王金峰 劉源峰 翁武雄 王金武 付佐棟 王震濤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻豐產(chǎn)離不開科學(xué)的施肥方式，利用人工或機械等將肥料顆粒拋撒在土壤表層的傳統(tǒng)施肥方式存在勞動強度大、施肥量不均、植株養(yǎng)分吸收不一致的問題，導(dǎo)致水稻產(chǎn)量下降，同時肥料隨水田排水而流失降低了肥料利用率，造成環(huán)境污染[1-2]。側(cè)深施肥技術(shù)是將水稻生長所需肥料勻?qū)嵉厥┤胂鄳?yīng)的水稻幼苗根系位置，減少作業(yè)次數(shù)，提高水稻產(chǎn)量和肥料利用效率，同時減少水體污染[3-6]。

側(cè)深施肥裝置作為側(cè)深施肥作業(yè)的專用機械，國外經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)開展較大規(guī)模的應(yīng)用。日本多數(shù)企業(yè)的側(cè)深施肥機主要采用直槽輪排肥裝置，該結(jié)構(gòu)制造簡單、安裝方便、可直接通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)肥量。部分企業(yè)采用圓盤式排肥器，通過更換肥料盤對施肥量進行調(diào)整，操作相對繁瑣，施肥較為穩(wěn)定均勻。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代從日本引進了水田機械，經(jīng)過多年的研發(fā)，水稻生產(chǎn)機械化提升顯著，目前與之配套的側(cè)深施肥機械在市場上仍以進口或仿制成熟的國外產(chǎn)品為主[7-9]，國內(nèi)相關(guān)科研機構(gòu)也開始進行相關(guān)研究并取得了一定的成果。位國建等[10]研制了水田機械式強制排肥裝置，通過螺旋輸送器進行強制排肥，相比于槽輪作為核心結(jié)構(gòu)的裝置肥料不易堵塞；王金武等[11]研制了一款水稻精量穴直播機電驅(qū)式側(cè)深穴施肥裝置，采用穴施的方式進行施肥，避免了肥料過量使用，對水田環(huán)境的不利影響降低；王金峰等[12]研制的圓盤頂出式水田側(cè)深施肥裝置，采用凸輪機構(gòu)將肥料強制頂出，該裝置提高了施肥均勻性，減少了肥料雍堵現(xiàn)象。雖然國內(nèi)側(cè)深施肥機械研究已經(jīng)取得一定進展，但仍存在難以排出潮解或粉末狀肥料、易堵塞、施肥均勻性低、施肥量調(diào)節(jié)困難等問題。

針對上述問題，本文采用滑槽引導(dǎo)進行推肥的工作結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)肥槽高度來改變施肥量，對排肥裝置關(guān)鍵部件進行設(shè)計和分析，確定各項參數(shù)，通過仿真試驗分析肥料運動過程，并對裝置進行臺架和田間試驗驗證施肥性能，以期解決肥料堵塞、肥量調(diào)節(jié)困難及施肥均勻性差等問題，為水田施肥作業(yè)提供新的方案。

1 側(cè)深施肥裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

在實際作業(yè)中，側(cè)深施肥與插秧作業(yè)同步進行，可減少作業(yè)次數(shù)，因此施肥裝置通常安裝于插秧機之上，由肥箱、滑槽回轉(zhuǎn)式排肥器、驅(qū)動電機、支架、風(fēng)力輸送系統(tǒng)組成，肥箱固定在支架上方，配套的供肥箱由3個相通的子肥箱組成，3個驅(qū)動電機并列安裝在支架上，排肥器與肥箱下接口連接，支架通過螺栓可與不同品牌的插秧機固接配套使用，如圖1所示。

圖1 側(cè)深施肥裝置示意圖Fig.1 Diagram of side deep fertilizing device1.肥箱 2.風(fēng)力輸送系統(tǒng) 3.滑槽回轉(zhuǎn)式排肥器 4.驅(qū)動電機 5.輸肥管 6.支架

