単一スパイラル固定深さ溝掘削および施肥機械の設計と実験

Dec 28, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7798 (2023) この記事を引用

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低い施肥効率の問題,主に家庭用茶園肥料機械のプロセス操作と一貫性のない施肥深さの問題を目指して,単一スパイラル固定深さ溝入れ施肥機械を適切に設計した。 本機は、シングルスパイラル溝掘削・施肥の運転モードにより、溝掘削・施肥・覆土の一貫作業を同時に行うことができます。 主要コンポーネントの構造の理論的解析と設計が適切に実行されます。 確立された深さ制御システムにより施肥深さを調整できます。 性能試験の結果、シングルスパイラル溝掘削施肥機は、溝深さに関して最大​​96.17%、最小94.29%の安定係数を示し、施肥均一性に関して最大​​94.23%、最小93.58%を示すことが明らかになりました。茶園の生産要件を満たします。

肥料散布は作物生産の重要な側面の 1 つであり、肥料散布の品質は作物の成長に直接影響し、合理的な肥料散布は作物の高品質と高収量を確保するための重要な手段の 1 つであると一般に考えられています1、2、3。 、４． 中国における溝と施肥の主な方法は、ロータリー耕運機で溝を作り、次に肥料散布機を使用するか手動で肥料を散布し、最後に手作業で土壌を耕耘することである5、6、7。 この施肥アプローチでは、肥料の利用効率が比較的低く、残留肥料が表面に残る傾向があり、容易に環境を汚染する可能性があります8,9。 適切な施肥状況により、肥料利用率を向上させることができます10,11。 施肥位置が根から遠すぎると作物の吸収が悪くなり肥料率が低下しやすく、施肥位置が根に近すぎると根焼けを起こしやすくなります。 農学者による研究では、合理的な施肥位置が作物の根による肥料の吸収を最大限に高め、肥料利用率を向上させ、肥料率を下げるために重要であることが明らかになりました11、12、13、14。

外国の先進国では施肥機械の研究が早くから始まっており、掘削機の発達により掘削・施肥装置が急速に発展し、シェアプラウ、ロータリーディッチャ、チェーンディッチャの数段階を経験している15,16,17。 国内では溝入れ施肥機の導入は比較的遅く、主に回転式畝間施肥機が使用されていた18。 Xiao et al.19 は、肥料を均一に散布するためにトラクターと組み合わせて使用​​され、庭の施肥の農学的ニーズを満たすことができる庭用の二重らせん溝および肥料機械を開発しました。 Gaomi Yifeng Machinery Co., Ltd.は、スクリュー肥料分配器を通過して肥料の植え付け量を調整する内蔵型多目的施肥装置と、良好な通過性能を備えたクローラーシャーシを生産しました。 Shen Congju ら 20 は、庭園用の自走式ガス深ほぐし施肥装置を開発しました。これにより、固い地盤での肥料の打ち抜きと施肥の技術的問題が解決され、ガス爆発式深ほぐし施肥の開発に対する理論的基礎と技術的サポートが得られました。オーチャード21用マシン。

国内外の研究結果から、家庭用の受精機械は主にワンプロセス操作であり、自動深さ調整装置が備わっていないことは明らかです。 外国の掘削機や施肥機はより先進的ですが、高価であり、我が国の運用ニーズを満たしていません。 本論文では、溝掘り、施肥、覆土の統合作業を適切に実行でき、施肥深さを自動的に調整して一定の深さの施肥を実現できるスパイラル固定深さ掘削施肥機を設計し、施肥効率を向上させた。掘削・施肥機の作業効率と施肥効果。 この記事は 4 部に分かれており、第 1 部では施肥機械の研究の現状を紹介します。 2 番目の部分は、施肥機の機械構造と制御システムを設計することを目的としています。 第三部では溝試験、施肥試験、圃場試験を扱います。 4 番目の部分では、記事全体と得られた主な結果を要約します。

茶畑の農業ニーズに合わせて施肥効率を向上させるために、単一スパイラルの固定深さの溝掘り施肥機が適切に設計されています。対応する全体構造が図1に概略的に示されています。この機械は本質的にトラクターで構成されています。 、伝達機構、肥料ボックスフレーム、スクリュー肥料分配器、肥料ボックス、肥料供給パイプ、固定深さ研削ホイール、グラススクレーパー、溝掘削および施肥機構、スパイラルブレードなど。主な技術パラメータも表1に示します。

