垂直螺旋式定量施肥机的设计与试验

针对目前机械式施肥机排肥量控制精度和排肥均匀性较差的问题,设计了一种垂直螺旋式定量施肥机。该施肥机由垂直螺旋排肥装置、行走检测装置和控制系统组成,控制系统包括硬件电路和软件程序,行走检测装置检测施肥机行走信号,控制系统根据行走轮行走速度,并结合当前设置施肥量控制排肥电机转速,从而达到定量施肥的目的;安装于垂直螺旋和排肥管之间的排肥口挡板避免了不施肥时漏肥的情况。试验表明:垂直螺旋式定量施肥机施肥量与行走速度无关,仅取决于设置施肥量,施肥量控制误差在4%以内,施肥量控制精度高;变速行走时,排肥量均匀性变异系数不超过3%,排肥均匀性好。该施肥机为定量施肥机的设计提供了参考,提高了农业机械的机电一体化程度。     

精准有机肥施肥机的设计与试验

针对目前国内有机肥施肥机功能单一、撒施量和幅宽不可调节或调节范围小的现状,设计了一款精准有机肥施肥机,实现了大块肥料的二次破碎后撒施,肥料均匀性好;采用机械传动和液压传动相结合,实现拖拉机动力的合理使用;利用FPGA控制系统对输肥链板档位、肥门开度和肥料落点控制罩角度进行精准调节,实现了撒施量和撒施幅宽的可变,同时可对料箱内运行状况、撒施情况等实时监控。试验结果表明:施肥机破碎度高、撒施均匀性好,实现了自动驾驶及撒施量和撒施幅宽的精准可变控制,撒施幅宽4~7.2m,撒施量3495~5520kg/hm^2,纵向施肥变异系数20.7%,施肥量变异系数0.48%。     

倾斜刮板式固态有机肥施肥机设计

长期大量使用无机肥会降低土壤有机物存量,影响土壤微生物生存,破坏土壤肥力,最终降低作物产量。有机肥中含有大量微生物及各种微生物分泌的酶、激素等活性物质,施用有机肥能有效提高土壤微生物的数量和种类,改善土壤肥力,为作物生长提供有利的条件。目前,大型有机肥施肥机仅能在平原地区工作,无法应用于丘陵山区。为提高有机肥在丘陵地区的利用率和作业效率,促进农业可持续性发展,结合我国丘陵地区施肥作业现状,设计了一种倾斜刮板式固态有机肥施肥机,建立了刮板的力学模型,分析了施肥机的工作原理。施肥机作业时,控制系统检测施肥机的行走速度,CPU通过算法运算出相应的施肥速度,通过控制排肥器的偏转速度及刮板的旋转速度来对排肥量进行控制。试验结果表明:控制系统工作稳定可靠,施肥量准确,实际施肥量与设定施肥量最大偏差小于6%;施肥均匀性好,均匀性变异系数小于7%,单位面积实际施肥量及施肥均匀性与施肥机的作业速度无关。     

离心匀肥罩式水稻地表变量撒肥机设计与试验

为实现水稻生长周期内区域性实时变量施肥,提高机械化施肥作业效率和肥料利用率,结合水稻施肥农艺特点和近地光谱技术,设计了一种基于传感器的双圆盘离心匀肥罩式水稻地表变量施肥机。对光谱检测装置、决策控制系统、变量执行机构等关键部件进行设计,搭建基于STM32F103核心控制器的反馈系统,结合专家施肥策略响应目标施肥量。以闸口排肥流量A、撒肥圆盘转速B、整机行进速度C为影响因素,颗粒分布变异系数Cv和施肥量相对误差γ为评价指标,设计三因素三水平撒肥性能正交试验。性能试验结果表明:在目标作业幅宽内(24 m),影响Cv主次因素为A、B、C,影响γ主次因素为B、A、C,综合选择较优的工作参数因素水平组合为:A2B2C2,即排肥流量300 g/s,圆盘转速600 r/min,整机行进速度1.2 m/s时,Cv=13.82%,γ=9.54%,整机撒肥性能最优。田间试验结果表明:与性能试验相比,Cv误差均值为9.19%,γ误差均值为9.25%。研究结果表明离心式变量施肥机满足撒肥均匀性和施肥量准确性要求,提高了离心式变量施肥机撒肥性能,为圆盘式撒肥机传统的经验式施肥提供了理论基础。     

深施型液态肥变量施肥控制系统

以深施型液态施肥机为依托,采用单片机作为核心处理器,以电磁比例调节阀为执行部件,设计了深施型液态变量施肥控制系统.设计了与硬件配套的上位机软件,用于采集数据与发送命令.喷肥针施肥量控制误差台架试验结果表明,该系统可实现深施型液态变量施肥,施肥误差不超过0.5 mL/次,满足液态变量施肥作业要求.     

