譚好超 徐麗明 馬 帥 牛 叢 閆成功 沈聰聰

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

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，林果栽培面積居世界第一位[1]。在林果生產(chǎn)過程中，若有機(jī)肥施用不合理直接導(dǎo)致優(yōu)果率下降，降低農(nóng)民收益，合理施用有機(jī)肥能夠保證植株的生長發(fā)育，促進(jìn)作物增產(chǎn)增收[2-4]。

目前，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)有機(jī)肥施肥機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了諸多研究。國外發(fā)達(dá)國家對(duì)施肥機(jī)械化研究起步較早，法國庫恩公司研制了一款側(cè)式撒肥機(jī)，該機(jī)器通過螺旋輸送器輸肥和錘片撒肥實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥的穩(wěn)定拋撒[5]；MARTYNOVA等[6]設(shè)計(jì)了一種有機(jī)肥深層施肥機(jī)，采用深層松土與有機(jī)肥施肥相結(jié)合的方式，提高了土壤肥力和透氣性；德國Amazone公司研制了一款ZA-TS型離心式撒肥機(jī)，機(jī)器工作寬度18～54 m可調(diào)，配備有邊界識(shí)別裝置，可確保撒肥準(zhǔn)確，不越邊界[7]；國內(nèi)對(duì)有機(jī)肥施肥機(jī)械的研究起步晚，肖宏儒等[8]研制了1KS60-35X型果園雙螺旋開溝施肥機(jī)，采用雙軸設(shè)計(jì)，前刀軸實(shí)現(xiàn)破土，后刀軸實(shí)現(xiàn)攪土，刀軸中間采用通孔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了攪土施肥聯(lián)合作業(yè)；胡永光等[9]研制了一款茶園施肥機(jī)，采用葉片位置傾角可調(diào)的偏置式撒肥離心盤，可以獲得較好的撒肥均勻性；何義川等[10]研制了2FK-40型果園開溝施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)了開溝、施肥、覆土一體化作業(yè)。施肥機(jī)械多種多樣，多集中在深施或表面撒施，表面撒施有機(jī)肥會(huì)造成肥料隨雨水流失，且作物收獲后土壤表層緊實(shí)，通氣性較差，造成根部吸收能力減弱，對(duì)于根系較淺的作物又不適合深施。

本文針對(duì)上述問題并根據(jù)調(diào)研地區(qū)人工施肥的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種刮板式有機(jī)肥旋耕施肥裝置，根據(jù)作業(yè)幅寬要求，將有機(jī)肥鋪撒在地表，同時(shí)由旋耕機(jī)構(gòu)將撒在表面的有機(jī)肥與表層土壤旋耕混合，不僅可以破碎結(jié)塊的表層土壤，而且土肥混合后更利于作物養(yǎng)分吸收，以提高結(jié)果率和改善果實(shí)品相，解決人工施肥不準(zhǔn)確和均勻性差的問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 果園種植模式及施肥農(nóng)藝要求

以棚架栽培果園為設(shè)計(jì)參考依據(jù)，其種植模式如圖1a所示。行距D1在3～4 m之間，株距在1.5～3 m 之間，在離地高度D2為1.8 m位置設(shè)有鐵絲網(wǎng)。施肥位置以果樹為中心，左右兩側(cè)鋪施有機(jī)肥，單側(cè)施肥寬度D3為0.8～1.2 m。施用的有機(jī)肥大多數(shù)呈粉末狀，其間摻雜著少量塊狀有機(jī)肥，如圖1b所示。

圖1 果園種植模式和有機(jī)肥類型

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

刮板式有機(jī)肥條鋪與旋耕混合施肥機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括機(jī)架、肥箱、傳動(dòng)裝置、刮板排肥裝置、旋耕裝置等，旋耕裝置位于肥箱正下方，施肥口后方，能夠?qū)崿F(xiàn)先施肥后旋耕的作業(yè)順序。

