風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 陶 龔 靜 鄭明武 李芋汶 楊正穎 鄒洪宇 郭金岳 鄧 璇 任萬軍 胡劍鋒 雷小龍,*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,四川 雅安 625014;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 611130;3.四川天府新區(qū)鄉(xiāng)村振興研究院,成都610213)

化肥是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料,施用化肥已成為許多國家提高糧食產(chǎn)量的重要手段之一[1-2]。施肥作業(yè)過程存在施用量大且分布不均勻,造成環(huán)境污染、化肥利用率低等問題,嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展[3-5]。精量同步施肥是降低化肥施用量和提高化肥利用率的重要途徑,設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的排肥裝置與控制系統(tǒng)是保證排肥精確的關(guān)鍵[6]。

外槽輪式排肥器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的施肥裝置[7]。為實(shí)現(xiàn)精量、均勻排肥,已有研究采用優(yōu)化設(shè)計(jì)外槽輪排肥器結(jié)構(gòu)或提升控制系統(tǒng)性能的方式來實(shí)現(xiàn)[8-11]。針輥式排肥輪通過增加排肥輪轉(zhuǎn)速可以提高排肥量均勻性[12];雙齒輪結(jié)構(gòu)的排肥器提高排肥均勻性,并通過調(diào)節(jié)排肥輪的轉(zhuǎn)速精確調(diào)整排肥量[13];以交錯(cuò)直齒式排肥輪為供肥關(guān)鍵部件與氣力輸送分配相結(jié)合,滿足施肥量要求且具備較好的均勻性[14];傾斜螺旋狀型孔結(jié)構(gòu)有利于充肥和排肥,具有較好的各行排肥量一致性和排肥均勻度[15-16]。長江中下游地區(qū)土壤含水率高,地輪驅(qū)動(dòng)施肥適應(yīng)性較差,一般采用主動(dòng)施肥方式,需設(shè)計(jì)施肥量隨前進(jìn)速度變化而自動(dòng)調(diào)整的同步施肥控制系統(tǒng)[17-18]。為實(shí)現(xiàn)與作業(yè)速度同步實(shí)時(shí)控制施肥量,Alameen等[19]設(shè)計(jì)的雙變量施肥試驗(yàn)臺(tái),可以通過氣缸調(diào)節(jié)排肥器開度,精準(zhǔn)、穩(wěn)定并快速地控制排肥量;基于CAN總線通訊技術(shù)與GNSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙變量施肥控制系統(tǒng),利用GNSS系統(tǒng)獲取準(zhǔn)確定位信息,并通過電機(jī)與推桿實(shí)時(shí)同步控制施肥量,可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量的施肥作業(yè)[20];趙學(xué)觀等[21]提出北斗單點(diǎn)測速與地輪測速結(jié)合的雙測速模式,提高了玉米追肥機(jī)控制系統(tǒng)的測速精度和可靠性。綜上,通過優(yōu)化排肥器結(jié)構(gòu)可提高排肥精確度和均勻性,GPS系統(tǒng)應(yīng)用于施肥控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)同步控制施肥量,但排肥均勻性和準(zhǔn)確度需進(jìn)一步研究。

本研究擬設(shè)計(jì)一種采用“集中排肥+風(fēng)送輸肥”方式的風(fēng)送式集中排肥裝置,并開發(fā)同步施肥控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)直槽、交錯(cuò)槽與螺旋槽排肥輪,通過臺(tái)架試驗(yàn)優(yōu)選排肥輪;建立風(fēng)送式集中排肥裝置的排肥輪轉(zhuǎn)速-排肥速率線性回歸方程模型,根據(jù)北斗+GPS系統(tǒng)監(jiān)測的行駛速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)施肥量,以期為排肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能提升提供參考。

