離心勻肥罩式水稻地表變量撒肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

施印炎　陳　滿(mǎn)　汪小旵,3　MORICE O O　李成光　丁為民,3

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014；3.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 南京 210031)

0　引言

作為主要糧食作物之一，水稻的合理施肥能夠有效促進(jìn)生長(zhǎng)，提高相應(yīng)的生物量和產(chǎn)量[1-3]。變量施肥作為合理分配肥料養(yǎng)分的有效手段之一，成為實(shí)施精確農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。水稻作物因其特殊的水田生長(zhǎng)模式，大部分施肥方式仍停留在人工作業(yè)，耗時(shí)、費(fèi)力、不均勻，急需提高水稻施肥作業(yè)機(jī)械化水平[4]。大幅寬圓盤(pán)式變量撒肥機(jī)提高了施肥工作效率和肥料利用率，減少了人工投入，降低了生產(chǎn)成本，成為水稻地表追肥的主要作業(yè)方式[5-6]。

大面積農(nóng)場(chǎng)種植模式的歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，早在20世紀(jì)已經(jīng)對(duì)離心式撒肥機(jī)展開(kāi)大量的研究[7-10]。OLIESLAGERS等[11]研究了出肥孔口位置和圓盤(pán)轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)圓盤(pán)式撒肥機(jī)撒肥分布的影響，建立肥料顆粒運(yùn)動(dòng)模型并設(shè)計(jì)了模型控制系統(tǒng)，通過(guò)驗(yàn)證對(duì)比試驗(yàn)證明數(shù)學(xué)模型的有效性；CAMPELL等[12]設(shè)計(jì)了一種基于液壓流量比例閥控制的雙圓盤(pán)撒肥機(jī)，對(duì)采用開(kāi)、閉環(huán)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行不同施肥量的排肥性能試驗(yàn)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和顆粒分布均勻性；COETZEE等[13]通過(guò)建立果園離心式施肥機(jī)的離散元仿真模型，研究孔口流量、葉片傾角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)撒肥一致性的影響，試驗(yàn)表明離散單元法(Discrete element method,DEM)仿真模型具有很好的預(yù)測(cè)效果。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)離心圓盤(pán)式施肥機(jī)研究相繼有了一定的成果[14-16]。陳書(shū)法等[17]為解決水田變量撒肥技術(shù)相對(duì)落后的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高地隙自走式變量撒肥機(jī)，研究了整機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)以及變量控制系統(tǒng)，通過(guò)場(chǎng)地和田間試驗(yàn)驗(yàn)證整機(jī)工作性能；呂金慶等[18]針對(duì)撒肥機(jī)拋撒不均勻問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種錐盤(pán)葉片偏置式撒肥裝置，通過(guò)旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)對(duì)撒肥裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，滿(mǎn)足馬鈴薯撒肥作業(yè)最佳要求；胡永光等[19]設(shè)計(jì)了一種適用于茶園的偏置式窄行距撒肥離心盤(pán)，利用EDEM軟件建立離散元仿真模型，通過(guò)虛擬試驗(yàn)分析優(yōu)化工作參數(shù)、臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證回歸模型的預(yù)測(cè)精度。目前已開(kāi)展的對(duì)離心撒肥機(jī)的研究主要集中在裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及參數(shù)優(yōu)化對(duì)撒肥性能的影響，對(duì)變量控制系統(tǒng)研究主要參考槽輪式基于處方圖技術(shù)的精準(zhǔn)變量施肥，缺乏基于傳感器和水稻實(shí)時(shí)生長(zhǎng)信息的變量均勻撒肥控制技術(shù)。

本文參考課題組研制的基于光譜技術(shù)的冬小麥精準(zhǔn)變量追肥機(jī)[20-21]，針對(duì)華南稻麥輪作區(qū)少壓損、大寬幅、高效率、低成本等水稻地表施肥農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種基于水稻實(shí)時(shí)生長(zhǎng)信息的雙圓盤(pán)離心勻肥罩式地表變量撒肥機(jī)。主要對(duì)撒肥機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研究分析檢測(cè)、控制、決策系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證撒肥性能，尋求最優(yōu)的撒肥作業(yè)工作參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)單次軌跡撒肥有效幅寬大于24 m的水稻高效、準(zhǔn)確、均勻撒肥。

1　整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　整機(jī)結(jié)構(gòu)

基于光譜技術(shù)的雙圓盤(pán)離心勻肥罩式水稻地表變量撒肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由光譜傳感器、無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、車(chē)控制終端(CPU)、行走系統(tǒng)、撒肥裝置、控制系統(tǒng)等部件組成，整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1　離心式變量撒肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of centrifugal variable-rate fertilizer spreader1.光譜傳感器　2.車(chē)速傳感器　3.車(chē)載CPU　4.控制系統(tǒng)　5.行走系統(tǒng)　6.傳動(dòng)系統(tǒng)　7.肥箱　8.撒肥盤(pán)

