水稻高速插秧機固體顆粒肥料變量施肥裝置設計與試驗

馬 旭 趙 旭 劉賽賽 王宇唯 王曦成 李澤華

(1.華南農業大學工程學院,廣州 510642; 2.嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室,廣州 510642;3.華南農業大學數學與信息學院,廣州 510642)

0 引言

合理施用化肥是保證水稻產量的重要因素。變量施肥技術是精準農業的重要組成部分,依據實際生產所需施肥量精準施肥,能夠有效地提高經濟、社會和生態效益[1-4]。因此,研究固體顆粒肥料變量施肥技術與裝置,可為水稻高速插秧機與同步科學施肥提供技術支撐。

目前,國內外肥料流量檢測方法主要有直接稱量法、光電法、排肥軸標定法、電容法和微波多普勒法等。SWISHER等[5]采用激光發射器將光傳輸到光電二極管陣列,通過肥料對光線遮擋強度間接測得肥料流量。VAN BERGEIJK等[6]基于動態稱重方法獲取肥料質量,并結合位置信息實現肥料合理施用。BACK等[7]利用攝像頭采集肥料顆粒下落圖像,通過圖像識別方法得到肥料顆粒直徑及數量,獲得肥料實時流量。GRIFT等[8]根據光學傳感器輸出集群長度與肥料流量的關系模型檢測肥料流量。周利明等[9]設計了一種基于電容法的施肥量在線檢測系統,根據肥料經過電容兩極板時極板介電常數發生變化,使得輸出電容發生變化,以此獲取肥料流量。楊立偉等[10]設計了一種基于微波多普勒法的肥料流量檢測系統。丁永前等[11]提出了基于動態稱量原理的泛函式播種施肥量檢測方法。余洪鋒等[12]提出了一種基于皮帶秤的施肥量檢測裝置用于檢測排肥口肥料流量。趙斌等[13]利用編碼器測量排肥軸轉動的周數及角度的方法間接測量肥料流量。目前研究成果仍存在不足,光電法易受肥料粉末影響,電容法和微波多普勒法易受電磁干擾影響,直接稱量法受田間振動影響較大,導致測量精度變低。

近年來,國內外變量施肥方法主要采用電控、液壓控制、氣動控制和機械式無級變速等控制方式[14-18]。美國凱斯(Case)公司研制的Flexicoil系列變量施肥播種機,根據施肥處方圖,通過控制液壓馬達調節排肥軸轉速,實現變量施肥,可同時對3種肥料進行變量控制[19]。德國AMAZONE公司研發了一種基于視覺傳感器的變量施肥機,通過作物長勢傳感器,測得葉綠素含量,并計算所需施肥量,通過液壓驅動裝置控制離心撒肥盤工作轉速,實現變量施肥[20]。法國庫恩(Kuhn)公司研制的Axis系列懸掛式變量撒肥機,通過撒施分布處方圖,集成 CDA 撒肥系統、稱量系統及自動調節撒肥量的精準變量EMC 控制系統,自動調節撒肥盤開度與角度,實現變量施肥作業[21]。CAMPBELL等[22]設計了一種雙圓盤撒肥機,通過控制液壓流量比例閥的開度和轉盤轉速,結合機具前進速度進行變量施肥作業。OLIESLAGERS等[23]研究了轉盤轉速對圓盤式撒肥機撒肥分布的影響,設計了變量施肥控制系統,通過控制轉盤轉速實現變量施肥。胡曉麗等[24]設計了小型變量施肥機,采取控制排肥輪轉速和排肥輪長度的方式有效控制施肥量。賈洪雷等[25]研制了2BDB-6(110)型大豆仿生智能耕播機,基于系統采集插秧機前進速度,結合處方信息控制排肥軸轉速調節施肥量。郭明偉等[26]設計了小麥種肥同播一體機,通過手動調節變速齒輪調節排肥軸轉速,變化排肥量,實施變量施肥作業。馬旭等[27]進行變量施肥機具的設計,根據農田參數,讀取IC卡中所需施肥量,并結合地輪轉速信息控制排肥軸轉速。齊興源等[28]設計了稻田氣力式變量施肥機,在變量施肥作業時,按照所需施肥量并結合插秧機前進速度,實時調節排肥軸轉速,實現變量施肥作業。可以看出,國內多數變量施肥技術與裝置,主要采用傳統的機械技術通過標定的方式實現變量施肥作業,施肥量調節精度受限制;國外主要采用光電、圖像肥料流量檢測方法和先進的液壓調控技術,導致現有變量施肥插秧機具價格昂貴,推廣難度較大[29]。