1 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究所設(shè)計(jì)的風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)由排肥裝置、風(fēng)送輸肥裝置和施肥控制系統(tǒng)組成(圖1),其中排肥裝置包括肥料箱、外殼、電機(jī)、排肥輪、攪肥軸和平口排肥舌等;風(fēng)送輸肥裝置主要由風(fēng)機(jī)、導(dǎo)肥管和輸肥管組成;施肥控制系統(tǒng)的觸摸屏、北斗+GPS測速模塊等接入控制器。排肥裝置的排肥輪與空白輪交錯(cuò)排列安裝排肥軸上,排肥輪與排肥支撐座體之間形成一個(gè)獨(dú)立區(qū)域,攪肥軸位于排肥輪側(cè)上方,電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪肥軸、排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng),促進(jìn)顆?；柿鲃?dòng)性,排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)并在平口排肥舌共同作用下強(qiáng)制排肥到氣固混合腔。風(fēng)送輸肥裝置采用6個(gè)風(fēng)機(jī)為氣固混合腔分別提供風(fēng)力,實(shí)現(xiàn)6行輸送排肥。施肥控制系統(tǒng)通過北斗+GPS測速模塊檢測作業(yè)速度,并控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)同步排肥。

1.外殼;2.同步齒形帶;3.同步輪;4.肥料箱;5.風(fēng)機(jī);6.導(dǎo)肥管;7.控制器;8.輸肥管;9.觸摸屏;10.柱形光電開關(guān);11.北斗+GPS測速模塊;12.排肥輪;13.氣固混合腔;14.攪肥軸;15.排肥軸;16.平口排肥舌;17.排肥支撐座體;18.電機(jī)1.Shell;2.Belt;3.Synchronized wheel;4.Fertilizer box;5.Fan;6.Fertilizer guiding tube;7.Controller;8.Fertilizer tube;9.Display screen;10.Cylindrical photoelectric switch;11.BDS and GPS speed measurement module;12.Fertilization wheel;13.Gas-solid mixing chamber;14.Fertilizer mixing shaft;15.Fertilization shaft;16.Flat tongue;17.Fertilizer support base;18.Motor圖1 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)三維圖(a)和截面圖(b)Fig.1 Three-dimensional view (a) and section (b) of air-assisted centralized fertilization system

1.2 工作原理

風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)工作時(shí),啟動(dòng)施肥控制系統(tǒng),校準(zhǔn)排肥量后在觸摸屏上設(shè)定施肥量、作業(yè)幅寬等參數(shù),啟動(dòng)風(fēng)機(jī),農(nóng)機(jī)的動(dòng)力機(jī)械抬升臂放下觸發(fā)柱形光電開關(guān)傳感器,排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速根據(jù)北斗+GPS測速模塊測量的作業(yè)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥輪與攪肥軸轉(zhuǎn)動(dòng),顆?；试跀嚪瘦S與重力的作用下進(jìn)入到排肥輪凹槽內(nèi),通過排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)制排入氣固混合腔,風(fēng)送輸肥裝置利用高速氣流在氣固混合腔產(chǎn)生文丘里效應(yīng),顆?；试跉饬髋c重力的作用下輸送至輸肥管道,完成排肥過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排肥輪設(shè)計(jì)

集中排肥裝置的關(guān)鍵部件是排肥輪,為提高排肥均勻性,降低排肥脈動(dòng)現(xiàn)象,設(shè)計(jì)螺旋槽排肥輪結(jié)構(gòu)參數(shù),并與直槽、交錯(cuò)槽排肥輪進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。由排肥器工作原理可知,集中排肥裝置單個(gè)排肥輪每轉(zhuǎn)的排肥量Q0是強(qiáng)制層排肥量Q1與帶動(dòng)層排肥量Q2之和[22-24]：

Q0=Q1+Q2

(1)

其中

(2)

式中：Q0為單個(gè)排肥輪每轉(zhuǎn)的排肥量,g/r;α為凹槽內(nèi)顆粒化肥的填充系數(shù),本研究取0.8;Z為排肥輪每周槽數(shù),個(gè);l為排肥輪有效工作長度,mm;γ為顆?；嗜葜?kg/m3;S為單個(gè)凹槽截面積,mm2;R為排肥輪半徑,mm;λ為帶動(dòng)層的特性系數(shù),本研究取0.3。