1.2　工作原理

水稻地表變量撒肥機(jī)為拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛式牽引，PTO驅(qū)動(dòng)一對(duì)反向撒肥圓盤(pán)，單次軌跡撒肥有效幅寬大于24 m，通過(guò)閉環(huán)反饋系統(tǒng)分別調(diào)整圓盤(pán)轉(zhuǎn)速和撒肥開(kāi)度，自動(dòng)化程度高，撒肥分布均勻，有效提高生產(chǎn)效率和肥料利用率，適用于大規(guī)模稻麥輪作區(qū)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)種植。撒肥過(guò)程中，無(wú)線(xiàn)串口模塊將Greenseeker光譜檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取的水稻冠層NDVI值傳輸給車(chē)載控制終端，運(yùn)行設(shè)置的變量施肥專(zhuān)家決策系統(tǒng)，基于優(yōu)化的Ruan模型生成實(shí)時(shí)目標(biāo)需肥量，結(jié)合傳感器反饋的當(dāng)前整機(jī)行走速度、圓盤(pán)轉(zhuǎn)速以及肥箱開(kāi)度信息，經(jīng)決策系統(tǒng)指導(dǎo)核心控制器(STM32單片機(jī))驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制排肥開(kāi)度，在線(xiàn)調(diào)整作物實(shí)時(shí)施肥量，實(shí)現(xiàn)相對(duì)意義上的水稻精準(zhǔn)變量施肥。

表1　主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　Technical parameters of fertilizer spreader

2　撒肥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　撒肥圓盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

撒肥圓盤(pán)作為離心式撒肥機(jī)的核心部件，主要由撒肥盤(pán)、葉片、勻肥罩等組成，如圖2a所示。根據(jù)撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)撒肥圓盤(pán)直徑為620 mm，為增大撒肥有效幅寬，設(shè)計(jì)截面為錐形，錐角α范圍0°～10°；選用常見(jiàn)的雙撒肥葉片布置，互呈180°，與圓錐對(duì)心母線(xiàn)的夾角(葉片傾角)β可以通過(guò)緊定螺釘調(diào)節(jié)，葉片傾角β一般取6°～20°[17]；結(jié)合上述錐形撒肥圓盤(pán)直徑和葉片分布，設(shè)計(jì)的勻肥罩為柱形罩底部開(kāi)口分料，其直徑240 mm(厚5 mm)，高80 mm，開(kāi)口高度45 mm，位于兩葉片中心位置，顆粒肥料在離心力作用下不斷地從勻肥罩出料口流出，被依次到達(dá)的撒肥葉片拋灑出去，有助于均勻撒肥。

圖2　撒肥圓盤(pán)和肥量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure diagrams of centrifugal disc and fertilizer regulating device1.葉片　2.勻肥出口　3.勻肥罩　4.圓盤(pán)　5.齒輪齒條機(jī)構(gòu)　6.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)　7.連桿　8.動(dòng)盤(pán)　9.定盤(pán)

2.2　撒肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

施肥量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)作為變量撒肥機(jī)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖2b所示，主要包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿、動(dòng)定圓盤(pán)、角位移感器、限位行程開(kāi)關(guān)等零部件。根據(jù)下位機(jī)決策的目標(biāo)施肥量信息，通過(guò)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒條連桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)由動(dòng)盤(pán)和定盤(pán)構(gòu)成的下料口相互位置，從而控制下肥口大小(流量0～500 g/s)，調(diào)節(jié)排肥流量。DELIXI LXJM1-8108型限位開(kāi)關(guān)與上位機(jī)協(xié)調(diào)工作控制動(dòng)盤(pán)的極限位置角度，即排肥量最大、最小值；WDD35D-4 5k型角度位移傳感器直接檢測(cè)動(dòng)盤(pán)當(dāng)前位置轉(zhuǎn)角，換算為即時(shí)排肥流量，實(shí)時(shí)傳送至車(chē)載CPU人機(jī)交互界面顯示；選用常見(jiàn)的控制相對(duì)簡(jiǎn)單而性能準(zhǔn)確可靠的57HBP76AL4型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，額定電流3 A，輸入直流電壓10～48 V，靜扭矩1.5 N·m，歩距角1.8°，配備相應(yīng)的HYQD40-5742型數(shù)字式驅(qū)動(dòng)器。

圖3　肥量調(diào)節(jié)裝置與減速機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic diagrams of fertilizer regulating device and retarding mechanism

