王金峰 尚文虎 翁武雄 王金武 王 奇 陳鑫勝

(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

施肥是水稻生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)水稻節(jié)本增效的重要手段[1-3]，合理施肥可有效提高肥料利用率。傳統(tǒng)的施肥方式是在水稻生長的各個時期使用簡易機械或人工直接將肥料撒施于水面，這種施肥方式不但費工、費時，還造成肥料流失嚴重，且肥料分布不均勻，導致環(huán)境污染、化肥利用率低，直接影響水稻產(chǎn)量[4-5]。側深施肥是在水稻插秧階段使用施肥機械一次性將肥料定量、均勻施于水稻秧苗側方3～5 cm、深度約5 cm處位置，其施肥量相對傳統(tǒng)施肥量減少約20%，這種施肥方式對提高肥料利用率、降低環(huán)境污染、提高水稻產(chǎn)量有明顯效果，目前已成為主要施肥方式[6-8]。

側深施肥裝置是水田側深施肥技術的主要應用載體，主要包括機械排肥結構和正壓風送輸肥結構[9]。排肥器是側深施肥裝置的核心部件，目前，國內(nèi)外研究與設計的水田側深施肥排肥器形式主要包括外槽輪式、圓盤式、螺旋式等[10-13]。外槽輪式排肥器應用最為廣泛，如日本久保田公司和井關公司生產(chǎn)的標準化側深施肥裝置均采用直槽輪式排肥器，其結構簡單、造價低廉、施肥量調(diào)節(jié)方便，但在工作過程中存在一定的脈動現(xiàn)象，肥料受潮粘結時容易堵塞排肥器，導致施肥均勻性差、施肥過程不穩(wěn)定。日本洋馬公司生產(chǎn)的水平圓盤式排肥器，可通過更換不同孔徑的圓盤調(diào)節(jié)施肥量，其結構相對復雜、配件易磨損，且僅依靠肥料自身重力落肥，對排施易潮解肥料適用性較差[14-17]。早在20世紀60年代，國內(nèi)已經(jīng)開始研究水田深施機械，隨著側深施肥技術在國內(nèi)的進一步推廣，相關研究逐漸增多。位國建等[18]設計了一種側深螺旋排肥裝置，該裝置在開溝器上方安裝螺旋排肥輸送器裝置，利用軟軸傳動輸送器裝置強制下肥，這在一定程度上解決了肥料堵塞輸肥管的問題，但螺旋排肥輸送器裝置強制攪動導致緩釋肥料破損嚴重，肥料深施效果不佳；左興健等[19]設計了風送式水稻側深精準施肥裝置，該裝置利用電機驅動排肥、全球定位系統(tǒng)測速的原理，采用風送輸肥的方式，通過實時匹配排肥驅動電機轉速和車輛行駛速度進行精準控制施肥，但該裝置的可靠性與穩(wěn)定性有待進一步提高；王金峰等[20]設計了一種葉片調(diào)節(jié)式水田側深施肥裝置，該裝置設有獨立的防堵排施機構，可通過改變組合葉片中心通孔大小調(diào)節(jié)排肥和施肥量，但無法保證施肥的穩(wěn)定性。

為此，本文根據(jù)黑龍江省寒地稻作區(qū)側深施肥的農(nóng)藝要求，設計一種圓盤頂出式水田側深施肥裝置，以期通過改變肥槽有效工作長度實現(xiàn)施肥量的調(diào)節(jié)。采用電機驅動排肥、風送輸肥的工作原理，通過對圓盤頂出式排肥器和風送輸肥系統(tǒng)的設計與分析，確定側深施肥裝置的基本參數(shù)，通過臺架試驗和仿真試驗對該裝置施肥性能進行驗證，以期解決肥料潮解、堵塞排肥器的問題，提高施肥均勻性和穩(wěn)定性。

1 結構與工作原理

水田側深施肥裝置與插秧機配套連接結構簡圖如圖1所示。常規(guī)的6行水田側深施肥裝置為一個肥箱搭配3個或6個排肥器設置為一排，放置在秧箱和車座之間。本文研究的水田側深施肥裝置為一個肥箱搭配3個排肥器，配套6行高速插秧機進行作業(yè)時設置為兩排，分別放置在插秧機的兩側，這樣可增加上秧工人的作業(yè)空間，方便在上秧時給毯狀苗根區(qū)與秧箱表面之間澆水，提高了機插秧側深施肥的作業(yè)效率。

