风送式集中排肥系统的设计与试验.pdf

中国农业大学学报 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 龚静 郑明武 李芋汶 杨正颖 邹洪宇 郭金岳 邓璇 任万军 胡剑锋 雷小龙 风送式集中排肥系统的设计与试验 J 中国农业大学学报 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 风送式集中排肥系统的设计与试验 李陶1 龚静1 郑明武1 李芋汶1 杨正颖1 邹洪宇1 郭金岳1 邓璇1 任万军2 胡剑锋3 雷小龙1 2 1 四川农业大学机电学院 四川雅安6 2 5 0 1 4 2 四川农业大学作物生理生态及栽培四川省重点实验室 成都6 1 1 1 3 0 3 四川天府新区乡村振兴研究院 成都6 1 0 2 1 3 摘 要 针对外槽轮排肥装置施肥作业均匀性不高的问题 设计一种风送式集中排肥装置及同步施肥控制系统 通过台架试验比较直槽 交错槽和螺旋槽3种排肥轮结构的排肥性能 并建立排肥轮转速与排肥速率的线性回归 方程 基于北斗 G P S系统和限幅平均滤波算法提高行驶速度的监测精度 并据此开发施肥控制系统 结果表明 1 排肥轮转速为1 0 6 0 r m i n时 螺旋槽结构排肥轮具有较好的排肥性能 排肥量稳定性变异系数和各行排肥量 一致性变异系数分别为0 1 5 和1 5 7 排肥量均匀性变异系数 4 2 排肥轮转速 6 0 r m i n时 施肥控制系 统的施肥调整响应时间 9 5 该风送式集中排肥装置及施肥控制系统可以实现同步 精量和均匀施肥作业 关键词 颗粒化肥 风送式集中排肥装置 螺旋槽排肥轮 同步施肥控制系统 排肥性能 中图分类号 S 2 2 3 2 3 文章编号 1 0 0 7 4 3 3 3 2 0 2 3 0 6 0 2 0 6 1 3 文献标志码 A 收稿日期 2 0 2 2 0 8 1 5 基金项目 四川天府新区乡村振兴研究院揭榜挂帅项目 X Z Y 1 1 1 国家重点研发计划 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 硕士研究生 E m a i l 6 6 8 2 9 9 l i t a o g m a i l c o m 通讯作者 雷小龙 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 主要从事油稻种植技术与装备研究 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 风送式集中排肥系统的设计与试验 centralizedfertilizationdeviceandfertilizerapplicationcontrolsystem K e y w o r d s granularfertilizer air assistedcentralizedfertilizationdevice spiralgroovefertilizationwheel synchronouscontrolsystem fertilizationperformance 化肥是重要的农业生产资料 施用化肥已成为 许多国家提高粮食产量的重要手段之一 1 2 施肥 作业过程存在施用量大且分布不均匀 造成环境污 染 化肥利用率低等问题 严重制约了农业绿色可持 续发展 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径 设计性能优良的排肥装 置与控制系统是保证排肥精确的关键 6 外槽轮式排肥器具有结构简单 成本低廉和维 护方便等优点 是国内外广泛应用的施肥装置 7 为实现精量 均匀排肥 已有研究采用优化设计外槽 轮排肥器结构或提升控制系统性能的方式来实 现 8 1 1 针辊式排肥轮通过增加排肥轮转速可以提 高排肥量均匀性 1 2 双齿轮结构的排肥器提高排肥 均匀性 并通过调节排肥轮的转速精确调整排肥 量 1 3 以交错直齿式排肥轮为供肥关键部件与气力 输送分配相结合 满足施肥量要求且具备较好的均 匀性 1 4 倾斜螺旋状型孔结构有利于充肥和排肥 具有较好的各行排肥量一致性和排肥均匀度 1 5 1 6 长江中下游地区土壤含水率高 地轮驱动施肥适应 性较差 一般采用主动施肥方式 需设计施肥量随前 进速度变化而自动调整的同步施肥控制系统 1 7 1 8 为实现与作业速度同步实时控制施肥量 A l a m e e n 等 1 9 