施印炎 陳 滿 汪小旵，3 ODHIAMBO M O 章永年 丁為民，3

(1．南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京210031;2．農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014; 3．江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，南京210031)

稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)排肥性能分析與試驗(yàn)

施印炎1陳 滿2汪小旵1，3ODHIAMBO M O1章永年1丁為民1，3

(1．南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京210031;2．農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014; 3．江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備工程實(shí)驗(yàn)室，南京210031)

為提高基于近地光譜技術(shù)的稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)排肥性能穩(wěn)定性，改善變量施肥控制精度，建立了外槽輪式變量施肥機(jī)離散元仿真模型，運(yùn)用離散單元法和EDEM 2.2軟件對(duì)施肥機(jī)排肥過程進(jìn)行性能分析和數(shù)值模擬，研究不同排肥器結(jié)構(gòu)和施肥控制策略對(duì)施肥機(jī)排肥穩(wěn)定性的影響，并通過臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明:改進(jìn)后的排肥器施肥量變異性系數(shù)明顯減小，標(biāo)準(zhǔn)差減小14.59 g，變異系數(shù)降低9.9%;采用轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制策略，當(dāng)槽輪開度為19.34mm時(shí)，排肥量穩(wěn)定性系數(shù)最佳為1.09%;采用開度優(yōu)先控制策略，當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)速為55.75 r/min時(shí)，排肥量變異性系數(shù)最小為1.85%;與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差最大為14.06%。結(jié)果驗(yàn)證了離散元仿真方法分析顆粒運(yùn)動(dòng)過程的準(zhǔn)確性，表明所設(shè)計(jì)改進(jìn)的排肥器能夠提高施肥機(jī)排肥穩(wěn)定性，滿足稻麥精準(zhǔn)變量施肥要求。

變量施肥;外槽輪;施肥穩(wěn)定性;離散元分析

引言

變量施肥技術(shù)作為實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心內(nèi)容，對(duì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義［1－2］。機(jī)械化施肥裝備為實(shí)現(xiàn)變量施肥技術(shù)提供了可能，現(xiàn)有的變量施肥機(jī)排肥方式主要包括外離心式、槽輪式和螺旋式等［3］，國(guó)內(nèi)精準(zhǔn)變量施肥機(jī)械主要以外槽輪式排肥器作為地表追肥作業(yè)的排肥裝置。但外槽輪式排肥結(jié)構(gòu)在低排量、低轉(zhuǎn)速下的脈動(dòng)性易產(chǎn)生間歇性排肥，直接影響精準(zhǔn)變量施肥穩(wěn)定性。

為保證稻麥精準(zhǔn)變量施肥過程的排肥穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)槽輪式變量施肥機(jī)械做了大量的研究［4－8］，主要集中在整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)的生成方面。近年來(lái)，隨著離散元數(shù)值計(jì)算方法在研究農(nóng)業(yè)顆粒物料運(yùn)動(dòng)方面的成熟運(yùn)用，越來(lái)越多的研究者應(yīng)用離散元法分析離散物料與農(nóng)機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的交互作用［9－13］。胡永光等［14－15］利用 EDEM離散元仿真軟件對(duì)茶園施肥機(jī)肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)及分布進(jìn)行模擬計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化，獲得比較理想的茶園撒肥均勻性;苑進(jìn)等［16－17］應(yīng)用顆粒離散元法對(duì)多種肥料的摻混、排肥過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了變比變量施肥機(jī)的摻混性能和排肥滯后性，并對(duì)排肥裝置的關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化;邱白晶、李耀明團(tuán)隊(duì)等［18－20］采用Hertz-Mindlin接觸力學(xué)模型模擬了水稻籽粒的碰撞力學(xué)過程，得到影響籽粒碰撞力變化的重要因素，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。這些理論分析對(duì)進(jìn)一步研究精準(zhǔn)變量施肥機(jī)的整機(jī)性能具有關(guān)鍵作用。

