中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2 0 2 3 2 8 6 2 0 6 2 1 8 J o u r n a l o f C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y h t t p z g n y d x x b i j o u r n a l s c n 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 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2 0 2 3 2 8 0 6 2 0 6 2 1 8 L I T a o G O N G J i n g Z H E N G M i n g w u L I Y u w e n Y A N G Z h e n g y i n g Z O U H o n g y u G U O J i n y u e D E N G X u a n R E N W a n j u n H U J i a n f e n g L E I X i a o l o n g D e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f a i r a s s i s t e d c e n t r a l i z e d f e r t i l i z a t i o n s y s t e m J JournalofChinaAgriculturalUniversity 2 0 2 3 2 8 0 6 2 0 6 2 1 8 D O I 1 0 1 1 8 4 1 j i s s n 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 6 1 9 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 李陶1 龔靜1 鄭明武1 李芋汶1 楊正穎1 鄒洪宇1 郭金岳1 鄧璇1 任萬軍2 胡劍鋒3 雷小龍1 2 1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 四川雅安6 2 5 0 1 4 2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室 成都6 1 1 1 3 0 3 四川天府新區(qū)鄉(xiāng)村振興研究院 成都6 1 0 2 1 3 摘 要 針對外槽輪排肥裝置施肥作業(yè)均勻性不高的問題 設(shè)計一種風(fēng)送式集中排肥裝置及同步施肥控制系統(tǒng) 通過臺架試驗比較直槽 交錯槽和螺旋槽3種排肥輪結(jié)構(gòu)的排肥性能 并建立排肥輪轉(zhuǎn)速與排肥速率的線性回歸 方程 基于北斗 G P S系統(tǒng)和限幅平均濾波算法提高行駛速度的監(jiān)測精度 并據(jù)此開發(fā)施肥控制系統(tǒng) 結(jié)果表明 1 排肥輪轉(zhuǎn)速為1 0 6 0 r m i n時 螺旋槽結(jié)構(gòu)排肥輪具有較好的排肥性能 排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排肥量 一致性變異系數(shù)分別為0 1 5 和1 5 7 排肥量均勻性變異系數(shù) 4 2 排肥輪轉(zhuǎn)速 6 0 r m i n時 施肥控制系 統(tǒng)的施肥調(diào)整響應(yīng)時間 9 5 該風(fēng)送式集中排肥裝置及施肥控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)同步 精量和均勻施肥作業(yè) 關(guān)鍵詞 顆?；?風(fēng)送式集中排肥裝置 螺旋槽排肥輪 同步施肥控制系統(tǒng) 排肥性能 中圖分類號 S 2 2 3 2 3 文章編號 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 6 0 2 0 6 1 3 文獻標志碼 A 收稿日期 2 0 2 2 0 8 1 5 基金項目 四川天府新區(qū)鄉(xiāng)村振興研究院揭榜掛帥項目 X Z Y 1 1 1 國家重點研發(fā)計劃 2 0 1 8 Y F D 0 3 0 1 2 0 4 第一作者 李陶 O R C I D 0 0 0 0 4 9 3 1 8 4 1 8 碩士研究生 E m a i l 6 6 8 2 9 9 l i t a o g m a i l c o m 通訊作者 雷小龍 O R C I D 0 0 0 0 0 0 0 2 2 5 9 2 0 8 1 0 副教授 博士 主要從事油稻種植技術(shù)與裝備研究 E m a i l l e i x l 1 9 8 9 1 6 3 c o m D e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f a i r a s s i s t e d c e n t r a l i z e d f e r t i l i z a t i o n s y s t e m L I T a o 1 G O N G J i n g 1 Z H E N G M i n g w u 1 L I Y u w e n 1 Y A N G Z h e n g y i n g 1 Z O U H o n g y u 1 G U O J i n y u e 1 D E N G X u a n 1 R E N W a n j u n 2 H U J i a n f e n g 3 L E I X i a o l o n g 1 2 1 CollegeofMechanicalandElectricalEngineering