肥料構造の概略図。主要部品は以下のように分類されます。 1. トラクター、2. 伝達機構、3. 肥料ボックスフレーム、4. スクリュー肥料分配器、5. 肥料ボックス、6. 肥料供給パイプ、7. 固定深度研削ホイール、8. 草スクレーパー、9. 溝と施肥機構、および 10. スパイラルブレード。

溝の深さは、溝を掘って施肥機械を作動させる前に、施肥の農学的要件に従って事前に決定されます。 溝入れ・施肥時には、トラクターが溝入れ・施肥装置を前方に引っ張り、溝入れ・施肥機が土に切り込み、肥料がスクリュー肥料分配器を通って排出され、肥料送出パイプを通って溝入れ・施肥機構に輸送され、最後に溝入れ・施肥機構に運ばれます。溝と施肥機構によって掘られた溝に落ちます。 同時に土が下がって覆土が完成し、溝掘り・施肥・覆土の一体動作を実現します。

肥料装置はスクリュー肥料分配器を採用しており、図2に示すように、基本的に肥料ボックス、肥料出口、肥料入口、回転軸、肥料スパイラルブレードで構成されています。

スクリュー肥料分配器の概略図。主な構成要素は次のとおりです。1. 肥料ボックス、2. 肥料出口、3. 肥料入口、4. 回転シャフト、5. 肥料スパイラルブレード。

スクリュー肥料分配器の直径は、スクリュー肥料分配器の重要な要素の 1 つであり、スクリュー肥料分配器によって植え付けられる肥料の量と肥料分配の一様変動係数に直接影響します22。 肥料の植え付けの量と速度は考慮されていないため、一輪まき-肥料の評価式は次の形式になります。

ここで、Dはスクリュー肥料分配器の外径(mm)、dはスクリュー肥料分配器の内径(mm)、sはスクリュー肥料分配器のピッチ(mm)、bはスクリューの平均厚さを示します。スクリュー肥料分配器の歯 (mm)、h はスクリュー肥料分配器のネジ歯の深さ (mm)、L はスクリュー肥料分配器のネジ歯の平均長さ (mm)、ρ は肥料量を示します重量（g/mm3）、φはスクリュー肥料分配器の充填係数を表します。

式のおかげで、 (1) より、一輪肥料の播種量 (q) は、D、d、S、ρ、φ などのさまざまな要因に依存することがわかります。 D、d、S の値を変更することでシングルリング肥料の播種量 (q) が変化します。 スクリュー肥料分配器の外径と肥料播種作業全体での肥料播種量の関係は次のようになります。

ここで、Qはスクリュー肥料分配器の肥料散布量(t/h)、Aは材料総合特性係数、Kは材料総合係数、cはピッチと直径の比例係数、λは材料単位の質量を表す。体積（t/m3）、εは伝達係数を表します。

機械が連続運転している場合、施肥率は次のように表すことができます。

ここで、Qs は肥料速度 (t/h)、g は移動距離 (t) にかかる肥料速度、s は移動距離 (m) を表します。

茶畑の施肥に関する農業学的要件によると、茶の木に必要な施肥量は 1.8 kg と予測されています。 茶の木の1列には0.9kgの肥料が必要で、茶の木の株間は通常1.5〜1.8メートルです。 施肥機の移動速度として平均速度 1100 m/h を選択すると、施肥量 (Qs) は 0.6t/h と求まり、肥料播種量 (Q) も 0.6t/h と予測されます。式に基づいて (6)。 肥料材料のパラメータから、肥料の充填係数 (φ) は 0.25、肥料の総合特性係数 (A) は 28、肥料材料の単位質量は 1.2 であることがわかります。 T/m3、ピッチと直径の比例係数は0.9、搬送係数は0.9であり、これらを式(1)、(2)に代入する。 (4)と(5)。 さらに計算すると、スクリュー肥料分配器の外径は 91 mm であることがわかります。 このような係数は標準シリーズとして設計されるべきものであるため、その値は 88 mm としても問題ありません。