本文的側(cè)深施肥裝置工作原理為電機驅(qū)動使其回轉(zhuǎn)，在滑槽引導(dǎo)下將肥料推離肥槽，并通過重力和氣流進行輸送，需要調(diào)節(jié)施肥量時，旋轉(zhuǎn)殼體上方的調(diào)節(jié)螺母將底板升高改變肥槽高度來完成調(diào)肥，無需對裝置進行拆卸，提高了工作效率，且無論何種狀態(tài)的肥料均會被推出，不會在排肥器中堆積影響后續(xù)施肥。

2 側(cè)深施肥裝置排肥組件設(shè)計

2.1 排肥裝置基本結(jié)構(gòu)與工作原理

該裝置主要由上接口、上殼體、排肥圓盤、傳動軸、毛刷、前后擋板、肥量調(diào)節(jié)軸、調(diào)節(jié)螺母、底板、下殼體等組成，如圖2所示。

圖2 排肥裝置分解圖Fig.2 Diagram of dismantling fertilizer device1.調(diào)節(jié)螺母 2.傳動軸 3.上殼體 4.排肥圓盤 5.鎖緊螺母 6.下殼體 7.底板 8.前擋板 9.后擋板 10.上殼體 11.電機

由圖2可知，其中調(diào)肥結(jié)構(gòu)由肥量調(diào)節(jié)軸、調(diào)節(jié)螺母、底板組成。該裝置通過螺栓安裝于肥箱的下方，上接口安裝在肥箱下方的支架上，與上殼體固接，驅(qū)動電機安裝在支架上，與傳動軸連接，排肥圓盤通過固定螺母固定在傳動軸上，推肥裝置與排肥圓盤的插槽配合均插在圓盤一周，上下殼體通過螺栓鎖緊，開設(shè)在下殼體底部的落肥口連接文丘里管和風(fēng)送系統(tǒng)。

田間作業(yè)時，調(diào)節(jié)施肥量完畢后裝入肥料顆粒，肥箱內(nèi)的肥料從下方開口處落入排肥圓盤中，之后電機啟動同時帶動排肥器的排肥圓盤旋轉(zhuǎn)，排肥圓盤上的排肥裝置與上殼體的弧形滑槽接觸并沿著滑槽運動，肥料被推出肥槽并在重力的作用下落入下方的三通管中，通過氣力輸送系統(tǒng)將肥料排出，已經(jīng)完成推肥的推肥裝置繼續(xù)沿滑槽運動，在滑槽的引導(dǎo)下回到原位置，同時在上一個推肥裝置完成排肥的瞬間下一個推肥裝置會緊接著開始工作，保證了施肥的均勻性。

2.2 排肥裝置主要參數(shù)設(shè)計

目前市場上常見的槽輪式排肥器由于存在槽脊結(jié)構(gòu)，作業(yè)時排肥均勻性低，脈動現(xiàn)象嚴(yán)重，潮濕的肥料粉末黏附在凹槽上使其失去排肥功能導(dǎo)致堵塞[13-14]。為解決以上問題設(shè)計了一種通過滑槽引導(dǎo)推肥裝置強制排肥的側(cè)深施肥裝置，避免了肥料黏附在肥槽內(nèi)，各推肥裝置連續(xù)作業(yè)，保證排肥的連續(xù)性和均勻性。對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計保證其排肥性能。

本文側(cè)深施肥裝置主要應(yīng)用于北方寒地稻作區(qū)，為了適應(yīng)黑龍江省不同的水稻品種和種植條件，施肥量需在150～930 kg/hm2范圍內(nèi)可調(diào)[12]，因此，施肥量是設(shè)計排肥器的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)施肥量確定時，排肥盤直徑越小，則可容納的肥槽越少，為了滿足最大施肥量，須增大肥槽深度或者排肥圓盤轉(zhuǎn)速，由于肥料顆粒從上方的落肥口落入，因此過高的轉(zhuǎn)速和過深的肥槽會使得肥槽未被充滿就已經(jīng)離開充肥區(qū)，使得充滿系數(shù)過低，導(dǎo)致單位時間內(nèi)肥料下落量變化過大，加劇實際施肥量與理論施肥量的差距，降低施肥均勻性和穩(wěn)定性。排肥圓盤直徑過大同樣會使肥槽處線速度過大縮短充肥時間，引起上述問題。由于側(cè)深施肥裝置安裝在肥箱下方，安裝空間有限，排肥圓盤最大直徑應(yīng)小于200 mm，側(cè)深施肥裝置整體直徑應(yīng)小于230 mm，整體高度小于70 mm，可安放肥槽6～10個。