本研究設(shè)計(jì)的螺旋槽排肥輪為圓弧形凹槽。螺旋槽排肥輪的端面局部和回轉(zhuǎn)面投影見圖2。

O0為排肥輪的軸心;O1為凹槽的軸心,且在排肥輪圓周上;r為凹槽半徑;A與B點(diǎn)為凹槽在排肥輪圓周上的截面起始、終止點(diǎn);θ為單個(gè)凹槽在排肥輪上的圓心角;R為排肥輪半徑;l為排肥輪的有效工作長度;ψ為螺旋凹槽在排肥輪圓周上的螺旋升角。O0 is the axis of fertilizing wheel.O1 is the axis of the groove and on the circumference of the fertilizer discharge wheel.r is the groove radius.Points A and B are the starting and ending points of the section of the groove on the circumference of the fertilizer discharge wheel.θ is the central angle of a single groove on the fertilizer row wheel.R is the radius of fertilizer discharge wheel.l is the effective working length of fertilizer discharge wheel.ψ is the spiral rising angle of the spiral groove on the circumference of the fertilizer discharge wheel.圖2 螺旋槽排肥輪的端面局部視圖(a)和回轉(zhuǎn)面投影(b)Fig.2 Partial view of end face (a) and rotary surface projection (b) of spiral groove fertilizer wheel

由圖2(a)可知,排肥輪單個(gè)凹槽截面積S為扇形O0AB面積S1與三角形O0AB面積S2的差加上扇形O1AB面積S3與三角形O1AB面積S4的差：

S=S1-S2+S3-S4

(3)

其中

(4)

式中：S為單個(gè)凹槽截面積,mm2;r為凹槽半徑,mm;θ為單個(gè)凹槽在排肥輪上的圓心角,(°)。

為保證螺旋槽排肥輪相鄰兩凹槽首尾相接,螺旋升角ψ應(yīng)滿足：

(5)

集中排肥裝置的供肥速率Qm與農(nóng)藝要求的施肥速率Qs分別為：

Qm=Q0Nn

(6)

Qs=6QtMv

(7)

式中：Qm為集中排肥裝置的供肥速率,g/min;Qs為農(nóng)藝要求的施肥速率,g/min;Qt為農(nóng)藝要求的單位面積理論施肥量,kg/hm2;N為排肥輪數(shù)量,個(gè);n為排肥輪轉(zhuǎn)速,r/min;M為施肥作業(yè)幅寬,m;v為施肥作業(yè)速度,m/s。

由式(6)和(7)可知,集中排肥裝置的供肥速率Qm與農(nóng)藝要求的施肥速率Qs相等,則：

(8)

綜上,供肥速率與排肥輪直徑、槽數(shù)、凹槽容積和轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。當(dāng)供肥速率相同時(shí),排肥輪槽數(shù)隨著直徑的減小而減少,排肥均勻性變差,為滿足施肥量的調(diào)節(jié)范圍,通過改變排肥輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)排肥速率,但排肥輪轉(zhuǎn)速過高會(huì)降低充肥時(shí)間,顆?；薀o法及時(shí)充滿凹槽,影響排肥性能[22-24]。根據(jù)農(nóng)藝施肥量及排肥性能要求,確定直槽、交錯(cuò)槽和螺旋槽排肥輪的直徑為60 mm,圓弧形凹槽半徑為6 mm,排肥輪有效工作長度為30 mm,在保證槽輪齒脊強(qiáng)度與排肥均勻性的條件下,槽數(shù)為8～15,本研究取槽數(shù)為12個(gè);螺旋槽與直槽、交錯(cuò)槽排肥輪區(qū)別在凹槽排布(圖3),螺旋槽排肥輪的凹槽呈螺旋排布,螺旋升角為62.4°,直槽排肥輪的軸心線與凹槽軸心線平行,交錯(cuò)槽排肥輪左右凹槽交錯(cuò)0.5個(gè)周期。

