施印炎，陳　滿，汪小旵，2，孫國(guó)祥，2，狄　嬌，於海明(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京2003; 2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，江蘇南京2003)

稻麥精準(zhǔn)追肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

施印炎1，陳滿1，汪小旵1，2，孫國(guó)祥1，2，狄嬌1，於海明1
(1南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031; 2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，江蘇南京210031)

摘要:【目的】適應(yīng)精準(zhǔn)追肥機(jī)械在稻麥生長(zhǎng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)變量追肥要求.【方法】設(shè)計(jì)了一種新型軸分段式變量追肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，闡述了該變量追肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)及田間作業(yè)原理，分析并確定了其關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和參數(shù).以氮肥為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行排肥性能試驗(yàn)和田間追肥試驗(yàn).【結(jié)果和結(jié)論】試驗(yàn)結(jié)果表明，該精準(zhǔn)追肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)常規(guī)槽輪排肥器槽輪轉(zhuǎn)速和開(kāi)度的雙調(diào)節(jié)控制，整體系統(tǒng)控制精度90%以上，實(shí)時(shí)地調(diào)整施肥量有利于肥料的管理和充分利用，能夠?qū)崿F(xiàn)精確農(nóng)業(yè)意義上的精準(zhǔn)追肥作業(yè)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

關(guān)鍵詞:稻麥;變量追肥;執(zhí)行機(jī)構(gòu);田間作業(yè);雙調(diào)節(jié);精確農(nóng)業(yè)

施印炎，陳滿，汪小旵，等.稻麥精準(zhǔn)追肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36(6):119-124.

優(yōu)先出版時(shí)間:2015-10-16

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精確農(nóng)業(yè)為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)基礎(chǔ)［1-3］，變量作業(yè)特別是變量施肥作業(yè)是實(shí)施精確農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它將3S (GPS、GIS、RS)技術(shù)與農(nóng)學(xué)、土壤學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，有效地控制作物循環(huán)中養(yǎng)分的交換，減小農(nóng)作物品質(zhì)的改變及農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的破壞，大大提高了肥料的利用率、降低生產(chǎn)成本、增加農(nóng)民收入［4-6］.

在實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)的變量施肥技術(shù)方面有很多研究［7-9］，而對(duì)精準(zhǔn)追肥機(jī)械的執(zhí)行機(jī)構(gòu)鮮見(jiàn)介紹.執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為變量施肥機(jī)的核心，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到追肥作業(yè)精度，現(xiàn)有的變量施肥機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)種類比較多，主要有電控機(jī)械無(wú)級(jí)變速器型:技術(shù)水平相對(duì)較低，機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，工作比較可靠，成本比較低，便于國(guó)產(chǎn)播種機(jī)進(jìn)行改裝，適合于中型變量施肥播種機(jī)［10-11］;電控液壓馬達(dá)型:技術(shù)水平相對(duì)比較高，為機(jī)械－電子－液壓相結(jié)合，變量控制結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本比較高，適合大型變量施肥播種機(jī)和施肥機(jī)［12-16］;電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型:技術(shù)水平相對(duì)適中，變量施肥機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低于電控液壓馬達(dá)式，適用中小型變量施肥播種機(jī)和施肥機(jī)［17-20］.本文所設(shè)計(jì)的新型軸分段式雙調(diào)節(jié)變量追肥機(jī)釆用步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，在扭矩允許的情況下，不會(huì)因?yàn)榕ぞ氐淖兓ъ`，而且有利于田間作業(yè)環(huán)境.本研究設(shè)計(jì)了一種新型軸分段式雙調(diào)節(jié)精準(zhǔn)追肥機(jī)械，詳細(xì)地說(shuō)明了其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程和機(jī)械結(jié)構(gòu).新設(shè)計(jì)的變量施肥機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)綜合考慮了作物追肥的特點(diǎn)以及追肥機(jī)械的實(shí)用性，操作簡(jiǎn)單，改善了傳統(tǒng)施肥機(jī)械操作復(fù)雜、穩(wěn)定性差、時(shí)效性差的不足，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)追肥，適合稻麥作物的精準(zhǔn)追肥作業(yè).

