恒压变量施肥车及变量施肥方法与流程

1.本发明涉及一种农业技术领域，尤其涉及变更施肥系统。


背景技术：

2.一、化肥减量增效成为亟待解决的问题。
3.中国约占世界耕地面积8％ 的土地，要养活世界将近20％的人口，因此对粮食增量技术有着较高的需求。相关的实验数据证明， 毎合理施用1公斤的化肥，能够促进粮食增产5－10公斤。
4.2021年，中国农作物每公顷化肥施用量达506.11千克/公顷，是英国的2.05倍，美国的3.69倍，远高于世界发达国家水平。有研究表明，我国化肥利用率不高，当季氮肥利用率仅为35%，磷肥利用率仅为10%－25%左右，我国占世界耕地面积8％的土地，化肥消耗量却占世界化肥使用量的三分之一。
5.化肥施用过量有多种危害：土壤由于缺少有机质和腐殖质，土壤才粒结构遭到破坏，土壤板结，造成农作物产量和质量下降。
6.化肥施用过量造成重金属在土壤中富集，增加土壤重金属和有毒元素，使土壤中微量元素耗竭的现象日趋严重，加剧土壤酸化，造成环境污染。
7.化肥施用过量造成化肥利用率进一步降低，并使蔬菜瓜果品质下降，还易使蔬菜中硝酸盐含量超标，危害人体健康。
8.化肥施用过量会造成土壤有益菌以及蚯蚓等大量死亡。
9.化肥施用过量容易造成：过量施肥――地力下降――加大化肥投入以维持产量――地力进一步下降――进一步加大化肥投入的恶性循环。
10.因此，化肥减量增效的问题刻不容缓，变量施肥技术是解决这一问题的重要途径之一。
11.二、变量施肥技术及其存在的问题。
12.变量施肥技术是根据土壊肥力和作物需求，实现定时、定位、按需投入肥料的新型技术体系和生产模式。发展变量施肥技术是为了提高化肥利用率，降低施肥成本并提高施肥效率，减少因不合理的施肥造成的生态环境破坏和环境污染，实现农业生产的可持续发展。
13.变量施肥技术在施肥前，根据预先采集的各种信息（包括地块信息，作物信息等）规划各地块的施肥量，制作施肥处方图，在农田行进的施肥机械根据gps或北斗导航系统获得实时位置信息，然后按施肥处方图较为精确地对各地块施加适合的施肥量。
14.我国在实施变量施肥技术方面，对国外的变量施肥设备依赖较大；由于对核心技术掌握较少，产品购买成本较高，且英文操作系统不利于普通农机操作员的操作以及保养维护、维修等工作，这也需要我国大力发展自主知识产权的变量施肥机械。
15.（一）速度变化带来单位面积的土地施肥量出现波动。
16.由于现有的变量施肥机械是依靠调节阀（或在下料机构中设置阀板）的开启度，或者专用马达或电机（非驱动变量施肥机械行进的马达或电机）的转速来调节单位时间内的落肥量，因此在农田中行进时，需要保持匀速的行进，才能对同样面积的土地施加大致相同的量的肥料。在农田坡度变化或行进阻力变化的地段，尤其是行进阻力起伏不定的地块，保持匀速行进并不容易，这导致单位面积的土地施肥量围绕施肥处方规定的施肥量会出现较为明显的波动。这就需要一种技术，来消除速度变化给单位面积的土地施肥量带来的变化。
17.（二）肥料高度下降会使得落肥量发生一定变化。
18.变量施肥机械通常包括牵引车，牵引车牵引有施肥机构（施肥车），施肥机构具有容纳化肥的化肥容器。在不断施肥的过程中，化肥容器内化肥的高度不断降低，化肥落料时受到的压力不断下降，即便在同样的调节阀开启度或同样的马达转速条件下，化肥落料的速度也会出现小幅下降。为了使化肥落料速度更为稳定，需要发展相应的技术。
19.（三）肥料箱内如果发生肥料板结现象，就会影响正常的落肥量。