本文針對(duì)本課題組設(shè)計(jì)的基于近地光譜技術(shù)的稻麥精準(zhǔn)追肥機(jī)作業(yè)過程中存在的排肥槽輪排肥量脈動(dòng)性大、落肥滯后時(shí)間長(zhǎng)等實(shí)際問題［21－23］，應(yīng)用EDEM離散元分析軟件建立稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)排肥機(jī)構(gòu)的仿真模型，分析肥料顆粒在外槽輪式排肥器中排肥過程，研究不同排肥器結(jié)構(gòu)、施肥量調(diào)節(jié)方式對(duì)變量施肥機(jī)排肥穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)驗(yàn)證，以改善稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)的作業(yè)性能。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括傳感器、車載CPU、施肥機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)以及行走機(jī)構(gòu)等主要部件。

1.2 工作原理

軸分段式稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)整機(jī)幅寬2 m，作業(yè)行數(shù)為8行、4行為1組，可獨(dú)立調(diào)整轉(zhuǎn)速和開度，各自負(fù)責(zé)1m的作業(yè)區(qū)。其工作原理如下:車載計(jì)算機(jī)接收到Greenseeker光譜傳感器測(cè)量的稻麥冠層歸一化植被指數(shù)(NDVI)后，通過變量施肥專家決策系統(tǒng)，基于改進(jìn)的Ruan模型計(jì)算實(shí)時(shí)目標(biāo)施肥量，再結(jié)合相應(yīng)的傳感器測(cè)得當(dāng)前整機(jī)行走速度以及排肥槽輪轉(zhuǎn)速和開度反饋給控制器(STM32單片機(jī))，形成整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，經(jīng)過決策系統(tǒng)指導(dǎo)相應(yīng)的控制電動(dòng)機(jī)在線調(diào)整作物實(shí)時(shí)所需的施肥量，實(shí)現(xiàn)相對(duì)意義上的稻麥精準(zhǔn)變量施肥。

2 排肥器結(jié)構(gòu)與排肥特性分析

2.1 排肥器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

排肥器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響變量施肥的控制精度，結(jié)合前期變量施肥作業(yè)中槽輪排肥器出現(xiàn)的問題，對(duì)使用的典型外槽輪式排肥器結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 典型排肥槽輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig．2 Structure diagram of typical outer groove-wheel

針對(duì)變量施肥機(jī)作業(yè)過程中排肥量脈動(dòng)性大、排肥穩(wěn)定性差的問題，為提高外槽輪排肥器的排肥性能，在對(duì)典型外槽輪式排肥器進(jìn)行試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)排肥器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其改進(jìn)過程如圖3所示。

圖3a為傳統(tǒng)的7槽式外槽輪排肥器，排肥槽有效工作長(zhǎng)度為45.8mm，直徑58mm，排肥主軸直徑為17mm，排肥盒寬度為45.16 mm，排肥口直徑為41mm。工作槽輪1與調(diào)節(jié)槽輪4相互分離(非整體)，通過毛刷貼緊排肥槽輪撥肥，在高速施肥作業(yè)時(shí)，由于摩擦因數(shù)較大易產(chǎn)生高溫變形，分離間隙變大，會(huì)出現(xiàn)肥料的泄漏，從而導(dǎo)致施肥量的波動(dòng)較大，排肥不穩(wěn)定;圖3b將槽輪一體化加工，增加了阻塞套和排肥擋板，阻塞套內(nèi)徑為52mm，外徑與排肥槽輪外徑均為58 mm，擋肥板寬度與排肥盒寬度相等，為45.16mm;圖3c用排肥舌代替了原有的塑料毛刷，寬度為45mm，避免了排肥過程中肥料顆粒的泄漏，依靠彈簧張力，保證了排肥腔的可靠填充和順利撥肥，意在提高排肥器的排肥性能。

圖3 外槽輪排肥器結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig．3 Structure comparisons of outer groove-wheel

2.2 排肥特性分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)軸分段式變量施肥機(jī)精確控制，對(duì)施肥機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行準(zhǔn)確分析，建立雙變量施肥機(jī)的排肥模型。外槽輪式排肥器排肥量調(diào)節(jié)主要包括排肥器有效工作長(zhǎng)度(槽輪開度)和排肥槽輪轉(zhuǎn)速。對(duì)相應(yīng)的排肥量模型進(jìn)行分析:

