肖文立 廖宜濤 單伊尹 李蒙良 王 磊 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

施肥是影響作物產(chǎn)量的重要因素之一，合理施用化肥有利于作物生長(zhǎng)，達(dá)到節(jié)肥高效、穩(wěn)產(chǎn)增收的目的[1]。降低化肥使用量成為綠色農(nóng)業(yè)施肥方式的主要發(fā)展趨勢(shì)，定量施肥成為提高肥料利用率與保證作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要途徑，合理選擇排肥器是實(shí)現(xiàn)肥料減施減量的關(guān)鍵[2-4]。

油菜直播常用排肥裝置為外槽輪式排肥器，可實(shí)現(xiàn)一器一行，滿足基本施肥要求。常規(guī)外槽輪排肥器受排肥槽輪結(jié)構(gòu)及肥料尺寸不規(guī)則等影響，排肥均勻性變異系數(shù)偏高[5-8]，現(xiàn)有外槽輪排肥器由于結(jié)構(gòu)因素?zé)o法有效降低排肥脈動(dòng)現(xiàn)象[9]，難以滿足不同施肥方式下油菜直播需肥量[10-12]，螺旋排肥器具有可計(jì)量、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[13]，戚江濤等[14]研究了等徑雙螺旋精準(zhǔn)給料特點(diǎn)，表明等徑雙螺旋不同螺距給料穩(wěn)定性較優(yōu)；呂金慶等[15]設(shè)計(jì)了一種對(duì)向螺旋施肥器，理論計(jì)算了螺旋排肥量，解決了馬鈴薯施肥量大和施肥不勻的問(wèn)題；陳雄飛等[16]針對(duì)排肥裝置對(duì)肥料形態(tài)特征要求高的缺陷，設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)螺旋排肥裝置，建立了排肥螺旋的單圈排肥量的數(shù)學(xué)模型；楊文武等[17]基于螺旋排肥器排肥量隨時(shí)間脈動(dòng)的現(xiàn)象，開(kāi)展了螺旋排肥器排肥口長(zhǎng)度和排肥口角度對(duì)排肥性能影響關(guān)系的分析。位國(guó)建等[18]設(shè)計(jì)了一種水田機(jī)械式強(qiáng)制排肥裝置，試驗(yàn)表明機(jī)械式強(qiáng)制螺旋排肥裝置工作穩(wěn)定、堵塞率低。薛忠等[19]基于離散元分析了排肥螺旋參數(shù)和排肥軸轉(zhuǎn)速對(duì)排肥器排肥性能的影響，獲得排肥器工作參數(shù)與排肥量和排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的回歸數(shù)學(xué)模型。以上研究依據(jù)作物需肥量，對(duì)螺旋排肥量進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，分析了影響排肥穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，但研究對(duì)象均為單頭排肥螺旋[19-22]。對(duì)多頭螺旋排肥研究較少[23-24]。

為適應(yīng)長(zhǎng)江中下游冬油菜產(chǎn)區(qū)油菜直播對(duì)肥料需求，結(jié)合常用復(fù)合肥物理特性與油菜直播施肥要求，本文設(shè)計(jì)一種四頭螺旋雙行排肥器，運(yùn)用EDEM仿真確定排肥螺旋類型和排肥器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，比較不同頭數(shù)螺旋與轉(zhuǎn)速對(duì)排肥性能影響，以期提高螺旋排肥器排肥均勻性，為油菜直播排肥器結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。

1 排肥器結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 四頭螺旋雙行排肥器結(jié)構(gòu)