スクリュー肥料分配器のピッチは、スクリューの上昇角度と肥料の進行速度を決定し、スクリュー肥料分配器からの肥料の量と均一性に重大な影響を及ぼします23。スクリュー肥料分配器のピッチは評価されます。次の関係によると:

ここで、K1 はピッチと直径の比例係数を表し、通常は 0.8 ～ 1.0 の範囲にあり、主に肥料の流動能力に関係します。

既存の設計経験によると、総合解析により K1=0.8 となるため、ピッチは 70.4 mm となり、四捨五入して 70 mm となります。

肥料要件を満たしながら施肥の均一性を最大化するために、回転シャフトの適切な回転速度により施肥量の安定性を確保できます。 スクリュー肥料分配器の回転速度は、肥料量、スクリュー肥料分配器の直径、および肥料の関連する材料パラメータに基づいて、より良い回転速度を決定するために決定できることに留意すべきである24。 回転速度が高すぎると、遠心力の作用により肥料がスクリュー肥料分配器の内壁に付着します。 したがって、肥料の遠心力と重力は次の要件を満たす必要があります。

各種肥料の効果を考慮し、

ここで、Aは肥料総合係数、K0は肥料総合特性係数、nmaxはスクリュー肥料分配器の最高速度(r/min)、nはクルー式肥料分配器の回転速度(r/min)を表します。 乗組員肥料散布者の肥料播種量は次のように計算できます。

式によると、 (14) および (16) より、乗員肥料分配器の回転速度は次の条件を満たす必要があります: n ≤ 200 (r/min)。

シングルスパイラル溝入れ施肥機のスパイラル溝入れ装置は、図3に示すようにシングルスパイラル溝入れを使用します。主に、トランスミッションケース、バッフルプレート、カッター、スパイラルブレード、およびツールビットで構成されています。 シングルスパイラル溝掘りの方法は、シンプルで密着した構造で、消耗が少なく、スパイラルブレードのエッジ部分が土壌切断ブレードの増加に組み込まれているため、余分な変形の発生を効果的に防ぐことができます。

スパイラル溝入れ追肥の構造概略図。主な構成要素は、1. トランスミッションケース、2. バッフルプレート、3. カッターアーバー、4. スパイラルブレード、5. ビットです。

シングルスパイラル溝入れ施肥機は茶畑内で使用され、スパイラルブレードを使用して溝を掘削します。農業上のニーズに合わせて、溝幅は 250 mm 以上に設定されています。 スパイラルブレードの直径は次のとおりです。

ここで、D1は螺旋羽根の直径(mm)、D2は施肥機の溝幅(mm)を表します。

シングルスパイラル施肥機では最大溝深さ 450 mm が必要であるため、スパイラルブレードの直径は 250 mm として選択されます。 また、螺旋刃は土に対する切り込みと斜め加工を行う必要があるため、螺旋刃の高さは３５０ｍｍとし、バイトの高さは１００ｍｍに調整した。 同時に、直線の掘削作業を実行します。これは、材料の高強度と高硬度の必要性が高いことを示しています。 したがって、材料として厚さ 10 mm の CR12MOV が選択されます。

らせん状のブレードは、らせん状の溝掘削および施肥機構の主なパラメータであり、その構造パラメータは溝掘りの品質と消費電力に直接影響を与える可能性があります 25,26。 シングルスパイラル溝入れ施肥機は円筒形の可変スパイラル溝入れ機構を採用しており、可変ピッチスパイラル曲線は多数の接線から構成されています（図4参照）。

スパイラル曲線の概略図。

z 軸に沿った母線上の点 A を考え、それを上向きの等加速度運動をしているとみなします。 したがって、その軌道は ZOX 平面上で放物線を形成し、その螺旋曲線は次の関係で表すことができます。

ここで、r はディッチングナイフの半径 (mm)、n は螺旋の巻き数、γ は螺旋の角度 (°)、n1 は B での螺旋の巻き数、β は C での螺旋の角度 (°) を表します。 、ｈは点Ｆの高さ（ｍｍ）を表す。

