集排風(fēng)送式玉米分層追肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何亞凱 楊學(xué)軍 翟長(zhǎng)遠(yuǎn) 趙學(xué)觀 竇漢杰 王 秀

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心， 北京 100097;3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083； 4.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 楊凌 712100)

0 引言

追肥作業(yè)是玉米生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，有效地追肥管理能夠提高作物產(chǎn)量。目前，國內(nèi)玉米生產(chǎn)過程中追肥環(huán)節(jié)仍以人工或簡(jiǎn)易機(jī)具作業(yè)為主，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，不利于大面積作業(yè)，且施肥不均勻，影響后期植株生長(zhǎng)及作物產(chǎn)量[1-5]。

機(jī)械化追肥能夠有效降低玉米追肥作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施肥效率，提升綜合經(jīng)濟(jì)效益[6-7]。目前，國內(nèi)玉米追肥機(jī)械研究還處于起步階段，研制的追肥機(jī)械以重力直排技術(shù)施肥為主，成熟產(chǎn)品較少。國內(nèi)一些學(xué)者已對(duì)排肥、輸送和施肥技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。胡紅[3]設(shè)計(jì)了一種玉米定點(diǎn)扎穴追肥機(jī)，該機(jī)主要由玉米植株探測(cè)裝置、外槽輪間隔排肥和滑軌連桿扎穴施肥裝置組成，能夠根據(jù)玉米植株位置實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)扎穴施肥，提高了肥料的利用率，但追肥效率較低；鄭媛媛[8]設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)玉米中耕追肥機(jī)，采用常用的外槽輪式排肥器進(jìn)行排肥，利用單條開溝器進(jìn)行開溝施肥作業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)玉米行間機(jī)械化追肥作業(yè)，但追肥效率有待提高；氣力輔助施肥能夠有效增加機(jī)具作業(yè)幅寬，提高追肥效率，齊興源等[9]設(shè)計(jì)了一種稻田氣力式變量施肥機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)稻田側(cè)深施肥量在40～200 kg/hm2范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)；趙金輝等[10]通過對(duì)氣流輸送系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了一種氣流輸送式苔麩排種裝置，排種性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；左興健等[11]利用數(shù)學(xué)建模分析和試驗(yàn)研究對(duì)關(guān)鍵施肥部件進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種風(fēng)送式水稻側(cè)深精準(zhǔn)施肥樣機(jī)；雷小龍等[12]基于顆?；实臋C(jī)械物理特性和施肥量要求，設(shè)計(jì)了一種顆?；事菪M合式集中供肥裝置；文獻(xiàn)[13-14]利用高壓氣流輸送原理，設(shè)計(jì)了氣流輸送式小麥免耕播種機(jī)，提高了小麥播種的效率和均勻性；文獻(xiàn)[15-17]研究了玉米種植的不同施肥方式，分層施肥能夠滿足不同生育期的養(yǎng)分需求、提高肥料利用效率、增加作物產(chǎn)量，對(duì)集排和風(fēng)送式玉米追肥機(jī)械的研究相對(duì)較少，追肥機(jī)械作業(yè)效率不高。

為了改善我國玉米追肥機(jī)械現(xiàn)狀，提高我國玉米機(jī)械化追肥作業(yè)效率，本文針對(duì)黃淮海平原地區(qū)，采用集中排肥和氣流輸肥的方式，以最高作業(yè)速度7.2 km/h為目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種集排風(fēng)送式玉米分層追肥機(jī)，以期實(shí)現(xiàn)多行寬幅分層快速施肥作業(yè)。

圖1 追肥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of fertilization prototype1.排肥箱a 2.排肥箱b 3.排肥風(fēng)機(jī)b 4.控制系統(tǒng) 5.分流器 6.排肥裝置b 7.供料器 8.施肥固定架 9.機(jī)架 10.深層施肥鏟 11.淺層施肥鏟 12.仿形機(jī)構(gòu) 13.行走輪 14.淺層輸肥管 15.深層輸肥管

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

集排風(fēng)送式玉米分層追肥機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由排肥箱a和b、排肥風(fēng)機(jī)a和b、施肥控制系統(tǒng)、分流器a和b、排肥裝置a和b、供料器、施肥固定架、機(jī)架、深層施肥鏟、淺層施肥鏟、仿形機(jī)構(gòu)、行走輪、淺層輸肥管和深層輸肥管等部件組成，其中深淺層施肥分別由施肥原理相同的排肥裝置a和b來單獨(dú)控制。

追肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 追肥機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of fertilizer applicator

1.2 工作原理

圖2 玉米分層施肥作業(yè)原理圖Fig.2 Schematic of layered fertilization for corn1.玉米植株 2.土壤 3.深層肥料 4.淺層肥料

該追肥機(jī)械采用43.8 kW以上拖拉機(jī)作為工作動(dòng)力，運(yùn)用電動(dòng)多行集排、氣流輸送方式進(jìn)行施肥作業(yè)。施肥工作開始前，開啟施肥控制系統(tǒng)，根據(jù)作業(yè)要求設(shè)定作業(yè)幅寬、目標(biāo)追肥量、深淺層肥量等相關(guān)參數(shù)，打開風(fēng)機(jī)使輸肥系統(tǒng)產(chǎn)生穩(wěn)定的氣流，保證落入文丘里管內(nèi)的肥料能夠被順暢輸送至施肥機(jī)構(gòu)；施肥工作開始時(shí)，排肥電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥輪進(jìn)行排肥，排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速可自適應(yīng)機(jī)械工作速度變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行排肥量的調(diào)節(jié)，排出的肥料落入文丘里供料器落肥口處，文丘里供料器進(jìn)料口在氣流作用下產(chǎn)生穩(wěn)定的負(fù)壓，能夠使肥料順利吸入輸肥管道內(nèi)，肥料在輸肥管道壓差作用下隨氣流運(yùn)動(dòng)輸送至施肥機(jī)構(gòu)處，落入施肥溝槽內(nèi)，完成追肥作業(yè)。追肥機(jī)械深淺層施肥是通過兩套施肥裝置完成，深層追肥作業(yè)為開溝條施，在玉米植株側(cè)邊p1(10～15 cm)處劃出一條深度h1(10～12 cm)的溝槽進(jìn)行深施肥，為了減少追肥機(jī)械施肥時(shí)土壤對(duì)施肥鏟產(chǎn)生的阻力，降低拖拉機(jī)動(dòng)力消耗，淺層追肥作業(yè)為扎土穴施，與深施肥同側(cè)，在與玉米植株距離p2為15～18 cm、扎穴深度h2為6～8 cm處進(jìn)行淺施肥，其施肥深淺層作業(yè)原理示意圖如圖2所示，其中D為玉米播種行間距。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 多行集中排肥裝置設(shè)計(jì)

排肥裝置是施肥機(jī)關(guān)鍵部件之一，排肥性能決定了追肥機(jī)的施肥質(zhì)量和實(shí)用性。本文所設(shè)計(jì)的排肥裝置采用6行排肥輪集中排肥的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)集成度較高，利用一個(gè)排肥電機(jī)進(jìn)行多行排肥量的控制，且每個(gè)施肥鏟的施肥量分別來自對(duì)應(yīng)排肥輪所排出肥量，排肥一致性較好；排肥裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括排肥殼體、肥料隔板、排肥槽(由排肥上弧板和下弧板構(gòu)成)、排肥輪、排肥軸、張緊機(jī)構(gòu)、排肥間隔套和排肥電機(jī)等，肥料隔板安裝在肥箱和排肥軸之間，能夠有效減少肥料對(duì)排肥軸的下壓力，降低排肥電機(jī)的功耗，排肥下弧板為鉸接機(jī)構(gòu)(鉸接點(diǎn)O)，能夠有效降低排肥過程中排肥輪與排肥槽的卡肥現(xiàn)象，提高排肥穩(wěn)定性能。

圖3 排肥裝置工作原理與結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic and structure of fertilizer discharge device1.排肥殼體 2.肥料隔板 3.排肥上弧板 4.排肥輪 5.排肥軸 6.毛刷 7.排肥下弧板 8.張緊機(jī)構(gòu) 9.排肥間隔套 10.排肥電機(jī)

排肥輪是排肥機(jī)構(gòu)中主要工作部件，目前常用的排肥輪結(jié)構(gòu)形式較多，由于直齒外槽式排肥輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，排肥量可控度高，工作性能穩(wěn)定，本排肥機(jī)構(gòu)采用直齒外槽式排肥輪，其排肥過程示意圖如圖3a所示，根據(jù)外槽輪排種原理[18]可知，該外槽輪排肥器單個(gè)排肥輪每轉(zhuǎn)排肥量計(jì)算式為

