曾 山，魏斯龍，廖明銘，曾 力，陳海波

水稻直播機(jī)氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曾 山1，魏斯龍1，廖明銘1，曾 力1，陳海波2※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐訓(xùn)練中心，廣州 510642）

針對(duì)水稻直播機(jī)施肥裝置施肥過程中易堵塞及無法及時(shí)報(bào)警的問題，結(jié)合南方水稻直播施肥的農(nóng)藝要求，該研究設(shè)計(jì)了一種水稻直播機(jī)氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在施肥裝置出現(xiàn)管道堵塞后進(jìn)行報(bào)警提示。首先，對(duì)氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后，對(duì)關(guān)鍵部件氣流分流管道建立仿真模型，采用Fluent和Rocky軟件進(jìn)行氣固耦合仿真試驗(yàn)，以肥料顆粒的動(dòng)能變化量為指標(biāo)，對(duì)氣流分流管道的防堵性能進(jìn)行試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氣流分流管道進(jìn)氣口施加800 Pa氣流時(shí)，肥料顆粒的動(dòng)能提高了39.7%。最后，采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行臺(tái)架靜態(tài)試驗(yàn)，以堵塞報(bào)警準(zhǔn)確率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出較優(yōu)工作參數(shù)為氣流分流管道內(nèi)徑28 mm，進(jìn)氣口氣壓值700 Pa，施肥速率20 g/s；以較優(yōu)參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，堵塞報(bào)警準(zhǔn)確率均大于90.0%，最高達(dá)96.7%；裝置工作穩(wěn)定性好，未出現(xiàn)裝置失靈情況，可滿足水稻施肥裝置堵塞監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率要求。該研究可為水稻施肥堵塞報(bào)警監(jiān)測(cè)提供參考。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；水稻直播機(jī)；施肥監(jiān)測(cè)；Fluent-Rocky耦合

0 引 言

中國是世界上最大的水稻生產(chǎn)和消費(fèi)國之一[1]，化肥對(duì)水稻的增產(chǎn)率達(dá)40%～60%[2-3]，但傳統(tǒng)的撒肥方式均勻性差，且肥料利用率低，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的污染，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4-6]。水稻側(cè)深施肥技術(shù)可以準(zhǔn)確控制施肥量，提高肥料利用率，實(shí)現(xiàn)化肥減量增效，促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展，目前已成為水稻的主要施肥方式[7-9]。側(cè)深施肥方式是在水稻直播或者插秧階段使用施肥機(jī)械一次性將肥料施放在水稻側(cè)方位置，該施肥方式可以保證水稻生長(zhǎng)期的養(yǎng)分需求，其肥料利用率相對(duì)傳統(tǒng)施肥方式提高20%～30%[10]。但是田間側(cè)深施肥作業(yè)時(shí)，由于田間環(huán)境復(fù)雜，或者肥料在吸水受潮后易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，造成漏施，使作物缺肥[11-12]。因此亟需研究水稻施肥防堵塞新技術(shù)及新設(shè)備以解決施肥易堵塞及堵塞后無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題。

