2F-12型變量施肥試驗臺試驗

初金哲，莊衛東，衣淑娟，王 熙，趙 軍

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163000)

0 引言

隨著種植業的快速發展，土壤里養分無法滿足作物的生長需求，化肥的出現及時解決了這個問題。各種化肥中的元素極大地補充了作物生長所需，促進了作物的生長，提高了經濟效率和勞動生產率。但是，化肥的大量施用導致了土壤肥力下降及土壤板結等現象,過量的化肥也有的被沖入河道中，造成河水的富營養化，帶來了嚴重的環境問題。因此，合理有效地施用化肥成為當下農業工程領域關注的課題，變量施肥技術也成為人們關注和研究的熱點。變量施肥是精確農業的核心之一[1-4]。

精準農業技術的應用領域非常廣闊，在施肥方面的應用，就是變量施肥技術，是精準農業的最為重要的部分。根據土壤的肥力和農作物的生長情況有調節性地施肥[8]，土壤也會隨著時間呈現顯著的空間變異性，肥力的高低、土壤理化條件、關鍵期的墑情，會對施肥效果產生較大的影響。實施變量施肥技術，可以減少肥料使用量，并充分地發揮肥料的效果[8]。

我國傳統的肥料施用方式較粗放，將多種肥料混合一次完成施肥作業，化肥平均施用量已達434.3kg/hm2，利用率僅為30%～35%；而美國平均施用量小于150kg/hm2，利用率達到50%～60%[15]。化肥利用率不高不僅造成經濟上的巨大損失，且帶來嚴重的地下水污染。常規施肥方式往往造成某些營養成分過剩，而其他營養成分缺失。精準施肥是根據土壤養分含量，實施按需變量施肥，可大大提高肥料利用率、減少肥料的浪費及對環境的不良影響。試驗表明：相同產量條件下，精準施肥可使農資投入成本降低15%～20%，化肥施用量減20%～30%，經濟、社會和生態效益顯著[15]。

變量施肥在國外已經有較多的研究和應用，我國在變量施肥機變量作業控制、定位與位置分析、信息采集等方面，也開展了較多研究[13-15]。

目前，國內外對變量施肥技術越來越重視，同時變量施肥也受到廣泛關注。這種方法優點是提高化肥利用率，提高工效，減輕勞動強度，施肥均勻準確，減少化肥污染，改善生態環境，具有較好的生態效益和社會效益[6]。

為了彌補傳統施肥方法的不足，研制了2F-12型變量施肥試驗臺，用以提高化學肥料的利用率，提高農業生產的經濟效益和環境效益、簡化施肥操作步驟及降低勞動強度，并在提高變量施肥控制系統的開發設計能力的同時，為田間變量施肥機具的大面積推廣提供技術儲備，提高我國現代農業施肥的技術水平[5]。

1 整體結構和工作原理

1.1 整體結構

12F-12型變量施肥試驗臺由箱體、排肥裝置、液壓系統、電控系統、車載計算機，以及施肥監視系統組成，主體結構如圖1所示，電控系統如圖2所示。

1.肥箱 2.電液比例閥 3.液壓馬達 4.量杯 5.排肥管 6.肥管狀態傳感器 7.排肥氣 8.排肥氣開口調節裝置 9.電控系統圖1 2F-12變量施肥試驗臺主體結構Fig.1 Main structure of 2F-12 variable fertilizer test stand

1.施肥監測終端 2.輪速模擬器 3.電源開關 4.車載計算機圖2 電控系統結構Fig.2 Electronic control system structure

1.2 工作原理

肥箱裝滿肥料，肥料通過重力下落進入排肥器，接通電源通過電控系統控制排肥器開始運作；肥料落入排肥器齒輪凹槽中通過液壓馬達提供動力由電機帶動齒輪旋轉，通過上位機給定變量施肥控制系統一個GPS速度，模擬機車行駛速度值，從而調節排肥器電機轉速，用改變行駛速度的方式來調節排肥器的施肥量；肥料通過排肥口下落在試驗臺的量杯中，通過施肥監視終端設備觀測排肥器能否順利排肥。2F-12型變量施肥試驗臺主要操作是通過車載計算機施肥控制系統來進行操控的，所以本研究重點是施肥控制系統如何通過操控試驗臺來實現變量施肥。

2 參數及主要部件設計

2.1 試驗臺的主要技術參數

試驗臺主要參數，如表 1所示。

表1 試驗臺主要技術參數Table 1 Main technical parameters of test stand

2.2 主要部件設計

2.2.1 排肥器

排肥器是施肥試驗臺的核心機構，根據試驗條件選擇外槽輪排肥器，外槽輪排肥器具有流動性好、結構簡單及施肥均勻的特點。2F-12型變量施肥試驗臺選擇市面常見的鑄塑型外槽輪排肥器，由于外槽輪排肥器整體是以塑料為主，可以有效地預防和改善肥料對排肥器內壁的腐蝕和黏著，可以更好地滿足試驗要求[4]。配合電機與液壓馬達合理組裝結合，用與之配套的變量施肥控制系統控制，實現單排路施肥量可以單獨調節。

2.2.2 變量施肥控制系統

變量施肥控制系統是試驗臺能夠順利進行變量施肥試驗的核心技術，通過控制系統可以精準調節電機轉速，達到預期施肥要求；在施肥控制器的顯示屏幕上，能夠看到屏幕上顯示當前的肥料類型、肥料名稱、目標轉速、運行時間、倒計時及實時轉速的設置界面，可以通過觸摸屏簡單、便捷地設定相關參數(見圖3)，以達到變量施肥的效果。

