都 鑫 劉彩玲 姜 萌 袁 昊 戴 磊 李方林

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

施肥是農(nóng)作物種植過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)和高效的重要保證[1-5]。在播種過(guò)程中，化肥施用普遍采用條施方式，這種方式施肥量大、肥效利用率低，不僅增加了生產(chǎn)成本，還易造成土壤面源污染，制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6]。肥料穴施技術(shù)可實(shí)現(xiàn)作物根區(qū)定點(diǎn)定量精確施肥，能夠節(jié)肥增產(chǎn)，是提高玉米、大豆等作物肥料利用率的有效手段[7-12]。

施肥裝置是推廣應(yīng)用穴施肥技術(shù)的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了初步研究探索[13]。張勛[14]利用外槽輪式排肥器排出連續(xù)肥料流，在開溝器上增設(shè)二次成穴機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了肥料穴施，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，且難以精確控制每穴排肥量；吳南等[15]利用搖桿控制鴨嘴閥實(shí)現(xiàn)肥料成穴，以穴施肥量精度和穴距精度為目標(biāo)，對(duì)行進(jìn)速度、鴨嘴閥旋轉(zhuǎn)角度和安裝高度進(jìn)行了優(yōu)化分析；張俊雄等[16]以每穴施肥量的變異系數(shù)、施肥深度合格率和施肥范圍合格率為目標(biāo)，研究了將化肥穴施于種子正下方7～23 cm土層內(nèi)時(shí)的作業(yè)性能；李沐桐等[17]設(shè)計(jì)了玉米苗期自動(dòng)穴施肥控制機(jī)構(gòu)，研究了施肥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作參數(shù)對(duì)施肥控制精準(zhǔn)度的影響規(guī)律；胡紅等[18]設(shè)計(jì)了玉米行間定點(diǎn)扎穴深施追肥機(jī)，對(duì)每穴排肥量、施肥深度和施肥距離進(jìn)行了研究。

上述裝置主要通過(guò)排肥器配合成穴機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)肥料穴施，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)效率低。目前，對(duì)穴施肥成穴性能的研究主要集中在每穴排肥量及其變異系數(shù)、穴距精度及其變異系數(shù)等方面，尚未見對(duì)肥料落地后的散落分布長(zhǎng)度進(jìn)行相關(guān)研究。對(duì)穴施肥裝置還處于研究階段[19-21]，在生產(chǎn)中尚未見實(shí)用、成熟的穴施肥裝備。為此，本文以顆粒肥料為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種新型穴施肥排肥器，采用固定容積的傾斜梯形槽孔精量充肥，輔以氣流作用將肥料迅速吹出，以實(shí)現(xiàn)精量充肥和肥料快速成穴。利用離散元仿真軟件EDEM和流體仿真軟件Fluent對(duì)肥料成穴性能進(jìn)行試驗(yàn)和優(yōu)化分析，以確保肥料顆粒群在溝內(nèi)離散程度最小，提高成穴性能，以期為玉米高效施肥技術(shù)的推廣提供理論基礎(chǔ)。

1 整體結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析

1.1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

傾斜梯形孔式穴施肥排肥器主要包括固定裝置、殼體、下肥口、隔肥板、排肥輪、擋板及吹管、充肥輪、排肥量調(diào)節(jié)塞、肥箱等部件；按功能和作業(yè)順序?qū)⒐ぷ鲄^(qū)域分為充肥區(qū)Ⅰ、導(dǎo)肥區(qū)Ⅱ、護(hù)肥區(qū)Ⅲ、排肥區(qū)Ⅳ和過(guò)渡區(qū)Ⅴ，爆炸圖和工作區(qū)域如圖1所示。

排肥器工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)充肥輪和排肥輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，隔肥板固定不動(dòng)，充肥孔在充肥區(qū)囊取一定量的肥料，于導(dǎo)肥區(qū)將肥料從充肥孔倒進(jìn)排肥孔，在排肥器殼體、擋板和排肥孔的保護(hù)下由護(hù)肥區(qū)進(jìn)入排肥區(qū)，氣流通過(guò)擋板下方的進(jìn)氣孔作用于排肥孔底部，肥料顆粒在重力、離心力和外部氣流的輔助作用下快速投出。

1.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1充肥輪、排肥輪設(shè)計(jì)