(1)

式中q0——單個(gè)槽輪每轉(zhuǎn)排肥量，g/r

d——外槽輪外徑，mm

L——單個(gè)槽輪工作長(zhǎng)度，mm

γ——肥料容重，g/mm3

φ0——凹槽內(nèi)肥料填充系數(shù)

fs——單個(gè)槽輪凹槽截面積，mm2

ω——凹槽節(jié)距，mm

z——槽輪槽數(shù)

λ——帶動(dòng)層特性系數(shù)，mm

由式(1)可知，影響排肥量的主要參數(shù)有凹槽截面積、槽輪工作長(zhǎng)度和填充系數(shù)，其中填充系數(shù)與轉(zhuǎn)速負(fù)相關(guān)[19]。當(dāng)排肥量一定時(shí)，排肥輪凹槽截面積較大，則排肥輪工作長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速要求變小，排肥量均勻性相對(duì)較差；排肥輪凹槽截面積較小，則排肥輪轉(zhuǎn)速和工作長(zhǎng)度要求變大，肥料填充系數(shù)下降，排肥準(zhǔn)確性相對(duì)降低。根據(jù)尿素顆粒尺寸以及追肥量等農(nóng)藝要求，結(jié)合排肥裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定排肥輪結(jié)構(gòu)參數(shù)為排肥輪外徑68 mm，一周凹槽數(shù)6個(gè)，槽輪有效排肥長(zhǎng)度14 mm，槽深21.5 mm，外槽沿槽厚4 mm，凹槽半徑8.5 mm。

2.2 風(fēng)送輸肥裝置設(shè)計(jì)

2.2.1風(fēng)送輸肥原理

風(fēng)力輸送是利用一定速度和壓力的氣流進(jìn)行物料遠(yuǎn)距離輸送，其動(dòng)力來源為具有一定能量的氣流，可以實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)布局，簡(jiǎn)化施肥機(jī)械復(fù)雜的結(jié)構(gòu)布置，氣流風(fēng)送輸肥工作原理如圖4所示。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓氣流，氣流的運(yùn)動(dòng)在文丘里供料器進(jìn)料口處產(chǎn)生負(fù)壓，以促進(jìn)肥料順利進(jìn)入輸肥管道，氣流在管道內(nèi)作為肥料的載體，快速輸送肥料至施肥位置處。

圖4 氣流輸肥技術(shù)工作原理圖Fig.4 Schematic of pneumatic conveying fertilizer technology1.輸肥風(fēng)機(jī) 2.文丘里供料器 3.顆粒肥料 4.輸肥軟管

2.2.2風(fēng)送輸肥系統(tǒng)參數(shù)確定

氣流速度是風(fēng)送輸肥系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，直接影響肥料顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。氣流速度較小時(shí)，肥料顆粒則漸漸停滯在水平輸肥管的管底，導(dǎo)致輸肥管道堵塞；氣流速度較大時(shí)，肥料能夠在管道內(nèi)均勻散開、順利輸送，若速度過高會(huì)浪費(fèi)能量，還會(huì)造成施肥口處肥料顆粒速度過大，影響肥料在田間施肥過程中的分布效果。氣流輸送速度可根據(jù)氣力輸送理論公式進(jìn)行計(jì)算

(2)

式中vs——輸肥管入口輸送風(fēng)速，m/s

kp——肥料顆粒度系數(shù)(一般為16～20，顆粒直徑較小時(shí)取小值)

ρp——肥料顆粒密度，kg/m3

ks——肥料顆粒特性系數(shù)，一般為2×10-5～5×10-5

l——輸送肥料管道長(zhǎng)度，m

由于玉米追肥多數(shù)為尿素化肥，肥料顆粒直徑一般不超過4 mm，則選取顆粒度系數(shù)為16，肥料顆粒密度為1 335 kg/m3，肥料輸送管道長(zhǎng)度最大為2 m，管道長(zhǎng)度對(duì)風(fēng)速影響可忽略[11,20-21]，則由式(2)可知輸肥風(fēng)速vs為18.48 m/s，考慮實(shí)際施肥作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性以及管道接口處的密封性等因素影響，為確保能夠順利輸送肥料，實(shí)際風(fēng)速取為1.1×18.48 m/s=20.33 m/s。