圖2 有機(jī)肥施肥機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

1.3 工作原理

作業(yè)前，通過拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛與機(jī)具連接，并通過十字萬向節(jié)傳動(dòng)軸將拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸(Power take-off shaft, PTO)和機(jī)具上變速箱連接，為其提供動(dòng)力輸入。在地頭將有機(jī)肥裝滿肥箱，結(jié)合施肥量要求，通過旋轉(zhuǎn)手輪，調(diào)整排肥口開口高度，通過限深輪調(diào)整旋耕深度。作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)靠近植株前進(jìn)。圓環(huán)鏈輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)刮板將有機(jī)肥連續(xù)地從排肥口排出，排出的有機(jī)肥呈條狀平鋪在地表；旋耕裝置將鋪撒在地表的有機(jī)肥與土壤旋耕混合，最后拖板將土肥拖平。

1.4 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合種植模式和施肥要求，確定有機(jī)肥條鋪施肥裝置主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 肥箱設(shè)計(jì)

合理的肥箱結(jié)構(gòu)減少裝肥次數(shù)[11]，節(jié)省勞力。地塊有效施肥長度45 m，果樹單側(cè)施肥幅寬1 m，兩側(cè)均需施有機(jī)肥，施肥量為45 m3/hm2。結(jié)合施肥要求，同時(shí)要避免行駛途中出現(xiàn)肥料不足等情況，設(shè)計(jì)的有機(jī)肥肥箱容積約為0.7 m3，此容積能夠滿足一次往返所需的施肥量。肥箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為倒梯臺(tái)結(jié)構(gòu)，梯臺(tái)錐面與水平面夾角為70°，大于有機(jī)肥料休止角[12-13]，保證有機(jī)肥能夠順利沿錐面向下流動(dòng)。同時(shí)，在肥箱前端錐面設(shè)置有排肥口，通過2個(gè)手輪控制擋肥板在滑道槽中上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)開肥口高度，滑道槽表面每隔1 cm設(shè)置一條刻度線，可以實(shí)現(xiàn)開口高度準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 肥箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 有機(jī)肥排肥裝置

為實(shí)現(xiàn)條狀施肥作業(yè)，本文設(shè)計(jì)的排肥裝置采用刮板式排肥結(jié)構(gòu)，如圖4所示，主要由圓環(huán)鏈、圓環(huán)鏈輪、刮板、肥料支撐板等組成。排肥支撐板安裝在肥箱底部，通過螺栓與肥箱固定。工作時(shí)，刮板通過圓環(huán)鏈輪帶動(dòng)，以一定速度從肥箱底部刮有機(jī)肥并向前輸送。

圖4 排肥鏈結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1排肥過程中運(yùn)動(dòng)分析

摩擦力是影響排肥性能的因素，為便于分析，將肥箱中的有機(jī)肥料分為上下兩層，下層有機(jī)肥是指位于肥料支撐板上方，并處于前后兩個(gè)刮板中間且與刮板等高的有機(jī)肥，上層有機(jī)肥是指位于刮板之間且處在下層肥料之上的有機(jī)肥[14]。下層有機(jī)肥靠刮板推力和內(nèi)摩擦力相互作用實(shí)現(xiàn)向前排肥，上層有機(jī)肥受到內(nèi)摩擦力和有機(jī)肥與肥箱側(cè)壁所產(chǎn)生的阻礙摩擦力作用，當(dāng)內(nèi)摩擦力大于阻礙摩擦力時(shí)才能實(shí)現(xiàn)向前排肥。若上層肥料排肥高度過大，所產(chǎn)生的阻礙摩擦力大于內(nèi)摩擦力，不能將上層肥料全部排出，因此合適的上層排肥高度對(duì)排肥的準(zhǔn)確性有重要影響。

