吳 南 林 靜 李寶筏

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 沈陽(yáng) 110866； 2.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系，丹東 118009)

0 引言

科學(xué)施肥是保護(hù)性耕作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是提高作物產(chǎn)量的重要因素之一。精量穴施肥技術(shù)是一種提高肥料利用率、保護(hù)土壤環(huán)境的有效途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保和改土”農(nóng)業(yè)綜合目標(biāo)具有重要意義[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)免耕播種施肥主要采用側(cè)位分施，一般為側(cè)深施，采取粗放的條溝施肥方式一次播排混合肥料，沒(méi)有針對(duì)特定種子，易造成營(yíng)養(yǎng)成分過(guò)剩，肥料利用率不高，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，而且使土壤環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)平衡受到破壞，長(zhǎng)期如此將造成嚴(yán)重的地下水污染、土壤礦化變硬、破壞耕層等問(wèn)題[4-13]。

穴施肥技術(shù)針對(duì)每一粒種子施用一定量的肥料，可以提高肥料利用率，降低化肥使用成本，改善因化肥施用不當(dāng)造成的農(nóng)業(yè)污染問(wèn)題[14]。張勛等[15]設(shè)計(jì)了穴播穴施肥裝置控制系統(tǒng)，在窩眼輪式排肥裝置上增加了肥料二次定位機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了穴播穴施肥控制功能。李沐桐等[16]通過(guò)試驗(yàn)分析穴施肥控制機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，研究施肥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作參數(shù)對(duì)施肥控制精度的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了玉米苗期自動(dòng)穴施肥控制機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對(duì)中耕作物的自動(dòng)穴施肥。胡紅等[17]設(shè)計(jì)了一種玉米行間定點(diǎn)扎穴深施追肥機(jī)，能夠在行間距600 mm的玉米行間進(jìn)行追肥作業(yè)，1次完成2行玉米扎穴追肥。開(kāi)魯縣吉祥農(nóng)機(jī)制造有限責(zé)任公司[18]發(fā)明了一種直插式中耕穴施肥機(jī)，可將化肥精確地施在農(nóng)作物附近，提高化肥吸收率。張培坤[19]發(fā)明了一種起壟施肥機(jī)用穴施肥機(jī)構(gòu)，通過(guò)在肥料出口設(shè)置肥料擴(kuò)散堵盤(pán)，利用凸輪控制堵盤(pán)升降實(shí)現(xiàn)穴施肥?；趪?guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)穴施肥裝置的研究，本文結(jié)合玉米穴播穴施肥技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一種穴施肥控制系統(tǒng)，通過(guò)穴施肥控制算法實(shí)現(xiàn)穴施肥位置控制。通過(guò)調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速和鴨嘴閥開(kāi)合頻率，實(shí)現(xiàn)穴施肥量控制。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲得穴施肥裝置較優(yōu)的工作參數(shù)組合，以提高穴施肥系統(tǒng)的精確度和肥料利用率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 穴施肥控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了提高免耕播種機(jī)施肥過(guò)程中肥料利用率，針對(duì)研制的2BMGYF-2型玉米壟作免耕播種機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種精量穴施肥裝置，將其安裝在免耕播種機(jī)原排肥器下方，實(shí)現(xiàn)免耕播種機(jī)精量穴施肥功能。免耕播種機(jī)穴施肥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[20]。

圖1 免耕播種機(jī)穴施肥控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of control system for fertilization control system of no-tillage planter1.四連桿機(jī)構(gòu) 2.機(jī)架 3.穴施肥裝置 4.施肥驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 5.肥箱 6.種箱 7.排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 8.鎮(zhèn)壓輪 9.覆土輪 10.播種開(kāi)溝器 11.測(cè)深施肥開(kāi)溝器 12.清壟輪 13.破茬盤(pán)

1.2 穴施肥控制原理

穴施肥控制系統(tǒng)由穴施肥控制器、播種控制、施肥量控制、肥料成穴控制4部分組成。控制系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Structure diagram of control system