技术实现要素：

20.本发明的目的在于提供一种恒压变量施肥车，化肥落料速度更为稳定，不会出现化肥落料速度小幅变小造成施肥量偏离施肥处方图的现象，通过更稳定地变量施肥，解决化肥施用量过多的各种危害。
21.为实现上述目的，本发明的恒压变量施肥车包括驾驶室和连接在驾驶室后部的车架，驾驶室和车架分别向下设有车轮，车轮包括从动车轮和由发动机通过车辆传动机构驱动的主动车轮，车架上设有恒压变量施肥单元，恒压变量施肥单元包括肥料箱，肥料箱顶部设有进料口和恒压机构，肥料箱向下通过连接有出料箱，肥料箱底部与出料箱连接处设有落肥口；出料箱内设有用于调节出料速度的出料调节机构；出料箱下端敞口并正对地面从而作为出料口；进料口处设有进料电磁阀；肥料箱侧壁设有电控装置，恒压机构包括变频气泵和设置于肥料箱顶端的落料压力传感器，进料电磁阀、落料压力传感器和变频气泵均与电控装置相连接，电控装置接入车载电路；电控装置控制变频气泵的运行频率以维持肥料箱内稳定在预定的正压状态；电控装置连接有导航模块，导航模块为gps模块或北斗模块。
22.进料口呈上大下小的喇叭形。
23.出料调节机构包括出料轴，出料轴水平穿过出料箱并通过轴承与出料箱侧壁相连接；出料轴为空心轴并具有轴腔，出料轴一端连接有旋转电气接口且另一端通过下料传动机构与主动车轮的轮轴相连接；出料箱内的出料轴上沿周向均匀设有若干落料仓，各落料仓的径向外端敞口，各落料仓容积相等，各落料仓的侧壁均与出料轴相连接；各落料仓内均设有与出料轴相连接的气囊，气囊用于调节落料仓内的容积；出料轴的轴腔内设有微型气泵，微型气泵处的出料轴上设有连通大气和轴腔的通气口；各气囊分别连接有分气管，各分气管均伸入出料轴并与微型气泵相连接，各分气管上分别设有分气电磁阀；各气囊内分别设有气囊压力传感器，微型气泵、各气囊压力传感器以及各分气电磁阀的连接线路集成在一起形成集束线路，集束线路通过旋转电气接口与电控装置相连接；分气电磁阀为两位三通电磁阀并具有三个接口，分气电磁阀的第一接口连接微型气泵，分气电磁阀的第二接口
连接气囊，分气电磁阀的第三接口与出料轴的轴腔相通并用于降低气囊压力；分气电磁阀的第二接口选择连通第一接口或第三接口。
24.肥料箱还设有防堵机构；防堵机构包括设置在肥料箱内的喷气防堵管，喷气防堵管上均匀设有若干防堵孔，各防堵孔处分别设有防堵电磁阀；肥料箱外壁固定连接有防堵气泵，防堵气泵的出气端通过管路连接有高压气箱，高压气箱通过连接管连接所述喷气防堵管；连接管上设有出气电磁阀；高压气箱内设有防堵压力传感器，防堵压力传感器、各出气电磁阀和防堵气泵分别连接电控装置。
25.本发明还提供了一种变量施肥方法，采用上述恒压变量施肥车进行，按以下步骤进行：在进行变量施肥前，通过试验确定气囊压力与落料仓容积的对应关系，最终得到气囊压力与施肥量的对应关系，并上述对应关系存储入电控装置；第一步骤是准备工作；将施肥处方图输入电控装置；将恒压变量施肥车行驶至作业位置，打开进料电磁阀，在肥料箱内加满肥料，然后关闭进料电磁阀；第二步骤是施肥步骤；恒压变量施肥车启动并沿预定路线行驶，电控装置通过导航模块获取当前地理位置信息，定位当前所在施肥处方图中的具体网格，根据施肥处方图将各气囊压力控制在与当前网格的施肥量相匹配的压力，将此压力称为匹配压力；当恒压变量施肥车驶入下一个网格且下一个网格的施肥量小于当前网格的施肥量时，电控装置打开微型气泵，使分气电磁阀的第二接口连接第一接口，从而使气囊压力升高，使落料仓容积减小；当气囊压力升高至匹配压