根據(jù)撒肥量調(diào)節(jié)裝置工作原理，運(yùn)動(dòng)分析時(shí)將其簡(jiǎn)化為偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)[22]，如圖3a所示，建立坐標(biāo)系。圖中e為偏心距，mm；r1為曲柄長(zhǎng)度，mm；r2為連桿長(zhǎng)度，mm；l為滑塊移動(dòng)距離，mm；α為曲柄轉(zhuǎn)角，(°)；β為連桿轉(zhuǎn)角，(°)。由運(yùn)動(dòng)分析圖可知，滑塊移動(dòng)距離l為

l=r1cosα+r2cosβ

(1)

對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得滑塊移動(dòng)速度

(2)

由圖可得r1sinα=r2sinβ+e，對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)得

(3)

(4)

在已知滑塊速度v或位移l的情況下可以反演計(jì)算出曲柄的角速度ω1，從而得出動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)角。根據(jù)機(jī)械原理，齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中齒條的移動(dòng)速度為

(5)

式中d——齒輪分度圓直徑，mm

n1——曲柄轉(zhuǎn)速

2.3　圓盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置和肥箱設(shè)計(jì)

離心式撒肥機(jī)整機(jī)驅(qū)動(dòng)力來(lái)自牽引拖拉機(jī)PTO輸出軸，通過(guò)二級(jí)錐齒輪減速器將驅(qū)動(dòng)力傳遞至兩撒肥圓盤(pán)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)向相反，根據(jù)理論力學(xué)知識(shí)，通過(guò)相應(yīng)的傳動(dòng)比計(jì)算出圓盤(pán)轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)路線(xiàn)如圖3b所示。撒肥機(jī)牽引拖拉機(jī)動(dòng)力參考文獻(xiàn)[23]中的輸出功率經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)選取。

為了減少停車(chē)裝肥次數(shù)，提高撒肥機(jī)單次撒肥效率，設(shè)計(jì)的肥量總?cè)莘e為1 500 L，左右相互獨(dú)立，肥箱形狀為回字形倒四棱柱，且增加過(guò)濾網(wǎng)，防止塊狀肥料和雜質(zhì)進(jìn)入肥箱，增強(qiáng)顆粒肥料的流動(dòng)性，降低堵塞率。

3　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　光譜檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

基于傳感器的離心式水稻變量施肥機(jī)根據(jù)采集的作物冠層歸一化植被指數(shù)(NDVI)進(jìn)行施肥決策。光譜采集檢測(cè)系統(tǒng)主要由6個(gè)相互間隔0.4 m的GreenSeeker傳感器、1個(gè)信號(hào)協(xié)調(diào)器Interface Module、12 V電源和高度可調(diào)支架組成，以保證傳感器光源距離作物冠層0.8～1.2 m(圖1)。系統(tǒng)以主動(dòng)遙感的方式(紅光波段671±6 nm、近紅外光波段780±6 nm)將采集的水稻冠層生長(zhǎng)信息光信號(hào)轉(zhuǎn)換為通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸?shù)碾娦盘?hào)至協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)串口通信模塊E61-TTL-1W遠(yuǎn)程發(fā)送給車(chē)載CPU，進(jìn)行施肥決策。

作為整個(gè)施肥過(guò)程最基本的環(huán)節(jié)，光譜檢測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和代表性尤為重要，采樣頻率是關(guān)鍵。樣本量越大，數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確越具有代表性，但是數(shù)據(jù)處理對(duì)系統(tǒng)軟硬件要求越高；樣本量越小，數(shù)據(jù)處理越快，但是無(wú)法客觀(guān)反映區(qū)域作物長(zhǎng)勢(shì)空間差異性。GreenSeekerRT200采樣頻率范圍f在0.7～3.33 Hz之間，在能夠保證采樣數(shù)據(jù)一定準(zhǔn)確性(NDVI值變異系數(shù)Cv)、不影響系統(tǒng)硬件性能的情況下，采用克里斯琴森均勻系數(shù)評(píng)價(jià)采樣頻率對(duì)NDVI值變異系數(shù)的影響，確定最佳采樣頻率[21]。采樣試驗(yàn)如圖4所示，結(jié)果如表2所示，克里斯琴森均勻系數(shù)計(jì)算式為

(6)

式中n——樣本數(shù)量

fi——第i個(gè)樣本NDVI值

圖4　光譜數(shù)據(jù)采樣試驗(yàn)Fig.4　Picture of sampling test for spectrum data

表2樣本分布均勻系數(shù)和變異系數(shù)與采樣頻率的關(guān)系

Tab.2Relationshipbetweensamplingfrequencyanddistributionuniformitycoefficientandvariationcoefficient %