為降低肥料和溝底碰撞產(chǎn)生的散射和彈跳對(duì)成穴性能的影響，應(yīng)盡量降低排肥器離地高度。充肥輪、排肥輪同軸傳動(dòng)，其直徑過(guò)小，傳動(dòng)軸離地面的高度太低，則秸稈容易纏繞傳動(dòng)裝置；直徑過(guò)大，則排肥器兩側(cè)的翼板過(guò)長(zhǎng)容易夯實(shí)溝壁，不利于后續(xù)的覆土鎮(zhèn)壓。排肥器和地面、翼板的相對(duì)位置如圖2所示。

開溝鏟在工作時(shí)將部分土壤抬起并向兩側(cè)拋出翻倒，在溝兩側(cè)形成土丘，為避免土塊越過(guò)翼板落入肥溝，假設(shè)土體上抬過(guò)程未被壓縮即體積守恒，排肥器離地高度h1滿足

(1)

(2)

式中h0——肥溝深度，一般為80～100 mm

hb——鏟柱寬度，取60 mm

θs——土壤自然休止角，取32°

確定排肥器離地高度h1最小為50 mm。

為避免秸稈纏繞傳動(dòng)裝置，充肥輪、排肥輪直徑d為

d≥2(hc-h1)

(3)

式中hc——秸稈留茬高度，mm

根據(jù)NY/T 995—2006《谷物(小麥)聯(lián)合收獲機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》，秸稈留茬高度一般不高于180 mm，確定充肥輪、排肥輪直徑d為260 mm。

配套鋤鏟式開溝器鏟柱為40 mm×60 mm×3 mm方管，肥溝寬度為40 mm，為使肥料順利落入肥溝，充肥輪、排肥輪厚度ht有

(4)

充肥輪、排肥輪厚度一致，確定充肥輪、排肥輪厚度ht為20 mm。

1.2.2充肥孔、排肥孔設(shè)計(jì)

充肥孔、排肥孔的結(jié)構(gòu)尺寸、容積以及肥料顆粒在型孔內(nèi)的排列狀態(tài)、受力、穩(wěn)定程度影響肥料成穴性能。本文選取河南金六順農(nóng)業(yè)有限公司生產(chǎn)的大顆粒尿素為研究對(duì)象，測(cè)得肥料的平均三軸尺寸、等效直徑、球形率、休止角、體積密度和含水率分別為3.83 mm×3.62 mm×3.45 mm、3.63 mm、0.95、30.4°、984.6 kg/m3、0.11%。

玉米施肥量[22-24]一般為250～600 kg/hm2，穴施肥實(shí)現(xiàn)肥際擴(kuò)展空間與根區(qū)空間吻合，可提高肥料利用率、降低施肥量[6]，設(shè)計(jì)玉米施肥量為200～480 kg/hm2。玉米行株距為60 cm×25 cm時(shí)，每穴施肥量為3.0～7.2 g，對(duì)應(yīng)每穴尿素顆粒體積為3.05～7.31 cm3。

為便于充肥孔所充肥料順利流入排肥孔，充肥孔底部設(shè)計(jì)傾角α的傾斜平面，充、排肥孔具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

充肥孔囊取肥料的多少取決于容積大小，其容積計(jì)算式為

(5)

其中

l2=l1+httanα

式中V1——充肥孔容積，mm

b——充肥孔、排肥孔寬度，取15 mm

l1——充肥孔間隙長(zhǎng)度，mm

l2——充肥孔長(zhǎng)度，mm

α——充肥孔底面傾角，取45°

根據(jù)排肥量的設(shè)計(jì)，每穴排肥量為3.0～7.2 g，確定充肥孔長(zhǎng)度l2為20～34 mm，通過(guò)更換排肥量調(diào)節(jié)塞的長(zhǎng)度改變每穴排肥量，充肥孔間隙長(zhǎng)度l1為0～14 mm。

為保證充肥孔內(nèi)的肥料全部流入排肥孔，有

(6)

式中l(wèi)3——排肥孔盛肥高度，mm

l0——排肥孔長(zhǎng)度，mm

Δb——充肥輪與排肥輪間隙，mm

確定排肥孔長(zhǎng)度l0為55.5 mm。

根據(jù)排肥孔長(zhǎng)度l0、排肥輪直徑d和充肥孔寬度b可得排肥孔沿圓周均布的個(gè)數(shù)Z最多為24個(gè)。假設(shè)肥料顆?？梢员谎杆偻冻銮液雎钥諝庾枇Γ瑔窝ɑ实呐欧手芷诳杀硎緸?/p>