上殼體頂蓋的滑槽是引導(dǎo)推肥槽推肥的重要部件，如圖3所示，為了使肥料被推出時保持均勻穩(wěn)定，因此將滑槽的軌跡設(shè)計為阿基米德螺線，其關(guān)系式為

R(θ)=A+B(θ)

(1)

式中θ——排肥角，(°)

A——極徑，mm

B——阿基米德螺旋線系數(shù),mm/(°)

圖3 上殼體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of upper shell structure

側(cè)深施肥裝置的單轉(zhuǎn)排肥量決定了其理論總施肥量，并以此為依據(jù)計算實際施肥量。排肥裝置與肥箱通過接口連接，肥槽內(nèi)肥料根據(jù)排出方式不同分為兩部分，被推肥裝置推出的部分稱為主動層，主動層上方因摩擦力被帶出肥槽的小部分肥料稱為被動層[12,15]。排肥器單轉(zhuǎn)排肥量qm為肥槽主動層排肥量q1和被動層排肥量q2的總和，即

qm=q1+q2

(2)

其中

式中σ——肥槽相對應(yīng)肥料的填充系數(shù)

ρ——肥料顆粒密度，g/cm3

z——肥槽個數(shù)h1——肥槽高度，mm

λ——肥料顆粒被動層特性系數(shù)

h2——被動層高度，mm

S——單個肥槽充肥橫截面積，mm2

由于上殼體落肥口處裝有毛刷，可將槽外多余肥料去除，因此被動層排肥量q2可忽略不計。肥槽截面由2條豎直線段和2段圓弧組成，推肥裝置后擋板負(fù)責(zé)推出肥料，為了使肥料顆粒單位時間的下落量保持穩(wěn)定，因此后擋板的截面設(shè)計為與下肥口參數(shù)相同的圓弧狀，使相同時間間隔內(nèi)被推出的肥料體積相同，保證施肥的穩(wěn)定性和均勻性，肥槽的水平截面如圖4所示，單個肥槽充肥橫截面積S為弓形面積S1、矩形面積S2、弧冠上方面積S3、S4之和，即

S=S1+S2+S3+S4

(3)

弓形面與弧冠面可組成一個寬度為a的矩形(面積S5)，最終計算式為

S=S2+S5=al

(4)

式中a——肥槽寬度，mm

l——肥槽工作長度，mm

圖4 肥槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Diagram of fertilizer tank structure

總施肥量是設(shè)計排肥裝置參數(shù)的重要依據(jù)，每公頃田間作業(yè)總施肥量q計算公式為

(5)

式中n——排肥圓盤轉(zhuǎn)速，r/min

tm——每公頃作業(yè)時間，min

zn——作業(yè)行數(shù)

已知作業(yè)幅寬為1.8 m，每公頃作業(yè)時間為

(6)

式中v——插秧機速度，m/s

將式(4)～(6)合并得到每轉(zhuǎn)排肥量與總施肥量的關(guān)系式為

(7)

由式(7)可知，每公頃施肥量受插秧機前進速度v、排肥圓盤轉(zhuǎn)速n和每轉(zhuǎn)排肥量qm的影響。插秧機前進速度在作業(yè)過程中需配合插秧難以更改，排肥圓盤轉(zhuǎn)速為保證施肥指標(biāo)調(diào)節(jié)范圍有限。為了滿足施肥要求，同時使底板剛度達到要求，避免其變形影響施肥性能，將厚度確定為5 mm，為保證充足的肥量調(diào)節(jié)范圍，排肥圓盤剩余高度均設(shè)定為肥槽高度，最大值為25 mm。