將前后刮板間的上層有機(jī)肥簡化為一個(gè)受力單體，受力分析如圖5所示。

圖5 上層有機(jī)肥輸送過程受力分析

由圖5可知，阻礙摩擦力[15]、內(nèi)摩擦力計(jì)算式為

(1)

Fs=2Fb

(2)

F0=μ1N=μ1ρwbha

(3)

式中Fb——單側(cè)料箱側(cè)壁對(duì)肥料的摩擦力，N

Fs——雙側(cè)料箱側(cè)壁對(duì)肥料的摩擦力,N

F0——內(nèi)摩擦力，N

ha——保證上層肥料穩(wěn)定排出的極限高度，mm

b——刮板間距，mm

w——刮板長度，mm

μ1——內(nèi)摩擦因數(shù)N——肥料壓力，N

μ2——上層有機(jī)肥料與肥箱側(cè)壁的阻礙摩擦因數(shù)

ρ——有機(jī)肥容重，N/m3

α——側(cè)壓系數(shù)

上層有機(jī)肥能夠在內(nèi)摩擦力的作用下均勻穩(wěn)定地向前排肥臨界條件為

F0≥Fs

(4)

聯(lián)立式(1)～(4)可得

(5)

參照文獻(xiàn)[15-16]確定內(nèi)摩擦因數(shù)μ1為0.16，阻礙摩擦因數(shù)μ2為0.54，α為0.43，本研究中刮板長度w為900 mm，計(jì)算得極限高度ha為704 mm，此極限高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于本研究中設(shè)計(jì)的最大開口高度 150 mm，符合上層肥料穩(wěn)定排肥要求。

大多數(shù)刮板長度都小于等于600 mm，而本研究針對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的施肥要求設(shè)計(jì)刮板長度為900 mm，因此，在相同排肥量的前提下，所要求的排肥口高度低。當(dāng)高度低時(shí)，影響排肥性能的有機(jī)肥料不僅局限于上層有機(jī)肥，位于刮板之間的下層有機(jī)肥排肥亦不能忽略，為確定下層有機(jī)肥排肥過程的影響因素，對(duì)下層有機(jī)肥料進(jìn)行受力分析，如圖6所示。

圖6 下層有機(jī)肥料輸送過程受力分析

將下層有機(jī)肥等分為n個(gè)等長度單元(圖6)，在水平方向上每一個(gè)單元在合力Fi(i=1,2,…,n)的作用下向排肥口運(yùn)動(dòng)。以第1個(gè)單元為例進(jìn)行分析，第1個(gè)單元所受到的合力為

F1=F-F01-Fh1-Fl1

(6)

式中F1——第1個(gè)單元所受合力，N

F01——上層有機(jī)肥對(duì)第1個(gè)單元的內(nèi)摩擦力，N

Fh1——第1個(gè)單元與肥料支撐板之間的阻礙摩擦力，N

F——刮板推力，N

Fl1——第2個(gè)單元的阻力，N

第1個(gè)單元合力作用于第2個(gè)單元上，所以第2個(gè)單元合力為

F2=F1-F02-Fh2-Fl2

(7)

聯(lián)立式(6)、(7)，并逐次累加，可以得到第n個(gè)單元所受到合力為

(8)

由此計(jì)算得知，在相同瞬時(shí)間t內(nèi)，每一個(gè)單元的增速vi為

(9)

式中vi——第i個(gè)單元體增速，m/s

m——單元質(zhì)量

由式(8)、(9)可知，離刮板越遠(yuǎn)的單元受到的合力越小，速度增量(相對(duì)于排肥口速度)越小，相同時(shí)間內(nèi)通過排肥口的肥料越少，排肥量也越小；相反，離刮板近的單元受到合力較大，相同時(shí)間內(nèi)速度增量大，通過排肥口肥料數(shù)量越多，排肥量也越大，但速度不會(huì)無限增大，若速度超過刮板的速度，則單元就與刮板脫離，便不會(huì)有推力作用，單元就會(huì)因摩擦阻力的作用減速，因此靠近刮板的單元極限速度不會(huì)高于刮板速度。由于前后單元受力不均衡，引起前后速度差，因此，為使得排肥均勻，需減小前后肥料速度差，即選取合適的刮板間距。當(dāng)刮板長度w大于200 mm時(shí)，刮板間距b一般經(jīng)驗(yàn)公式為[17]

b=0.6w

(10)