(7)

式中t——單穴化肥的排肥周期，s

t1——排肥孔開始轉(zhuǎn)入排肥區(qū)到完全轉(zhuǎn)入排肥區(qū)用時(shí)，即排肥用時(shí)，s

t2——排肥孔完全轉(zhuǎn)入排肥區(qū)到下一個(gè)排肥孔開始轉(zhuǎn)入排肥區(qū)用時(shí)，即間隔時(shí)間，s

S——株距，m

vm——機(jī)器作業(yè)速度，m/s

此情況下肥料在肥溝內(nèi)的離散程度與t1/t正相關(guān)，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度vm和株距S一定時(shí)，t為常數(shù)，排肥孔數(shù)量Z越少，t2越大，t1越小，肥料的離散程度越小。充肥輪線速度vp與充肥性能有關(guān)，排肥孔數(shù)量Z不能無(wú)限減小[25]，因此有

(8)

式中ωd——極限角速度，rad/s

g——重力加速度，m/s2

βd——最大充肥位置與水平面的夾角，為20°～35°

本文設(shè)計(jì)機(jī)器作業(yè)速度為3～7 km/h，當(dāng)βd為20°時(shí)，排肥孔數(shù)量Z不小于9.62個(gè)。

確定沿圓周均布的充肥孔、排肥孔個(gè)數(shù)各為12個(gè)，充肥孔、排肥孔傾角θ根據(jù)文獻(xiàn)[25-26]取32°。在機(jī)器作業(yè)速度為3～7 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)充肥輪、排肥輪轉(zhuǎn)速為16.7～38.9 r/min，在此范圍內(nèi)充肥輪轉(zhuǎn)速小于極限轉(zhuǎn)速，不影響肥料顆粒正常充入型孔。

1.3 力學(xué)分析

1.3.1充肥過(guò)程力學(xué)分析

將型孔內(nèi)的肥料顆粒視為整體，以肥料群質(zhì)心為原點(diǎn)O，建立如圖4所示的坐標(biāo)系，x軸通過(guò)原點(diǎn)O與充肥輪圓心P并指向排肥輪外側(cè)，y軸垂直于x軸并指向排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

根據(jù)型孔內(nèi)肥料顆粒和充肥區(qū)肥料的受力情況，建立受力平衡方程

(9)

式中m——肥料顆粒質(zhì)量，取0.007 2 kg

θ——充肥孔、排肥孔傾角，取32°

Fc——肥料顆粒的離心力，N

N1——充肥孔內(nèi)壁對(duì)肥料的支持力，N

f1——肥料與充肥孔內(nèi)壁摩擦力，N

G——肥料顆粒的重力，N

Fv——上層肥料顆粒的垂直壓力，N

β——充肥角，為OP與水平線夾角，表示肥料顆?？梢猿淙胄涂讜r(shí)角度，順時(shí)針為負(fù)，(°)

Fl——上層肥料顆粒的水平壓力，N

n——充肥輪轉(zhuǎn)速，r/min

μ1——肥料顆粒與排肥孔壁的摩擦因數(shù)，取0.25

本排肥器的肥箱(見圖1)較小(長(zhǎng)×寬×高為80 mm×40 mm×100 mm)，根據(jù)《農(nóng)業(yè)物料學(xué)》，可將其對(duì)應(yīng)的充肥區(qū)視為淺倉(cāng)模型，得

(10)

其中

Fv=γsyh

式中K——壓力比

φi——內(nèi)摩擦角，肥料顆粒取45°

γs——重度，肥料顆粒為9.66 kN/m3

yh——充肥區(qū)的肥料體積，取3.2×10-4m3

由式(9)可得

(11)

其中

k2=μ1sinθ-cosθ
j1=k1Fl+k2(G+Fv)
j2=k2Fl-k1(G+Fv)
k1=μ1cosθ+sinθ

由式(11)可知，充肥角β隨充肥輪轉(zhuǎn)速n增大而增大，為滿足肥料顆粒在充肥輪轉(zhuǎn)速16.7～38.9 r/min都能充進(jìn)型孔，選充肥輪轉(zhuǎn)速n為38.9 r/min，聯(lián)立式(10)、(11)得充肥角β為-15.91°。

