度，1個10 kHz高速脈沖輸入接口，檢測穴播籽粒信號。控制系統硬件配置如表1所示。

系統軟件在臺達WPLSoft 2.37平臺采用梯形圖開發控制程序，在DOPSoft 2.00.04平臺開發監控系統程序。主要功能包括穴施肥工作參數錄入、工作實時參數監測、穴施肥控制算法、驅動電動機控制、電動機速度檢測、播種檢測等。系統程序流程：系統初始化；穴施肥工作參數設定；穴施肥位置和穴施肥量控制算法；等待播種籽粒信號，當檢測到播種籽粒信號，啟動穴施肥控制裝置，進行精量穴施肥[31-33]。

表1 控制系統硬件配置Tab.1 Hardware configuration of control system

4 臺架試驗

4.1 試驗材料

圖8 穴施肥性能試驗臺Fig.8 Performance test bench of hole fertilization1.電氣控制柜 2.監控系統 3.播種檢測傳感器 4.導種管 5.勺輪式排種器 6.外槽輪式排肥器 7.穴施肥控制裝置 8.鴨嘴閥 9.穴施肥裝置驅動電動機 10.臺架 11.傳送帶 12.傳送帶驅動電動機

為檢驗穴施肥控制系統性能和工作可靠性，進行了臺架試驗。試驗臺為自主研制的播種機性能檢測試驗裝置，如圖8所示。包括臺架、傳送帶、電氣控制系統、監控系統、傳送帶驅動電動機、勺輪式精密排種器、排種器驅動電動機、外槽輪式排肥器、穴施肥控制裝置、穴施肥裝置驅動電動機、播種檢測傳感器等。輸送帶上貼有強力網狀雙面膠帶，以增加種子和肥料落入傳送帶時的摩擦力，防止種子和肥料彈跳，影響穴施肥性能檢測。選用鄭單958玉米種子和吉農4號肥料作為穴施肥控制系統性能檢測試驗樣本。

4.2 試驗方法

將排種器、排肥器和穴施肥控制裝置固定在試驗臺上，通過控制傳送帶速度模擬田間作業。排種器投種角度σ=0°，排種口與傳送帶距離H1=10 cm，排種盤半徑12 cm，肥料與種子垂直距離h2=10 cm，排肥口與傳送帶距離H2為15～30 cm，排種口與排肥口的水平距離為b=20 cm，穴施肥控制系統設定每穴肥料中心點與種子水平距離a=5 cm，排肥器輪外徑d=6.8 cm，凹槽截面積0.188 cm2，槽輪有效工作長度L=1.5 cm，凹槽個數9個，排肥器每轉排肥量3.1 g。播種實際粒距為L2，每穴施肥量q2=5 g，每穴肥料中心點的距離為L3，每穴肥料實際質量為q3，則穴距精度

(17)

穴施肥量精度

(18)

按照試驗要求，系統運行后，穴播種子和肥料以一定的間距落到運行的傳送帶上，停機后，人工測量穴播施肥量和穴播位置，檢測穴施肥控制系統性能。

4.3 試驗結果與分析

播種機行進速度vm、鴨嘴閥旋轉角度Ω=2β、排肥口安裝高度是影響穴施肥性能的重要參數，將其作為試驗的3個因素，根據試驗裝置特點，連桿lCD取30 mm，各因素變化范圍：播種機行進速度為3～7 km/h，鴨嘴閥旋轉角為26.56°～37.71°，排肥口安裝高度為15～30 cm。每次試驗測量4 m施肥數據，每次試驗重復3次取平均值作為試驗指標。試驗因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Coding for factors

根據試驗設計原理進行三元二次回歸正交旋轉組合設計試驗，試驗方案與結果如表3所示。A、B、C為因素編碼值。

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行回歸分析，確定試驗指標在不同因素影響下的變化規律。穴距精度和穴施肥量精度回歸方程顯著性分析結果如表4所示。

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test scheme and results

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

由方差分析結果可知，失擬項P值大于0.05，說明回歸方程擬合較好，模型P值小于0.000 1，說明方程顯著，與試驗數據擬合較好。進而得出相應的回歸方程為

(19)

(20)

為直觀分析試驗指標與各因素之間的關系，運用Design-Expert 8.0.6軟件得到穴距精度和穴施肥量精度響應曲面，如圖9所示。

圖9 試驗因素對各指標的影響Fig.9 Influences of experimental factors on indicators

根據上述回歸方程和響應曲面可知，播種機行進速度、鴨嘴閥旋轉角度和安裝高度存在交互作用。穴距精度和穴施肥量精度均受行進速度和安裝高度影響最為顯著，其交互作用影響較大，為主要因素；旋轉角度對系統影響較小，與其他兩個因素之間存在一定的交互作用。

