李凱，張立新，張立萍，楚世哲，祁曉敏，錢營，李繼霞，郭振華

(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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雙變量施肥機的設(shè)計與試驗

李凱，張立新，張立萍，楚世哲，祁曉敏，錢營，李繼霞，郭振華

(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

【目的】 為解決傳統(tǒng)均勻施肥結(jié)構(gòu)不合理，作物養(yǎng)分投入比例失調(diào)，化肥利用率偏低，環(huán)境污染嚴(yán)重等問題.【方法】 設(shè)計了一種可與國產(chǎn)拖拉機配套使用的變量施肥機，該施肥機采用一體三箱式的結(jié)構(gòu)，外槽輪作為變量施肥機的排肥裝置，通過調(diào)節(jié)外槽輪排肥器的轉(zhuǎn)速和開度.【結(jié)果】 在外槽輪排肥器開度不變的情況下，增加排肥器轉(zhuǎn)速，排肥量也隨之增加，但不呈線性增加的趨勢；在外槽輪排肥器轉(zhuǎn)速不變的情況下，增加排肥器開度，排肥量也隨之增加，也不呈線性增加的趨勢.【結(jié)論】 該研究解決了傳統(tǒng)均勻施肥結(jié)構(gòu)不合理，可為提高施肥機的施肥精度提供參考.

變量施肥機；轉(zhuǎn)速開度雙變量；數(shù)學(xué)模型

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所取得的巨大成就,很大程度上得益于增施化肥及施肥技術(shù)的發(fā)展.據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織統(tǒng)計,在其他生產(chǎn)因素不變的情況下,增施化肥可使農(nóng)作物增產(chǎn)40%～60%.化肥成本已占我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)性支出的30%以上[1-3].傳統(tǒng)的均勻施肥，會造成肥力低的地段上的作物不能良好的生長，但是肥力較高的地段上化肥的過量使用，不能被吸收的一部分化肥會以滯留、吸附、隨水徑流、反硝化等方式污染土壤、地下水和大氣，農(nóng)作物有害物質(zhì)超標(biāo)、品質(zhì)下降，影響人們的身體健康[4-5].

變量施肥則是解決上述問題的關(guān)鍵，變量施肥是以不同空間單元的產(chǎn)量數(shù)據(jù)與土壤理化性質(zhì)、病蟲草害、氣候等多層數(shù)據(jù)的綜合分析為依據(jù)，以作物生長模型、作物營養(yǎng)專家系統(tǒng)為支持，將化肥加以科學(xué)的配比，采用精準(zhǔn)變量施肥機械進行精確定位施肥，實現(xiàn)在每一地塊的按需施肥，以最大限度地優(yōu)化使用肥料,獲得最大的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益[6-7].

我國農(nóng)民擁有數(shù)量較多的農(nóng)用拖拉機，因此研制出與之相配套使用的變量施肥機械應(yīng)成為研究的重點.目前國內(nèi)少有成熟的變量施肥機出現(xiàn)在市場上實際應(yīng)用于田間施肥作業(yè)，多數(shù)處于實驗室研究階段，也有些單變量施肥機應(yīng)用在田間施肥，但是其施肥精度較低，尤其是在施肥量較大和較小的時更為明顯.本文針對目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)中使用較多的拖拉機設(shè)計了配套的變量施肥機，該施肥機是基于差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)來確定機具在田塊中的準(zhǔn)確作業(yè)位置，通過調(diào)節(jié)液壓馬達的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向來調(diào)節(jié)槽輪的轉(zhuǎn)速與開度，進而實現(xiàn)變量施肥[8-9].