氣流輸送濃度(也稱料氣比)[21]為單位時(shí)間內(nèi)輸送肥料的質(zhì)量與通過管道氣流質(zhì)量的比值，輸送濃度越大，所需空氣質(zhì)量將會(huì)減少，輸送所需功率也會(huì)降低，但易造成肥料輸送堵塞，輸送濃度過低時(shí)，輸肥效率將會(huì)大大降低，影響施肥工作效率。通過查閱相關(guān)資料[22]，可知常用物料輸送濃度的經(jīng)驗(yàn)值，為提高肥料輸送過程的通暢性，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值，選定氣流輸送濃度μ為1.2。氣流輸送濃度表達(dá)式為

(3)

(4)

式中Gp——輸送管道內(nèi)肥料質(zhì)量流量，kg/s

Gs——輸送管道內(nèi)空氣質(zhì)量流量，kg/s

j——輸肥管個(gè)數(shù)，取6

ρs——空氣密度，kg/m3

d0——每一分行輸肥管道直徑，m

根據(jù)式(1)～(4)可知，輸肥管道直徑為

(5)

輸送流量為

(6)

根據(jù)玉米追肥農(nóng)藝要求，玉米追肥最大量一般為360 kg/hm2，為增大風(fēng)送系統(tǒng)適應(yīng)范圍，機(jī)械前進(jìn)速度設(shè)定為9 km/h，施肥口共12個(gè)(深淺層各6個(gè))，則可知追肥作業(yè)中單位時(shí)間內(nèi)總排肥量不超過0.32 kg/s，單層排肥總量Gp不超過0.16 kg/s，由式(5)可知輸肥管直徑為32.8 mm；輸送流量要求為371 m3/h，則根據(jù)流量和風(fēng)速要求，本文選取風(fēng)機(jī)型號(hào)為ZFL133/190BN-S1150，工作電壓為24 V，額定功率為160 W調(diào)速風(fēng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1 600 r/min。

2.2.3供料器

供料器是風(fēng)送輸肥系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，它的作用是把肥料喂入輸肥管道，并且能夠確保肥料在管道內(nèi)順利輸送[21-24]。本文采用文丘里原理進(jìn)行供料器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文丘里供料器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 文丘里供料器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of Venturi feeding fertilizer1.入口區(qū) 2.收縮區(qū) 3.入料區(qū) 4.喉管區(qū) 5.氣流出口區(qū)

氣流由文丘里管進(jìn)口流入，經(jīng)過收縮區(qū)進(jìn)行加速，流至喉管區(qū)時(shí)速度達(dá)到最大，此時(shí)入料口處于負(fù)壓狀態(tài)，使肥料順利落入輸肥管道并快速輸送至擴(kuò)散區(qū)，避免了肥料的擁堵。其中，氣流入口直徑d1和出口直徑d3與輸肥管道直徑d0相等(即d1=d3=d0=32.8 mm)，收縮角α為22°，擴(kuò)散角β為9°，喉部直徑過小則要求氣流入口壓力大，氣流輸送阻力增加，喉部直徑太大，喉部氣流增速和入料口負(fù)壓效果不顯著，不利于輸肥，為保證肥料在管喉部有足夠空間，取喉部直徑d2為23 mm。

結(jié)合供料器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化建模，并利用Fluent軟件進(jìn)行流體仿真分析，其仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真圖中可以看出，該供料器內(nèi)部管道無湍流現(xiàn)象，氣流平穩(wěn)，當(dāng)入口風(fēng)速為20 m/s時(shí)，出口風(fēng)速平均值為21.74 m/s；物料入口處風(fēng)速平均值為1.14 m/s，氣料混合口風(fēng)速平均值為8.24 m/s，方向流向管道內(nèi)，由物料入口處至氣料混合口處負(fù)壓越來越大，有利于肥料輸送，驗(yàn)證了文丘里供料器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖6 供料器管道截面速度分布圖Fig.6 Velocity distribution diagram of feeding fertilizer cross section1.氣流入口 2.物料入口 3.氣料混合口 4.氣流出口

