李沐桐　溫翔宇　周福君

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

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中耕作物精準穴施肥控制機構(gòu)工作參數(shù)優(yōu)化與試驗

李沐桐溫翔宇周福君

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

為增加中耕作物產(chǎn)量，有效提高肥料利用率，設(shè)計了玉米苗期自動穴施肥控制機構(gòu)，通過土槽試驗分析了穴施肥控制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，研究了施肥傳動機構(gòu)工作參數(shù)對施肥控制精準度的影響規(guī)律。采用正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，以動力輸出軸轉(zhuǎn)速、臺車前進速度、觸碰轉(zhuǎn)針高度為影響因子，以穴株擬合度和傷苗率為響應(yīng)函數(shù)，利用Design-Expert軟件平臺的回歸分析法及響應(yīng)面分析法，對3個因子進行單因素和多因素正交試驗。結(jié)果表明：在臺車前進速度為1.25 m/s，動力輸出軸轉(zhuǎn)速為16.5 r/min，觸碰轉(zhuǎn)針高度在5 mm的條件下，穴株擬合度可達到0.796，傷苗率接近10%，參數(shù)優(yōu)化結(jié)果滿足玉米苗期施肥控制性能的要求。

中耕作物； 精準施肥； 穴施肥機構(gòu)； 自動控制； 參數(shù)優(yōu)化

引言

中耕作物自動穴施肥技術(shù)是提高肥料利用率的有效途徑之一，對降低肥量損失，發(fā)展高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)具有重要意義。與傳統(tǒng)的條溝施肥相比，在莖稈自然生長形態(tài)下，機械化自動穴施能夠提高施肥準確度，并減少過量肥料殘余污染現(xiàn)象，研究新型的穴施肥控制機構(gòu)并對其參數(shù)進行設(shè)計和優(yōu)化，對減少漏施、降低傷苗率、提高施肥精準度至關(guān)重要[1-4]。

本文以玉米苗期自動穴施肥控制機構(gòu)[5]為研究對象，對影響穴施肥精確度的關(guān)鍵部件——靠苗裝置、微力放大器、施肥裝置和脫離裝置進行試驗研究和參數(shù)優(yōu)化。相關(guān)文獻[3]及已有的單因素試驗表明，動力輸出軸轉(zhuǎn)速、臺車前進速度、觸碰轉(zhuǎn)針高度3個因素對試驗結(jié)果影響顯著。本文在已有研究基礎(chǔ)上采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，尋求自動穴施肥機構(gòu)的較優(yōu)參數(shù)組合，以期提高穴施肥精確度、增加肥料利用率。

1　自動穴施肥控制機構(gòu)組成與工作原理

1.1機構(gòu)組成

穴施肥機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要工作部件按機組縱向?qū)ΨQ線左右布置，主要由機械式觸碰識別裝置、施肥裝置和脫離裝置組成，其中觸碰轉(zhuǎn)針、三角轉(zhuǎn)盤、滾輪、位移驅(qū)動擺桿與可恢復(fù)式微力放大裝置共同組成機械式觸碰識別裝置；垂直托板、脫離轉(zhuǎn)槽、曲柄連桿與活塞共同組成脫離裝置，圖中所述施肥裝置相對獨立；其余工作部件均為傳動零件。

1.2工作原理

其工作原理是：作業(yè)時如圖1所示，機械式識別裝置中觸碰轉(zhuǎn)針碰撞莖稈，導(dǎo)致觸碰轉(zhuǎn)針驅(qū)動三角轉(zhuǎn)盤順時針轉(zhuǎn)動并拔動滾輪和位移驅(qū)動擺桿，位移驅(qū)動擺桿轉(zhuǎn)動后激活可恢復(fù)式微力放大裝置內(nèi)彈簧釋放，推動滑移齒輪側(cè)向滑動，使其與施肥齒輪嚙合并帶動兩個施肥凸輪盤工作，從而帶動邊側(cè)施肥機構(gòu)開始扎穴，即開始施肥作業(yè)。

圖1　玉米苗期自動穴施肥機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagram of corn seedling automatic hole fertilization mechanism1.觸碰轉(zhuǎn)針　2.三角轉(zhuǎn)盤　3.滾輪　4.位移驅(qū)動擺桿　5.可恢復(fù)式機械力微動放大裝置　6.動力輸出齒輪　7.滑移齒輪　8.施肥凸輪盤 9.施肥裝置　10.垂直托板　11.脫離轉(zhuǎn)槽　12.曲柄連桿　13.活塞