本文依托團隊在井關PZ60型水稻高速插秧機上研制的同步側深施肥機,采用氣力輸送式外槽輪排肥裝置,提出一種基于壓電原理的固體肥料流量檢測方法,并通過控制插秧機傳動機構,設計一種固體肥變量施肥裝置,構建施肥量在線檢測及智能調控系統,為智能農機裝備精準作業提供快速和準確的變量施肥技術與裝置。

1 整機結構與工作原理

1.1 總機結構與工作過程

固體顆粒肥料變量施肥裝置安裝在井關PZ60型水稻高速插秧機上,主要由井關PZ60型高速插秧機、控制系統、送肥風機、外槽輪排肥器、肥料流量檢測機構、傳動機構、輸肥管、肥料堵塞報警機構及開溝器等組成,結構如圖1所示。

圖1 帶有同步施肥機構的水稻高速插秧機結構示意圖

插秧機工作時,通過插秧機的發動機及傳動機構為變量施肥裝置提供動力,驅動外槽輪排肥器排肥,插秧機電力系統為送肥風機供電,送肥風機通過氣流吹送使肥料沿肥料流量檢測機構、輸肥管及肥料堵塞報警機構(肥料規定時間不流動則聲音報警)均勻排出,施到側深開溝器在田間開出的溝內,完成側深施肥作業。其中肥料流量檢測機構安裝在外槽輪排肥器出口采集肥料流量信息,根據設定施肥量,結合插秧機前進速度,通過控制系統調節傳動機構改變外槽輪排肥器的排量,進而實現實際施肥量與設定施肥量一致,實施精準變量施肥作業。

1.2 傳動機構及控制系統工作原理

傳動機構主要由傳動軸、鏈條、鏈輪、偏心輪、頂桿、萬向節、擺動連桿、排肥傳動軸、左棘輪機構、右棘輪機構及連桿機構等組成;控制系統主要由肥料流量檢測機構、插秧機前進速度傳感器、排肥軸轉速傳感器及推桿伸縮位移傳感器等組成,結構如圖2所示。

圖2 傳動機構及控制系統結構示意圖

工作時插秧機的發動機為傳動軸提供動力使其轉動,通過鏈傳動帶動鏈輪和偏心輪旋轉,頂桿在偏心輪轉動過程中上下運動并帶動擺動連桿往復運動。擺動連桿與排肥傳動軸通過左、右棘輪機構連接,左、右棘輪機構反向安裝并交替工作,使排肥傳動軸無間斷轉動。當擺動連桿向上擺動時,在連桿機構作用下使左棘輪機構帶動排肥傳動軸轉動;當擺動連桿向下擺動時,通過右棘輪機構帶動排肥傳動軸轉動,排肥傳動軸帶動排肥軸轉動,驅動排肥外槽輪排肥。排肥軸轉速與排肥外槽輪轉速相同,即傳動比為1∶1,如圖2所示。

肥料流量檢測機構安裝于外槽輪排肥器排肥口位置進行肥料流量檢測。通過肥料沖擊壓電片傳感器產生電壓信號,即轉化為壓電片電壓,通過構建肥料檢測流量與壓電片電壓之間的變化規律模型,實時檢測肥料流量。

根據變量施肥裝置工作原理及分析,在進行施肥量調節時,需要掌握插秧機前進速度、排肥軸轉速和推桿伸縮位移,進而實現變量施肥作業,為此需要對其主要參數進行精準測量。

插秧機前進速度傳感器主要由編碼器組成。編碼器與鏈輪同軸心安裝,鏈輪轉動過程中,編碼器輸出脈沖信號,系統采集單位時間脈沖數,結合一個脈沖下插秧機前進距離(通過試驗獲得),計算插秧機前進速度。