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)分析，通過外槽輪排肥器排肥理論推導(dǎo)公式計(jì)算單位面積施肥單元目標(biāo)施肥量，計(jì)算公式為

式中 Q——單位面積目標(biāo)施肥量，kg/hm2

q——單個(gè)排肥器單位時(shí)間排肥量，kg/min

B——施肥幅寬，m

v——整機(jī)行走速度，km/h

N——排肥器個(gè)數(shù)

kv——整機(jī)前進(jìn)打滑率

文獻(xiàn)［21］提到，在不考慮排肥軸轉(zhuǎn)速變化、整機(jī)振動(dòng)等外界因素影響導(dǎo)致的排肥量非線性跳動(dòng)情況下，單個(gè)排肥器的排肥量與主軸轉(zhuǎn)速存在關(guān)系

式中 n——排肥主軸轉(zhuǎn)速，r/min

k——標(biāo)定擬合直線斜率

b——標(biāo)定擬合直線截距

綜合上文的分析，可以通過直流電動(dòng)機(jī)控制主軸轉(zhuǎn)速、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制槽輪開度，結(jié)合相應(yīng)的標(biāo)定試驗(yàn)，將排肥量數(shù)值準(zhǔn)確量化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)相對(duì)意義上的稻麥精準(zhǔn)變量施肥。

3 變量施肥機(jī)離散元模型建立與仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 離散元仿真基本理論

顆粒離散單元法(Discrete element method，DEM)是用于模擬顆粒系統(tǒng)仿真分析的一種物體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，將互相接觸在一起的實(shí)體單元視為離散顆粒群，考慮顆粒的形狀、屬性、粒徑分布等因素，根據(jù)牛頓第二定律求解每個(gè)顆粒的受力、位置和速度等變化，通過建立顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，進(jìn)行顆粒行為模擬與分析［24］。其基本原理主要有顆粒接觸模型和牛頓第二定律。

根據(jù)力-位移關(guān)系，可以由位移得到顆粒受到的作用力，在這個(gè)過程中要用到的位移則可以根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算得出。顆粒i的運(yùn)動(dòng)方程為

mi、Ii——顆粒i的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

常用中心差分法對(duì)式(3)進(jìn)行數(shù)值積分，得到顆粒新的位移，代入力-位移關(guān)系計(jì)算新的作用力，如此反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)跟蹤每個(gè)顆粒在任意時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)。

3.2 仿真模型的建立與物料特性參數(shù)的選擇

根據(jù)EDEM離散元仿真分析的一般計(jì)算方法，在參數(shù)化建模軟件Pro/E中建立外槽輪排肥器的三維實(shí)體模型，按照必要的虛擬約束和驅(qū)動(dòng)進(jìn)行裝配，以．igs格式導(dǎo)入EDEM求解環(huán)境中，裝配組件如圖4所示。

以南方地區(qū)常用的顆粒復(fù)合肥為研究對(duì)象，參照文獻(xiàn)［14－17］的試驗(yàn)方法，為簡(jiǎn)化計(jì)算過程，等效其為球型顆粒，隨機(jī)采樣對(duì)復(fù)合肥顆粒的物理特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，槽輪、機(jī)體、地面相關(guān)屬性參數(shù)如表1所示。采用EDEM軟件默認(rèn)的Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型進(jìn)行肥料顆粒的仿真分析，設(shè)定顆粒工廠顆?？倲?shù)為100 000，外槽輪式排肥器運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)與直線移動(dòng)(機(jī)具行進(jìn)運(yùn)動(dòng))的合成運(yùn)動(dòng)，參數(shù)設(shè)置貼近實(shí)際田間運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)模擬仿真過程的準(zhǔn)確性。

圖4 排肥器裝配仿真圖Fig．4 Assembly and simulation drawings of fertilizer apparatus

表1 物料特性參數(shù)Tab．1 Material properties of particles

3.3 排肥過程仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)所設(shè)計(jì)和改進(jìn)的3種槽輪式排肥器(圖3)分別導(dǎo)入EDEM軟件中進(jìn)行排肥作業(yè)仿真。每組試驗(yàn)重復(fù)5次，通過收集虛擬地面樣本排肥量的質(zhì)量取平均值，計(jì)算各排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