施肥控制電動(dòng)機(jī)與外槽輪式排肥器排肥軸相連，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)施肥量控制，在播種施肥作業(yè)時(shí)，排肥器根據(jù)設(shè)定的施肥量適時(shí)旋轉(zhuǎn)，肥料經(jīng)過(guò)排肥口落入穴施肥控制裝置中，當(dāng)播種檢測(cè)傳感器檢測(cè)到播種信號(hào)，鴨嘴閥適時(shí)打開(kāi)，將每穴肥料集中施入合理位置，穴施肥完成后，鴨嘴閥快速關(guān)閉，續(xù)存下一穴肥料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精量穴施肥控制。

2 穴施肥控制裝置設(shè)計(jì)

穴施肥控制裝置由穴施肥裝置和控制電動(dòng)機(jī)組成，穴施肥裝置成穴部件是鴨嘴閥。玉米免耕播種機(jī)在較高工作速度下進(jìn)行精密播種施肥作業(yè)，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穴播種肥，鴨嘴閥開(kāi)合需具有較高的頻率，搖桿機(jī)構(gòu)直接控制鴨嘴開(kāi)合，其參數(shù)對(duì)穴播質(zhì)量至關(guān)重要，穴施肥裝置由搖桿、推桿、導(dǎo)肥管、鴨嘴閥等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 穴施肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of hole fertilization mechanism1.外殼 2.搖桿 3.支架 4.推桿 5.導(dǎo)肥管 6.鴨嘴閥

2.1 穴施肥裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)穴施肥運(yùn)動(dòng)要求及其結(jié)構(gòu)尺寸，建立圖4所示直角坐標(biāo)系，α為鴨嘴閥支點(diǎn)C和F連線與水平方向夾角，β為鴨嘴閥側(cè)邊BE與垂直方向夾角，θ為推桿AD與連桿CD之間的夾角，δ為搖桿HG運(yùn)動(dòng)到IG轉(zhuǎn)過(guò)的角度，均為角度變量[21]。

圖4 穴施肥裝置簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of hole fertilization mechanism

由圖4的幾何關(guān)系可以得到點(diǎn)C(x0,y0)的坐標(biāo)方程為

(1)

點(diǎn)B(x1,y1)的坐標(biāo)方程為

(2)

點(diǎn)D(x2,y2)的坐標(biāo)方程為

(3)

由此可得推桿頂點(diǎn)A(x3,y3)的坐標(biāo)方程為

(4)

2BMGYF-2型玉米壟作免耕播種機(jī)播種開(kāi)溝器播種深度為40～70 mm，施肥開(kāi)溝器施肥深度為70～100 mm。施肥開(kāi)溝器采用雙圓盤(pán)側(cè)深施肥開(kāi)溝器，施肥肥溝一側(cè)為缺口圓盤(pán)，半徑170 mm；另一側(cè)為光面圓盤(pán)，半徑150 mm，與缺口圓盤(pán)呈7°斜角[22-23]。穴施肥控制裝置的鴨嘴閥安裝在雙圓盤(pán)開(kāi)溝器夾角內(nèi)，使穴施肥時(shí)不受外界環(huán)境和開(kāi)溝深度影響。依據(jù)2BMGYF-2型玉米壟作免耕播種機(jī)側(cè)深施肥器結(jié)構(gòu)尺寸要求，鴨嘴閥開(kāi)合工作時(shí)不能與雙圓盤(pán)開(kāi)溝器干涉，將鴨嘴閥安裝在雙圓盤(pán)開(kāi)溝器后上方，鴨嘴閥頂點(diǎn)可在圓盤(pán)軸軸線上方，鴨嘴閥橫向長(zhǎng)度和高度應(yīng)小于125 mm。雙圓盤(pán)側(cè)深施肥器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙圓盤(pán)側(cè)深施肥器結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of double disc fertilizer attachment1.搖把 2.立板 3.穴施肥控制裝置 4.導(dǎo)肥管 5.推桿 6.鴨嘴閥 7.圓盤(pán)軸 8.缺口圓盤(pán)

綜合以上因素，本設(shè)計(jì)中鴨嘴閥橫向長(zhǎng)度取60 mm，縱向長(zhǎng)度取20 mm，高度取80 mm，推桿長(zhǎng)度lAD取240 mm，lEF取20 mm，lCD取25 mm，當(dāng)鴨嘴閥閉合時(shí)，lOD取30 mm，則lBD=50 mm?？汕蟮胠BE=67.08 mm，β=26.57°，θ=36.88°，lCF=52.20 mm，各點(diǎn)坐標(biāo)為C(15，-50)，B(0，-80)，D(0，-30)，A(0，210)。依據(jù)各點(diǎn)坐標(biāo)可知ζ=16.70°，η=9.87°，β=99.86°-α，從而可得