排肥軸轉速傳感器主要由光電傳感器組成。將光電傳感器安裝在排肥軸上,系統根據單位時間獲取光電傳感器發送的脈沖數,結合排肥軸每轉實際脈沖數,計算排肥軸轉速。

推桿伸縮位移傳感器主要由電動推桿和激光測距傳感器組成。激光測距傳感器隨電動推桿伸縮移動,電動推桿基礎長度時,激光測距傳感器與光源接收板間的距離為100 mm,通過實時檢測激光測距傳感器與光源接收板間的距離a,計算電動推桿工作長度l(見圖2)。當系統檢測施肥量發生變化時,基于肥料實際流量與排肥軸轉速之間的變化規律模型、排肥軸轉速與電動推桿工作長度和插秧機前進速度之間的變化規律模型自動調節電動推桿工作長度,改變擺動連桿的擺動幅度,使排肥軸轉速變化,實際排肥流量也發生變化,進而達到預設施肥量的要求,實現精準變量施肥作業。

2 關鍵部件設計

2.1 肥料流量檢測機構設計

2.1.1肥料流量檢測機構安裝位置確定

井關PZ60型水稻高速插秧機為6行作業,為了保證精準側深施肥,對應設計6個排肥器,初步試驗表明6個排肥器的總排量和單排量器均勻性都比較穩定,為節約裝置成本,在變量施肥裝置中僅安裝1個肥料流量檢測機構,通過檢測單個排肥器的肥料流量,預測總肥料流量。為了確定肥料流量檢測機構的安裝位置,以挪威復合肥為試驗材料,排肥軸勻速轉動下,開展了6個排肥器的總排量和單排量試驗(試驗安排為排肥軸轉動5圈,重復試驗3次),試驗結果如表1所示,施肥機各行一致性變異系數平均值為2.25%,其中2號排肥器排肥量與平均排肥量最為接近。因此,選定肥料流量檢測機構安裝于2號排肥器排肥口位置進行肥料流量檢測,通過檢測單體肥料流量預測6個排肥器的總肥料流量。

表1 排肥量各行一致性試驗結果

2.1.2肥料流量檢測機構結構設計

肥料流量檢測機構是變量施肥裝置的核心部件之一,主要由殼體、前板、后板、前壓電片及后壓電片等組成,結構如圖3所示。

圖3 肥料流量檢測機構結構示意圖

前、后板懸臂平行安裝在殼體上,不接觸;前、后壓電片分別粘貼于前、后板上(圖3放大部分);前板上壓電片檢測肥料沖擊信號和機械振動信號;后板上壓電片檢測機械振動信號,肥料撞擊前板后落下。前板和后板上壓電片產生機械振動信號相似,因此,可通過電路差分方法有效地消除機械振動的影響[30-31]。

2.1.3肥料流量檢測原理

前板上壓電片產生的振動信號u1包括肥料沖擊信號ui和機械振動信號un1,即

u1=ui+un1

(1)

后板上壓電片產生的振動信號u2即機械振動信號un2,前板和后板上壓電片產生機械振動信號相似,即

u2=un2≈un1

(2)

肥料沖擊信號ui為

ui≈u1-u2

(3)

系統內部利用ADC數模轉換電路采集肥料沖擊信號ui,將其轉換為壓電片電壓,通過建立肥料檢測流量與壓電片電壓之間的變化規律模型,實時檢測肥料流量。

2.1.4前板安裝角度及風機風速確定

(1)工作參數雙因素試驗

為保證肥料可全部擊中前板,且撞擊前板后有較好的流動性,設計了排肥風機風力送肥,經試驗,前板安裝角度范圍為50°～70°(平行地面方向為0°,見圖3),風機風速范圍為12～20 m/s。

為分析前板安裝角度和風機風速兩因素對肥料質量檢測精度的影響,以挪威復合肥為試驗材料,通過初步試驗進行如下試驗:選取前板安裝角度為55°、60°、65°和風機風速為14、16、18 m/s進行二因素三水平試驗,肥料質量檢測精度每組試驗重復3次,試驗結果取平均值。采用Design-Expert 13.0軟件進行數據處理和統計分析,試驗方案與結果如表2所示。