采用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈條，型號(hào)為10×40，礦用圓環(huán)鏈與圓環(huán)鏈輪的嚙合位置結(jié)構(gòu)如圖7所示，刮板只能與鏈節(jié)2固定才不會(huì)與圓環(huán)鏈輪發(fā)生干涉，經(jīng)驗(yàn)公式(10)并不適應(yīng)于本設(shè)計(jì)，即刮板間距計(jì)算式為

圖7 圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)及嚙合示意圖

b=ns(n=1,2,…)

(11)

式中s——一組圓環(huán)鏈節(jié)距，取80 mm

2.2.2施肥量計(jì)算

結(jié)合施肥量要求和施肥寬度，得到機(jī)器行走單行施肥量為

(12)

式中Q1——目標(biāo)施肥量，kg/m2

D1——行距，mL——施肥寬度，m

ρl——有機(jī)肥料堆積密度，kg/m3

D1取3.5 m，L取1 m，ρl為620 kg/m3，將數(shù)值代入式(12)，得到目標(biāo)施肥量為4.88 kg/m2。

刮板理論排肥量計(jì)算公式為

(13)

式中Q2——理論排肥量，kg/m2

h——開口高度，mm

n——圓環(huán)鏈輪轉(zhuǎn)速，r/min

γ——傾角系數(shù)δ——輸送效率

Rr——圓環(huán)鏈輪半徑，mm

v——拖拉機(jī)前進(jìn)速度，km/h

從式(13)可以看到，刮板的實(shí)際排肥量與排肥口高度、鏈輪轉(zhuǎn)速、拖拉機(jī)的前進(jìn)速度有關(guān)，且與排肥口高度、鏈輪轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，與拖拉機(jī)前進(jìn)速度呈負(fù)相關(guān)，3個(gè)變量因素共同影響排肥量。因此根據(jù)施肥量農(nóng)藝要求，需要確定合適的刮板間距、開口高度、鏈輪轉(zhuǎn)速和拖拉機(jī)前進(jìn)速度。

2.3 旋耕部分設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)速確定

旋耕部分可實(shí)現(xiàn)向后向和側(cè)向拋土[18]，將地表有機(jī)肥旋入土壤，并在拋撒過程中實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥與土壤的混合。其主要由刀輥、刀庫和旋耕刀組成，其結(jié)構(gòu)如圖8a所示。旋耕刀作為入土部件，合適的排列安裝會(huì)減小作業(yè)時(shí)阻力，能夠避免漏耕和堵塞，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》與相關(guān)研究[19-20]，本文設(shè)計(jì)的旋耕刀排列方式為雙頭螺旋排列，相鄰?fù)蛐兜闹芟驃A角為60°，相鄰回轉(zhuǎn)面距離為65 mm，遠(yuǎn)小于土壤側(cè)向位移。為保證在旋耕過后地表平整，左、右彎刀在刀輥上交錯(cuò)式安裝，刀輥兩端旋耕刀向里彎，防止往外拋土，其彎刀排列展開圖如圖8b所示。

圖8 旋耕刀結(jié)構(gòu)及排列示意圖

旋耕刀運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響整機(jī)作業(yè)性能，在作業(yè)過程中，為保證刀片正常切土，避免出現(xiàn)旋耕刀推土現(xiàn)象，需使得旋耕速比λ大于1。λ計(jì)算式為

(14)