4.4 參數優化

為發揮穴施肥控制系統最佳工作性能，對試驗因素進行優化設計。建立參數化數學模型，結合試驗因素的實際工作情況，對穴距精度和穴施肥量精度的回歸方程進行分析，得到其非線性規劃的數學模型為

(21)

當播種機行進速度為7 km/h，旋轉角為33.37°，安裝高度為17.30 cm時，穴距精度和穴施肥量精度綜合效果最優，分別為86.03%和84.60%。

5 田間試驗

圖10 田間試驗Fig.10 Field test

為了驗證穴施肥控制裝置田間工作性能和可靠性，2017年4月和10月在遼寧省新民市公主屯鎮馬屯村玉米田地進行了田間試驗，如圖10所示。穴施肥控制裝置安裝在2BMGYF-2型免耕精密播種機上，拆除覆土輪，便于測量穴施肥裝置的穴距，播種開溝深度40～70 mm，施肥開溝深度種下30 mm，與播種開溝器側向距離50 mm。鴨嘴閥頂端與缺口圓盤底端距離17.30 cm，鴨嘴閥旋轉角33.37°，排種器投種角度σ=0°，排種口與種溝距離H1=30 cm，排種口與排肥口的水平距離為b=30 cm。試驗設備包括SM-2型高精度土壤水分測量儀(澳作生態儀器有限公司)，測量范圍0.05～0.6 m3/m3，在0～40℃時精度為±0.05 m3/m3；SC900型土壤緊實度測量儀(澳作生態儀器有限公司)，量程0～45 cm、0～7 000 kPa，最大加載95 kg，分辨率2.5 cm，35 kPa，質量1.25 kg；卷尺、皮尺、直尺、蓄電池。測得試驗留茬地的土壤含水率的平均值為19.16%，15 cm深土壤緊實度均值為1 370 kPa。試驗選用鄭單958玉米種子和洋豐復合肥料，播種粒距為25 cm，每穴施肥量q2=10 g，分別在播種機行進速度3、5、7 km/h下進行9次試驗，每次試驗測試距離為10 m，測量播種粒距和施肥穴距，計算出相鄰兩穴種子平均粒距和肥料平均穴距，每穴施肥量為施肥總量與施肥總穴數的比值。

穴施肥試驗數據取平均值，試驗驗證結果如表5所示。

表5 試驗驗證結果Tab.5 Verification of testing result

可見，在最優的穴施肥裝置參數作用下，速度在3～7 km/h時，穴施肥性能受系統參數變化影響較小，穴施肥精度隨著播種機行進速度的增加略有下降，穴距精度不小于84.76%，穴施肥量精度不小于87.20%。

6 結論

(1)為實現玉米精量穴施肥農業技術要求，設計了穴施肥控制裝置。根據其結構特點和安裝要求，對穴施肥裝置的結構參數進行了優化設計，使其能夠在3～7 km/h速度下實現精準精量穴施肥功能，滿足免耕播種施肥的農藝要求。

(2)應用EDEM軟件對鴨嘴閥的成穴性能進行了仿真試驗。試驗在播種速度3、5、7 km/h時，肥料平均穴距分別為24.9、23.79、23.28 cm，表明在播種速度3～7 km/h時，鴨嘴閥成穴性能較好，隨著播種機速度的增加，成穴性能逐漸減弱。

(3)設計了穴施肥控制算法。穴施肥控制系統通過控制種子脫離排種口與肥料脫離排肥口的時間間隔t3，實現對肥料與種子水平距離a的適時調節，保證穴施肥位置的精確性。通過控制排肥軸轉速和鴨嘴閥的開合頻率，實現穴施肥量調節，保證穴施肥量的精度。

(4)進行穴施肥裝置性能優化試驗，運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行分析，利用響應面法對回歸方程數學模型進行多因素優化，得到播種機行進速度7 km/h時最優參數為：鴨嘴閥旋轉角為33.37°，安裝高度為17.30 cm。田間試驗表明，在速度3～7 km/h范圍內，鴨嘴閥旋轉角為33.37°，安裝高度為17.30 cm，穴施肥控制裝置的穴距精度不小于84.76%，穴施肥量精度不小于87.20%。