無管式小麥播種機(jī)電控排肥裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

韓連杰，俞金金，金佳俊，謝東升，張居正，張瑞宏

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127)

0 引言

近年來，我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)研究一直朝精準(zhǔn)化方向前進(jìn)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可確保在獲得較高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)有效保證農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[1-3]。變量施肥技術(shù)可以根據(jù)土壤營(yíng)養(yǎng)狀況、作物品種等因素進(jìn)行按需施肥，不僅可以提高肥料的利用率，使作物產(chǎn)量進(jìn)一步提高，而且可以減少肥料對(duì)水土的污染[4]。但是，目前我國(guó)大部分地區(qū)仍然使用粗放式的平均施肥方式，導(dǎo)致肥料的實(shí)際利用率降低到30%左右[5]。

人工難以完成精確的變量施肥，因此需要依靠可自動(dòng)變量施肥的農(nóng)機(jī)具來完成變量施肥作業(yè)。而排肥器是農(nóng)機(jī)具上進(jìn)行施肥的關(guān)鍵部件，現(xiàn)有的變量排肥器設(shè)計(jì)主要包括外槽輪式、離心式、螺旋式、振動(dòng)式、星輪式等[6]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)此做了大量研究。Alameen等[7]利用氣缸進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，研發(fā)一個(gè)雙變量施肥試驗(yàn)臺(tái)。頓國(guó)強(qiáng)等[8]設(shè)計(jì)了一種肥料調(diào)配裝置，安裝在外槽輪排肥器下端，較好的改善了排肥量脈動(dòng)的現(xiàn)象。齊興源等[9]基于空氣流輸送方式設(shè)計(jì)了一種外槽輪排肥氣力式變量施肥機(jī)。

因?yàn)轭w粒肥有不易粉化，粒度均勻等優(yōu)勢(shì)，所以我國(guó)多使用顆粒肥。而外槽輪式排肥器又因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，實(shí)用性強(qiáng)，成本較低而被廣泛應(yīng)用[10]。本文針對(duì)適用顆粒肥的外槽輪式排肥器進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)外槽輪式排肥器，通過試驗(yàn)分析驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、外槽輪工作長(zhǎng)度與施肥量之間存在的關(guān)系，以期為提高電控排肥器施肥均勻性和精確性提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

機(jī)具主要由基肥箱、三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、雙軸旋耕裝置、中間傳動(dòng)箱、液壓舉升裝置、前鎮(zhèn)壓輥輪、壓溝輪組、貼地播種箱、肥箱、覆土刀組、后鎮(zhèn)壓輥輪、機(jī)架、開溝裝置等部件組成，使用三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)連接，機(jī)具結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

雙軸旋耕裝置包括第一旋耕刀組、第二旋耕刀組，兩組旋耕刀在空間上下分開布置，提高了耕深和秸稈還田效果。前鎮(zhèn)壓輥輪用于對(duì)深耕后的土壤進(jìn)行鎮(zhèn)壓平整。壓溝輪由側(cè)邊傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)完成開溝作業(yè)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)外槽輪排肥器，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整排肥器的排肥量。覆土刀組通過切削土壤來覆蓋種子。后鎮(zhèn)壓輥輪對(duì)播種后的土壤表面進(jìn)行鎮(zhèn)壓。同時(shí)配備有北斗導(dǎo)航自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，為機(jī)具的精準(zhǔn)作業(yè)提供保障[11]。

1.2 工作流程

機(jī)具工作流程如圖2所示。機(jī)具通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接，拖拉機(jī)后輸出軸將動(dòng)力傳遞到中間傳動(dòng)箱，中間箱體將動(dòng)力向兩側(cè)齒輪箱傳遞并驅(qū)動(dòng)前后旋耕軸實(shí)現(xiàn)旋耕作業(yè)。旋耕作業(yè)同時(shí)，位于機(jī)具前方的基肥箱通過電控排肥器將基肥由排肥管排出灑落在未耕土壤表面，經(jīng)過深旋耕過程實(shí)現(xiàn)埋田，與土壤混合，減少揮發(fā)，保證土壤肥力。前鎮(zhèn)壓輥輪隨著機(jī)具前進(jìn)，對(duì)旋耕后的土壤表面進(jìn)行鎮(zhèn)壓，保證土壤耕后的平整度，有利于后續(xù)壓溝輪組進(jìn)行壓種肥溝作業(yè)。主傳動(dòng)軸動(dòng)力經(jīng)萬向節(jié)傳遞至機(jī)具一側(cè)轉(zhuǎn)向器，驅(qū)動(dòng)壓溝輪完成壓溝作業(yè)。貼地播種箱和種肥箱均安裝了外槽輪式電控排種(肥)器，排種器在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成排種作業(yè)，種子播撒在種溝內(nèi)且呈寬帶離散型分布，排肥器也在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下將種肥均勻播撒在種溝兩側(cè)，保證種子出芽過程的養(yǎng)分需要。在此之后，覆土刀組通過反旋實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)過程中切削土壤，完成對(duì)種溝的覆蓋。后鎮(zhèn)壓輥輪對(duì)播種后的土壤表面進(jìn)行鎮(zhèn)壓平整。最后，深度可調(diào)式開溝輪完成排水溝作業(yè)，工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程示意圖