側深施肥裝置主要由肥箱、圓盤頂出式排肥器、驅動電機、支撐架、風送系統(tǒng)等組成，如圖2所示。肥箱由3個相通的子肥箱組成，每個子肥箱分別與對應的排肥器入肥口相連，通過螺栓固定在支撐架上，3個驅動電機并列一字排開，與支撐架通過螺栓固定連接，每個驅動電機分別通過轉軸與排肥器連接，風送系統(tǒng)整體固定在支撐架上，與3個排肥器的下肥口相通，支撐架通過螺栓或其他緊固部件與不同品牌型號的插秧機連接配套使用，實現(xiàn)在水稻機插秧的同時進行側深施肥作業(yè)。

圓盤頂出式水田側深施肥裝置在工作前，通過肥量調(diào)節(jié)裝置改變肥槽有效工作長度。作業(yè)時，接通驅動電機帶動轉軸工作進而帶動排肥器進行強制頂出排肥作業(yè)，排出的肥料在風送系統(tǒng)產(chǎn)生的氣流和自身重力雙重作用下落到秧苗一側劃好的溝槽內(nèi)。

2 關鍵部件設計

2.1 圓盤頂出式排肥器設計

2.1.1排肥器結構及工作原理

圓盤頂出式排肥器的結構主要包括上殼體、入肥口、弧形凸起、刮肥毛刷、排肥頂桿、排肥圓盤、壓力彈簧、排肥轉軸、肥量調(diào)節(jié)裝置、下殼體等，結構如圖3所示。上殼體固定安裝在支撐架上，在上殼體上部開設入肥口與肥箱連接，入肥口底部兩側分別固裝刮肥毛刷，在上殼體內(nèi)部軸孔附近設置弧形凸起，排肥轉軸穿過上殼體軸向固定安裝在驅動電機上，驅動電機通過螺栓固定在支撐架上，在排肥轉軸上套裝肥量調(diào)節(jié)裝置，排肥圓盤通過緊固螺母固裝在排肥轉軸下部，排肥圓盤上均勻開設8個肥槽并分別插配排肥頂桿，排肥頂桿和排肥圓盤之間套裝壓力彈簧，下殼體通過螺栓與上殼體鎖緊固定，在下殼體底部開設下肥口與風送系統(tǒng)管路相通。

排肥作業(yè)前，先通過肥量調(diào)節(jié)裝置改變肥槽有效工作長度設定排肥量，后將肥量調(diào)節(jié)裝置緊鎖在排肥轉軸上。排肥作業(yè)時，接通驅動電機帶動排肥轉軸轉動進而帶動排肥圓盤水平轉動，當排肥圓盤轉過入肥口，肥料在自身重力作用下充滿肥槽，刮肥毛刷刮除多余的肥料，隨后依靠隨排肥圓盤轉動的排肥頂桿與固定的弧形凸起逐漸接觸配合將肥槽內(nèi)的肥料強制頂出，完成排肥。在一個排肥頂桿排肥階段結束時，下一個排肥頂桿剛好開始接觸弧形凸起進行排肥，避免了肥料潮解粘在肥槽內(nèi)，保證了整個排肥作業(yè)的連續(xù)均勻穩(wěn)定。

2.1.2排肥器基本結構參數(shù)

施肥量是排肥器設計的重要參考指標之一。當施肥量一定時，若排肥圓盤直徑過小，則需要適當增加肥槽個數(shù)與排肥圓盤轉速，但排肥圓盤轉速過高，會導致排肥圓盤外端線速度過大，肥槽充肥時間變短易出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象，排肥均勻性降低，同時轉速過高會導致離心力過大，肥槽內(nèi)肥料顆粒均被甩出，施肥穩(wěn)定性難以保證；若排肥圓盤直徑過大，則需降低排肥圓盤轉速或減小肥槽有效工作長度，此時，肥料會在充肥區(qū)聚集，刮肥毛刷的作用會相對減小，一定程度上增大了排肥圓盤的阻力，導致肥料破損率增加，緩釋肥施肥效果不佳，此外，排肥圓盤直徑過大，會增加排肥頂桿的長度與排肥器的整體質量，機構運動的穩(wěn)定性無法保證[21]。由于肥箱的縱向安裝空間受秧箱和載秧盤的影響，同時要給隨車工人預留足夠的活動空間方便上秧和給秧苗澆水，肥箱整體長度不能超過1 000 mm，每個子肥箱長度約為333 mm，為方便人工調(diào)節(jié)施肥量及收集和清理剩余肥料，仍需留出足夠的操作空間，因此，考慮排肥器結構合理性，設計排肥圓盤直徑為240 mm。為保證施肥均勻性與穩(wěn)定性，避免排肥過程中出現(xiàn)脈動現(xiàn)象，設計肥槽8個。

