2BZD-2型智能電動(dòng)播種機(jī)施肥機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊 柳，衣淑娟，武 志，李渤海，李衣菲

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.工程學(xué)院；b.電氣與信息學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江北大荒農(nóng)機(jī)有限公司，哈爾濱 150090 )

0 引言

化肥作為糧食的養(yǎng)分，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者可利用化肥有效提高糧食產(chǎn)量，因而合理并高效地施用化肥對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展顯得尤為重要。近年來，我國(guó)化肥施用量穩(wěn)居世界首位，據(jù)相關(guān)資料顯示，2016年我國(guó)化肥總產(chǎn)量 7 004.92萬t(折純量)，是世界第一化肥生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。以氮肥為例，據(jù)2016年1-11月中國(guó)氮肥行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，我國(guó)氮肥施用量遠(yuǎn)高于其他各國(guó)，超過美國(guó)、俄羅斯和巴西等國(guó)均85%以上[1]。近年來，施肥不均衡現(xiàn)象表現(xiàn)突出，化肥的利用率和投入產(chǎn)出比低下等問題比較尖銳。目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者施用化肥仍然以人工施肥、傳統(tǒng)的粗放施肥及經(jīng)驗(yàn)施肥為核心，導(dǎo)致我國(guó)單位面積施肥量普遍偏高， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出全球的平均水平，是歐盟國(guó)家和美國(guó)的 2 倍以上[2]。過量施肥造成了土壤結(jié)構(gòu)變差，化肥利用率偏低，農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量下降，作物病蟲害增加，環(huán)境污染嚴(yán)重等一系列環(huán)境和社會(huì)問題。

目前，農(nóng)業(yè)已成為我國(guó)的最大面源污染產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)污染問題引起了政府和社會(huì)的普遍關(guān)注，實(shí)施科學(xué)施肥與變量施肥技術(shù)顯得尤為重要。為了改善現(xiàn)有人工施肥現(xiàn)狀，以東北地區(qū)土壤為試驗(yàn)基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了氣吸式免耕播種機(jī)的施肥機(jī)構(gòu)，并研制出2BZD-2型智能電動(dòng)播種機(jī)施肥機(jī)構(gòu)，有效解決了化肥利用率低、人工施肥過量及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)以來，國(guó)外精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)起步較早，發(fā)展迅速且技術(shù)成熟，尤其在北美、歐洲等地區(qū)精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)表現(xiàn)突出。

美國(guó)NT公司與當(dāng)?shù)馗咝：献鏖_發(fā)了一款利用光電傳感器的實(shí)時(shí)變量施肥機(jī)[3]，可針對(duì)不同類型的多種肥料進(jìn)行施肥，為今后變量施肥技術(shù)的研究開辟了一個(gè)新的發(fā)展方向。

日本的一款水稻變量施肥機(jī)，可根據(jù)機(jī)車行走的位置不同，經(jīng)預(yù)先設(shè)置好的地塊網(wǎng)格信息，實(shí)現(xiàn)不同地塊不同肥量的施用[4]。

德國(guó)AMAZONE公司研制的精準(zhǔn)變量施肥機(jī)，其原理為通過安裝在機(jī)器前端的光傳感器測(cè)得作物生長(zhǎng)所缺失的養(yǎng)分，經(jīng)過信號(hào)轉(zhuǎn)化處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變量施肥[5]。

法國(guó)的精準(zhǔn)變量施肥技術(shù)具有較高的自動(dòng)化水平。俄羅斯研制的變量施肥機(jī)根據(jù)電磁振動(dòng)原理來控制肥口的開關(guān)，進(jìn)而達(dá)到變量施肥的目的[6]。

國(guó)外變量施肥技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)非常完善，尤其在發(fā)達(dá)國(guó)家，但國(guó)外機(jī)器價(jià)格比較昂貴，并不適宜在國(guó)內(nèi)推廣；同時(shí)，機(jī)器的安裝與關(guān)鍵部件維修都需要國(guó)外技術(shù)人員在場(chǎng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且較多設(shè)備不適合我國(guó)農(nóng)田基本情況。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，變量施肥技術(shù)已經(jīng)成為目前研究重點(diǎn)之一，創(chuàng)新并研制符合我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的變量施肥機(jī)器尤為重要。