O0為排肥輪的軸心;O1為凹槽的軸心;O2為相鄰凹槽的軸心。O0 is the axis of fertilizing wheel.O1 is the axis of the groove.O2 is the axis of adjacent grooves.圖3 直槽(a)、交錯(cuò)槽(b)和螺旋槽(c)排肥輪Fig.3 Straight groove (a),staggered groove (b) and spiral groove (c) fertilization wheel

2.2 風(fēng)送輸肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)送輸肥系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)包括輸送氣流速度、輸送風(fēng)量、輸送管內(nèi)徑和風(fēng)機(jī)的選型。輸肥管內(nèi)輸送氣流速度vs的計(jì)算公式[25]為：

(9)

式中：vs為輸肥管內(nèi)輸送氣流速度,m/s;kp為顆粒尺寸系數(shù),一般為16～20;ρp為顆粒密度,kg/m3;kd為顆粒性質(zhì)系數(shù),一般為2×10-5～5×10-5;L為輸肥管長度,m。

化肥的顆粒直徑一般為2～4 mm,顆?；实拿芏葹?00～1 400 kg/m3,輸肥管長度約2 m,顆粒性質(zhì)系數(shù)對(duì)輸送氣流速度影響甚微,忽略不計(jì);氣流速度為滿足多數(shù)顆?；实氖褂?根據(jù)化肥的最大顆粒直徑和最大化肥密度,取顆粒尺寸系數(shù)為16,化肥密度取1 400 kg/m3,則輸肥管內(nèi)輸送氣流速度理論值為18.93 m/s;考慮到田間作業(yè)工況惡劣,實(shí)際輸肥管內(nèi)輸送氣流速度應(yīng)達(dá)到21 m/s。長江流域油菜等作物播種的作業(yè)速度一般為3～5 km/h,作業(yè)幅寬1.8 m,按照作業(yè)效率0.9 hm2/h,施肥量按照600 kg/hm2計(jì)算,輸肥系統(tǒng)輸送率W為540 kg/h。為保證顆?；试谳敺使苈分许樌斔投槐欢氯?選定單位時(shí)間肥料質(zhì)量與氣流質(zhì)量的混合比c為1.2[26],表達(dá)式為：

(10)

其中：

(11)

式中：Gp為輸肥管內(nèi)肥料流量,kg/h;Gs為輸肥管內(nèi)空氣流量,kg/h;W為輸肥系統(tǒng)輸送率,kg/h;ρs為空氣密度,取1.2 kg/m3;d0為輸肥管內(nèi)徑,mm。

根據(jù)式(11)可知,輸肥管內(nèi)徑d0和輸送流量Qs分別為：

(12)

(13)

由式(12)和(13)可知,選用32 mm內(nèi)徑的輸肥管,風(fēng)機(jī)輸送流量應(yīng)大于375 m3/h,根據(jù)風(fēng)送輸肥系統(tǒng)對(duì)風(fēng)速與風(fēng)量的要求,選用調(diào)速風(fēng)機(jī)臺(tái)達(dá)BFB1012EH-F00,工作電壓DC12 V,額定功率36 W,風(fēng)量78.2 m3/h,風(fēng)送輸肥系統(tǒng)使用風(fēng)機(jī)數(shù)量為6個(gè)。

2.3 同步施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1硬件設(shè)計(jì)

施肥控制系統(tǒng)依托動(dòng)力機(jī)械的12 V直流電源,設(shè)有12～24 V的升壓器。采用TK6071IQ觸摸屏,該觸摸屏通過RS485與控制器串口通訊(圖4)。觸摸屏設(shè)置初始參數(shù)及校準(zhǔn)后,作業(yè)機(jī)具放下時(shí)觸發(fā)安裝在機(jī)具抬升臂上的E3F-DS30C4柱形光電開關(guān),進(jìn)入工作狀態(tài);北斗+GPS測速模塊獲取作業(yè)速度并傳輸至CX3G-16MT控制器(Coolmay公司),經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后發(fā)送脈沖信號(hào)至閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,調(diào)整閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)(型號(hào)為86EBP147ALC-TK0)轉(zhuǎn)速帶動(dòng)排肥輪工作,以實(shí)現(xiàn)同步控制排肥量,在排肥過程中,6個(gè)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨排肥速率實(shí)時(shí)調(diào)整。施肥控制系統(tǒng)使用7個(gè)PU-FD5BL臥式光電開關(guān),分別對(duì)肥料箱低余量、輸肥管堵塞進(jìn)行監(jiān)測,若在工作過程中,出現(xiàn)肥料箱缺肥、輸肥管堵塞和電機(jī)故障等意外狀況,將觸發(fā)報(bào)警信號(hào)并反饋至觸摸屏。施肥控制系統(tǒng)工作流程見圖5。