采樣頻率f/Hz參數(shù)試驗(yàn)地塊人工撒肥傳統(tǒng)機(jī)撒變量機(jī)撒0.8Cu92.3490.8693.6493.7292.1691.7594.2691.8792.43Cv15.7516.3414.2914.7613.6415.0710.7512.4314.821.2Cu91.8491.3190.6792.4691.7293.5393.0793.7291.67Cv14.3815.7614.2514.5313.7414.2613.2514.0315.071.6Cu90.4891.5290.0391.5490.9691.0392.4191.7292.64Cv14.0613.8714.3513.2712.4614.8212.0811.5613.722.0Cu89.4690.7288.3791.5390.4691.7292.4890.3791.05Cv11.5212.8714.6912.7513.0912.9110.8512.0611.752.4Cu87.5186.7288.9189.7790.3589.7190.2891.0689.43Cv10.8412.6711.7311.6412.8110.9211.8910.7514.862.8Cu89.7285.4984.6189.7886.3488.9691.7290.4186.75Cv7.689.7211.5610.4812.689.756.6710.819.76

圖5　變量撒肥機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.5　Block diagram of control system for variable-rate fertilizer spreader

分別對(duì)人工撒肥、傳統(tǒng)施肥機(jī)均衡撒肥、變量施肥機(jī)按需撒肥3個(gè)不同的對(duì)照區(qū)進(jìn)行隨機(jī)采樣試驗(yàn)，由表2可以看出，樣本分布均勻系數(shù)最大為94.26%(變量機(jī)撒區(qū))、最小為84.61%(人工撒肥區(qū))，變異系數(shù)最大值為16.34%(人工撒肥區(qū))、最小值為6.67%(變量機(jī)撒區(qū))，說(shuō)明采樣頻率f對(duì)分布均勻系數(shù)影響不大，而對(duì)變異系數(shù)影響顯著。根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析，為保證3個(gè)不同的對(duì)照區(qū)樣本分布均勻系數(shù)大于等于90%，變異系數(shù)小于等于15%，選取系統(tǒng)采樣頻率f=1.6 Hz。

3.2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)作為離心式水稻變量施肥機(jī)核心，主要由硬件和軟件組成，完成傳感器信息采集、通信、存儲(chǔ)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制以及人機(jī)交互界面的顯示。控制系統(tǒng)硬件部分如圖5所示，主要包括電源、穩(wěn)壓模塊、GPS模塊、傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、核心控制器模塊、驅(qū)動(dòng)器模塊、車(chē)載控制終端、人機(jī)交互模塊等。

電源選用24 V、36 A·h的鋰電池為整個(gè)控制系統(tǒng)獨(dú)立供電，通過(guò)穩(wěn)壓模塊分配到不同的用電元件，不受外在因素干擾；核心控制器選用STM32F103系列作為主控制芯片，接收通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊E61-TTL-1W傳輸?shù)墓庾V數(shù)據(jù)進(jìn)行解析決策，車(chē)載控制終端Windows操作系統(tǒng)計(jì)算出水稻實(shí)時(shí)目標(biāo)需肥量，結(jié)合霍爾傳感器采集的拖拉機(jī)車(chē)速、編碼器采集的雙圓盤(pán)轉(zhuǎn)速、角度傳感器采集的肥箱開(kāi)度反饋信息，指導(dǎo)核心控制器PWM控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而調(diào)節(jié)肥箱開(kāi)口角度，控制施肥量。GPS模塊ATK-NEO-6M-V23用于實(shí)時(shí)定位當(dāng)前施肥機(jī)所處的作業(yè)位置，可輔助完成車(chē)速檢測(cè)；人機(jī)交互顯示模塊選用基于A(yíng)RM的WAT-T8060-104組態(tài)多功能一體機(jī)，10.4 in TFTLCD顯示屏完成采集信息的顯示和存儲(chǔ)，發(fā)送相應(yīng)的作業(yè)參數(shù)指令。