1　總體結(jié)構(gòu)和工作過程

1.1機械本體結(jié)構(gòu)

本文所研制的雙變量施肥機與國產(chǎn)功率為60 kW左右的拖拉機配套使用，雙變量施肥機整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，施肥機采用三點懸掛方式，有拖拉機驅(qū)動.變量施肥機機械本體結(jié)構(gòu)主要由機架、肥料箱、排肥裝置、摻混器、開溝覆土裝置、仿形輪機構(gòu)和動力系統(tǒng)等部件組成.施肥機的轉(zhuǎn)速開度雙調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

1.2控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)的設(shè)計在綜合考慮國內(nèi)外變量施肥機及施肥控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，確定基于上位工控機與下位單片機的電控液壓傳動閉環(huán)雙變量施肥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由外槽輪式排肥器、電磁驅(qū)動器、電磁比例調(diào)速閥、電磁換向閥、擺線馬達、下位控制器、上位主控制器、轉(zhuǎn)速、開度數(shù)據(jù)采集裝置、GPS/DGPS模塊等組成.從硬件上將系統(tǒng)分為液壓傳動系統(tǒng)、基于工控機的上位主控系統(tǒng)、基于STC單片機下位控制系統(tǒng)以及GPS/DGPS定位系統(tǒng)四部分進行設(shè)計.變量施肥機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示.

1.3轉(zhuǎn)速開度雙調(diào)節(jié)機構(gòu)工作原理

施肥機在得到啟動信號后，轉(zhuǎn)速馬達開始轉(zhuǎn)動，帶動槽輪和排肥擋軸一同轉(zhuǎn)動，肥料經(jīng)槽輪排出.在排肥量變化時，則有施肥控制系統(tǒng)根據(jù)田間施肥量會調(diào)用不同的轉(zhuǎn)速開度組合序列，決定開度和轉(zhuǎn)速馬達的動作.當(dāng)施肥量變化較小時可以通過控制電液比例調(diào)速閥改變轉(zhuǎn)速馬達的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)排肥軸的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；當(dāng)施肥量變化較大時則可以通過控制三位四通換向閥改變開度馬達的轉(zhuǎn)向，開度連接件通過開度聯(lián)軸器與開度馬達的輸出軸連接，開度連接件上的螺紋和開度套筒上的螺紋形成螺旋副，開度連接件轉(zhuǎn)動時則帶動排肥軸產(chǎn)生一個軸向位移，實現(xiàn)排肥軸的開度調(diào)節(jié).

1:肥料箱;2:機架;3:開溝覆土裝置;4:仿形輪機構(gòu);5:排肥裝置;6:開度馬達;7:轉(zhuǎn)速馬達. 圖1　變量施肥機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1　Diagram of the structure of variable rate fertilizer treatment applicator

1:轉(zhuǎn)速馬達;2:轉(zhuǎn)速套筒;3:轉(zhuǎn)速聯(lián)軸器;4:支撐軸承;5:轉(zhuǎn)速連接件;6:花鍵;7:槽輪;8:排肥盒;9:排肥擋軸;10:軸承端蓋;11:開度連接件;12:開度套筒;13:開度聯(lián)軸器;14:開度馬達;15:開度馬達座;16:轉(zhuǎn)動軸承;17:夾持器;18:密封蓋;19:轉(zhuǎn)速馬達座. 圖2　轉(zhuǎn)速開度雙調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.2　Diagram of the structure of bivariate control parameters

圖3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框Fig.3　The control system structure diagram