2.2.4分流器和風(fēng)送輸肥裝置

分流器在風(fēng)送輸肥系統(tǒng)中具有重要作用，該機(jī)構(gòu)能夠有效把風(fēng)機(jī)出風(fēng)口氣流轉(zhuǎn)化為6行輸肥氣流，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7a所示。為確保各行輸肥氣流的一致性，針對(duì)分流器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并利用CFD(Computational fluid dynamics)進(jìn)行氣流運(yùn)動(dòng)仿真分析，當(dāng)入口壓強(qiáng)為360 Pa時(shí)，其仿真結(jié)果如圖7b所示，從仿真圖中分析可知，該分流器內(nèi)部氣流較為平穩(wěn)、無渦流現(xiàn)象，6行出風(fēng)口速度均值為20.03 m/s，變異系數(shù)為0.32%，分流一致性較好，驗(yàn)證了分流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

圖7 分流器結(jié)構(gòu)和風(fēng)速仿真圖Fig.7 Structure and airflow simulation of airflow allotter1.進(jìn)風(fēng)口 2.分流器殼體 3.出風(fēng)口

本文利用氣流正壓輸送技術(shù)設(shè)計(jì)了兩套6行風(fēng)送輸肥裝置(如圖8所示)，分別用于深淺層施肥。該風(fēng)送輸肥裝置主要由輸肥風(fēng)機(jī)、分流器、過渡連接管、文丘里供料器、輸肥軟管和施肥固定架組成，輸肥風(fēng)機(jī)安裝在輸肥系統(tǒng)氣流的起始端，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣體經(jīng)過分流器后均勻分成6路氣流，每路氣流分別對(duì)應(yīng)一條輸肥管道，實(shí)現(xiàn)各路輸肥和施肥互不干擾，確保輸肥的一致性和穩(wěn)定性。

圖8 輸肥裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structure of pneumatic conveying fertilizer device1.輸肥風(fēng)機(jī) 2.分流器 3.過渡連接管 4.文丘里供料器 5.輸肥軟管 6.施肥固定架 7.施肥裝置機(jī)架 8.排肥機(jī)構(gòu)

2.3 深、淺層施肥鏟

深層施肥鏟選用河北省農(nóng)哈哈公司生產(chǎn)的開溝施肥鏟，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖9所示，主要包括主梁、圓柱滾輪、施肥管、開溝刀頭和開溝鏟翼，能夠較好地完成深層開溝施肥作業(yè)。淺層施肥鏟選用河北省臨西縣眾一精密鑄造廠生產(chǎn)的扎穴施肥器[25]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖10所示，主要由主梁、施肥管、星形齒盤a、星形齒盤b和齒盤轉(zhuǎn)軸等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)A點(diǎn)處扎穴齒閉合接肥，B點(diǎn)處扎穴齒張開施肥過程；主梁上方為排氣口，用于排出過量氣流，減小出肥口肥料速度，降低肥料與扎穴齒間的沖擊碰撞，以避免出現(xiàn)彈跳溢出現(xiàn)象。

圖9 深層施肥鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure of deep fertilization colter1.主梁 2.圓柱滾輪 3.施肥管 4.開溝刀頭 5.開溝鏟翼

圖10 淺層施肥鏟結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure of shallow fertilization rabbler1.主梁 2.施肥管 3.星形齒盤a 4.星形齒盤b 5.齒盤轉(zhuǎn)軸

2.4 施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要用于施肥作業(yè)狀態(tài)的控制以及施肥作業(yè)肥量變化的自動(dòng)調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)主要包括GPS車速模塊、風(fēng)機(jī)、深淺層排肥電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、編碼器、排肥控制單元(ECU)和人機(jī)交互單元。控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)信息的傳輸與處理等劃分為信息輸入(包括風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)具行走速度)、信息處理(包括控制單元和人機(jī)交互單元)和信息輸出(包括風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速)，系統(tǒng)框圖如圖11所示。該控制系統(tǒng)采用TTC32作為控制核心，利用CODESYS進(jìn)行程序開發(fā)，通過CAN總線進(jìn)行信息傳輸，實(shí)現(xiàn)硬件之間的運(yùn)行與融合。

圖11 追肥機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.11 Block diagram of control system for fertilizer applicator

施肥作業(yè)時(shí)，GPS車速模塊能夠?qū)崟r(shí)獲取當(dāng)前車速，TTC控制器根據(jù)協(xié)議讀取當(dāng)前車速和排肥電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，基于控制器內(nèi)部設(shè)定程序計(jì)算出排肥電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行排肥電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速差值比較與處理，利用PID方法對(duì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控，確保排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的快速穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，完成施肥量隨前進(jìn)速度變化的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

