多肥料变比变量施肥过程模拟与排落肥结构优化

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1、2014年11月农业机械学报第45卷第11期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．11．013*多肥料变比变量施肥过程模拟与排落肥结构优化1，211，211苑进刘勤华刘雪美张疼张晓辉(1．山东农业大学机械与电子工程学院，泰安271018;2．山东省园艺与装备重点实验室，泰安271018)摘要:变比变量施肥中，排肥管和落肥管结构对多种肥料的掺混性能和排肥滞后有重要影响。在已完成掺混腔结构优选的基础上，使用离散元法对变比变量施肥和撒播过程加以仿真，分析不同排肥管高度与落肥管三角波纹形状对颗粒运动

2、的影响，依据提出的性能评价指标，优化排肥管和落肥管结构。计算结果及机理分析表明:排肥管高度越大，颗粒在下落、碰撞及混合各阶段的速度越大，颗粒与掺混腔壁面碰撞后形成的散布面积越大，颗粒混合均匀性越好，颗粒混合配比标准差越小;落肥管三角波纹高度在4～6mm范围内，相对于无波纹情况，可增加颗粒与落肥管间和颗粒间的碰撞次数进而促进颗粒均匀掺混，但高度过大会延缓与其接触的颗粒下落。当落肥管三角波纹高度约为2mm时，即为肥料颗粒直径的40%～60%，最有利于促进肥料颗粒之间的混合，同时三角波纹对颗粒下落的滞后影响较小。关键词:变比变

3、量施肥离散元法排肥管落肥管结构优化中图分类号:S147.35文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)11-0081-07并指出颗粒类型、摩擦因数等物理参数对肥料散度分引言［17］布行为有较大影响。赵湛等利用离散元法数值计算变量施肥技术是精细农业的组成部分，对现代了籽粒与检测传感器碰撞过程的力学特性。［1－2］［3－6］［18］农业发展有重要意义。现有变量施肥技术本文在已完成掺混腔结构优选的基础上，应仅能在线调整一种复合肥或单元肥的施肥量，养分用散粒体离散元法研究不同高度排肥管及落肥管三配比受肥料种类限制，常

4、造成某些养分过剩，而其他角波纹大小对颗粒运动的影响，揭示肥料颗粒在该［7］养分不足，导致肥效差、利用率不高。相应地施结构下的运动特性及掺混性能，依据给出的撒播肥肥决策也只能采用“优化模型”生成配比固定的施料的均匀性评价，优选排肥管及落肥管结构，为配比［8］［9］肥处方。新型变比变量施肥技术不仅能够调变量施肥装置相关部件的设计及优化提供依据。整单元田块的施肥量，更重要的是能在线调整多种1变比变量施肥模型与施肥性能评价肥料的施肥配比，实现氮磷钾等养分的真正按需变量和平衡施肥。在多种肥料颗粒的排肥、掺混和撒1.1变比变量施肥系

5、统模型与仿真过程［10］播过程中，颗粒物料的掺混容易导致离析现象，变比变量施肥装置包括肥箱、排肥器、排肥管、使播撒到作物根部的肥料不均匀，如何保证撒播到掺混腔和落肥管，其装置示意图如图1所示。除掺［18］土壤中的不同肥料的掺混均匀度成为变量施肥的关混腔外，排肥管和落肥管结构也是影响多种肥料键问题。均匀掺混的重要因素。本文通过改变排肥管高度和近年来国内外学者开始应用离散元法研究颗粒落肥管三角波纹大小，研究不同设计参数对多种肥［11－13］物料与农机工作部件的交互作用。Miserque料颗粒行为及掺混性能的影响。［14］等研

6、究了物性参数对撒播过程中离析现象的影首先测定颗粒肥料的物料特性以确定仿真参［18］响，并指出颗粒尺度和密度的影响最大。数。从氮肥、磷肥、钾肥颗粒中随机取样各100粒，［15］Jonathan采用离散元法模拟并分析了撒播颗粒肥用螺旋测微器测量肥料颗粒的三维尺寸，测定氮肥［16］料的分布均匀性。vanLiedekerke等采用离散元(尿素)、磷肥(过磷酸钙)和钾肥(硝酸钾)的等效方法对肥料颗粒的旋转式撒播方式做了敏感性分析，直径分别为4.046mm、4.722mm和4.306mm，其球收稿日期:2013-12-16修回日期:

7、2014-02-07*国家自然科学基金资助项目(31101461)、山东省自然科学基金资助项目(ZＲ2012CM035)、山东科技发展计划资助项目(2013GNC11203)和山东现代农业产业技术体系棉花创新团队资助项目(SDAIT0701110)作者简介:苑进，副教授，博士，主要从事智能农业装备技术研究，E-mail:jyuan@sdau．edu．cn82农业机械学报2014年而肥料在当前单元格中的配比偏离度为φ(N，P，K)λ(N，P，K)=(3)ψ(N，P，K)式中，各单元网格中总颗粒数目为nZ，该单元格中的氮肥、

8、磷肥、钾肥的颗粒数目为nN、nP、nK。整个抽样区域中的全部颗粒数目表示为NZ，氮肥、磷肥、钾肥的颗粒总数分别为NN、NP、NK。将各个肥料相对应的所有配比偏离度数据取标准差，得到氮肥、磷肥、钾肥的配比标准差分别为σN、σP、σK。该标准差表示各单元格肥料配比偏离度与目标配比的总体偏离程度，配比标准差越小说图1变比变