通過改變槽輪開度和轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量進(jìn)行雙變量控制。轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制策略是在每個(gè)轉(zhuǎn)速下改變排肥器不同開度，計(jì)算施肥機(jī)排肥量的變異性，確定最佳開度，保持此開度不變，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)變量施肥;開度優(yōu)先控制策略則相反。對(duì)所選用的槽輪式排肥器分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制、開度優(yōu)先控制調(diào)節(jié)，同樣收集虛擬地面排肥質(zhì)量，計(jì)算各控制策略下施肥機(jī)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)變量施肥機(jī)械性能的重要指標(biāo)之一，計(jì)算公式為

式中 Cv——變異系數(shù) σ——標(biāo)準(zhǔn)差，g

N——樣本數(shù)量

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 排肥器結(jié)構(gòu)仿真分析

根據(jù)上文的試驗(yàn)方案，在保持各個(gè)槽輪開度、轉(zhuǎn)速一致的情況下，對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的槽輪排肥器排肥過程進(jìn)行仿真分析，其排肥量標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同外槽輪排肥器排肥量仿真分析結(jié)果Fig．5 Analysis results of fertilizer amount in different structures

由圖5可以看出，相比于常用的外槽輪式排肥器a，改進(jìn)后的排肥器b、c的排肥性能有了明顯提高。外槽輪a的排肥量標(biāo)準(zhǔn)差最大值為29.39 g，最小值為18.09 g，平均值為23.88 g;相應(yīng)的變異系數(shù)的最大值為18.39%，最小值為8.57%，平均值為12.49%。而外槽輪 b排肥量的標(biāo)準(zhǔn)差較小，其均值為11.47 g;排肥量變異性小，變異系數(shù)平均值為3.39%;外槽輪 c的排肥量標(biāo)準(zhǔn)差最小，均值為9.29 g;排肥量變異性也最小，變異系數(shù)平均值為2.53%。外槽輪b比外槽輪a排肥量標(biāo)準(zhǔn)差均值降低了51.97%，變異系數(shù)均值降低了72.86%;而外槽輪 c比外槽輪 a排肥量標(biāo)準(zhǔn)差均值降低了61.1%，變異系數(shù)均值降低了79.74%。由此可見，改進(jìn)后的外槽輪c的排肥性能最佳，其排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)最大，為3.01%，很好地提高了變量施肥機(jī)排肥穩(wěn)定性。

4.2 控制策略仿真分析

4.2.1 轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制仿真分析

變量施肥機(jī)在不同槽輪開度下排肥量變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖6所示。通過改變排肥器不同槽輪開度，施肥機(jī)排肥量變異系數(shù)最大值為15.25%，變異系數(shù)均值的最大值為 7.08%，最小值為0.97%，變異系數(shù)的方差最大值為2.32%2。由圖6可以看出，當(dāng)排肥器開度為45.16mm時(shí)，施肥機(jī)排肥量變異系數(shù)最大值、均值和方差都出現(xiàn)最小值，分別為1.94%、0.97%和0.31%2。綜合考慮實(shí)際外槽輪式排肥器調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，為避免槽輪開度調(diào)節(jié)過大出現(xiàn)卡死或者斷槽現(xiàn)象，故選擇槽輪開度為19.34 mm，排肥量變異系數(shù)最大值、均值和方差僅大于槽輪開度為45.16mm時(shí)，分別為1.98%、1.09%和0.38%2。所以在轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制策略時(shí)，為提高變量施肥機(jī)相對(duì)最優(yōu)的排肥穩(wěn)定性，槽輪開度應(yīng)保持19.34mm不變。

圖6 不同開度施肥機(jī)施肥量變異系數(shù)仿真曲線Fig．6 Variation coefficient simulation curves of fertilization under different openings