SichuanAgriculturalUniversity Ya an625014 China 2 CropEcophysiologyandCultivationKeyLaboratoryofSichuanProvinceinSichuanAgriculturalUniversity Chengdu611130 China 3 RuralRevitalizationResearchInstituteofSichuanTianfuDistrict Chengdu610213 China A b s t r a c t Aimingattheproblemoflowuniformityduringfertilizerapplicationintheexternalgroovedwheelfertilizer dischargedevice anair assistedcentralizedfertilizationdeviceandasynchronousfertilizationcontrolsystemwere designed Thefertilizationperformanceofthreekindsoffertilizationwheelstructures namely straightgroove staggeredgrooveandspiralgroove werecomparedusingbenchtest andthelinearregressionmodelbetween rotationalspeedandfertilizerdischargespeedwasestablished BasedonBDSandGPSsystemandlimitingaverage filteringalgorithmmethod thefertilizationcontrolsystemwasdesigned Theresultsshowedthat 1 Thefertilization performancewasgoodforthespiralgroovefertilizationwheelatthefertilizationspeedof10 60r min Thevariation coefficientsofstabilitythetotalfertilizationquantityandconsistencyineachrowwere0 15 and1 57 respectively Thevariationcoefficientoffertilizationuniformitywas 4 2 Whentherotationalspeedoffertilization wheelis 60r min theresponsetimeoffertilizationcontrolsystemwas 95 Inconclusion synchronization precisionanduniformfertilizerapplicationisachievedbytheair assisted 第6期李陶等 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 centralizedfertilizationdeviceandfertilizerapplicationcontrolsystem K e y w o r d s granularfertilizer air assistedcentralizedfertilizationdevice spiralgroovefertilizationwheel synchronouscontrolsystem fertilizationperformance 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 護方便等優(yōu)點 是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的施肥裝置 7 為實現(xiàn)精量 均勻排肥 已有研究采用優(yōu)化設(shè)計外槽 輪排肥器結(jié)構(gòu)或提升控制系統(tǒng)性能的方式來實 現(xiàn) 8 1 1 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 1 2 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 1 3 以交錯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 1 4 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 1 5 1 6 長江中下游地區(qū)土壤含水率高 地輪驅(qū)動施肥適應(yīng) 性較差 一般采用主動施肥方式 需設(shè)計施肥量隨前 進速度變化而自動調(diào)整的同步施肥控制系統(tǒng) 1 7 1 8 為實現(xiàn)與作業(yè)速度同步實時控制施肥量 A l a m e e n 等 1 9 設(shè)計的雙變量施肥試驗臺 可以通過氣缸調(diào) 節(jié)排肥器開度 精準 穩(wěn)定并快速地控制排肥量 基于C A N總線通訊技術(shù)與G N S S系統(tǒng)設(shè)計了雙 變量施肥控制系統(tǒng) 利用G N S S系統(tǒng)獲取準確定 位信息 并通過電機與推桿實時同步控制施肥量 可實現(xiàn)精準變量的施肥作業(yè) 2 0 趙學(xué)觀等 2 1 提出 北斗單點測速與地輪測速結(jié)合的雙測速模式 提 高了玉米追肥機控制系統(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 G P