设计的双变量施肥试验台 可以通过气缸调 节排肥器开度 精准 稳定并快速地控制排肥量 基于C A N总线通讯技术与G N S S系统设计了双 变量施肥控制系统 利用G N S S系统获取准确定 位信息 并通过电机与推杆实时同步控制施肥量 可实现精准变量的施肥作业 2 0 赵学观等 2 1 提出 北斗单点测速与地轮测速结合的双测速模式 提 高了玉米追肥机控制系统的测速精度和可靠性 综上 通过优化排肥器结构可提高排肥精确度和 均匀性 G P S系统应用于施肥控制系统可实现同 步控制施肥量 但排肥均匀性和准确度需进一步 研究 本研究拟设计一种采用 集中排肥 风送输肥 方式的风送式集中排肥装置 并开发同步施肥控制 系统 设计直槽 交错槽与螺旋槽排肥轮 通过台架 试验优选排肥轮 建立风送式集中排肥装置的排肥 轮转速 排肥速率线性回归方程模型 根据北斗 G P S系统监测的行驶速度实时调节施肥量 以期为 排肥系统设计与性能提升提供参考 1 风送式集中排肥系统结构与工作原理 1 1 风送式集中排肥系统结构 本研究所设计的风送式集中排肥系统由排肥装 置 风送输肥装置和施肥控制系统组成 图1 其中 1 外壳 2 同步齿形带 3 同步轮 4 肥料箱 5 风机 6 导肥管 7 控制器 8 输肥管 9 触摸屏 1 0 柱形光电开关 1 1 北斗 G P S 测速模块 1 2 排肥轮 1 3 气固混合腔 1 4 搅肥轴 1 5 排肥轴 1 6 平口排肥舌 1 7 排肥支撑座体 1 8 电机 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 图1 风送式集中排肥系统三维图 a 和截面图 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 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 排肥装置包括肥料箱 外壳 电机 排肥轮 搅肥轴和 平口排肥舌等 风送输肥装置主要由风机 导肥管和 输肥管组成 施肥控制系统的触摸屏 北斗 G P S 测速模块等接入控制器 排肥装置的排肥轮与空白 轮交错排列安装排肥轴上 排肥轮与排肥支撑座体 之间形成一个独立区域 搅肥轴位于排肥轮侧上方 电机驱动搅肥轴 排肥轴转动 促进颗粒化肥流动 性 排肥轮转动带动并在平口排肥舌共同作用下强 制排肥到气固混合腔 风送输肥装置采用6个风机 为气固混合腔分别提供风力 实现6行输送排肥 施肥控制系统通过北斗 G P S测速模块检测作业 速度 并控制电机转速 从而实现同步排肥 1 2 工作原理 风送式集中排肥系统工作时 启动施肥控制系 统 校准排肥量后在触摸屏上设定施肥量 作业幅宽 等参数 启动风机 农机的动力机械抬升臂放下触发 柱形光电开关传感器 排肥电机转速根据北斗 G P S测速模块测量的作业速度进行调节 电机驱 动排肥轮与搅肥轴转动 颗粒化肥在搅肥轴与重力 的作用下进入到排肥轮凹槽内 通过排肥轮转动强 制排入气固混合腔 风送输肥装置利用高速气流在 气固混合腔产生文丘里效应 颗粒化肥在气流与重 力的作用下输送至输肥管道 完成排肥过程 2 关键部件设计 2 1 排肥轮设计 集中排肥装置的关键部件是排肥轮 为提高排 肥均匀性 降低排肥脉动现象 设计螺旋槽排肥轮结 构参数 并与直槽 交错槽排肥轮进行对比试验 由 排肥器工作原理可知 集中排肥装置单个排肥轮每 转的排肥量Q0是强制层排肥量Q1与带动层排肥 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为单个排肥轮每转的排肥量 g r 为凹槽 内颗粒化肥的填充系数 本研究取0 8 Z为排肥轮 每周槽数 个 l为排肥轮有效工作长度 m m 为颗 粒化肥容重 k g m 3 S为单个凹槽截面积 m m 2 R 为排肥轮半径 m m 为带动层的特性系数 本研究 取0 3 本研究设计的螺旋槽排肥轮为圆弧形凹槽 螺 旋槽排肥轮的端面局部和回转面投影见图2 O0为排肥轮的轴心 O1为凹槽的轴心 且在排肥轮圆周上 r为凹槽半径 A与B点为凹槽在排肥轮圆周上的 截面起始 终止点 为单个凹槽在排肥轮上的圆心角 R为排肥轮半径 l为排肥轮的有效工作长度 为螺旋凹槽 在排肥轮圆周上的螺旋升角 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 图2 螺旋槽排肥轮的端面局部视图 a 和回转面投影 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 