近年，國外學(xué)者對(duì)施肥防堵問題開展了相關(guān)研究，國內(nèi)在這方面的研究尚處于初級(jí)階段，對(duì)施肥狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的研究也相對(duì)較少，熊文江[13]設(shè)計(jì)了螺旋式強(qiáng)制側(cè)深施肥裝置，采用螺旋絞龍結(jié)構(gòu)，可防止施肥管道出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，但肥料破損嚴(yán)重；王金峰等[14-15]設(shè)計(jì)了葉片調(diào)節(jié)式和圓盤頂出式水田側(cè)深施肥裝置，解決了施肥均勻性低和輸肥管路及排肥器易堵塞等問題;曾山等[16]研制了水稻直播機(jī)氣流式分層施肥裝置，采用文丘里管道并利用風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)氣流式輸肥，減少了施肥系統(tǒng)出現(xiàn)管道堵塞的概率；周利明[17]等設(shè)計(jì)了一種基于電容法的施肥量檢測(cè)系統(tǒng)，能準(zhǔn)確測(cè)量施肥量，并能夠識(shí)別管路堵塞故障；陳幸等[18]研制了玉米免耕變量施肥播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)；趙立新等[19]研制了一種基于變距光電傳感器的小麥精播施肥一體機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以判斷施肥裝置正常、堵塞、缺失和漏施等運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)播種施肥一體機(jī)作業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以上施肥監(jiān)測(cè)裝置工作時(shí)均利用傳感器與肥料顆粒直接接觸，雖然監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率高（均達(dá)90%以上），但傳感器易受肥料粉塵或者潮濕影響，存在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率下降或者監(jiān)測(cè)失靈的缺點(diǎn)[20]，無法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。國外，日本洋馬、久保田和井關(guān)三大農(nóng)機(jī)公司研制的水稻插秧機(jī)同步側(cè)深施肥裝置，均采用氣流強(qiáng)制輸肥，實(shí)現(xiàn)施肥系統(tǒng)防堵[21-23]；歐美國家主要以旱地作物為主，多采用氣流式集排輸肥裝置[24]，美國John Deere公司研制了一種氣力式變量施肥播種機(jī)，配備有播種施肥監(jiān)測(cè)傳感器,能夠?qū)ΣシN施肥的管路故障進(jìn)行識(shí)別。

為此，本文提出一種利用氣流的間接監(jiān)測(cè)方式，施肥監(jiān)測(cè)時(shí)可避免肥料顆粒粉塵和潮濕影響，保證工作穩(wěn)定性，并通過樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率展開試驗(yàn)研究，確定最優(yōu)工作參數(shù)，以期為水稻施肥防堵及監(jiān)測(cè)技術(shù)研究提供理論依據(jù)和參考。

1 氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與2BHD-10型水稻旱直播機(jī)配套使用，其整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。整機(jī)結(jié)構(gòu)包括肥料箱、排肥器、排肥管道、氣流變化反饋裝置、開溝器、機(jī)架、三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、氣泵箱和控制箱等。其中氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1b所示。

1.肥料箱 2.排肥器 3.氣泵 4.進(jìn)氣管道 5.開溝器 6.氣流分流管道 7.出氣管道 8.浮子 9.空心硬管 10.安裝支架 11.激光測(cè)距傳感器 12.排肥管道 13.氣流變化反饋裝置 14.機(jī)架 15.三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu) 16.控制箱

1.2 工作原理

根據(jù)圖1b所示結(jié)構(gòu)，排肥器工作時(shí)，肥料從排肥器排出后在重力作用下進(jìn)入排肥管道，氣流通過進(jìn)氣管道進(jìn)入氣流分流管道，在肥料經(jīng)過氣流分流管道時(shí)，氣流與肥料混合，肥料在氣流和重力的雙重作用下進(jìn)入施肥溝內(nèi)，由覆土盤進(jìn)行覆土；同時(shí)氣流分流管道設(shè)置有出氣口，出氣口通過出氣管道連接氣流變化反饋裝置，該裝置由圖中出氣管道、空心硬管、浮子、激光測(cè)距傳感器和安裝支架等組成；當(dāng)氣流分流管道或者下端的排肥管道出現(xiàn)堵塞時(shí)，通過出氣管道的氣流速度會(huì)增大，導(dǎo)致空心硬管內(nèi)的浮子向上運(yùn)動(dòng)，激光測(cè)距傳感器監(jiān)測(cè)到浮子位置變化后，裝置將進(jìn)行報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)施肥管道的堵塞監(jiān)測(cè)報(bào)警功能。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

水稻直播機(jī)氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。采取條帶狀施肥方式。

表1 氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

2 氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 氣流分流管道設(shè)計(jì)

2.1.1 氣流分流管道結(jié)構(gòu)及其工作原理

氣流分流管道結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖2a為結(jié)構(gòu)示意圖，圖2b為剖視圖；主要包括管道外殼、進(jìn)氣口、排肥口和出氣口等，氣流通過PV軟管進(jìn)入氣流分流管道的進(jìn)氣口內(nèi)，其中一部分氣流通過射流的形式進(jìn)入施肥管道的內(nèi)部；另一部分氣流通過環(huán)形通道進(jìn)入出氣口處，出氣口與氣流變化反饋裝置相連接。工作過程中，肥料顆粒由排肥器排出后，從氣流分流管道的上端進(jìn)入，與氣流混合形成氣肥混合流，使肥料顆粒在氣流和重力的雙重作用下從排肥口排出，可以有效防止肥料在排肥過程中出現(xiàn)堵塞。