S系統(tǒng)應(yīng)用于施肥控制系統(tǒng)可實現(xiàn)同 步控制施肥量 但排肥均勻性和準確度需進一步 研究 本研究擬設(shè)計一種采用 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)計直槽 交錯槽與螺旋槽排肥輪 通過臺架 試驗優(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 G P S系統(tǒng)監(jiān)測的行駛速度實時調(diào)節(jié)施肥量 以期為 排肥系統(tǒng)設(shè)計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 1 外殼 2 同步齒形帶 3 同步輪 4 肥料箱 5 風(fēng)機 6 導(dǎo)肥管 7 控制器 8 輸肥管 9 觸摸屏 1 0 柱形光電開關(guān) 1 1 北斗 G P S 測速模塊 1 2 排肥輪 1 3 氣固混合腔 1 4 攪肥軸 1 5 排肥軸 1 6 平口排肥舌 1 7 排肥支撐座體 1 8 電機 1 S h e l l 2 B e l t 3 S y n c h r o n i z e d w h e e l 4 F e r t i l i z e r b o x 5 F a n 6 F e r t i l i z e r g u i d i n g t u b e 7 C o n t r o l l e r 8 F e r t i l i z e r t u b e 9 D i s p l a y s c r e e n 1 0 C y l i n d r i c a l p h o t o e l e c t r i c s w i t c h 1 1 B D S a n d G P S s p e e d m e a s u r e m e n t m o d u l e 1 2 F e r t i l i z a t i o n w h e e l 1 3 G a s s o l i d m i x i n g c h a m b e r 1 4 F e r t i l i z e r m i x i n g s h a f t 1 5 F e r t i l i z a t i o n s h a f t 1 6 F l a t t o n g u e 1 7 F e r t i l i z e r s u p p o r t b a s e 1 8 M o t o r 圖1 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)三維圖 a 和截面圖 b F i g 1 T h r e e d i m e n s i o n a l v i e w a a n d s e c t i o n b o f a i r a s s i s t e d c e n t r a l i z e d f e r t i l i z a t i o n s y s t e m 702 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 排肥裝置包括肥料箱 外殼 電機 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 導(dǎo)肥管和 輸肥管組成 施肥控制系統(tǒng)的觸摸屏 北斗 G P S 測速模塊等接入控制器 排肥裝置的排肥輪與空白 輪交錯排列安裝排肥軸上 排肥輪與排肥支撐座體 之間形成一個獨立區(qū)域 攪肥軸位于排肥輪側(cè)上方 電機驅(qū)動攪肥軸 排肥軸轉(zhuǎn)動 促進顆?；柿鲃?性 排肥輪轉(zhuǎn)動帶動并在平口排肥舌共同作用下強 制排肥到氣固混合腔 風(fēng)送輸肥裝置采用6個風(fēng)機 為氣固混合腔分別提供風(fēng)力 實現(xiàn)6行輸送排肥 施肥控制系統(tǒng)通過北斗 G P S測速模塊檢測作業(yè) 速度 并控制電機轉(zhuǎn)速 從而實現(xiàn)同步排肥 1 2 工作原理 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)工作時 啟動施肥控制系 統(tǒng) 校準排肥量后在觸摸屏上設(shè)定施肥量 作業(yè)幅寬 等參數(shù) 啟動風(fēng)機 農(nóng)機的動力機械抬升臂放下觸發(fā) 柱形光電開關(guān)傳感器 排肥電機轉(zhuǎn)速根據(jù)北斗 G P S測速模塊測量的作業(yè)速度進行調(diào)節(jié) 電機驅(qū) 動排肥輪與攪肥軸轉(zhuǎn)動 顆?；试跀嚪瘦S與重力 的作用下進入到排肥輪凹槽內(nèi) 通過排肥輪轉(zhuǎn)動強 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 2 1 排肥輪設(shè)計 集中排肥裝置的關(guān)鍵部件是排肥輪 為提高排 肥均勻性 降低排肥脈動現(xiàn)象 設(shè)計螺旋槽排肥輪結(jié) 構(gòu)參數(shù) 并與直槽 交錯槽排肥輪進行對比試驗 由 排肥器工作原理可知 集中排肥裝置單個排肥輪每 轉(zhuǎn)的排肥量Q0是強制層排肥量Q1與帶動層排肥 量Q2之和 2 2 2 4 Q0 Q1 Q2 1 其中 Q1 Zl S 1 0 6 Q2 2 Rl 1 0 5 2 式中 Q0為單個排肥輪每轉(zhuǎn)的排肥量 g r 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 l為排肥輪有效工作長度 m m 為顆 ?