液体注肥器定量控制系统的设计

针对目前液体施肥机的不足,设计了可以定量控制施肥量的注肥控制系统。系统采用电机带动离心泵输送液态肥料,通过计算注肥器管道中流量传感器的脉冲信号,获取系统实际排出的液体体积,根据实际施肥量与设定值的差值控制电机运转,从而实现根据实际需要精确控制施肥量。实际运行结果表明,该系统运行可靠,系统对施肥控制量误差相对比较小,可以在一定程度上实现精准注肥,减少肥料浪费。     

基于无GPS定位的变量施肥控制系统的研究

为实现在贵州山地使用变量施肥控制系统进行施肥,设计了一种基于无GPS定位的变量施肥控制系统。该控制系统以可编程逻辑控制器(PLC)为核心,分为手动模式和无GPS定位自动模式。在手动模式下,人为选择相应的工作地块后,通过触摸屏选择不同的挡位进行施肥;在无GPS定位自动模式下,该施肥控制系统通过移速传感器获取施肥机的位置信号,再根据施肥机的位置信号施用对应的施肥量,以实现变量施肥。试验结果表明:该系统可将传感器数据和决策函数等信息综合处理,在施肥机前进速度为3.5~5.5km/h、施肥量在9 kg/hm2以上时,能够使步进电机工作转速在40~60r/min范围内,施肥机排肥平均误差为4.13%。     

稻麦精准变量施肥机排肥性能分析与试验

为提高基于近地光谱技术的稻麦精准变量施肥机排肥性能稳定性,改善变量施肥控制精度,建立了外槽轮式变量施肥机离散元仿真模型,运用离散单元法和EDEM 2.2软件对施肥机排肥过程进行性能分析和数值模拟,研究不同排肥器结构和施肥控制策略对施肥机排肥稳定性的影响,并通过台架试验和田间试验验证仿真模型的准确性。结果表明:改进后的排肥器施肥量变异性系数明显减小,标准差减小14.59 g,变异系数降低9.9%;采用转速优先控制策略,当槽轮开度为19.34 mm时,排肥量稳定性系数最佳为1.09%;采用开度优先控制策略,当槽轮转速为55.75 r/min时,排肥量变异性系数最小为1.85%;与验证试验结果相比,误差最大为14.06%。结果验证了离散元仿真方法分析颗粒运动过程的准确性,表明所设计改进的排肥器能够提高施肥机排肥稳定性,满足稻麦精准变量施肥要求。     

电动助力式螺旋条施机控制系统的设计

在西南山地丘陵地区,田地施肥多人工撒施或使用小型施肥机,存在劳动强度大、均匀性差等问题。为了减小劳动强度、提高施肥效率及均匀性,设计了一种电动助力式螺旋条施机,该条施机整机由控制系统、螺旋式排肥机构、速度检测机构和机架四大部分组成。控制系统根据施肥量设置值和轮速信号控制步进排肥电机执行动作,从而实现精量均匀施肥。试验结果表明:当设定施肥量一定时,条肥机行走距离与排肥机构排肥量成线性关系。该条施机可降低劳动强度、提高施肥效率和农业机械的机电一体化程度。     

小型竖直螺旋式精量条施机的设计

为了解决我国人工施肥劳动强度大、施肥均匀性较差和施肥机存在的地区适用性差、控制精度低的问题,设计了一种小型竖直螺旋式精量条施机。通过建立竖直螺旋排肥器的数学模型,得到螺旋叶片主要参数为内径18mm、外径45mm、螺距20mm。该条施机由竖直螺旋排肥机构、行走轮速度检测装置和控制系统3部分组成,控制系统根据行走轮速度检测装置检测的条施机行走速度,并结合当前设置的施肥量控制步进排肥电机的转速,从而达到精量施肥目的。试验结果表明:施肥量设置一定时,小型竖直螺旋式精量条施机的排肥量与条施机行走距离成线性关系;条施机控制系统的最大偏差为6.76%;变速行走时不断条,且变异系数远小于标准的1 3%。该条施机为丘陵山区的精量施肥机的设计提供了参考,提高了农业机械的机电一体化程度。     

一种自走式施肥机变量施肥控制系统改进

针对丘陵山区现有的自走式施肥机变量控制系统存在惯性大、非线性以及不能及时响应等,传统PID控制策略很难达到精准施肥要求。为此,在建立施肥控制系统数学模型的基础上,采用模糊PID对排肥轴转速进行控制,然后在Simulink工具箱搭建该控制系统的PID仿真模型。分析、对比传统参数整定的PID控制和自适应模糊PID控制系统性能差异。模型仿真和田间试验结果表明：自适应模糊PID控制器改进后的系统模型,响应时间为0.7 s,超调量3.36%,相比传统PID控制模型具有更好的动静态特性;而且在排肥控制性能试验中,单穴排肥量误差为1.52%～5.10%,变异系数最大为4.31%,排肥量准确性和均匀性均达到要求,改进的控制系统性能更优。     