式中nr——旋耕刀轉(zhuǎn)速，r/min

R——旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑，mm

在旋耕刀剛接觸土壤的狀態(tài)下，以刀輥的回轉(zhuǎn)中心O為中心，拖拉機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤軸，豎直向下為y軸，建立如圖9所示的直角坐標(biāo)系，旋耕刀切削點(diǎn)a的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

圖9 旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡及切土面積示意圖

(15)

式中tx——旋耕刀運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

ω——旋耕刀角速度，rad/s

從式(15)得，旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線，當(dāng)軌跡為余擺線時(shí)才能實(shí)現(xiàn)拋土[21]，本文設(shè)計(jì)的旋耕部分主要作用是將地下土壤拋起實(shí)現(xiàn)與表面有機(jī)肥混合，因此需構(gòu)建旋耕刀切土量參數(shù)方程，以分析影響切土量的因素。以單把旋耕刀為例進(jìn)行分析，在同一回轉(zhuǎn)周期內(nèi)其切土體積可近似計(jì)算為切土面積與切土厚度G的乘積，切土厚度G計(jì)算式為[22]

G=Csin(π-θ)

(16)

式中C——旋耕刀正切刃切削長度，mm

θ——正切刃彎折角

選用T195旋耕刀，對(duì)于特定旋耕刀，正切刃切削長度L與正切刃彎折角θ為定值，即切土厚度不變，因此切土面積S直接影響切土體積V。

切土面積S包括a、b、d、e圍成的曲邊四邊形面積S1和b、e、f圍成的弧形面積S2，點(diǎn)a為旋耕刀第一周期軌跡曲線剛切削土壤的起始點(diǎn)；點(diǎn)b、c為第1周期軌跡曲線與第2周期軌跡曲線的交點(diǎn)，其中，點(diǎn)c表示第2次相交；點(diǎn)d表示第2周期軌跡曲線剛與土壤接觸的點(diǎn)；點(diǎn)e為過點(diǎn)b延長線與第2周期軌跡曲線的交點(diǎn)。則切土面積S可以表示為

(17)

式中D——切土節(jié)距，mm

y2(x)——曲線ed段函數(shù)方程

x1(y)——曲線ab段的反函數(shù)

x2(y)——曲線ed段的反函數(shù)

a、b、c、d、e的下標(biāo)為點(diǎn)a～e在x軸或y軸上的坐標(biāo)。

聯(lián)立式(15)、(17)將其轉(zhuǎn)換為含有時(shí)間t的方程

(18)

其中

(19)

式中t1～t5——切削點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)a～e的時(shí)間，s

T——旋耕刀周期時(shí)間，s

hr——耕深，mm

hc——溝底凸起高度，mm

切土節(jié)距D為

(20)

式中z——同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)旋耕刀數(shù)量

綜合式(14)、(15)、(17)～(20)可以計(jì)算切土面積S為

(21)

其中，t1、t2關(guān)系為

(22)

結(jié)合式(20)～(22)以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可以看出切土面積S與D、R、h、ω、z等參數(shù)有關(guān)，在選定旋耕刀工作條件下，回轉(zhuǎn)半徑R可視為定值，根據(jù)當(dāng)?shù)赜脩粢?，耕深一般?0～12 cm，本文設(shè)計(jì)的旋耕刀為雙螺旋排列，故z為2，根據(jù)排肥量前進(jìn)速度取值為2.8 km/h，由于果樹種植以砂壤土為主，且本機(jī)器中的旋耕部件主要目的不以碎土為主，而是將表層有機(jī)肥旋入土壤，與土壤混合，提高有機(jī)肥利用率，故切土節(jié)距相對(duì)于旋耕標(biāo)準(zhǔn)可以取稍大值，以《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中含水率20%～30%稻田土的切土節(jié)距為參考，本文取切土節(jié)距D為14 cm，綜合上述分析并結(jié)合式(14)、(20)計(jì)算得到旋耕轉(zhuǎn)速nr為167 r/min，取整為170 r/min，旋耕速比λ約為4.57，符合旋耕部件設(shè)計(jì)要求。

