稻麥精準變量施肥機排肥性能分析與試驗

施印炎 陳 滿 汪小旵，3 ODHIAMBO M O 章永年 丁為民，3

(1．南京農業大學工學院，南京210031;2．農業部南京農業機械化研究所，南京210014; 3．江蘇省現代設施農業技術與裝備工程實驗室，南京210031)

稻麥精準變量施肥機排肥性能分析與試驗

施印炎1陳 滿2汪小旵1，3ODHIAMBO M O1章永年1丁為民1，3

(1．南京農業大學工學院，南京210031;2．農業部南京農業機械化研究所，南京210014; 3．江蘇省現代設施農業技術與裝備工程實驗室，南京210031)

為提高基于近地光譜技術的稻麥精準變量施肥機排肥性能穩定性，改善變量施肥控制精度，建立了外槽輪式變量施肥機離散元仿真模型，運用離散單元法和EDEM 2.2軟件對施肥機排肥過程進行性能分析和數值模擬，研究不同排肥器結構和施肥控制策略對施肥機排肥穩定性的影響，并通過臺架試驗和田間試驗驗證仿真模型的準確性。結果表明:改進后的排肥器施肥量變異性系數明顯減小，標準差減小14.59 g，變異系數降低9.9%;采用轉速優先控制策略，當槽輪開度為19.34mm時，排肥量穩定性系數最佳為1.09%;采用開度優先控制策略，當槽輪轉速為55.75 r/min時，排肥量變異性系數最小為1.85%;與驗證試驗結果相比，誤差最大為14.06%。結果驗證了離散元仿真方法分析顆粒運動過程的準確性，表明所設計改進的排肥器能夠提高施肥機排肥穩定性，滿足稻麥精準變量施肥要求。

變量施肥;外槽輪;施肥穩定性;離散元分析

引言

變量施肥技術作為實施精準農業的核心內容，對實現現代農業可持續發展具有重大意義［1－2］。機械化施肥裝備為實現變量施肥技術提供了可能，現有的變量施肥機排肥方式主要包括外離心式、槽輪式和螺旋式等［3］，國內精準變量施肥機械主要以外槽輪式排肥器作為地表追肥作業的排肥裝置。但外槽輪式排肥結構在低排量、低轉速下的脈動性易產生間歇性排肥，直接影響精準變量施肥穩定性。

為保證稻麥精準變量施肥過程的排肥穩定性，國內外專家學者對槽輪式變量施肥機械做了大量的研究［4－8］，主要集中在整機結構設計以及控制系統的生成方面。近年來，隨著離散元數值計算方法在研究農業顆粒物料運動方面的成熟運用，越來越多的研究者應用離散元法分析離散物料與農機執行機構的交互作用［9－13］。胡永光等［14－15］利用 EDEM離散元仿真軟件對茶園施肥機肥料顆粒的運動及分布進行模擬計算和參數優化，獲得比較理想的茶園撒肥均勻性;苑進等［16－17］應用顆粒離散元法對多種肥料的摻混、排肥過程進行數值模擬，分析了變比變量施肥機的摻混性能和排肥滯后性，并對排肥裝置的關鍵部件參數進行優化;邱白晶、李耀明團隊等［18－20］采用Hertz-Mindlin接觸力學模型模擬了水稻籽粒的碰撞力學過程，得到影響籽粒碰撞力變化的重要因素，并與試驗結果進行對比。這些理論分析對進一步研究精準變量施肥機的整機性能具有關鍵作用。

本文針對本課題組設計的基于近地光譜技術的稻麥精準追肥機作業過程中存在的排肥槽輪排肥量脈動性大、落肥滯后時間長等實際問題［21－23］，應用EDEM離散元分析軟件建立稻麥精準變量施肥機排肥機構的仿真模型，分析肥料顆粒在外槽輪式排肥器中排肥過程，研究不同排肥器結構、施肥量調節方式對變量施肥機排肥穩定性的影響，并進行臺架試驗和田間試驗驗證，以改善稻麥精準變量施肥機的作業性能。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