稻田气力式变量施肥机肥料喷撒器设计与试验

目前水稻施追肥以离心圆盘式撒肥机为主,虽具有幅宽大、作业效率高的特点,但是变量控制精度差。为了满足水稻变量施肥的作业要求,设计了一种气力式变量施肥机,在满足幅宽要求的基础上,还能够实现在幅宽方向上的变量控制施肥。设计了用于该机的肥料喷撒器,对该喷撒器的肥料运动进行了理论分析,并对不同挡板结构的喷撒器进行气流流场模拟分析,对在不同转速下各排肥口的施肥量和不同挡板类型的施肥喷撒器在各自施肥范围内的施肥均匀性进行了试验。试验结果表明：转速对各排肥口的排肥量没有显著性影响,各排肥口的排肥量误差在均值的5%以内;转速和喷撒器的挡板结构类型对单一喷撒器施肥范围内的施肥均匀性具有显著性影响,以施肥均匀性变异系数为指标,排肥轮转速在30r/min左右时,整体排肥均匀性变异系数优于其他转速;而圆锥形挡板喷撒器在所有转速下其排肥均匀性变异系数均优于其他挡板结构的喷撒器,且当排肥轮转速大于30r/min时,该喷撒器的施肥均匀性变异系数小于8%。就挡板结构对喷撒器出口气流场的影响和施肥均匀性进行了比较研究,发现二者具有相似性,初步断定气流场对施肥均匀性具有一定影响。在实际作业过程中为了使单个排肥口的排肥均匀性更好,应当采用圆锥挡板喷撒器,并且在确定作业区域的施肥量下,尽可能调整车速,使排肥轮转速达到30r/min以上,以最大程度保证施肥区域的施肥均匀性。     

施肥播种机肥料流量分段式PID控制系统设计与试验

施肥稳定性是评价变量施肥系统性能的重要指标,针对常规外槽轮式排肥器排肥时脉动性明显导致排肥均匀性差的问题,提出了基于肥料流量反馈的分段式PID控制方法,并设计了施肥播种机高精度肥料流量控制系统,系统采用肥料流量检测模块获取实时肥料流量并作为反馈输入,结合目标肥料流量,根据分段式PID控制算法得到控制输出量,驱动施肥电机,实现肥料流量的准确控制。搭建了施肥试验台,进行了肥料流量变化阶跃响应与施肥精度的台架试验,结果表明,肥料流量控制系统的阶跃响应时间最大值为1.42 s,均值为0.98 s,超调量最大值为3.49%,均值为2.82%,稳态误差最大值为0.89%,均值为0.64%,施肥量控制精度最小值为97.83%,均值为98.14%。在不同试验条件下,肥料流量控制系统的肥料流量控制精度与施肥精度均优于恒定转速系统。田间试验表明,当车速为4、6、8 km/h时,肥料流量控制系统的施肥量控制精度分别为97.84%、97.78%和97.82%,施肥量控制精度平均值为97.81%,标准偏差为0.28%,能够满足高精度施肥需求。     

自平衡精量施药施肥植保机的设计与试验

针对施药施肥植保机喷杆不平衡、施肥幅宽小及施肥量不均等问题,设计了一种自平衡精量施药施肥植保机。通过折叠机构、伸缩机构、平衡机构的设计,提高了植保机施肥幅宽;通过GPS定位,对行作业,实现不重施或漏施药肥;根据采集的机具速度,系统自动计算施药施肥量,通过控制药液的流量阀控制施药量,通过气力输送系统和送料量调节机构中容留槽的容留量来控制施肥量,使其与车速波动相匹配以达到精确施药施肥的目的。对植保机进行场地试验和田间试验,结果显示:施肥幅宽达16m,喷嘴排量一致性变异系数10.47%,施药施肥均匀性变异系数23.9%,均优于农业标准,作业效率4~5hm^2/h。     

双变量施肥机施肥控制系统设计

变量施肥机施肥控制系统对于实现变量施肥至关重要。结合国内外变量施肥机及相应控制系统现状与发展趋势,本文提出了一个基于外槽轮式排肥器,通过调节施肥机排肥轴的转速与排肥器开度来实现双变量施肥的闭环控制系统,以克服单变量施肥精度差、可调度小,低速时脉动性显著等问题。     

