水稻直播機氣流式施肥監測系統設計與試驗

曾 山，魏斯龍，廖明銘，曾 力，陳海波

水稻直播機氣流式施肥監測系統設計與試驗

曾 山1，魏斯龍1，廖明銘1，曾 力1，陳海波2※

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642；2. 華南農業大學基礎實驗與實踐訓練中心，廣州 510642）

針對水稻直播機施肥裝置施肥過程中易堵塞及無法及時報警的問題，結合南方水稻直播施肥的農藝要求，該研究設計了一種水稻直播機氣流式施肥監測系統，可以在施肥裝置出現管道堵塞后進行報警提示。首先，對氣流式施肥監測系統的整體結構進行設計。然后，對關鍵部件氣流分流管道建立仿真模型，采用Fluent和Rocky軟件進行氣固耦合仿真試驗，以肥料顆粒的動能變化量為指標，對氣流分流管道的防堵性能進行試驗，仿真試驗結果表明，當氣流分流管道進氣口施加800 Pa氣流時，肥料顆粒的動能提高了39.7%。最后，采用Box-Behnken響應面試驗設計方法進行臺架靜態試驗，以堵塞報警準確率為評價指標，得出較優工作參數為氣流分流管道內徑28 mm，進氣口氣壓值700 Pa，施肥速率20 g/s；以較優參數進行田間試驗，結果表明，堵塞報警準確率均大于90.0%，最高達96.7%；裝置工作穩定性好，未出現裝置失靈情況，可滿足水稻施肥裝置堵塞監測準確率要求。該研究可為水稻施肥堵塞報警監測提供參考。

設計；試驗；水稻直播機；施肥監測；Fluent-Rocky耦合

0 引 言

中國是世界上最大的水稻生產和消費國之一[1]，化肥對水稻的增產率達40%～60%[2-3]，但傳統的撒肥方式均勻性差，且肥料利用率低，導致生態環境的污染，不利于農業的可持續發展[4-6]。水稻側深施肥技術可以準確控制施肥量，提高肥料利用率，實現化肥減量增效，促進農業綠色發展，目前已成為水稻的主要施肥方式[7-9]。側深施肥方式是在水稻直播或者插秧階段使用施肥機械一次性將肥料施放在水稻側方位置，該施肥方式可以保證水稻生長期的養分需求，其肥料利用率相對傳統施肥方式提高20%～30%[10]。但是田間側深施肥作業時，由于田間環境復雜，或者肥料在吸水受潮后易發生堵塞現象，造成漏施，使作物缺肥[11-12]。因此亟需研究水稻施肥防堵塞新技術及新設備以解決施肥易堵塞及堵塞后無法及時發現的問題。

近年，國外學者對施肥防堵問題開展了相關研究，國內在這方面的研究尚處于初級階段，對施肥狀態監測裝置的研究也相對較少，熊文江[13]設計了螺旋式強制側深施肥裝置，采用螺旋絞龍結構，可防止施肥管道出現堵塞現象，但肥料破損嚴重；王金峰等[14-15]設計了葉片調節式和圓盤頂出式水田側深施肥裝置，解決了施肥均勻性低和輸肥管路及排肥器易堵塞等問題;曾山等[16]研制了水稻直播機氣流式分層施肥裝置，采用文丘里管道并利用風機實現氣流式輸肥，減少了施肥系統出現管道堵塞的概率；周利明[17]等設計了一種基于電容法的施肥量檢測系統，能準確測量施肥量，并能夠識別管路堵塞故障；陳幸等[18]研制了玉米免耕變量施肥播種機作業質量監控系統；趙立新等[19]研制了一種基于變距光電傳感器的小麥精播施肥一體機監測系統，可以判斷施肥裝置正常、堵塞、缺失和漏施等運行狀態，實現播種施肥一體機作業過程的實時監測。以上施肥監測裝置工作時均利用傳感器與肥料顆粒直接接觸，雖然監測準確率高（均達90%以上），但傳感器易受肥料粉塵或者潮濕影響，存在監測準確率下降或者監測失靈的缺點[20]，無法長時間穩定工作。國外，日本洋馬、久保田和井關三大農機公司研制的水稻插秧機同步側深施肥裝置，均采用氣流強制輸肥，實現施肥系統防堵[21-23]；歐美國家主要以旱地作物為主，多采用氣流式集排輸肥裝置[24]，美國John Deere公司研制了一種氣力式變量施肥播種機，配備有播種施肥監測傳感器,能夠對播種施肥的管路故障進行識別。