力时，关闭微型气泵；当恒压变量施肥车驶入下一个网格且下一个网格的施肥量大于当前网格的施肥量时，电控装置控制分气电磁阀的第二接口连接第三接口，从而降低气囊压力，使落料仓容积增大；当气囊压力降低到下一个网格对应的匹配压力时，使分气电磁阀的第二接口连接第一接口，从而保持气囊压力；恒压变量施肥车行驶过程中，主动车轮的轮轴通过下料传动机构驱动出料轴旋转，出料轴带动各落料仓旋转，当一个落料仓旋转至顶部位置时接满由肥料箱下落的肥料；当一个落料仓旋转至底部位置时，其内盛装的肥料下落至地面。
26.在第二步骤的进行当中，电控装置打开变频气泵，通过落料压力传感器监控肥料箱内的气压；当肥料箱内的气压小于预定值时，提高变频气泵的运行频率；当肥料箱内的气压大于预定值时，降低变频气泵的运行频率。
27.在第二步骤的进行当中，电控装置通过防堵压力传感器和防堵气泵将高压气箱内的压力维持在设定范围内；当高压气箱内的压力低于设定范围的下限时，电控装置启动防堵气泵从而提高高压气箱内的压力，直到高压气箱内的压力达到设定范围的上限时关闭防堵气泵；在第二步骤的进行当中，当出现下料不畅的情况时，操作人员通过电控装置打开各防堵电磁阀，向肥料箱内喷入高压气体，从而疏通肥料箱。
28.本发明具有如下的优点：肥料箱内处于正压状态时，其内的正压会通过出料口等不密封处（向外泄漏）。采
用本发明，通过控制变频气泵的运行频率，使正压的补充速度和泄漏速度相等，从而维持肥料箱内稳定在预定的正压状态，自上产生的正压状态有利于物料下落，稳定的正压状态则能够使落肥能力（能够达到的落料速度）保持稳定，不受肥料箱内肥料堆积高度的影响。通过出料调节机构调节最终的出料速度，可以对不同地块施加不同的施肥速度，实现变量施肥。
29.本发明中的出料调节机构在出料轴的带动下一体旋转，旋转至顶部的落料仓盛接落肥口下落的肥料，接满肥料的落料仓旋转至中下部及底部时肥料自然向下落至待施肥的地面。气囊未充气状态下，落料仓容积最大，出料调节机构每旋转一周时的施肥量最大。需要降低施肥速度时，电控装置控制微型气泵向各气囊中注气至预定压力，气囊膨胀后减小落料仓容积，出料调节机构每旋转一周时的施肥量得到减少，从而降低施肥速度。通过控制气囊内的气压，改变落料仓容积，从而调节施肥速度，为变量施肥提供基础。
30.出料调节机构的旋转落料速度和车速是联动的关系，车速高时出料调节机构的旋转速度也同步提高，导致的结果就是施肥地段长度相等的情况下，无论车速高低，通过相同长度的施肥地段的落料施肥量（单位地段长度下旋转经过地面的落料仓的数量一致）保持一致。这样，施肥作业时就无须尽量保持车速恒定，在地面坡度转换地段，以及地面阻力变化地段作业时，仍然可以保持施肥速度不变。在正常的地段施肥时，也可根据需要随时调节车速，在施肥效率（车速越高施肥效率也越高）和稳定作业之间取得最佳的平衡，而不影响单位面积（施肥车通过相同长度时的施肥面积相同）的施肥量。
31.进行防堵操作时，打开出气电磁阀和各防堵电磁阀，高压气箱内的高压气体通过各防堵电磁阀向肥料箱内释放高压气流，从而冲散肥料箱内的肥料，破坏肥料板结状态或防止肥料板结。
32.维持肥料箱内压力恒定，一是为了避免化肥落料速度发生起伏，二是保证在受控条件下落料仓在旋转中（旋转至顶部时）能够接满化肥。
33.由于可以随时疏通肥料箱，因而节省了人工疏通的时间，不但降低了劳动强度，还提高了维护效率。