2.3 排肥裝置工作過程分析

2.3.1充肥階段

肥箱中肥料集中在上接口處，依靠自重落入肥槽中，肥料顆粒在充肥過程相對速度過高，顆粒會涌向肥槽一側(cè)對充肥產(chǎn)生不利影響，因此對影響其相對速度的因素進行分析。任意選取肥料顆粒i，在充肥階段由于肥料還未充滿肥槽，因此忽略顆粒之間的相互作用，以上接口建立定參考系oxyz，以伴隨圓盤轉(zhuǎn)動的肥料顆粒建立參考系OXYZ，肥料顆粒充肥階段受力分析如圖5所示。

圖5 充肥階段肥料顆粒受力分析Fig.5 Force analysis of fertilizer particles in filling stage

在t時刻肥料顆粒i的受力為重力G、圓盤底面支撐力FN、牽連慣性力Fe、科氏力Fc和滑動摩擦力f1，肥料顆粒i在充肥狀態(tài)下的受力關(guān)系式為

FM=G+FN+Fe+Fc+f1

(8)

其中

式中FM——肥料顆粒所受合力，N

m——單個肥料顆粒質(zhì)量，kg

ωi——肥料顆粒與排肥圓盤的相對角速度，rad/s

ri——肥料顆粒質(zhì)心半徑，m

ω——排肥圓盤角速度，rad/s

vi——肥料顆粒與排肥圓盤的相對速度，m/s

依據(jù)顆粒受力情況建立法向和切向力學(xué)平衡方程，進一步推導(dǎo)得肥料顆粒相對運動的法向加速度an和切向加速度aτ計算式為

(9)

式中μ——肥料顆粒與排肥圓盤的摩擦因數(shù)

當(dāng)排肥裝置正常工作時，t時刻肥料在下落過程中只有向下的初始速度，因此肥料顆粒只在落入肥槽的初始階段沿切向做相對滑動，即

(10)

式中s——肥料相對滑動距離

求解可得t時刻肥料顆粒與排肥圓盤的相對速度vi為

(11)

式中r——排肥盤半徑

由式(11)可知，肥料顆粒充肥效果與排肥圓盤角速度ω、排肥圓盤外緣肥料的質(zhì)心半徑即排肥圓盤半徑r有關(guān)。為使肥料顆粒在法向運動狀態(tài)不發(fā)生改變即an=0，應(yīng)盡量減小排肥圓盤半徑，最終排肥圓盤半徑r確定為90 mm。后續(xù)繼續(xù)對排肥圓盤轉(zhuǎn)速進行分析。

2.3.2排肥階段

隨著圓盤轉(zhuǎn)動，肥料從充肥區(qū)經(jīng)過護肥區(qū)到達排肥區(qū)。在上殼體滑槽的引導(dǎo)下，前后擋板同時向前運動，將肥料顆粒勻速推出，如圖6所示，主體部分為后擋板推出的肥料，另有小部分肥料由于其他外力作用、震動等原因自行滑落至輸肥管中。由于推肥部件設(shè)有前擋板，因此在后擋板推動肥料之前肥料顆粒無法從肥槽中脫離，且由于推肥方向為排肥圓盤中心，因此肥料在離心力的作用下會更加難以從肥槽中滑落，肥槽內(nèi)肥料顆粒完全由后擋板推出，肥料無法隨意流動，達到施肥穩(wěn)定的目的。

圖6 排肥階段肥料顆粒運動分析Fig.6 Movement analysis of fertilizer particles in discharging stage

肥料顆粒在裝置內(nèi)部的運動狀態(tài)對施肥均勻性影響較大，因此對被后擋板推出的肥料進行運動分析。任取轉(zhuǎn)動肥槽中的單一肥料顆粒為動參考系oxyz，肥料在離開肥槽后，其x軸方向分速度vx與后擋板的推動速度相等，其y軸方向分速度vy與圓盤轉(zhuǎn)動速度相等，豎直方向為自由落體運動，肥料在裝置內(nèi)做平拋運動，忽略空氣阻力影響，各方向分速度為

(12)

(13)

由于肥料顆粒Y軸方向存在分速度，其運動軌跡與下殼體指向圓心方向存在偏移角ψ，關(guān)系式為

(14)