在施肥裝置施肥管離開土壤并向上運動到最高點時，施肥凸輪盤推程頂點接觸到垂直托板，并將垂直托板面上頂柱頂入脫離轉(zhuǎn)槽內(nèi)，迫使頂柱與槽內(nèi)擋塊接觸碰撞，同時，始終旋轉(zhuǎn)的脫離轉(zhuǎn)槽將攜帶曲柄連桿做曲柄搖桿運動，側(cè)向推動活塞做軸向運動，將滑移齒輪脫離嚙合狀態(tài)，此時，施肥凸輪盤轉(zhuǎn)至前方安全位置，垂直托板落回原始位置，即完成單次自動穴施肥作業(yè)[5],機構(gòu)單體實物圖如圖2所示。

圖2　機構(gòu)單體實物圖Fig.2　Photo of mechanism

2　試驗材料與方法

2.1試驗材料

試驗用塑料玉米莖稈10株，直徑20 mm，莖稈高度500 mm。試驗時間為 2014年11—12月。試驗臺由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制，包括：土槽、電控柜、臺車和電動機。土槽內(nèi)土壤含水率12%～16%，堅實度為14.3 N/cm2。試驗用游標(biāo)卡尺精度為0.01 mm；皮尺精度為0.1 mm；秒表精度為0.01 s。

2.2試驗方法

將施肥機構(gòu)單體固定在試驗臺架上，試驗臺主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。施肥機構(gòu)單體與塑料莖稈分別固定在試驗臺架與臺車土槽內(nèi)，土槽移動。通過控制臺控制土槽移動速度，按照試驗要求控制動力輸出電動機轉(zhuǎn)速范圍，模擬田間作業(yè)。施肥機構(gòu)單體試驗臺結(jié)構(gòu)如圖3所示，試驗現(xiàn)場如圖4所示。

表1　試驗臺主要技術(shù)參數(shù)Tab.1　Technical parameters of test-bed

圖3　施肥單體試驗臺結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3　Structure of fertilization monomer test-bed1.臺車傳動系統(tǒng)　2.土槽　3.試驗臺支架　4.調(diào)頻控制臺　5.觀測座椅　6.施肥機構(gòu)單體　7.肥箱　8.施肥動力輸出系統(tǒng) 9.緩沖器

圖4　試驗現(xiàn)場圖Fig.4　Photo of experiment

2.2.1試驗設(shè)計

為提高穴施肥機構(gòu)的靈敏度和可靠性，需對機構(gòu)工作參數(shù)進行優(yōu)化，根據(jù)北方玉米種植株距以及扎穴速度要求，選擇因素水平范圍?；谠ㄊ┓实奶匦?，推算出穴株擬合度的關(guān)系表達式，作為評價扎穴點穩(wěn)定性和準確性的第一指標(biāo)；由于苗期中耕作物根莖尚未成熟，因此選擇傷苗率為第二指標(biāo)。該試驗采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，參照文獻[6]以及前期相關(guān)試驗研究結(jié)果，以動力輸出軸轉(zhuǎn)速(圖1中齒輪6的同軸轉(zhuǎn)速，可由EMT260轉(zhuǎn)速表測定)、臺車前進速度、觸碰轉(zhuǎn)針高度(觸碰轉(zhuǎn)針與土壤水平面的垂直距離)為影響因子，以穴株擬合度和傷苗率為評價指標(biāo)，每組試驗重復(fù)3次取平均值，水平編碼如表2所示。

表2　因素編碼表Tab.2　Coding of factors

2.2.2傷苗率和穴株擬合度的測定

傷苗率是中耕施肥作業(yè)質(zhì)量的重要因素。因此, 選擇傷苗率η作為穴施肥機構(gòu)作業(yè)質(zhì)量的評價指標(biāo)。

(1)

式中M1——測定區(qū)域內(nèi)總株數(shù)

M2——測定區(qū)域內(nèi)傷苗總株數(shù)

其中傷苗的判定以莖稈直立度為參照，依照行業(yè)標(biāo)準(JB/T 10291—2013)，用植株莖稈與地面的夾角α來評價[6-7]。一般α越接近90°越好，可以將莖稈的直立狀態(tài)大體分為倒伏、合格2種狀態(tài)。在試驗中取α<60°時為倒伏，即判定為傷苗。在試驗中選取塑料玉米莖稈10株，試驗中借助角度尺測定作業(yè)后莖稈與地面夾角的α值來判定是否傷苗，以植株莖稈倒伏數(shù)量來記錄傷苗個數(shù)，故傷苗率取值均為整數(shù)。