排肥圓盤每轉排肥量對排肥器的理論分析有重要影響，對側深施肥裝置工作時施肥量的確定有一定指導作用。由于排肥器與肥箱直接相連，排肥器在進行排肥作業(yè)時，肥料顆粒在重力的作用下填充肥槽。肥槽內(nèi)的肥料顆粒隨著排肥圓盤轉動而被排肥頂桿強制頂出的部分稱為主動層，處在排肥圓盤和上殼體之間被摩擦力帶動排出的小部分肥料稱為被動層[22]，所以排肥器每轉排量q0為主動層排量q1和被動層排量q2之和，即

q0=q1+q2

(1)

其中q1=σρzh0Sq2=λσρzh1S

式中σ——肥槽內(nèi)肥料顆粒填充系數(shù)

ρ——肥料顆粒密度，g/cm3

z——肥槽個數(shù)h0——肥槽高度，mm

h1——排肥圓盤和上殼體之間的間隙，mm

S——單個肥槽充肥橫截面積，mm2

λ——肥料顆粒被動層特性系數(shù)

由于該排肥器設置有刮肥毛刷，可刮除肥槽外多余的肥料，防止其進入排肥區(qū)，所以q2≈0[22]。單個肥槽橫截面如圖4所示，每個肥槽的截面由兩條法向線段、一條切向線段及一段圓弧圍成，圓弧半徑即為排肥圓盤的外徑。肥槽的橫截面積在工作中隨著排肥圓盤轉動隨時變化，且是關于肥槽有效工作長度的函數(shù)。

由于排肥頂桿在肥槽內(nèi)工作，占有一定空間，所以單個肥槽充肥橫截面積S為圓冠面積S1與長方形面積S2之和減去圓冠面積S3和可變長方形面積S4，即

S=S1+S2-S3-S4=S2-S4

(2)

其中

S2=aL0S4=aΔL

式中α——圓冠面積S1、S3所對應的圓心角，rad

r——排肥圓盤外徑，mm

a——肥槽寬度，mm

L0——最大肥槽有效工作長度，mm

ΔL——肥槽有效工作長度的變化量，mm

弧形凸起是圓盤頂出式排肥器的關鍵部件之一，排肥頂桿沿其表面滑動進行排肥作業(yè)，為了保證排肥的連續(xù)性與穩(wěn)定性，需要在一個排肥頂桿將肥槽內(nèi)肥料完全頂出時，相鄰排肥頂桿剛好開始接觸弧形凸起進行頂出排肥作業(yè)。假設肥槽內(nèi)肥料完全由排肥頂桿頂出，排肥頂桿的整個作業(yè)過程沿著弧形凸起外表面進行，所以弧形凸起的外邊緣曲線即為排肥頂桿作業(yè)的運動軌跡?？紤]到弧形凸起的外邊緣曲線應同時滿足排肥頂桿的相對運動和牽連運動為勻速運動，因此，將弧形凸起的外邊緣曲線設計為阿基米德螺旋線[23]

r(ψ)=A+B(ψ)

(3)

式中B——阿基米德螺旋線系數(shù)，mm/(°)

ψ——旋轉角，阿基米德螺旋線轉過的總角度，(°)

A——ψ=0時的極徑，mm

弧形凸起的旋轉角ψ對應的極徑總增加量應與最大肥槽有效工作長度保持一致?；⌒瓮蛊鸬男D角ψ為排肥頂桿在排肥作業(yè)時轉過的角度，其會影響施肥均勻性。在肥槽有效工作長度和個數(shù)和已知的情況下，旋轉角ψ取值為

(4)

根據(jù)排肥圓盤的肥槽個數(shù)z=8，結合排肥頂桿與排肥轉軸的安裝位置，同時為排肥頂桿脫離弧形凸起預留一定的緩沖角，設計弧形凸起的旋轉角ψ為48°。

排肥頂桿是主要排肥部件，直接起到控制肥槽有效工作長度的作用，因此，排肥頂桿的行程應與肥槽有效工作長度時刻保持一致。為保證排肥頂桿可順暢頂肥，考慮排肥頂桿的行程及排肥圓盤外徑，設計排肥頂桿的整體長度為55 mm。