1.12 V直流電源;2.升壓器;3控制器;4.觸摸屏;5.北斗+GPS測速模塊;6.柱形光電開關(guān);7.臥式光電開關(guān);8.風(fēng)機(jī);9.閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;10.閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)1.12 V DC power supply;2.Voltage booster;3.Controller;4.Touch screen;5.BDS+GPS speed measurement module;6.Column photoelectric switch;7.Horizontal photoelectric switch;8.Fan;9.Closed loop stepping motor driver;10.Closed loop stepping motor圖4 施肥控制系統(tǒng)原理及組成Fig.4 Principle and composition of fertilization control system

圖5 施肥控制系統(tǒng)工作流程Fig.5 Operating process of fertilization control system

2.3.2控制方法

施肥控制系統(tǒng)選用的北斗+GPS測速模塊型號(hào)是ATK1218-BD,通訊速率為20 Hz,對(duì)地速度精度<0.1 m/s。在田間作業(yè)過程中,北斗+GPS模塊獲取的原始對(duì)地速度有噪聲及異常信號(hào),無法準(zhǔn)確反映行駛速度。數(shù)字濾波算法是濾除噪聲干擾,提高測量精度的有效方法[27-28],因此綜合應(yīng)用限幅濾波和遞推平均值濾波算法,以實(shí)現(xiàn)施肥控制系統(tǒng)對(duì)異常對(duì)地速度信號(hào)的抑制,消除瞬時(shí)波動(dòng)影響,平滑速度信號(hào),實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測行駛速度。限幅濾波算法[29]為：

(14)

式中：Yk為本次限幅濾波后采集的速度最終值;Xk為當(dāng)前速度采集值;Xk-1為上一時(shí)刻速度采集值;Ae為限幅濾波最大速度誤差值。由式(14)可知,若當(dāng)前速度采集值與上一時(shí)刻速度采集值之差≤限幅濾波最大速度誤差值時(shí),則當(dāng)前速度采集值為本次采集的速度最終值;否則當(dāng)前速度采集值被定義為異常信號(hào),則將上一時(shí)刻速度采集值賦值到本次采集的速度最終值。采用型號(hào)為BWT901BLE5.0的加速度計(jì)測量平坦路面上作業(yè)時(shí)的加速度,獲得加速度峰值為4.64 m/s2,經(jīng)換算后可用于限幅濾波最大速度誤差。當(dāng)北斗+GPS模塊輸出的對(duì)地速度經(jīng)過限幅濾波剔除異常信號(hào)后,進(jìn)行遞推平均值濾波[30],表達(dá)式為：

(15)

式中：T為采樣個(gè)數(shù),本研究取10;vm為第k次采集濾波后的速度輸出值,m/s。

由式(6)可知,集中排肥裝置的供肥速率Qm隨著排肥輪轉(zhuǎn)速n的增加而提高,且已有研究表明排肥速率與排肥輪轉(zhuǎn)速有良好的線性關(guān)系[15-16],則排肥速率與排肥輪轉(zhuǎn)速的線性函數(shù)表達(dá)式為：

Qm=Asn+Bi

(16)

式中：As為斜率;Bi為截距。

在施肥控制系統(tǒng)中,經(jīng)濾波處理后的速度輸出值vm等于施肥作業(yè)速度v,即vm=v;且集中排肥裝置的供肥速率Qm應(yīng)等于農(nóng)藝要求的施肥速率Qs,則由式(7)與式(16)可知施肥控制系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為：