為此，本文提出一種利用氣流的間接監測方式，施肥監測時可避免肥料顆粒粉塵和潮濕影響，保證工作穩定性，并通過樣機試驗對其監測準確率展開試驗研究，確定最優工作參數，以期為水稻施肥防堵及監測技術研究提供理論依據和參考。

1 氣流式施肥監測系統結構及工作原理

1.1 系統結構

氣流式施肥監測系統與2BHD-10型水稻旱直播機配套使用，其整體結構如圖1a所示。整機結構包括肥料箱、排肥器、排肥管道、氣流變化反饋裝置、開溝器、機架、三點懸掛機構、氣泵箱和控制箱等。其中氣流式施肥監測系統結構圖如圖1b所示。

1.肥料箱 2.排肥器 3.氣泵 4.進氣管道 5.開溝器 6.氣流分流管道 7.出氣管道 8.浮子 9.空心硬管 10.安裝支架 11.激光測距傳感器 12.排肥管道 13.氣流變化反饋裝置 14.機架 15.三點懸掛機構 16.控制箱

1.2 工作原理

根據圖1b所示結構，排肥器工作時，肥料從排肥器排出后在重力作用下進入排肥管道，氣流通過進氣管道進入氣流分流管道，在肥料經過氣流分流管道時，氣流與肥料混合，肥料在氣流和重力的雙重作用下進入施肥溝內，由覆土盤進行覆土；同時氣流分流管道設置有出氣口，出氣口通過出氣管道連接氣流變化反饋裝置，該裝置由圖中出氣管道、空心硬管、浮子、激光測距傳感器和安裝支架等組成；當氣流分流管道或者下端的排肥管道出現堵塞時，通過出氣管道的氣流速度會增大，導致空心硬管內的浮子向上運動，激光測距傳感器監測到浮子位置變化后，裝置將進行報警，從而實現施肥管道的堵塞監測報警功能。

1.3 主要技術參數

水稻直播機氣流式施肥監測系統主要技術參數如表1所示。采取條帶狀施肥方式。

表1 氣流式施肥監測系統技術參數

2 氣流式施肥監測系統設計

2.1 氣流分流管道設計

2.1.1 氣流分流管道結構及其工作原理

氣流分流管道結構如圖2所示，圖2a為結構示意圖，圖2b為剖視圖；主要包括管道外殼、進氣口、排肥口和出氣口等，氣流通過PV軟管進入氣流分流管道的進氣口內，其中一部分氣流通過射流的形式進入施肥管道的內部；另一部分氣流通過環形通道進入出氣口處，出氣口與氣流變化反饋裝置相連接。工作過程中，肥料顆粒由排肥器排出后，從氣流分流管道的上端進入，與氣流混合形成氣肥混合流，使肥料顆粒在氣流和重力的雙重作用下從排肥口排出，可以有效防止肥料在排肥過程中出現堵塞。

1.管道外殼2.進氣口3.排肥口4.出氣口

1. Pipe shell 2. Air inlet 3. Fertilizer discharge 4. Air outlet

注：為氣流分流管道內徑，mm；1為氣流分流管道進氣口內徑，mm；2為氣流分流管道出氣口內徑，mm。

Note:is the inner diameter of the air distribution duct, mm;1is the inner diameter of the air inlet of the air distribution duct, mm;2is the inner diameter of the air outlet of the air distribution duct, mm.