稻麥精準變量施肥機整機結構如圖1所示，主要包括傳感器、車載CPU、施肥機構、控制系統以及行走機構等主要部件。

1.2 工作原理

軸分段式稻麥精準變量施肥機整機幅寬2 m，作業行數為8行、4行為1組，可獨立調整轉速和開度，各自負責1m的作業區。其工作原理如下:車載計算機接收到Greenseeker光譜傳感器測量的稻麥冠層歸一化植被指數(NDVI)后，通過變量施肥專家決策系統，基于改進的Ruan模型計算實時目標施肥量，再結合相應的傳感器測得當前整機行走速度以及排肥槽輪轉速和開度反饋給控制器(STM32單片機)，形成整個系統的閉環控制，經過決策系統指導相應的控制電動機在線調整作物實時所需的施肥量，實現相對意義上的稻麥精準變量施肥。

2 排肥器結構與排肥特性分析

2.1 排肥器結構設計與改進

排肥器結構設計的合理性直接影響變量施肥的控制精度，結合前期變量施肥作業中槽輪排肥器出現的問題，對使用的典型外槽輪式排肥器結構進行研究，其結構如圖2所示。

圖2 典型排肥槽輪結構簡圖Fig．2 Structure diagram of typical outer groove-wheel

針對變量施肥機作業過程中排肥量脈動性大、排肥穩定性差的問題，為提高外槽輪排肥器的排肥性能，在對典型外槽輪式排肥器進行試驗研究的基礎上，對排肥器結構進行改進，其改進過程如圖3所示。

圖3a為傳統的7槽式外槽輪排肥器，排肥槽有效工作長度為45.8mm，直徑58mm，排肥主軸直徑為17mm，排肥盒寬度為45.16 mm，排肥口直徑為41mm。工作槽輪1與調節槽輪4相互分離(非整體)，通過毛刷貼緊排肥槽輪撥肥，在高速施肥作業時，由于摩擦因數較大易產生高溫變形，分離間隙變大，會出現肥料的泄漏，從而導致施肥量的波動較大，排肥不穩定;圖3b將槽輪一體化加工，增加了阻塞套和排肥擋板，阻塞套內徑為52mm，外徑與排肥槽輪外徑均為58 mm，擋肥板寬度與排肥盒寬度相等，為45.16mm;圖3c用排肥舌代替了原有的塑料毛刷，寬度為45mm，避免了排肥過程中肥料顆粒的泄漏，依靠彈簧張力，保證了排肥腔的可靠填充和順利撥肥，意在提高排肥器的排肥性能。

圖3 外槽輪排肥器結構對比Fig．3 Structure comparisons of outer groove-wheel

2.2 排肥特性分析

為實現對軸分段式變量施肥機精確控制，對施肥機的工作機理進行準確分析，建立雙變量施肥機的排肥模型。外槽輪式排肥器排肥量調節主要包括排肥器有效工作長度(槽輪開度)和排肥槽輪轉速。對相應的排肥量模型進行分析:

根據農業機械設計基礎知識分析，通過外槽輪排肥器排肥理論推導公式計算單位面積施肥單元目標施肥量，計算公式為

式中 Q——單位面積目標施肥量，kg/hm2

q——單個排肥器單位時間排肥量，kg/min

B——施肥幅寬，m

v——整機行走速度，km/h

N——排肥器個數

kv——整機前進打滑率

文獻［21］提到，在不考慮排肥軸轉速變化、整機振動等外界因素影響導致的排肥量非線性跳動情況下，單個排肥器的排肥量與主軸轉速存在關系

式中 n——排肥主軸轉速，r/min

k——標定擬合直線斜率

b——標定擬合直線截距

綜合上文的分析，可以通過直流電動機控制主軸轉速、步進電動機控制槽輪開度，結合相應的標定試驗，將排肥量數值準確量化計算，實現相對意義上的稻麥精準變量施肥。

3 變量施肥機離散元模型建立與仿真試驗設計

3.1 離散元仿真基本理論

顆粒離散單元法(Discrete element method，DEM)是用于模擬顆粒系統仿真分析的一種物體系統動力學數值計算方法，將互相接觸在一起的實體單元視為離散顆粒群，考慮顆粒的形狀、屬性、粒徑分布等因素，根據牛頓第二定律求解每個顆粒的受力、位置和速度等變化，通過建立顆粒系統的參數化模型，進行顆粒行為模擬與分析［24］。其基本原理主要有顆粒接觸模型和牛頓第二定律。