1　新型變量追肥機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1施肥機(jī)的總體結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

本文所設(shè)計(jì)的新型軸分段式雙調(diào)節(jié)變量施肥機(jī)，改用電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的變量施肥機(jī)通過(guò)地輪帶動(dòng)排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且使用分段排肥軸，提高追肥可控精度，減小傳統(tǒng)單根排肥軸的負(fù)載扭矩.其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，為傳統(tǒng)的3點(diǎn)懸掛式，工作幅寬2 m，左、右2個(gè)獨(dú)立工作組各負(fù)責(zé)1 m的作業(yè)區(qū);其帶動(dòng)外槽輪式排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)的輸入軸通過(guò)聯(lián)軸器與無(wú)刷直流行星減速電機(jī)直接相連，進(jìn)電機(jī)連接的絲桿滑軌的滑片通過(guò)杠桿與輸入軸相連;追肥機(jī)控制器接收高光譜傳感器的信息，結(jié)合施肥專家系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地產(chǎn)生施肥量，再結(jié)合機(jī)具的行進(jìn)速度，轉(zhuǎn)化為外槽輪式排肥器的轉(zhuǎn)速和開(kāi)度配比.

圖1　變量施肥機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1　 The three-dimensional structure diagram of variable rate fertilizer machinery

結(jié)合上述結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可以看出，追肥機(jī)作業(yè)數(shù)為8行，排肥器分為左右2組，每組4個(gè)，分別固定在相應(yīng)的分段輸入主軸上，主軸的一端由聯(lián)軸器連接在直流無(wú)刷行星減速電機(jī)的輸出軸上，直流電機(jī)額定功率為100 W，減速比為1∶36，減速后的額定轉(zhuǎn)速為100 r·min－1，扭力為12 N·m.步進(jìn)電機(jī)連接的絲桿滑塊在絲桿導(dǎo)軌上通過(guò)聯(lián)軸器套接在排肥輸入主軸上，由步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制絲桿滑塊移動(dòng)，通過(guò)杠桿裝置帶動(dòng)槽輪移動(dòng)，以達(dá)到控制槽輪式排肥器有效工作長(zhǎng)度的目的.步進(jìn)電機(jī)額定扭矩為29. 4 N·m，最大瞬間允許負(fù)載為44 N·m.而絲桿滑塊軸向移動(dòng)的長(zhǎng)度界限通過(guò)絲桿上的限位開(kāi)關(guān)控制，整個(gè)機(jī)組的工作動(dòng)力由蓄電池組提供.本追肥機(jī)為拖拉機(jī)3點(diǎn)后懸掛，圓盤開(kāi)溝器，其主要技術(shù)參數(shù):長(zhǎng)×寬×高為2 150 mm×912 mm×1 250 mm;配套動(dòng)力為江蘇－754拖拉機(jī)(＞10 KW) ;整機(jī)質(zhì)量為450 kg;工作行距為220 mm，行數(shù)為8 mm;作業(yè)幅寬為2 000 mm;施肥方式為外槽輪式;肥箱容積為200 L;作業(yè)速度為3～7 km·h－1;施肥量為0～225 kg·hm－2;生產(chǎn)效率為0. 3～0. 6 hm2·h－1.

1.2施肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理

新設(shè)計(jì)的軸分段式變量施肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要

工作過(guò)程如下:外槽輪式排肥器有效工作長(zhǎng)度的調(diào)控機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)、絲桿滑軌、杠桿以及聯(lián)軸器構(gòu)成，分為左、右2個(gè)獨(dú)立輸入軸帶動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)控制絲桿帶動(dòng)杠桿轉(zhuǎn)動(dòng)，杠桿帶動(dòng)輸入軸左、右移動(dòng)，而槽輪固定在輸入軸上隨著輸入軸左右運(yùn)動(dòng).設(shè)備里面用的是左、右2個(gè)絲桿滑軌，而位移傳感器主要就是用來(lái)測(cè)量絲桿滑軌上滑片的位置，通過(guò)知道滑片的位置反推排肥的實(shí)際長(zhǎng)度.在絲桿滑軌的兩端設(shè)有相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)，為的是防止滑片移動(dòng)到左右兩端時(shí)，步進(jìn)電機(jī)還繼續(xù)工作.變量施肥作業(yè)時(shí)，控制器發(fā)送控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲桿滑軌移動(dòng)，從而帶動(dòng)排肥器改變有效作業(yè)長(zhǎng)度.

直流無(wú)刷行星減速電機(jī)與排肥輸入軸的套接使直流電機(jī)的中心軸通過(guò)聯(lián)軸器直接與排肥輸入軸相連接，電機(jī)外面套裝不銹鋼保護(hù)裝置.變量施肥作業(yè)時(shí)，控制器反饋PWM調(diào)速信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速率，從而改變排肥器的排肥量.