らせん状の溝掘りおよび施肥機構の効率は、土壌の切断および持ち上げ作業を完了するためのらせん状ブレードの動作に依存します。 茶施肥の農業上のニーズに応じて、溝の幅は 200 ～ 300 mm の範囲に設定され、それに対応する深さは 300 ～ 400 mm と考えられます。 消費電力、施肥の深さと幅を考慮して、スパイラル溝掘削および施肥機構の主なパラメータは、式（1）と式（2）を組み合わせることによって設計されます。 (17) および (18) を表 2 に示します。

単ネジ溝切り機構は溝の底までカットし、その自動調整プロセスを図 5 に示します。

自動深さ調整の概略図。

溝掘り作業中、溝と施肥の深さ（H）は、茶の木の成長と施肥の農業学的要件に応じて固定深さ（H1）の高さを設定することによって得られます。 固定深さの研削ホイールが地面に接触すると、溝切りカッターアーバーが回転して土に切り込みます。 このとき、固定深さ研削ホイールの深さセンサーは信号をリアルタイムでシングルチップマイコンに送信し、油圧シリンダーの伸縮制御を担当します。 この目的のために、主にリレーとソレノイドバルブが使用され、溝掘りと施肥の深さのリアルタイム調整を実現し、それを一定に保ちます（つまり、H=cte）。 調整原理図を図6に示します。

深さ自動調整の概念図。

固定深さ制御システムは、スパイラル固定深さ掘削および施肥機の主な制御システムであり、主にハードウェア システムとソフトウェア システムで構成され、固定深さのリアルタイム フィードバックを通じて掘削と施肥の深さを制御します。制御システムは図 7 に示されています。制御システムのプログラムは C 言語でコーディングされています。 メインプログラムはいくつかのサブルーチンを呼び出してマシン全体の制御を実行します。 制御システムは、コア制御要素として STM32 L1 シングルチップ マイクロコンピュータに基づいており、基本的に電源、電圧レギュレータ モジュール、および実行モジュールで構成されます。 電源は深セン新恒電力技術有限公司製の24V、40AHのリチウム電池です。制御システム全体に独立した電源を供給するために使用されており、電圧レギュレータモジュールを活用することで安定した電源を供給します。電子部品用。 固定深さ研削ホイールは、プロファイル制御バルブ (つまり、最大動作圧力 28 bar の Danfoss PMF プロファイリング制御バルブ) の操作レバーに取り付けられており、実際に固定深さ研削ホイールの上下を検出するために利用されます。 -時間を調整し、溝と施肥の深さを制御します。 油圧モーターは Foshan Honpeng Hydraulic Co., Ltd. の BRM-50 で、回転速度 750 rpm、トルク 89 Nm で、スクリュー肥料分配器の回転速度、ひいては肥料量を制御するために使用されます。

シングルスパイラル溝入れ施肥機の制御システムのフレームワーク図。

この試験は、2022年3月19日に神航森林茶果種子科技有限公司にある株間300mm、条間1500mmの標準茶園で実施された。天気は晴れ、気温は日中変動があった。範囲は 3 ～ 15°、風速は 3 m/s 未満、空気の相対湿度は 65% と測定され、試験地はローム質、絶対含水率は 17.3%、試験地は平坦でした。 実験に使用した肥料は河北徳ワルド肥料有限公司が製造した粒状有機肥料で、含水率は約1.5％、直径は約3.3mmで、試験方法は品質評価技術仕様書に定められた方法を採用した。施肥機械の測定方法 (NY/T 1003-2006) および農業機械の試験条件の測定方法 - 一般規則 (GB/T 5262-2008)。

溝掘削試験では、シングルスパイラル溝掘削機を 1.5 m/s の等速で運転し、長さ 80 m の 3 ストロークを作成し、その前後 10 m を予備領域として残しました。 、20～70mの間で5つのポイントを均等にテストします。 各ストロークの平均溝深さと安定係数を個別に評価し、その結果を表3に示します。

掘削試験の結果、各種ストロークにおける最大深さ差は17mm、3ストローク時の掘削深さの安定係数の最小値は94.81%であり、評価指標と一致しています。掘削機の操作。