根據力-位移關系，可以由位移得到顆粒受到的作用力，在這個過程中要用到的位移則可以根據牛頓第二定律計算得出。顆粒i的運動方程為

mi、Ii——顆粒i的質量和轉動慣量

常用中心差分法對式(3)進行數值積分，得到顆粒新的位移，代入力-位移關系計算新的作用力，如此反復循環，實現跟蹤每個顆粒在任意時刻的運動。

3.2 仿真模型的建立與物料特性參數的選擇

根據EDEM離散元仿真分析的一般計算方法，在參數化建模軟件Pro/E中建立外槽輪排肥器的三維實體模型，按照必要的虛擬約束和驅動進行裝配，以．igs格式導入EDEM求解環境中，裝配組件如圖4所示。

以南方地區常用的顆粒復合肥為研究對象，參照文獻［14－17］的試驗方法，為簡化計算過程，等效其為球型顆粒，隨機采樣對復合肥顆粒的物理特性參數進行測定，槽輪、機體、地面相關屬性參數如表1所示。采用EDEM軟件默認的Hertz-Mindlin無滑動接觸模型進行肥料顆粒的仿真分析，設定顆粒工廠顆粒總數為100 000，外槽輪式排肥器運動為轉動與直線移動(機具行進運動)的合成運動，參數設置貼近實際田間運動，增強模擬仿真過程的準確性。

圖4 排肥器裝配仿真圖Fig．4 Assembly and simulation drawings of fertilizer apparatus

表1 物料特性參數Tab．1 Material properties of particles

3.3 排肥過程仿真試驗設計

對所設計和改進的3種槽輪式排肥器(圖3)分別導入EDEM軟件中進行排肥作業仿真。每組試驗重復5次，通過收集虛擬地面樣本排肥量的質量取平均值，計算各排肥器排肥量穩定性變異系數。

通過改變槽輪開度和轉速對排肥量進行雙變量控制。轉速優先控制策略是在每個轉速下改變排肥器不同開度，計算施肥機排肥量的變異性，確定最佳開度，保持此開度不變，通過調節轉速來實現變量施肥;開度優先控制策略則相反。對所選用的槽輪式排肥器分別進行轉速優先控制、開度優先控制調節，同樣收集虛擬地面排肥質量，計算各控制策略下施肥機排肥量穩定性變異系數。

排肥量穩定性變異系數作為評價變量施肥機械性能的重要指標之一，計算公式為

式中 Cv——變異系數 σ——標準差，g

N——樣本數量

4 仿真結果與分析

4.1 排肥器結構仿真分析

根據上文的試驗方案，在保持各個槽輪開度、轉速一致的情況下，對不同結構形式的槽輪排肥器排肥過程進行仿真分析，其排肥量標準差和變異系數統計結果如圖5所示。

圖5 不同外槽輪排肥器排肥量仿真分析結果Fig．5 Analysis results of fertilizer amount in different structures

由圖5可以看出，相比于常用的外槽輪式排肥器a，改進后的排肥器b、c的排肥性能有了明顯提高。外槽輪a的排肥量標準差最大值為29.39 g，最小值為18.09 g，平均值為23.88 g;相應的變異系數的最大值為18.39%，最小值為8.57%，平均值為12.49%。而外槽輪 b排肥量的標準差較小，其均值為11.47 g;排肥量變異性小，變異系數平均值為3.39%;外槽輪 c的排肥量標準差最小，均值為9.29 g;排肥量變異性也最小，變異系數平均值為2.53%。外槽輪b比外槽輪a排肥量標準差均值降低了51.97%，變異系數均值降低了72.86%;而外槽輪 c比外槽輪 a排肥量標準差均值降低了61.1%，變異系數均值降低了79.74%。由此可見，改進后的外槽輪c的排肥性能最佳，其排肥量穩定性變異系數最大，為3.01%，很好地提高了變量施肥機排肥穩定性。

