初金哲，庄卫东，衣淑娟，王 熙，赵 军

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163000)

0 引言

随着种植业的快速发展，土壤里养分无法满足作物的生长需求，化肥的出现及时解决了这个问题。各种化肥中的元素极大地补充了作物生长所需，促进了作物的生长，提高了经济效率和劳动生产率。但是，化肥的大量施用导致了土壤肥力下降及土壤板结等现象,过量的化肥也有的被冲入河道中，造成河水的富营养化，带来了严重的环境问题。因此，合理有效地施用化肥成为当下农业工程领域关注的课题，变量施肥技术也成为人们关注和研究的热点。变量施肥是精确农业的核心之一[1-4]。

精准农业技术的应用领域非常广阔，在施肥方面的应用，就是变量施肥技术，是精准农业的最为重要的部分。根据土壤的肥力和农作物的生长情况有调节性地施肥[8]，土壤也会随着时间呈现显著的空间变异性，肥力的高低、土壤理化条件、关键期的墒情，会对施肥效果产生较大的影响。实施变量施肥技术，可以减少肥料使用量，并充分地发挥肥料的效果[8]。

我国传统的肥料施用方式较粗放，将多种肥料混合一次完成施肥作业，化肥平均施用量已达434.3kg/hm2，利用率仅为30%～35%；而美国平均施用量小于150kg/hm2，利用率达到50%～60%[15]。化肥利用率不高不仅造成经济上的巨大损失，且带来严重的地下水污染。常规施肥方式往往造成某些营养成分过剩，而其他营养成分缺失。精准施肥是根据土壤养分含量，实施按需变量施肥，可大大提高肥料利用率、减少肥料的浪费及对环境的不良影响。试验表明：相同产量条件下，精准施肥可使农资投入成本降低15%～20%，化肥施用量减20%～30%，经济、社会和生态效益显著[15]。

变量施肥在国外已经有较多的研究和应用，我国在变量施肥机变量作业控制、定位与位置分析、信息采集等方面，也开展了较多研究[13-15]。

目前，国内外对变量施肥技术越来越重视，同时变量施肥也受到广泛关注。这种方法优点是提高化肥利用率，提高工效，减轻劳动强度，施肥均匀准确，减少化肥污染，改善生态环境，具有较好的生态效益和社会效益[6]。

为了弥补传统施肥方法的不足，研制了2F-12型变量施肥试验台，用以提高化学肥料的利用率，提高农业生产的经济效益和环境效益、简化施肥操作步骤及降低劳动强度，并在提高变量施肥控制系统的开发设计能力的同时，为田间变量施肥机具的大面积推广提供技术储备，提高我国现代农业施肥的技术水平[5]。

1 整体结构和工作原理

1.1 整体结构

12F-12型变量施肥试验台由箱体、排肥装置、液压系统、电控系统、车载计算机，以及施肥监视系统组成，主体结构如图1所示，电控系统如图2所示。

1.肥箱 2.电液比例阀 3.液压马达 4.量杯 5.排肥管 6.肥管状态传感器 7.排肥气 8.排肥气开口调节装置 9.电控系统图1 2F-12变量施肥试验台主体结构Fig.1 Main structure of 2F-12 variable fertilizer test stand

1.施肥监测终端 2.轮速模拟器 3.电源开关 4.车载计算机图2 电控系统结构Fig.2 Electronic control system structure

1.2 工作原理

肥箱装满肥料，肥料通过重力下落进入排肥器，接通电源通过电控系统控制排肥器开始运作；肥料落入排肥器齿轮凹槽中通过液压马达提供动力由电机带动齿轮旋转，通过上位机给定变量施肥控制系统一个GPS速度，模拟机车行驶速度值，从而调节排肥器电机转速，用改变行驶速度的方式来调节排肥器的施肥量；肥料通过排肥口下落在试验台的量杯中，通过施肥监视终端设备观测排肥器能否顺利排肥。2F-12型变量施肥试验台主要操作是通过车载计算机施肥控制系统来进行操控的，所以本研究重点是施肥控制系统如何通过操控试验台来实现变量施肥。

2 参数及主要部件设计

2.1 试验台的主要技术参数

试验台主要参数，如表 1所示。

表1 试验台主要技术参数Table 1 Main technical parameters of test stand

2.2 主要部件设计

2.2.1 排肥器

排肥器是施肥试验台的核心机构，根据试验条件选择外槽轮排肥器，外槽轮排肥器具有流动性好、结构简单及施肥均匀的特点。2F-12型变量施肥试验台选择市面常见的铸塑型外槽轮排肥器，由于外槽轮排肥器整体是以塑料为主，可以有效地预防和改善肥料对排肥器内壁的腐蚀和黏着，可以更好地满足试验要求[4]。配合电机与液压马达合理组装结合，用与之配套的变量施肥控制系统控制，实现单排路施肥量可以单独调节。

2.2.2 变量施肥控制系统

变量施肥控制系统是试验台能够顺利进行变量施肥试验的核心技术，通过控制系统可以精准调节电机转速，达到预期施肥要求；在施肥控制器的显示屏幕上，能够看到屏幕上显示当前的肥料类型、肥料名称、目标转速、运行时间、倒计时及实时转速的设置界面，可以通过触摸屏简单、便捷地设定相关参数(见图3)，以达到变量施肥的效果。