圖2 氣流分流管道結構示意圖及剖視圖

Fig.2 Structure schematic and cutaway view of the air flow diversion pipe

2.1.2 氣流分流管道結構參數分析

氣流分流管道是氣流式施肥監測裝置的核心部件之一，主要有兩個作用，第一是利用氣流與肥料顆粒混合，進行氣流輸肥，有效防止堵塞；第二是通過氣流分流管道的出氣口連接氣流變化反饋裝置，在施肥管道出現堵塞后通過氣流變化反饋裝置進行監測報警。因此氣流分流管道內部的氣流分布對作業性能有重要影響，由圖2可知，影響其氣流狀態的結構參數有氣流分流管道內徑，進氣口內徑1，出氣口內徑2和進氣口氣壓值1。

施肥裝置的施肥速率s滿足[17]

由式（1）可知，氣流分流管道內徑應滿足

根據農藝要求，水稻的施肥量為150～900 kg/hm2，選取最大施肥量900 kg/hm2，機具作業速度取1.5 m/s，施肥裝置的作業幅寬根據設計尺寸確定為=2.6 m，顆粒肥料選用的是挪威雅苒顆粒狀復合肥，經測量其堆積密度為845 kg/m3，肥料填充系數取0.3，設計的施肥行數為5。將上述參數代入式（2）可得≥18.8 mm，考慮到18.8 mm為理論上滿足施肥要求的直徑，實際為了提高施肥管道的工作通暢性，在尺寸上應保留一定的余量，選取20%，因此內徑≥22.6 mm。分流管道內徑暫選24、28和32 mm三個值，后續通過試驗確定性能較優的參數。

氣流分流管道的進氣口和出氣口均通過PV軟管進行連接，其中PV軟管為標準件，常見的內徑規格有6、8和10 mm，本研究選用內徑為8 mm的軟管，因此氣流分流管道的進氣口內徑1和出氣口內徑2確定為8 mm。

2.2 氣流變化反饋裝置設計

2.2.1 氣流變化反饋裝置結構及其工作原理

氣流變化反饋裝置結構圖如圖3所示，主要包括安裝支架、浮子、空心硬管和激光測距傳感器等。氣流變化反饋裝置的支架安裝在施肥播種機的機架上。空心硬管豎直安裝，浮子位于其內部，而激光測距傳感器位于其上端，且空心硬管上端與大氣壓連通。空心硬管的下端通過PV軟管與氣流分流管道的出氣口相連通，氣流變化反饋裝置在工作過程中，激光測距傳感器可實時測出浮子的位置，若氣流分流管道出氣口的氣流速度變大，則空心硬管內浮子的位置將發生變化，此時激光測距傳感器就會監測到浮子的位置改變而后報警提示。

圖3 氣流變化反饋裝置結構示意圖

2.2.2 氣流變化反饋裝置參數分析

氣流變化反饋裝置是氣流式施肥監測裝置的核心部件之一，其中浮子的運動情況是該裝置的一個關鍵因素，浮子的受力情況如圖4所示。

注：G為浮子的重力，N；Ff為浮子與空心硬管之間的摩擦力，N；F1, F2, …, Fn為氣流對浮子的作用力，N。

由圖4可知，浮子在保持平衡時，其所受力滿足[25]：

浮子靜止時，由于浮子與空心硬管之間沒有相對運動，所以摩擦力f為0；在浮子運動時，由于空心硬管內表面光滑，且與浮子之間存在微小間隙，因此摩擦力f接近于可零忽略不計。由式（3）～（4）可知，浮子的運動情況取決于平均速度1的大小，要使浮子在空心硬管內保持靜止，并位于空心硬管最下端，平均速度1應滿足

為保證浮子在空心硬管內上升運動，1應滿足

根據裝置尺寸，浮子的水平截面半徑3為0.006 m，浮子質量約為0.7 g，即=0.007 N，氣體的密度選取1=1.29 kg/m3，將參數代入式（5）～（6）可得：平均速度1≤9.8 m/s時，浮子在空心硬管內保持靜止；平均速度1＞9.8 m/s時，浮子在空心硬管內出現上升運動。