表2 試驗方案與結果

(2)回歸模型建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert 13.0軟件,建立肥料質量檢測精度E關于前板安裝角度A、風機風速C回歸模型,并檢驗模型和系數的顯著性。

其方差分析結果如表3所示。

表3 肥料質量檢測精度回歸模型方差分析

由表3可知,肥料質量檢測精度E回歸模型通過顯著性檢驗(P<0.01),因此模型有效,交互項AC的影響不顯著,其他各項均通過顯著性檢驗。

肥料質量檢測精度E的回歸方程為

E=-206.37+6.39A+14.39C-

5.43×10-2A2-0.46C2

(4)

由式(4)可知,肥料質量檢測精度E與前板安裝角度A和風機風速C呈開口向下的二次函數關系,表明存在前板安裝角度和風機風速的最優參數組合。

各因素對肥料質量檢測精度影響的主次因素為:風速、角度。通過高速攝像觀察,當風速為16 m/s時,絕大部分肥料顆粒能夠擊中前板,僅有極少部分肥料顆粒間相互碰撞導致無法擊中前板;當風速增大為18 m/s時,由于風速大使肥料顆粒相互碰撞明顯增加,致使肥料質量檢測精度下降。在風速為16 m/s時,隨著前板安裝角度變化,肥料質量檢測精度大于93%,表明檢測精度較好。

(3)參數優化

為了得到肥料流量檢測機構的最優結構參數組合,采用單目標優化方法,同時優化肥料質量檢測精度E。依據提高肥料流量檢測精度的目標,結合各試驗因素的邊界條件,得到優化模型為

(5)

利用Design-Expert 13.0軟件中的 Optimization模塊進行參數優化并分析求解,結果表明,當前板安裝角度為59.12°、風機風速為15.67 m/s時,肥料質量檢測精度為94.74%,與表2中前板安裝角度60°、風機風速16 m/s時檢測精度為94.51%基本一致。

為便于參數測量,取其為整數,則確定組合參數為前板安裝角度60°、風機風速16 m/s。

2.1.5肥料檢測流量標定試驗

使用井關PZ60型水稻高速插秧機與變量施肥裝置進行肥料檢測流量標定試驗。肥料流量檢測機構安裝于排肥器出肥口位置,在肥料流量檢測機構的肥料出口位置直接接肥,采用稱量方法進行肥料檢測流量標定試驗。

根據華南地區水稻施基肥量最大分別為復合肥300 kg/hm2和尿素225 kg/hm2,計算得出單體外槽輪排肥器最大排肥量分別為復合肥9 g/s和尿素6.75 g/s,為了提高模型的顯著性,在單體排肥器排肥流量分別為復合肥3～9 g/s和尿素2～7 g/s條件下分別取10種不同排肥流量進行標定,通過定時器定時排肥時間,待每次排肥結束后,采用電子天平稱取實際排肥質量,同時記錄肥料沖擊信號ui轉換的電壓信號,即壓電片電壓,每次試驗重復3次,對3種固體顆粒肥料(挪威復合肥、俄羅斯復合肥、國產尿素)分別進行標定試驗。利用Origin軟件對標定試驗數據進行處理,得到肥料檢測流量與壓電片電壓之間的變化規律模型為

(6)

式中U——單位時間壓電片電壓,V/s

q——肥料檢測流量,g/s

關系曲線如圖4所示。

圖4 肥料檢測流量與壓電片電壓之間變化曲線

由圖4可知,3種固體顆粒肥料檢測流量與壓電片電壓之間均呈線性關系,且隨著壓電片電壓增加,肥料檢測流量也相應變大。經檢驗,3組擬合方程的決定系數R2分別為0.982、0.99和0.971,表明線性關系顯著?？梢钥闯?在相同的壓電片電壓下,其肥料檢測流量略有差異,如要精確施特殊肥料時,需要對肥料提前進行標定,對其它類似的肥料可以參考式(6)計算肥料檢測流量。