(17)

2.3.3人機(jī)交互界面

施肥控制系統(tǒng)通過TK6071IQ觸摸屏(WEINVIEW公司)進(jìn)行人機(jī)交互,利用RS485串口通訊協(xié)議與控制器通訊,使用軟件EasyBuilder Pro設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面,包括初始設(shè)置和運(yùn)行監(jiān)測2個(gè)界面(圖6)。初始設(shè)置界面設(shè)置幅寬、單位面積理論施肥量,施肥控制系統(tǒng)引用校準(zhǔn)值以適應(yīng)不同的顆?；省?zhí)行校準(zhǔn)程序時(shí),排肥電機(jī)以60 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行10 s,將所排出肥料的總重量輸入至校準(zhǔn)值中完成校準(zhǔn);運(yùn)行監(jiān)測頁面可對(duì)作業(yè)參數(shù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測,當(dāng)監(jiān)測到運(yùn)行故障時(shí)界面內(nèi)指示燈閃爍報(bào)警提示。

圖6 初始設(shè)置(a)和運(yùn)行監(jiān)測(b)的人機(jī)交互界面Fig.6 Initial setting (a) and operation monitoring (b) of HMI

3 性能試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料及方法

3.1.1排肥裝置性能試驗(yàn)

選用中化化肥為供試顆粒化肥,氮、磷、鉀質(zhì)量比為15∶15∶15。參照NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[31]開展臺(tái)架試驗(yàn),對(duì)比直槽、交錯(cuò)槽和螺旋槽排肥輪的排肥性能,排肥性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括各行排肥量一致性、排肥量穩(wěn)定性與排肥量均勻性的變異系數(shù)。排肥輪轉(zhuǎn)速設(shè)置為10～60 r/min,增量為 10 r/min,試驗(yàn)時(shí)間為60 s,重復(fù)5次,分別收集各排肥口的肥料進(jìn)行稱重,并計(jì)算各行排肥量一致性與排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)。采用具有RS232通訊口功能的電子秤對(duì)各排肥口進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重[32],電子秤的通訊速率為150～200 ms,實(shí)時(shí)記錄60 s的排肥流量變化,并綜合計(jì)算6行的總排肥量均勻性變異系數(shù)。

3.1.2控制系統(tǒng)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證施肥控制系統(tǒng)的性能利用排肥動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架(圖7),開展施肥控制系統(tǒng)的施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間、施肥量準(zhǔn)確率試驗(yàn),并檢驗(yàn)排肥系統(tǒng)對(duì)不同化肥的適應(yīng)性。參照GB/T 35487—2017《變量施肥播種控制系統(tǒng)》[33]等相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法。選取中化化肥,設(shè)置排肥目標(biāo)轉(zhuǎn)速為20、40和60 r/min,開展施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn),施肥控制系統(tǒng)從初始轉(zhuǎn)速0 r/min增至目標(biāo)轉(zhuǎn)速,重復(fù)3次,獲取靜止?fàn)顟B(tài)至理論施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間;選取中化化肥開展施肥量準(zhǔn)確率的田間試驗(yàn),并選取漢楓緩釋摻混肥料與美豐比利夫復(fù)合肥驗(yàn)證風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)適應(yīng)性,其中漢楓和美豐肥料的氮、磷、鉀質(zhì)量比分別為30∶6∶12、22∶9∶9,將風(fēng)送式集中排肥裝置安裝于插秧機(jī)上,并在輸肥管口處設(shè)置收集容器,幅寬為1.8 m,作業(yè)速度保持在4～6 km/h行駛,依次設(shè)定施肥量為300、450和600 kg/hm2,行進(jìn)20 m后停止排肥,重復(fù)3次并稱取排肥量。