；嗜葜?k g m 3 S為單個凹槽截面積 m m 2 R 為排肥輪半徑 m m 為帶動層的特性系數(shù) 本研究 取0 3 本研究設(shè)計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點為凹槽在排肥輪圓周上的 截面起始 終止點 為單個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 為螺旋凹槽 在排肥輪圓周上的螺旋升角 O0 i s t h e a x i s o f f e r t i l i z i n g w h e e l O1 i s t h e a x i s o f t h e g r o o v e a n d o n t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e f e r t i l i z e r d i s c h a r g e w h e e l ri s t h e g r o o v e r a d i u s P o i n t sAa n dBa r e t h e s t a r t i n g a n d e n d i n g p o i n t s o f t h e s e c t i o n o f t h e g r o o v e o n t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e f e r t i l i z e r d i s c h a r g e w h e e l i s t h e c e n t r a l a n g l e o f a s i n g l e g r o o v e o n t h e f e r t i l i z e r r o w w h e e l Ri s t h e r a d i u s o f f e r t i l i z e r d i s c h a r g e w h e e l li s t h e e f f e c t i v e w o r k i n g l e n g t h o f f e r t i l i z e r d i s c h a r g e w h e e l i s t h e s p i r a l r i s i n g a n g l e o f t h e s p i r a l g r o o v e o n t h e c i r c u m f e r e n c e o f t h e f e r t i l i z e r d i s c h a r g e w h e e l 圖2 螺旋槽排肥輪的端面局部視圖 a 和回轉(zhuǎn)面投影 b F i g 2 P a r t i a l v i e w o f e n d f a c e a a n d r o t a r y s u r f a c e p r o j e c t i o n b o f s p i r a l g r o o v e f e r t i l i z e r w h e e l 802 第6期李陶等 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 由圖2 a 可知 排肥輪單個凹槽截面積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 S1 R 2 3 6 0 S2 R 2 2 s i n S3 r 2 2 r2 7 2 0 S4 Rrs i n 2 s i n 4 4 a r c s i nr2R 4 式中 S為單個凹槽截面積 m m 2 r為凹槽半徑 m m 為單個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 應(yīng)滿足 a r c t a nl2 R Z 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 m i n Qs為 農(nóng)藝要求的施肥速率 g m i n Qt為農(nóng)藝要求的單位 面積理論施肥量 k g h m 2 N為排肥輪數(shù)量 個 n 為排肥輪轉(zhuǎn)速 r m i n 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 Qt Q0Nn6Mv 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) 當供肥速率相同時 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)速過高會降低充肥時間 顆粒化肥無 法及時充滿凹槽 影響排肥性能 2 2 2 4 根據(jù)農(nóng)藝施 肥量及排肥性能要求 確定直槽 交錯槽和螺旋槽排 肥輪的直徑為6 0 m m 圓弧形凹槽半徑為6 m m 排 肥輪有效工作長度為3 0 m m 在保證槽輪齒脊強 度與排肥均勻性的條件下 槽數(shù)為8 1 5 本研究 取槽數(shù)為1 2個 螺旋槽與直槽 交錯槽排肥輪區(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6 2 4 直槽排肥輪的軸心線與 凹槽軸心線平行 交錯槽排肥輪左右凹槽交錯0 5 個周期 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 i s t h e a x i s o f f e r t i l i z i n g w h e e l O1 i s t h e a x i s o f t h e g r o o v e O2 i s t h e a x i s o f a d j a c e n t g r o o v e s 圖3 直槽 a 交錯槽 b 和螺旋槽 c 排肥輪 F i g 3 S t r a i g h t g r o o v e a s t a g g e r