穴株擬合度定義為：在穴施肥作業(yè)后所測得的扎穴點與莖稈植株間距的接近程度。其反映了穴施肥準確率的高低。在本次試驗中記錄所測得的每株莖稈和扎穴點與初始點的距離，分別生成散點圖和趨勢圖，進一步計算二者的相關(guān)性，從而評價擬合度。取隨機距離分布，如圖5。

圖5　穴距及株距分布散點趨勢圖Fig.5　Hole distance and spacing distribution of scatter plot

穴株擬合度計算依據(jù)為扎穴點距離與莖稈距離的回歸方程相關(guān)系數(shù)[8],從而判定擬合度優(yōu)劣。穴株擬合度r(0≤r≤1)為

(2)

式中m——扎穴試驗點個數(shù)

o——每一個莖稈與起始點距離，mm

o′——每一個扎穴點與起始點距離，mm

loo——莖稈株距標(biāo)準偏差

lo′o′——扎穴點間距標(biāo)準偏差

loo′——莖稈株距與扎穴點間距的差異標(biāo)準偏差

2.2.3數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件進行回歸分析,利用響應(yīng)面分析法對兩因素間交互效應(yīng)進行分析[9]。

3　試驗結(jié)果與分析

試驗方案與結(jié)果如表3所示。

3.1回歸模型的建立與檢驗

3.1.1穴株擬合度回歸方程

(3)

3.1.2傷苗率回歸方程

方差分析結(jié)果如表5所示，由表5可知，在此模型中，X2、X3、X2X3影響極顯著，經(jīng)過顯著性檢驗，該模型的F值為10.05，p<0.01，說明該模型極顯著。而失擬項的F檢驗結(jié)果不顯著(p=0.063 6>0.05)，說明方程在選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，擬合程度較好。將不顯著項剔除后得到回歸方程為

Y2=-37.497+40.252X2+3.428X3-2.357X2X3　(4) 表3　試驗方案與結(jié)果Tab.3　Experiment design and results

表4　穴株擬合度回歸方程方差分析Tab.4　Variance analysis of regression equation for goodness of pointing-fit

注：*表示顯著(p<0.05)，**表示極顯著(p<0.01)，下同。

3.2各單因素對各項性能指標(biāo)影響主次分析

結(jié)果如表6所示，各因素對穴株擬合度貢獻率由大到小依次為動力輸出軸轉(zhuǎn)速、臺車前進速度、觸碰轉(zhuǎn)針高度；各因素對傷苗率貢獻率由大到小依次為靠苗針高度、臺車前進速度、動力輸出軸轉(zhuǎn)速。

表5　傷苗率回歸方程方差分析Tab.5　Variance analysis of regression equation for coefficients of injury seedling rate

表6　各因素對性能指標(biāo)的貢獻率Tab.6　Importance of effects of factors on response functions

3.3各因素對性能指標(biāo)影響規(guī)律分析

3.3.1交互因素對穴株擬合度的影響

由圖6a可知，動力輸出軸轉(zhuǎn)速和臺車前進速度在觸碰轉(zhuǎn)針高度固定在零水平(X3=15 mm)時，交互作用對穴株擬合度的影響規(guī)律：當(dāng)動力輸出軸轉(zhuǎn)速在5～18 r/min區(qū)間內(nèi)，隨臺車前進速度增大，穴株擬合度先升高后降低。當(dāng)動力輸出軸轉(zhuǎn)速較大時(約大于18 r/min)，臺車前進速度增大，穴株擬合度升高。

由圖6b可知，在臺車前進速度固定在零水平下(X2=0.9 m/s)，隨著動力輸出軸轉(zhuǎn)速增加，穴株擬合度先升高，之后穴株擬合度隨動力輸出軸轉(zhuǎn)速的增大逐漸降低，動力輸出軸轉(zhuǎn)速X1為21.2 r/min,觸碰轉(zhuǎn)針高度為5 mm時，穴株擬合度最高。由表4可知，動力輸出軸轉(zhuǎn)速對穴株擬合度作用的F值為51.52，觸碰轉(zhuǎn)針高度對穴株擬合度作用的F值為1.01，因此動力輸出軸轉(zhuǎn)速對穴株擬合度的影響大于觸碰轉(zhuǎn)針高度對穴株擬合度的影響。