1.肥料箱;2.數(shù)據(jù)采集端;3.可通訊電子秤;4.肥料收集容器;5.控制器;6.集中排肥裝置。1.Fertilizer box;2.Data acquisition terminal;3.Communicable electronic scale;4.Fertilizer collection container;5.Controller;6.Centralized fertilization device.圖7 排肥動(dòng)態(tài)試驗(yàn)臺(tái)架Fig.7 Dynamic test bench

3.2 結(jié)果及分析

3.2.1凹槽結(jié)構(gòu)對(duì)排肥性能的影響

3種排肥輪結(jié)構(gòu)的排肥輪轉(zhuǎn)速與排肥量擬合方程決定系數(shù)R2>0.999(圖8),表明排肥輪轉(zhuǎn)速與排肥速率呈良好的線性關(guān)系。

圖8 轉(zhuǎn)速與排肥量的關(guān)系Fig.8 Relationship between rotational speed and fertilizing quantity

排肥輪轉(zhuǎn)速為10～60 r/min時(shí),隨著排肥輪轉(zhuǎn)速的增大,不同結(jié)構(gòu)的排肥輪各行排肥量一致性變異系數(shù)均呈降低趨勢,各行排肥量一致性變異系數(shù)最大值為2.67%(圖9);相同轉(zhuǎn)速下,各行排肥量一致性變異系數(shù)關(guān)系總體表現(xiàn)為：交錯(cuò)槽排肥輪<螺旋槽排肥輪<直槽排肥輪。各槽型排肥輪的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)趨勢穩(wěn)定,變異系數(shù)均小于0.9%;直槽與交錯(cuò)槽排肥輪在60 r/min下的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)有輕微上升趨勢。

圖9 各排肥輪在不同轉(zhuǎn)速下的各行排肥量一致性(a)和排肥量穩(wěn)定性(b)Fig.9 Consistency (a) and stability (b) of fertilization quantity of each row of fertilizing wheels at different rotational speeds

不同排肥輪結(jié)構(gòu)的排肥量均勻性變異系數(shù)差異較小,總排肥量均勻性變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加而降低(表1);螺旋槽排肥輪在各轉(zhuǎn)速下均有良好的均勻性能,排肥均勻性能表現(xiàn)為,螺旋槽>交錯(cuò)槽>直槽。

表1 不同排肥輪結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速下的排肥均勻性能Table 1 Fertilization uniformity of different fertilization wheel structure and rotational speed

綜合評(píng)價(jià)各行排肥量一致性變異系數(shù)、排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)及排肥量均勻性變異系數(shù),根據(jù)精量施肥要求,賦予各項(xiàng)性能指標(biāo)權(quán)重,得到性能評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。可知,直槽、交錯(cuò)槽和螺旋槽排肥輪的綜合性能評(píng)價(jià)系數(shù)分別為7.07、5.94和5.33,交錯(cuò)槽和螺旋槽排肥輪的綜合評(píng)價(jià)系數(shù)顯著低于直槽排肥輪,螺旋槽排肥輪的綜合排肥性能更優(yōu)。

表2 不同排肥輪結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速下排肥性能評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation of fertilization performance of different fertilization wheel structure and rotational speed %

3.2.2施肥控制系統(tǒng)的性能

對(duì)濾波前后的作業(yè)速度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果見圖10。北斗+GPS測速模塊運(yùn)行穩(wěn)定,限幅遞推平均值濾波算法能有效濾除噪聲和異常信號(hào),提高了作業(yè)速度的監(jiān)測精度,但存在監(jiān)測滯后問題。根據(jù)北斗+GPS模塊的通訊頻率和遞推平均值濾波算法的采樣個(gè)數(shù)可知,濾波導(dǎo)致的初始車速監(jiān)測滯后時(shí)間為0.5 s;當(dāng)機(jī)具停止行進(jìn)時(shí),濾波處理后的車速監(jiān)測不受影響,具有良好的制動(dòng)監(jiān)測性能。

圖10 濾波前后作業(yè)速度信號(hào)對(duì)比Fig.10 Comparison of operation speed signal before and after filtering