2.3 系統參數標定試驗

在該裝置中，氣泵提供的氣流氣壓值，以及在氣流分流管道內部和出氣口的氣流速度大小對裝置的性能都有重要影響，因此通過標定試驗，測量并分析各因素的變化關系。試驗器材包括臺冠機電公司的ML-601氣泵（氣壓范圍：0～800 kPa，功率：600 W）；壓力調節閥，鑫思特公司生產的HT-1891數字壓力表（精度：0.01 kPa，量程：?34～34 kPa，）；泰克曼公司的TM-856 風速測量儀（精度：0.01 m/s，量程：0.3～45 m/s）；PV軟管等。

測量時將氣泵的輸出端連接至氣流分流管道的進氣口端，壓力調節閥用于調節氣泵的輸出氣流壓力值，數字壓力表測量氣流分流管道的進氣口的氣流壓力值，通過調節壓力調節閥控制進氣口的氣流壓力值1，選取壓力值范圍為200～1 300 Pa，梯度為100 Pa；分別測出氣流分流管道內部和出氣口的平均氣流速度大小，其測量結果如圖5所示。施肥管道未出現堵塞時，氣流變化反饋裝置應不報警提示，此時氣流變化反饋裝置中浮子位于空心硬管最下端，前面計算得氣流平均速度1≤9.8 m/s，考慮氣流平均速度不完全穩定，會出現10%大小的波動，故結合圖5中出氣口處氣流平均速度的變化曲線，可得氣流壓力值應小于1 000 Pa，后續通過試驗分析，確定較優參數。

圖5 氣流分流管道內部和出氣口處的平均氣流速度隨氣流壓力值的變化

3 參數優化

3.1 仿真分析

3.1.1 仿真方法和參數設置

為探明氣流對肥料顆粒的影響，采用計算流體力學和離散元法研究肥料顆粒的運動狀態，選用ANSYS Fluent 2020R1和Rocky 4.4仿真軟件進行計算，并對該排肥過程進行模擬。首先，對肥料顆粒的物理參數進行測量，顆粒肥料選用的是挪威雅苒顆粒狀復合肥，經測量，其粒徑分布在1.5～4 mm內的比例大于90%，球型率大于0.9，堆積密度為845 kg/m3，密度為1 635 kg/m3。仿真的相關參數設置如表2所示[26-27]。

表2 仿真模型參數設置表

第一組仿真試驗不考慮氣流的影響，查看肥料顆粒不受氣流影響正常排肥時的動能變化情況。采用Rocky軟件單獨計算。選用內徑為28 mm的氣流分流管道，先將STL模型導入Rocky軟件中，在氣流分流管道上端入口處設立顆粒入口，顆粒相關參數按照表2進行設置，設置肥料顆粒生成速度為25 g/s，生成時間為0.5 s，顆粒初始速度為1.5 m/s，顆粒運動遵循牛頓第二定律，總仿真時間設為0.5 s，每0.005 s保存一次數據。

第二組仿真試驗考慮氣流的影響，查看肥料顆粒在存在氣流作用下排肥時的動能變化情況。采用Fluent軟件和Rocky軟件耦合計算，同樣選用內徑為28 mm的氣流分流管道，先將IGS模型導入ANSYS軟件中，導出計算流體域，對流體域劃分網格，之后導入Fluent軟件中進行流體計算，設置穩態計算方式，流體采用空氣，邊界條件設置進氣口為壓力入口，其壓力值為800 Pa，計算直到結果收斂停止；最后將結果保存為CAS文件導入Rocky中進行離散元仿真計算，其中肥料顆粒相關設置與第一組仿真試驗一樣，總仿真時間設為0.5 s，每0.005 s保存一次數據。

3.1.2 肥料顆粒動能變化結果分析

式中V為所有顆粒的平均速度，m/s；m為第個顆粒的質量，kg；V為第個顆粒的速度，m/s；為肥料顆粒的總數量。

所有顆粒的平均速度V隨時間的變化曲線如圖6所示，由圖可知，未施加氣流時，排肥口處肥料顆粒的平均速度在2.2 m/s左右，施加氣流后，排肥口處肥料顆粒的平均速度提高到2.6 m/s左右，肥料顆粒的動能可以通過式（8）進行計算。