风送式集中排肥系统的设计与试验 由图2 a 可知 排肥轮单个凹槽截面积S为扇 形O0AB面积S1与三角形O0AB面积S2的差加上 扇形O1AB面积S3与三角形O1AB面积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为单个凹槽截面积 m m 2 r为凹槽半径 m m 为单个凹槽在排肥轮上的圆心角 为保证螺旋槽排肥轮相邻两凹槽首尾相接 螺 旋升角 应满足 a r c t a nl2 R Z 5 集中排肥装置的供肥速率Qm与农艺要求的施 肥速率Qs分别为 Qm Q0Nn 6 Qs 6QtMv 7 式中 Qm为集中排肥装置的供肥速率 g m i n Qs为 农艺要求的施肥速率 g m i n Qt为农艺要求的单位 面积理论施肥量 k g h m 2 N为排肥轮数量 个 n 为排肥轮转速 r m i n M为施肥作业幅宽 m v为 施肥作业速度 m s 由式 6 和 7 可知 集中排肥装置的供肥速率 Qm与农艺要求的施肥速率Qs相等 则 Qt Q0Nn6Mv 8 综上 供肥速率与排肥轮直径 槽数 凹槽容积 和转速密切相关 当供肥速率相同时 排肥轮槽数 随着直径的减小而减少 排肥均匀性变差 为满足施 肥量的调节范围 通过改变排肥轮转速调节排肥速 率 但排肥轮转速过高会降低充肥时间 颗粒化肥无 法及时充满凹槽 影响排肥性能 2 2 2 4 根据农艺施 肥量及排肥性能要求 确定直槽 交错槽和螺旋槽排 肥轮的直径为6 0 m m 圆弧形凹槽半径为6 m m 排 肥轮有效工作长度为3 0 m m 在保证槽轮齿脊强 度与排肥均匀性的条件下 槽数为8 1 5 本研究 取槽数为1 2个 螺旋槽与直槽 交错槽排肥轮区 别在凹槽排布 图3 螺旋槽排肥轮的凹槽呈螺旋 排布 螺旋升角为6 2 4 直槽排肥轮的轴心线与 凹槽轴心线平行 交错槽排肥轮左右凹槽交错0 5 个周期 O0为排肥轮的轴心 O1为凹槽的轴心 O2为相邻凹槽的轴心 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 图3 直槽 a 交错槽 b 和螺旋槽 c 排肥轮 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 风送输肥系统设计 风送输肥系统主要参数设计包括输送气流速 度 输送风量 输送管内径和风机的选型 输肥管内 输送气流速度vs的计算公式 2 5 为 vs kp p1 0 0 0 kdL 9 902 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 式中 vs为输肥管内输送气流速度 m s kp为颗粒 尺寸系数 一般为1 6 2 0 p为颗粒密度 k g m 3 kd 为颗粒性质系数 一般为2 1 0 5 5 1 0 5 L为 输肥管长度 m 化肥的颗粒直径一般为2 4 m m 颗粒化肥的 密度为9 0 0 1 4 0 0 k g m 3 输肥管长度约2 m 颗粒 性质系数对输送气流速度影响甚微 忽略不计 气流 速度为满足多数颗粒化肥的使用 根据化肥的最大 颗粒直径和最大化肥密度 取颗粒尺寸系数为1 6 化肥密度取1 4 0 0 k g m 3 则输肥管内输送气流速 度理论值为1 8 9 3 m s 考虑到田间作业工况恶劣 实际输肥管内输送气流速度应达到2 1 m s 长江 流域油菜等作物播种的作业速度一般为3 5 k m h 作业幅宽1 8 m 按照作业效率0 9 h m 2 h 施肥量按照6 0 0 k g h m 2计算 输肥系统输送率W 为5 4 0 k g h 为保证颗粒化肥在输肥管路中顺利 输送而不被堵塞 选定单位时间肥料质量与气流质 量的混合比c为1 2 2 6 表达式为 c GpG s 1 0 其中 Gp W3 6 0 0 Gs N svsd 2 0 4 1 1 式中 Gp为输肥管内肥料流量 k g h Gs为输肥管 内空气流量 k g h W为输肥系统输送率 k g h s为空气密度 取1 2 k g m 3 d0为输肥管内径 m m 根据式 1 1 可知 输肥管内径d0和输送流量 Qs分别为 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 选用3 2 m m内径的输肥管 风机输送流量应大于3 7 5 m 3 h 根据风送输肥系统 对风速与风量的要求 选用调速风机台达 B F B 