1.4雙變量施肥機作業(yè)過程

雙變量施肥機在田間進行施肥作業(yè)時，首先由GPS/DGPS定位模塊獲取施肥機實時的位置信息，通過RS232串口總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位主控制系統(tǒng)，經(jīng)決策系統(tǒng)進行分析處理，得到施肥機位置信息和施肥機的作業(yè)速度，進行網(wǎng)格識別，將施肥機位置信息與施肥處方圖中的施肥量信息進行配合，得出該網(wǎng)格處施肥量Q，施肥決策中心綜合施肥機行駛速度、施肥量Q以及轉(zhuǎn)速開度標(biāo)定函數(shù)模型給出該條件下施肥量對應(yīng)的開度和轉(zhuǎn)速組合值.同時，STC單片機下位控制系統(tǒng)對排肥軸轉(zhuǎn)速和開度進行實時監(jiān)測，將得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)，與當(dāng)前施肥決策中心給出的轉(zhuǎn)速、開度進行比較，若需要調(diào)節(jié)排肥軸的轉(zhuǎn)速和開度，上位控制系統(tǒng)把轉(zhuǎn)速和開度值傳輸?shù)较挛豢刂葡到y(tǒng)，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換將該轉(zhuǎn)速、開度值轉(zhuǎn)化為驅(qū)動器所需的電壓(電流)信號驅(qū)動電液比例調(diào)速閥和三位四通換向閥動作，進而控制液壓馬達的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，調(diào)節(jié)排肥器排肥軸有效工作長度和轉(zhuǎn)速，肥料經(jīng)排肥器排出，進入混肥器使3種肥料混合均勻后，經(jīng)排肥管、開溝器后，肥料落在開溝器所開的施肥溝內(nèi)，從而實現(xiàn)農(nóng)田精準(zhǔn)施肥.施肥作業(yè)過程中在屏幕中可顯示施肥機的當(dāng)前位置、施肥量、排肥軸速度和開度值、拖拉機行走的軌跡、肥料箱中所剩的肥料、已作業(yè)面積等信息，這些信息可由車載計算機實時記錄保存，在施肥作業(yè)完成后可以下載下來，進行處理與分析，指導(dǎo)下次的施肥作業(yè).

2　關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1肥料箱設(shè)計

肥料箱采取一體三箱式設(shè)計，可用于氮、磷、鉀等多種肥料同時施肥，因此可有效配合控制系統(tǒng)實現(xiàn)多種肥料元素配比施肥，肥料箱底部由V型料倉拼接而成，該設(shè)計提高顆粒肥料的流凈率、排肥均勻性的同時，還增加了整機的穩(wěn)定性.

根據(jù)新疆農(nóng)田施肥量統(tǒng)計，課題組所設(shè)計的變量施肥機施肥量范圍為：200～1 400 kg/hm2.經(jīng)試驗測量過磷酸鈣、顆粒鉀、尿素3種肥料的堆密度分別為0.998、1.134、0.751 g/cm3，3種肥料與制作肥料箱的鋼板材料之間的摩擦系數(shù)f最大不超過0.4.為了實現(xiàn)每次向肥箱內(nèi)投入肥料后能夠使得施肥機作業(yè)范圍達到1 hm2，避免多次添加肥料的動作，設(shè)計肥料箱的容量為1 500 kg左右，肥料箱體積計算公式：

v=m/ρ

(1)

式中，v為肥料箱體積，m3；m為肥料箱設(shè)計容納肥料質(zhì)量，kg；ρ為肥料的堆密度，kg/m3.由上式可以得出肥料箱體積約為1.6 m3左右，確定肥料箱尺寸定為3 000×800×700(長×寬×高，cm).肥料箱底部V型料倉的傾斜角計算公式：

tanθ=f

(2)

式中，f為肥料與鋼板材料之間的摩擦系數(shù)，m3；θ為V型料倉的傾斜面與水平面之間的夾角，(°).取f=0.4，則θ=arc tanf=21.8°，取θ=30°.

2.2排肥器設(shè)計計算

根據(jù)農(nóng)田施肥經(jīng)驗N、P、K的配比為1∶0.67∶0.23，對應(yīng)的尿素、過磷酸鈣和顆粒鉀的每公頃施肥量約為440、680、117 kg.施肥機每公頃單種肥料的理論施肥量計算公式：

(3)

式中，S為1公頃的土地面積，m3；q為每分鐘單個排肥器的排肥量，kg；N為每根排肥軸上排肥器的個數(shù)，本施肥機為5個；B為施肥機達到工作幅寬，m，本施肥機幅寬為3.5 m；V為施肥機的前進速度，km/h，取8 km/h；Qs取幾種肥料中的最大值，此處取800 kg.代入相應(yīng)的數(shù)值，則q取值為7.466 7 kg.