1.3.2排肥過(guò)程力學(xué)分析

排肥過(guò)程中，型孔中的肥料顆粒受離心力和重力作用沿排肥輪周向和徑向依次排出穴孔，所排出第一粒與最后一粒肥料的時(shí)間間隔對(duì)穴長(zhǎng)分布有直接影響，時(shí)間間隔越大穴長(zhǎng)越大，氣流輔助排肥可有效增大肥料顆粒排出型孔的速度，減小同一型孔中肥料顆粒排出的時(shí)間間隔。

將排肥孔內(nèi)的肥料顆粒視為整體，以肥料群質(zhì)心為原點(diǎn)O，建立如圖5所示的坐標(biāo)系，x軸通過(guò)原點(diǎn)O與排肥輪圓心P并指向排肥輪外側(cè)，y軸垂直于x軸并指向排肥輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

根據(jù)排肥孔內(nèi)肥料顆粒的受力情況，建立受力平衡方程

(12)

式中ρ——?dú)怏w密度，kg/m3

γ——排肥角，為肥料顆?？梢耘懦鲂涂讜r(shí)角度，順時(shí)針為正，(°)

Fa——正壓氣力，N

CD——顆粒阻力系數(shù)

u——?dú)饬魉俣?，m/s

Up——顆粒速度，m/s

由式(12)可得

(13)

其中

q1=sinθ+μ1cosθ
q2=cosθ+μ1sinθ

由式(13)可知，排肥角γ隨排肥輪轉(zhuǎn)速n增大而增大，為滿足肥料顆粒在排肥輪轉(zhuǎn)速16.7～38.9 r/min都能排出型孔，選排肥輪轉(zhuǎn)速n為16.7 r/min，聯(lián)立式(12)、(13)得排肥角γ為22.79°。

2 成穴性能仿真分析

為研究穴排肥器成穴性能，基于前述分析，利用離散元軟件EDEM 2018和流體分析軟件Fluent 18.2分別建立穴排肥器顆粒仿真模型和流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)模型如圖6所示，討論機(jī)器作業(yè)速度、充肥孔長(zhǎng)度和氣流速度對(duì)穴排肥器成穴性能的影響。

2.1 仿真平臺(tái)搭建

將SolidWorks 2016軟件創(chuàng)建的穴排肥器三維模型和流場(chǎng)模型保存為.IGS格式，分別導(dǎo)入EDEM 2018和ANSYS 18.2，對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，另存為.msh文件并導(dǎo)入Fluent 18.2。根據(jù)前述肥料顆粒的等效直徑建立顆粒模型，顆粒間及顆粒與穴排肥器間接觸模型選擇Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)模型，仿真材料物性參數(shù)如表1所示[27-29]。EDEM中設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為4×10-6s，每隔0.01 s保存1次數(shù)據(jù)；Fluent中時(shí)間步長(zhǎng)為4×10-4s(為EDEM的100倍)，每次仿真20穴肥料的顆粒運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)作業(yè)速度設(shè)置不同的仿真步數(shù)，最大迭代次數(shù)為20次，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非穩(wěn)態(tài)求解Eulerion-Eulerion耦合算法，Transient模擬計(jì)算，流場(chǎng)中的動(dòng)區(qū)域逐個(gè)添加Mesh moving，設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向和角速度，動(dòng)區(qū)域和靜區(qū)域接觸面添加interface，DEM-CFD仿真模型如圖6所示。

表1 材料的物理特性參數(shù)Tab.1 Physical characteristic parameters of material

為驗(yàn)證模型和仿真邊界參數(shù)的正確性進(jìn)行了肥料的堆積角驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)測(cè)休止角與仿真測(cè)定休止角相差0.74%，誤差較小，模型精度較高，可用于仿真試驗(yàn)研究[28]。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法

