趙學(xué)觀,何亞凱,王松林,張春鳳,王 秀

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097;2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097)

0 引言

精準(zhǔn)施肥根據(jù)土壤養(yǎng)分含量,實(shí)施按需變量施肥,可大大提高肥料利用率、減少肥料的浪費(fèi)及對(duì)環(huán)境的不良影響。精準(zhǔn)變量施肥的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是如何機(jī)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(shù)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(shù)趨于成熟,大型化、智能化的變量施肥機(jī)具已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)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(nèi)提高產(chǎn)量的一個(gè)重要途徑。近年來,國內(nèi)科研人員在精準(zhǔn)施肥控制技術(shù)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(cè)技術(shù)、傳感技術(shù)研究了基于墑情或長勢(shì)的施肥決策技術(shù)[4-6];依據(jù)施肥處方圖指導(dǎo)作業(yè),進(jìn)行了施肥處方圖網(wǎng)格劃分等關(guān)鍵技術(shù)研究[7-10];采用模糊控制、PID原理等多種控制技術(shù),提高了施肥控制的準(zhǔn)確性及相應(yīng)速度,并進(jìn)行了作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控等系統(tǒng)集成[11-16];對(duì)配肥施肥機(jī)的配肥過程控制進(jìn)行了相關(guān)研究,提高了摻混均勻度[17-18]。

目前,國內(nèi)中耕施肥機(jī)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的。事實(shí)上,排肥過程中外槽輪達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后,槽溝充肥性能隨著轉(zhuǎn)速不斷下降,若仍通過轉(zhuǎn)速控制排肥速率將存在一定的誤差。因此,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)排肥的一個(gè)關(guān)鍵問題是探索排肥量與外槽輪轉(zhuǎn)速的非線性關(guān)系。為了保證施肥的精量,本文設(shè)計(jì)了一種雙變量排肥裝置,既可實(shí)現(xiàn)排肥口的大小調(diào)節(jié),又可實(shí)現(xiàn)排肥轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),建立了施肥轉(zhuǎn)速、排肥口大小與排肥量之間的關(guān)系,并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了仿真和測(cè)試試驗(yàn),以期為進(jìn)一步提高施肥控制準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

1 雙變量排肥裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

雙變量排肥裝置如圖1所示。

1.肥箱 2.伺服電機(jī) 3.齒輪 4.齒條 5.排肥口開度板 6.排肥盒 7.排肥軸 8.鏈輪 9.直流電機(jī) 10.排肥口 11.支架

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(jī)連接。排肥時(shí),動(dòng)力由直流電機(jī)傳送給排肥軸,通過錐形齒輪與排肥盒內(nèi)部的外槽輪連接;當(dāng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),帶動(dòng)排肥盒內(nèi)部排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng),槽型輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將肥料通過槽溝帶出,進(jìn)行排肥。排肥口大小通過排肥口開度板進(jìn)行調(diào)節(jié),通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)排肥口開度時(shí),伺服電機(jī)電機(jī)帶動(dòng)排肥口開度調(diào)節(jié)軸上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而帶動(dòng)排肥開度板進(jìn)行排肥口的調(diào)節(jié)。

2 排肥理論分析

2.1 排肥量分析

普通外槽輪排肥時(shí)存在如圖2(a)兩圓環(huán)所示的帶,而帶動(dòng)層的大小與轉(zhuǎn)速及肥料物理特性有關(guān),因此在基于轉(zhuǎn)速控制排肥量時(shí)存在一定的誤差,不能準(zhǔn)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(dòng)層的肥流量不易控制的現(xiàn)象,越來越多的施肥機(jī)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(nèi)壁縫隙較小,如圖2(b)所示。

普通外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),肥料逐次充滿于凹槽內(nèi),隨之轉(zhuǎn)動(dòng),種子在排種輪槽齒的強(qiáng)制推動(dòng)下經(jīng)排種口排出。由參考文獻(xiàn)可知:外槽輪排肥器的單位圓周排出質(zhì)量Q(g/r)計(jì)算公式為

(1)

其中,d為外槽輪直徑(cm);L為外槽輪有效工作長度(cm);γ為肥料容重(g/cm3);a0為肥料充滿系數(shù),與轉(zhuǎn)速有關(guān);f為凹槽截面積(cm2);t為槽齒間距(cm);Cn為帶動(dòng)層厚度(cm),與轉(zhuǎn)速有關(guān)。