34.本发明能够稳定落料速度，在坡度改变或土壤阻力改变造成车速时能够避免车速变化带来的单位面积施肥量的变化，通过更稳定地变量施肥，避免了过量施肥造成的恶性循环，避免了化肥施用过量造成的各种危害，相应防止重金属和有毒元素在土壤中富集，缓解土壤中微量元素日趋耗竭的现象，避免土壤酸化，防止环境污染。
附图说明
35.图1是恒压变量施肥车的结构示意图；图2是肥料箱的结构示意图；图3是喷气防堵管的结构示意图；图4是出料调节机构的结构示意图；图5是本发明的电控结构原理图。
36.各附图是结构示意图，未按实际比例绘制。
具体实施方式
37.如图1至图5所示，本发明的恒压变量施肥车包括驾驶室1和连接在驾驶室1后部的车架2，驾驶室1和车架2分别向下设有车轮，车轮包括从动车轮3和由发动机通过车辆传动机构驱动的主动车轮4，车架2上设有恒压变量施肥单元，恒压变量施肥单元包括肥料箱5，肥料箱5顶部设有进料口6和恒压机构，肥料箱5向下通过连接有出料箱7，肥料箱5底部与出料箱7连接处设有落肥口8；出料箱7内设有用于调节出料速度的出料调节机构；出料箱7下端敞口并正对地面从而作为出料口9；进料口6处设有进料电磁阀10；落肥口8呈上大下小的喇叭形，从而避免肥料不能全部下落的问题。
38.肥料箱5侧壁设有电控装置11，恒压机构包括变频气泵12和设置于肥料箱5顶端的落料压力传感器13，进料电磁阀10、落料压力传感器13和变频气泵12均与电控装置11相连接，电控装置11接入车载电路；电控装置11控制变频气泵12的运行频率以维持肥料箱5内稳定在预定的正压状态；电控装置11连接有导航模块14，导航模块14为gps模块或北斗模块。电控装置11连接有显示屏15。电控装置11在肥料箱5上的设置位置没有具体限制，只要不妨碍操作，可以任意设置在肥料箱5侧壁上任意位置，机械结构图上未显示电控装置11及显示屏15等。
39.正压状态即高于大气压力的状态。预定的正压状态指预定的正压值，预定的正压值由设计人员根据特定肥料箱5和落肥口8的落料特性而定，使实际落料速度能够满足最大落料速度的要求即可。
40.电控装置11为单片机或集成电路，优选采用52单片机，当然也可以采用其他类型的单片机如plc。本发明中，各气泵可以采用使用直流电的气泵，也可以使用逆变器后采用使用交流电的气泵。
41.肥料箱5内处于正压状态时，其内的正压会通过出料口9等不密封处（向外泄漏）。采用本发明，通过控制变频气泵12的运行频率，使正压的补充速度和泄漏速度相等，从而维持肥料箱5内稳定在预定的正压状态，自上产生的正压状态有利于物料下落，稳定的正压状态则能够使落肥能力（能够达到的落料速度）保持稳定，不受肥料箱5内肥料堆积高度的影响。通过出料调节机构调节最终的出料速度，可以对不同地块施加不同的施肥速度，实现变量施肥。
42.进料口6呈上大下小的喇叭形。从而方便进料。出料调节机构包括出料轴16，出料轴16水平穿过出料箱7并通过轴承与出料箱7侧壁相连接；出料轴16为空心轴并具有轴腔，出料轴16一端连接有旋转电气接口17且另一端通过下料传动机构与主动车轮4的轮轴相连接；出料箱7内的出料轴16上沿周向均匀固定有若干落料仓18，各落料仓18的径向外端敞口，各落料仓18容积相等，各落料仓18的侧壁均与出料轴16相连接；各落料仓18内均设有与出料轴16相连接的气囊19，气囊19用于调节落料仓18内的容积；出料轴16的轴腔内设有微型气泵20，微型气泵20处的出料轴16上设有连通大气和轴腔的通气口（图未示通气口）；各气囊19分别连接有分气管，各分气管均伸入出料轴16并与微型气泵20相连接，各分气管上分别设有分气电磁阀21；分气管为常规管状结构，图未示。各气囊19内分别设有气囊压力传感器22，微型气泵20、各气囊压力传感器22以及各分气电磁阀21的连接线路集成在一起形成集束线路，集束线路通过旋转电气接口17与电控装置11相连接；分气电磁阀21为两位三