2.1.3排肥過程分析

排肥器工作過程包括充肥、運肥、排肥和空轉4個階段，本文主要對排肥過程進行理論分析，探究肥料顆粒的運動規(guī)律及結構參數(shù)與運行參數(shù)對排肥器排肥性能的影響。在理想狀態(tài)下，肥槽內(nèi)的肥料全部作為一個整體隨排肥圓盤轉入排肥區(qū)時，均勻穩(wěn)定地被排肥頂桿頂出，并在自身重力作用下經(jīng)下殼體落入下肥口。同時在一個肥槽內(nèi)的肥料被完全頂出的瞬間，另一個肥槽內(nèi)的肥料已經(jīng)開始被頂出，肥料會不間斷地流到下肥口。但當排肥圓盤進入排肥區(qū)后轉過的角度小于單個肥槽所對應的圓心角時，排肥頂桿還沒有進行頂出作業(yè)，此時肥槽外端先暴露在排肥區(qū)的小部分肥料在離心力的作用下會被甩出。隨后當排肥圓盤轉過的角度等于單個肥槽所對應的圓心角時，肥槽完全處于排肥區(qū)內(nèi)，此時排肥頂桿開始接觸弧形凸起進行頂出排肥作業(yè)。由于被甩出的較小部分肥料顆粒運動過程較為簡單，因此，對肥槽完全處于排肥區(qū)時排肥頂桿頂出的大部分肥料顆粒的運動進行分析。

假設肥槽內(nèi)的這一部分肥料被排肥頂桿勻速頂出。選取下殼體建立參考系oxyz，取一肥料顆粒M，則M在肥槽內(nèi)的運動為法向勻速直線運動和切向隨排肥圓盤勻速轉動的復合運動，運動軌跡是一條和弧形凸起外邊緣曲線重合的阿基米德螺旋線，肥料顆粒M在排肥過程中沿著這條軌跡運動，在脫離肥槽后仍然只受到重力作用，如圖5所示。因此，在離開肥槽后其運動變成速度方向不與排肥圓盤相切的平拋運動，其平拋運動的初速度及拋出后在水平方向與垂直方向的位移為

X=vXt

(5)

Y=vYt

(6)

(7)

其中

vX=ωr

(8)

(9)

式中ω——排肥圓盤角速度，rad/s

L——肥槽有效工作長度，mm

vX——肥料顆粒M做平拋運動時x方向速度，m/s

vY——肥料顆粒M做平拋運動時y方向速度，m/s

X——肥料顆粒M落到下殼體上水平x方向位移，m

Y——肥料顆粒M落到下殼體上水平y(tǒng)方向位移，m

Z——肥料顆粒M落到下殼體上垂直位移，m

g——重力加速度，m/s2

t——肥料顆粒M做平拋運動的時間，s

肥料顆粒M從開始拋出到落在下殼體上結束所發(fā)生的轉角γ為

(10)

由式(10)可知，肥料顆粒從開始拋出到落在下殼體結束所發(fā)生的轉角γ與排肥圓盤角速度ω、排肥圓盤外徑r、肥槽有效工作長度L、弧形凸起的旋轉角ψ及肥料顆粒落到下殼體發(fā)生的垂直位移Z有關。當排肥圓盤外徑r和肥料顆粒垂直位移Z一定時，隨著排肥圓盤角速度ω的增大，肥料顆粒下落所發(fā)生的轉角γ也會增大。γ越大，肥料顆粒越容易在排肥區(qū)末端聚集，導致排肥器落肥緩慢和施肥均勻性不佳，易造成肥料堵塞排肥器的現(xiàn)象。由此可知，排肥圓盤角速度是施肥性能的重要影響因素。

2.1.4EDEM仿真分析

由于排肥過程肥料顆粒發(fā)生的位移無法確定，肥料顆粒下落所發(fā)生的轉角γ直接計算誤差較大，且排肥圓盤轉速對肥料顆粒充肥過程也有一定的影響，因此，應用EDEM軟件進行充肥和排肥仿真試驗，尋求排肥圓盤轉速最佳工作范圍。根據(jù)排肥器的實際狀況，仿真試驗所用參數(shù)見表1[24]。肥料顆粒表面光滑，無粘附力作用，接觸模型選用Hertz-Mindlin模型。圓盤頂出式排肥器仿真模型如圖6所示。

表1 仿真模型材料具體參數(shù)

通過分析排肥圓盤轉速影響施肥性能的預試驗，參考現(xiàn)有排肥器與排種器的研究成果[9,20,25-26]，分別選取排肥圓盤轉速為5、10、35、60、65 r/min進行仿真試驗，肥槽有效長度設置為最大長度，分析不同排肥圓盤轉速對充肥與排肥性能的影響。以排肥圓盤轉速為5 r/min時仿真試驗為例，對其仿真結果進行分析，如圖7所示。