(5)

當(dāng)鴨嘴閥開(kāi)角最大時(shí)，即θ=90°，各點(diǎn)坐標(biāo)為C(25，-51.96)，B(16.12，-84.29)，D(0，-51.96)，A(0，188.04)。由此可知，鴨嘴閥推桿移動(dòng)范圍為0～21.96 mm。滾子半徑取5 mm，當(dāng)滾子由H(x4,y4)運(yùn)動(dòng)到I(x5,y5)點(diǎn)時(shí)，推桿向下運(yùn)動(dòng)21.96 mm，此時(shí)滾子與推桿中心相切，由此可知

(6)

得搖桿lHG為50.72 mm。以吉農(nóng)4號(hào)肥，每穴施肥量10 g為例，肥料顆粒密度為1.22 g/cm3 [24],10 g肥料所占體積為8.22 cm3。鴨嘴閥為錐形結(jié)構(gòu)，續(xù)存10 g肥料的高度約為2.06 cm。

2.2 穴施肥裝置仿真

為保證穴施肥性能，對(duì)穴施肥裝置成穴性進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)以吉農(nóng)4號(hào)肥為研究對(duì)象，肥料顆粒平均密度為1.22 g/cm3，等效直徑為4.35 mm，肥料顆?；境蕡A形，球形率0.95。應(yīng)用顆粒系統(tǒng)仿真軟件EDEM，分析在施肥粒距25 cm，穴施肥量5 g,播種速度3、5、7 km/h條件下鴨嘴閥的成穴性能[25]。

在播種速度3、5、7 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)肥料顆粒流量分別為0.016 67、0.027 78、0.038 76 kg/s，鴨嘴開(kāi)合周期分別為0.30、0.18、0.13 s，鴨嘴閥向兩側(cè)旋轉(zhuǎn)角度為11.21°。試驗(yàn)在3種工況下從第5秒開(kāi)始，記錄30穴的施肥量，分析穴施肥效果。試驗(yàn)中設(shè)置流量傳感器，每隔0.05 s記錄一次落到地面的肥料質(zhì)量流量數(shù)據(jù)[26]，肥料質(zhì)量流量隨時(shí)間變化，每穴施肥量為肥料質(zhì)量流量對(duì)時(shí)間積分，穴距為相鄰兩個(gè)質(zhì)量流量峰值的間隔時(shí)間與傳送帶速度的乘積，穴施肥量仿真曲線如圖6所示。

圖6 穴施肥量仿真曲線Fig.6 Simulated curves of hole fertilization

穴施肥仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，播種速度3 km/h，8.7 s施肥30穴，平均穴距24.90 cm；播種速度5 km/h時(shí)，5 s施肥30穴，平均穴距23.79 cm；播種速度7 km/h時(shí)，3.6 s施肥30穴，平均穴距23.28 cm。穴施肥仿真曲線表明，速度3 km/h時(shí)，波谷接近于零，表明肥料成穴性顯著，隨著速度上升，波谷波動(dòng)較大，但波峰波谷分界顯著，試驗(yàn)結(jié)果表明，在播種速度3～7 km/h時(shí)，鴨嘴閥成穴性能較好，隨著播種機(jī)速度的增加，成穴性能逐漸減弱。

3 穴施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 穴施肥控制算法

玉米穴施肥是將肥料成穴施入距穴播種子一定間距的位置，肥料成穴位于種子側(cè)下方。肥料施用位置不同，直接影響增產(chǎn)效果和肥料利用率。穴施肥時(shí)肥料與種子垂直距離h2、水平距離a和播深是決定施肥位置的主要參數(shù)[27-30]，h2由排種口和排肥口的安裝位置決定，a可由穴施肥控制算法調(diào)節(jié)，播深由免耕播種機(jī)的開(kāi)溝深度決定。種肥位置分布如圖7所示。