1.管道外殼2.進(jìn)氣口3.排肥口4.出氣口

1. Pipe shell 2. Air inlet 3. Fertilizer discharge 4. Air outlet

注：為氣流分流管道內(nèi)徑，mm；1為氣流分流管道進(jìn)氣口內(nèi)徑，mm；2為氣流分流管道出氣口內(nèi)徑，mm。

Note:is the inner diameter of the air distribution duct, mm;1is the inner diameter of the air inlet of the air distribution duct, mm;2is the inner diameter of the air outlet of the air distribution duct, mm.

圖2 氣流分流管道結(jié)構(gòu)示意圖及剖視圖

Fig.2 Structure schematic and cutaway view of the air flow diversion pipe

2.1.2 氣流分流管道結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

氣流分流管道是氣流式施肥監(jiān)測(cè)裝置的核心部件之一，主要有兩個(gè)作用，第一是利用氣流與肥料顆?；旌希M(jìn)行氣流輸肥，有效防止堵塞；第二是通過氣流分流管道的出氣口連接氣流變化反饋裝置，在施肥管道出現(xiàn)堵塞后通過氣流變化反饋裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)報(bào)警。因此氣流分流管道內(nèi)部的氣流分布對(duì)作業(yè)性能有重要影響，由圖2可知，影響其氣流狀態(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有氣流分流管道內(nèi)徑，進(jìn)氣口內(nèi)徑1，出氣口內(nèi)徑2和進(jìn)氣口氣壓值1。

施肥裝置的施肥速率s滿足[17]

由式（1）可知，氣流分流管道內(nèi)徑應(yīng)滿足

根據(jù)農(nóng)藝要求，水稻的施肥量為150～900 kg/hm2，選取最大施肥量900 kg/hm2，機(jī)具作業(yè)速度取1.5 m/s，施肥裝置的作業(yè)幅寬根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸確定為=2.6 m，顆粒肥料選用的是挪威雅苒顆粒狀復(fù)合肥，經(jīng)測(cè)量其堆積密度為845 kg/m3，肥料填充系數(shù)取0.3，設(shè)計(jì)的施肥行數(shù)為5。將上述參數(shù)代入式（2）可得≥18.8 mm，考慮到18.8 mm為理論上滿足施肥要求的直徑，實(shí)際為了提高施肥管道的工作通暢性，在尺寸上應(yīng)保留一定的余量，選取20%，因此內(nèi)徑≥22.6 mm。分流管道內(nèi)徑暫選24、28和32 mm三個(gè)值，后續(xù)通過試驗(yàn)確定性能較優(yōu)的參數(shù)。

氣流分流管道的進(jìn)氣口和出氣口均通過PV軟管進(jìn)行連接，其中PV軟管為標(biāo)準(zhǔn)件，常見的內(nèi)徑規(guī)格有6、8和10 mm，本研究選用內(nèi)徑為8 mm的軟管，因此氣流分流管道的進(jìn)氣口內(nèi)徑1和出氣口內(nèi)徑2確定為8 mm。

2.2 氣流變化反饋裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 氣流變化反饋裝置結(jié)構(gòu)及其工作原理

氣流變化反饋裝置結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要包括安裝支架、浮子、空心硬管和激光測(cè)距傳感器等。氣流變化反饋裝置的支架安裝在施肥播種機(jī)的機(jī)架上?？招挠补茇Q直安裝，浮子位于其內(nèi)部，而激光測(cè)距傳感器位于其上端，且空心硬管上端與大氣壓連通?？招挠补艿南露送ㄟ^PV軟管與氣流分流管道的出氣口相連通，氣流變化反饋裝置在工作過程中，激光測(cè)距傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)出浮子的位置，若氣流分流管道出氣口的氣流速度變大，則空心硬管內(nèi)浮子的位置將發(fā)生變化，此時(shí)激光測(cè)距傳感器就會(huì)監(jiān)測(cè)到浮子的位置改變而后報(bào)警提示。