圖7a為排肥器仿真模型仰視圖下排肥圓盤轉速為5 r/min時充肥過程肥料顆粒受力，此時肥料顆粒充肥過程中在肥槽上方聚集時間過長，受到摩擦力及剪切力較大，受力集中在0.353～0.883 N，不僅加劇肥料顆粒對排肥器殼體的磨損，同時會造成肥料顆粒破碎率增加，肥料粉末粘附排肥器及輸肥管路表面造成排肥器堵塞，且轉速過慢時施肥效率較低；另外，當排肥圓盤轉速為10 r/min時，肥料顆粒在充肥過程中受力明顯減小，受力主要集中在0.056～0.111 N；當排肥圓盤轉速大于35 r/min時，肥料顆粒的摩擦力及剪切力已變得極小，可忽略不計。圖7b為排肥器仿真模型俯視圖下排肥圓盤轉速為5 r/min時排肥過程中肥料顆粒的速度，另通過分析排肥圓盤轉速小于35 r/min時仿真試驗結果，排出的肥料顆粒速度主要集中在0.121～0.526 m/s，通過追蹤大部分肥料顆粒的運動軌跡及下落位置，根據(jù)式(10)可以得出，肥料顆粒從肥槽中排出到落在下殼體所發(fā)生的轉角γ變化范圍為9°～46°；當排肥圓盤轉速為60 r/min時，排出肥料顆粒的速度集中在0.270～0.405 m/s，轉角γ的變化范圍為23°～68°；當排肥圓盤轉速為65 r/min時，排出肥料顆粒速度集中在0.568～0.757 m/s，肥槽內(nèi)大部分肥料會撞擊排肥區(qū)末端殼體后才沿殼體滑向下肥口，此時轉角γ變化范圍的最大值已經(jīng)大于排肥區(qū)所對應的圓心角，且肥料顆粒在排肥區(qū)末端大量堆積易造成排肥器堵塞，此時已不利于排肥。綜上，考慮充肥過程肥料顆粒的受力情況及排肥過程肥料顆粒的轉角變化，確定排肥圓盤最佳工作轉速是10～60 r/min。

每公頃水田總施肥量q計算公式為

(11)

式中n——排肥圓盤轉速，r/min

T——每公頃水田插秧作業(yè)用時，min

N——排肥圓盤個數(shù)

根據(jù)水田側深施肥總施肥量150～930 kg/hm2要求，一般6行高速插秧機作業(yè)速度0.7～1.2 m/s及作業(yè)幅寬1.8 m[3-4]，為保證作業(yè)速度超過1.2 m/s時排肥圓盤轉速仍有一定的調(diào)節(jié)空間，設定插秧機作業(yè)速度為1.2 m/s時排肥圓盤轉速為50 r/min，根據(jù)式(11)可計算出每轉排量的調(diào)節(jié)范圍為6.4～40 g，根據(jù)式(1)、(2)可知，排肥圓盤每轉排量與填充系數(shù)有關，且肥槽體積和形狀對填充系數(shù)有一定影響，因此，設計肥槽有效工作長度的變化范圍為5～20 mm，且連續(xù)可調(diào)，可通過肥量緊固螺母來實現(xiàn)。

2.2 風送系統(tǒng)設計

風送系統(tǒng)是側深施肥裝置的輔助輸肥系統(tǒng)，是實現(xiàn)穩(wěn)定施肥的關鍵[19]，其主要由風機、風機調(diào)速開關、送風管、文丘里管和輸肥管等組成。其中，文丘里管是風送系統(tǒng)的關鍵部件，包括進肥口、進風口、收縮段、喉部和出風口。排肥器下肥口、送風管和輸肥管分別與文丘里管的3個接口相連。在工作時，由風送系統(tǒng)前端的風機產(chǎn)生一定壓力的壓縮氣體，流經(jīng)文丘里管收縮段在喉部增加速度后，在下肥口處形成負壓，肥料顆粒順利落入輸肥管路與氣流充分混合，再通過輸肥管運送至在秧苗一側劃好的溝槽內(nèi)。

風送系統(tǒng)主要參數(shù)包括空氣流量、輸送氣流速度和輸肥管路內(nèi)徑[19]等。根據(jù)文獻[9]對風送系統(tǒng)進行設計，空氣流量為174 m3/h，輸送氣流速度為20.06 m/s，文丘里管各項參數(shù)為：進風口和出風口直徑為32 mm，收縮角為21°，喉部高度為16.5 mm，長度為16.5 mm，收縮段長度為42 mm。進肥口與排肥器下肥口橫截面均是邊長為24 mm的正方形，文丘里管總體長度為136 mm。