基于前述分析，為獲得較優(yōu)的氣流速度參數(shù)，開展機(jī)器作業(yè)速度為5 km/h、充肥孔長(zhǎng)度27 mm條件下5種氣流速度對(duì)肥料成穴性能的單因素影響試驗(yàn)，氣流速度設(shè)0、5、10、15、20 m/s共5個(gè)水平；為獲得較優(yōu)的工作參數(shù)組合，開展作業(yè)速度、充肥孔長(zhǎng)度和氣流速度的三因素試驗(yàn)，作業(yè)速度設(shè)3、5、7 km/h共3個(gè)水平，充肥孔長(zhǎng)度設(shè)20、27、34 mm共3個(gè)水平，氣流速度設(shè)10、15、20 m/s共3個(gè)水平。試驗(yàn)均以穴長(zhǎng)和穴排肥量誤差為成穴性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在EDEM后處理界面添加Geometry Bin，位于傳送帶底部中間位置，其長(zhǎng)度為傳送帶速度與數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔(0.01 s)的乘積，寬度和傳送帶一致，高度設(shè)置為20 mm，每隔0.01 s記錄1次Geometry Bin內(nèi)的肥料質(zhì)量。每次采集20穴肥料顆粒數(shù)據(jù)，計(jì)算不同處理下穴長(zhǎng)和穴排肥量誤差，計(jì)算式為

(14)

(15)

式中L——平均穴長(zhǎng)，mm

j——肥料穴數(shù)，個(gè)

vc——傳送帶速度，m/s

ti——每穴肥料質(zhì)量由0增加到最大再減小為0所用時(shí)間，s

q——穴排肥量誤差，%

Q0——每穴標(biāo)準(zhǔn)排肥量，g

Qi——每穴實(shí)際排肥量，g

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1氣流速度對(duì)成穴性能的影響

不同氣流速度對(duì)肥料顆粒穴長(zhǎng)和穴排肥量誤差影響如圖7所示，輸出各氣流速度下排肥口處肥料顆粒的平均速度，可知肥料顆粒平均速度隨氣流速度增大而增大，穴長(zhǎng)隨氣流速度增大先減小后增大，說(shuō)明氣流速度過(guò)大或過(guò)小都不利于肥料顆粒集中分布；穴排肥量誤差隨氣流速度增大先減小后增大，說(shuō)明氣流可加快肥料顆粒的排出速度，降低肥料顆粒穴排肥量誤差。

各氣流速度下肥料顆粒落地后的分布情況如圖8所示，表明氣流對(duì)肥料成穴性能有明顯影響，無(wú)氣流輔助時(shí)肥料顆粒分布較為離散，分布長(zhǎng)度高達(dá)118 mm；有氣流輔助排肥時(shí)，肥料顆?？梢跃鄱逊植?，且隨著氣流速度的增大，肥料顆粒分布的范圍減小，氣流速度為15 m/s時(shí)，肥料顆粒分布長(zhǎng)度最小，為67 mm，氣流速度增大為20 m/s時(shí)，由于氣流速度過(guò)大，肥料顆粒被吹散導(dǎo)致顆粒分布長(zhǎng)度變大，因此確定氣流速度范圍為10～20 m/s。

2.3.2各因素對(duì)成穴性能的影響

以穴長(zhǎng)、穴排肥量誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Factors levels and test results

表2表明，作業(yè)速度為3～7 km/h時(shí)，肥料顆粒落地后的離散穴長(zhǎng)隨充肥孔長(zhǎng)度的增大而增加，說(shuō)明肥料顆粒每穴排肥量越大，其落地后的離散程度越大，即穴長(zhǎng)越大；每穴排肥量誤差隨充肥孔長(zhǎng)度的增大而減小。

為分析作業(yè)速度對(duì)成穴性能的影響，分別在氣流速度為10、15、20 m/s條件下，繪制不同充肥孔長(zhǎng)度和作業(yè)速度對(duì)穴長(zhǎng)、穴排肥量誤差的影響曲線，如圖9所示。

圖9表明，充肥孔長(zhǎng)度一定時(shí)，穴長(zhǎng)基本隨作業(yè)速度增大而增大，穴排肥量誤差隨作業(yè)速度增大而增大。作業(yè)速度為3、5 km/h，氣流速度為15 m/s條件下，穴長(zhǎng)隨充肥孔長(zhǎng)度增大先減小后增大，因?yàn)樽鳂I(yè)速度較小時(shí)，排肥輪轉(zhuǎn)速較慢，型孔中的肥料顆粒脫離型孔所需時(shí)間較長(zhǎng)，此時(shí)氣流輔助吹肥作用明顯；充肥孔長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，型孔中肥料顆粒較少，易被吹散，充肥孔長(zhǎng)度為27 mm時(shí)，受充肥孔長(zhǎng)度和作業(yè)速度交互影響，肥料顆?？杀豢焖倥懦?，充肥孔長(zhǎng)度為34 mm時(shí)，離散穴長(zhǎng)隨排肥量增大而急劇增大。