1 0 1 2 E H F 0 0 工作电压D C 1 2 V 额定功率 3 6 W 风量7 8 2 m 3 h 风送输肥系统使用风机数 量为6个 2 3 同步施肥控制系统设计 2 3 1 硬件设计 施肥控制系统依托动力机械的1 2 V直流电 源 设有1 2 2 4 V的升压器 采用T K 6 0 7 1 I Q触 摸屏 该触摸屏通过R S 4 8 5与控制器串口通讯 图4 触摸屏设置初始参数及校准后 作业机具 放下时触发安装在机具抬升臂上的E 3 F D S 3 0 C 4 柱形光电开关 进入工作状态 北斗 G P S测速模 块获取作业速度并传输至C X 3 G 1 6 M T控制器 1 1 2 V直流电源 2 升压器 3控制器 4 触摸屏 5 北斗 G P S测速模块 6 柱形光电开 关 7 卧式光电开关 8 风机 9 闭环步进电机驱动器 1 0 闭环步进电机 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 图4 施肥控制系统原理及组成 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 风送式集中排肥系统的设计与试验 C o o l m a y公司 经过数据分析处理后发送脉冲信 号至闭环步进电机驱动器 调整闭环步进电机 型号 为8 6 E B P 1 4 7 A L C T K 0 转速带动排肥轮工作 以实 现同步控制排肥量 在排肥过程中 6个风机转速随 排肥速率实时调整 施肥控制系统使用7个 P U F D 5 B L卧式光电开关 分别对肥料箱低余量 输肥管堵塞进行监测 若在工作过程中 出现肥料箱 缺肥 输肥管堵塞和电机故障等意外状况 将触发报 警信号并反馈至触摸屏 施肥控制系统工作流程见 图5 图5 施肥控制系统工作流程 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 施肥控制系统选用的北斗 G P S测速模块型 号是A T K 1 2 1 8 B D 通讯速率为2 0 H z 对地速度精 度Ae 1 4 式中 Yk为本次限幅滤波后采集的速度最终值 Xk 为当前速度采集值 Xk 1为上一时刻速度采集值 Ae为限幅滤波最大速度误差值 由式 1 4 可知 若 当前速度采集值与上一时刻速度采集值之差 限幅 滤波最大速度误差值时 则当前速度采集值为本次 采集的速度最终值 否则当前速度采集值被定义为 异常信号 则将上一时刻速度采集值赋值到本次采 集的速度最终值 采用型号为B W T 9 0 1 B L E 5 0的 加速度计测量平坦路面上作业时的加速度 获得加 速度峰值为4 6 4 m s 2 经换算后可用于限幅滤波 最大速度误差 当北斗 G P S模块输出的对地速 度经过限幅滤波剔除异常信号后 进行递推平均值 滤波 3 0 表达式为 vm 1T T 1 i 0 Yk i 1 5 式中 T为采样个数 本研究取1 0 vm为第k次采集 滤波后的速度输出值 m s 由式 6 可知 集中排肥装置的供肥速率Qm随 着排肥轮转速n的增加而提高 且已有研究表明排 112 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 肥速率与排肥轮转速有良好的线性关系 1 5 1 6 则排 肥速率与排肥轮转速的线性函数表达式为 Qm Asn Bi 1 6 式中 As为斜率 Bi为截距 在施肥控制系统中 经滤波处理后的速度输出 值vm等于施肥作业速度v 即vm v 且集中排肥装 置的供肥速率Qm应等于农艺要求的施肥速率Qs 则由式 7 与式 1 6 可知施肥控制系统的目标转 速为 n 6QtMvm BiA s vm 0 1 7 2 3 3 人机交互界面 施肥控制系统通过T K 6 0 7 1 I Q触摸屏 W E I N V I E W公司 进行人机交互 利用R S 4 8 5串 口通讯协议与控制器通讯 使用软件E a s y B u i l d e r P r o设计了人机交互界面 包括初始设置和运行监 测2个界面 图6 初始设置界面设置幅宽 单位 面积理论施肥量 施肥控制系统引用校准值以适应 不同的颗粒化肥 执行校准程序时 排肥电机以 6 0 r m i n的转速运行1 0 s 将所排出肥料的总重量 输入至校准值中完成校准 运行监测页面可对作业 参数信息实时监测 当监测到运行故障时界面内指 示灯闪烁报警提示 图6 初始设置 a 和运行监测 b 的人机交互界面 