由于風送系統(tǒng)是在肥料顆粒從排肥器中落下后進行風送作業(yè)，因此，風機風速不會對排肥器的排肥能力造成影響。為保證機插秧側深施肥的作業(yè)效率，在實際工作過程中應將風機風速設置為一個定值，該風速需要滿足總施肥量為最小150 kg/hm2或最大930 kg/hm2時均可保持較好的施肥連續(xù)性與穩(wěn)定性。由文獻[9]可知，當風機風速在26 m/s左右時施肥均勻性變異系數(shù)較?。晃墨I[27]對氣送式施肥裝置進行仿真分析，風速18～25 m/s時肥料顆粒分布均勻，施肥效果最佳；由文獻[28]得到，風速為25～35 m/s時有利于提高施肥精確性和均勻性，因此，在保證空氣流量的前提下，將風機風速確定為25 m/s進行水田側深施肥作業(yè)。

根據(jù)空氣流量與輸送氣流速度，選取工作電壓為12 V，功率為72 W可調(diào)速離心風機，最大風量可達300 m3/h，滿足風量要求。

3 性能試驗優(yōu)化與分析

3.1 試驗條件

試驗地點為東北農(nóng)業(yè)大學排種性能實驗室，試驗臺架為JPS-12型排種器性能檢測試驗臺。試驗肥料為中化集團有限公司生產(chǎn)的水稻側深施肥專用肥，肥料密度為1.15 g/cm3。試驗時，將側深施肥裝置固定安裝在試驗臺架上，設置肥槽有效工作長度后鎖定肥量調(diào)節(jié)裝置，通過風機調(diào)速開關穩(wěn)定控制風機風速為25 m/s，通過電機調(diào)速器控制排肥圓盤轉速，通過調(diào)節(jié)排種試驗臺電動機變頻器來控制傳送帶的速度模擬插秧機田間作業(yè)過程，將自制每小段長度為100 mm，總長度為6 000 mm的肥料顆粒收集帶放置在傳送帶上收集肥料，該肥料收集帶兩邊及每兩個小段之間均有長80 mm的隔板，可防止肥料進入相鄰小段，以免影響試驗數(shù)據(jù)的準確性。側深施肥裝置試驗臺如圖8所示。

3.2 試驗設計與方法

臺架試驗參照NY/T 1003—2006《施肥機械質量評價技術規(guī)范》進行，主要測定指標有各行排量一致性、施肥穩(wěn)定性與施肥均勻性。

各行排量一致性測定為靜態(tài)試驗。試驗時肥料容積超過肥箱的一半，測定行數(shù)為3行。肥槽有效工作長度設置為20 mm，排肥圓盤轉速分別設置為10、20、30、40、50、60 r/min，每個排肥器在每個轉速下重復試驗5次，所有排肥器同時開始同時結束，每次截取1 min收集肥料。

施肥穩(wěn)定性測定為靜態(tài)試驗。試驗時，用肥料收集帶收集不同排肥圓盤轉速下相同時間內(nèi)的總排肥量。肥槽有效工作長度設置為20 mm，排肥圓盤轉速分別設置為10、20、30、40、50、60 r/min，每次測定10 s，每個轉速下重復測定5次。

施肥均勻性測定為動態(tài)試驗。試驗時，沿傳送帶前進方向按100 mm長度連續(xù)等分不少于30段，分別收集各小段內(nèi)的肥料并稱量。由于插秧機在田間工作中施肥量調(diào)節(jié)主要依靠肥量調(diào)節(jié)裝置來控制，即插秧機的作業(yè)速度和排肥圓盤轉速存在一種較為復雜的同步關系，作業(yè)速度快時排肥圓盤轉速也需相應加快，這樣既可以保證每公頃水田設定的總施肥量，又能夠免去頻繁調(diào)整轉速用時來提高作業(yè)效率。因此，總施肥量只需在插秧作業(yè)前通過調(diào)節(jié)肥量調(diào)節(jié)裝置改變肥槽有效工作長度即可實現(xiàn)。

根據(jù)式(11)可知，總施肥量與排肥圓盤轉速、每轉排量及作業(yè)時間有關，已知

(12)

式中v——插秧機作業(yè)速度，m/s

因此，聯(lián)立式(11)、(12)，總排肥量與排肥圓盤轉速、每轉排量和插秧機作業(yè)速度的關系式為

(13)