2　施肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要部件設(shè)計(jì)

新型軸分段式變量施肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包含輸入軸的周向轉(zhuǎn)動(dòng)(調(diào)速機(jī)構(gòu))和軸向移動(dòng)(換向機(jī)構(gòu)) 2個(gè)控制結(jié)構(gòu).通過(guò)調(diào)節(jié)輸入軸的周向轉(zhuǎn)速的快慢，控制槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)1周的施肥量;通過(guò)調(diào)節(jié)輸入軸軸向移動(dòng)，控制槽輪排肥槽長(zhǎng)度的施肥量.從而可實(shí)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的新型軸分段式變量施肥機(jī)轉(zhuǎn)速和開(kāi)度的實(shí)時(shí)雙調(diào)節(jié).

2.1施肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的換向機(jī)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的手動(dòng)或半自動(dòng)控制，本換向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)螺桿、螺母配合的螺旋運(yùn)動(dòng)，將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線移動(dòng)，再通過(guò)杠桿結(jié)構(gòu)，把螺母的直線移動(dòng)轉(zhuǎn)化為槽輪的軸向移動(dòng).換向結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖2　執(zhí)行機(jī)構(gòu)換向結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of actuator’s commutor

2.1.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換向結(jié)構(gòu)分析對(duì)換向機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力分析:對(duì)于杠桿結(jié)構(gòu)，當(dāng)杠桿上只受2個(gè)力，且處于平衡狀態(tài)時(shí)，杠桿的平衡條件用公式表示為: F1L1= F2L2.受力分析如圖3所示，圖中O為支點(diǎn)，根據(jù)杠桿平衡條件可得公式:

式中，F(xiàn)b為螺母所受到螺桿從動(dòng)力，在此杠桿結(jié)構(gòu)中為主動(dòng)力，S1、S2分別為主軸滑塊和螺母移動(dòng)的直線長(zhǎng)度，F(xiàn)a為主軸滑塊所受到杠桿的從動(dòng)力(阻力)，L1、L2為力臂.

圖3　杠桿受力分析圖Fig.3　 The diagram of force analysis of leverage

在杠桿機(jī)構(gòu)中，根據(jù)杠桿的平衡條件公式，選擇合適的支點(diǎn)的位置，結(jié)合施肥機(jī)其他工作部件的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)此杠桿D1=150 mm、D2=350 mm為省力杠桿(從動(dòng)力臂L1＜主動(dòng)力臂L2)，以減小步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，改善后續(xù)工作條件，而且主軸滑塊的移動(dòng)長(zhǎng)度可以通過(guò)螺母的移動(dòng)長(zhǎng)度來(lái)計(jì)算，從而間接計(jì)算槽輪的軸向有效長(zhǎng)度.

2.1.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)的螺旋結(jié)構(gòu)分析對(duì)于普通螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，是利用螺桿和螺母組成的螺旋副來(lái)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng).本文所設(shè)計(jì)的新型軸分段式變量施肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的螺旋傳動(dòng)如圖4所示，螺母軸向直線移動(dòng)的距離L(mm)可用公式求得:

式中，n為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(r·mim－1)，Ph為單線右旋普通螺紋導(dǎo)程(mm).

圖4　螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　 The structure diagram of screw drive

根據(jù)變量施肥機(jī)原有槽輪的長(zhǎng)度(70 mm)，以及上述設(shè)計(jì)的杠桿尺寸參數(shù)，設(shè)計(jì)出螺旋絲杠有效長(zhǎng)度應(yīng)大于163. 3 mm，才能保證槽輪的正常工作調(diào)節(jié).選取單線右旋普通螺紋導(dǎo)程為20 mm.對(duì)于整個(gè)換向結(jié)構(gòu)，是通過(guò)螺旋機(jī)構(gòu)和杠桿機(jī)構(gòu)的相互配合來(lái)完成的，綜合以上2個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，求得主軸滑塊的軸向移動(dòng)距離為:

所以通過(guò)簡(jiǎn)化變換有槽輪有效作業(yè)開(kāi)度為:

式中，l為有效作業(yè)開(kāi)度(mm)，l0為外槽輪式排肥器初始工作開(kāi)度(mm)，L1為支點(diǎn)到傳動(dòng)軸的垂直距離(mm)，L2為支點(diǎn)到絲桿螺母的垂直距離(mm)，s為傳動(dòng)螺母的相對(duì)位移(mm)，±表示移動(dòng)方向前進(jìn)或后退.