圖3 氣流變化反饋裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 氣流變化反饋裝置參數(shù)分析

氣流變化反饋裝置是氣流式施肥監(jiān)測(cè)裝置的核心部件之一，其中浮子的運(yùn)動(dòng)情況是該裝置的一個(gè)關(guān)鍵因素，浮子的受力情況如圖4所示。

注：G為浮子的重力，N；Ff為浮子與空心硬管之間的摩擦力，N；F1, F2, …, Fn為氣流對(duì)浮子的作用力，N。

由圖4可知，浮子在保持平衡時(shí)，其所受力滿足[25]：

浮子靜止時(shí)，由于浮子與空心硬管之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以摩擦力f為0；在浮子運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于空心硬管內(nèi)表面光滑，且與浮子之間存在微小間隙，因此摩擦力f接近于可零忽略不計(jì)。由式（3）～（4）可知，浮子的運(yùn)動(dòng)情況取決于平均速度1的大小，要使浮子在空心硬管內(nèi)保持靜止，并位于空心硬管最下端，平均速度1應(yīng)滿足

為保證浮子在空心硬管內(nèi)上升運(yùn)動(dòng)，1應(yīng)滿足

根據(jù)裝置尺寸，浮子的水平截面半徑3為0.006 m，浮子質(zhì)量約為0.7 g，即=0.007 N，氣體的密度選取1=1.29 kg/m3，將參數(shù)代入式（5）～（6）可得：平均速度1≤9.8 m/s時(shí)，浮子在空心硬管內(nèi)保持靜止；平均速度1＞9.8 m/s時(shí)，浮子在空心硬管內(nèi)出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)。

2.3 系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)

在該裝置中，氣泵提供的氣流氣壓值，以及在氣流分流管道內(nèi)部和出氣口的氣流速度大小對(duì)裝置的性能都有重要影響，因此通過標(biāo)定試驗(yàn)，測(cè)量并分析各因素的變化關(guān)系。試驗(yàn)器材包括臺(tái)冠機(jī)電公司的ML-601氣泵（氣壓范圍：0～800 kPa，功率：600 W）；壓力調(diào)節(jié)閥，鑫思特公司生產(chǎn)的HT-1891數(shù)字壓力表（精度：0.01 kPa，量程：?34～34 kPa，）；泰克曼公司的TM-856 風(fēng)速測(cè)量?jī)x（精度：0.01 m/s，量程：0.3～45 m/s）；PV軟管等。

測(cè)量時(shí)將氣泵的輸出端連接至氣流分流管道的進(jìn)氣口端，壓力調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)氣泵的輸出氣流壓力值，數(shù)字壓力表測(cè)量氣流分流管道的進(jìn)氣口的氣流壓力值，通過調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)氣口的氣流壓力值1，選取壓力值范圍為200～1 300 Pa，梯度為100 Pa；分別測(cè)出氣流分流管道內(nèi)部和出氣口的平均氣流速度大小，其測(cè)量結(jié)果如圖5所示。施肥管道未出現(xiàn)堵塞時(shí)，氣流變化反饋裝置應(yīng)不報(bào)警提示，此時(shí)氣流變化反饋裝置中浮子位于空心硬管最下端，前面計(jì)算得氣流平均速度1≤9.8 m/s，考慮氣流平均速度不完全穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)10%大小的波動(dòng)，故結(jié)合圖5中出氣口處氣流平均速度的變化曲線，可得氣流壓力值應(yīng)小于1 000 Pa，后續(xù)通過試驗(yàn)分析，確定較優(yōu)參數(shù)。

圖5 氣流分流管道內(nèi)部和出氣口處的平均氣流速度隨氣流壓力值的變化

3 參數(shù)優(yōu)化

3.1 仿真分析

3.1.1 仿真方法和參數(shù)設(shè)置

為探明氣流對(duì)肥料顆粒的影響，采用計(jì)算流體力學(xué)和離散元法研究肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選用ANSYS Fluent 2020R1和Rocky 4.4仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)該排肥過程進(jìn)行模擬。首先，對(duì)肥料顆粒的物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，顆粒肥料選用的是挪威雅苒顆粒狀復(fù)合肥，經(jīng)測(cè)量，其粒徑分布在1.5～4 mm內(nèi)的比例大于90%，球型率大于0.9，堆積密度為845 kg/m3，密度為1 635 kg/m3。仿真的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示[26-27]。