4.2 控制策略仿真分析

4.2.1 轉速優先控制仿真分析

變量施肥機在不同槽輪開度下排肥量變異系數統計分析結果如圖6所示。通過改變排肥器不同槽輪開度，施肥機排肥量變異系數最大值為15.25%，變異系數均值的最大值為 7.08%，最小值為0.97%，變異系數的方差最大值為2.32%2。由圖6可以看出，當排肥器開度為45.16mm時，施肥機排肥量變異系數最大值、均值和方差都出現最小值，分別為1.94%、0.97%和0.31%2。綜合考慮實際外槽輪式排肥器調節機構，為避免槽輪開度調節過大出現卡死或者斷槽現象，故選擇槽輪開度為19.34 mm，排肥量變異系數最大值、均值和方差僅大于槽輪開度為45.16mm時，分別為1.98%、1.09%和0.38%2。所以在轉速優先控制策略時，為提高變量施肥機相對最優的排肥穩定性，槽輪開度應保持19.34mm不變。

圖6 不同開度施肥機施肥量變異系數仿真曲線Fig．6 Variation coefficient simulation curves of fertilization under different openings

4.2.2 開度優先控制仿真分析

變量施肥機在不同槽輪轉速下排肥量變異系數統計分析結果如圖7所示。通過改變排肥器不同的槽輪轉速，施肥機排肥量變異系數最大值為10.49%，變異系數均值的最大值為3.81%，最小值為1.84%，變異系數的方差最大值為4.17%2。由圖7可以看出，施肥機開度優先控制策略時排肥量變異系數普遍大于速度優先控制策略，但是排肥性能穩定性高，變異系數方差波動小。當排肥槽輪轉速為55.75 r/min時，施肥機排肥量變異系數最大值、均值和方差都出現最小值，分別為 6.25%、1.85%和1.42%2。所以，變量施肥機在此槽輪轉速具有相對最優的排肥穩定性，因而在開度優先控制策略時，槽輪轉速應保持55.75 r/min不變。

稻麥精準變量施肥機在控制系統獲得作物冠層NDVI值后，通過施肥專家決策系統計算目標施肥量，結合行進速度，實時推算排肥器的目標轉速和開度，實現精準變量施肥。

圖7 不同轉速施肥機施肥量變異系數仿真曲線Fig．7 Variation coefficient simulation curves of fertilization at different rotating speeds

5 臺架試驗與田間試驗

為驗證稻麥精準變量施肥機排肥器離散元仿真試驗的準確性，分別于2016年3月6日在南京農業大學工學院農機實驗室進行臺架試驗，2016年3月15日在江蘇省金壇南京農業大學合作基地祥華家庭農場進行田間試驗，作業現場如圖8所示。試驗地勢平坦，試驗地面積5 000m2，以當地慣用的復合顆粒肥為試驗對象，測試方法及指標參照 GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》和相關施肥機械試驗方法制定標準進行，通過改變不同的作業參數，對接肥桶里的復合肥質量進行稱量統計分析，每組試驗重復3次，計算施肥機排肥量穩定性變異系數。

圖8 驗證試驗現場圖Fig．8 Working pictures of validation test

圖9 不同外槽輪排肥器排肥量臺架試驗結果Fig．9 Test result of fertilizer amount in different structures

實驗室臺架試驗過程中，在同一根排肥主軸上安裝3種不同結構形式的外槽輪排肥器，重復測量接肥桶的排肥量，變異系數統計結果如圖9所示，外槽輪 a的排肥量穩定性變異系數的最大值為22.58%，平均值為16.80%。而外槽輪b的排肥量的變異系數相比于外槽輪a降低了10.87個百分點，外槽輪c的排肥變異性最小，相比于外槽輪a降低了13.12個百分點，同樣說明了改進后的外槽輪c的排肥性能最好，提高了變量施肥機排肥穩定性。相比于圖5分析結果，臺架試驗的整體排肥穩定性有所降低。

