水稻插秧同步精量施肥机的设计

药林桃,曹晓林,宋思明,罗 翔,戴晨明,王东荣

(1.江西省农业科学院 农业工程研究所,南昌 330200;2.湖南龙舟农机股份有限公司,湖南 汨罗 414400;3.江西农业大学,南昌 330045;4.江西省农业机械化技术推广监测站,南昌 330045)

0 引言

水稻在我国种植面积广泛,产量几乎占全国粮食总产量的40%,但目前水稻机械化生产水平相对于旱地作物还存在一定的差距。尤其是机械化种植和施肥水平依然不高,施肥作业主要是以人工或机械抛洒为主的全层施肥和表面施肥,肥料抛洒不均匀,利用率低,还会造成环境污染[1-3]。2017年,中央1号文件提出“推行绿色生产方式,增强农业可持续发展能力”,明确要大力推进化肥农药减量增效等“一控两减三基本”的工作目标。水稻机械化生产技术中,采用水稻插秧机带侧深施肥装置的同步施肥技术,是国际上公认的减少化肥施用量最为有效的技术措施之一。

水稻机插秧同步侧深施肥装置可以搭载插秧机,在机插秧的同时将颗粒状肥料准确、均匀、可靠地施在水稻秧苗根系附近,有效提高了肥料利用率和作业效率[4-6]。日本、韩国生产的毯状苗插秧机都配有同步侧深施肥装置,主要采用风力把固态肥料颗粒吹入输肥管,风力作用能有效防止输肥管和排肥口堵塞,施肥效果较好,但由于价格、肥料特性和差异化技术设备销售等原因,在国内应用较少[7-9]。目前,国内已开展了多种水稻插秧机同步施肥装置的试验研究,排肥部件主要有风力式、槽轮式和螺旋式等[10]。但是,国内的肥料极易潮解,水田作业环境下风力式和槽轮式排肥装置易堵塞,施肥效果差。

2FH系列水稻插秧同步精量施肥机采用分割式肥箱,每个肥箱供应两行施肥器,可搭载多种型号插秧机。该机具采用直流电机驱动、螺杆旋转强制排肥,可以防止排肥口拥堵,持续、均匀地将肥料推送入土壤中,实现了水田定位深施肥,保证了施肥量精量可调。

1 整机结构及工作原理

2FH系列水稻插秧同步精量施肥机主要由肥料箱、施肥支架、输送管、施肥机构、覆泥装置、测速机构和电器部件等组成[11],如图1所示。机具与插秧机搭载采用后置固定连接,与插秧部件为同一动力源,不但传动可靠且可以保证施肥与插秧同步,插秧即施肥,不插秧时施肥机即停止,提高肥料利用率。肥料箱安装在施肥支架上方,用于储存肥料,每个肥箱供应两行施肥器。施肥机构由执行电机、输送螺杆、输送筒及传感器等组成,肥料靠自身的重力和机具震动的作用,通过电动螺旋式排肥器排出,通过调节电机转速实现施肥量的无级调节;施肥管与开沟覆泥装置连接,开沟器可在水田泥土中开出4～5cm 深的沟,螺旋搅龙推动颗粒肥料排入沟内,在覆泥装置作用下将施入肥料的泥沟闭合,肥料即可精施在秧苗的预定侧、深位置,如图2所示。智能显控机构安装在插秧机前端秧盘架上,用于设定排肥量、插秧株距等参数,并监测施肥机的实时作业状态。机具在插秧的同时,肥料通过输送管到达导肥管,执行电机根据设置的参数带动螺杆旋转,将导肥管里的肥料输送到秧苗侧、深处指定的位置。肥料传感器用于监测肥料箱里面是否有肥料,插植速度传感器用于监测插秧机的插植速度,施肥速度传感器用于检测施肥机输送螺杆的转速。

1.履泥装置 2.开沟器 3.输肥管 4.肥箱 5.导线管 6.显控机构 7.插秧机 8.控制器 9.电动螺旋式排肥器 10. 施肥支架

1.肥料 2.覆盖泥土 3.秧苗

选用YR60DZF(9寸)高速插秧机与2FH-6型水稻插秧同步精量施肥机搭载,组合机具可同步完成机插和施肥作业。肥料量设置范围为 15～45 kg/667m2,调节精度为1kg/667m2,株距设置的数值必须与插秧机设置的株距一致。