e d g r o o v e b a n d s p i r a l g r o o v e c f e r t i l i z a t i o n w h e e l 2 2 風(fēng)送輸肥系統(tǒng)設(shè)計 風(fēng)送輸肥系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計包括輸送氣流速 度 輸送風(fēng)量 輸送管內(nèi)徑和風(fēng)機的選型 輸肥管內(nèi) 輸送氣流速度vs的計算公式 2 5 為 vs kp p1 0 0 0 kdL 9 902 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 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1 6 2 0 p為顆粒密度 k g m 3 kd 為顆粒性質(zhì)系數(shù) 一般為2 1 0 5 5 1 0 5 L為 輸肥管長度 m 化肥的顆粒直徑一般為2 4 m m 顆?；实?密度為9 0 0 1 4 0 0 k g m 3 輸肥管長度約2 m 顆粒 性質(zhì)系數(shù)對輸送氣流速度影響甚微 忽略不計 氣流 速度為滿足多數(shù)顆粒化肥的使用 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1 6 化肥密度取1 4 0 0 k g m 3 則輸肥管內(nèi)輸送氣流速 度理論值為1 8 9 3 m s 考慮到田間作業(yè)工況惡劣 實際輸肥管內(nèi)輸送氣流速度應(yīng)達到2 1 m s 長江 流域油菜等作物播種的作業(yè)速度一般為3 5 k m h 作業(yè)幅寬1 8 m 按照作業(yè)效率0 9 h m 2 h 施肥量按照6 0 0 k g h m 2計算 輸肥系統(tǒng)輸送率W 為5 4 0 k g h 為保證顆?；试谳敺使苈分许樌?輸送而不被堵塞 選定單位時間肥料質(zhì)量與氣流質(zhì) 量的混合比c為1 2 2 6 表達式為 c GpG s 1 0 其中 Gp W3 6 0 0 Gs N svsd 2 0 4 1 1 式中 Gp為輸肥管內(nèi)肥料流量 k g h Gs為輸肥管 內(nèi)空氣流量 k g h W為輸肥系統(tǒng)輸送率 k g h s為空氣密度 取1 2 k g m 3 d0為輸肥管內(nèi)徑 m m 根據(jù)式 1 1 可知 輸肥管內(nèi)徑d0和輸送流量 Qs分別為 d0 4W3 6 0 0N svsc 1 0 3 1 2 Qs Wc s 1 3 由式 1 2 和 1 3 可知 選用3 2 m m內(nèi)徑的輸肥管 風(fēng)機輸送流量應(yīng)大于3 7 5 m 3 h 根據(jù)風(fēng)送輸肥系統(tǒng) 對風(fēng)速與風(fēng)量的要求 選用調(diào)速風(fēng)機臺達 B F B 1 0 1 2 E H F 0 0 工作電壓D C 1 2 V 額定功率 3 6 W 風(fēng)量7 8 2 m 3 h 風(fēng)送輸肥系統(tǒng)使用風(fēng)機數(shù) 量為6個 2 3 同步施肥控制系統(tǒng)設(shè)計 2 3 1 硬件設(shè)計 施肥控制系統(tǒng)依托動力機械的1 2 V直流電 源 設(shè)有1 2 2 4 V的升壓器 采用T K 6 0 7 1 I Q觸 摸屏 該觸摸屏通過R S 4 8 5與控制器串口通訊 圖4 觸摸屏設(shè)置初始參數(shù)及校準后 作業(yè)機具 放下時觸發(fā)安裝在機具抬升臂上的E 3 F D S 3 0 C 4 柱形光電開關(guān) 進入工作狀態(tài) 北斗 G P S測速模 塊獲取作業(yè)速度并傳輸至C X 3 G 1 6 M T控制器 1 1 2 V直流電源 2 升壓器 3控制器 4 觸摸屏 5 北斗 G P S測速模塊 6 柱形光電開 關(guān) 7 臥式光電開關(guān) 8 風(fēng)機 9 閉環(huán)步進電機驅(qū)動器 1 0 閉環(huán)步進電機 1 1 2 V D C p o w e r s u p p l y 2 V o l t a g e b o o s t e r 3 C o n t r o l l e r 4 T o u c h s c r e e n 5 B D S G P S s p e e d m e a s u r e m e n t m o d u l e 6 C o l u m n p h o t o e l e c t r i c s w i t c h 7 H o r i z o n t a l p h o t o e l e c t r i c s w i t c h 8 F a n 9 C l o s e d l o o p s t e p p i n g m o t o r d r i v e r 1 0 C l o s e d l o o p s t e p p i n g m o t o r 圖4 施肥控制系統(tǒng)原理及組成 F i g 4 P r i n c i p l e a n d c o m p o s i t i o n o f f e r t i l i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m 012 第6期李陶等 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 C o o l m a y公司 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后發(fā)送脈沖信 號至閉環(huán)步進電機驅(qū)動器 調(diào)整閉環(huán)步進電機 