針對上述現象，對實驗室臺架試驗、田間驗證試驗結果統計分析，與離散元虛擬仿真結果進行對比3組試驗，每組試驗5次，取平均值，對比結果如表2所示。

表2 驗證結果對比Tab．2 Com parison of verification result

由表2可以看出，改進后的排肥槽輪c采用速度優先控制策略、開度優先控制策略時，臺架試驗與虛擬仿真試驗相比較，排肥量穩定性變異系數誤差分別為9.52%和5.50%;田間試驗與虛擬仿真試驗相比較，排肥量穩定性變異系數誤差分別為14.06%和13.60%。對比發現3種試驗情況下(田間試驗、臺架試驗和虛擬仿真試驗)，排肥器排肥量穩定性變異系數和誤差依次增大，這是因為離散元仿真試驗采用的是理想模型，而實際試驗中客觀因素，比如顆粒肥料的不規則、機械結構加工誤差、測量儀器的檢驗誤差等，導致施肥機排肥穩定性的相對降低，但是其結果仍具有一定的實用參考價值。

通過對表2數據結果的進一步挖掘，發現開度優先控制策略時的排肥量穩定性變異系數較速度優先控制時大，但是其誤差較小，變異系數波動范圍小，這與之前離散元仿真結果一致，驗證了仿真分析模型對施肥機排肥性能預測的準確性。

6 結論

(1)運用參數化建模軟件Pro/E 5.0以及離散元仿真軟件EDEM 2.2，建立稻麥精準變量施肥機排肥器離散元仿真模型，對改進后的外槽輪排肥器進行排肥特性運動仿真分析。

(2)基于離散元法對施肥機排肥性能進行研究，仿真試驗表明:改進后的外槽輪式排肥器排肥量標準差減小了14.59 g，變異系數平均值降低了9.9%，排肥穩定性最好;采用轉速優先控制策略，當排肥開度為19.34 mm時，施肥機排肥變異系數最小，為1.09%，排肥穩定性最好;采用開度優先控制策略，當排肥槽輪轉速為55.75 r/min時，施肥機排肥量變異系數出現最小值，為1.85%，排肥穩定性最好。

(3)改進后的排肥槽輪驗證試驗表明，與仿真試驗排肥量穩定性變異系數相比，臺架試驗誤差分別為 9.52%和 5.50%，田間試驗誤差分別為14.06%和13.60%，且改進后的排肥器排肥量穩定性變異系數變化趨勢與離散元仿真分析結果一致，驗證了離散元仿真模型對施肥機排肥性能預測的準確性。

1 McBRATNEY A，WHELAN B，ANCEV T，et al．Future directions of precision agriculture［J］．Precision Agriculture，2005，6 (1):7－23．

2 BLACKMORE B S．An information system for precision farming［C］∥Presented at the Brighton Crop Protection Conference on Pests and Diseases，Brit Crop Protect Council，1996:18－21．

3 BOUROUBIY，TREMBLAY N，VIGNEAULT P，et al．Fuzzy logic approach for spatially variable nitrogen fertilization of corn based on soil，crop and precipitation information［J］．Computational Science and Its Application，2011，6782:356－368．

4 齊興源，周志艷，楊程，等．稻田氣力式變量施肥機關鍵部件的設計與試驗［J/OL］．農業工程學報，2016，32(6):20－26．http:∥www．tcsae．org/nygcxb/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20160603＆journal_id=nygcxb．DOI:10．11975/j．issn．1002-6819．2016．06．003．QI Xingyuan，ZHOU Zhiyan，YANG Cheng，et al．Design and experiment of key parts of pneumatic variable-rate fertilizer applicator for rice production［J/OL］．Transactions of the CSAE，2016，32(6):20－26．(in Chinese)

5 JONES JR，LAWRENCE H G，YULE IJ．A statistical comparison of international fertiliser spreader testmethods—confidence in boutwidth calculations［J］．Powder Technology，2008，184(3):337－351．

6 古玉雪，苑進，劉成良．基于模糊系統的開度轉速雙變量施肥控制序列生成方法［J］．農業工程學報，2011，27(11):134－139．GU Yuxue，YUAN Jin，LIU Chengliang．FIS-based method to generate bivariate control parameters regulation sequence for fertilization［J］．Transactions of the CSAE，2011，27(11):134－139．(in Chinese)

7 YUAN J，LIU C L，LIY M，et al．Gaussian processes based bivariate control parameters optimization of variable-rate granular fertilizer applicator［J］．Computers and Electronics in Agriculture，2010，70(1):33－41．