若不考慮帶動(dòng)層系數(shù),排出的肥料體積可以更準(zhǔn)確地通過凹槽體積來表示。因此,上述公式可簡化為

Q=Lγα0fqz

(2)

其中,fq為單個(gè)凹槽的截面積(cm2);z為槽數(shù)(個(gè))。

由式(2)、式(3)可知:當(dāng)槽輪的型號(hào)確定后,圓周排肥量只與充肥系數(shù)有關(guān)。排肥輪填充系數(shù)的大小和穩(wěn)定性影響排肥輪的單圈排肥量的均勻性和穩(wěn)定性。填充系數(shù)實(shí)際上是顆粒肥料充入槽輪所需時(shí)間的反映,因此分析充肥過程的影響因素是下一步的重點(diǎn)。

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(cè)下方,排肥盒軸與水平面成一定夾角傾斜安裝,如圖3所示。

圖3 排肥盒的不同安裝角度

由圖3可知:水平安裝排肥輪排肥時(shí),肥料顆?？孔陨碇亓吧喜糠柿系膲毫?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(zhuǎn)速進(jìn)行變量施肥時(shí)該區(qū)域的充肥量通過理論計(jì)算可得到;此時(shí),充肥過程并未停止,由于肥料的流動(dòng)性,顆粒會(huì)繼續(xù)向排肥槽流動(dòng),形成非可控充肥區(qū)A,非可控充肥區(qū)在不同轉(zhuǎn)速、不同傾角時(shí)是不可控的,在同一顆粒物料、同一排肥輪材質(zhì)的條件下,主要受轉(zhuǎn)速、傾角的影響。

3 充肥性能試驗(yàn)分析與驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)裝置

為優(yōu)化排肥精度,探索不同傾角時(shí)肥料的充肥穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了一種角度可調(diào)式排肥試驗(yàn)臺(tái),如圖4所示。

1.肥箱 2.排肥口刻度 3.機(jī)架 4.排肥盒 5.直流電機(jī) 6.編碼器 7.可調(diào)角度規(guī)

排肥盒安裝在肥箱的下面,肥箱通過可調(diào)角度規(guī)安裝在支架上,可調(diào)角度規(guī)上有刻度及定位鎖緊,試驗(yàn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)0°～55°的旋轉(zhuǎn)。

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

施肥過程中,對(duì)排肥速率的調(diào)節(jié)可以改變排肥轉(zhuǎn)速或者排肥口開度,因此理論上存在多組不同的轉(zhuǎn)速和開度組合,滿足該目標(biāo)施肥量調(diào)節(jié)要求。施肥量的調(diào)節(jié)要求在任意開度下通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,或者任意轉(zhuǎn)速條件下調(diào)節(jié)排肥口開度都能達(dá)到預(yù)定的排肥量;但實(shí)際的排肥量并不是按照排肥口開度或者轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系,如果要達(dá)到預(yù)定排肥量,應(yīng)明確排肥口開度、轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量的影響。同時(shí),充肥過程受到排肥輪傾角影響,因此通過試驗(yàn)研究確定各因素與排肥量之間的關(guān)系。為了得到雙變量排肥組合的排肥速率、單圈排肥量與轉(zhuǎn)速、排肥口開度的關(guān)系,進(jìn)行了排肥口開度、排肥輪轉(zhuǎn)速、排肥輪傾角3因素的正交試驗(yàn)研究,按照行距0.6m、機(jī)具行走速度6km/h及公頃施量225～675kg的要求,排肥速率1 350～4 050g/min。由于采用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為直流電機(jī),在低速時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩不足,根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得最小穩(wěn)定轉(zhuǎn)速應(yīng)大于10r/min,按照機(jī)具行走速度、每畝施肥量的范圍及試驗(yàn)分析,確定排肥口開度及轉(zhuǎn)速范圍分別為[20,60]mm、[10,60]r/min。試驗(yàn)中裝置工作參數(shù)如表1所示。