2.1.6肥料實際流量標定試驗

使用井關PZ60型水稻高速插秧機與變量施肥裝置進行肥料實際流量標定試驗。在10種排肥軸轉速下,通過定時器定時排肥時間,待每次排肥結束后,采用電子天平稱取實際排肥質量,同時記錄排肥軸轉速,每次試驗重復3次,對3種固體顆粒肥料(挪威復合肥、俄羅斯復合肥、國產尿素)分別進行標定試驗。其中,排肥軸轉速由光電傳感器檢測,即

(7)

式中c——排肥軸每轉實際脈沖數,個/r

c1——每秒鐘采集的脈沖數,個/s

n——排肥軸轉速,r/s

利用Origin軟件對標定試驗數據進行處理,得到肥料實際流量與排肥軸轉速之間的變化規律模型為

(8)

式中q0——肥料實際流量,g/s

關系曲線如圖5所示。

圖5 肥料實際流量與排肥軸轉速之間變化曲線

由圖5可知,3種固體顆粒肥料實際流量與排肥軸轉速之間均呈線性關系,且隨著排肥軸轉速的增加,肥料實際流量也相應變大。3組擬合方程的決定系數R2分別為0.998、0.996和0.996,表明線性關系顯著。可以看出,不同肥料在相同的排肥軸轉速下,其肥料實際流量略有差異。因此,控制系統可利用關系模型進行肥料實際流量調控。

2.1.7插秧機前進速度標定試驗

為了準確檢測施肥量,需要及時掌握插秧機前進速度,插秧機前進速度由編碼器檢測。

系統讀取編碼器每秒鐘發送的脈沖數,結合一個脈沖對應插秧機前進距離計算插秧機前進速度,則插秧機前進速度為

(9)

式中v——插秧機前進速度,m/s

D——一個脈沖下插秧機前進距離(根據試驗標定得到一個脈沖下插秧機前進距離為1.484 cm)

f——編碼器每秒種發送的脈沖數,個/s

2.1.8排肥軸轉速控制模型標定試驗

使用井關PZ60型水稻高速插秧機與變量施肥裝置進行排肥軸轉速控制模型標定試驗。插秧機在一定前進速度下,調節電動推桿不同工作長度可以改變排肥軸轉速,進而實現變量施肥作業。經試驗,電動推桿工作長度過長,上下擺動過程中與秧苗移箱器發生碰撞;長度過短,施肥量過小,無法滿足水稻生產過程中所需施肥量,當選取電動推桿工作長度為0～60 mm(基礎長度105 mm)、插秧機前進速度為0.4～1.4 m/s時,挪威復合肥、俄羅斯復合肥和國產尿素施肥量范圍分別為170～360 kg/hm2、185～380 kg/hm2和145～300 kg/hm2,滿足目前水稻生產過程中施底肥量的需要。在7種插秧機前進速度(0.4～1.4 m/s)和8種電動推桿工作長度(0～60 mm)下,試驗記錄排肥軸轉速,每次試驗重復3次,利用Origin軟件對標定試驗數據進行處理,得到排肥軸轉速與電動推桿工作長度和插秧機前進速度之間的變化規律模型為

n=1.01×10-2v2+1.05×10-5l2+5.84×10-3vl+

0.282v-9.41×10-4l+0.018

(10)

試驗關系曲面如圖6所示。由圖6可知,排肥軸轉速與電動推桿工作長度、插秧機前進速度之間呈曲面關系,且隨著插秧機前進速度變化或電動推桿工作長度變化,排肥軸轉速也變化。擬合方程的決定系數R2為0.997,表明關系顯著。