2.4.2車載控制端軟件設(shè)計(jì)

基于VS2012軟件開發(fā)平臺(tái)，采用Visual C++語言設(shè)計(jì)了車載計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面(如圖12所示)，包括串口通訊參數(shù)設(shè)置、施肥參數(shù)設(shè)置和作業(yè)狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)，車載計(jì)算機(jī)經(jīng)過串口USB/CAN 轉(zhuǎn)換器連接至CAN 網(wǎng)絡(luò)，與控制單元(TTC32)進(jìn)行施肥現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)數(shù)據(jù)信息交換。該界面能夠根據(jù)不同施肥作業(yè)要求對(duì)施肥作業(yè)參數(shù)進(jìn)行更改，參數(shù)更改簡(jiǎn)便，并能夠?qū)崟r(shí)有效地讀取機(jī)具當(dāng)前作業(yè)狀態(tài)信息(深淺層施肥量、當(dāng)前車速、地塊位置等)，增加了施肥機(jī)具作業(yè)的靈活性和適應(yīng)性。

圖12 車載端人機(jī)交互軟件界面Fig.12 Interface of human-machine interaction

為了獲取深淺層排肥電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，在軟件界面(圖12)輸入相對(duì)應(yīng)參數(shù)值，排肥控制單元讀取輸入相應(yīng)數(shù)值信息后進(jìn)行計(jì)算可得深淺層排肥電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為

(7)

式中m——施肥行數(shù)，取6

q——單個(gè)排肥輪每轉(zhuǎn)排肥實(shí)測(cè)量，取28 g/r

np1——深層排肥裝置排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

np2——淺層排肥裝置排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

Qp1——深層目標(biāo)施肥量，kg/hm2

Qp2——淺層目標(biāo)施肥量，kg/hm2

v——機(jī)具前進(jìn)工作速度，m/s

B——機(jī)具工作幅寬，取3.6 m

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

為了檢驗(yàn)追肥樣機(jī)施肥性能，參照NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》、JB/T 7864—2013《中耕追肥機(jī)》和GB/T 20346.2—2006《施肥機(jī)械 試驗(yàn)方法 第2部分：行間施肥機(jī)》等相關(guān)試驗(yàn)方法，采用尿素顆粒化肥，顆粒直徑為1.0～3.5 mm，對(duì)風(fēng)送追肥機(jī)進(jìn)行室內(nèi)和田間試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1排肥量一致性試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)送追肥機(jī)可同時(shí)進(jìn)行多行施肥，各行之間排肥一致性的測(cè)量能夠反映各行之間排肥量的差異性，間接反映出田間施肥的均勻性，為減少各施肥口排肥量的差異引起施肥不均的問題，進(jìn)行排肥機(jī)構(gòu)排肥一致性試驗(yàn)。排肥一致性試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)作業(yè)速度條件下，排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速一般不超過38 r/min，采用施肥系統(tǒng)軟件進(jìn)行車速設(shè)置，實(shí)現(xiàn)排肥速度為低、中、高3個(gè)等級(jí)狀態(tài)，每個(gè)速度下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為1 min，試驗(yàn)中把6個(gè)施肥口從左到右分別進(jìn)行編號(hào)并進(jìn)行肥量稱量統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

由表2可知，相同轉(zhuǎn)速下，深、淺層之間排肥量差異較小，各行之間施肥口排肥量一致性較好，排肥量比較均勻；試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，隨著排肥轉(zhuǎn)速的增加，各行之間排肥量變異系數(shù)有所降低，最大變異系數(shù)為2.64%，排肥量比較穩(wěn)定。

表2 各行施肥管口排肥量一致性試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of fertilizer quantity consistency among each row

3.2.2施肥量準(zhǔn)確率試驗(yàn)

施肥量準(zhǔn)確率能夠反映追肥機(jī)械田間追肥作業(yè)的穩(wěn)定性能，是田間追肥作業(yè)各區(qū)域追肥一致性的保證。為檢驗(yàn)追肥樣機(jī)施肥均勻性能，2019年7月中旬于河北省辛集市馬蘭農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)田塊總面積為6 000 m2，前期已采用導(dǎo)航拖拉機(jī)進(jìn)行玉米播種，播種行距為60 cm，追肥樣機(jī)為北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心研制的2FQS-6型玉米分層追肥機(jī)，田間作業(yè)試驗(yàn)如圖13所示。