3.3　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)程序采用C語(yǔ)言在KeilμVision5開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編程，由主程序調(diào)用若干相應(yīng)的模塊子程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)施肥控制過(guò)程，控制流程如圖6所示。系統(tǒng)供電，施肥作業(yè)開(kāi)始后，GPS子程序被調(diào)用獲取當(dāng)前位置信息，光譜信息檢測(cè)子程序被調(diào)用獲取水稻實(shí)時(shí)生長(zhǎng)信息，系統(tǒng)調(diào)用施肥模型子程序計(jì)算目標(biāo)需肥量，結(jié)合調(diào)用的相應(yīng)傳感器模塊子程序監(jiān)測(cè)信息(車(chē)速、圓盤(pán)轉(zhuǎn)速、肥箱開(kāi)度)，根據(jù)決策模型確定當(dāng)前有效作業(yè)幅寬對(duì)應(yīng)的撒肥面積所需的目標(biāo)施肥量，主程序根據(jù)目標(biāo)施肥量調(diào)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊子程序，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)撒肥量大小；實(shí)時(shí)位置、光譜數(shù)據(jù)、行走速度、肥箱開(kāi)度、圓盤(pán)轉(zhuǎn)速、施肥量等信息通過(guò)人機(jī)交互模塊子程序顯示和存儲(chǔ)；判斷模塊子程序連續(xù)監(jiān)測(cè)撒肥動(dòng)作是否繼續(xù)，如需繼續(xù)則重復(fù)以上工作循環(huán)。

4　性能試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)變量撒肥機(jī)撒肥分布均勻性和施肥量準(zhǔn)確性，對(duì)變量撒肥機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)。

4.1　試驗(yàn)條件

圖6　控制系統(tǒng)流程圖Fig.6　Flowchart of control system

試驗(yàn)于2017年4月在江蘇鹽城鹽海拖拉機(jī)制造有限公司試驗(yàn)基地進(jìn)行，天氣晴，氣溫15～25℃，風(fēng)速小于2.0 m/s(符合ASAE標(biāo)準(zhǔn)允許試驗(yàn)風(fēng)速)，地面相對(duì)平整，試驗(yàn)地面積 500 m2，空氣相對(duì)濕度 42%，土壤絕對(duì)含水率 21%；試驗(yàn)材料為南方常用的復(fù)合顆粒肥料，南京正美實(shí)農(nóng)化有限公司生產(chǎn)，含水率為1.03%，顆粒直徑均值為4.02 mm；測(cè)試方法及指標(biāo)參照GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》以及ISO 5690和ASAE S314.2所規(guī)定的離心式撒肥機(jī)試驗(yàn)方法，圖7為撒肥機(jī)性能試驗(yàn)圖。

圖7　撒肥性能試驗(yàn)Fig.7　Performance test of spreading fertilizer

4.2　試驗(yàn)方法

撒肥作業(yè)時(shí)，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)(30 m×14 m)鋪放塑料薄膜以減少肥料浪費(fèi)，在二維矩陣收集盒內(nèi)壁粘貼適量柔軟棉布料以降低因肥料彈跳造成的試驗(yàn)誤差。按15×10矩陣擺放收集盒(50.8 cm×40.6 cm×10.2 cm)150個(gè)，列間隔1.5 m，行間隔0.8 m，撒肥機(jī)以一定的作業(yè)速度從橫向?qū)ΨQ(chēng)中心穿過(guò)后，稱(chēng)量各收集盒內(nèi)肥料顆粒(裝袋標(biāo)號(hào)保存)，用于表征變量撒肥顆粒分布。每次試驗(yàn)調(diào)整肥箱肥料大于總?cè)萘康?0%并校準(zhǔn)整機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)，變量撒肥機(jī)在穩(wěn)定區(qū)啟動(dòng)后進(jìn)入測(cè)定區(qū)(收集盒區(qū)域)，最終有一段停止區(qū)，以保證測(cè)定區(qū)域試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

針對(duì)變量撒肥機(jī)施肥質(zhì)量和施肥可靠性要求，選擇影響變量撒肥效果的主要作業(yè)參數(shù)：出口排肥流量、撒肥圓盤(pán)轉(zhuǎn)速、整機(jī)前進(jìn)速度為試驗(yàn)因素，定點(diǎn)收集試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)肥料顆粒，以撒肥有效幅寬內(nèi)顆粒分布變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)1，表征變量施肥機(jī)撒肥分布均勻性，以單位面積施肥量誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)2，表征變量撒肥機(jī)施肥量準(zhǔn)確性。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，參考文獻(xiàn)[15，18]中變量撒肥裝備性能作業(yè)參數(shù)，施肥機(jī)械作業(yè)速度v1范圍為0.6～1.8 m/s，圓盤(pán)轉(zhuǎn)速范圍為300～1 000 r/min，排肥流量q范圍為0～500 g/s，在實(shí)際變量施肥作業(yè)的基礎(chǔ)上，選取合適的因素水平，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)(L9(34))，因素水平如表3所示。分別計(jì)算肥料顆粒分布變異系數(shù)和單位面積撒肥量誤差評(píng)價(jià)變量施肥機(jī)撒肥性能，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算公式為

(7)

式中γ——單位面積撒肥量誤差，%

M——試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)肥料顆粒總質(zhì)量，g

S——試驗(yàn)區(qū)域面積，m2

Q——理論目標(biāo)施肥量，g/m2

(8)