圖7 種肥位置分布圖Fig.7 Distribution diagram of seeds and fertilizer location

圖中h1為排種口與排種輪底部垂直距離；n1為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速；σ為種子的投種角度；r為排種盤(pán)半徑；H1為排種輪底部與種溝距離；H2為排肥口底部與肥溝距離；vm為播種機(jī)前進(jìn)速度；S為第N粒種子的位置；T為第N粒種子穴施肥位置。排種器在J點(diǎn)開(kāi)始投種，種子脫離排種口時(shí)水平速度和垂直速度分別為

(7)

式中vx——種子脫離排種口水平分速度，m/s

vy——種子脫離排種口垂直分速度，m/s

種子從投種口落入種溝的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1滿(mǎn)足

其中

h1=r(1-cosσ)

(8)

種子脫離排種口到落于種溝的位移為

S1=vxt1-rsinσ

(9)

穴施肥裝置在K點(diǎn)開(kāi)始施肥，忽略肥料間作用力和空氣阻力，肥料脫離排肥口水平和垂直速度分別為

(10)

肥料脫離排肥口落入地面的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2滿(mǎn)足

(11)

肥料脫離排肥口到落于肥溝上的位移為

S2=v′xt2

(12)

排種口與排肥口的水平距離為b,種子脫離排種口與肥料脫離排肥口的時(shí)間間隔為t3,若σ=0°，則h1=0，肥料與種子落于溝底的水平距離為

a=S1-S2+b+vmt3

(13)

當(dāng)t3=0時(shí)，肥料與種子落于溝底的最小水平距離為

amin=S1-S2+b

(14)

穴施肥控制系統(tǒng)可以通過(guò)控制t3的值，實(shí)現(xiàn)肥料施用位置的有效調(diào)節(jié)。

玉米免耕播種每穴施肥量要綜合分析考慮多種因素，包括種子特性、土壤條件、產(chǎn)量水平以及栽培方式等。每穴施肥量由外槽輪式排肥器和穴施肥裝置聯(lián)合控制，由槽輪旋轉(zhuǎn)將肥料通過(guò)導(dǎo)肥管送入鴨嘴閥中，外槽輪式排肥器槽輪每轉(zhuǎn)的排肥量為

q1=fqLγz

(15)

式中fq——每個(gè)凹槽截面積，cm2

L——槽輪有效工作長(zhǎng)度，cm

γ——肥料密度，g/cm3

z——凹槽個(gè)數(shù)

若每穴施肥量為q，則

(16)

式中n——排肥軸轉(zhuǎn)速，r/min

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DVP-SX2系列PLC控制器，控制量主要包括2個(gè)100 kHz高速脈沖輸出接口，控制排種器和穴施肥控制裝置的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，2個(gè)模擬輸出接口控制外槽輪式排肥器和傳送帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；輸入量主要包括2個(gè)100 kHz高速脈沖輸入接口，檢測(cè)排種器和穴施肥控制裝置的工作速度，1個(gè)10 kHz高速脈沖輸入接口，檢測(cè)穴播籽粒信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)硬件配置如表1所示。

系統(tǒng)軟件在臺(tái)達(dá)WPLSoft 2.37平臺(tái)采用梯形圖開(kāi)發(fā)控制程序，在DOPSoft 2.00.04平臺(tái)開(kāi)發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)程序。主要功能包括穴施肥工作參數(shù)錄入、工作實(shí)時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè)、穴施肥控制算法、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制、電動(dòng)機(jī)速度檢測(cè)、播種檢測(cè)等。系統(tǒng)程序流程：系統(tǒng)初始化；穴施肥工作參數(shù)設(shè)定；穴施肥位置和穴施肥量控制算法；等待播種籽粒信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到播種籽粒信號(hào)，啟動(dòng)穴施肥控制裝置，進(jìn)行精量穴施肥[31-33]。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置Tab.1 Hardware configuration of control system

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

圖8 穴施肥性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Performance test bench of hole fertilization1.電氣控制柜 2.監(jiān)控系統(tǒng) 3.播種檢測(cè)傳感器 4.導(dǎo)種管 5.勺輪式排種器 6.外槽輪式排肥器 7.穴施肥控制裝置 8.鴨嘴閥 9.穴施肥裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 10.臺(tái)架 11.傳送帶 12.傳送帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