2.2.3 施肥監測器

施肥監測器是試驗臺能否順利進行變量施肥實驗的關鍵技術，在排肥器和排肥管之間安裝一個肥料狀態傳感器，在車載計算機旁邊安裝一個施肥監測終端裝置來進行能否順利施肥的監測。其中，肥料狀態傳感器為一個光電傳感器，連接施肥監控系統，將尿素裝入肥箱，將排肥軸動力裝置連接液壓泵站，打開監控系統顯示屏。具體操作方法：先啟動發動機，再打開顯示器右下角的電源開關啟動系統，啟動后系統先顯示軟件版本，然后做一個自檢：所有指示燈都會亮一下，喇叭也會唧唧叫一聲，接著所有的燈會熄滅，最后只有探頭連接行的指示燈會再次亮起來，亮的指示燈指示檢測到的施肥行。同時，屏幕的第1行顯示所連探頭的數量，第2行顯示所連的施肥機行。其正常施肥時，相應施肥行的燈會一閃一閃指示播肥狀態。當所有行都不下肥時(通常是到地頭了，喇叭會唧唧叫12聲然后消音)；當有些行下肥、有些行不下肥時，不下肥行的指示燈停止閃爍或閃爍的很慢，警報也會響起，通常需要停下來檢查“燈不閃”的施肥行是否出現了故障。

圖3 變量施肥系統主界面Fig.3 Main interface of variable rate fertilization system

3 施肥性能試驗

3.1 試驗條件

2016年6月21日，在黑龍江八一農墾大學工程學院112實驗室進行了2F-12型變量施肥試驗臺的室內試驗。試驗肥料經過篩選選取粒度范圍 0.85～2.80mm、氮含量≥46.4%、含水量≤0.4%。符合國家標準 GB2440-2001 農用優等尿素，進行室內變量施肥試驗。測試試驗臺在不同行駛速度和目標施肥量下的排肥量情況。

3.2 試驗方案

根據 NY/T1003-2006《中華人民共和國農業行業標準 -施肥機械質量評價技術規范》的規定，對2F-12型變量施肥試驗臺進行變量施肥試驗。連接施肥監控系統及施肥控制器，將尿素裝入肥箱，將排肥軸動力裝置連接液壓泵站，將排肥器的排肥口打開，開啟施肥控制器，設定肥料類型、肥料名稱、目標轉速及運行時間等參數，點擊啟動按鈕，排肥軸開始轉動；在試驗臺開始運作 5 s 之后，排肥器運作穩定時開始試驗。

本機構中施肥機每公頃的排肥量Q為

(1)

式中q—排肥器的排肥量 (kg/min);

v—機具前進速度 (km/h);

B—施肥機行距 (m);

N—排肥器個數。

通過變量施肥試驗臺的測試試驗確立排肥軸轉速與每公頃排肥量，模擬機具前進速度之間的函數關系，測量各個因素對排肥量的影響，找出機具前進速度與排肥量之間的關系，然后帶入式(1) 建立數學模型。

3.3 試驗方法

連接施肥監控系統及施肥控制器，將尿素裝入肥箱，將排肥軸動力裝置連接液壓泵站，將排肥器的排肥口打開，開啟施肥控制器，設定肥料類型、肥料名稱、目標轉速及運行時間等參數；點擊啟動按鈕，排肥軸開始轉動，在試驗臺開始運作 5 s 之后，排肥器運作穩定時開始試驗。將排肥器的開度定位55mm，開啟施肥控制器，設定最大排量標定，在筆記本電腦中調整GPS速度模擬機車行駛速度，通過串口調入變量施肥控制系統中行駛速度調控范圍為0～11km/h，運行時間60s，排出肥料為尿素。點擊啟動按鈕，排肥軸開始轉動，在試驗臺開始運作 5 s 之后，排肥器運作穩定時開始試驗，以60s 為每組測試時間，在排肥器開度大小相同時改變不同的行駛速度進行相同測試，把觸控屏幕顯示的行駛速度數值和馬達轉速依次記錄下來。每種行駛速度進行3組測試，對排肥器的排肥量進行收集記錄并對所得數據進行數據分析。

3.3.1 確定機具前進速度對排肥量的影響

對于尿素，當排肥器的開度定位在55mm，確定目標施肥量，參數機具行駛速度調整范圍為0～11km/h時，采集到的排肥量。對采集到的數據與目標數據進行殘差分析，如表2和圖4所示。

續表2

圖4 殘差散點圖Fig.4 Residual scatter plot

3.3.2 確定機具前進速度對排肥量的影響

確定機車行駛速度為7km/h，改變目標施肥量調整范圍為350～460kg/hm2，采集排肥量。對采集到的數據與目標數據進行殘差分析，如表3和圖5所示。

表3 目標施肥量與實際施肥量之間的殘差Table 3 Residual between target fertilization and actual fertilization

續表3

圖5 殘差散點圖Fig.5 Residual scatter plot

分析結果可以看出：目標施肥量一定時，改變機車行駛速度得到實際施肥量與目標施肥量之間的殘差值小于3%；行駛速度一定時，改變目標施肥量得到實際施肥量與目標施肥量之間的殘差值小于3%。

4 結論

設計了一臺符合國家農業機械施肥標準的2F-12型變量施肥試驗臺，可以模擬機車在不同行駛速度下的施肥作業。該試驗臺通過變量施肥控制系統，可以對不同機車行駛速度下的施肥進行試驗，為今后的田間變量施肥機械的設計與研發提供了參考。試驗結果表明：研制的2F-12型變量施肥試驗臺技術先進、性能可靠、操作方便且具有較高的控制精度，滿足設計要求。