8 王金武，潘振偉，周文琪，等．SYJ-2型液肥變量施肥機設計與試驗［J/OL］．農業機械學報，2015，46(7):53－58．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150708＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．07．008．WANG Jinwu，PAN Zhenwei，ZHOUWenqi，etal．Design and testof SYJ-2 type liquid variable fertilizer［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(7):53－58．(in Chinese)

9 胡建平，周春健，侯沖，等．磁吸板式排種器充種性能離散元仿真［J/OL］．農業機械學報，2014，45(2):94－98．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20140216＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．02．016．HU Jianping，ZHOU Chunjian，HOU Chong，et al．Simulation analysis of seed-filling performance ofmagnetic plate seed-metering device by discrete elementmethod［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(2):94－98．(in Chinese)

10 JONATHAN H．Using discrete element modeling to evaluate material distribution using spinner-disc spreaders［D］．Auburn: Auburn University，2012．

11 陳進，周韓，趙湛，等．基于EDEM的振動種盤中水稻種群運動規律研究［J］．農業機械學報，2011，42(10):79－83．CHEN Jin，ZHOU Han，ZHAO Zhan，et al．Analysis of rice seedsmotion on vibrating plate using EDEM［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42(10):79－83．(in Chinese)

12 Van LIEDEKERKE P，TIJSKENSE，RAMON H．Discrete element simulations of the influence of fertiliser physical properties on the spread pattern from spinning disc spreaders［J］．Biosystems Engineering，2009，102(4):392－405．

13 COETZEE C J，LOMBARD S G．Discrete element method modelling of a centrifugal fertiliser spreader［J］．Biosystems Engineering，2011，109(4):308－325．

14 胡永光，楊葉成，肖宏儒，等．茶園施肥機離心撒肥過程仿真與參數優化［J/OL］．農業機械學報，2016，47(5):77－82．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20160511＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2016．05．011．HU Yongguang，YANG Yecheng，XIAO Hongru，etal．Simulation and parameter optimization of centrifugal fertilizer spreader for tea plants［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(5):77－82．(in Chinese)

15 楊葉成．茶園離心撒肥裝置工作參數優化與試驗研究［D］．鎮江:江蘇大學，2016．YANG Yecheng．Operating parameter optimization and experiment on centrifugal fertilizer distributor for tea fields［D］．Zhenjiang:Jiangsu University，2016．(in Chinese)

16 苑進，劉勤華，劉雪美，等．多肥料變比變量施肥過程模擬與排落肥結構優化［J/OL］．農業機械學報，2014，45(11): 81－87．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20141113＆journal_id=jcsam．DOI: 10．6041/j．issn．1000-1298．2014．11．013．YUAN Jin，LIU Qinhua，LIU Xuemei，et al．Granularmulti-flows fertilization process simulation and tube structure optimization in nutrient proportion of variable rate fertilization［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(11):81－87．(in Chinese)

17 苑進，劉勤華，劉雪美，等．配比變量施肥中多肥料摻混模擬與摻混腔結構優化［J/OL］．農業機械學報，2014，45(6): 125－132．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20140620＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．06．020．YUAN Jin，LIU Qinhua，LIU Xuemei，et al．Simulation ofmulti-fertilizers blending process and optimization of blending cavity structure in nutrient proportion of variable rate fertilization［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(6):125－132．(in Chinese)

18 馬征，李耀明，徐立章．農業工程領域顆粒運動研究綜述［J/OL］．農業機械學報，2013，44(2):22－29．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20130205＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2013．02．005．MA Zheng，LI Yaoming，XU Lizhang．Summarize of particle movement research in agricultural engineering realm［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(2):22－29．(in Chinese)

19 邱白晶，姜國微，楊寧，等．水稻籽粒流對承載板沖擊過程離散元分析［J］．農業工程學報，2012，28(3):44－49．QIU Baijing，JIANG Guowei，YANG Ning，et al．Discrete elementmethod analysis of impact action between rice particles and impact-board［J］．Transactions of the CSAE，2012，28(3):44－49．(in Chinese)

20 趙湛，李耀明，陳義，等．水稻籽粒碰撞力學特性研究［J/OL］．農業機械學報，2013，44(6):88－92．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20130617＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2013．06．017．ZHAO Zhan，LIYaoming，CHEN Yi，et al．Impactmechanical characteristics analysis of rice grain［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(6):88－92．(in Chinese)