2 工作部件

施肥工作部件由肥箱、执行电机、螺旋式排肥器、输肥管、开沟覆泥装置及传感器等组成,可定量将肥料输送到指定位置如图3所示。

2.1 排肥装置的设计

排肥器选用电动螺旋式排肥器,通过调节电机转速进行施肥量的控制,转速根据设定的施肥量进行调整,实现精量施肥。相比于无动力方式(如窝槽施肥器、外槽轮式施肥器等),电动螺旋式排肥器不仅可以保证不淤、不堵、排肥顺畅,还能够有效保证排肥的稳定性、一致性和均匀性。单个施肥机的结构图如图4所示。

1.覆泥装置 2.输肥管 3.肥箱 4.执行电机 5.导肥管 6.楔形开沟器

图4 电动螺旋式排肥器

排肥量Q是衡量螺旋排肥器工作能力的一个重要指标,它与输送杆的倾斜角度、横断面积A、叶片螺距s、电机转速n等参数密切相关[12-14]。

2.1.1 电机

根据高速插秧机的电路特点,电动螺旋式排肥器选用12V 60W直流无刷电机,最高转速为1 500 r/min。

2.1.2 输送杆横断面积

输送杆横断面积计算公式为

(1)

式中A—横断面积(m2);

D—螺旋叶片的直径(m);

d—螺旋轴直径(m);

φ—填充系数。

2.1.3 螺旋轴直径d

根据螺旋面与肥料的摩擦关系及速度各分量的适当分布,来确定最合理的轴径。计算公式为

d=0.5×D

(2)

2.1.4 螺距s

螺距的大小直接影响着肥料输送过程。排肥量Q和螺旋叶片的直径D一定时,螺距改变,肥料运动的滑移面随着改变,这将导致肥料运动速度分布的变化。通常螺距应根据螺旋面与肥料的摩擦关系、速度各分量间的适当分布关系,来确定最合理的螺距尺寸。计算公式为

s=k1×D

(3)

通常k1值在1～1.5范围内取,在同样的输肥量和效率时选用较大值。试验证明,较低的k1值将引起肥料较大的破损。因此,本文取k1=1.15。

2.1.5 肥料的移动速度

在实际工作中, 通常不考虑肥料轴向阻滞的影响,因此肥料的移动速度计算公式为

v=s×n

(4)

式中v—移动速度(m/min);

s—叶片螺距(m);

n—转速(r/min)。

2.1.6 螺旋输送机构的输送量

螺旋输送机构的输送量计算公式为

Q=A×v×λ×ε=47×(D2-d2)×

φ×s×n×λ×ε

(5)

式中Q—输送量(kg/h);

λ—肥料容重(kg/m3)。

水稻插秧同步精量施肥机工作状态下倾斜角度为77°,查阅相关的手册可知:倾斜输送系数ε=0.54,肥料填充系数φ=0.32。

根据插秧机的工作效率和大田施肥量,单个螺旋输送杆输肥量为7.5～45kg/h,肥料容重约为1 100 kg/m3。经过计算,得出螺旋输送机构的设计尺寸为D=22mm、d=11mm、s=25mm。

选择最低转速50r/min和最高转速1 500r/min输肥量公式,Qmin=4.05kg/h,Qmax=121.6kg/h,满足作业要求。

2.2 开沟覆泥装置的设计

开沟覆泥装置由楔形块、导肥管和覆泥板组成,如图5所示。插秧机作业速度不高,选用楔形开沟器,水田作业时光滑的楔形块具有减阻降粘的作用[6];开沟覆泥装置选用塑钢材料,防生锈,开沟阻力小,入土性好。

作业过程中,经过船板底部的根茬、杂草等在通过开沟器时,被光滑的楔形块两侧随泥浆沿向后张开的梯形导肥器分流而去,使泥浆无法瞬间弥合开出的沟槽,为经过导肥器中的肥料顺利通行创造了条件。每个肥箱左右两侧各1个开沟覆泥装置,覆泥板安装在开沟器左右两侧的后方。

1.导肥管 2.楔形块 3.覆泥板

2.3 质心计算

水稻插秧同步精量施肥机搭载在插秧机上,整机的质心位置关系到插秧机作业的稳定性、操控的平顺性、制动性及通过性。质心高度对机具的使用性能有重要的影响,质心过高,很易导致机具横向失稳,特别是转弯掉头时易造成侧向倾翻。高速插秧机采用方向盘操作,本文采用卡车质心位置计算方法模拟计算施肥机搭载插秧机空载和满载时的质心坐标[15-18]。