由式(14)可知，肥料顆粒從脫離肥槽到落在下殼體結(jié)束所發(fā)生的偏移程度與排肥角θ、排肥圓盤半徑r、肥槽工作長度l有關(guān)。在排肥圓盤半徑r一定時，排肥角θ越大，肥槽工作長度l越大，偏移程度越高，肥料落入文丘里管時間間隔延長，導(dǎo)致施肥均勻性不佳，若二者過小，肥料會在短時間內(nèi)聚集在下殼體落肥口處，造成排肥器堵塞。綜上所述，施肥性能受肥槽行程和排肥角影響較大。

2.4 作業(yè)過程仿真

為驗證裝置的施肥性能，模擬顆粒的運動，運用EDEM軟件對排肥裝置的工作過程進行仿真分析[16]。通過分析排肥裝置的充肥過程、護肥過程和排肥過程的各項性能參數(shù)，初步確定排肥圓盤的轉(zhuǎn)速范圍。

將creo軟件設(shè)計的幾何模型以.stl格式導(dǎo)入EDEM軟件中，查閱文獻[17]，確定了側(cè)深施肥裝置和肥料顆粒的各項參數(shù)如表1所示。

表1 仿真材料相關(guān)參數(shù)Tab.1 Simulation materials related parameters

2.4.1充肥過程仿真

配套的肥箱下肥口尺寸確定，排肥圓盤半徑、肥槽工作高度已知的情況下，充肥角越大，充肥時間越長，肥料填充效果更好，因此確定充肥角θ1為93.5°，如圖7所示。

圖7 排肥口示意圖Fig.7 Diagram of fertilizer outlet

排肥裝置的充肥性能對施肥效果有密切影響，若肥槽未能充滿，則在后續(xù)的排肥過程中實際排肥總量低于理論排肥總量，且由于肥槽內(nèi)存在空隙，單位時間的肥料排出量不同，降低施肥均勻性。設(shè)置肥槽深度為最大值25 mm，此時肥料所需填充的空間最大，圓盤轉(zhuǎn)速分別設(shè)為10、20、30、40、50 r/min，肥料顆粒全部生成之后圓盤開始充肥，應(yīng)用EDEM的后處理Selection模塊功能，通過Grid Bin Group計算肥槽內(nèi)肥料填充的質(zhì)量來判斷肥料顆粒的填充情況。側(cè)深施肥裝置充肥仿真過程如圖8所示。

圖8 EDEM充肥仿真圖Fig.8 Diagram of EDEM filling simulation

圖8為施肥裝置肥料的充肥效果，在排肥圓盤轉(zhuǎn)速為10～50 r/min時，其肥料充肥效果較好，單個肥槽理論儲存肥量約為6 g，實際仿真過程中的單個肥槽的充肥質(zhì)量能夠達到理論充肥量，根據(jù)仿真結(jié)果可知，排肥裝置能夠達到理論施肥量的要求，能夠保證施肥穩(wěn)定性。當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)速大于50 r/min時，由于慣性的作用，肥槽內(nèi)填充的肥料整體向肥槽一側(cè)涌動，肥槽內(nèi)部顆粒群上方出現(xiàn)較大傾斜，在后續(xù)推肥過程中，單位時間內(nèi)下肥量不一致，降低施肥均勻性，因此應(yīng)將排肥器轉(zhuǎn)速控制在10～50 r/min。

2.4.2排肥過程仿真

從肥料顆粒被推出肥槽到進入文丘里管的運動狀態(tài)較為復(fù)雜，為檢驗施肥裝置的排肥效果，應(yīng)用EDEM模型進行排肥仿真試驗，圓盤轉(zhuǎn)速設(shè)為10～60 r/min，進行施肥裝置排肥性能檢驗，對不同工作參數(shù)下的仿真結(jié)果進行分析，排肥過程仿真如圖9所示。

圖9 EDEM排肥仿真圖Fig.9 Diagram of EDEM discharging simulation

在所有預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速的仿真中，對肥料顆粒在排肥裝置內(nèi)部的運動情況進行追蹤，當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速處于10～30 r/min時，肥料顆粒在落肥口處的速度集中在0.383～0.450 m/s之間，肥料顆粒在離開肥槽后沿下殼體滾動落入文丘里管中，此時全部肥料均為正常運動情況。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速處于40～50 r/min時，肥料顆粒速度集中在0.418～0.584 m/s之間，除正常運動狀態(tài)之外還會出現(xiàn)少部分肥料在下落過程中與下殼體落肥口發(fā)生碰撞的情況，此情況易造成肥料包衣破損，使肥料顆粒失去肥效[18]。當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)速大于50 r/min時，發(fā)生肥料碰撞的情況顯著增加，排肥效果差，因此其工作轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在10～50 r/min。