表1 排肥裝置參數(shù)范圍

為了達(dá)到精準(zhǔn)施肥的目的,需要對(duì)不同肥料排肥器的排量進(jìn)行測(cè)定[17-21]。試驗(yàn)材料為人元生物技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的濃縮顆粒有機(jī)肥,中鹽安徽紅四方肥業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的復(fù)合肥、尿素,其物理特性如表 2 所示。

表2 3種肥料的物理特性

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí)取某一傾斜角度水平,設(shè)定排肥口大小在[20mm,60mm]5個(gè)水平,每個(gè)水平間隔10mm;排肥轉(zhuǎn)速在[10,60] r/min的6個(gè)水平,每個(gè)水平間隔10r/min。傾斜角度水平選取[15°,55°],每個(gè)水平間隔5°,排肥時(shí)設(shè)定排肥時(shí)間為1min并進(jìn)行稱重。獲取的針對(duì)復(fù)合肥排肥時(shí)轉(zhuǎn)速、排肥輪傾角、排肥口開度對(duì)排肥量的影響如圖5所示。其中,圖5(a)為排肥量與轉(zhuǎn)速、排肥口開度的關(guān)系曲面圖。為更好地觀察排肥角對(duì)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(zhuǎn)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(shì),達(dá)到同一等高趨勢(shì)線需要更高的轉(zhuǎn)速或者排肥口開度,驗(yàn)證了角度對(duì)排肥性能的影響。為了進(jìn)一步明確排肥輪傾角對(duì)排肥量的影響,設(shè)定排肥輪開度45mm、轉(zhuǎn)速40r/min條件,則排肥輪傾角時(shí)排肥量的影響如圖6所示。由圖6可知:在排肥輪傾角達(dá)到38°時(shí)排肥量不再變化,此時(shí)對(duì)排肥量的影響可忽略不計(jì)。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(duì)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(guān),如有機(jī)肥顆粒的自然休止角為24.43°,排肥量穩(wěn)定時(shí)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(yīng)選擇排肥輪安裝角接近肥料的自然休止角。

圖6 排肥輪傾角對(duì)排肥量的影響

根據(jù)肥料的休止角,本研究設(shè)計(jì)排肥輪傾角采用30°。應(yīng)用 MatLab軟件對(duì)該條件下供肥速率進(jìn)行二次多元回歸擬合,得到雙變量排肥排肥口開度和轉(zhuǎn)速與排肥速率的回歸方程為

Q=0.026+0.1067X+0.8933Y+0.00021XY+

0.0015X2+0.0024Y2

(3)

其中,Q為對(duì)控制單元控制模型(g/s);X為排肥口開度(mm);Y為排肥輪轉(zhuǎn)速(r/min)。在一定轉(zhuǎn)速和排肥輪傾角條件下,當(dāng)排肥口開度較小時(shí),排肥量并未隨著排肥口開度的增大線性增長,轉(zhuǎn)速越高,排肥量隨著排肥口開度的增加變化越明顯;同理,在排肥口開度較低時(shí),隨著轉(zhuǎn)速升高排肥量并未顯著增加。為了更明確地分析單一因素對(duì)排肥量的影響,提取了在固定排肥輪角度0°、轉(zhuǎn)速40r/min條件下不同排肥口開度對(duì)排肥量的影響,以及在固定排肥輪傾角0°、排肥口開度35mm條件下不同轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量的影響。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行2次曲線擬合,得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7 排肥口開度、轉(zhuǎn)速對(duì)排肥量的影響