綜上所述，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，可以精確的計(jì)算槽輪有效工作長(zhǎng)度數(shù)值的大小，從而實(shí)時(shí)準(zhǔn)確控制施肥機(jī)的追肥量，實(shí)現(xiàn)相對(duì)意義上的精準(zhǔn)追肥.

2.2施肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)速結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

調(diào)速機(jī)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中與傳統(tǒng)的調(diào)速方式大致相同，為電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)式，其連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5，利用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)排肥器，從而控制排肥量的大小.

圖5　調(diào)速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure diagram of governor mechanism

如果不考慮由于排肥軸轉(zhuǎn)速變化而引起的排肥量的非線性跳動(dòng)，那么單個(gè)排肥器的排肥量與排肥軸轉(zhuǎn)速(即電機(jī)轉(zhuǎn)速)存在如下關(guān)系:

q = kn + b，

式中，q為單個(gè)排肥槽輪的排肥量(g·min－1)，n為排肥主軸轉(zhuǎn)速(r·min－1)，k為標(biāo)定擬合直線的斜率，b為標(biāo)定擬合直線的截距(mm).

需要說(shuō)明的是，不同的排肥器，排肥軸轉(zhuǎn)速與排肥量之間都有不同的對(duì)應(yīng)關(guān)系.所以，在變量施肥技術(shù)的研究過(guò)程中，必須對(duì)所選的施肥器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，具體情況具體分析.

3　材料與方法

3.1材料

本試驗(yàn)機(jī)具由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)研制，江蘇潔瀾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司生產(chǎn)制造，配套江蘇－754輪式拖拉機(jī)作為牽引動(dòng)力，于2014年4月在江蘇省濱?？h黃海農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行田間生產(chǎn)試驗(yàn).

播種小麥，品種為淮麥19，以目前普遍使用的顆粒狀尿素為研究對(duì)象，其容重為0. 746 g·cm－3，顆粒度范圍d為0. 85～2. 80 mm.

3.2追肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)定

為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)追肥的目標(biāo)，保證在大田試驗(yàn)時(shí)能通過(guò)GreenSeeker高光譜傳感器獲取作物冠層的光譜信息，以及能通過(guò)調(diào)節(jié)施肥機(jī)轉(zhuǎn)速和排肥槽輪軸向開(kāi)度獲得需要的排肥量，所以在追肥機(jī)靜止時(shí)對(duì)排肥器不同轉(zhuǎn)速和開(kāi)度下的排量進(jìn)行了測(cè)定.試驗(yàn)通過(guò)觸摸屏調(diào)節(jié)排肥器轉(zhuǎn)速分別為8、18、29和39 r·min－1，開(kāi)度分別為5、10、18 mm.試驗(yàn)時(shí)，排肥導(dǎo)管口套有稱質(zhì)量袋，系統(tǒng)內(nèi)部自動(dòng)定時(shí)60 s，每個(gè)速度和開(kāi)度重復(fù)3次試驗(yàn)，排量通過(guò)稱取肥料質(zhì)量得到.

3.3追肥機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)

根據(jù)小麥種植拔節(jié)期廣泛追施氮肥的特點(diǎn)，在小

麥種植初期，對(duì)小麥進(jìn)行分區(qū)域施用4組不同的底肥，分別為正常施肥量的0(不施肥)、33. 3%、66. 7%和100%.在小麥生長(zhǎng)拔節(jié)期對(duì)該試驗(yàn)田分區(qū)域進(jìn)行追肥試驗(yàn)，通過(guò)稱量追肥前后肥箱內(nèi)的肥料差值，得到各區(qū)域的實(shí)際施肥量，進(jìn)行追肥對(duì)比試驗(yàn).

4　結(jié)果與分析

本新型軸分段式變量追肥機(jī)標(biāo)定試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表1所示，不同轉(zhuǎn)速不同開(kāi)度下，排肥器排量測(cè)定數(shù)據(jù)并統(tǒng)計(jì)分析.結(jié)果表明在轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著開(kāi)度的增大，排量逐漸增大;開(kāi)度一定的情況下，隨著轉(zhuǎn)速的降低，槽輪每秒排量逐漸減小.選取表1中轉(zhuǎn)速為8、18 r·min－1，開(kāi)度為10 mm的排肥量數(shù)值，根據(jù)前文所述公式，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的單個(gè)排肥槽排肥量方程，選定k、b值.可以看出肥料在不同轉(zhuǎn)速不同開(kāi)度下，由此公式計(jì)算的理論排肥量與實(shí)際排肥量的標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，這與其較好的流動(dòng)性有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)偏差值最大為11. 57，最小值不到1，忽略此跳動(dòng)無(wú)效值，整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的排肥控制精度達(dá)到90%以上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)排肥效果穩(wěn)定.