1.3 排肥器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電控驅(qū)動(dòng)排肥器是該機(jī)具上實(shí)現(xiàn)變量施肥的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 外槽輪電控排肥器示意圖

該排肥器主要由毛刷、外槽輪、擋圈、排肥器殼體、阻塞輪、聯(lián)軸器、嚙合軸和電機(jī)等組成。外槽輪、阻塞輪、兩端擋圈和清種毛刷安裝在排肥器外殼上，排肥器外殼作為支架可與種肥箱與排肥管等外部裝置連接。電機(jī)通過聯(lián)軸器和嚙合軸與外槽輪連接，驅(qū)動(dòng)外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)。外槽輪有效工作長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，阻塞輪與外槽輪不僅同軸，外徑尺寸也相同，移動(dòng)阻塞輪的軸向位置可改變外槽輪有效工作長(zhǎng)度[12-13]。

機(jī)具在作業(yè)時(shí)，控制單元從北斗導(dǎo)航自動(dòng)駕駛儀獲取機(jī)具的實(shí)時(shí)前進(jìn)速度[14]，處理后控制調(diào)節(jié)外槽輪電控排肥器的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控量排肥，從而保證排肥的均勻性。

2 排肥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)組成，如圖4所示。為了提高施肥的準(zhǔn)確性和均勻性，排肥器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速采用閉環(huán)控制，將傳動(dòng)輥輪的轉(zhuǎn)速測(cè)量值作為反饋系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)，結(jié)合每公頃施肥量的期望值，通過PID算法，調(diào)節(jié)PWM波的占空比，控制排肥器外槽輪達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速[15]。此外，傳動(dòng)輥與排肥器的轉(zhuǎn)速通過串口實(shí)時(shí)向計(jì)算機(jī)輸出，便于對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行分析和參數(shù)標(biāo)定。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖5所示。采用STM32F103RCT6作為主控芯片，該芯片以Cortex-M3為內(nèi)核，工作頻率最高為72 MHz，擁有48K字節(jié)的SRAM，其板載資源有ADC、IIC、UART等，并且可以直接輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

圖5 系統(tǒng)實(shí)物圖

采用15 A大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊作為排肥器電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，此驅(qū)動(dòng)器使用的MOS管型號(hào)為NCE80H11。驅(qū)動(dòng)板輸入電壓為12 V，PWM有效范圍為0.1%～100.0%，額定工作電流12 A，能夠滿足排肥器電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。為了防止驅(qū)動(dòng)板燒壞，在電源的輸入端串聯(lián)20 A的保險(xiǎn)絲。

采用555行星減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)外槽輪排肥器。其額定電壓為12 V，空載轉(zhuǎn)速為120 r/min，減速比為50，額定力矩為16 kg/cm，能夠滿足外槽輪排肥器的驅(qū)動(dòng)要求。

采用光電轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)外槽輪排肥器和帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，將碼盤放置在紅外發(fā)射管和接收管之間，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使光電轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過測(cè)量一定時(shí)間的脈沖次數(shù)即可獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

采用電位器控制傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速，通過調(diào)整電位器的電阻值，從而改變電位器分得的電壓，并使用STM32單片機(jī)上的ADC資源測(cè)量該電壓值，并輸出PWM控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。系統(tǒng)工作時(shí)，通過矩陣鍵盤向系統(tǒng)輸入目標(biāo)單位面積施肥量和外槽輪排肥器的有效工作長(zhǎng)度，并通過電位器控制傳送帶速度。系統(tǒng)檢測(cè)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速?gòu)亩玫綑C(jī)具的前進(jìn)速度。此時(shí)系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)具的前進(jìn)速度、外槽輪排肥器的工作長(zhǎng)度和目標(biāo)單位面積施肥量計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻排肥器的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。檢測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的排肥器實(shí)際轉(zhuǎn)速，并獲得排肥器的實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的偏差，通過PID計(jì)算，并輸出PWM波控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