表2 仿真模型參數(shù)設(shè)置表

第一組仿真試驗(yàn)不考慮氣流的影響，查看肥料顆粒不受氣流影響正常排肥時(shí)的動(dòng)能變化情況。采用Rocky軟件單獨(dú)計(jì)算。選用內(nèi)徑為28 mm的氣流分流管道，先將STL模型導(dǎo)入Rocky軟件中，在氣流分流管道上端入口處設(shè)立顆粒入口，顆粒相關(guān)參數(shù)按照表2進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置肥料顆粒生成速度為25 g/s，生成時(shí)間為0.5 s，顆粒初始速度為1.5 m/s，顆粒運(yùn)動(dòng)遵循牛頓第二定律，總仿真時(shí)間設(shè)為0.5 s，每0.005 s保存一次數(shù)據(jù)。

第二組仿真試驗(yàn)考慮氣流的影響，查看肥料顆粒在存在氣流作用下排肥時(shí)的動(dòng)能變化情況。采用Fluent軟件和Rocky軟件耦合計(jì)算，同樣選用內(nèi)徑為28 mm的氣流分流管道，先將IGS模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，導(dǎo)出計(jì)算流體域，對(duì)流體域劃分網(wǎng)格，之后導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行流體計(jì)算，設(shè)置穩(wěn)態(tài)計(jì)算方式，流體采用空氣，邊界條件設(shè)置進(jìn)氣口為壓力入口，其壓力值為800 Pa，計(jì)算直到結(jié)果收斂停止；最后將結(jié)果保存為CAS文件導(dǎo)入Rocky中進(jìn)行離散元仿真計(jì)算，其中肥料顆粒相關(guān)設(shè)置與第一組仿真試驗(yàn)一樣，總仿真時(shí)間設(shè)為0.5 s，每0.005 s保存一次數(shù)據(jù)。

3.1.2 肥料顆粒動(dòng)能變化結(jié)果分析

式中V為所有顆粒的平均速度，m/s；m為第個(gè)顆粒的質(zhì)量，kg；V為第個(gè)顆粒的速度，m/s；為肥料顆粒的總數(shù)量。

所有顆粒的平均速度V隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示，由圖可知，未施加氣流時(shí)，排肥口處肥料顆粒的平均速度在2.2 m/s左右，施加氣流后，排肥口處肥料顆粒的平均速度提高到2.6 m/s左右，肥料顆粒的動(dòng)能可以通過式（8）進(jìn)行計(jì)算。

因此肥料顆粒的動(dòng)能變化量可以通過式（9）計(jì)算得出：

式中Δ為施加氣流前后顆粒動(dòng)能變化量，%；1為未施加氣流的顆粒動(dòng)能，J；2為施加氣流后顆粒動(dòng)能，J。

圖6 顆粒平均速度隨時(shí)間的變化曲線

將肥料顆粒的平均速度V代入式（8）～（9）可得：肥料顆粒的動(dòng)能相比未施加氣流時(shí)提高了約39.7%，說明氣流能夠一定程度提高肥料顆粒的動(dòng)能，有效防止施肥管道出現(xiàn)堵塞。

3.1.3 氣流分流管道的氣流壓力和速度分布情況

氣流分流管道中氣流壓力及氣流速度會(huì)對(duì)肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，從而影響施肥裝置的防堵性能。在本文第2節(jié)中選取了3種內(nèi)徑不同的氣流分流管道，分別是24、28和32 mm，為對(duì)比3種氣流分流管道中氣流壓力及氣流速度分布情況，暫選取進(jìn)氣口壓力值1為800 Pa，對(duì)氣流分流管道仿真模型進(jìn)行流體力學(xué)仿真，采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行三維仿真，設(shè)置穩(wěn)態(tài)計(jì)算方式，流體采用空氣，邊界條件設(shè)置進(jìn)氣口為壓力入口，計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