其中

式中Cv——顆粒分布變異系數(shù)，%

SD——肥料顆粒質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)差，g

Xi——第i個(gè)收集盒肥料顆粒質(zhì)量，g

m——收集盒數(shù)量

表3　正交試驗(yàn)因素水平Tab.3　Factors and levels of orthogonal test

4.3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

上述性能正交試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示，A、B、C分別為q、n、v1水平值。

由表4中極差分析可知，對(duì)于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，影響因素的顯著性不同。評(píng)價(jià)指標(biāo)以撒肥顆粒分布變異系數(shù)Cv優(yōu)先時(shí)，影響Cv的主次順序?yàn)锳、B、C，選擇較優(yōu)的水平組合為A1B3C2，顆粒分布變異系數(shù)Cv隨著因素A的增大而增大，隨著因素B的增大而減小，隨著因素C的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；評(píng)價(jià)指標(biāo)以撒肥量誤差γ優(yōu)先時(shí)，影響γ的主次順序?yàn)锽、A、C，選擇較優(yōu)的水平組合為A2B2C2，撒肥量誤差γ隨著A、B、C各因素的增大都呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

方差分析結(jié)果見(jiàn)表5，由Cv的方差分析可以看出FA>FB>FC，表明因素A對(duì)變異系數(shù)Cv影響最為顯著，因素B影響次之，因素C影響最小(P<0.05)；由γ的方差分析可以看出FB>FA>FC，表明

表4　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4　Results of orthogonal test

因素B對(duì)撒肥量誤差γ影響最為顯著，因素A影響次之，因素C影響最小(P<0.05)，與極差分析結(jié)果一致。綜合極差分析和方差分析結(jié)果，根據(jù)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇的最優(yōu)因素水平組合不同。Cv優(yōu)先時(shí)，選取A1B3C2組合最優(yōu)，Cv=12.67%，γ=12.47%；γ優(yōu)先時(shí)，選取A2B2C2組合最優(yōu)(未出現(xiàn)在正交試驗(yàn)方案中)，另外增加一組試驗(yàn)方案A2B2C2，Cv=13.82%，γ=9.54%。比較不同評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)先時(shí)最佳組合方案，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)撒肥機(jī)械作業(yè)要求[15](Cv≤15%，γ≤10%)，選取相對(duì)更優(yōu)的因素水平組合A2B2C2，即排肥流量q=300 g/s，圓盤(pán)轉(zhuǎn)速n=600 r/min，行走速度v1=1.2 m/s，施肥機(jī)整機(jī)撒肥性能最優(yōu)。

表5　方差分析Tab.5　Analysis of variance

注：** 為極顯著，*為顯著。

4.4　田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述正交性能試驗(yàn)最佳因素水平組合的準(zhǔn)確性，提高變量撒肥機(jī)撒肥性能，于2017年6月在江蘇省東臺(tái)金滿(mǎn)穗農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司水稻試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，天氣晴，氣溫25～36℃，風(fēng)速小于2.0 m/s，試驗(yàn)地面積1.3 hm2，空氣相對(duì)濕度31%，試驗(yàn)方法與4.2節(jié)一致，圖8所示為撒肥機(jī)田間試驗(yàn)。

圖8　田間驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.8　Picture of field validation test

試驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)撒肥機(jī)工作參數(shù)到最佳水平：排肥流量q=300 g/s，圓盤(pán)轉(zhuǎn)速n=600 r/min，行走速度v1=1.2 m/s，進(jìn)行6組重復(fù)性試驗(yàn)(6塊試驗(yàn)地)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，田間撒肥顆粒分布變異系數(shù)Cv最大為15.71%，最小為12.13%，均值為13.97%，與性能試驗(yàn)誤差均值為9.19%；田間撒肥量誤差γ最大值為10.76%，最小值為8.24%，均值為9.46%，與性能試驗(yàn)誤差均值為9.25%。評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)定對(duì)施肥機(jī)械作業(yè)要求[24]，表明設(shè)計(jì)的離心式變量施肥機(jī)提高了撒肥分布均勻性和施肥量準(zhǔn)確性，為離心式撒肥機(jī)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)式施肥提供了一定的理論基礎(chǔ)。

表6　田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.6　Results of field test　%

5　結(jié)論

(1)針對(duì)目前水稻變量追肥作業(yè)均勻性、準(zhǔn)確性要求，設(shè)計(jì)了一種基于傳感器的雙圓盤(pán)離心勻肥罩式水稻地表變量施肥機(jī)，開(kāi)發(fā)配套的變量施肥作業(yè)控制系統(tǒng)，開(kāi)展相應(yīng)的排肥性能試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)水稻高效、準(zhǔn)確、均勻變量撒肥。