圖6 電動推桿工作長度和插秧機前進速度與排肥軸轉速之間的關系曲面

利用式(10)調控電動推桿工作長度達到所需排肥軸轉速,改變實際排肥流量,進行變量施肥作業。

2.2 控制系統設計

2.2.1硬件設計

控制系統硬件構成如圖7所示,控制器以STM32為核心,STM32單片機內置串口資源;電力系統選用6-QW-36電源、LM2596S降壓模塊,為控制器STM32單片機供電;肥料流量檢測機構中選用2片FT-50T-3A1型壓電片;插秧機前進速度傳感器選用K22-ABZ-20P/R型編碼器;排肥軸轉速傳感器選用GJ18-D80NK型光電傳感器;推桿伸縮位移傳感器選用XKC-KL200-UART型激光測距傳感器、LA-T8-12-30-30-60/105型電動推桿及L9110型H橋模塊,根據激光測距傳感器檢測電動推桿工作長度,通過L9110型H橋模塊控制電動推桿啟停、伸縮。

圖7 控制系統硬件構成圖

2.2.2控制算法設計

系統檢測施肥量為

(11)

式中Q——檢測施肥量,kg/hm2

W——排肥器數,個

B——插秧機具作業幅寬,m

系統計算預設肥料調控流量為

(12)

式中Q′——預設施肥量,kg/hm2

q′——預設肥料調控流量,g/s

控制系統開始工作時,系統進行初始化,通過手動指令輸入肥料類型和施肥量,系統根據式(6)檢測肥料流量,式(9)得到插秧機前進速度,式(11)檢測施肥量,系統檢測3次施肥量的平均值作為輸出(每秒檢測一次),并與預設施肥量進行比較,如果檢測3次施肥量的平均值超過預設施肥量的10%,即

(13)

則進行如下調控。

由式(8)可知,外槽輪排肥器的肥料實際流量與排肥軸轉速呈線性關系[32-33],因此,可對排肥軸轉速進行調控,改變實際排肥流量,計算調控的排肥軸轉速方程為

(14)

式中k——比例系數(即式(8)的斜率)

n′——調控的排肥軸轉速,r/s

系統用式(12)計算預設肥料調控流量、式(14)計算調控的排肥軸轉速,將調控的排肥軸轉速代入式(10)計算電動推桿工作長度,通過系統調節電動推桿工作長度,改變實際排肥流量,進而達到預期施肥量,控制流程圖如圖8所示。

圖8 控制系統流程圖

3 性能試驗

為檢驗固體顆粒肥料變量施肥裝置性能,搭建試驗平臺,并開展了田間試驗。以挪威復合肥、俄羅斯復合肥和國產尿素為試驗材料進行肥料質量檢測精度和施肥量調控性能試驗,并進一步分析試驗結果。

3.1 試驗平臺搭建

樣機試驗地點為華南農業大學工程學院農業工程樓,試驗設備主要有井關PZ60型水稻高速插秧機與固體顆粒肥料變量施肥裝置,試驗現場如圖9所示。

圖9 室內試驗裝置

3.2 肥料質量檢測精度試驗

為驗證不同排肥流量條件下肥料流量在線檢測系統的準確性,試驗時,插秧機1 m/s勻速前進下,分別設定排肥軸轉速為20、25、30 r/min,同時在輸肥管出肥口下方排肥,將肥料流量檢測系統獲得的肥料質量與實際排肥質量對比,每組試驗重復3次,試驗結果如表4所示。

表4 肥料質量檢測精度試驗結果

由表4可知,在不同排肥軸轉速條件下,挪威復合肥質量檢測精度平均值分別為94.12%、94.37%和94.87%;俄羅斯復合肥質量檢測精度平均值分別為93.99%、93.44%和94.13%;國產尿素質量檢測精度平均值分別為92.7%、93.46%和93.29%。3種固體顆粒肥料總體質量檢測精度平均值分別為94.45%、93.85%和93.15%。試驗結果表明,采用壓電原理的固體顆粒肥料流量檢測方法在不同排肥軸轉速下對不同品種顆粒肥料具有良好的適應性。

3.3 施肥量調控試驗

為驗證施肥量調控性能,開展不同品種顆粒肥料和施肥量條件下調控試驗。試驗時,設定復合肥施肥量為200、250、300 kg/hm2和尿素施肥量為165、195、225 kg/hm2,插秧機前進速度為0.6～1.4 m/s,同時在輸肥管出肥口下方排肥,每次試驗共計測定排肥時間16 s;試驗后,在試驗區域內測量每秒排肥量,計算單位面積施肥量,并記錄最大誤差和計算調控穩定后施肥量的變異系數,施肥量調控規律見圖10,測量試驗結果分析如表5所示。