通电磁阀并具有三个接口，分气电磁阀21的第一接口连接微型气泵20，分气电磁阀21的第二接口连接气囊19，分气电磁阀21的第三接口与出料轴16的轴腔相通并用于降低气囊压力；分气电磁阀21的第二接口选择连通第一接口或第三接口。
43.下料传动机构为链条传动机构或皮带传动机构，可以连接有减速器以调节出料调节机构的转速。链条传动机构、皮带传动机构和减速器均为常规技术，具体不再赘述。微型气泵20优选带有止回功能（止回阀）的型号。
44.本发明中的出料调节机构在出料轴16的带动下一体旋转，旋转至顶部的落料仓18盛接落肥口8下落的肥料，接满肥料的落料仓18旋转至中下部及底部时肥料自然向下落至待施肥的地面。气囊19未充气状态下，落料仓18容积最大，出料调节机构每旋转一周时的施肥量最大。需要降低施肥速度时，电控装置11控制微型气泵20向各气囊19中注气至预定压力，气囊19膨胀后减小落料仓18容积，出料调节机构每旋转一周时的施肥量得到减少，从而降低施肥速度。通过控制气囊19内的气压，改变落料仓18容积，从而调节施肥速度，为变量施肥提供基础。
45.出料调节机构的旋转落料速度和车速是联动的关系，车速高时出料调节机构的旋转速度也同步提高，导致的结果就是施肥地段长度相等的情况下，无论车速高低，通过相同长度的施肥地段的落料施肥量（单位地段长度下旋转经过地面的落料仓18的数量一致）保持一致。这样，施肥作业时就无须尽量保持车速恒定，在地面坡度转换地段，以及地面阻力变化地段作业时，仍然可以保持施肥速度不变。在正常的地段施肥时，也可根据需要随时调节车速，在施肥效率（车速越高施肥效率也越高）和稳定作业之间取得最佳的平衡，而不影响单位面积（施肥车通过相同长度时的施肥面积相同）的施肥量。
46.肥料箱5还设有防堵机构；防堵机构包括设置在肥料箱5内的喷气防堵管23，喷气防堵管23上均匀设有若干防堵孔，各防堵孔处分别设有防堵电磁阀24；肥料箱5外壁通过安装座固定连接有防堵气泵25，防堵气泵25的出气端通过管路连接有高压气箱26，高压气箱26通过连接管27连接所述喷气防堵管23；连接管27上设有出气电磁阀28；高压气箱26内设有防堵压力传感器29，防堵压力传感器29、各出气电磁阀28和防堵气泵25分别连接电控装置11。安装座为常规技术，图未示。
47.通过防堵气泵25可以使高压气箱26内的气压保持在高压状态（预定的高压范围之内）。进行防堵操作时，打开出气电磁阀28和各防堵电磁阀24，高压气箱26内的高压气体通过各防堵电磁阀向肥料箱5内释放高压气流，从而冲散肥料箱5内的肥料，破坏肥料板结状态或防止肥料板结。
48.本发明还公开了一种变量施肥方法，采用上述恒压变量施肥车进行，按以下步骤进行：在进行变量施肥前，通过试验确定气囊压力与落料仓18容积的对应关系。试验时使落料仓18的仓口朝上，装满肥料，然后向气囊19注气，绘制纵坐标为气囊压力、横坐标为落料仓18容积的气囊压力－落料仓18容积的关系曲线图，最终得到气囊压力与单位行进距离施肥量的对应关系，绘制纵坐标为气囊压力、横坐标为单位行进距离施肥量的气囊压力－施肥量的关系曲线图，并上述对应关系（气囊压力－施肥量的关系曲线图）存储入电控装置11；单位行进距离施肥量是指恒压变量施肥车前进一个距离单位（如10米或50米）时的落肥量。前进距离相同时，出料调节机构的旋转圈数（旋转总角度）相同，因而落肥量相同。