21 施印炎，陳滿，汪小旵，等．稻麥精準追肥機執行機構的設計與試驗［J］．華南農業大學學報，2015，36(6):119－124．SHIYinyan，CHEN Man，WANG Xiaochan，et al．Design and experiment of precision fertilizer applicator actuator of rice and wheat［J］．Journal of South China Agricultural University，2015，36(6):119－124．(in Chinese)

22 陳滿，施印炎，汪小旵，等．基于光譜探測的小麥精準追肥機設計與試驗［J/OL］．農業機械學報，2015，46(5):26－32．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150505＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．05．005．CHEN Man，SHIYinyan，WANG Xiaochan，et al．Design and experiment of variable rate fertilizer applicator based on crop canopy spectral reflectance［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(5):26－32．(in Chinese)

23 陳滿，施印炎，汪小旵，等．冬小麥精準追肥機專家決策系統［J/OL］．農業機械學報，2015，46(7):17－22．http:∥www．jcsam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150703＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．07．003．CHEN Man，SHIYinyan，WANG Xiaochan，et al．Expert decision system of variable nitrogen application in winter wheat［J/ OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(7):17－22．(in Chinese)

24 王成軍，劉瓊，馬履中，等．棉籽顆粒在三自由度混聯振動篩面上的運動規律［J/OL］．農業工程學報，2015，31(6):49－56．http:∥www．tcsae．org/nygcxb/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150607＆journal_id=nygcxb．DOI:10．3969/j．issn．1002-6819．2015．06．007．WANG Chengjun，LIU Qiong，MA Lüzhong，et al．Cottonseed particlemotion law in 3-DOF hybrid vibration screen surface［J/ OL］．Transactions of the CSAE，2015，31(6):49－56．(in Chinese)

Analysis and Experiment of Fertilizing Performance for Precision Fertilizer Applicator in Rice and Wheat Fields

SHIYinyan1CHENMan2WANG Xiaochan1，3ODHIAMBOM O1ZHANG Yongnian1DINGWeimin1，3
(1．College of Engineering，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031，China 2．Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China 3．Jiangsu Province Engineering Laboratory for Modern Facilities Agricultural Technology and Equipment，Nanjing 210031，China)

As one of the most widely applied technology at present，near-earth spectrum detection technology has been used in precise variable fertilizer applicator for rice and wheat．In order to improve fertilizing performance stability and control precision of variable rate fertilizer applicator，the discrete element simulation model of outer groove-wheel variable applicator was established．To achieve the optimal structure of outer groove-wheel fertilizer apparatus，the discrete elementmethod(DEM)and EDEM 2.2 softwarewere put into use to analyze and numerically simulate the fertilizing performance．The effect of different fertilizer apparatus structures and control strategies for fertilizing on the stability of variable fertilization was studied，and with bench test and field trial to verify the accuracy of simulation model．The results showed that the fertilization variability of improved apparatus was significantly decreased，and the standard deviation was decreased by 14.59 g，the variation coefficientwas reduced by 9.9%．When the control strategy of speed priority was adopted，as the groove-openingwas19.34mm，it had the optimum fertilizer stability of 1.09%．When the control strategy of groove-opening priority was adopted，as the rotary speed of groove-wheel was 55.75 r/min，the minimal fertilizer variability was 1.85%．And compared with the verification test results，the errorswere less than 8.87%，9.52%and 5.50%，respectively，verifying the accuracy of simulation and analysis for particle movement process in agricultural equipment using the DEM．The study illustrated that the improved fertilizer apparatus could perfect the stability of fertilizer and satisfy the demands of precision variable fertilization．

variable fertilization;outer groove-wheel;stability of fertilization;discrete element analysis

S183;S121

A

1000-1298(2017)07-0097-07

2016-11-08

2017-01-04

國家重點研發計劃項目(2016YFD0200602-4)、“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B04-8)和江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX16_1017)

施印炎(1990—)，男，博士生，主要從事農業機械化及其自動化研究，E-mail:2015212011@njau．edu．cn

汪小旵(1968—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業生物環境模擬與控制研究，E-mail:wangxiaochan@njau．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．012