因此肥料顆粒的動能變化量可以通過式（9）計算得出：

式中Δ為施加氣流前后顆粒動能變化量，%；1為未施加氣流的顆粒動能，J；2為施加氣流后顆粒動能，J。

圖6 顆粒平均速度隨時間的變化曲線

將肥料顆粒的平均速度V代入式（8）～（9）可得：肥料顆粒的動能相比未施加氣流時提高了約39.7%，說明氣流能夠一定程度提高肥料顆粒的動能，有效防止施肥管道出現堵塞。

3.1.3 氣流分流管道的氣流壓力和速度分布情況

氣流分流管道中氣流壓力及氣流速度會對肥料顆粒的運動產生影響，從而影響施肥裝置的防堵性能。在本文第2節中選取了3種內徑不同的氣流分流管道，分別是24、28和32 mm，為對比3種氣流分流管道中氣流壓力及氣流速度分布情況，暫選取進氣口壓力值1為800 Pa，對氣流分流管道仿真模型進行流體力學仿真，采用ANSYS Fluent軟件進行三維仿真，設置穩態計算方式，流體采用空氣，邊界條件設置進氣口為壓力入口，計算結果如圖7和圖8所示。

注：各小圖題名后的值表示氣流分流管道的內徑。

注：各小圖題名后的值為氣流分流管道的內徑。

仿真結果表明，不同內徑的氣流分流管道的氣流速度和壓力分布存在一些差別。由圖7可以看出，內徑24和28 mm的結構在管道上半部分存在一個向下的氣流速度，該氣流速度可以和肥料顆粒混合形成氣固兩相流，輔助肥料顆粒排放從而提高施肥管道通暢性，而內徑為32 mm的結構中該氣流速度較小，且在出氣口的氣流速度偏大，達8～12 m/s,容易觸發氣流變化反饋裝置，導致誤監測報警，內徑為28和24 mm的結構中出氣口氣流速度較為合適，在4～8 m/s范圍內；在氣流速度均勻性方面，內徑為28 mm的結構要相對優于內徑為24和32 mm的結構，有利于肥料顆粒的均勻排放。由圖8可以看出，內徑為24 mm結構的出氣口處壓降為大氣壓，壓力損失較大，而內徑為28和32 mm的結構出氣口處壓降相似。綜上，在不同內徑的氣流分流管道內部，氣流速度和壓力的分布規律大致相同，僅關鍵區域的氣流速度和壓力的大小存在一些差別。

3.2 臺架試驗

3.2.1 試驗裝置

為了考察氣流式施肥監測裝置的性能，根據試驗裝置設計情況，對圖1b中各部件進行加工，排肥器選用螺旋槽輪排肥器。在華南農業大學土槽實驗室內的2BHD-10水稻直播機樣機上進行臺架試驗，試驗裝置如圖9所示。

3.2.2 試驗方法

試驗材料選用挪威雅苒顆粒狀復合肥，粒徑范圍為1.5～4 mm。試驗儀器包括鑫思特公司的HT-1891數字壓力表（精度：0.01 kPa，量程：?34～34 kPa，）；泰克曼公司的TM-856 風速測量儀（精度：0.01 m/s，量程：0.3～45 m/s）；成都倍賽科公司的XH-30002電子秤（精度：0.01 g，量程：1～3 000 g）。

式中為試驗總次數；為成功報警試驗次數。

3.2.3 試驗結果與分析

1）氣壓值預試驗

根據仿真結果的分析，內徑28 mm的氣流分流管道結構氣流分布均勻性較好，故選取內徑為28 mm的管道進行氣壓值預試驗。按照3.2.2節所述試驗方法進行試驗，氣流分流管道的進氣口氣壓值1選取500～1 000 Pa，梯度為100 Pa，每組試驗重復50次，并對成功報警提示的試驗次數進行統計，再根據式（10）計算出裝置的報警準確率，試驗結果如圖10所示。結果表明，氣壓值在600～800 Pa范圍內，該裝置的準確率均達80%以上，但氣壓值1大于800 Pa時，準確率出現明顯的下降趨勢，主要是由于氣壓值1過大會造成出氣口氣流平均速度過大，導致氣流變化反饋裝置出現誤報警，因此準確率下降。