排肥器電機(jī)轉(zhuǎn)速與目標(biāo)單位面積施肥量、外槽輪排肥器的有效工作長(zhǎng)度、傳送帶速度的關(guān)系可由式(1)確定。

(1)

式中：V(t)——t時(shí)刻傳送帶的速度，km/h；

d——傳動(dòng)輥的直徑，mm；

n0(t)——t時(shí)刻傳動(dòng)輥的轉(zhuǎn)速，r/min；

S(t)——t時(shí)刻的作業(yè)面積，hm2；

D——播種行距，cm；

Z——排肥器的個(gè)數(shù)；

Q——目標(biāo)單位面積施肥量，kg/hm2；

M(t) ——t時(shí)刻的目標(biāo)施肥量，kg/hm2；

N(t)——t時(shí)刻目標(biāo)排肥器驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

q——外槽輪排肥器每轉(zhuǎn)的排量，g/r；

L——外槽輪排肥器的有效工作長(zhǎng)度，mm；

k——比例系數(shù)；

c——常數(shù)。

由式(1)可推導(dǎo)出排肥器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速與傳送帶速度、外槽輪排肥器有效工作長(zhǎng)度的關(guān)系為

(2)

圖6 軟件流程圖

3 電控排肥平臺(tái)試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

電控排肥裝置試驗(yàn)平臺(tái)由傳送帶張緊裝置、傳送帶、電控排肥器、排肥器轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳送帶速度傳感器和控制箱組成，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)平臺(tái)工作時(shí)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)外槽輪式排肥器進(jìn)行排肥，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到精確控制施肥量的目的，并由固定在外槽輪排肥器外殼上的光電轉(zhuǎn)速傳感器獲得實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速通過控制箱串口實(shí)時(shí)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。固定在平臺(tái)機(jī)架上的傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)以鏈傳動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)輥輪，傳動(dòng)輥輪驅(qū)動(dòng)傳送帶運(yùn)動(dòng)，固定在平臺(tái)機(jī)架上的光電轉(zhuǎn)速傳感器獲得傳動(dòng)輥輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，此轉(zhuǎn)速作為控制排肥器電機(jī)轉(zhuǎn)速的輸入?yún)?shù)，并通過控制箱串口實(shí)時(shí)發(fā)送到計(jì)算機(jī)。傳送帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速可由電位器調(diào)節(jié)，用以試驗(yàn)不同工作速度下的施肥工作情況。平臺(tái)尾端的從動(dòng)輥由兩根螺栓連接在平臺(tái)上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺栓可以調(diào)節(jié)從動(dòng)輥相對(duì)于傳動(dòng)輥的距離，達(dá)到調(diào)節(jié)傳送帶張緊力的目的。排肥口相對(duì)于傳送帶的高度可調(diào)，用以實(shí)現(xiàn)不同的施肥高度。試驗(yàn)平臺(tái)工作時(shí)，排肥器固定在平臺(tái)上不動(dòng)，傳送帶與排肥器相對(duì)運(yùn)動(dòng)，模擬排肥器在田間的工作過程。此外，試驗(yàn)設(shè)備與材料還包括電子秤、肥料收集容器、尿素肥料。

3.2 試驗(yàn)方法

選用尿素作為試驗(yàn)肥料，粒度范圍0.8～2.0 mm，用電子天平對(duì)排肥量進(jìn)行測(cè)量，使用秒表控制試驗(yàn)時(shí)間。調(diào)整外槽輪有效工作長(zhǎng)度為25 mm、35 mm和45 mm，在轉(zhuǎn)速分別為20、25、30、35、40 r/min的工作條件下，測(cè)量工作1 min的排肥量。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，并記錄數(shù)據(jù)。通過對(duì)排肥量與外槽輪有效工作長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)速的數(shù)值分析，標(biāo)定施肥量控制系統(tǒng)的參數(shù)。最后，在系統(tǒng)中設(shè)定目標(biāo)施肥量，試驗(yàn)在工作速度為3 km/h、5 km/h和7 km/h時(shí)，在單位工作時(shí)間內(nèi)，測(cè)量實(shí)際施肥量。計(jì)算實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的偏差，用于分析系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