(2)以STM32F103為核心控制器，集成各傳感器數(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)反饋信息，結(jié)合施肥策略模型，響應(yīng)目標(biāo)需肥量，經(jīng)過(guò)決策系統(tǒng)指導(dǎo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制排肥開(kāi)度，在線(xiàn)調(diào)整作物實(shí)時(shí)施肥量，實(shí)現(xiàn)相對(duì)意義上的水稻精準(zhǔn)變量施肥。

(3)撒肥性能試驗(yàn)結(jié)果表明，撒肥機(jī)作業(yè)參數(shù)排肥流量A、圓盤(pán)轉(zhuǎn)速B、行進(jìn)速度C對(duì)于不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響顯著性不同。以顆粒分布變異系數(shù)Cv為評(píng)價(jià)指標(biāo)，影響主次因素為A、B、C，最佳因素水平組合是A1B3C2；以施肥量相對(duì)誤差γ為評(píng)價(jià)指標(biāo)，影響主次因素為B、A、C，最佳因素水平組合是A1B3C2；比較不同最佳組合方案，選取相對(duì)更優(yōu)的因素水平組合A2B2C2，即q=300 g/s，n=600 r/min，v1=1.2 m/s時(shí)，Cv=13.82%，γ=9.54%，施肥機(jī)整機(jī)撒肥性能最優(yōu)。

(4)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：在最優(yōu)的撒肥作業(yè)參數(shù)組合條件下，變異系數(shù)Cv均值為13.97%，與性能試驗(yàn)誤差均值為9.19%；撒肥量誤差γ均值為9.46%，與性能試驗(yàn)誤差均值為9.25%。滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)相關(guān)規(guī)定對(duì)施肥機(jī)械作業(yè)要求，表明設(shè)計(jì)的離心式變量施肥機(jī)能夠提高撒肥分布均勻性和施肥量準(zhǔn)確性，為離心式撒肥機(jī)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式施肥提供了一定技術(shù)支持。

1賀志遠(yuǎn),朱艷,李艷大,等. 中國(guó)南方雙季稻氮營(yíng)養(yǎng)指數(shù)及產(chǎn)量估算模型研究[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2017,40(1): 11-19.

HE Zhiyuan, ZHU Yan, LI Yanda, et al. Study on estimation model for nitrogen nutrition index and yield on double cropping rice in southern China [J].Journal of Nanjing Agricultural University,2017, 40(1):11-19. (in Chinese)

2左興健,武廣偉,付衛(wèi)強(qiáng),等. 風(fēng)送式水稻側(cè)深精準(zhǔn)施肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(3):14-21.

ZUO Xingjian, WU Guangwei, FU Weiqiang, et al. Design and experiment on air-blast rice side deep precision fertilization device [J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(3): 14-21. (in Chinese)

3MIYOKO W, TOMOKO Y, KAZUYOSHI S, et al. Distribution of anammox bacteria in a free-water-surface constructed wetland with wild rice (Zizanialatifolia) [J]. Ecological Engineering, 2015, 81: 165-172.

4張銀平,杜瑞成,刁培松,等. 正反轉(zhuǎn)組合式水稻寬苗帶滅茬播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2017,33(3):7-13.

ZHANG Yinping, DU Ruicheng, DIAO Peisong, et al. Design and experiment of wide band seeding rice seeder with reversed stubble cleaning and-anti-blocking [J]. Transactions of the CSAE, 2017, 33(3): 7-13. (in Chinese)

5馬曉蕾,范廣博,李永玉,等.精準(zhǔn)施肥決策模型與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 42(5):193-197.

MA Xiaolei, FAN Guangbo, LI Yongyu,et al. Establishment of precision fertilization decision-making model and database system [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(5): 193-197. (in Chinese)

6郎春玲, 王金武, 王金峰, 等. 深施型液態(tài)肥變量施肥控制系統(tǒng) [J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013, 44(2): 43-47.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20130209&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.02.009.

LANG Chunling, WANG Jinwu, WANG Jinfeng, et al. Variable fertilizer control system for deep-fertilization liquid fertilizer applicator [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(2): 43-47. (in Chinese)

7VILLETTE S, COINTAULT F, PIRON E, et al. Centrifugal spreading: an analytical model for the motion of fertiliser particles on a spinning disc [J]. Biosystems Engineering, 2005, 92(2):157-164.

8LIEDEKERKE P V. Study of the granular fertilizers and the centrifugal spreaderusing discrete element method (DEM) simulations [D]. Leuven: Katholieke Universiteit Leuven,2007.