注：各小圖題名后的值表示氣流分流管道的內(nèi)徑。

注：各小圖題名后的值為氣流分流管道的內(nèi)徑。

仿真結(jié)果表明，不同內(nèi)徑的氣流分流管道的氣流速度和壓力分布存在一些差別。由圖7可以看出，內(nèi)徑24和28 mm的結(jié)構(gòu)在管道上半部分存在一個(gè)向下的氣流速度，該氣流速度可以和肥料顆?；旌闲纬蓺夤虄上嗔?，輔助肥料顆粒排放從而提高施肥管道通暢性，而內(nèi)徑為32 mm的結(jié)構(gòu)中該氣流速度較小，且在出氣口的氣流速度偏大，達(dá)8～12 m/s,容易觸發(fā)氣流變化反饋裝置，導(dǎo)致誤監(jiān)測(cè)報(bào)警，內(nèi)徑為28和24 mm的結(jié)構(gòu)中出氣口氣流速度較為合適，在4～8 m/s范圍內(nèi)；在氣流速度均勻性方面，內(nèi)徑為28 mm的結(jié)構(gòu)要相對(duì)優(yōu)于內(nèi)徑為24和32 mm的結(jié)構(gòu)，有利于肥料顆粒的均勻排放。由圖8可以看出，內(nèi)徑為24 mm結(jié)構(gòu)的出氣口處壓降為大氣壓，壓力損失較大，而內(nèi)徑為28和32 mm的結(jié)構(gòu)出氣口處壓降相似。綜上，在不同內(nèi)徑的氣流分流管道內(nèi)部，氣流速度和壓力的分布規(guī)律大致相同，僅關(guān)鍵區(qū)域的氣流速度和壓力的大小存在一些差別。

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)裝置

為了考察氣流式施肥監(jiān)測(cè)裝置的性能，根據(jù)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)情況，對(duì)圖1b中各部件進(jìn)行加工，排肥器選用螺旋槽輪排肥器。在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的2BHD-10水稻直播機(jī)樣機(jī)上進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖9所示。

3.2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用挪威雅苒顆粒狀復(fù)合肥，粒徑范圍為1.5～4 mm。試驗(yàn)儀器包括鑫思特公司的HT-1891數(shù)字壓力表（精度：0.01 kPa，量程：?34～34 kPa，）；泰克曼公司的TM-856 風(fēng)速測(cè)量?jī)x（精度：0.01 m/s，量程：0.3～45 m/s）；成都倍賽科公司的XH-30002電子秤（精度：0.01 g，量程：1～3 000 g）。

式中為試驗(yàn)總次數(shù)；為成功報(bào)警試驗(yàn)次數(shù)。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）氣壓值預(yù)試驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果的分析，內(nèi)徑28 mm的氣流分流管道結(jié)構(gòu)氣流分布均勻性較好，故選取內(nèi)徑為28 mm的管道進(jìn)行氣壓值預(yù)試驗(yàn)。按照3.2.2節(jié)所述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，氣流分流管道的進(jìn)氣口氣壓值1選取500～1 000 Pa，梯度為100 Pa，每組試驗(yàn)重復(fù)50次，并對(duì)成功報(bào)警提示的試驗(yàn)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再根據(jù)式（10）計(jì)算出裝置的報(bào)警準(zhǔn)確率，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。結(jié)果表明，氣壓值在600～800 Pa范圍內(nèi)，該裝置的準(zhǔn)確率均達(dá)80%以上，但氣壓值1大于800 Pa時(shí)，準(zhǔn)確率出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，主要是由于氣壓值1過大會(huì)造成出氣口氣流平均速度過大，導(dǎo)致氣流變化反饋裝置出現(xiàn)誤報(bào)警，因此準(zhǔn)確率下降。

圖10 監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率隨氣壓值變化曲線

2）組合試驗(yàn)

為了確定裝置多個(gè)參數(shù)的較優(yōu)組合，選取氣流分流管道內(nèi)徑和進(jìn)氣口氣壓值1因素進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)前文設(shè)計(jì)分析，分流管道內(nèi)徑選取24、28和32 mm，進(jìn)氣口氣壓值1選取600～800 Pa。考慮到裝置的施肥速率不同，在出現(xiàn)堵塞后管道內(nèi)的肥料顆粒堆積效果也不一樣，堆積效果的好壞會(huì)影響出氣口氣流速度的大小，故添加施肥速率2因素進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)常規(guī)水稻需肥量農(nóng)藝要求，單行施肥裝置施肥速率2選取10～30 g/s。選用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[28]，試驗(yàn)因素及水平如表3所示。