圖13 施肥準(zhǔn)確率試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Experimental scene of fertilization quantity accuracy

試驗(yàn)過程中追肥樣機(jī)在施肥口進(jìn)行套袋測(cè)肥，追肥作業(yè)在低、中、高3種速度下進(jìn)行，每種速度下試驗(yàn)前進(jìn)100 m測(cè)量一組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，施肥量準(zhǔn)確率為

(8)

(9)

式中Wa——施肥量準(zhǔn)確率，%

Qr——設(shè)定施肥量，kg/hm2

qr1——試驗(yàn)距離理論施肥量，g

qr2——試驗(yàn)距離實(shí)際施肥量，g

Sl——施肥準(zhǔn)確率試驗(yàn)距離，取100 m

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示?？梢钥闯?，在工作速度不超過7.2 km/h時(shí)，追肥機(jī)械施肥精度隨著前進(jìn)速度增加而減小，施肥精度最小為95.42%，追肥機(jī)械施肥精度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；在同樣工作速度下，深、淺層排肥裝置施肥精度差別很小，排肥裝置分層施肥性能比較穩(wěn)定。

3.2.3施肥深度準(zhǔn)確性試驗(yàn)

施肥深度能夠較好地反映追肥狀態(tài)以及肥力效果，按照施肥均勻性試驗(yàn)的田間試驗(yàn)安排，在低、中和高3種前進(jìn)工作速度下，進(jìn)行田間追肥施肥深度檢測(cè)試驗(yàn)，任意選取一個(gè)施肥行，沿施肥方向每間隔1 m進(jìn)行一次深度測(cè)量，共進(jìn)行20次測(cè)量，施肥深度田間試驗(yàn)如圖14所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理結(jié)果如表4所示。

表3 施肥量準(zhǔn)確率試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Statistical results of fertilization quantity accuracy

由表4可知，在追肥作業(yè)速度不超過7.2 km/h時(shí)，深、淺層施肥深度均滿足施肥設(shè)定要求，深層開溝施肥深度受速度影響較小，深度平均值最小為11.04 cm，深度變異系數(shù)不超過5.35%；淺層扎穴施肥深度平均值隨著作業(yè)速度的增加而減小，施肥深度平均值最小為6.9 cm，變異系數(shù)最大為9.36%。

圖14 田間追肥試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.14 Field test of fertilizer applicator

表4 施肥深度準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experimental results of fertilizing depth accuracy

4 結(jié)論

(1)針對(duì)玉米中期追肥生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)了一種集排風(fēng)送式玉米分層追肥機(jī)。在玉米生長(zhǎng)中期進(jìn)行追肥作業(yè)時(shí)，該機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)多行快速深淺分層施肥作業(yè)；基于TTC32開發(fā)了一套具有人機(jī)交互功能的追肥控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了作業(yè)系統(tǒng)的變量設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)追肥作業(yè)的連續(xù)性，使施肥量能夠隨工作速度自適應(yīng)變化，提高了追肥作業(yè)效率和肥料利用率。

(2)進(jìn)行了多行集中排肥裝置排肥量一致性室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果表明：在電機(jī)相同轉(zhuǎn)速下，深、淺層排肥裝置排肥量差異性較小，各行之間施肥口排肥量一致性較好；隨著轉(zhuǎn)速增加，各行之間排肥量變異系數(shù)有所減小，最大變異系數(shù)為2.64%，轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量一致性的影響不明顯，各行之間排肥量比較均勻、穩(wěn)定。

(3)為了驗(yàn)證該追肥樣機(jī)的作業(yè)性能，進(jìn)行了樣機(jī)田間追肥試驗(yàn)，結(jié)果表明，在試驗(yàn)速度范圍內(nèi)，隨著工作速度的增加，追肥機(jī)械施肥精度呈逐漸減小趨勢(shì)，施肥精度最小值為95.42%；深層施肥深度變化量不大，施肥深度均值最小為11.04 cm，變異系數(shù)不超過5.35%；淺層施肥深度有所降低，施肥深度均值最小為6.9 cm，變異系數(shù)不超過9.36%；追肥機(jī)性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠滿足玉米追肥機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。