油菜精量聯(lián)合直播機(jī)能一次完成開(kāi)溝、破茬、種床旋耕、精量播種、施肥、覆土等作業(yè)[12]。為滿足長(zhǎng)江中下游冬油菜產(chǎn)區(qū)油菜直播不同需肥量要求，設(shè)計(jì)了一種與其配套的四頭螺旋雙行排肥器，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，為保證兩側(cè)肥腔肥料均勻，在排肥器上方設(shè)計(jì)分肥器，為利于排肥器與肥箱間落肥流暢，采用破結(jié)裝置對(duì)肥料進(jìn)行攪拌，增強(qiáng)肥料流動(dòng)性的同時(shí)對(duì)成團(tuán)肥料破結(jié)，避免肥料成拱。破結(jié)裝置下方通過(guò)排肥螺旋施肥，保證肥料輸送穩(wěn)定。

1.2 排肥器工作過(guò)程

排肥器工作時(shí)，肥料由肥箱落入排肥器，分肥器將肥料分流到排肥器兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與破結(jié)軸聯(lián)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)破結(jié)裝置，并由中間傳動(dòng)帶動(dòng)排肥螺旋作業(yè)。破結(jié)裝置對(duì)肥料進(jìn)行攪拌，提高落肥均勻性的同時(shí)防止肥料因受潮結(jié)拱導(dǎo)致排肥不暢，攪拌后的肥料經(jīng)排肥螺旋和導(dǎo)肥管均勻輸送，最后經(jīng)過(guò)排肥管落下，完成排肥過(guò)程。

2 排肥螺旋主要參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

四頭螺旋雙行排肥器性能主要取決于排肥螺旋，其參數(shù)設(shè)計(jì)直接影響排肥器的排肥穩(wěn)定性與均勻性。排肥螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

2.1 單位時(shí)間排肥速率

單位時(shí)間排肥速率受螺旋轉(zhuǎn)速及填充系數(shù)等因素影響，排肥器排肥速率難以準(zhǔn)確計(jì)算。為保證理論排肥速率的準(zhǔn)確性，在不考慮軸向阻力影響下，單位時(shí)間內(nèi)排肥速率Q[16]計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

式中Z——螺旋頭數(shù)，對(duì)于單螺桿Z=1

S——螺旋導(dǎo)程，mm

D——螺旋葉片外徑，mm

l——螺旋葉片與導(dǎo)肥管內(nèi)壁間隙，mm

d——螺旋葉片內(nèi)徑，mm

b——螺旋厚度，mm

h——螺旋深度，mm

Lp——螺旋單位長(zhǎng)度，mm

P——排肥螺旋螺距，mm

n——排肥軸轉(zhuǎn)速，r/min

φ——填充系數(shù)

γ——復(fù)合肥容重，kg/m3

β——螺旋葉片傾斜系數(shù)

實(shí)際田間作業(yè)時(shí)，單位時(shí)間農(nóng)藝要求施肥量[25]為

(4)

式中Qn——單位時(shí)間農(nóng)藝要求的施肥量，g/s

Qa——農(nóng)藝要求的單位面積目標(biāo)施肥量，kg/hm2

v——施肥作業(yè)速度，m/s

B——施肥幅寬，m

單位時(shí)間內(nèi)農(nóng)藝要求的施肥量與排肥器排肥量相等，結(jié)合式(1)、(4)可得

(5)

由式(5)可知，田間作業(yè)時(shí)，施肥幅寬B、機(jī)具前進(jìn)速度v一定，目標(biāo)施肥量與D、d、l、Z、b、P、n、φ、γ及β有關(guān)。肥料物料特性一定的前提下，改變螺旋類型(頭數(shù))、螺距P和排肥軸轉(zhuǎn)速n可有效調(diào)節(jié)排肥速率；不同類型排肥螺旋和不同轉(zhuǎn)速n決定著排肥均勻性與穩(wěn)定性；排肥螺旋轉(zhuǎn)速具有一定的適宜區(qū)間，目標(biāo)施肥量相同時(shí)，低轉(zhuǎn)速有利于肥料填充[23]。