試験茶園では、シングルスパイラル溝入れ施肥機による6ストロークの施肥作業を行った。 このため、ストローク 10m からストローク 40m までの各操作ストロークの長さおよびその前後の保護領域の長さは、掘削試験と同じ長さに設定した。 この間隔では、各 10 cm をテスト間隔として考慮し、各ストロークを 30 のテスト間隔に分割し、合計 180 回の測定を行いました。 試験中、シングルスパイラル溝入れ施肥機は一定速度で移動し、準備段階ではスパイラル溝入れ施肥機が上昇し、試験エリア内を一定速度で移動しました。 次に、各エリアの肥料を個別に収集し、その重量を電子秤で評価しました。 個々の移動操作の完了後、その施肥均一性が順番に計算され、その適切なテスト結果が表 4 に示されています。

施肥試験の結果、各ストロークの施肥均一性は93.15%以上であり、施肥機の評価指標の動作要件を満たしていることがわかりました。

試験地：試験は2022年4月に中国南京市六和区の坪山茶葉工場の茶園で実施され、その野外試験の様子が図8に示されています。

シングルスパイラル溝入れ施肥機のフィールドテスト。

試験条件：晴天、気温4～22℃、微風、茶園の株間290mm、条間1600mm、試験茶園の平地、土壌は砂質ローム、土壌含水率13.2%。

試験材料：河北徳ワルド肥料会社が製造した粒状有機肥料。

3 つのストロークで繰り返しテストが実行され、テスト結果が表 5 に示されています。実験的に観察されたデータにより、シングルスパイラル溝掘削および施肥機の溝深さの係数は最大 96.17%、最小 94.29 であることが明らかになりました。 %。 施肥均一性の最大レベルは 94.23% と報告され、最小レベルは 93.58% と得られました。 これらの結果は、施肥機の評価指標の運用要件を満たしています。

今回の検討では、掘削、施肥、覆土を一貫して行うことができ、施肥深さを自動的に調整して一定の施肥深さを実現できるシングルスパイラル固定深さ掘削施肥機を設計した。 理論的解析により、スクリュー肥料分配器、スパイラル溝入れおよび施肥機構、および対応する制御システムが設計され、溝深さは固定深さ制御システムによって自動的に調整され、溝入れの作業効率と施肥効果が向上します。施肥機も適切に改良されました。

本論文で設計した施肥機は、従来の施肥機の施肥位置が不合理で、肥料の使用効率が比較的低くなりやすく、表面の残留肥料が環境を汚染しやすいという問題を効果的に解決できます。 定深度制御システムにより一定深度施肥を実現し、適正な施肥位置を確保し、肥料利用率を高めます。 設計された施肥機は、不合理な施肥位置の問題を効果的に解決し、肥料の利用率を向上させ、施肥率の低下に大きな効果を発揮します。

現場試験の結果、シングルスパイラル溝入れ施肥機の溝深さの安定係数は最大96.17%、最小94.29%であることが判明した。 施肥均一度の最大値は 23.94%、最小値は 93.58% であり、茶園生産の要件を満たしていると報告されています。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、中国農業科学院の研究所レベルの基礎科学研究事業費プロジェクト（助成金番号S202206）、MOFおよびMARAの中国農業研究システム（助成金番号CARS-19）、農業科学技術省の資金提供を受けました。中国人イノベーションプロジェクト（助成金番号：CAAS-ASTIP-2022-NIAM）、雲南省重点研究開発特別プロジェクト（助成金番号：202102AE090038）、成都市農業科学技術センター地方財政特別資金プロジェクト「機械化技術の研究開発及び実証」丘陵果樹園の運営設備」(助成金番号 NASC2020AR03)、浙江省の「パイオニア」および「リーディンググース」研究開発プログラム(助成金番号 2022C02010)、江蘇省の科学技術プロジェクト(助成金番号 BE2020315)。

農業農村省、南京農業機械化研究所、南京、210014、中国

Caixue Zhan、Wenqin Ding、Yu Han、Qinghai Jiang、Ying Zhao、Zhiyu Song

南京林業大学メカトロニクス工学部、南京、210037、中国

梁昭

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Zhiyu Song への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Zhan、C.、Ding、W.、Han、Y. 他。 単一のスパイラル固定深さの掘削および施肥機械を設計および実験します。 Sci Rep 13、7798 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34464-6

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受信日: 2023 年 1 月 16 日

受理日: 2023 年 4 月 30 日

公開日: 2023 年 5 月 13 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34464-6

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