發(fā)布時間：2020-02-28所屬分類：農業(yè)論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為實現(xiàn)玉米中耕精準變量施肥，針對自行研制的玉米智能化中耕變量施肥機，進行了雙變量控制特性研究，并通過排肥理論分析確定了影響充肥性能的主要參數(shù)為排肥輪轉速、排肥口開度、排肥輪傾角。利用設計的角度可調式排肥試驗臺，進行了排肥量的多參數(shù)試驗
摘要:為實現(xiàn)玉米中耕精準變量施肥，針對自行研制的玉米智能化中耕變量施肥機，進行了雙變量控制特性研究，并通過排肥理論分析確定了影響充肥性能的主要參數(shù)為排肥輪轉速、排肥口開度、排肥輪傾角。利用設計的角度可調式排肥試驗臺，進行了排肥量的多參數(shù)試驗，結果表明:排肥輪傾角影響排肥輪充肥性能，應選擇排肥輪安裝角接近肥料的自然休止角;在排肥輪傾角采用30°條件下，建立了排肥口大小、排肥輪轉速與排肥量之間的關系模型;利用排肥口開度、排肥輪轉速與排肥量之間的線性關系，確定了分段控制方式，排肥口開度采取分段固定值分別為32、39、46mm。分段控制實際排肥試驗表明:實際排肥量的變異系數(shù)為0.493，實際施肥量與目標施肥量的相對誤差為3.08%。
關鍵詞:排肥;雙變量;充肥性能
0引言
精準施肥根據(jù)土壤養(yǎng)分含量，實施按需變量施肥，可大大提高肥料利用率、減少肥料的浪費及對環(huán)境的不良影響。精準變量施肥的一個重要環(huán)節(jié)是如何機械化、智能化地將肥料施入土壤中，以提高施肥效率，解決人工施肥不均的問題。
在變量施肥技術方面，歐美國家研究較早，更多地是將肥量作為底肥拋撒到田間，技術趨于成熟，大型化、智能化的變量施肥機具已在農業(yè)生產中得到廣泛應用[1-3]。我國多為一年兩熟地區(qū)，為利于玉米更好地吸收養(yǎng)分，采用中耕施肥是目前國內提高產量的一個重要途徑。近年來，國內科研人員在精準施肥控制技術及裝備研究方面做了大量工作，形成了很多成果。例如，采用光譜探測技術、傳感技術研究了基于墑情或長勢的施肥決策技術[4-6];依據(jù)施肥處方圖指導作業(yè)，進行了施肥處方圖網格劃分等關鍵技術研究[7-10];采用模糊控制、PID原理等多種控制技術，提高了施肥控制的準確性及相應速度，并進行了作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控等系統(tǒng)集成[11-16];對配肥施肥機的配肥過程控制進行了相關研究，提高了摻混均勻度[17-18]。
目前，國內中耕施肥機排肥多采用外槽輪式排肥，變量施肥正是借助外槽輪式排肥器的轉速調節(jié)來實現(xiàn)的。事實上，排肥過程中外槽輪達到一定轉速后，槽溝充肥性能隨著轉速不斷下降，若仍通過轉速控制排肥速率將存在一定的誤差。因此，實現(xiàn)精準排肥的一個關鍵問題是探索排肥量與外槽輪轉速的非線性關系。為了保證施肥的精量，本文設計了一種雙變量排肥裝置，既可實現(xiàn)排肥口的大小調節(jié)，又可實現(xiàn)排肥轉速的調節(jié)，建立了施肥轉速、排肥口大小與排肥量之間的關系，并對關鍵部件進行了仿真和測試試驗，以期為進一步提高施肥控制準確性提供依據(jù)。
1雙變量排肥裝置結構與工作原理
雙變量排肥裝置如圖1所示。
雙變量排肥組合安裝在肥箱的下部，排肥軸通過鏈條與直流電機連接。排肥時，動力由直流電機傳送給排肥軸，通過錐形齒輪與排肥盒內部的外槽輪連接;當直流電機轉動時，帶動排肥盒內部排肥輪轉動，槽型輪轉動時將肥料通過槽溝帶出，進行排肥。排肥口大小通過排肥口開度板進行調節(jié)，通過控制系統(tǒng)調節(jié)排肥口開度時，伺服電機電機帶動排肥口開度調節(jié)軸上的齒輪轉動，從而帶動排肥開度板進行排肥口的調節(jié)。