綜合考慮四頭螺旋雙行排肥器整體結(jié)構(gòu)并滿足肥管設(shè)計(jì)要求[16,18]，確定螺旋葉片外徑D為38 mm。依據(jù)肥料顆粒尺寸，避免小顆粒肥料夾塞產(chǎn)生破碎，選定螺旋葉片與導(dǎo)肥管內(nèi)壁間隙l為1 mm。

2.2 排肥螺旋排肥分析

螺距影響螺旋升角及肥料在輸送過(guò)程中的堆積方式，對(duì)單個(gè)螺距內(nèi)充肥、排肥性能均有顯著影響[18]?；诒ＷC肥料在螺旋內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定輸送的要求，應(yīng)避免單個(gè)螺距內(nèi)出現(xiàn)肥料夾塞和螺旋葉片軸向推力不足等問(wèn)題。

大螺距有利于肥料填充，增加肥料之間相互接觸，易發(fā)生“打滑”現(xiàn)象，避免肥料夾塞出現(xiàn)。根據(jù)物料流動(dòng)特性，排料口最小尺寸至少應(yīng)為物料顆粒尺寸3～6倍[26]，即螺距應(yīng)滿足有3顆及以上肥料均布，即

P>3df

(6)

式中df——肥料平均等效直徑，mm

排肥過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)肥料顆粒有序輸送，肥料所受的軸向推力應(yīng)大于摩擦阻力。圖3為肥料在輸送過(guò)程中的受力分析[23]。

由圖3可得

Fn=Fhcos(α+ρ)

(7)

Fτ=Fhsin(α+ρ)

(8)

(9)

ρ=arctanμ

(10)

式中Fn——肥料顆粒所受軸向分力，N

Fτ——肥料顆粒所受周向分力，N

Fh——肥料顆粒所受合力，N

r——肥料離軸中心的距離，mm

α——距軸線距離r處的螺旋升角，(°)

ρ——肥料對(duì)螺旋面的摩擦角，約等于合力與法線的夾角，(°)

μ——肥料與螺旋面摩擦因數(shù)

當(dāng)排肥器作業(yè)時(shí)，排肥螺旋軸向推力須滿足Fn>0才能實(shí)現(xiàn)軸向運(yùn)動(dòng)。由式(7)可得

(11)

排肥螺旋上各點(diǎn)的螺旋升角隨點(diǎn)到螺旋軸中心的距離而變化，由式(7)可知，當(dāng)肥料接觸螺旋軸時(shí)螺旋升角最大，肥料受到的軸向力最小。由式(9)～(11)可得

(12)

圖4為肥料在螺旋輸送過(guò)程中運(yùn)動(dòng)分析[26]，肥料顆粒速度Vh可分解為圓周速度Vy和軸向速度Vx。

由圖4可得肥料顆粒速度與圓周速度Vy、軸向速度Vx間的關(guān)系為

(13)

由式(9)、(10)及

(14)

則Vx、Vy表示為

(15)

由式(15)可知，螺距P和轉(zhuǎn)速n是軸向速度和圓周速度的主要影響因素。確定最大許用螺距時(shí)須滿足肥料顆粒具有合理速度分量，即軸向速度越大越好，同時(shí)滿足Vx≥Vy，即

(16)

基于輸送過(guò)程中肥料受力與運(yùn)動(dòng)分析，螺距應(yīng)滿足

(17)

將已知參數(shù)df、d、ρ、D代入式(17)，計(jì)算得排肥螺旋螺距為10.32～36.38 mm。

2.3 排肥螺旋轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是影響螺旋排肥器性能的關(guān)鍵因素[23]。當(dāng)排肥器作業(yè)時(shí)，肥料顆粒在重力及摩擦力的作用下，沿著排肥螺旋葉片輸送方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于一定范圍時(shí)，肥料間相對(duì)滑動(dòng)少，易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象[26]。當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速大于過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，肥料因離心力過(guò)大將沿垂直于輸送方向跳躍翻滾，易產(chǎn)生碰撞擠壓而破碎。此時(shí)排肥螺旋葉片主要為攪拌肥料，對(duì)肥料顆粒軸向推進(jìn)作用較小。為實(shí)現(xiàn)肥料正常輸送, 螺旋軸轉(zhuǎn)速應(yīng)低于其臨界值。臨界情況下肥料所受慣性離心力與自身重力應(yīng)該滿足以下條件