表1　不同轉(zhuǎn)速和開(kāi)度排肥量測(cè)定Tab.1　 Fertilizing amount measurement on different rotating speed and opening width

本新型軸分段式變量追肥機(jī)大田試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表2所示，是基于作物冠層高光譜信息，實(shí)時(shí)生成的施肥配比.小麥長(zhǎng)勢(shì)存在空間差異性，并反映在歸一化植被指數(shù)(NDVI)上［21］.機(jī)械通過(guò)GreenSeeker高光譜傳感器可以及時(shí)、準(zhǔn)確地獲取作物冠層的光譜信息，專家系統(tǒng)根據(jù)反饋的光譜信息、機(jī)具行進(jìn)速度，決斷外槽輪排肥器的轉(zhuǎn)速以及外槽輪的開(kāi)度，實(shí)時(shí)地調(diào)整施肥量.試驗(yàn)結(jié)果表明:追肥系統(tǒng)控制誤差都小于10%，整體追肥系統(tǒng)控制精度高達(dá)90%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)精確追肥的目的.

表2　田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Field experience data

5　結(jié)論

本文提出了一種新型軸分段式雙調(diào)節(jié)稻麥精準(zhǔn)追肥機(jī)，其適合于目前國(guó)產(chǎn)施肥機(jī)的變量追肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)雙通道協(xié)調(diào)工作，綜合考慮了作物追肥的特點(diǎn)以及追肥機(jī)械的實(shí)用性.試驗(yàn)表明，通過(guò)控制槽輪的轉(zhuǎn)速和開(kāi)度的實(shí)時(shí)雙調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)精量追肥.

排肥器轉(zhuǎn)速由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由步進(jìn)電機(jī)控

制開(kāi)度，采用閉環(huán)反饋PID控制方法，通過(guò)PWM技術(shù)調(diào)整占空比實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié);通過(guò)定時(shí)子程序控制步進(jìn)數(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)度調(diào)節(jié).排肥器不同轉(zhuǎn)速和開(kāi)度下的排量測(cè)定數(shù)據(jù)表明肥料在不同轉(zhuǎn)速不同開(kāi)度下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)排肥精度在90 %以上.

通過(guò)GreenSeeker高光譜傳感器實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取作物冠層的光譜信息，實(shí)現(xiàn)了作物冠層NDVI值采集與相應(yīng)追肥量的計(jì)算、實(shí)時(shí)控制追肥機(jī)構(gòu)速度和開(kāi)度雙重調(diào)控，精確地變量追肥，大田追肥決策系統(tǒng)控制精度達(dá)到90%以上，系統(tǒng)性能良好.

初步試驗(yàn)表明，該機(jī)型設(shè)計(jì)合理，主要技術(shù)指標(biāo)滿足農(nóng)藝要求，能實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)意義上的精準(zhǔn)追肥作業(yè)，適合于目前國(guó)產(chǎn)施肥機(jī).在后續(xù)試驗(yàn)過(guò)程中，槽輪轉(zhuǎn)速、開(kāi)度以及車速檢測(cè)的準(zhǔn)確性直接影響施肥的控制精度，在減小標(biāo)準(zhǔn)偏差和控制誤差基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展優(yōu)化試驗(yàn);變量追肥機(jī)的主要成本是光譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性難以控制，在以后的研究中應(yīng)對(duì)此進(jìn)行優(yōu)化，為設(shè)計(jì)研制適合國(guó)產(chǎn)追肥機(jī)的變量追肥執(zhí)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)造條件，為加快作物變量施肥機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供參考.

參考文獻(xiàn):

［1］汪懋華.“精細(xì)農(nóng)業(yè)”發(fā)展與工程技術(shù)創(chuàng)新［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15 (1):7-14.

［2］彭望祿，Pierre Robert，程惠賢.農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與精確農(nóng)業(yè)的發(fā)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2001，17(2):9-11.

［3］Blackmore BS.An information system for precision farming［J］.Comp Electron Agr，2000，26(1):37-51.

［4］張睿.智能型變量施肥關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2012.