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 性能试验与分析 3 1 试验材料及方法 3 1 1 排肥装置性能试验 选用中化化肥为供试颗粒化肥 氮 磷 钾质 量比为1 5 1 5 1 5 参照N Y T 1 0 0 3 2 0 0 6 施肥机械质量评价技术规范 3 1 开展台架试 验 对比直槽 交错槽和螺旋槽排肥轮的排肥性 能 排肥性能评价指标包括各行排肥量一致性 排肥量稳定性与排肥量均匀性的变异系数 排 肥轮转速设置为1 0 6 0 r m i n 增量为1 0 r m i n 试验时间为6 0 s 重复5次 分别收集各排肥口的 肥料进行称重 并计算各行排肥量一致性与排肥 量稳定性变异系数 采用具有R S 2 3 2通讯口功能 的电子秤对各排肥口进行动态称重 3 2 电子秤的 通讯速率为1 5 0 2 0 0 m s 实时记录6 0 s的排肥流 量变化 并综合计算6行的总排肥量均匀性变异 系数 3 1 2 控制系统性能试验 为验证施肥控制系统的性能利用排肥动态试验 台架 图7 开展施肥控制系统的施肥流量调整的 响应时间 施肥量准确率试验 并检验排肥系统对不 同化肥的适应性 参照G B T 3 5 4 8 7 2 0 1 7 变量 施肥播种控制系统 3 3 等相关实验方法 选取中化 化肥 设置排肥目标转速为2 0 4 0和6 0 r m i n 开展 施肥流量调整的响应时间试验 施肥控制系统从初 始转速0 r m i n增至目标转速 重复3次 获取静止 状态至理论施肥流量调整的响应时间 选取中化化 肥开展施肥量准确率的田间试验 并选取汉枫缓释 掺混肥料与美丰比利夫复合肥验证风送式集中排肥 系统适应性 其中汉枫和美丰肥料的氮 磷 钾质量 比分别为3 0 6 1 2 2 2 9 9 将风送式集中排肥 装置安装于插秧机上 并在输肥管口处设置收集容 器 幅宽为1 8 m 作业速度保持在4 6 k m h行 驶 依次设定施肥量为3 0 0 4 5 0和6 0 0 k g h m 2 行 进2 0 m后停止排肥 重复3次并称取排肥量 212 第6期李陶等 风送式集中排肥系统的设计与试验 1 肥料箱 2 数据采集端 3 可通讯电子秤 4 肥料收集容器 5 控制器 6 集中排肥装置 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 图7 排肥动态试验台架 F i g 7 D y n a m i c t e s t b e n c h 3 2 结果及分析 3 2 1 凹槽结构对排肥性能的影响 3种排肥轮结构的排肥轮转速与排肥量拟合方 程决定系数R2 0 9 9 9 图8 表明排肥轮转速与排 肥速率呈良好的线性关系 排肥轮转速为1 0 6 0 r m i n时 随着排肥轮转速 图8 转速与排肥量的关系 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 不同结构的排肥轮各行排肥量一致性变异 系数均呈降低趋势 各行排肥量一致性变异系数最 大值为2 6 7 图9 相同转速下 各行排肥量一致 性变异系数关系总体表现为 交错槽排肥轮 螺旋 槽排肥轮交错槽 直槽 综合评价各行排肥量一致性变异系数 排肥量 稳定性变异系数及排肥量均匀性变异系数 根据精 量施肥要求 赋予各项性能指标权重 得到性能评价 312 中国农业大学学报2 0 2 3年第2 8卷 表1 不同排肥轮结构和转速下的排肥均匀性能 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 转速 r m i n S p e e d 排肥轮结构 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 同行排肥量均匀性变异系数 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 总排肥均匀性 变异系数 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交错槽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交错槽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交错槽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