2.2.3 施肥监测器

施肥监测器是试验台能否顺利进行变量施肥实验的关键技术，在排肥器和排肥管之间安装一个肥料状态传感器，在车载计算机旁边安装一个施肥监测终端装置来进行能否顺利施肥的监测。其中，肥料状态传感器为一个光电传感器，连接施肥监控系统，将尿素装入肥箱，将排肥轴动力装置连接液压泵站，打开监控系统显示屏。具体操作方法：先启动发动机，再打开显示器右下角的电源开关启动系统，启动后系统先显示软件版本，然后做一个自检：所有指示灯都会亮一下，喇叭也会唧唧叫一声，接着所有的灯会熄灭，最后只有探头连接行的指示灯会再次亮起来，亮的指示灯指示检测到的施肥行。同时，屏幕的第1行显示所连探头的数量，第2行显示所连的施肥机行。其正常施肥时，相应施肥行的灯会一闪一闪指示播肥状态。当所有行都不下肥时(通常是到地头了，喇叭会唧唧叫12声然后消音)；当有些行下肥、有些行不下肥时，不下肥行的指示灯停止闪烁或闪烁的很慢，警报也会响起，通常需要停下来检查“灯不闪”的施肥行是否出现了故障。

图3 变量施肥系统主界面Fig.3 Main interface of variable rate fertilization system

3 施肥性能试验

3.1 试验条件

2016年6月21日，在黑龙江八一农垦大学工程学院112实验室进行了2F-12型变量施肥试验台的室内试验。试验肥料经过筛选选取粒度范围 0.85～2.80mm、氮含量≥46.4%、含水量≤0.4%。符合国家标准 GB2440-2001 农用优等尿素，进行室内变量施肥试验。测试试验台在不同行驶速度和目标施肥量下的排肥量情况。

3.2 试验方案

根据 NY/T1003-2006《中华人民共和国农业行业标准 -施肥机械质量评价技术规范》的规定，对2F-12型变量施肥试验台进行变量施肥试验。连接施肥监控系统及施肥控制器，将尿素装入肥箱，将排肥轴动力装置连接液压泵站，将排肥器的排肥口打开，开启施肥控制器，设定肥料类型、肥料名称、目标转速及运行时间等参数，点击启动按钮，排肥轴开始转动；在试验台开始运作 5 s 之后，排肥器运作稳定时开始试验。

本机构中施肥机每公顷的排肥量Q为

(1)

式中q—排肥器的排肥量 (kg/min);

v—机具前进速度 (km/h);

B—施肥机行距 (m);

N—排肥器个数。

通过变量施肥试验台的测试试验确立排肥轴转速与每公顷排肥量，模拟机具前进速度之间的函数关系，测量各个因素对排肥量的影响，找出机具前进速度与排肥量之间的关系，然后带入式(1) 建立数学模型。

3.3 试验方法

连接施肥监控系统及施肥控制器，将尿素装入肥箱，将排肥轴动力装置连接液压泵站，将排肥器的排肥口打开，开启施肥控制器，设定肥料类型、肥料名称、目标转速及运行时间等参数；点击启动按钮，排肥轴开始转动，在试验台开始运作 5 s 之后，排肥器运作稳定时开始试验。将排肥器的开度定位55mm，开启施肥控制器，设定最大排量标定，在笔记本电脑中调整GPS速度模拟机车行驶速度，通过串口调入变量施肥控制系统中行驶速度调控范围为0～11km/h，运行时间60s，排出肥料为尿素。点击启动按钮，排肥轴开始转动，在试验台开始运作 5 s 之后，排肥器运作稳定时开始试验，以60s 为每组测试时间，在排肥器开度大小相同时改变不同的行驶速度进行相同测试，把触控屏幕显示的行驶速度数值和马达转速依次记录下来。每种行驶速度进行3组测试，对排肥器的排肥量进行收集记录并对所得数据进行数据分析。

3.3.1 确定机具前进速度对排肥量的影响

对于尿素，当排肥器的开度定位在55mm，确定目标施肥量，参数机具行驶速度调整范围为0～11km/h时，采集到的排肥量。对采集到的数据与目标数据进行残差分析，如表2和图4所示。

续表2

图4 残差散点图Fig.4 Residual scatter plot

3.3.2 确定机具前进速度对排肥量的影响

确定机车行驶速度为7km/h，改变目标施肥量调整范围为350～460kg/hm2，采集排肥量。对采集到的数据与目标数据进行残差分析，如表3和图5所示。

表3 目标施肥量与实际施肥量之间的残差Table 3 Residual between target fertilization and actual fertilization

续表3

图5 残差散点图Fig.5 Residual scatter plot

分析结果可以看出：目标施肥量一定时，改变机车行驶速度得到实际施肥量与目标施肥量之间的残差值小于3%；行驶速度一定时，改变目标施肥量得到实际施肥量与目标施肥量之间的残差值小于3%。

4 结论

设计了一台符合国家农业机械施肥标准的2F-12型变量施肥试验台，可以模拟机车在不同行驶速度下的施肥作业。该试验台通过变量施肥控制系统，可以对不同机车行驶速度下的施肥进行试验，为今后的田间变量施肥机械的设计与研发提供了参考。试验结果表明：研制的2F-12型变量施肥试验台技术先进、性能可靠、操作方便且具有较高的控制精度，满足设计要求。