以裝置的堵塞報(bào)警準(zhǔn)確率v為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)共17組，每組試驗(yàn)重復(fù)50次。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4所示，將結(jié)果輸入Design-Expert 軟件，通過分析得到回歸模型和顯著性分析結(jié)果，如表5所示。

表3 試驗(yàn)因素表

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表5 結(jié)果分析

注：<0.01（極顯著），0.01≤<0.05（顯著）。

Note:<0.01 (extremely significant), 0.01≤<0.05 (significant).

準(zhǔn)確率與各因素水平值（1，2，3）之間的回歸方程為

=94.80+3.751+4.502+1.753?2.5012?1.0013?

0.5023?13.9012?6.4022?0.9032（11）

回歸方程決定系數(shù)2=0.949 0，說明回歸方程擬合度較高，模型的<0.01，說明回歸模型極顯著；模型失擬項(xiàng)的>0.05，說明失擬項(xiàng)不顯著，不存在其他主要因素影響結(jié)果。

任意兩因素作用對(duì)準(zhǔn)確率的影響如圖11所示，由圖11可知，隨著氣壓值的逐漸增大，堵塞報(bào)警準(zhǔn)確率出現(xiàn)先增大后緩慢減小的變化趨勢(shì)，其原因是氣壓值過小會(huì)無法觸發(fā)氣流變化反饋裝置；過大會(huì)觸發(fā)氣流變化裝置導(dǎo)致誤報(bào)警，從而準(zhǔn)確率下降，所以最優(yōu)氣壓值在中間選取。隨著管道內(nèi)徑的增大，準(zhǔn)確率出現(xiàn)先增大后減少的變化趨勢(shì)，其原因是內(nèi)徑偏小時(shí)，出現(xiàn)堵塞時(shí)肥料顆粒的堆積效果欠佳，所以最優(yōu)管道內(nèi)徑在中間選取。隨著施肥速率的增大，準(zhǔn)確率的變化幅度很小，說明施肥速率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，綜上，結(jié)合回歸模型及響應(yīng)面的變化情況，選取內(nèi)徑28 mm，氣壓值700 Pa，以及施肥速率20 g/s為裝置較優(yōu)工作參數(shù)。

圖11 兩因素作用下對(duì)堵塞報(bào)警準(zhǔn)確率的影響

4 田間試驗(yàn)

田間工作時(shí)，考慮到機(jī)具作業(yè)時(shí)會(huì)對(duì)裝置的穩(wěn)定性，可靠性產(chǎn)生一定的影響，為驗(yàn)證氣流式施肥堵塞監(jiān)測(cè)裝置的性能，于2022年8月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，見圖12。地塊為旋耕平整后的地塊，樣機(jī)上安裝有3套氣流式施肥監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)應(yīng)3行施肥裝置，裝置選取較優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，即氣流分流管道內(nèi)徑28 mm，氣壓值700 Pa，以及施肥速率20 g/s。試驗(yàn)時(shí)，將排肥管道出肥端人為堵塞，啟動(dòng)施肥裝置，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度為1.0 m/s，查看裝置施肥是否成功報(bào)警，對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行多次重復(fù)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，3行施肥裝置報(bào)警準(zhǔn)確率均大于90.0%，最高達(dá)96.7%，裝置工作穩(wěn)定性好，未出現(xiàn)裝置失靈情況。

圖12 田間試驗(yàn)

表6 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種水稻直播機(jī)氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，闡述了其工作原理并確定了關(guān)鍵部件氣流分流管道和氣流變化反饋裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)確定氣流分流管道的進(jìn)氣口氣壓值應(yīng)小于1 000 Pa。

2）采用計(jì)算流體力學(xué)和離散元法耦合仿真方式，對(duì)關(guān)鍵部件氣流分流管道內(nèi)的顆粒和氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果表明進(jìn)氣口氣壓值為800 Pa時(shí)，肥料顆粒的動(dòng)能提高約39.7%，有利于減少施肥堵塞的發(fā)生。