4.2.2 開度優(yōu)先控制仿真分析

變量施肥機(jī)在不同槽輪轉(zhuǎn)速下排肥量變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖7所示。通過改變排肥器不同的槽輪轉(zhuǎn)速，施肥機(jī)排肥量變異系數(shù)最大值為10.49%，變異系數(shù)均值的最大值為3.81%，最小值為1.84%，變異系數(shù)的方差最大值為4.17%2。由圖7可以看出，施肥機(jī)開度優(yōu)先控制策略時(shí)排肥量變異系數(shù)普遍大于速度優(yōu)先控制策略，但是排肥性能穩(wěn)定性高，變異系數(shù)方差波動(dòng)小。當(dāng)排肥槽輪轉(zhuǎn)速為55.75 r/min時(shí)，施肥機(jī)排肥量變異系數(shù)最大值、均值和方差都出現(xiàn)最小值，分別為 6.25%、1.85%和1.42%2。所以，變量施肥機(jī)在此槽輪轉(zhuǎn)速具有相對(duì)最優(yōu)的排肥穩(wěn)定性，因而在開度優(yōu)先控制策略時(shí)，槽輪轉(zhuǎn)速應(yīng)保持55.75 r/min不變。

稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)在控制系統(tǒng)獲得作物冠層NDVI值后，通過施肥專家決策系統(tǒng)計(jì)算目標(biāo)施肥量，結(jié)合行進(jìn)速度，實(shí)時(shí)推算排肥器的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和開度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥。

圖7 不同轉(zhuǎn)速施肥機(jī)施肥量變異系數(shù)仿真曲線Fig．7 Variation coefficient simulation curves of fertilization at different rotating speeds

5 臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)排肥器離散元仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，分別于2016年3月6日在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，2016年3月15日在江蘇省金壇南京農(nóng)業(yè)大學(xué)合作基地祥華家庭農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行田間試驗(yàn)，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。試驗(yàn)地勢(shì)平坦，試驗(yàn)地面積5 000m2，以當(dāng)?shù)貞T用的復(fù)合顆粒肥為試驗(yàn)對(duì)象，測(cè)試方法及指標(biāo)參照 GB/T 5262—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法的一般規(guī)定》和相關(guān)施肥機(jī)械試驗(yàn)方法制定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，通過改變不同的作業(yè)參數(shù)，對(duì)接肥桶里的復(fù)合肥質(zhì)量進(jìn)行稱量統(tǒng)計(jì)分析，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算施肥機(jī)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

圖8 驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig．8 Working pictures of validation test

圖9 不同外槽輪排肥器排肥量臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Fig．9 Test result of fertilizer amount in different structures

實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)過程中，在同一根排肥主軸上安裝3種不同結(jié)構(gòu)形式的外槽輪排肥器，重復(fù)測(cè)量接肥桶的排肥量，變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖9所示，外槽輪 a的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)的最大值為22.58%，平均值為16.80%。而外槽輪b的排肥量的變異系數(shù)相比于外槽輪a降低了10.87個(gè)百分點(diǎn)，外槽輪c的排肥變異性最小，相比于外槽輪a降低了13.12個(gè)百分點(diǎn)，同樣說明了改進(jìn)后的外槽輪c的排肥性能最好，提高了變量施肥機(jī)排肥穩(wěn)定性。相比于圖5分析結(jié)果，臺(tái)架試驗(yàn)的整體排肥穩(wěn)定性有所降低。

針對(duì)上述現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)、田間驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，與離散元虛擬仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)5次，取平均值，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比Tab．2 Com parison of verification result

由表2可以看出，改進(jìn)后的排肥槽輪c采用速度優(yōu)先控制策略、開度優(yōu)先控制策略時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬仿真試驗(yàn)相比較，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)誤差分別為9.52%和5.50%;田間試驗(yàn)與虛擬仿真試驗(yàn)相比較，排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)誤差分別為14.06%和13.60%。對(duì)比發(fā)現(xiàn)3種試驗(yàn)情況下(田間試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬仿真試驗(yàn))，排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和誤差依次增大，這是因?yàn)殡x散元仿真試驗(yàn)采用的是理想模型，而實(shí)際試驗(yàn)中客觀因素，比如顆粒肥料的不規(guī)則、機(jī)械結(jié)構(gòu)加工誤差、測(cè)量?jī)x器的檢驗(yàn)誤差等，導(dǎo)致施肥機(jī)排肥穩(wěn)定性的相對(duì)降低，但是其結(jié)果仍具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。