3.3 結(jié)果與分析

通過試驗(yàn)測(cè)出電控排肥器在有效工作長(zhǎng)度為25 mm、35 mm和45 mm時(shí)，分別對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為20、25、30、35、40 r/min的工作條件下，工作1 min的排肥量。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。最后分別做出在不同轉(zhuǎn)速下，平均每轉(zhuǎn)的排肥量與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的平滑線散點(diǎn)圖，如圖8所示。從圖8中可以看出，排肥器在10～20 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)平均每轉(zhuǎn)的排肥量變化較大，且隨著轉(zhuǎn)速的升高，平均每轉(zhuǎn)的排肥量也逐漸升高，在20～40 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)平均每轉(zhuǎn)排肥量穩(wěn)定性較好。

圖8 排肥器轉(zhuǎn)速與平均每轉(zhuǎn)排肥量關(guān)系曲線

在每轉(zhuǎn)排肥量穩(wěn)定性較高的速度區(qū)間內(nèi)，求得在有效工作長(zhǎng)度為25 mm、35 mm和45 mm條件下的平均每轉(zhuǎn)排肥量為37.9 g、54.2 g和67.4 g。對(duì)有效工作長(zhǎng)度和平均每轉(zhuǎn)排肥量進(jìn)行線性擬合，如圖9所示。

圖9 外槽輪有效工作長(zhǎng)度與平均每轉(zhuǎn)排肥量關(guān)系曲線

得到外槽輪排肥器有效工作長(zhǎng)度和平均每轉(zhuǎn)排肥量的函數(shù)關(guān)系為q=1.474L+1.587 6，線性擬合的可決系數(shù)大于0.99，擬合優(yōu)度較好。由此可得式(2)中的k為1.474，c為1.587 6。

結(jié)合機(jī)具相關(guān)參數(shù)和式(2)，在外槽輪有效工作長(zhǎng)度為25 mm、35 mm和45 mm，機(jī)具作業(yè)速度范圍為3～7 km/h，排肥器轉(zhuǎn)速范圍為20～50 r/min的工作條件下，得出施肥量與機(jī)具作業(yè)速度、排肥器轉(zhuǎn)速、外槽輪有效工作長(zhǎng)度的關(guān)系，如圖10所示。在上述參數(shù)選擇區(qū)間內(nèi)，機(jī)具的施肥量在77.6～452.8 kg/hm2范圍內(nèi)可調(diào)。

圖10 施肥量與排肥器轉(zhuǎn)速和工作速度的關(guān)系

設(shè)定系統(tǒng)的目標(biāo)施肥量為150 kg/hm2，調(diào)節(jié)外槽輪排肥器的有效工作長(zhǎng)度為35 mm，通過電位器設(shè)定工作速度為3 km/h、5 km/h和7 km/h，測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際施肥量，試驗(yàn)3次，取平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。工作速度在3 km/h、5 km/h和7 km/h的情況下，測(cè)得實(shí)際施肥量和目標(biāo)施肥量的相對(duì)誤差分別為5%、2.5%和6.5%。誤差均在15%以下，滿足施肥精確性的要求。

表1 實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量對(duì)照Tab. 1 Comparison between actual fertilization and target fertilization

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)區(qū)概況

參照NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(下稱《規(guī)范》)，進(jìn)行電控驅(qū)動(dòng)外槽輪排種器的檢驗(yàn)。試驗(yàn)于2020年11月10日在江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)宜陵鎮(zhèn)七里村(119.700°E,32.522°N)進(jìn)行，選用肥料為尿素，粒度范圍0.8～2.0 mm。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用配備北斗農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛儀的雙軸深耕勻混智能化貼地播種復(fù)式作業(yè)機(jī)進(jìn)行施肥試驗(yàn)，并將上述排肥器試驗(yàn)平臺(tái)的控制系統(tǒng)安裝在機(jī)具上，外槽輪排肥器有效工作長(zhǎng)度為25 mm，如圖11所示。使用東方紅1204拖拉機(jī)作為動(dòng)力機(jī)械，作業(yè)速度3～5 km/h。

圖11 試驗(yàn)設(shè)備

4.3 試驗(yàn)項(xiàng)目與方法

4.3.1 施肥均勻性試驗(yàn)

該試驗(yàn)為靜態(tài)試驗(yàn)，該機(jī)具排肥口共15個(gè)，間隔選取8個(gè)排肥口進(jìn)行試驗(yàn)，按式(3)～式(5)計(jì)算各行的排肥量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。按照《規(guī)范》要求，各行排肥量一致性變異系數(shù)應(yīng)該≤13%。

(3)

(4)

(5)