型號 為8 6 E B P 1 4 7 A L C T K 0 轉(zhuǎn)速帶動排肥輪工作 以實 現(xiàn)同步控制排肥量 在排肥過程中 6個風(fēng)機轉(zhuǎn)速隨 排肥速率實時調(diào)整 施肥控制系統(tǒng)使用7個 P U F D 5 B L臥式光電開關(guān) 分別對肥料箱低余量 輸肥管堵塞進行監(jiān)測 若在工作過程中 出現(xiàn)肥料箱 缺肥 輸肥管堵塞和電機故障等意外狀況 將觸發(fā)報 警信號并反饋至觸摸屏 施肥控制系統(tǒng)工作流程見 圖5 圖5 施肥控制系統(tǒng)工作流程 F i g 5 O p e r a t i n g p r o c e s s o f f e r t i l i z a t i o n c o n t r o l s y s t e m 2 3 2 控制方法 施肥控制系統(tǒng)選用的北斗 G P S測速模塊型 號是A T K 1 2 1 8 B D 通訊速率為2 0 H z 對地速度精 度Ae 1 4 式中 Yk為本次限幅濾波后采集的速度最終值 Xk 為當前速度采集值 Xk 1為上一時刻速度采集值 Ae為限幅濾波最大速度誤差值 由式 1 4 可知 若 當前速度采集值與上一時刻速度采集值之差 限幅 濾波最大速度誤差值時 則當前速度采集值為本次 采集的速度最終值 否則當前速度采集值被定義為 異常信號 則將上一時刻速度采集值賦值到本次采 集的速度最終值 采用型號為B W T 9 0 1 B L E 5 0的 加速度計測量平坦路面上作業(yè)時的加速度 獲得加 速度峰值為4 6 4 m s 2 經(jīng)換算后可用于限幅濾波 最大速度誤差 當北斗 G P S模塊輸出的對地速 度經(jīng)過限幅濾波剔除異常信號后 進行遞推平均值 濾波 3 0 表達式為 vm 1T T 1 i 0 Yk i 1 5 式中 T為采樣個數(shù) 本研究取1 0 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 112 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 肥速率與排肥輪轉(zhuǎn)速有良好的線性關(guān)系 1 5 1 6 則排 肥速率與排肥輪轉(zhuǎn)速的線性函數(shù)表達式為 Qm Asn Bi 1 6 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 1 6 可知施肥控制系統(tǒng)的目標轉(zhuǎn) 速為 n 6QtMvm BiA s vm 0 1 7 2 3 3 人機交互界面 施肥控制系統(tǒng)通過T K 6 0 7 1 I Q觸摸屏 W E I N V I E W公司 進行人機交互 利用R S 4 8 5串 口通訊協(xié)議與控制器通訊 使用軟件E a s y B u i l d e r P r o設(shè)計了人機交互界面 包括初始設(shè)置和運行監(jiān) 測2個界面 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)引用校準值以適應(yīng) 不同的顆?；?執(zhí)行校準程序時 排肥電機以 6 0 r m i n的轉(zhuǎn)速運行1 0 s 將所排出肥料的總重量 輸入至校準值中完成校準 運行監(jiān)測頁面可對作業(yè) 參數(shù)信息實時監(jiān)測 當監(jiān)測到運行故障時界面內(nèi)指 示燈閃爍報警提示 圖6 初始設(shè)置 a 和運行監(jiān)測 b 的人機交互界面 F i g 6 I n i t i a l s e t t i n g a a n d o p e r a t i o n m o n i t o r i n g b o f H M I 3 性能試驗與分析 3 1 試驗材料及方法 3 1 1 排肥裝置性能試驗 選用中化化肥為供試顆?；?氮 磷 鉀質(zhì) 量比為1 5 1 5 1 5 參照N Y T 1 0 0 3 2 0 0 6 施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范 3 1 開展臺架試 驗 對比直槽 交錯槽和螺旋槽排肥輪的排肥性 能 排肥性能評價指標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1 0 6 0 r m i n 增量為1 0 r m i n 試驗時間為6 0 s 重復(fù)5次 分別收集各排肥口的 肥料進行稱重 并計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R S 2 3 2通訊口功能 的電子秤對各排肥口進行動態(tài)稱重 3 2 電子秤的 通訊速率為1 5 0 2 0 0 m s 實時記錄6 0 s的排肥流 量變化 并綜合計算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 為驗證施肥控制系統(tǒng)的性能利用排肥動態(tài)試驗 臺架 圖7 開展施肥控制系統(tǒng)的施肥流量調(diào)整的 響應(yīng)時間 施肥量準確率試驗 并檢驗排肥系統(tǒng)對不 同化肥的適應(yīng)性 參照G B T 3 5 4 8 7 2 0 1 7 變量 施肥播種控制系統(tǒng) 3 3 等相關(guān)實驗方法 選取中化 化肥 設(shè)置排肥目標轉(zhuǎn)速為2 0 4 0和6 0 r m i n 開展 施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時間試驗 施肥控制系統(tǒng)從初 始轉(zhuǎn)速0 r m i n增至目標轉(zhuǎn)速 重復(fù)3次 