2排肥理論分析
2.1排肥量分析
普通外槽輪排肥時存在如圖2(a)兩圓環(huán)所示的帶，而帶動層的大小與轉速及肥料物理特性有關，因此在基于轉速控制排肥量時存在一定的誤差，不能準確地控制排肥量。與普通外槽輪排肥過程不同，為了避免帶動層的肥流量不易控制的現(xiàn)象，越來越多的施肥機排肥盒加裝了毛刷或者采用排肥輪為柔性葉輪的方式。本研究采用柔性葉輪，其槽輪外徑與排肥盒內壁縫隙較小，如圖2(b)所示。
2.2充肥過程分析
外槽輪式排肥輪的槽為長條形，目前排肥盒的安裝位置主要有兩種:一種是安裝在肥箱的底部，排肥盒軸與水平面平行;另一種是安裝在肥箱的側下方，排肥盒軸與水平面成一定夾角傾斜安裝，如圖3所示。
由圖3可知:水平安裝排肥輪排肥時，肥料顆粒靠自身重力及上部肥料的壓力，迅速充入排肥槽，形成理論上的可控充肥區(qū)B，即在根據(jù)轉速進行變量施肥時該區(qū)域的充肥量通過理論計算可得到;此時，充肥過程并未停止，由于肥料的流動性，顆粒會繼續(xù)向排肥槽流動，形成非可控充肥區(qū)A，非可控充肥區(qū)在不同轉速、不同傾角時是不可控的，在同一顆粒物料、同一排肥輪材質的條件下，主要受轉速、傾角的影響。
3充肥性能試驗分析與驗證
3.1試驗裝置
為優(yōu)化排肥精度，探索不同傾角時肥料的充肥穩(wěn)定性，設計了一種角度可調式排肥試驗臺，如圖4所示。
排肥盒安裝在肥箱的下面，肥箱通過可調角度規(guī)安裝在支架上，可調角度規(guī)上有刻度及定位鎖緊，試驗時可實現(xiàn)0°～55°的旋轉。
3.2試驗參數(shù)
施肥過程中，對排肥速率的調節(jié)可以改變排肥轉速或者排肥口開度，因此理論上存在多組不同的轉速和開度組合，滿足該目標施肥量調節(jié)要求。施肥量的調節(jié)要求在任意開度下通過調節(jié)轉速，或者任意轉速條件下調節(jié)排肥口開度都能達到預定的排肥量;但實際的排肥量并不是按照排肥口開度或者轉速的線性關系，如果要達到預定排肥量，應明確排肥口開度、轉速對排肥量的影響。同時，充肥過程受到排肥輪傾角影響，因此通過試驗研究確定各因素與排肥量之間的關系。為了得到雙變量排肥組合的排肥速率、單圈排肥量與轉速、排肥口開度的關系，進行了排肥口開度、排肥輪轉速、排肥輪傾角3因素的正交試驗研究，按照行距0.6m、機具行走速度6km/h及公頃施量225～675kg的要求，排肥速率1350～4050g/min。由于采用的驅動電機為直流電機，在低速時轉動力矩不足，根據(jù)試驗測得最小穩(wěn)定轉速應大于10r/min，按照機具行走速度、每畝施肥量的范圍及試驗分析，確定排肥口開度及轉速范圍分別為[20，60]mm、[10，60]r/min。試驗中裝置工作參數(shù)如表1所示。
為了達到精準施肥的目的，需要對不同肥料排肥器的排量進行測定[17-21]。試驗材料為人元生物技術發(fā)展有限公司生產的濃縮顆粒有機肥，中鹽安徽紅四方肥業(yè)股份有限公司生產的復合肥、尿素，其物理特性如表2所示。
3.3試驗結果與分析
試驗時取某一傾斜角度水平，設定排肥口大小在[20mm，60mm]5個水平，每個水平間隔10mm;排肥轉速在[10，60]r/min的6個水平，每個水平間隔10r/min。傾斜角度水平選取[15°，55°]，每個水平間隔5°，排肥時設定排肥時間為1min并進行稱重。獲取的針對復合肥排肥時轉速、排肥輪傾角、排肥口開度對排肥量的影響如圖5所示。其中，圖5(a)為排肥量與轉速、排肥口開度的關系曲面圖。為更好地觀察排肥角對排肥量的影響，繪制不同排肥輪傾角條件下的排肥量等高線圖，如圖5(a)、(b)、(c)所示。