式中：xi——每行各次平均排量，g；

x——每行各次平均排量的平均值，g；

S——各行排肥量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差，g；

V——各行排肥量一致性的變異系數(shù)，%；

n——測(cè)定行數(shù)。

試驗(yàn)設(shè)定的轉(zhuǎn)速分別為25、30、35、40 r/min，將塑料小桶放在被測(cè)試排種口下端，每次收集肥料時(shí)間為3 min，收集結(jié)束后對(duì)每個(gè)小桶中的肥料質(zhì)量進(jìn)行稱量，每種轉(zhuǎn)速試驗(yàn)重復(fù)3次并取平均值。

4.3.2 施肥準(zhǔn)確性試驗(yàn)

施肥準(zhǔn)確性用施肥量偏差進(jìn)行評(píng)估，施肥量偏差用式(6)進(jìn)行計(jì)算。按照《規(guī)范》要求，施肥量偏差需控制在15%以內(nèi)。

(6)

式中：γs——施肥量偏差，%；

Wq——試驗(yàn)前肥箱內(nèi)化肥重量，kg；

Wh——試驗(yàn)后肥箱內(nèi)剩余化肥重量，kg；

A——施肥作業(yè)面積，m2；

F——給定施肥量，kg/hm2。

將期望施肥量分別設(shè)定為150、200、250 kg/hm2。

試驗(yàn)區(qū)為10塊2.5 m×100 m的區(qū)域。每塊區(qū)域作業(yè)前后稱量肥箱中肥料的質(zhì)量并記錄數(shù)據(jù)。

4.4 結(jié)果與分析

4.4.1 施肥均勻性

不同轉(zhuǎn)速下每行排肥器的排肥量見表2。選取的8個(gè)排肥器在不同轉(zhuǎn)速下工作3 min 排肥量的統(tǒng)計(jì)情況，計(jì)算得出各行排肥量的變異系數(shù)在0.82%～1.72%之間，滿足變異系數(shù)≤13%的要求；隨著轉(zhuǎn)速的提高，各行排肥量基本呈線性增加，同時(shí)變異系數(shù)減小，施肥均勻性提高。

表2 不同轉(zhuǎn)速下每行排肥器的排肥量Tab. 2 Amount of fertilizer per row of fertilizer exhauster at different rotation rate

4.4.2 施肥準(zhǔn)確性

表3表示了不同目標(biāo)施肥量下實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的偏差，隨著目標(biāo)施肥量的升高，實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的偏差逐漸減小，這是由于目標(biāo)施肥量的增加導(dǎo)致排肥器的轉(zhuǎn)速升高，使得排肥器的排肥穩(wěn)定性提高。在目標(biāo)施肥量為150、200、250 kg/hm2的情況下，實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的偏差范圍分別為2.46%～7.68%、0.92%～6.35%和0.86%～5.88%。均滿足施肥量偏差控制在15%以內(nèi)的要求。

表3 不同目標(biāo)施肥量下實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的偏差Tab. 3 Deviation between actual fertilizing amount and target fertilizing amount

5 結(jié)論

本文針對(duì)無管式小麥播種機(jī)械對(duì)變量施肥效果的技術(shù)需求，設(shè)計(jì)基于PID算法的電控排肥裝置，搭建了電控排肥器試驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)，得到外槽輪排肥器在不同轉(zhuǎn)速、外槽輪有效工作長(zhǎng)度的條件下的排肥量。對(duì)外槽輪有效工作長(zhǎng)度和平均每轉(zhuǎn)排肥量進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得出外槽輪有效工作長(zhǎng)度和平均每轉(zhuǎn)排肥量的函數(shù)關(guān)系為q=1.474L+1.587 6。在20～40 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)排肥量穩(wěn)定性較好，并得出在外槽輪有效工作長(zhǎng)度范圍在25～45 mm，機(jī)具作業(yè)速度范圍在3～7 km/h，排肥器轉(zhuǎn)速范圍為20～50 r/min的工作條件下，機(jī)具的施肥量在77.6～452.8 kg/hm2范圍內(nèi)可調(diào)。

將設(shè)計(jì)的電控排肥裝置搭載在貼地播種復(fù)式作業(yè)機(jī)上。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，向系統(tǒng)輸入目標(biāo)施肥量和外槽輪的有效工作長(zhǎng)度后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠基于機(jī)組前進(jìn)速度自動(dòng)調(diào)節(jié)。同時(shí)，在25～40 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，各行排肥量變異系數(shù)小于1.72%，排肥均勻性良好；在目標(biāo)施肥量為150、200和250 kg/hm2時(shí)，實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的偏差均小于7.68%，滿足施肥量偏差≤15%的要求，施肥準(zhǔn)確性較高。