49.第一步骤是准备工作；将施肥处方图输入电控装置11；将恒压变量施肥车行驶至作业位置，打开进料电磁阀10，在肥料箱5内加满肥料，然后关闭进料电磁阀10；第二步骤是施肥步骤；恒压变量施肥车启动并沿预定路线行驶，电控装置11通过导航模块14获取当前地理位置信息，定位当前所在施肥处方图中的具体网格，根据施肥处方图和气囊压力－施肥量的关系曲线图，将各气囊压力控制在与当前网格的施肥量相匹配的压力，将此压力称为匹配压力；当恒压变量施肥车驶入下一个网格且下一个网格的施肥量小于当前网格的施肥量时，电控装置11打开微型气泵20，使分气电磁阀21的第二接口连接第一接口，从而使气囊压力升高，使落料仓18容积减小；当气囊压力升高至匹配压力时，关闭微型气泵20；当恒压变量施肥车驶入下一个网格且下一个网格的施肥量大于当前网格的施肥量时，电控装置11控制分气电磁阀21的第二接口连接第三接口，从而降低气囊压力，使落料仓18容积增大；当气囊压力降低到下一个网格对应的匹配压力时，使分气电磁阀21的第二接口连接第一接口，从而保持气囊压力；恒压变量施肥车行驶过程中，主动车轮4的轮轴通过下料传动机构驱动出料轴16旋转，出料轴16带动各落料仓18旋转，当一个落料仓18旋转至顶部位置时接满由肥料箱5下落的肥料；当一个落料仓18旋转至底部位置时，其内盛装的肥料下落至地面。
50.在第二步骤的进行当中，电控装置11打开变频气泵12，通过落料压力传感器13监控肥料箱5内的气压；当肥料箱5内的气压小于预定值时，提高变频气泵12的运行频率；当肥料箱5内的气压大于预定值时，降低变频气泵12的运行频率。
51.本发明的恒压变量施肥车具有预定的施肥作业行驶速度的允许区间，由试验得出，最大行驶速度不得超过变频气泵12运行频率最高条件下化肥落满落料仓18的需要。肥料箱5内的气压的预定值以满足在预定的作业行驶速度下落料仓18能够盛接满肥料为准。化肥落料更多地依靠重力。
52.维持肥料箱5内压力恒定，一是为了避免化肥落料速度发生起伏，二是保证在受控条件下落料仓18在旋转中（旋转至顶部时）能够接满化肥。
53.在第二步骤的进行当中，电控装置11通过防堵压力传感器29和防堵气泵25将高压气箱26内的压力维持在设定范围内；当高压气箱26内的压力低于设定范围的下限时，电控装置11启动防堵气泵25从而提高高压气箱26内的压力，直到高压气箱26内的压力达到设定范围的上限时关闭防堵气泵25；在第二步骤的进行当中，当出现下料不畅的情况时，操作人员通过电控装置11打开各防堵电磁阀24，向肥料箱5内喷入高压气体，从而疏通肥料箱5。
54.由于可以随时疏通肥料箱5，因而节省了人工疏通的时间，不但降低了劳动强度，还提高了维护效率。
55.本发明中，制作施肥处方图是现有技术，是利用地理信息系统技术， 综合考虑拟耕种的农作物类型、土壤养分空间变异情况、相关的农艺要求和生产计划等因素， 对待作业地块进行电子地图网格化划分，并针对每个网格进行施肥量决策。将设定的目标施肥量和网格的空间位置信息（经纬度信息）， 作为电子地图中相应网格的属性值存贮，生成施肥
处方图。施肥处方图中的每个网格代表一个施肥作业单元，在网格内部按照常量施肥。
56.以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。