為檢驗(yàn)穴施肥控制系統(tǒng)性能和工作可靠性，進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)為自主研制的播種機(jī)性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置，如圖8所示。包括臺(tái)架、傳送帶、電氣控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、傳送帶驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、勺輪式精密排種器、排種器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、外槽輪式排肥器、穴施肥控制裝置、穴施肥裝置驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、播種檢測(cè)傳感器等。輸送帶上貼有強(qiáng)力網(wǎng)狀雙面膠帶，以增加種子和肥料落入傳送帶時(shí)的摩擦力，防止種子和肥料彈跳，影響穴施肥性能檢測(cè)。選用鄭單958玉米種子和吉農(nóng)4號(hào)肥料作為穴施肥控制系統(tǒng)性能檢測(cè)試驗(yàn)樣本。

4.2 試驗(yàn)方法

將排種器、排肥器和穴施肥控制裝置固定在試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)控制傳送帶速度模擬田間作業(yè)。排種器投種角度σ=0°，排種口與傳送帶距離H1=10 cm，排種盤(pán)半徑12 cm，肥料與種子垂直距離h2=10 cm，排肥口與傳送帶距離H2為15～30 cm，排種口與排肥口的水平距離為b=20 cm，穴施肥控制系統(tǒng)設(shè)定每穴肥料中心點(diǎn)與種子水平距離a=5 cm，排肥器輪外徑d=6.8 cm，凹槽截面積0.188 cm2，槽輪有效工作長(zhǎng)度L=1.5 cm，凹槽個(gè)數(shù)9個(gè)，排肥器每轉(zhuǎn)排肥量3.1 g。播種實(shí)際粒距為L(zhǎng)2，每穴施肥量q2=5 g，每穴肥料中心點(diǎn)的距離為L(zhǎng)3，每穴肥料實(shí)際質(zhì)量為q3，則穴距精度

(17)

穴施肥量精度

(18)

按照試驗(yàn)要求，系統(tǒng)運(yùn)行后，穴播種子和肥料以一定的間距落到運(yùn)行的傳送帶上，停機(jī)后，人工測(cè)量穴播施肥量和穴播位置，檢測(cè)穴施肥控制系統(tǒng)性能。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

播種機(jī)行進(jìn)速度vm、鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角度Ω=2β、排肥口安裝高度是影響穴施肥性能的重要參數(shù)，將其作為試驗(yàn)的3個(gè)因素，根據(jù)試驗(yàn)裝置特點(diǎn)，連桿lCD取30 mm，各因素變化范圍：播種機(jī)行進(jìn)速度為3～7 km/h，鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角為26.56°～37.71°，排肥口安裝高度為15～30 cm。每次試驗(yàn)測(cè)量4 m施肥數(shù)據(jù)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值作為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Coding for factors

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。A、B、C為因素編碼值。

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，確定試驗(yàn)指標(biāo)在不同因素影響下的變化規(guī)律。穴距精度和穴施肥量精度回歸方程顯著性分析結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

由方差分析結(jié)果可知，失擬項(xiàng)P值大于0.05，說(shuō)明回歸方程擬合較好，模型P值小于0.000 1，說(shuō)明方程顯著，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。進(jìn)而得出相應(yīng)的回歸方程為

(19)

(20)

為直觀分析試驗(yàn)指標(biāo)與各因素之間的關(guān)系，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件得到穴距精度和穴施肥量精度響應(yīng)曲面，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)因素對(duì)各指標(biāo)的影響Fig.9 Influences of experimental factors on indicators

根據(jù)上述回歸方程和響應(yīng)曲面可知，播種機(jī)行進(jìn)速度、鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角度和安裝高度存在交互作用。穴距精度和穴施肥量精度均受行進(jìn)速度和安裝高度影響最為顯著，其交互作用影響較大，為主要因素；旋轉(zhuǎn)角度對(duì)系統(tǒng)影響較小，與其他兩個(gè)因素之間存在一定的交互作用。

4.4 參數(shù)優(yōu)化

為發(fā)揮穴施肥控制系統(tǒng)最佳工作性能，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合試驗(yàn)因素的實(shí)際工作情況，對(duì)穴距精度和穴施肥量精度的回歸方程進(jìn)行分析，得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型為

(21)

當(dāng)播種機(jī)行進(jìn)速度為7 km/h，旋轉(zhuǎn)角為33.37°，安裝高度為17.30 cm時(shí)，穴距精度和穴施肥量精度綜合效果最優(yōu)，分別為86.03%和84.60%。

5 田間試驗(yàn)