為分析作業(yè)速度對(duì)成穴性能的影響，分別在充肥孔長(zhǎng)度為20、27、34 mm條件下，繪制不同氣流速度和作業(yè)速度對(duì)穴長(zhǎng)、穴排肥量誤差的影響曲線，如圖10所示。

圖10表明，充肥孔長(zhǎng)度一定時(shí)，穴長(zhǎng)隨作業(yè)速度增大而增大，穴排肥量誤差隨作業(yè)速度增大而增大；充肥孔長(zhǎng)度為20 mm，低作業(yè)速度時(shí)穴長(zhǎng)隨氣流速度增大而增大，中高作業(yè)速度時(shí)穴長(zhǎng)隨氣流速度增大而先增大后減??；充肥孔長(zhǎng)度為27 mm時(shí)，穴長(zhǎng)隨氣流速度增大先減小后增大；在充肥孔長(zhǎng)度為34 mm時(shí)，穴長(zhǎng)隨氣流速度的增大而減小。中高作業(yè)速度條件下，穴排肥量誤差隨氣流速度增大而增大，低作業(yè)速度條件下，穴排肥量誤差受氣流速度影響不大。

為分析充肥孔長(zhǎng)度、氣流速度交互作用對(duì)成穴性能的影響，作業(yè)速度為5 km/h時(shí)，繪制充肥孔長(zhǎng)度和氣流速度對(duì)穴長(zhǎng)、穴排肥量誤差影響曲面，如圖11所示。

圖11a表明，作業(yè)速度為5 km/h、氣流速度為中水平、充肥孔長(zhǎng)度為低水平時(shí)，穴長(zhǎng)最小。充肥孔長(zhǎng)度一定時(shí)，穴長(zhǎng)隨氣流速度增大先減小后增大；氣流速度一定時(shí)，穴長(zhǎng)隨充肥孔長(zhǎng)度增大而增大；可知充肥孔長(zhǎng)度對(duì)穴長(zhǎng)的影響比氣流速度對(duì)穴長(zhǎng)的影響更大。

圖11b表明，作業(yè)速度為5 km/h、氣流速度為低水平、充肥孔長(zhǎng)度為高水平時(shí)，穴排肥量誤差最小，反之最大。充肥孔長(zhǎng)度一定時(shí)，穴排肥量誤差隨氣流速度增大而增大；氣流速度一定時(shí)，穴排肥量誤差隨充肥孔長(zhǎng)度減小而增大；充肥孔長(zhǎng)度和氣流速度對(duì)穴排肥量誤差的影響均較大。

綜上，作業(yè)速度為3～7 km/h時(shí)穴長(zhǎng)隨作業(yè)速度增大而增大，穴排肥量誤差隨作業(yè)速度增大而減小，較優(yōu)參數(shù)組合為：充肥孔長(zhǎng)度為27.0 mm，氣流速度為15.0 m/s，對(duì)應(yīng)穴長(zhǎng)及穴排肥量誤差分別為62.7～87.5 mm和7.4%～8.9%。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

基于上述參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，開展兩種不同肥料在不同氣流速度下肥料顆粒落地分布情況和不同作業(yè)速度下的穴排肥器工作性能試驗(yàn)。利用美國(guó)Stratasys公司生產(chǎn)的Dimension Elite型三維打印機(jī)(精度為0.178 mm，打印材料為ABS)注塑成型充肥輪、排肥輪，充肥孔長(zhǎng)度為27.00 mm，對(duì)應(yīng)每穴排肥量為5.1 g，試驗(yàn)在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院排肥器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖12所示。

選取前述尿素顆粒和史丹利農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的史丹利復(fù)合肥(N-P2O5-K2O為15-15-15)，測(cè)得復(fù)合肥平均三軸尺寸為3.83 mm×3.62 mm×3.45 mm，等效直徑為3.63 mm，球形率為0.95，休止角為31.6°，體積密度為984.6 kg/m3，含水率為0.23%。作業(yè)速度設(shè)為3.0～7.0 km/h，即傳送帶速度為0.83～1.94 m/s，其上抹一層1 mm厚的油脂以防肥料顆粒彈跳；調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以獲得15.0 m/s的氣流速度。試驗(yàn)中用到的其它設(shè)備有：HG-750型風(fēng)機(jī)，KANOMAX型熱球式壓力風(fēng)速儀，PTQ-A型電子秤(量程為2 000 g，精度0.01 g)。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法

