【摘 要】
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液肥靶向深施是一项将肥料精准施于作物根系附近的施肥技术,可有效提升液肥利用率、减少液肥施用量、提高作物产量、避免液肥挥发污染环境,对我国农业绿色、高效、可持续发展具有重要意义。目前,液肥深施机具以穴深施和条深施作业方式为主,鲜有实现液肥靶向深施功能,现有机具存在施肥位置不准确和肥料浪费等问题。本文结合液肥应用现状,针对液肥深施机具存在的问题,以实现液肥靶向精准深施为目标,采用理论分析、机械设计、自
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液肥靶向深施是一项将肥料精准施于作物根系附近的施肥技术,可有效提升液肥利用率、减少液肥施用量、提高作物产量、避免液肥挥发污染环境,对我国农业绿色、高效、可持续发展具有重要意义。目前,液肥深施机具以穴深施和条深施作业方式为主,鲜有实现液肥靶向深施功能,现有机具存在施肥位置不准确和肥料浪费等问题。本文结合液肥应用现状,针对液肥深施机具存在的问题,以实现液肥靶向精准深施为目标,采用理论分析、机械设计、自动控制技术、虚拟仿真分析和试验研究等方法和手段,开展液肥靶向深施装置研究。主要研究内容如下:（1）高效回土液肥开沟器原理分析与结构设计针对中耕时期田间土壤特点,依据液肥开沟器应具有的低扰动、高回土性能,基于滑切原理和楔形面结构特点,创新设计一种高效回土液肥开沟器。明晰开沟器扰土行为,解析开沟器回土原理,构建开沟器-土壤颗粒间力学和运动学模型,确定影响高效回土液肥开沟器作业性能的主要结构参数。（2）靶向喷肥系统原理分析与设计以实现液肥精准喷施为目标,依据中耕时期玉米茎部特征及施肥农艺要求,解析靶向喷肥作业原理,分析系统作业过程,提出系统总体设计方案。基于模块化思路配置单片机主控、光电传感器、测速模块、继电器模块和电磁阀,设计靶向喷肥系统硬件电路。基于模块化编程思想,在Keil＿μVision5软件开发环境下,应用C语言构建靶向喷肥系统主程序、靶标探测子程序和液肥喷施子程序,实现系统各模块间高效通信以及传感器数据采集处理。靶向喷肥系统作业时,以光电传感器探测玉米植株个体为触发信号,单片机结合作业速度和预先存储的作业信息控制电磁阀启闭,实现液肥靶向喷施。（3）高效回土液肥开沟器数值模拟性能优化试验为确定开沟器最优结构参数组合,基于EDEM软件构建高效回土液肥开沟器-土壤虚拟仿真模型并开展仿真试验,探究高效回土液肥开沟器作业机理,建立减扰增回动力学模型。以终止滑切角和开度为试验因素,土壤扰动率和回土深度为试验指标,采用正交旋转试验开展高效回土液肥开沟器数值模拟性能优化试验。试验结果表明,影响开沟器作业性能的主要结构参数为终止滑切角θ2和开度l,取值分别为43.27°和37.52 mm时,开沟器性能最优,土壤扰动率和回土深度分别为50.23%和50.9 mm。根据所优化的结果进行虚拟仿真验证,土壤扰动率和回土深度分别为51.81%和52.6 mm,与优化结果基本一致。（4）高效回土液肥开沟器土槽试验研究为验证数值模拟性能优化试验准确性,检验高效回土液肥开沟器结构合理性,确定开沟器最优作业速度范围,开展高效回土液肥开沟器土槽试验研究。土槽验证试验在开沟深度80mm、作业速度1.0 m/s,土壤含水率16%±1%条件下进行,试验结果表明,高效回土液肥开沟器扰土行为、受力规律和沟型轮廓与虚拟仿真基本一致,土槽验证试验与虚拟仿真中力值和沟形轮廓参数相对误差较小,仿真模型准确,优化结果可靠,高效回土液肥开沟器结构设计合理。土槽性能试验以作业速度为试验因素,探究作业速度对高效回土液肥开沟器扰土行为和回土性能影响规律,确定最优作业速度范围,试验结果表明,在0.4～1.0 m/s作业速度范围内时,开沟器扰土行为较弱,回土性能较优,回土深度最小值和最大值分别为52.1 mm和55.8 mm,均达到高效回土液肥开沟器规定设计要求。（5）液肥靶向深施装置田间性能试验研究综合前期研究成果,配置液肥靶向深施装置,开展装置喷肥性能试验和作业性能试验。装置喷肥性能试验以液肥泵压力为试验因素,喷肥量为试验指标,探究液肥泵压力对喷肥量影响规律,确定装置作业时达到农艺要求喷肥量下的液肥泵压力范围为不小于0.6 MPa。装置作业性能试验以作业速度为试验因素、回土深度和对靶率为试验指标,考察装置田间作业性能,试验结果表明,液肥靶向深施装置平均回土深度52.8 mm,平均对靶率84.03%,液肥覆埋效果较好,系统运行稳定,装置综合作业性能较优,各项指标满足中耕时期液肥深施农艺要求。
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