圖10 監測準確率隨氣壓值變化曲線

2）組合試驗

為了確定裝置多個參數的較優組合，選取氣流分流管道內徑和進氣口氣壓值1因素進行試驗。根據前文設計分析，分流管道內徑選取24、28和32 mm，進氣口氣壓值1選取600～800 Pa。考慮到裝置的施肥速率不同，在出現堵塞后管道內的肥料顆粒堆積效果也不一樣，堆積效果的好壞會影響出氣口氣流速度的大小，故添加施肥速率2因素進行試驗。根據常規水稻需肥量農藝要求，單行施肥裝置施肥速率2選取10～30 g/s。選用Box-Behnken響應面試驗設計方法[28]，試驗因素及水平如表3所示。

以裝置的堵塞報警準確率v為評價指標，根據因素和評價指標設計試驗方案，試驗共17組，每組試驗重復50次。試驗方案與結果如表4所示，將結果輸入Design-Expert 軟件，通過分析得到回歸模型和顯著性分析結果，如表5所示。

表3 試驗因素表

表4 試驗方案與結果

表5 結果分析

注：<0.01（極顯著），0.01≤<0.05（顯著）。

Note:<0.01 (extremely significant), 0.01≤<0.05 (significant).

準確率與各因素水平值（1，2，3）之間的回歸方程為

=94.80+3.751+4.502+1.753?2.5012?1.0013?

0.5023?13.9012?6.4022?0.9032（11）

回歸方程決定系數2=0.949 0，說明回歸方程擬合度較高，模型的<0.01，說明回歸模型極顯著；模型失擬項的>0.05，說明失擬項不顯著，不存在其他主要因素影響結果。

任意兩因素作用對準確率的影響如圖11所示，由圖11可知，隨著氣壓值的逐漸增大，堵塞報警準確率出現先增大后緩慢減小的變化趨勢，其原因是氣壓值過小會無法觸發氣流變化反饋裝置；過大會觸發氣流變化裝置導致誤報警，從而準確率下降，所以最優氣壓值在中間選取。隨著管道內徑的增大，準確率出現先增大后減少的變化趨勢，其原因是內徑偏小時，出現堵塞時肥料顆粒的堆積效果欠佳，所以最優管道內徑在中間選取。隨著施肥速率的增大，準確率的變化幅度很小，說明施肥速率對試驗結果的影響較小，綜上，結合回歸模型及響應面的變化情況，選取內徑28 mm，氣壓值700 Pa，以及施肥速率20 g/s為裝置較優工作參數。

圖11 兩因素作用下對堵塞報警準確率的影響

4 田間試驗

田間工作時，考慮到機具作業時會對裝置的穩定性，可靠性產生一定的影響，為驗證氣流式施肥堵塞監測裝置的性能，于2022年8月在華南農業大學增城教學基地進行田間試驗，見圖12。地塊為旋耕平整后的地塊，樣機上安裝有3套氣流式施肥監測裝置，對應3行施肥裝置，裝置選取較優工作參數進行試驗，即氣流分流管道內徑28 mm，氣壓值700 Pa，以及施肥速率20 g/s。試驗時，將排肥管道出肥端人為堵塞，啟動施肥裝置，設定機具前進速度為1.0 m/s，查看裝置施肥是否成功報警，對試驗進行多次重復。試驗結果如表6所示，3行施肥裝置報警準確率均大于90.0%，最高達96.7%，裝置工作穩定性好，未出現裝置失靈情況。

圖12 田間試驗

表6 試驗結果

5 結 論

1）設計了一種水稻直播機氣流式施肥監測系統，闡述了其工作原理并確定了關鍵部件氣流分流管道和氣流變化反饋裝置的結構參數，并通過參數標定試驗確定氣流分流管道的進氣口氣壓值應小于1 000 Pa。

2）采用計算流體力學和離散元法耦合仿真方式，對關鍵部件氣流分流管道內的顆粒和氣流運動狀態進行模擬仿真，仿真結果表明進氣口氣壓值為800 Pa時，肥料顆粒的動能提高約39.7%，有利于減少施肥堵塞的發生。