由圖5可知:在同一轉速、排肥口開度條件下，隨著排肥輪傾角的增大，排肥量呈逐漸減小的趨勢，達到同一等高趨勢線需要更高的轉速或者排肥口開度，驗證了角度對排肥性能的影響。為了進一步明確排肥輪傾角對排肥量的影響，設定排肥輪開度45mm、轉速40r/min條件，則排肥輪傾角時排肥量的影響如圖6所示。由圖6可知:在排肥輪傾角達到38°時排肥量不再變化，此時對排肥量的影響可忽略不計。因此，圖3中形成的不可控充肥區(qū)受到排肥輪傾角的影響。通過對比3種肥料的自然休止角與排肥輪傾角發(fā)現(xiàn):該傾角與肥料的自然休止角有關，如有機肥顆粒的自然休止角為24.43°，排肥量穩(wěn)定時的排肥輪傾角為25°左右。為了避免排肥輪傾角帶來的不利影響，應選擇排肥輪安裝角接近肥料的自然休止角。
由圖7(a)可知:在一定排肥輪傾角和排肥口開度條件下，隨著轉速的升高排肥量呈線性增長，但當排肥口開度為30mm、轉速增加到50r/min時，排肥量與轉速變?yōu)榉蔷�性關系;當轉速為40r/min、排肥口開度小于25mm時，排肥量與排肥口開度沒有成線性關系;當排肥口開度增加到25mm后，排肥量與排肥口開度呈線性關系。由以上分析可知，轉速過大或者排肥口過小將會影響排肥的線性關系。為了進一步分析排肥口開度最小值與轉速的關系，進行了不同轉速下排肥口開度對排肥量的影響，試驗結果如圖7所示。由圖7(b)可知:當排肥口開度增大到一定值后，其對排肥量的影響呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性關系，不再受轉速的影響，因此進行了不同目標施肥量下的最小排肥口開度值確定試驗。同時，高轉速的排肥導致充肥性能下降，應確定高轉速對應的最小排肥口開度。實際排肥過程中，在低排肥量時若電機轉速低，給出的電流不足易發(fā)生堵轉，同時低轉速導致排肥脈動性明顯，為此需要通過該最低轉速確定最大排肥口開度。在雙變量排肥的過程中，排肥輪開度的調節(jié)速度較慢，而通過調節(jié)轉速響應較快，因此在調節(jié)施肥量時以轉速優(yōu)先的式進行調節(jié)，分別根據(jù)最小排肥口開度確定了最大轉速，根據(jù)最大排肥口開度確定了最小轉速。試驗結果如表3所示。
4雙變量控制試驗驗證
本試驗采用表2中3種肥料。應用自制的角度可調式施肥試驗臺開展供肥性能試驗研究，供肥裝置試驗臺如圖8所示。
在北京市北京農業(yè)智能裝備中心實驗室開展了樣機試驗，設定不同的目標施肥量，按照每次試驗進行10次，取10次的平均值作為實際施肥量，并計算10次排肥量間的變異系數(shù)。試驗采用拖拉機速度模擬模塊(北京農業(yè)智能裝備技術研究中心)能夠產生1～150kHz的頻率信號，每個目標施肥量控制不同車速進行調節(jié)。試驗中，應用12V蓄電池提供直流電機的動力源，通過直流電機調速器驅動并調節(jié)排肥輪轉速，結果如表4所示。由表4可知:實際排肥量的變異系數(shù)平均值為0.493，實際施肥量與目標施肥量的相對誤差平均為3.08%，滿足生產的需要。
推薦閱讀：農機方向中級職稱論文發(fā)幾篇
5結論
1)設計了一種角度可調式排肥試驗臺，可以實現(xiàn)排肥輪轉速、排肥輪角度、排肥口開度3變量的調節(jié)。通過3變量的排肥量試驗發(fā)現(xiàn):在同一轉速、排肥口開度條件下，隨著排肥輪傾角的增大，排肥量呈逐漸減小的趨勢;通過排肥輪傾角影響排肥輪充肥性能，應選擇排肥輪安裝角接近肥料的自然休止角。
2)在排肥輪傾角采用30°條件下，建立了排肥口大小、排肥輪轉速與排肥量之間的關系模型。為了利用排肥口開度、排肥輪轉速與排肥量之間的線性關系，確定了分段控制方式，排肥口開度采取分段固定值分別為32、39、46mm。
3)在實驗室開展了雙變量控制系統(tǒng)的分段控制樣機試驗，結果表明:實際排肥量的變異系數(shù)平均值為0.493，實際施肥量與目標施肥量的相對誤差平均為3.08%，滿足生產的需要。
SCISSCIAHCI