上海農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所聯(lián)合上海交通大學(xué)研制的我國(guó)首臺(tái)利用GPS技術(shù)的變量施肥機(jī)械，是一項(xiàng)重大突破[7]。

黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)設(shè)計(jì)了一款變量施肥播種機(jī)種機(jī)，可提取土壤肥力信息，根據(jù)所生成土壤養(yǎng)分肥力分布圖來實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地塊、不同區(qū)域中施肥量及肥料配比的控制[8]。

吉林大學(xué)研制了一款變量施肥機(jī)，可將變量施肥信息提前儲(chǔ)存在IC卡中，試驗(yàn)證明，該機(jī)具變量施肥效果良好[9]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)眾多科研院所和各大高校均對(duì)變量施肥技術(shù)有著不同程度的探索及研究。

對(duì)比國(guó)外變量施肥技術(shù)，國(guó)內(nèi)研究起步雖然較晚，但發(fā)展迅速。目前，國(guó)內(nèi)變量施肥技術(shù)仍然處于發(fā)展中階段，需研制適合我國(guó)國(guó)情的變量施肥機(jī)械，在智能化程度上也需進(jìn)一步提高。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 排肥器工作原理及結(jié)構(gòu)

2.1.1 工作原理

常見排肥器的類型有很多，如外槽輪式、擺斗式、滾輪式、振動(dòng)式及螺旋輸送式等[10]。外槽輪式排肥器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是現(xiàn)在市面上被廣泛施用的排肥器。一般的外槽輪排肥器由排肥盒、排肥槽輪、阻塞輪及擋刷等組成[11]，如圖1所示。

圖1 外槽輪式排肥器

外槽輪式排肥器主要施用具有一定流動(dòng)性的顆粒肥料。工作時(shí)，排肥軸帶動(dòng)外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，槽輪凹槽內(nèi)充滿的肥料隨著槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)排出排肥盒。由于顆粒肥料之間存在一定的摩擦力，隨著槽輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)帶動(dòng)凹槽以外的肥料一起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)肥料的排出[12]。由此可以看出：影響外槽輪式排肥器的排肥量的主要影響因素為槽輪的工作長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速。

2.1.2 排肥器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

普通市面上的排肥器調(diào)節(jié)工作長(zhǎng)度靠阻塞輪及排肥擋板，缺點(diǎn)為調(diào)節(jié)麻煩、肥料容易側(cè)漏及擋板長(zhǎng)時(shí)間容易變形等[13]。所以，本次設(shè)計(jì)排肥器去掉阻塞輪及排肥擋板，設(shè)計(jì)一個(gè)花擋圈(見圖2)，其與排肥槽輪外形相似互補(bǔ)，避免肥料側(cè)漏；同時(shí)與槽輪外側(cè)螺桿互相配合，通過螺旋擰手來調(diào)節(jié)工作長(zhǎng)度，方便快捷。

圖2 花擋圈

槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸與槽輪為一體結(jié)構(gòu)，在槽輪一側(cè)伸出長(zhǎng)度大于花擋圈加螺旋擰手總長(zhǎng)的一段螺旋軸，與螺旋擰手相配合來調(diào)節(jié)槽輪的工作長(zhǎng)度，如圖3所示。對(duì)比傳統(tǒng)阻塞輪，其調(diào)節(jié)槽輪工作長(zhǎng)度的方便性大大提高，在花擋圈與排肥盒接觸處增減橡膠圈，提高肥盒密封程度，防止花擋圈與排肥盒接觸處由于轉(zhuǎn)動(dòng)引起的磨損和肥料側(cè)漏現(xiàn)象的發(fā)生。

圖3 花擋圈與槽輪配合結(jié)構(gòu)

2.2 肥箱的設(shè)計(jì)

2.2.1 肥箱的要求

1)選取適宜大小的肥箱。若肥箱的容積太小，會(huì)影響在肥料施用過程中的填肥次數(shù)，造成不必要的麻煩；若肥箱的的容積太大，機(jī)器整體質(zhì)量增加，造成機(jī)車整體牽引力和功耗增加。