链条输送式施肥系统装置及试验

针对我国有机变量施肥机在变量施肥过程中排肥量不准确、抛撒不均及有机肥变量施肥机缺乏的问题,采用变量施肥技术,设计了一款链条输送式精准变量排肥机构。通过分析有机肥输送过程中肥料的运动及受力分析,建立了埋刮板宽度与两个之间的间距及焊接在马蹄链的倾斜角度关系方程,并进行了EDEM仿真分析。对于同一施肥量,选择闸板开口大小为5、10、15mm这3组数据进行田间试验。结果表明:链条输送式精准变量排肥机构排肥效果较好,在动力为14k W、闸板开口大小为5mm时,实际施肥量与预置施肥量相对误差最大值为7.6%;闸门开口大小为10mm时,实际施肥量与预置施肥量相对误差较小为2%,能够较好地满足实际生产要求,为我国有机肥撒施机研究提供技术支持。     

四要素变量施肥机肥箱施肥量控制算法设计与试验

针对黑龙江农垦地区垄作玉米施肥过程中遇到的肥料分层问题,设计了一种四要素变量施肥控制系统。系统采用电液比例控制技术,主要由液晶显示终端、变量施肥控制器、4路液压马达和编码器、4路排肥机构（排肥轴和外槽轮）和GNSS模块组成。为了实现氮肥、磷肥、钾肥和微肥的一次性及时、准确施用,提出了一种基于复合交叉原则的各路施肥量确定策略,基于PID技术设计了液压马达控制算法。根据用户在变量施肥控制软件中设置的目标施肥量,系统自动确定各肥箱精确施肥量,基于PID液压马达控制算法,实时计算4路液压马达的目标转速,同步向控制器发送4路转速指令,一次性完成氮肥、磷肥、钾肥和微肥4种肥料的同步变量施用。为了验证各路施肥量控制算法的效果,分别进行了PID算法响应时间和精度试验、变量施肥系统单质肥排肥性能验证试验和作业条件下各肥箱施肥量控制算法验证试验。试验结果表明,基于PID技术的排肥轴转速控制算法响应时间不大于0.5s;变量施肥系统单质肥排肥性能误差绝对值不大于3%;作业条件下各路施肥量控制算法显著减少了氮素的施用量,实现了氮肥、磷肥、钾肥的精确投入。四要素变量施肥机各路施肥量控制算法完全满足了垦区玉米施肥精确、均匀施用的要求。     

智能玉米精密播种施肥机的研制

针对现有机械式玉米精密播种施肥机播种施肥一致性差、肥管易堵塞、种子重播漏播严重、无补种机构等问题,研制基于DSP控制技术的智能玉米精密播种施肥机。实现精密播种施肥机工作过程中种肥的实时监控及故障处理,统计已播、重播、漏播种子数及施肥量等数据,当发现漏播时能即时补种;当出现肥料堵塞时能即时疏通;种箱缺种和肥箱缺肥能发出声光报警。同时,可以通过触摸屏设定播种株距及施肥量。田间试验表明,整机结构稳定,重播、漏播、缺种、缺肥、肥管堵塞报警率达100%,肥管堵塞疏通率达100%,并且安装补种系统后,总播种率达到99.4%,相比没有加补种系统前提高5.8个百分点。     

2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机设计与试验

为了提高冬小麦播种质量与种肥利用率,降低生产成本,针对中原地区冬小麦适度规模种植种肥同播作业方式粗放、效能低的特点,基于CAN总线通信协议下的车载传感器与PIC控制融合技术,设计了2BFJ-24型小麦精量播种变量施肥机,由播种施肥机械部件、种子漏播监测系统、肥料堵塞监测系统、变量施肥控制系统及车载计算机组成。通过红外光电检测可实时监测排种管种子流量情况,通过检测排肥管下端口内介电常数变化可实时获取肥料下落信号;通过集成GPS模块获取机器田间位置信息,结合预先加载的田块处方图,确定当前位置目标施肥量,并基于压力传感与微机控制解算当前施肥量和流量信息,按照机器前进速度实时调整施肥量;最终实现作业过程漏播、堵塞声光报警与精准施肥目的。田间试验结果表明,整机监控系统能够适应复杂田间环境,漏播监测准确率可达91%,肥料堵塞报警误差小于2%,变量施肥准确率超过96%,具有较好的实用性和经济性。     

科研动态

有机粉肥施肥机通过鉴定上海市青浦区农机管理站,自主开发有机粉肥施肥机,经上海市农机具产品质量检测站检测,各项技术指标均达到设计要求。该机由肥箱、排肥器、搅拌器、驱动轮、排肥调节器等部件组成,与50型拖拉机配套作业,工作幅宽1.5m,作业效率8￣15亩/h,施肥量150￣250kg/亩可调,肥箱容量250kg左右。该机施肥均匀,生产效率高,解决了人工撒施劳动强度大,撒施不均匀的问题。该机悬挂在拖拉机后部,以地轮作为排肥和搅拌的传输动力,机具不前进时不排肥,适用于经过处理后的禽畜粪便的施肥。■(陆永涛)兵团农八师制成棉花打顶机由新疆生产建…