(18)

(19)

式中ωmax——排肥螺旋最大角速度，rad/s

考慮肥料的綜合系數(shù)影響，則

(20)

式中k——物料綜合特性系數(shù)[17]

(21)

考慮實(shí)際排肥速率，選取A=25，計(jì)算可得nmax≤125 r/min。

3 排肥螺旋類型與螺距確定

螺旋排肥過(guò)程中易出現(xiàn)排肥量周期波動(dòng)現(xiàn)象，主要包括以下兩方面原因：①螺旋中肥料為準(zhǔn)靜態(tài)流，肥料動(dòng)能主要來(lái)自顆粒間接觸力鏈作用，排肥口肥料由于力鏈作用而同時(shí)掉下。②螺旋周期性轉(zhuǎn)動(dòng)而引起的螺旋與排肥導(dǎo)管尺寸變化[17]。為選定較優(yōu)的排肥螺旋類型，本文選取單頭、雙頭、三頭、四頭4種類型螺旋進(jìn)行分析[24]。

3.1 仿真模型建立與試驗(yàn)方法

仿真試驗(yàn)以螺旋類型為試驗(yàn)因素，以排肥性能為試驗(yàn)指標(biāo)，目的是得到較優(yōu)的排肥螺旋類型與螺距。為確保不同類型排肥螺旋總排肥量一致，結(jié)合油菜直播常用需肥量，螺旋導(dǎo)程設(shè)為48 mm，螺旋轉(zhuǎn)速為30 r/min。破結(jié)裝置與排肥螺旋轉(zhuǎn)速比設(shè)定為0.75[25]。運(yùn)用EDEM 2020對(duì)不同類型排肥螺旋進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

3.1.1仿真模型建立

仿真模型主要由外殼、排肥螺旋、破結(jié)裝置、導(dǎo)肥管4部分組成。材質(zhì)均為工程塑料ABS。肥料顆粒為類球形，選取母女紅復(fù)合肥中間尺寸肥料顆粒掃描得到其外形，仿真中導(dǎo)入肥料顆粒掃描模型，接觸模型選取Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型。仿真模型如圖5所示，肥料、工程塑料ABS的材料特性及其相互間仿真參數(shù)見(jiàn)表1[17,20]。

表1 肥料與排肥器仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of fertilizer and material properties

3.1.2仿真模型建立

仿真時(shí)間為15 s，以肥料顆粒力、肥料顆粒速度、瞬時(shí)排肥效果開(kāi)展排肥螺旋排肥性能定性分析。肥料顆粒接觸力為螺旋上方肥料顆粒在排肥過(guò)程中所受合力，顆粒接觸力分布不均易造成排肥螺旋填充不均，從而導(dǎo)致排肥不均勻。肥料顆粒速度為顆粒在螺旋內(nèi)運(yùn)動(dòng)速率，螺旋內(nèi)顆粒軸向速度越大，越不容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。瞬時(shí)排肥效果截取同一周期不同相位角瞬時(shí)排肥狀態(tài)，不同相位脈沖越小，排肥越均勻。為便于觀察，肥料顆粒力、肥料顆粒速度沿螺旋軸線的中心平面展開(kāi)分析。

取肥料填充系數(shù)、排肥量均勻性變異系數(shù)與排肥口瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)開(kāi)展排肥螺旋排肥性能定量分析。肥料填充系數(shù)為肥料在不同螺旋段填充系數(shù)，即單位長(zhǎng)度內(nèi)肥料顆粒所占體積與等長(zhǎng)度排肥螺旋空間體積的比值。變異系數(shù)按NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》測(cè)定[27]。每種試驗(yàn)條件下取3組數(shù)據(jù)求平均值。單一試驗(yàn)條件下評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值為兩側(cè)均值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1不同類型排肥螺旋排肥性能定性分析