獲取靜止 狀態(tài)至理論施肥流量調(diào)整的響應(yīng)時間 選取中化化 肥開展施肥量準確率的田間試驗 并選取漢楓緩釋 摻混肥料與美豐比利夫復(fù)合肥驗證風(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3 0 6 1 2 2 2 9 9 將風(fēng)送式集中排肥 裝置安裝于插秧機上 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 k m h行 駛 依次設(shè)定施肥量為3 0 0 4 5 0和6 0 0 k g h m 2 行 進2 0 m后停止排肥 重復(fù)3次并稱取排肥量 212 第6期李陶等 風(fēng)送式集中排肥系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 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 F e r t i l i z e r b o x 2 D a t a a c q u i s i t i o n t e r m i n a l 3 C o m m u n i c a b l e e l e c t r o n i c s c a l e 4 F e r t i l i z e r c o l l e c t i o n c o n t a i n e r 5 C o n t r o l l e r 6 C e n t r a l i z e d f e r t i l i z a t i o n d e v i c e 圖7 排肥動態(tài)試驗臺架 F i g 7 D y n a m i c t e s t b e n c h 3 2 結(jié)果及分析 3 2 1 凹槽結(jié)構(gòu)對排肥性能的影響 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 9 9 9 圖8 表明排肥輪轉(zhuǎn)速與排 肥速率呈良好的線性關(guān)系 排肥輪轉(zhuǎn)速為1 0 6 0 r m i n時 隨著排肥輪轉(zhuǎn)速 圖8 轉(zhuǎn)速與排肥量的關(guān)系 F i g 8 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n r o t a t i o n a l s p e e d a n d f e r t i l i z i n g q u a n t i t y 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 6 7 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 交錯槽排肥輪 螺旋 槽排肥輪交錯槽 直槽 綜合評價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 賦予各項性能指標權(quán)重 得到性能評價 312 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報2 0 2 3年第2 8卷 表1 不同排肥輪結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速下的排肥均勻性能 T a b l e 1 F e r t i l i z a t i o n u n i f o r m i t y o f d i f f e r e n t f e r t i l i z a t i o n w h e e l s t r u c t u r e a n d r o t a t i o n a l s p e e d 轉(zhuǎn)速 r m i n S p e e d 排肥輪結(jié)構(gòu) F e r t i l i z a t i o n w h e e l s t r u c t u r e 同行排肥量均勻性變異系數(shù) C o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n o f f e r t i l i z i n g a m o u n t u n i f o r m i t y s a m e r o w 排肥管1 T u b e 1 排肥管2 T u b e 2 排肥管3 T u b e 3 排肥管4 T u b e 4 排肥管5 T u b e 5 排肥管6 T u b e 6 總排肥均勻性 變異系數(shù) C o e f f i c i e n t o f v a r i a t i o n o f t o t a l f e r t i l i z i n g q u a n t i t y u n i f o r m i t y 直槽 3 8 5 3 8 9 4 1 0 3 0 6 2 8 6 3 5 9 4 4 4 2 0交錯槽3 0 0 3 4 7 3 3 1 3 6 5 4 3 4 4 9 6 4 0 5 螺旋槽2 8 0 1 8 2 3 2 9 3 3 2 2 9 8 4 1 8 3 8 3 直槽 2 3 2 2 0 1 2 4 7 2 0 7 1 9 1 2 8 8 4 1 1 4 0交錯槽4 2 6 2 6 0 2 4 4 2 8 1 2 6 3 2 6 8 3 8 5 螺旋槽2 6 6 1 9 2 2 4 7 2 6 1 2 2 9 2 3 5 2 7 8 直槽 2 0 2 2 0 6 1 9 3 1 7 2 2 5 1 2 3 5 3 6 4 6 0交錯槽3 8 9 2 1 7 2 6 8 1 6 8 1 9 3 2 1 9 3 4 9 螺旋槽1 6 8 2 0 3 1 8 2 2 1 8 1 5 2 1 7 5 2 3