由圖6c可知，在動力輸出軸轉(zhuǎn)速固定在零水平下(X1=15 r/min)，當(dāng)觸碰轉(zhuǎn)針高度較小時(約小于7 mm)，隨著臺車前進速度增加，穴株擬合度先升高。當(dāng)觸碰轉(zhuǎn)針高度較大時(約大于7 mm),穴株擬合度隨著臺車前進速度的增大逐漸降低。臺車前進速度較小時(約小于0.8 m/s)，隨著觸碰轉(zhuǎn)針高度的增加，穴株擬合度緩慢升高。當(dāng)臺車前進速度在0.9～1.5 m/s區(qū)間內(nèi)，穴株擬合度隨觸碰轉(zhuǎn)針高度增加而逐漸降低，臺車前進速度為1.3 m/s，觸碰轉(zhuǎn)針高度為2 mm時，穴株擬合度最大。由表4可知，臺車前進速度對穴株擬合度作用的F值為1.91，觸碰轉(zhuǎn)針高度對穴株擬合度作用的F值為1.01，因此臺車前進速度對穴株擬合度的影響大于觸碰轉(zhuǎn)針高度對穴株擬合度的影響。

3.3.2交互因素對傷苗率的影響

由圖7a可知，動力輸出軸轉(zhuǎn)速和臺車前進速度在觸碰轉(zhuǎn)針高度固定在零水平(X3=15 mm)時，交互作用對傷苗率的影響規(guī)律：當(dāng)動力輸出軸轉(zhuǎn)速在5～25 r/min區(qū)間內(nèi)時，傷苗率隨臺車前進速度增加而降低。臺車前進速度較小時(約小于0.6 m/s)，隨著動力輸出軸轉(zhuǎn)速的增加，傷苗率逐漸升高，當(dāng)臺車前進速度較大時(約大于0.6 m/s)，傷苗率隨動力輸出軸轉(zhuǎn)速增加而逐漸降低，且傷苗率可下降到最低值(約10%)，主要由于臺車前進速度增大，使行走速度增加，且動力輸出軸轉(zhuǎn)速的增加縮短了脫離機構(gòu)復(fù)原時間，即靠苗觸碰裝置回位迅速，從而減少了觸碰轉(zhuǎn)針對莖稈的碰撞接觸時間，即降低了傷苗率。由表5可知，動力輸出軸轉(zhuǎn)速對傷苗率作用的F值為1.39，臺車前進速度對傷苗率作用的F值為44.83，因此臺車前進速度對傷苗率的影響大于動力輸出軸轉(zhuǎn)速對傷苗率的影響。

由圖7b可知,在臺車前進速度零水平下(X2=0.9 m/s),動力輸出軸轉(zhuǎn)速與觸碰轉(zhuǎn)針高度交互作用對傷苗率的影響規(guī)律：當(dāng)動力輸出軸轉(zhuǎn)速在5～25 r/min范圍內(nèi)，觸碰轉(zhuǎn)針高度越大，傷苗率越高。當(dāng)觸碰轉(zhuǎn)針高度在5～11 mm區(qū)間內(nèi)，動力輸出軸轉(zhuǎn)速增加，傷苗率升高。當(dāng)觸碰轉(zhuǎn)針高度較大時(約大于11 mm)，傷苗率隨動力輸出軸轉(zhuǎn)速增加而降低。由表5可知，動力輸出軸轉(zhuǎn)速對傷苗率F值為1.39，觸碰轉(zhuǎn)針高度對傷苗率作用的F值為28.40，即動力輸出軸轉(zhuǎn)速對傷苗率的影響較小。

圖6　交互因素對穴株擬合度的影響Fig.6　Effects of two factors on goodness of pointing-fit

圖7　交互因素對傷苗率的影響Fig.7　Effects of two factors on coefficients of injury seedling rate

由圖7c可知，臺車前進速度和觸碰轉(zhuǎn)針高度在動力輸出軸轉(zhuǎn)速固定在零水平(X1=15 r/min)時，交互作用對傷苗率的影響規(guī)律：當(dāng)臺車前進速度較小時(約小于0.6 m/s),隨著觸碰轉(zhuǎn)針高度的增加，傷苗率逐漸升高。當(dāng)臺車前進速度在0.6～1.4 m/s區(qū)間內(nèi)，觸碰轉(zhuǎn)針高度對傷苗率影響較大，且觸碰轉(zhuǎn)針高度越高，傷苗率越低。臺車前進速度對傷苗率影響較小。