2)肥箱側(cè)壁傾角應(yīng)大于肥料自然休止角，使肥料通過重力自然滑落，減少肥料在肥箱中的滯留。

3)肥箱選取質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、不易腐蝕的材料。

4)設(shè)置清肥口，方便清理殘留肥料。

5)肥箱密封性要好，防止由于天氣潮濕造成肥料結(jié)塊問題的出現(xiàn)。

與此同時(shí)，校企合作模式還有利于企業(yè)更好的選用優(yōu)秀人才，通過參與到學(xué)校的教育教學(xué)過程當(dāng)中，挖掘隱藏在學(xué)校內(nèi)部的優(yōu)質(zhì)人才資源，優(yōu)先選拔和聘用該類人才可以為企業(yè)節(jié)約大量的人才資源吸引和培養(yǎng)成本。企業(yè)還可以通過學(xué)校這個(gè)平臺(tái)來宣傳企業(yè)的文化和理念，提升企業(yè)的品牌效應(yīng)，吸引更多的客戶和合作者。

2.2.2 肥箱容量的計(jì)算

影響肥箱容積的因素主要有工作幅寬、肥料密度、施肥距離及施肥量。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要預(yù)留10%～20%的空余量[14]，防止出現(xiàn)因?yàn)榉柿康亩嗌儆绊懯┓市Ч默F(xiàn)象。

肥箱的容量V公式為

式中L—肥料所能施肥的距離不低于1個(gè)往返行程，取L=400m；

B—工作幅寬，B=1.8m；

Qmax—單位面積最大使用量(kg/hm2)；

r—肥料的密度(kg/L)。

經(jīng)過公式計(jì)算得肥箱容積為220L，設(shè)計(jì)肥箱容積比計(jì)算值約大10%，肥箱實(shí)際容積為244L。本設(shè)計(jì)采用3個(gè)肥箱，比例為1:1:2，則每個(gè)肥箱容積為68、68、108L。

2.2.3 肥箱尺寸

2.2.4 肥箱的總體結(jié)構(gòu)

變量施肥裝置的肥箱設(shè)計(jì)分為3個(gè)，分別盛放種不同成分的肥料。根據(jù)主肥與輔助肥存在施肥量的差別，設(shè)計(jì)成被分為1:1:2的一個(gè)大箱。其中，大箱為主肥箱，裝氮肥；兩小箱為輔助肥箱，分別裝磷肥和鉀肥。每個(gè)肥箱的結(jié)構(gòu)型式大體相同，由箱體、箱體左右端板和肥箱支腿組成，通過螺栓連接，固定在機(jī)架大梁上，如圖4所示。肥箱底板設(shè)置安裝有清肥口、外槽輪排肥器、排肥驅(qū)動(dòng)軸及電機(jī)等；肥箱側(cè)面安裝有伺服電機(jī)與減速機(jī)，直接與排肥軸相連，無傳動(dòng)系統(tǒng)，通過六方聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞給排肥驅(qū)動(dòng)軸。

傳統(tǒng)肥箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅適用于固定配比的復(fù)合肥料施播，同時(shí)存在清肥困難等缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)肥箱相比，該設(shè)計(jì)的肥箱具有3箱結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)氮磷鉀3種肥料的混合配比施播，可根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)更改氮磷鉀配比，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化肥料配比施播，減少了人力，節(jié)約了時(shí)間。

圖4 肥箱

2.3 電機(jī)的選擇

2.3.1 工作原理

其技術(shù)核心為微處理器技術(shù)與傳感器技術(shù)，工作方式采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)輸出軸通過六方聯(lián)軸器直接與排肥驅(qū)動(dòng)軸連接，減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，進(jìn)而直接控制外槽輪的轉(zhuǎn)速，使肥料從肥箱中排出，為實(shí)現(xiàn)變量施肥打下了基礎(chǔ)。

2.3.2 電機(jī)參數(shù)的選擇

選擇適合試驗(yàn)排肥器的電機(jī)，需要根據(jù)以下幾種參數(shù)選擇，即功率、電壓、扭矩等。

查資料知，扭矩公式為

式中P—功率(kW)；

n—轉(zhuǎn)速(r/min)。

功率公式為

P=Fv

式中F—力(N)；

v—前行速度(m/s)。

機(jī)具的前行速度為6～8km/h，外槽輪排肥器轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為0～60r/min。根據(jù)扭矩傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)(見圖5)可測(cè)得：功率P為45.12W，扭矩T為7.9N·m。