由于插秧機作業(yè)速度與排肥圓盤轉速存在同步關系，當總施肥量最大時，每轉排量應取最大值，肥槽有效工作長度也應為最大值，即q=930 kg/hm2，N=6，q0=40 g，v取最大插秧機作業(yè)速度1.2 m/s時，可得n≈50 r/min，此時肥槽有效工作長度L=20 mm。因此，為減小排肥圓盤轉速與作業(yè)速度對排肥性能的影響，試驗時將排肥圓盤轉速設定為50 r/min，作業(yè)速度設定為1.2 m/s，風機風速設定為25 m/s，肥槽有效工作長度分別設置為5、10、15、20 mm進行施肥均勻性試驗的測定，同時探究肥槽有效工作長度與總施肥量之間的關系。每個肥槽有效工作長度重復試驗5次，每次測定5 s。

試驗完成后，將收集帶內(nèi)的肥料依次編號，用精度為0.01 g的天平稱量并記錄。各行排量一致性、施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性都由施肥量均值、標準差和變異系數(shù)來衡量。試驗結果參照NY/T 1003—2006《施肥機械質量評價技術規(guī)范》進行計算。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1各行排量一致性

通過Design-Expert 6.0軟件對各行排量一致性測定結果進行方差分析，結果表明排肥圓盤轉速對各行排量一致性施肥量均值和各行排量一致性變異系數(shù)影響顯著，回歸方程分別為

y1=24.95+38.55x1(R2=0.99)

(14)

(15)

隨著排肥圓盤轉速的增大，各行排量一致性施肥量均值呈線性增加，每轉排量逐漸減小。在不同排肥圓盤轉速下，各行排量一致性的變異系數(shù)均較小，滿足NY/T 1003—2006《施肥機械質量評價技術規(guī)范》中各行排量一致性變異系數(shù)小于13%的要求，說明該側深施肥裝置各行排量一致性較好。

3.3.2施肥穩(wěn)定性

對施肥穩(wěn)定性測定結果進行方差分析，結果表明排肥圓盤轉速對施肥穩(wěn)定性施肥量均值和施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)影響顯著，回歸方程分別為

y3=11.18+19.36x1(R2=0.99)

(16)

(17)

隨著排肥圓盤轉速的增大，施肥穩(wěn)定性施肥量均值呈線性增加。在不同排肥圓盤轉速下，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)均較小。假設某地區(qū)水稻種植需總施肥量為450 kg/hm2，插秧機作業(yè)速度1.2 m/s，肥槽有效工作長度為20 mm即每轉排量q0約為40 g，根據(jù)式(13)可計算出排肥圓盤轉速為24.3 r/min，此時施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為2.07%，滿足NY/T 1003—2006《施肥機械質量評價技術規(guī)范》中施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)小于7.8%的要求，說明該側深施肥裝置施肥穩(wěn)定性較好。

3.3.3施肥均勻性

對施肥均勻性測定結果進行方差分析，結果表明肥槽有效工作長度對施肥均勻性施肥量均值和施肥均勻性變異系數(shù)及總施肥量影響顯著，回歸方程分別為

y5=-0.515+0.158x2(R2=0.98)

(18)

(19)

(20)

隨著肥槽有效工作長度的增加，施肥均勻性施肥量均值呈線性增加，施肥均勻性變異系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢。假設某地區(qū)水稻種植需總施肥量為450 kg/hm2，插秧機作業(yè)速度為1.2 m/s，排肥圓盤轉速為50 r/min，據(jù)式(20)可知肥槽有效工作長度約為13 mm，此時施肥均勻性變異系數(shù)為9.11%，滿足NY/T 1003—2006《施肥機械質量評價技術規(guī)范》中施肥均勻性變異系數(shù)小于40%的要求，說明該側深施肥裝置施肥均勻性較好。

為驗證圓盤頂出式水田側深施肥裝置的施肥均勻性，與目前最常用的槽輪式水田側深施肥裝置進行對比。根據(jù)文獻[20]中對直槽輪式水田側深施肥裝置進行的施肥均勻性測定結果可知，直槽輪式水田側深施肥裝置在不同前進速度和不同槽輪轉速下的施肥均勻性變異系數(shù)最優(yōu)為45.11%，未達到NY/T 1003—2006中要求的施肥均勻性變異系數(shù)小于40%的要求；文獻[9]中對斜槽輪式水田側深施肥裝置以不同排肥輪轉速、前進速度及風機風速進行的試驗結果可知，施肥均勻性變異系數(shù)平均為22.08%，從研究結果看，斜槽輪式排肥器滿足NY/T 1003—2006中要求的施肥均勻性變異系數(shù)小于40%的要求，一定程度上提高了均勻性，但作業(yè)過程中易出現(xiàn)肥料顆粒被擠碎的現(xiàn)象。研究的圓盤頂出式水田側深施肥裝置在不同肥槽有效工作長度下作業(yè)，施肥均勻性變異系數(shù)變化范圍為5.96%～12.77%，平均為9.34%，有效提高了施肥均勻性，且在總施肥量為450 kg/hm2時長時間工作未出現(xiàn)肥料擠壓破碎現(xiàn)象。