3.4優(yōu)化分析

按照穴株擬合度最大，傷苗率最小的農(nóng)藝要求為優(yōu)化目標(biāo)[10]，在動力輸出軸轉(zhuǎn)速和臺車前進速度分別為20.5 r/min和1.3 m/s時,為保證傷苗率相對最低，觸碰轉(zhuǎn)針高度取5 mm，根據(jù)化肥深施技術(shù)要求[11]，目標(biāo)函數(shù)穴株擬合度應(yīng)大于0.7，由于采用塑料玉米莖稈，其強度與實際拔節(jié)期玉米莖稈強度相比較小，且材料有一定差異性，因此初步限定傷苗率小于10 %為優(yōu)化目標(biāo)，利用Design-Expert軟件平臺的回歸分析法及響應(yīng)面分析法，分析了3個因子對試驗指標(biāo)影響的規(guī)律，得到觸碰轉(zhuǎn)針高度在約5 mm時的參數(shù)組合區(qū)間，即動力輸出軸轉(zhuǎn)速在15.8 ～17.2 r/min范圍內(nèi)，臺車前進速度在1.18～1.39 m/s區(qū)域內(nèi)，針對該交叉域內(nèi)分析，隨著動力輸出軸轉(zhuǎn)速和臺車前進速度的增加，穴株擬合度呈遞增趨勢，同時，傷苗率呈下降趨勢，優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。

圖8　參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.8　Analysis plot of parameter optimization

4　驗證試驗

為了檢驗?zāi)Ｐ皖A(yù)測的準確性，在最佳參數(shù)范圍內(nèi)進行試驗驗證。在臺車前進速度為1.25 m/s、動力輸出軸轉(zhuǎn)速為16.5 r/min、觸碰轉(zhuǎn)針高度約在5 mm的情況下進行穴施肥試驗，測得：穴株擬合度為0.796，傷苗率為10%，驗證值與預(yù)測值誤差約為1.73%，結(jié)果表明在優(yōu)化參數(shù)指標(biāo)區(qū)間內(nèi)，優(yōu)化結(jié)果是可信的，進一步驗證了數(shù)學(xué)模型的適合性。

5　結(jié)論

(1)自動穴施肥控制機構(gòu)各因素對穴株擬合度影響顯著程度依次為動力輸出軸轉(zhuǎn)速、臺車前進速度、觸碰轉(zhuǎn)針高度；各因素對傷苗率影響顯著程度依次為觸碰轉(zhuǎn)針高度、臺車前進速度、動力輸出軸轉(zhuǎn)速。

(2)在臺車前進速度為1.25 m/s、動力輸出軸轉(zhuǎn)速為16.5 r/min、觸碰轉(zhuǎn)針高度約在5 mm條件下進行穴施肥試驗，各因素較優(yōu)工作參數(shù)組合在優(yōu)化范圍內(nèi)。驗證結(jié)果表明：穴株擬合度為0.796，傷苗率為10%，由于塑料莖稈強度存在差異，且臺車試驗中選取植株莖稈數(shù)量受限，對傷苗率結(jié)果存在一定影響，仍需改善部分機構(gòu)結(jié)構(gòu)和材料以適應(yīng)田間實際環(huán)境，以上結(jié)論可為穴施肥機構(gòu)進一步優(yōu)化試驗提供參考。

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Working Parameters Optimization and Experiment of Precision Hole Fertilization Control Mechanism for Intertilled Crop

Li MutongWen XiangyuZhou Fujun

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

In order to increase the yield of intertilled crops and enhance the effective utilization rate of fertilizer, a kind of corn automatic hole fertilization control mechanism for intertilled crop was designed. The structure and working parameters of hole fertilization control mechanism were analyzed by soil bin testing. The influence law of parameters of transmission mechanism on the accuracy of fertilizing control was studied. The orthogonal rotation combination method was used with the power output shaft speed, vehicle forward speed and seedling needle height as impact factors, the seedling injury rate and the fitting degree of holes and plants as response functions. The regression analysis of Design-Expert platform and the response surface method were used. The single-factor and multi-factor orthogonal experiment was carried out. The results showed that, when the vehicle forward speed was 1.25 m/s, power output shaft speed was 16.5 r/min, seedling needle height was 5 mm, the fitting degree of holes and plants can reach to 0.796 and seedling injury rate was close to 10%. The optimized parameters can meet the requirements of corn fertilization during seedling stage.

intertilled crop; precision fertilization; hole fertilization; automatic control; parameter optimization

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.006

2016-02-29

2016-04-18

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-1-04)

李沐桐(1990—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機械化研究，E-mail： 236280045@qq.com

周福君(1969—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機械化工程研究，E-mail： fjzhou@163.com

S224.2

A

1000-1298(2016)09-0037-07