圖5 扭矩傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)功率P=45.12W、扭矩T=7.9N·m，可選取電機(jī)型號(hào)為ZD1531。電機(jī)電壓12V，功率50W，扭矩10N·m。一般傳動(dòng)系統(tǒng)采取鏈傳動(dòng)1:1或1:2，此裝置考慮到簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)及準(zhǔn)確性，不采取鏈傳動(dòng)，電機(jī)輸出軸直接連接六方聯(lián)軸器。此聯(lián)軸器外形尺寸與槽輪中心六方孔尺寸一致，電機(jī)輸出力通過該六方軸聯(lián)軸器直接控制槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)(見圖6)，來控制排肥。

圖6 電機(jī)與排肥器連接圖

2.4 機(jī)架的設(shè)計(jì)

2.4.1 機(jī)架材料選擇

采用槽鋼結(jié)構(gòu)，取Q235鋼板厚度25mm。查資料可知，Q235材質(zhì)的屈服強(qiáng)度是235MPa，抗拉強(qiáng)度約375～460MPa。

2.4.2 機(jī)架尺寸確定

機(jī)架與肥箱采用螺栓連接，所以機(jī)架的尺寸由肥箱尺寸決定，如圖7所示。其中，機(jī)架的橫截面積為S=8×1+45×1=53cm2。

圖7 機(jī)架

2.4.3 機(jī)架強(qiáng)度校核

該機(jī)架主要受壓應(yīng)力，查資料取Q235抗壓強(qiáng)度最小值375MPa，則

強(qiáng)度校核合格。整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 機(jī)架與肥箱裝配圖

3 田間試驗(yàn)結(jié)果與分析

2016年9月，在黑龍江省試驗(yàn)地對(duì)2BZD-2型氣吸式電動(dòng)播種機(jī)施肥裝置進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)選取市面常見氮磷鉀3種肥料，含水率均小于12%，粒度直徑范圍為0.85～2.80mm。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

機(jī)具與43kW以上的拖拉機(jī)配套使用。作業(yè)時(shí)，碎土鎮(zhèn)壓輪把動(dòng)力通過鏈條傳遞到排肥器上施肥，肥料通過撒肥管撒播在未動(dòng)土壤表面上，旋耕刀條帶旋耕土壤，單圓盤開溝器在旋耕好的種床上開溝播種，然后經(jīng)鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓。經(jīng)公式計(jì)算可知：各行排肥量一致性變異系數(shù)分別為氮肥1.2%、磷肥2.2%、鉀肥1.2%，均遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)13.0%；總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為氮肥1.5%、磷肥1.3%、鉀肥1.4%，均遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)7.8%，同時(shí)滿足實(shí)際生產(chǎn)要求與農(nóng)藝要求。

4 結(jié)論

1)該施肥裝置在結(jié)構(gòu)上不再通過地輪驅(qū)動(dòng)排肥器工作，而是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥軸工作，每個(gè)排肥器均有單獨(dú)單機(jī)控制，解決了傳統(tǒng)播種機(jī)作業(yè)中地輪打滑對(duì)整機(jī)排肥效果產(chǎn)生影響的問題，同時(shí)降低了機(jī)械的復(fù)雜度；創(chuàng)新設(shè)計(jì)了肥箱結(jié)構(gòu)，將肥箱分為3個(gè)肥槽，分別加裝氮磷鉀3種肥料，用戶可通過作業(yè)智能控制系統(tǒng)完成肥料配比的設(shè)置，不僅節(jié)約了人力，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)約了大量時(shí)間。

2)試驗(yàn)表明：該機(jī)具施肥機(jī)構(gòu)性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足中耕作物精密播種機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和精密播種機(jī)技術(shù)條件，各項(xiàng)變異系數(shù)均遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3)施肥機(jī)構(gòu)排肥量誤差小，穩(wěn)定性好，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，能夠進(jìn)行田間作業(yè)。該施肥裝置有效提高了農(nóng)業(yè)作業(yè)質(zhì)量及生產(chǎn)效率，減少了能源消耗，對(duì)提高我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平和增加糧食產(chǎn)量具有重要意義。