圖6為仿真試驗(yàn)9 s時(shí)4種不同類型排肥螺旋上方顆粒接觸力(箭頭表示接觸力方向，深藍(lán)色為0，紅色為峰值接觸力)[24，28]。單頭和雙頭排肥螺旋上方紅色區(qū)域集中在出料口端壁；三頭排肥螺旋上方紅色區(qū)域分布在螺旋始端壁和出料端壁；四頭排肥螺旋上方紅色區(qū)域均勻分布。比較4種不同類型排肥螺旋，四頭排肥螺旋上方肥料顆粒受力較均勻。

圖7為仿真試驗(yàn)9 s時(shí)4種不同類型排肥螺旋顆粒速度(箭頭表示速度方向，深藍(lán)色為0，紅色為峰值速度)。排肥螺旋轉(zhuǎn)速一定的情況下，由圖7可知，隨著排肥螺旋頭數(shù)增加，螺旋內(nèi)紅色區(qū)域占比越大，螺旋內(nèi)軸向速度大的肥料顆粒越多[24,29]，即四頭排肥螺旋內(nèi)肥料顆粒均速最大。

針對(duì)螺旋排肥過(guò)程中易出現(xiàn)脈沖現(xiàn)象，對(duì)4種類型排肥螺旋進(jìn)行了瞬時(shí)排肥特性分析[17]。圖8為4種排肥螺旋不同相位瞬時(shí)排肥效果。單頭、雙頭和三頭排肥螺旋脈沖現(xiàn)象明顯，主要原因是排肥螺旋與導(dǎo)肥管之間排肥口大小變化不規(guī)律。對(duì)于雙頭螺旋和三頭螺旋，螺旋相位重疊也是影響排肥均勻性的重要因素。由圖8可知，四頭排肥螺旋瞬時(shí)排肥均勻性較好，是由于四頭螺旋葉片在圓周呈對(duì)稱布置，在任意相位起到互補(bǔ)作用。

相較單頭、雙頭、三頭螺旋，四頭排肥螺旋上方顆粒接觸力分布均勻，排肥螺旋內(nèi)肥料顆粒速度大，瞬時(shí)排肥均勻性較好，具有較優(yōu)排肥性能。

3.2.2不同類型排肥螺旋排肥性能定量分析

填充系數(shù)影響著排肥器排肥效率，其穩(wěn)定性決定了排肥的均勻性[17]。圖9為不同類型排肥螺旋分段填充系數(shù)。不同類型排肥螺旋肥料填充系數(shù)從螺旋始端到排肥口均呈先增加再減小的趨勢(shì)。填充系數(shù)變化幅度越小，表明肥料填充越均勻。圖9顯示，四頭排肥螺旋分段填充系數(shù)變化幅度最小，整個(gè)螺旋段具有較均勻的肥料填充性。

不同排肥螺旋類型對(duì)排肥均勻性變異系數(shù)與瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)的影響如圖10所示。

在導(dǎo)程和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，4種不同排肥螺旋排肥均勻性變異系數(shù)與瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)均呈先增大后減小的趨勢(shì)，雙頭排肥螺旋排肥均勻性變異系數(shù)最大，為22.27%，四頭排肥螺旋排肥均勻性變異系數(shù)最小，為15.32%；四頭排肥螺旋瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)最小，為24.49%。綜合考慮排肥器結(jié)構(gòu)與排肥性能，在導(dǎo)程和轉(zhuǎn)速一定的情況下，四頭排肥螺旋排肥性能較優(yōu)。