［5］李世成，秦來(lái)壽.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變量施肥技術(shù)及其研究進(jìn)展［J］.世界農(nóng)業(yè)，2007(3):57-59.

［6］張睿，王秀，趙春江，等.鏈條輸送式變量施肥拋撒機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(6):20-25.

［7］趙雄，陳建能，楊茂祥，等.二階自由非圓齒輪行星系缽苗移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45 (4):123-126.

［8］SADLER E J，CAMP C R，EVANS D E，et al.Variablerate，digitally-controlled fluid metering device［J］.T ASABE，2000，16(1):39-44.

［9］MORRIS D K，ESS D R.Development of a site-specific application system for liquid animal manures［J］.T ASABE，1999，15(6):633-638.

［10］趙軍，于潔，王熙，等.機(jī)械驅(qū)動(dòng)式精密變量施肥播種機(jī)的研制［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，18 (2):49-52.

［11］梁春英，衣淑娟，王熙，等.變量施肥控制系統(tǒng)PID控制策略［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41 (7):157-162.

［12］李愛(ài)傳，王熙，李琳，等.電控液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制器的研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21 (1):66-68.

［13］高自成，李立君，李昕，等.齒梳式油茶果采摘機(jī)采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研制與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29 (10):19-25.

［14］LUKINA E V，F(xiàn)REEMAN K W，WYNN K J.Nitrogen fertilization optimization algorithm based on in-season estimates of yield and plant nitrogen uptake［J］.J Plant Nutr，2001，24(6):885-898.

［15］WILLIAM J F.Overview of automotive sensors［J］.IEEE Sens J，2001，4(1):296-308.

［16］劉成良，苑進(jìn)，劉建政，等.基于ARM和DSP的雙變量施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010 (S1):233-238.

［17］趙登峰.棉花變量施肥關(guān)鍵技術(shù)及裝置研究［D］.石河子:石河子大學(xué)，2012.

［18］馬旭，馬成林，桑國(guó)旗，等.變量施肥機(jī)具的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(1):50-53.

［19］王秀，趙春江，孟志軍，等.精準(zhǔn)變量施肥機(jī)的研制與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(5):114-117.

［20］潘世強(qiáng)，曲桂寶，孫振中，等.2BFJ－6型變量施肥精密播種機(jī)的研制［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2009(6):66-69.

［21］RAUN W R，SOILE J B，STONE M L，et al.Optical sensor-based algorithm for corp nitrogen fertilization［J］.Commun Soil Sci Plan，2005，36(19/20):2759-2781.

【責(zé)任編輯霍歡】

Design and experiment of precision fertilizer applicator actuator of rice and wheat

SHI Yinyan1，CHEN Man1，WANG Xiaochan1，2，SUN Guoxiang1，2，DI Jiao1，YU Haiming1
(1 College of Engineering，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031，China; 2 Jiangsu Province Engineering Laboratory for Modern Facilities Agricultural Technology and Equipment，Nanjing 210031，China)

Abstract:【Objective】To meet the requirements of precision fertilizer apparatus’s real-time variable additional fertilizer in the process of rice and wheat growth.【Method】A new type of shaft segmentation variable fertilizer applicator’s actuator was designed，whose overall structures of variable fertilization executing agencies and field theory was described.The structure and parameters of its key components were analyzed and identified.A fertilizer discharge performance test and field additional fertilizer tests were carried out with nitrogen fertilizer.【Result and conclusion】The precision fertilizer applicator actuator could realize double regulation of slot wheel speed and jaw opening of conventional grooved wheel fertilizer discharge apparatus.The control accuracy of the overall system exceeded 90%.Fertilizer quantity adjusted dynamically in real time was helpful for managing and using fertilizer sufficiently.The precision fertilizer applicator actuator can achieve acute additional fertilizer in precise agriculture and realize the design requirements.

Key words:rice and wheat variable additional fertilization; actuator; field operation; double regulation; precision agriculture

基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAD08B04-8) ;江蘇省前瞻性研究項(xiàng)目(SBY201220290) ;江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(KYLX_0518)

作者簡(jiǎn)介:施印炎(1990—)，男，碩士研究生，E-mail: 2013112034@ njau.edu.cn;通信作者:汪小旵(1968—)，男，教授，博士，E-mail: wangxiaochan@ njau.edu.cn

收稿日期:2014-12-14

文章編號(hào):1001-411X(2015) 06-0119-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號(hào):S224.22; TP271