圖10 田間試驗(yàn)Fig.10 Field test

為了驗(yàn)證穴施肥控制裝置田間工作性能和可靠性，2017年4月和10月在遼寧省新民市公主屯鎮(zhèn)馬屯村玉米田地進(jìn)行了田間試驗(yàn)，如圖10所示。穴施肥控制裝置安裝在2BMGYF-2型免耕精密播種機(jī)上，拆除覆土輪，便于測(cè)量穴施肥裝置的穴距，播種開(kāi)溝深度40～70 mm，施肥開(kāi)溝深度種下30 mm，與播種開(kāi)溝器側(cè)向距離50 mm。鴨嘴閥頂端與缺口圓盤(pán)底端距離17.30 cm，鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角33.37°，排種器投種角度σ=0°，排種口與種溝距離H1=30 cm，排種口與排肥口的水平距離為b=30 cm。試驗(yàn)設(shè)備包括SM-2型高精度土壤水分測(cè)量?jī)x(澳作生態(tài)儀器有限公司)，測(cè)量范圍0.05～0.6 m3/m3，在0～40℃時(shí)精度為±0.05 m3/m3；SC900型土壤緊實(shí)度測(cè)量?jī)x(澳作生態(tài)儀器有限公司)，量程0～45 cm、0～7 000 kPa，最大加載95 kg，分辨率2.5 cm，35 kPa，質(zhì)量1.25 kg；卷尺、皮尺、直尺、蓄電池。測(cè)得試驗(yàn)留茬地的土壤含水率的平均值為19.16%，15 cm深土壤緊實(shí)度均值為1 370 kPa。試驗(yàn)選用鄭單958玉米種子和洋豐復(fù)合肥料，播種粒距為25 cm，每穴施肥量q2=10 g，分別在播種機(jī)行進(jìn)速度3、5、7 km/h下進(jìn)行9次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)測(cè)試距離為10 m，測(cè)量播種粒距和施肥穴距，計(jì)算出相鄰兩穴種子平均粒距和肥料平均穴距，每穴施肥量為施肥總量與施肥總穴數(shù)的比值。

穴施肥試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Verification of testing result

可見(jiàn)，在最優(yōu)的穴施肥裝置參數(shù)作用下，速度在3～7 km/h時(shí)，穴施肥性能受系統(tǒng)參數(shù)變化影響較小，穴施肥精度隨著播種機(jī)行進(jìn)速度的增加略有下降，穴距精度不小于84.76%，穴施肥量精度不小于87.20%。

6 結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)玉米精量穴施肥農(nóng)業(yè)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了穴施肥控制裝置。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和安裝要求，對(duì)穴施肥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其能夠在3～7 km/h速度下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)精量穴施肥功能，滿(mǎn)足免耕播種施肥的農(nóng)藝要求。

(2)應(yīng)用EDEM軟件對(duì)鴨嘴閥的成穴性能進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)在播種速度3、5、7 km/h時(shí)，肥料平均穴距分別為24.9、23.79、23.28 cm，表明在播種速度3～7 km/h時(shí)，鴨嘴閥成穴性能較好，隨著播種機(jī)速度的增加，成穴性能逐漸減弱。

(3)設(shè)計(jì)了穴施肥控制算法。穴施肥控制系統(tǒng)通過(guò)控制種子脫離排種口與肥料脫離排肥口的時(shí)間間隔t3，實(shí)現(xiàn)對(duì)肥料與種子水平距離a的適時(shí)調(diào)節(jié)，保證穴施肥位置的精確性。通過(guò)控制排肥軸轉(zhuǎn)速和鴨嘴閥的開(kāi)合頻率，實(shí)現(xiàn)穴施肥量調(diào)節(jié)，保證穴施肥量的精度。

(4)進(jìn)行穴施肥裝置性能優(yōu)化試驗(yàn)，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，利用響應(yīng)面法對(duì)回歸方程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多因素優(yōu)化，得到播種機(jī)行進(jìn)速度7 km/h時(shí)最優(yōu)參數(shù)為：鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角為33.37°，安裝高度為17.30 cm。田間試驗(yàn)表明，在速度3～7 km/h范圍內(nèi)，鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角為33.37°，安裝高度為17.30 cm，穴施肥控制裝置的穴距精度不小于84.76%，穴施肥量精度不小于87.20%。