槽輪排出的肥料包括在槽輪槽齒的強制推動下經(jīng)排肥口排出，該層顆粒肥料被稱為強制層，以及處于槽輪槽齒外緣厚度為C的一層肥料顆粒由于顆粒間的摩擦力和槽齒對肥料顆粒的間斷性沖擊經(jīng)排肥口排出，該層肥料被稱作帶動層.所以，排肥槽輪每轉(zhuǎn)排肥量均是強制層和帶動層的迭加，在槽輪有效工作長度固定的情況下，可以利用外槽輪排肥器的公式計算每分鐘單個排肥器的排肥量q計算公式[10]：

(4)

其中d、L、f、t反映了排肥器的結(jié)構(gòu)形狀及三維尺寸，肥料容重γ取磷酸鈣、顆粒鉀、尿素3種肥料的堆密度分別為0.998、1.134、0.751 g/m3，肥料對凹槽的充滿系數(shù)a(n)取0.8～0.9，帶動層厚度c(n)取0.3～0.4 cm.由式(4)可知，這些參數(shù)都會對外槽輪排肥器的排肥量重要產(chǎn)生影響.確定外槽輪排肥器的外槽輪直徑d為4.8 cm，外槽輪總長度為4.5 cm，槽輪齒數(shù)為6，槽輪凹槽的橫截面積f為1.0 cm2，槽輪凹槽節(jié)距t為2 cm.

3　試驗分析

3.1試驗方法與材料

目前普遍施用的顆粒肥料為試驗材料，考慮到對本施肥機的適用性，因此以新疆生產(chǎn)的過磷酸鈣、顆粒鉀、尿素和顆粒有機肥4種肥料.試驗地點選在石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院校工廠內(nèi).對過磷酸鈣、顆粒鉀和尿素3種肥料分別進行不同的槽輪開度和轉(zhuǎn)速的排肥試驗，在每個排肥口處放置肥料收集器，每次進行60 s的排肥試驗，收集肥料進行單獨稱質(zhì)量，做好數(shù)據(jù)記錄，每組試驗做3次.

3.2試驗結(jié)果與分析

對不同轉(zhuǎn)速的排肥試驗進行的是轉(zhuǎn)速40～240 r/min，依次增加20 r/min的排肥試驗，對不同開度的排肥試驗進行的是開度分別為13、23、33、43 mm的排肥試驗.本文中僅對過磷酸鈣試驗數(shù)據(jù)做出如下分析.

由表1為模型情況表，可以看出每個二次曲線模型相對于線性模型的R方都最高，也就是說模型對數(shù)據(jù)的解釋能力最強，并且模型也是很顯著的.所以，選擇二次曲線模型，根據(jù)表1中的各變量的系數(shù)值，可以得出排肥開度速為13、23、33、43 mm時，數(shù)學(xué)模型分別為Q=-0.02x2+18.155x-8.358；Q=-0.028x2+28.904x+73.744；Q=-0.025x2+42.803x+85.133；Q=-0.057x2+55.195x-174.445.模型顯著性系數(shù)都小于0.05，為顯著，擬合優(yōu)度很好，可決定系數(shù)都大于0.999.

圖4-A至圖4-B分別是開度為13、23、33、43 mm時對應(yīng)不同轉(zhuǎn)速下排肥量的2條曲線的擬合情況，圖中的圓圈表示每個轉(zhuǎn)速和開度組合下的實際排肥量的均值，實線代表線性擬合曲線，點畫線代表二次擬合曲線，圖中也可以看出二次曲線擬合效果好于線性擬合效果.從數(shù)學(xué)模型和擬合曲線都可以得出在開度不變的情況下，排肥量隨著槽輪轉(zhuǎn)速的提高而增加，但是二次擬合曲線的斜率是逐漸在減小的，說明排肥量不是隨排肥槽輪轉(zhuǎn)速的增加而成比例的增加，其增加量在逐漸減少，造成這種現(xiàn)象的原因可以歸結(jié)為兩個方面：一是隨著槽輪轉(zhuǎn)速的增加肥箱內(nèi)的肥料沒能及時的填充進入槽輪的凹槽，二是由于外槽輪排肥器排出的肥料可分為兩部分(強制層和帶動層)，強制層處于槽輪的凹槽內(nèi)，其多少由肥料對槽輪的凹槽的填充系數(shù)決定，帶動層的多少由帶動層特性系數(shù)決定，兩者都是槽輪轉(zhuǎn)速的函數(shù).