3 風(fēng)力式輸送系統(tǒng)

3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

為模擬田間作業(yè)情況，選用下方為傳送帶的排種試驗臺為臺架，試驗所用的肥料為粒徑2～5 mm的側(cè)深施肥專用肥料。若單純使用機械結(jié)構(gòu)或依靠肥料自身重力排肥，肥料流動性差，黏附在管路內(nèi)壁上，施肥效果不佳。因此，本文采用一種輔助肥料輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由風(fēng)機、調(diào)速開關(guān)、風(fēng)送管、文丘里管、輸肥管組成。在作業(yè)時，風(fēng)機輸出具有一定速度的壓縮空氣，通過風(fēng)送管進入三通管的收縮段，加壓后與排出的肥料顆?；旌希?jīng)輸肥管吹送至水田秧苗一側(cè)的指定位置[19-20]。

3.2 輸肥管路系統(tǒng)選型

文丘里管作為輸肥管路系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對輸肥效果有較大影響，由收縮段、混合段和輸送段組成。以常見插秧機為例，其作業(yè)速度為1～1.6 m/s，作業(yè)幅寬為1.8 m[21-22]，黑龍江省水稻產(chǎn)區(qū)的常規(guī)側(cè)深施肥量為150～930 kg/hm2，本裝置應(yīng)用于黑龍江稻作區(qū)，水稻種植的給定施肥量范圍在同一種植區(qū)域相對穩(wěn)定，施肥量范圍內(nèi)對應(yīng)的風(fēng)送輸肥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)已存在較多研究[23-26]，且有成型產(chǎn)品投入使用，因此不需重新對參數(shù)進行設(shè)計，本文采用水田較為常用的久保田2FH-1.8A型側(cè)深施肥機所配套的輸送管路系統(tǒng)。

4 試驗優(yōu)化與分析

對本文的側(cè)深施肥裝置的施肥均勻性和施肥穩(wěn)定性進行試驗研究，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實驗室進行試驗，試驗結(jié)果依據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布施肥機械相關(guān)文件進行分析，兩項性能指標(biāo)均由施肥量均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)進行計算。

4.1 試驗材料與方法

試驗時，將側(cè)深施肥裝置安裝于臺架上，將自制的肥料收集帶置于傳送帶上收集下落肥料，試驗臺可通過變頻器控制傳送帶的速度模擬插秧機的田間作業(yè)，試驗臺如圖10所示。

圖10 側(cè)深施肥模擬試驗臺Fig.10 Test bench of side deep fertilizing simulation

施肥穩(wěn)定性為靜態(tài)試驗，將肥料收集袋置于輸肥管口，測定相同時間間隔內(nèi)的排肥質(zhì)量，每次測定時間為30 s，重復(fù)試驗5次。施肥均勻性為動態(tài)試驗，試驗時，肥料排出后落在總長度為5 000 mm、每小段長度為100 mm的肥料收集帶上，分別收集小段內(nèi)的肥料并稱量，收集的小段數(shù)量不少于30段。

試驗結(jié)束后，將帶內(nèi)肥料依次編號，用精度0.01 g天平稱量并記錄，計算施肥量均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。

4.2 施肥穩(wěn)定性試驗

水田施肥的作業(yè)速度不同，與其配合的施肥裝置轉(zhuǎn)速不同，同時針對不同地區(qū)及水稻品種的施肥量要求不同，需對肥槽高度進行調(diào)節(jié)。因此選取排肥圓盤轉(zhuǎn)速和肥槽高度為試驗因素測定該裝置不同轉(zhuǎn)速下施肥穩(wěn)定性。肥槽有效高度確定為25 mm，排肥圓盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為10、20、30、40、50 r/min，結(jié)果如表2所示。