由施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間(圖11)可知,在相同轉(zhuǎn)速條件下,3次重復(fù)試驗(yàn)所得施肥流量曲線差異較小;不同轉(zhuǎn)速下,各施肥流量穩(wěn)定后曲線趨近于相應(yīng)轉(zhuǎn)速的理論施肥流量曲線。根據(jù)電子秤的通訊速率范圍及施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間,排除初始顆粒肥料對(duì)電子秤的沖擊影響,施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間隨著排肥輪轉(zhuǎn)速的提高而延長;排肥輪轉(zhuǎn)速從零速狀態(tài)增至60 r/min,并趨近于穩(wěn)定的理論施肥流量時(shí),施肥流量調(diào)整的最長響應(yīng)時(shí)間T約為0.85 s。

T為施肥流量調(diào)整的最長響應(yīng)時(shí)間;n為排肥輪轉(zhuǎn)速。T is the longest response time of fertilization flow adjustment.n is the rotation speed of the fertilizing wheel.圖11 施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間Fig.11 Response time of fertilizer flow adjustment

3.3 田間試驗(yàn)

使用VP8D洋馬插秧機(jī)機(jī)頭搭載風(fēng)送式集中排肥裝置和施肥控制系統(tǒng),于四川農(nóng)業(yè)大學(xué)雅安教學(xué)科研園區(qū)內(nèi)開展田間試驗(yàn)(圖12)。施肥控制系統(tǒng)電源來自插秧機(jī)車載電源,使用中化、漢楓和美豐化肥,設(shè)定施肥量為300、450和600 kg/hm2,試驗(yàn)前校準(zhǔn)施肥控制系統(tǒng)以適應(yīng)肥料,并全速開啟輸肥風(fēng)機(jī),收集排肥裝置作業(yè)面積為36 m2的施肥量。

田間試驗(yàn)時(shí),平均作業(yè)速度為5.22 km/h,不同施肥量與肥料類型下的施肥量準(zhǔn)確率見表3。可見,施肥準(zhǔn)確率均高于95.00%,綜合施肥準(zhǔn)確率平均值為96.89%。本研究的施肥控制系統(tǒng)在各施肥量要求均有較好的控制精度。

1.風(fēng)送式集中排肥裝置;2.VP8D插秧機(jī)機(jī)頭;3.輸肥管;4.收集網(wǎng)袋;5.北斗+GPS天線;6.施肥控制器。1.Air-assisted centralized fertilization device;2.VP8D rice transplanting locomotive head;3.Fertilizer tube;4.Collection net bags;5.BDS+GPS antenna;6.Fertilizer controller.圖12 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)田間試驗(yàn)Fig.12 Field experiment of air-assisted centralized fertilization system

表3 不同施肥量和肥料類型下的施肥量準(zhǔn)確率Table 3 Accuracy rate of fertilizing quantity under different fertilizing quantity and fertilizer type

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)外槽輪排肥裝置施肥作業(yè)均勻性不高的問題,設(shè)計(jì)了一種采用“集中排肥+風(fēng)送輸肥”方式的風(fēng)送式集中排肥裝置,并開發(fā)了基于北斗+GPS硬件與限幅均值濾波算法的同步施肥控制系統(tǒng)。通過臺(tái)架試驗(yàn)確定螺旋槽排肥輪的綜合排肥性能優(yōu)于直槽和交錯(cuò)槽排肥輪,螺旋槽排肥輪轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí),螺旋槽排肥輪各行排肥量一致性變異系數(shù)、排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和排肥量均勻性變異系數(shù)分別為1.57%、0.15%和2.32%;以臺(tái)架試驗(yàn)獲取施肥控制控制系統(tǒng)的施肥量調(diào)整響應(yīng)時(shí)間,最長約為0.85 s;當(dāng)理論施肥量為300～600 kg/hm2,田間試驗(yàn)的平均作業(yè)速度為5.22 km/h時(shí),施肥準(zhǔn)確率>95%。該風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)排肥量一致性和均勻性較好,同步排肥控制精度較高,可實(shí)現(xiàn)精量、均勻和同步施肥。