表1　模型情況表Tab.1　Model case table

圖4　不同開度下的排肥量擬合曲線Fig.4　Fitting curve of fertilizer amountunder different opening conditions

圖5-A、圖4-B分別是轉(zhuǎn)速為60 r/min和120 r/min時對應(yīng)不同開度下排肥量的線型擬合情況，圖中圓圈表示轉(zhuǎn)速為60 r/min和120 r/min時，不同開度下的實際排肥量的均值，在開度較小時圓圈位于擬合直線的下方，隨著開度的增加圓圈逐漸靠近并位于擬合直線上方，開度繼續(xù)增加圓圈又開始位于擬合直線的下方.可以得出在轉(zhuǎn)速不變的情況下，排肥量隨著槽輪開度的增加而增加，但是增加量存在先大后小，最后趨于平穩(wěn)，造成這種現(xiàn)象的原因可以歸結(jié)為與排肥器內(nèi)壁接觸的肥料的流動速度要低于中間肥料的流動速度，隨著槽輪開度的增大，其對排肥量的影響將越來越小.

圖5　不同轉(zhuǎn)速下的排肥量擬合曲線Fig.5　Fitting curve of fertilizer amount under different speed4

4　結(jié)論

本文設(shè)計了一種以農(nóng)民現(xiàn)在使用的農(nóng)用拖拉機作為驅(qū)動源的變量施肥機，通過調(diào)節(jié)施肥機液壓馬達的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)排肥軸的轉(zhuǎn)速與槽輪開度的調(diào)節(jié)，從而達到改變施肥量的目的.

排肥試驗表明，在開度不變的情況下，排肥量隨著槽輪轉(zhuǎn)速的提高而增加，但排肥量不是隨排肥槽輪轉(zhuǎn)速的增加而成比例的增加，其增加量在逐漸減少.

在轉(zhuǎn)速不變的情況下，排肥量隨著槽輪開度的增加而增加，但排肥量不是隨排肥槽輪開度的增加而成比例的增加，其增加量存在先大后小，最后趨于平穩(wěn).

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(責(zé)任編輯李辛)

Design and experiment of bivariate fertilizer

LI Kai,ZHANG Li-xin,ZHANG Li-ping,CHU Shi-zhe,QI Xiao-min,QIAN Ying,LI Ji-xia,GUO Zhen-hua

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

【Objective】 In order to solve the problems,especially at the irrational structure of traditional fertilization,disproportionality of crops nutrient,low utilization rate of fertilizer and sever environmental pollution.【Method】 A kind of variable rate fertilizer applicator was designed,which used the structure of ‘one body,three boxes’ and the fertilizer ejection of the outer groove-wheel,which could match with the domestic tractor.The rotational speed and the opening degree of the outer groove-wheel were controlled to realize the variable rate fertilizer.【Result】 The amount of fertilizer increased in a nonlinear form when the rotational speed increases alone or the opening degree increase alone.【Conclusion】 This design solves the irrationality of the traditional fertilizer structure and offers reference for the purpose of improving the fertilizer accuracy of the applicator.

variable rate fertilizer applicator；bivariate control parameters；mathematical model

李凱(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為先進制造技術(shù).E-mail:lk2014105007@163.com

張立新，男，教授，博導(dǎo)，主要從事機械制造及其自動化、農(nóng)業(yè)機械化工程方面的教學(xué)及科研工作.E-mail：zhlx2001730@126.com

國家自然科學(xué)基金項目(51365048).

2016-01-12；

2016-04-01

S224.22

A

1003-4315(2016)04-0128-06