通過對(duì)表2數(shù)據(jù)結(jié)果的進(jìn)一步挖掘，發(fā)現(xiàn)開度優(yōu)先控制策略時(shí)的排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)較速度優(yōu)先控制時(shí)大，但是其誤差較小，變異系數(shù)波動(dòng)范圍小，這與之前離散元仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真分析模型對(duì)施肥機(jī)排肥性能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

(1)運(yùn)用參數(shù)化建模軟件Pro/E 5.0以及離散元仿真軟件EDEM 2.2，建立稻麥精準(zhǔn)變量施肥機(jī)排肥器離散元仿真模型，對(duì)改進(jìn)后的外槽輪排肥器進(jìn)行排肥特性運(yùn)動(dòng)仿真分析。

(2)基于離散元法對(duì)施肥機(jī)排肥性能進(jìn)行研究，仿真試驗(yàn)表明:改進(jìn)后的外槽輪式排肥器排肥量標(biāo)準(zhǔn)差減小了14.59 g，變異系數(shù)平均值降低了9.9%，排肥穩(wěn)定性最好;采用轉(zhuǎn)速優(yōu)先控制策略，當(dāng)排肥開度為19.34 mm時(shí)，施肥機(jī)排肥變異系數(shù)最小，為1.09%，排肥穩(wěn)定性最好;采用開度優(yōu)先控制策略，當(dāng)排肥槽輪轉(zhuǎn)速為55.75 r/min時(shí)，施肥機(jī)排肥量變異系數(shù)出現(xiàn)最小值，為1.85%，排肥穩(wěn)定性最好。

(3)改進(jìn)后的排肥槽輪驗(yàn)證試驗(yàn)表明，與仿真試驗(yàn)排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)相比，臺(tái)架試驗(yàn)誤差分別為 9.52%和 5.50%，田間試驗(yàn)誤差分別為14.06%和13.60%，且改進(jìn)后的排肥器排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)變化趨勢(shì)與離散元仿真分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了離散元仿真模型對(duì)施肥機(jī)排肥性能預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

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Analysis and Experiment of Fertilizing Performance for Precision Fertilizer Applicator in Rice and Wheat Fields

SHIYinyan1CHENMan2WANG Xiaochan1，3ODHIAMBOM O1ZHANG Yongnian1DINGWeimin1，3
(1．College of Engineering，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031，China 2．Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China 3．Jiangsu Province Engineering Laboratory for Modern Facilities Agricultural Technology and Equipment，Nanjing 210031，China)

As one of the most widely applied technology at present，near-earth spectrum detection technology has been used in precise variable fertilizer applicator for rice and wheat．In order to improve fertilizing performance stability and control precision of variable rate fertilizer applicator，the discrete element simulation model of outer groove-wheel variable applicator was established．To achieve the optimal structure of outer groove-wheel fertilizer apparatus，the discrete elementmethod(DEM)and EDEM 2.2 softwarewere put into use to analyze and numerically simulate the fertilizing performance．The effect of different fertilizer apparatus structures and control strategies for fertilizing on the stability of variable fertilization was studied，and with bench test and field trial to verify the accuracy of simulation model．The results showed that the fertilization variability of improved apparatus was significantly decreased，and the standard deviation was decreased by 14.59 g，the variation coefficientwas reduced by 9.9%．When the control strategy of speed priority was adopted，as the groove-openingwas19.34mm，it had the optimum fertilizer stability of 1.09%．When the control strategy of groove-opening priority was adopted，as the rotary speed of groove-wheel was 55.75 r/min，the minimal fertilizer variability was 1.85%．And compared with the verification test results，the errorswere less than 8.87%，9.52%and 5.50%，respectively，verifying the accuracy of simulation and analysis for particle movement process in agricultural equipment using the DEM．The study illustrated that the improved fertilizer apparatus could perfect the stability of fertilizer and satisfy the demands of precision variable fertilization．

variable fertilization;outer groove-wheel;stability of fertilization;discrete element analysis

S183;S121

A

1000-1298(2017)07-0097-07

2016-11-08

2017-01-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200602-4)、“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAD08B04-8)和江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX16_1017)

施印炎(1990—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化研究，E-mail:2015212011@njau．edu．cn

汪小旵(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境模擬與控制研究，E-mail:wangxiaochan@njau．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．012