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(zhuǎn)速的升高排肥量呈線性增長,但當(dāng)排肥口開度為30mm、轉(zhuǎn)速增加到50r/min時(shí),排肥量與轉(zhuǎn)速變?yōu)榉蔷€性關(guān)系;當(dāng)轉(zhuǎn)速為40r/min、排肥口開度小于25mm時(shí),排肥量與排肥口開度沒有成線性關(guān)系;當(dāng)排肥口開度增加到25mm后,排肥量與排肥口開度呈線性關(guān)系。由以上分析可知,轉(zhuǎn)速過大或者排肥口過小將會(huì)影響排肥的線性關(guān)系。為了進(jìn)一步分析排肥口開度最小值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系,進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速下排肥口開度對(duì)排肥量的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7(b)可知:當(dāng)排肥口開度增大到一定值后,其對(duì)排肥量的影響呈現(xiàn)穩(wěn)定的線性關(guān)系,不再受轉(zhuǎn)速的影響,因此進(jìn)行了不同目標(biāo)施肥量下的最小排肥口開度值確定試驗(yàn)。同時(shí),高轉(zhuǎn)速的排肥導(dǎo)致充肥性能下降,應(yīng)確定高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最小排肥口開度。實(shí)際排肥過程中,在低排肥量時(shí)若電機(jī)轉(zhuǎn)速低,給出的電流不足易發(fā)生堵轉(zhuǎn),同時(shí)低轉(zhuǎn)速導(dǎo)致排肥脈動(dòng)性明顯,為此需要通過該最低轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)速度較慢,而通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快,因此在調(diào)節(jié)施肥量時(shí)以轉(zhuǎn)速優(yōu)先的式進(jìn)行調(diào)節(jié),分別根據(jù)最小排肥口開度確定了最大轉(zhuǎn)速,根據(jù)最大排肥口開度確定了最小轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同施肥量條件下排肥口、轉(zhuǎn)速的取值范圍

為了便于控制,在排肥時(shí)進(jìn)行分段控制:[40,45]為高施肥量,[25,35]為中施肥量,[15,20]為低施肥量。排肥口開度采取分段固定值以中施肥量為基礎(chǔ),中間施肥量30kg/667m2時(shí)取排肥口開度調(diào)節(jié)范圍的中間值41mm,高施肥量、低施肥量分別按照施肥量中間值42.5kg/667m2和17.5kg/667m2,按照排肥口開度線性關(guān)系計(jì)算分別取58、24mm,在不同施肥量時(shí)以分段固定值為基礎(chǔ),根據(jù)公式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),避免了高轉(zhuǎn)速低開度的動(dòng)力浪費(fèi)及低轉(zhuǎn)速大開度的動(dòng)力不足,保證了線性控制。

4 雙變量控制試驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)采用表2中3種肥料。應(yīng)用自制的角度可調(diào)式施肥試驗(yàn)臺(tái)開展供肥性能試驗(yàn)研究,供肥裝置試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。

1.肥箱 2.機(jī)架 3.編碼器 4.控制器 5.電源 6.電子秤 7.直流電機(jī) 8.排肥盒

在北京市北京農(nóng)業(yè)智能裝備中心實(shí)驗(yàn)室開展了樣機(jī)試驗(yàn),設(shè)定不同的目標(biāo)施肥量,按照每次試驗(yàn)進(jìn)行10次,取10次的平均值作為實(shí)際施肥量,并計(jì)算10次排肥量間的變異系數(shù)。試驗(yàn)采用拖拉機(jī)速度模擬模塊(北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心)能夠產(chǎn)生1～150kHz的頻率信號(hào),每個(gè)目標(biāo)施肥量控制不同車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)中,應(yīng)用 12V 蓄電池提供直流電機(jī)的動(dòng)力源,通過直流電機(jī)調(diào)速器驅(qū)動(dòng)并調(diào)節(jié)排肥輪轉(zhuǎn)速,結(jié)果如表4所示。由表4可知:實(shí)際排肥量的變異系數(shù)平均值為0.493,實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的相對(duì)誤差平均為 3.08%,滿足生產(chǎn)的需要。

表4 雙變量排肥系統(tǒng)排肥穩(wěn)定性

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種角度可調(diào)式排肥試驗(yàn)臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)排肥輪轉(zhuǎn)速、排肥輪角度、排肥口開度3變量的調(diào)節(jié)。通過3變量的排肥量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在同一轉(zhuǎn)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(shì);通過排肥輪傾角影響排肥輪充肥性能,應(yīng)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(zhuǎn)速與排肥量之間的關(guān)系模型。為了利用排肥口開度、排肥輪轉(zhuǎn)速與排肥量之間的線性關(guān)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(shí)驗(yàn)室開展了雙變量控制系統(tǒng)的分段控制樣機(jī)試驗(yàn),結(jié)果表明:實(shí)際排肥量的變異系數(shù)平均值為0.493,實(shí)際施肥量與目標(biāo)施肥量的相對(duì)誤差平均為 3.08%,滿足生產(chǎn)的需要。