表5 施肥量調控試驗結果

圖10 施肥量調控試驗結果

從表5和圖10可以看出,控制系統經1～2 s調控施肥量穩定且與設定施肥量的誤差在設定范圍內。在復合肥施肥量為200、250、300 kg/hm2和尿素施肥量為165、195、225 kg/hm2條件下,調控后,挪威復合肥施肥量變異系數平均值分別為3.27%、2.77%和3.01%;俄羅斯復合肥施肥量變異系數平均值分別為3.57%、2.97%和2.92%;國產尿素施肥量變異系數分別為3.45%、2.76%和2.26%。3種固體顆粒肥料總體施肥量變異系數平均值分別為3.02%、3.15%和2.82%。試驗結果表明,在插秧機前進速度不同條件下,調控后對不同施肥量和不同品種的顆粒肥料具有較好的施肥穩定性,滿足水稻種植變量施肥作業的技術要求。

3.4 田間試驗

利用井關PZ60型水稻高速插秧機與變量施肥裝置,于2022年8月4日在廣東省肇慶市沙浦農場進行晚稻精準變量施肥田間性能試驗,試驗現場如圖11所示。試驗地面積為1 hm2,試驗肥料為挪威復合肥;試驗前,將已知肥量的挪威復合肥放入插秧機中,根據農藝要求設定施肥量;試驗中,插秧機以速度1～1.4 m/s前進;試驗后,將施肥機中剩余肥料排出稱量,通過作差方法計算肥料施入量,結合作業面積信息測得實際施肥量,將實際施肥量與預設施肥量對比,試驗結果如表6所示。

表6 變量施肥田間試驗結果

圖11 田間試驗

由表6可知,設定施肥量為180、225 kg/hm2,測得實際施肥量分別為189.2、220.1 kg/hm2,施肥量準確率分別為94.89%和97.82%。試驗結果表明,設計的變量施肥裝置在大田工作環境中仍能保持良好的施肥量控制精度,能夠滿足水稻側深變量施肥作業的技術要求。

4 結論

(1)基于氣力輸送式外槽輪排肥裝置,提出了一種壓電原理的固體顆粒肥料流量檢測方法,并通過控制插秧機傳動機構,設計了一種固體顆粒肥料變量施肥裝置,實現了固體顆粒肥料施肥量在線檢測及智能調控的精準變量施肥作業。

(2)采用Central Composite Design試驗設計方法,進行了肥料流量在線檢測系統性能試驗,應用單目標優化方法對肥料流量在線檢測系統性能影響因素進行優化,得到最優前板安裝角度和風機風速參數組合;通過標定試驗構建了主要固體顆粒肥料檢測流量與壓電片電壓之間的關系模型、實際流量與排肥軸轉速之間的關系模型、排肥軸轉速與電動推桿工作長度和插秧機前進速度之間的關系模型,為固體顆粒肥料變量施肥裝置精準調控提供了基礎。

(3)開展了不同條件下的室內和田間試驗,試驗結果表明,固體顆粒肥料變量施肥裝置調控施肥量準確。開展了排肥軸轉速分別為20、25、30 r/min肥料質量檢測精度試驗,當插秧機前進速度為1 m/s勻速條件下,3種固體顆粒肥料總體質量檢測精度平均值分別為94.45%、93.85%和93.15%;進行了復合肥施肥量為200、250、300 kg/hm2和尿素施肥量為165、195、225 kg/hm2調控性能試驗,當插秧機前進速度為0.6～1.4 m/s條件下,3種固體顆粒肥料總體施肥量變異系數平均值分別為3.02%、3.15%和2.82%;進行了施肥量分別為180、225 kg/hm2的田間試驗,當插秧機前進速度為1～1.4 m/s條件下,挪威復合肥施肥量準確率分別為94.89%和97.82%,本研究設計的固體顆粒肥料變量施肥裝置調控性能穩定,滿足水稻種植變量施肥作業的技術要求。