根據(jù)試驗測定結果，總施肥量變化范圍為137～921 kg/hm2，通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理，擬合得肥槽有效工作長度與總施肥量之間的關系曲線如圖9所示。隨著肥槽有效工作長度的增加，總施肥量逐漸增大，但曲線變化不均勻，主要是因為當肥槽有效工作長度發(fā)生變化時，充肥體積隨之變化，肥料顆粒填充系數(shù)會發(fā)生變化，導致相應的每轉排量變化不均勻，總施肥量變化也不穩(wěn)定。此外，當肥槽有效工作長度較大時肥槽易出現(xiàn)充不滿肥料的現(xiàn)象，因此總施肥量測定結果較離散。

目前，常用的水田側深施肥專用肥密度在0.85～1.40 g/cm3之間。為驗證施肥裝置肥量調(diào)節(jié)性能，選取云天化集團有限公司生產(chǎn)的兩種不同含量的水稻專用復合肥(14-18-18、17-14-16)和哈爾濱金農(nóng)科肥業(yè)生產(chǎn)的兩種不同含量的水稻側深施肥專用肥(20-10-15、18-10-12)進行試驗，密度分別為1.40、1.30、1.00、0.85 g/cm3，試驗后對試驗結果進行處理，根據(jù)擬合結果繪制出了肥料密度在0.85～1.40 g/cm3之間的肥槽有效工作長度與總施肥量的變化曲線，如圖10所示。

當肥料密度不同時，總施肥量隨肥槽有效工作長度變化關系不同，但整體變化趨勢一致。隨著肥槽有效長度的增加，總施肥量逐漸增大，且密度越大總施肥量增加速率越快。在應用本文研究的水田側深施肥裝置進行田間作業(yè)時，可以根據(jù)不同密度的肥料選擇相近的施肥曲線進行總施肥量的調(diào)節(jié)，為施肥作業(yè)提供指導意見。黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)種植龍洋16號水稻的總施肥量為450 kg/hm2左右，為密度較小肥料，調(diào)節(jié)肥槽有效工作長度應在14 mm左右，選擇密度稍大肥料時，肥槽有效工作長度在12 mm左右即可滿足要求；黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)種植稻花香水稻總施肥量為300 kg/hm2左右，選擇密度較小肥料時，調(diào)節(jié)肥槽有效工作長度應在11 mm左右，密度稍大肥料，肥槽有效工作長度控制在8.5 mm左右即可滿足施肥量要求。

4 結論

(1)設計了一種圓盤頂出式水田側深施肥裝置，闡述了其工作原理，并確定了其關鍵部件圓盤頂出式排肥器和風送系統(tǒng)的基本結構參數(shù)，對側深施肥裝置的排肥過程進行運動學分析，建立了施肥裝置排肥過程的運動學模型，得出排肥圓盤轉速是施肥性能的重要影響因素，通過EDEM虛擬仿真試驗確定排肥圓盤最佳工作轉速為10～60 r/min。

(2)臺架性能試驗表明，各行排量一致性、施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性滿足國家施肥機械作業(yè)標準要求，當肥料密度為1.15 g/cm3、肥槽有效工作長度在5～20 mm之間調(diào)節(jié)時，總施肥量變化范圍為137～921 kg/hm2，施肥均勻性變異系數(shù)為5.96%～12.77%；與直槽輪式和斜槽輪式水田側深施肥裝置對比表明，圓盤頂出式水田側深施肥裝置可有效提高施肥均勻性，在總施肥量為450 kg/hm2時，長時間作業(yè)未出現(xiàn)肥料擠壓破碎現(xiàn)象。

(3)通過試驗得到肥槽有效工作長度與總施肥量之間的關系曲線，選擇密度為1.40、1.30、1.00、0.85 g/cm3肥料進行驗證試驗，得到肥料密度在0.85～1.40 g/cm3之間的肥槽有效工作長度與總施肥量的變化曲線，可據(jù)此應用于田間作業(yè)，為機具調(diào)試應用及實際施肥作業(yè)提供指導和參考。