3）在臺(tái)架試驗(yàn)中，采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)確定較優(yōu)工作參數(shù)為氣流分流管道內(nèi)徑28 mm，進(jìn)氣口氣壓值700 Pa，以及施肥速率20 g/s。選用較優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：報(bào)警監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率均達(dá)90.0%以上，并且裝置穩(wěn)定性好，未出現(xiàn)裝置失靈情況，可滿足水稻施肥裝置堵塞監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率要求。

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Design and experiments of the airflow type fertilizer application monitoring system for rice direct seeders

Zeng Shan1, Wei Silong1, Liao Mingming1, Zeng Li1, Chen Haibo2※

(1.,,510642,; 2.,,510642,)

Rice fertilizer application is often disturbed by the moisture or mud and water in the field, particularly, in the rainy and humid southern region of China. The complicated working environment can result in fertilizer clogging or leakage in the fertilizer application machinery. The photoelectric and capacitive sensors are often developed to monitor the fertilizer application blockage at present. However, the traditional sensors are susceptible to fertilizer dust during operation, resulting in reduced sensitivity and even monitoring failure, which cannot meet the actual production needs. In this study, an airflow anti-clogging and monitoring system was proposed for fertilizer application in the rice direct seeding machine. The agronomic requirements were combined with the fertilizer application in the direct seeding of southern rice. The smoothness of the fertilizer application pipeline was effectively improved to prevent fertilizer clogging. Once the fertilizer clogging occurred, the alarm alerts were run in the system simultaneously. Firstly, the working principle of the fertilizer application system was determined to design the key components, such as the airflow diversion duct and the airflow change feedback device. At the same time, the structural parameters were optimized for the key components of devices. A parameter calibration test was carried out to determine the air pressure value (1) of less than 1 000 Pa at the inlet of the airflow diversion duct. Secondly, a coupled simulation was carried out using Fluent and Rocky software. An experiment was then conducted to calculate the motion state of fertilizer particles with or without applied airflow in the airflow diversion duct of the key component. The test results showed that the velocity of fertilizer granules increased significantly under the action of airflow. The kinetic energy of the fertilizer granules increased by about 39.7%, compared with no airflow. It infers that the airflow effectively improved the smoothness of the fertilizer application pipeline. Finally, the prototype test was performed on the blockage monitoring and alarm performance of the device. The air pressure pre-test demonstrated that the air pressure of the air inlet should be taken as 600-800 Pa in the static test of the prototype. A combination of inlet air pressure, pipe inner diameter, and device fertilization rate was then tested to determine the optimal operating parameters of the device. The test protocol was designed by the Box-Behnken response surface method. After that, the regression model and the variation of the response surface were used to determine the inner diameter of the airflow diversion pipe of 28 mm, the air pressure value of 700 Pa at the air inlet, and the fertilizer application rate of 20 g/s, as the better working parameters of the device. The optimal combination of parameters was selected for the test in the field trials. Consequently, the accuracy of alarm monitoring was above 90.0%, and the highest accuracy was 96.7%. The better performance of the device was achieved in the stability, which fully met the requirement of clogging monitoring accuracy of the rice fertilizer device. The finding can provide an important reference for fertilizer application in the anti-blocking and blockage monitoring for rice production.

design; experiment; rice direct seeder; fertilizer application monitoring; Fluent-Rocky coupling

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.003

S224.2

A

1002-6819(2022)-17-0022-09

曾山，魏斯龍，廖明銘，等. 水稻直播機(jī)氣流式施肥監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(17)：22-30. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.003 http://www.tcsae.org

Zeng Shan, Wei Silong, Liao Mingming, et al. Design and experiments of the airflow type fertilizer application monitoring system for rice direct seeders[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 22-30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.003 http://www.tcsae.org

2022-05-23

2022-08-11

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD2000403）

曾山，博士，副研究員，研究方向?yàn)樗旧a(chǎn)機(jī)械化技術(shù)及裝備。Email：shanzeng@scau.edu.cn

陳海波，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械智能化及信息化。Email：huanongchb@ scau.edu.cn