3.2.3螺距對(duì)四頭排肥螺旋排肥性能分析

在確定螺旋類型的前提下，為得到四頭排肥螺旋較優(yōu)參數(shù)，以螺距為試驗(yàn)因素。選取螺距為12～36 mm、增量為6 mm、轉(zhuǎn)速為30 r/min。研究不同螺距對(duì)排肥均勻性變異系數(shù)及瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)的影響。得到排肥均勻性變異系數(shù)及瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)與螺距的關(guān)系如圖11所示。

由圖11可知，在許用螺距范圍內(nèi)，排肥均勻性變異系數(shù)隨螺距增大先減小后增大，在螺距為24 mm時(shí)達(dá)到最小值6.27%，隨后緩慢變大達(dá)到穩(wěn)態(tài)。瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)在許用螺距范圍內(nèi)，隨螺距增大逐漸減小，當(dāng)螺距大于24 mm，瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)趨于穩(wěn)定。在螺距為24 mm時(shí)，排肥均勻性變異系數(shù)和瞬時(shí)排肥速率變異系數(shù)較優(yōu)。

綜上，當(dāng)螺旋類型為四頭排肥螺旋，螺距為24 mm時(shí)，排肥器具有最佳的排肥性能。

4 四頭螺旋雙行排肥器臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與裝置

以三寧復(fù)合肥、常青樹(shù)復(fù)合肥、母女紅復(fù)合肥3種湖北省內(nèi)油菜直播常用復(fù)合肥為試驗(yàn)材料，應(yīng)用自制的試驗(yàn)臺(tái)架開(kāi)展不同類型肥料適應(yīng)性試驗(yàn)[29]，肥料機(jī)械物理特性參數(shù)見(jiàn)表2，排肥器試驗(yàn)臺(tái)如圖12所示。

表2 試驗(yàn)用復(fù)合肥基本物理參數(shù)Tab.2 Basic physical parameters of compound fertilizer for experiment

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為確定四頭螺旋雙行排肥器排肥速率以適應(yīng)油菜直播不同施肥量要求和機(jī)具作業(yè)速度，以母女紅復(fù)合肥為試驗(yàn)材料開(kāi)展了不同轉(zhuǎn)速下四頭螺旋雙行排肥器臺(tái)架試驗(yàn)，根據(jù)油菜直播施肥量要求，排肥器選取轉(zhuǎn)速為20～60 r/min，以10 r/min為增量，試驗(yàn)重復(fù)3次。為檢驗(yàn)排肥器對(duì)不同肥料適應(yīng)性，以三寧復(fù)合肥、常青樹(shù)復(fù)合肥、母女紅復(fù)合肥為試驗(yàn)材料，分析轉(zhuǎn)速為20、40、60 r/min條件下排肥性能。試驗(yàn)均以排肥均勻性變異系數(shù)、總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)(1 min內(nèi)排肥量)和雙行排肥量一致性變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)按照NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[27]進(jìn)行排肥器排肥性能試驗(yàn)和測(cè)定。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1排肥螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)排肥性能的影響

排肥螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)排肥性能的影響結(jié)果(圖13)表明，排肥速率隨著排肥螺旋轉(zhuǎn)速增加而增加，在目標(biāo)施肥量范圍內(nèi)，單行排肥速率為461.19～1 328.57 g/min，排肥速率滿足課題組研制油菜精量聯(lián)合直播機(jī)單行不同施肥量要求。每分鐘實(shí)際排肥量與仿真排肥量偏差在9%以內(nèi)，是由于肥料填充系數(shù)差別導(dǎo)致。排肥均勻性變異系數(shù)隨排肥螺旋轉(zhuǎn)速增加而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于30 r/min時(shí)，均勻性變異系數(shù)低于6.5%?？偱欧柿糠€(wěn)定性變異系數(shù)和雙行排肥量一致性變異系數(shù)均低于2.2%。評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中排肥均勻性變異系數(shù)要求。在油菜直播需肥量范圍內(nèi)，排肥螺旋轉(zhuǎn)速越高，四頭螺旋雙行排肥器排肥性能越好。