表2 不同圓盤轉(zhuǎn)速下施肥穩(wěn)定性試驗結(jié)果Tab.2 Experimental results of fertilization stability at different disc rotational speeds

利用Design-Expert 6.0軟件的方差分析功能對施肥穩(wěn)定性的試驗結(jié)果進行分析，結(jié)果顯示排肥圓盤轉(zhuǎn)速對施肥穩(wěn)定性施肥量均值影響顯著，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)影響不顯著，但其呈先減小后增大的趨勢，擬合得到回歸方程分別為

y1=24.59x1-8.20

(15)

(16)

滑槽回轉(zhuǎn)式側(cè)深施肥裝置調(diào)節(jié)肥槽高度為5、10、15、20、25 mm，將排肥圓盤轉(zhuǎn)速確定為50 r/min進行臺架試驗，計算得出施肥穩(wěn)定性施肥量均值和變異系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同肥槽高度下施肥穩(wěn)定性試驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of fertilization stability at different fertilizer tank heights

試驗得出的結(jié)果進行同上處理，結(jié)果顯示，肥槽高度對以上兩項指標(biāo)的變異系數(shù)模型影響顯著，擬合得出相應(yīng)的回歸方程分別為

(17)

(18)

滑槽回轉(zhuǎn)式水田側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，風(fēng)機風(fēng)速處于穩(wěn)定值時，當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)速增加或肥槽高度增加時，施肥穩(wěn)定性施肥量均值均呈線性增加，但二者對施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響不同。隨著轉(zhuǎn)速增加總體上施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)呈先減小后增大的趨勢。隨著肥槽高度增加，施肥穩(wěn)定性施肥量變異系數(shù)減小。以黑龍江省稻作區(qū)常規(guī)施肥量450 kg/hm2為例，當(dāng)插秧機以速度1.6 m/s作業(yè)時，其轉(zhuǎn)速為50 r/min，則肥槽高度調(diào)整為13 mm即可滿足作業(yè)要求。

根據(jù)NY/T 1003—2006《施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》的要求，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)應(yīng)小于等于7.8%，試驗結(jié)果表明該裝置在工作參數(shù)范圍內(nèi)達到規(guī)定要求。

4.3 施肥均勻性試驗與分析

檢測滑槽式水田側(cè)深施肥裝置施肥均勻性系數(shù)時，分析排肥圓盤轉(zhuǎn)速對施肥均勻性施肥量均值和變異系數(shù)的影響，設(shè)定肥槽高度為25 mm，插秧機前進速度為1.6 m/s，轉(zhuǎn)速取值同上，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同圓盤轉(zhuǎn)速下施肥均勻性試驗結(jié)果Tab.4 Experimental results of fertilization uniformity at different disc rotational speeds

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)進行方差分析，分析表明排肥圓盤轉(zhuǎn)速對施肥均勻性施肥量均值和變異系數(shù)影響顯著，擬合回歸方程為

y5=0.05x3-0.019

(19)

(20)

施肥裝置的施肥均勻性試驗結(jié)果表明，隨著排肥圓盤轉(zhuǎn)速的增加，施肥均勻性施肥量均值增加，施肥均勻性變異系數(shù)減小。

設(shè)肥槽高度為25 mm，排肥圓盤轉(zhuǎn)速為50 r/min，設(shè)定插秧機速度分別為1.2、1.3、1.4、1.5、1.6 m/s，進行施肥均勻性試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 不同插秧機速度下施肥均勻性試驗結(jié)果Tab.5 Experimental results of fertilization uniformity at different transplanter speeds

進行方差分析，插秧機速度對施肥均勻性施肥量均值影響顯著，但是對施肥均勻性變異系數(shù)模型不顯著，擬合回歸方程為

y7=-1.69x4+5.03

(21)