3）在臺架試驗中，采用Box-Behnken響應面試驗確定較優工作參數為氣流分流管道內徑28 mm，進氣口氣壓值700 Pa，以及施肥速率20 g/s。選用較優工作參數進行田間試驗，結果表明：報警監測準確率均達90.0%以上，并且裝置穩定性好，未出現裝置失靈情況，可滿足水稻施肥裝置堵塞監測準確率要求。

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Design and experiments of the airflow type fertilizer application monitoring system for rice direct seeders

Zeng Shan1, Wei Silong1, Liao Mingming1, Zeng Li1, Chen Haibo2※

(1.,,510642,; 2.,,510642,)

Rice fertilizer application is often disturbed by the moisture or mud and water in the field, particularly, in the rainy and humid southern region of China. The complicated working environment can result in fertilizer clogging or leakage in the fertilizer application machinery. The photoelectric and capacitive sensors are often developed to monitor the fertilizer application blockage at present. However, the traditional sensors are susceptible to fertilizer dust during operation, resulting in reduced sensitivity and even monitoring failure, which cannot meet the actual production needs. In this study, an airflow anti-clogging and monitoring system was proposed for fertilizer application in the rice direct seeding machine. The agronomic requirements were combined with the fertilizer application in the direct seeding of southern rice. The smoothness of the fertilizer application pipeline was effectively improved to prevent fertilizer clogging. Once the fertilizer clogging occurred, the alarm alerts were run in the system simultaneously. Firstly, the working principle of the fertilizer application system was determined to design the key components, such as the airflow diversion duct and the airflow change feedback device. At the same time, the structural parameters were optimized for the key components of devices. A parameter calibration test was carried out to determine the air pressure value (1) of less than 1 000 Pa at the inlet of the airflow diversion duct. Secondly, a coupled simulation was carried out using Fluent and Rocky software. An experiment was then conducted to calculate the motion state of fertilizer particles with or without applied airflow in the airflow diversion duct of the key component. The test results showed that the velocity of fertilizer granules increased significantly under the action of airflow. The kinetic energy of the fertilizer granules increased by about 39.7%, compared with no airflow. It infers that the airflow effectively improved the smoothness of the fertilizer application pipeline. Finally, the prototype test was performed on the blockage monitoring and alarm performance of the device. The air pressure pre-test demonstrated that the air pressure of the air inlet should be taken as 600-800 Pa in the static test of the prototype. A combination of inlet air pressure, pipe inner diameter, and device fertilization rate was then tested to determine the optimal operating parameters of the device. The test protocol was designed by the Box-Behnken response surface method. After that, the regression model and the variation of the response surface were used to determine the inner diameter of the airflow diversion pipe of 28 mm, the air pressure value of 700 Pa at the air inlet, and the fertilizer application rate of 20 g/s, as the better working parameters of the device. The optimal combination of parameters was selected for the test in the field trials. Consequently, the accuracy of alarm monitoring was above 90.0%, and the highest accuracy was 96.7%. The better performance of the device was achieved in the stability, which fully met the requirement of clogging monitoring accuracy of the rice fertilizer device. The finding can provide an important reference for fertilizer application in the anti-blocking and blockage monitoring for rice production.

design; experiment; rice direct seeder; fertilizer application monitoring; Fluent-Rocky coupling

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.003

S224.2

A

1002-6819(2022)-17-0022-09

曾山，魏斯龍，廖明銘，等. 水稻直播機氣流式施肥監測系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(17)：22-30. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.003 http://www.tcsae.org

Zeng Shan, Wei Silong, Liao Mingming, et al. Design and experiments of the airflow type fertilizer application monitoring system for rice direct seeders[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 22-30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.003 http://www.tcsae.org

2022-05-23

2022-08-11

國家重點研發計劃項目（2021YFD2000403）

曾山，博士，副研究員，研究方向為水稻生產機械化技術及裝備。Email：shanzeng@scau.edu.cn

陳海波，博士，高級實驗師，碩士生導師，研究方向為農業機械智能化及信息化。Email：huanongchb@ scau.edu.cn