4.3.2排肥器對(duì)油菜直播常用肥料適應(yīng)性分析

不同復(fù)合肥具有不同的表征參數(shù)和流動(dòng)特性，為檢驗(yàn)排肥器對(duì)不同肥料的適應(yīng)性，本文選取湖北省內(nèi)油菜直播常用三寧復(fù)合肥、常青樹(shù)復(fù)合肥、母女紅復(fù)合肥3種肥料作為試驗(yàn)材料進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，肥料相關(guān)參數(shù)如表2所示。圖14為排肥器轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，3種不同肥料排肥效果。表3為不同類型復(fù)合肥對(duì)排肥性能的影響。

由圖14和表3可知，3種肥料在輸送帶上分布較均勻。不同肥料施肥帶寬度存在一定差異性，主要與肥料球形度及休止角有關(guān)，不考慮其他因素影響，肥料球形度越大，肥料休止角越小，施肥帶越寬，肥料分布越均勻。

表3 排肥器對(duì)不同復(fù)合肥適應(yīng)性分析Tab.3 Adaptability analysis of fertilizer feeding device to common granular fertilizer for rape direct seed

5 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，考察油菜四頭螺旋雙行排肥器的排肥性能，于2020年12月28日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科研基地開(kāi)展了油菜直播排肥性能試驗(yàn)(圖15)，前茬作物為水稻，復(fù)合肥選用母女紅復(fù)合肥，目標(biāo)施肥量為450 kg/hm2。試驗(yàn)以阿波斯1204拖拉機(jī)為牽引動(dòng)力，機(jī)組平均前進(jìn)速度為2.48 km/h，作業(yè)幅寬為2 000 mm，采用肥料側(cè)方位混施，試驗(yàn)中將拖拉機(jī)蓄電池作為直流電機(jī)電源，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)調(diào)速器驅(qū)動(dòng)并調(diào)節(jié)油菜一器雙行螺旋排肥器轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為40 r/min。試驗(yàn)田面積為0.05 hm2，預(yù)測(cè)施肥量為28.87 kg，實(shí)際施肥量為29.54 kg，實(shí)際施肥量與臺(tái)架試驗(yàn)值相對(duì)誤差為2.33%，實(shí)際排肥均勻性變異系數(shù)為6.73%，與臺(tái)架測(cè)試值相差0.59%。雙行排肥量一致性變異系數(shù)為1.98%。表明設(shè)計(jì)的排肥器滿足油菜直播基肥施用要求。

6 結(jié)論

(1)排肥性能仿真試驗(yàn)表明，螺旋類型為四頭，螺距為24 mm時(shí)，排肥螺旋具有最佳的排肥性能。

(2)臺(tái)架試驗(yàn)研究排肥螺旋轉(zhuǎn)速為20～60 r/min時(shí)排肥器排肥性能，結(jié)果表明，雙行螺旋排肥器排肥均勻性變異系數(shù)、總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)、雙行排肥量一致性變異系數(shù)均隨排肥螺旋轉(zhuǎn)速增加而降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于30 r/min時(shí)，均勻性變異系數(shù)低于6.5%；總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和雙行排肥量一致性變異系數(shù)均低于2.2%。同時(shí)不同肥料適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)3種肥料排肥均勻性變異系數(shù)均滿足施肥標(biāo)準(zhǔn)，總排肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和雙行排肥量一致性變異系數(shù)均低于3.3%。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，目標(biāo)施肥量為28.87 kg時(shí)，實(shí)際施肥量與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)施肥量相對(duì)誤差為2.33%，田間試驗(yàn)排肥均勻性變異系數(shù)為6.73%，雙行排肥量一致性變異系數(shù)為1.98%。滿足油菜直播基肥施用量與排肥均勻性要求。