1)水平距离计算公式为

(6)

式中a—质心到前轴的水平距离;

G1—前轴负荷;

G2—后轴负荷;

L—轴距。

(7)

(8)

式中gi—各总成(载荷)质量;

Xi—各总成(载荷)到前轴的水平距离。

2)质心离地高度计算公式为

(9)

式中h— 质心到地面高度;

hi— 各总成(载荷)离地高度。

空载时,机具各总成包括发动机、油箱、载秧台、外壳、施肥装置、电池、传动机构及车轮等;满载时,除去上述总成还要加上,司机和工作人员,载秧台秧苗、置秧架秧苗、肥料等。水稻插秧同步精量施肥机搭载高速插秧机在满载时作业状态和行走状态的质心位置,如图6所示。由图6可以看出:整套机具在装满秧苗和肥料的情况下,质心位置在机具中心处,可以保证机具操作的平顺性和整机的稳定性。

图6 整机质心位置图

3 排肥试验

为了对水稻插秧同步精量施肥机的可行性进行验证,对其进行了排肥量试验。供试肥料为颗粒状复合肥,平均粒径3.2mm,球形率90%,密度1.15kg/L,休止角26.12°。

2018 年 4月,在江西省农科院工程所实验室开展了排肥试验。插秧机行驶速度并非是匀速度运动,螺旋排肥器转速与插秧机行走速度有直接关系[19]。试验设定施肥量28kg/667m2,进行不同株距和不同转速下的排肥试验,结果如表1所示。

表1 排肥量试验结果

2018年4-7月,在江西奉新县、临川区试验点进行了早、晚稻机插同步精量施肥田间试验。试验点共计3.33hm2,奉新2hm2,临川1.33hm2,田块地表平整,坡角≤3°,机插株距14cm,施肥深度5cm,测定平均施肥深度、标准偏差、变异系数[20]和不同施肥量的排肥情况。试验过程中,肥料排放均匀,未发生堵塞现象,结果如表2所示。

表2 田间试验结果

试验结果表明:随着水稻机插株距的增大,各行的平均排肥量增大,变异系数变大,但都符合国家相关标准规定。这说明,针对不同株距,该施肥机具的各行排肥量的稳定性、一致性和均匀性较好。在水稻株距相同的情况下,插秧机行走速度越高,转速越快,各行的平均排肥量越大,变异系数也越大,插秧机行走速度变快,稳定性有所下降,但整体符合施肥要求。

实验室排肥量试验结果表明:各行排肥量变异系数范围在1.9%～3%,实际排肥量与理论排肥量的相对误差范围在2.2%～3.8%之间。田间试验结果表明:各行排肥量变异系数范围在5.1%～6.3%,实际排肥量与理论排肥量的相对误差范围在5.7%～6.3%之间。这说明,受田块的影响,在田间试验的变异系数和实际排肥量与理论排肥量的相对误差较实验室试验高,但都符合国家相关标准规定,表明该机具的各行排肥量的稳定性、一致性和均匀性较好。田间试验设置的施肥深度为5cm,施肥深度偏差小于0.35cm,合格率高于90%,说明该施肥机具可以较好的控制好施肥深度。

综上所述,该施肥机具各行排肥量变异系数、总排肥量偏差、施肥稳定性、一致性、均匀性及施肥深度合格率等重要指标均符合国家相关标准规定。

4 结论

1)水稻插秧同步精量施肥机搭载在高速插秧机上,能够一次完成插秧、施肥作业。与传统种植方式相比,减少了施肥作业环节,提高了劳动效率。施肥机具与插秧部件为同一动力源,传动可靠且能够保证施肥与插秧同步,操作简单。机具结构合理、运转平稳、工作安全可靠。电动螺旋式排肥器可将肥料精确施入秧苗的侧深处,具有较好的施肥稳定性、一致性和均匀性,可以降低肥料用量,减少肥料流失,提高了肥料利用率。

2)插秧机的行进速度对施肥量有一定的影响。行进速度变大,各行的排肥量增大,机身的稳定性下降,各行的变异系数也增大,但总体能够满足国家相关标准的要求。同时,由于田间环境更复杂,受田块环境的影响,田间试验的误差较实验室试验大,但整体满足施肥要求。