通過對側(cè)深施肥裝置進行試驗分析發(fā)現(xiàn)，在滿足農(nóng)藝要求的范圍內(nèi)，裝置的施肥穩(wěn)定性和施肥均勻性滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該裝置與目前常用的槽輪式水田側(cè)深施肥裝置相比，整體上施肥效果優(yōu)于槽輪式水田側(cè)深施肥裝置[17，27]，符合《施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》中施肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)小于等于7.8%，施肥均勻性變異系數(shù)小于等于40%的規(guī)定。各試驗結(jié)果表明排肥量略小于理論施肥量，原因是排肥圓盤與上殼體仍留有較大空間，當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)動時上層小部分肥料會脫離肥槽滯留在排肥圓盤頂端無法被擋板推出，針對此問題可相應(yīng)增加阻肥結(jié)構(gòu)避免肥料從肥槽中甩出。

4.4 田間試驗驗證

為驗證該裝置是否符合側(cè)深施肥的農(nóng)藝要求，在阿城區(qū)試驗基地進行側(cè)深施肥田間試驗對裝置的作業(yè)性能進行檢測。作業(yè)效果如圖11所示，參考中華人民共和國農(nóng)業(yè)部NY/T 1003—2006《施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》的要求對施肥位置尺寸和施肥量偏差進行測定。

圖11 田間試驗作業(yè)效果圖Fig.11 Diagram of field test operation1.側(cè)深施肥區(qū) 2.秧苗 3.側(cè)深施肥區(qū)內(nèi)所施肥料顆粒

肥料施入位置準(zhǔn)確性顯著影響水稻后續(xù)生長，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)側(cè)位距離30～50 mm，正位距離50～80 mm為合格施肥位置，確定測定行數(shù)為6行，取正對秧苗一側(cè)100 mm×100 mm×100 mm體積的土壤作為測量范圍，單行每隔相同距離取1點，共取5點，測量該點范圍內(nèi)正、側(cè)位施肥距離最小值和最大值，施肥位置尺寸測定計算式為

(22)

(23)

式中H——平均施肥距離，mm

Hj——第j點的施肥距離，mm

K——測定點數(shù)

γ——施肥距離合格率，%

Kh——施肥距離合格點數(shù)

根據(jù)田間試驗測量結(jié)果，側(cè)位施肥距離平均值最小值為34 mm、最大值為47 mm，合格率分別為90%、93.33%。正位施肥距離平均值最小值為51 mm、最大值為80 mm。合格率為83.33%、93.33%，符合《施肥機械質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》正、側(cè)位施肥合格率大于等于80%要求。

施肥量偏差能夠反映單位作業(yè)面積實際施肥量與給定施肥量差值，按黑龍江稻作區(qū)常規(guī)施肥量450 kg/hm2設(shè)置給定施肥量，排肥輪轉(zhuǎn)速50 r/min，肥槽高度13 mm，插秧機速度1.6 m/s，測定10次，其計算式為

(24)

式中γζ——施肥量偏差，%

We——初始肥料質(zhì)量，kg

Wh——剩余肥料質(zhì)量，kg

Se——施肥作業(yè)面積，m2

W——指定施肥量，kg/hm2

施肥量測量結(jié)果為422.49～440.39 kg/hm2，施肥量偏差控制在2.14%～6.11%，可用于施肥作業(yè)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種易于調(diào)肥的側(cè)深施肥裝置，能夠?qū)⒎柿项w粒強制排出，從而避免潮解的肥料堵塞排肥器，提高施肥效率。適用于水田施肥作業(yè)。

(2)計算了排肥器的理論排肥量，對施肥裝置的工作過程進行了分析，確定了施肥裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。同時對該工作參數(shù)下施肥裝置的充肥過程和排肥過程進行了虛擬仿真試驗，仿真結(jié)果表明，施肥裝置在10～50 r/min時的充排肥效果較好，無架空、堵塞現(xiàn)象。

(3)通過JPS12型排種性能檢測試驗臺對側(cè)深施肥裝置進行研究，獲得了排肥圓盤轉(zhuǎn)速、肥槽高度對施肥穩(wěn)定性影響規(guī)律以及排肥圓盤轉(zhuǎn)速、插秧機速度對施肥均勻性影響規(guī)律，滑槽回轉(zhuǎn)式水田側(cè)深施肥裝置兩項主要指標(biāo)滿足規(guī)范要求。田間試驗表明，該裝置基本符合水田側(cè)深施肥的農(nóng)藝要求。