為評(píng)價(jià)穴排肥器工作性能，以穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)變異系數(shù)、穴排肥量誤差、穴距誤差為評(píng)價(jià)指標(biāo)。如圖13所示，以相鄰兩穴肥料堆積中心點(diǎn)間的距離為穴距Si，穴距誤差為

(16)

統(tǒng)計(jì)相鄰兩穴距中心間的肥料顆粒數(shù)，并隨機(jī)選取相同粒數(shù)未沾油的肥料顆粒稱量，計(jì)算穴排肥量誤差(式(15))。

以每穴肥料堆積最密集點(diǎn)為中心點(diǎn)，量取絕大多數(shù)肥料顆粒散落的長(zhǎng)度為穴長(zhǎng)Li，則平均穴長(zhǎng)為

(17)

穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)為

(18)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

受限于傳送帶長(zhǎng)度，每次統(tǒng)計(jì)14穴肥料顆粒成穴情況，重復(fù)3次試驗(yàn)，整理數(shù)據(jù)后得到穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴排肥量誤差和穴距誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Bench test results

表3表明，在充肥孔長(zhǎng)度為27.0 mm、氣流速度為15.0 m/s條件下，作業(yè)速度在3～7 km/h時(shí)穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴排肥量誤差和穴距誤差分別為98.5～175.5 mm、7.42%～14.18%、7.60%～15.17%、2.3%～4.7%，穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)和穴排肥量誤差均較小，穴距誤差不大于4.7%。文獻(xiàn)[15]中作業(yè)速度為7 km/h、每穴排肥量5 g時(shí)穴施肥量精度84.60%，穴距精度為86.03%，本研究設(shè)計(jì)的穴排肥器工作性能優(yōu)于同類研究。

4 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證穴排肥器田間工作性能，在河北省石家莊市深澤縣深澤鎮(zhèn)進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖14所示。施肥深度10 cm，理論穴距25 cm，每穴理論施肥量5.1 g，選用肥料為前述尿素顆粒，施肥后不覆土便于測(cè)量成穴性能指標(biāo)，選用風(fēng)機(jī)功率為220 W、風(fēng)量100 m3/h，調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使穴排肥器進(jìn)氣管速度為15 m/s，選取10 m作業(yè)長(zhǎng)度測(cè)定穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴排肥量誤差和穴距誤差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Field test results

由表4可知，穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴距誤差和穴排肥量誤差隨作業(yè)速度增大分別增大，和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果一致，表明臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可靠；作業(yè)速度為3～7 km/h時(shí)穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴排肥量誤差和穴距誤差分別為104.2～178.4 mm、7.55%～14.56%、7.69%～13.80%、2.1%～4.3%。

5 結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)植株根區(qū)施肥，通過(guò)分析大顆粒尿素和復(fù)合肥顆粒的物料特性，設(shè)計(jì)了一種傾斜梯形孔式定量穴排肥器，并確定了充、排肥輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)對(duì)氣流速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果表明，氣流對(duì)成穴性能影響明顯，氣流速度為10～20 m/s時(shí)成穴性能較好。通過(guò)多因素試驗(yàn)分析了作業(yè)速度、充肥孔長(zhǎng)度和氣流速度對(duì)穴長(zhǎng)、穴排肥量誤差的影響，優(yōu)化求解得到，當(dāng)作業(yè)速度為3～7 km/h、充肥孔長(zhǎng)度為27.0 mm和氣流速度為15.0 m/s時(shí)，穴長(zhǎng)和穴排肥量誤差分別為62.7～87.5 mm和7.4%～8.9%。

(3)穴排肥器工作性能臺(tái)架試驗(yàn)表明，在作業(yè)速度為3～7 km/h、充肥孔長(zhǎng)度為27.0mm和氣流速度為15.0 m/s的條件下，穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴排肥量誤差和穴距誤差為98.5～175.5 mm、7.42%～14.18%、7.60%～15.17%、2.3%～4.7%。田間試驗(yàn)表明，作業(yè)速度為3～7 km/h時(shí)，穴長(zhǎng)、穴長(zhǎng)穩(wěn)定性變異系數(shù)、穴排肥量誤差和穴距誤差分別為104.2～178.4 mm、7.55%～14.56%、7.69%～13.80%、2.1%～4.3%，成穴性能較好。