9RAVINDER K T. Effect of vane shape and fertilizer product on spread uniformity using a dual-disc spinner spreader[D]. Alabama:Auburn University,2014.

10FULTON J P, SHEARER S A, HIGGINS S F, et al. Performance assessment and model development of a variable-rate, spinner-disc fertilizer applicator[J]. Transactions of the ASAE, 2001, 44(5):1071-1081.

11OLIESLAGERS R,RAMON H,BAERDEMAEKER J D. Calculation of fertilizer distribution patterns from a spinning disc spreader by means of a simulation model [J]. Journal of Agricultural Engineering Research, 1996, 63(2):137-152.

12CAMPBELL C M, FULTON J P, MCDONALD T P, et al. Spinner-disc technology to enhance the application of poultry litter [J]. Applied Engineering in Agriculture, 2010, 26 (5): 759-767.

13COETZEE C J, LOMBARD S G. Discrete element method modelling of a centrifugal fertiliser spreader [J]. Biosystems Engineering, 2011, 109(4): 308-325.

14張睿,王秀,周建軍,等.肥料拋撒機(jī)拋撒系統(tǒng)幅寬控制技術(shù)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012, 43(增刊):39-43.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2012s08&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2012.S0.008.

ZHANG Rui, WANG Xiu, ZHOU Jianjun, et al.Breadth control of scatter system for fertilizer spreader[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(Supp.):39-43. (in Chinese)

15董向前,宋建農(nóng),張軍奎,等. 錐盤(pán)式顆粒肥撒施機(jī)構(gòu)拋撒性能分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(19):33-40.

DONG Xiangqian, SONG Jiannong, ZHANG Junkui, et al. Working performance and experiment on granular fertilizer spreader with cone disk[J]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(19): 33-40. (in Chinese)

16張睿,王秀,趙春江,等. 鏈條輸送式變量施肥拋撒機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(6):20-25.

ZHANG Rui, WANG Xiu, ZHAO Chunjiang, et al. Design and experiment of variable rate fertilizer spreader with conveyor chain[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(6): 20-25. (in Chinese)

17陳書(shū)法,張石平,孫星釗,等. 水田高地隙自走式變量撒肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(11):16-21.

CHEN Shufa, ZHANG Shiping, SUN Xingzhao, et al. Design and experiment of self-propelled high-ground-clearance spreader for paddy variable-rate fertilization[J]. Transactions of the CSAE, 2012, 28(11): 16-21. (in Chinese)

18呂金慶,尚琴琴,楊穎,等.錐盤(pán)式撒肥裝置的性能分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016, 32(11): 16-24.

Lü Jinqing, SHANG Qinqin, YANG Ying, et al.Performance analysis and experiment on granular fertilizer spreader with cone disc[J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(11): 16-24. (in Chinese)

19胡永光,楊葉成,肖宏儒,等. 茶園施肥機(jī)離心撒肥過(guò)程仿真與參數(shù)優(yōu)化[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(5):77-82.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160511&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.011.

HU Yongguang, YANG Yecheng, XIAO Hongru, et al.Simulation and parameter optimization of centrifugal fertilizer spreader for tea plants [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016, 47(5):77-82. (in Chinese)

20施印炎,陳滿(mǎn),汪小旵,等. 稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)排肥性能分析與試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2017,48(7):97-103.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170712&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2017.07.012.

SHI Yinyan, CHEN Man, WANG Xiaochan, et al. Analysis and experiment of fertilizing performance for precision fertilizer applicator in rice and wheat [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2017, 48 (7):97-103.(in Chinese)

21陳滿(mǎn), 施印炎, 汪小旵, 等. 冬小麥精準(zhǔn)追肥機(jī)專(zhuān)家決策系統(tǒng)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(7):17-22. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150703&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.003.

CHEN Man, SHI Yinyan, WANG Xiaochan, et al. Expert decision system of variable nitrogen application in winter wheat[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(7):17-22. (in Chinese)

22耿其東,方志國(guó). 偏置式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)仿真與運(yùn)動(dòng)分析[J]. 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2011,166(3): 49-51.

GENG Qidong, FANG Zhiguo. Simulation and kinetic characteristic analysis of deflection slider-crank mechanism[J].Mechanical Engineering and Automation,2011,166(3): 49-51.(in Chinese)

23付乾坤,薦世春,賈洪雷,等. 玉米滅茬起壟施肥播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(4):9-16.

FU Qiankun, JIAN Shichun,JIA Honglei, et al.Design and experiment on maize stubble cleaning fertilization ridging seeder[J].Transactions of the CSAE,2016,32(4):9-16.(in Chinese)

24NY/T1003—2006施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范[S]. 2006.