3 施肥過程EDEM仿真

3.1 仿真模型建立

為對(duì)有機(jī)肥排肥過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析并求解最優(yōu)工作參數(shù)，采用離散元仿真軟件模擬刮板排肥過程，將求解的最優(yōu)工作參數(shù)通過實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先在SolidWorks軟件中建立肥箱、刮板的簡化三維模型，模型尺寸與實(shí)際大小一致，將三維模型保存為parasolid(*.x_t)格式，導(dǎo)入到EDEM軟件中。在EDEM中建立長20 m、寬1 m肥料收集槽，并設(shè)置質(zhì)量傳感器以檢測施入收集槽中的有機(jī)肥料，如圖10a所示。根據(jù)需要排出的有機(jī)肥量和預(yù)設(shè)的仿真時(shí)間，生成大量的有機(jī)肥顆粒。有機(jī)肥離散元參數(shù)參照文獻(xiàn)[23-25]，選擇JKR(Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts)接觸模型，根據(jù)縮放理論和量綱分析[26-27]，對(duì)相應(yīng)的離散元參數(shù)進(jìn)行修正后，用休止角試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖10b、10c所示。最終相關(guān)仿真參數(shù)如表2所示。

圖10 仿真模型示意圖

表2 離散元仿真參數(shù)

3.2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由式(13)可知，影響排肥量的因素有刮板間距、拖拉機(jī)前進(jìn)速度、圓環(huán)鏈輪轉(zhuǎn)速、開口高度。根據(jù)旋耕作業(yè)拖拉機(jī)前進(jìn)速度，設(shè)取值范圍為2～4 km/h，結(jié)合文獻(xiàn)[17]和刮板長度以及所要求的施肥量，圓環(huán)鏈輪轉(zhuǎn)速取10、14、18 r/min 3個(gè)水平，其直徑為175 mm，計(jì)算得到圓環(huán)鏈輪在3個(gè)轉(zhuǎn)速下線速度均在0.08～1.0 m/s之間，符合鏈輪轉(zhuǎn)速的農(nóng)藝要求。開口高度計(jì)算式為[28]

(23)

式中q——鏈輪轉(zhuǎn)一圈的排肥量，kg

d——鏈輪直徑，mm

在理想條件下，即有機(jī)肥料之間無空隙、無粘結(jié)、無阻礙的條件下進(jìn)行估算，同時(shí)根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，開口高度h取值為25～106 mm，根據(jù)所要求的理論施肥量，確定開口高度為25、45、65 mm。從圖5、6受力分析可得，刮板間距直接影響排肥性能。根據(jù)式(11)以及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，刮板距離太近會(huì)使得摩擦阻力增加，同時(shí)為防止出現(xiàn)斷條現(xiàn)象，在前方刮板經(jīng)過排肥口之后，至少保證有一個(gè)刮板已經(jīng)進(jìn)入到肥箱底部，因此選取刮板間距3個(gè)水平為160、240、320 mm。所要求的施肥量在結(jié)果范圍內(nèi)，表明各水平選擇合理，試驗(yàn)因素編碼如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素編碼

相對(duì)誤差和變異系數(shù)分別作為施肥量準(zhǔn)確性和均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，相對(duì)誤差越小，表明施肥量越接近目標(biāo)值，變異系數(shù)越小，表明施肥均勻性越好。仿真中，0～3 s生成90 kg有機(jī)肥顆粒，3～13 s使各部件按照所設(shè)定速度開始運(yùn)動(dòng)，在刮板作用下，有機(jī)肥顆粒會(huì)被帶到排肥口排出，以條鋪的形式鋪到地面上。仿真結(jié)束后，在中間穩(wěn)定排肥階段以1 000 mm×1 000 mm×200 mm的取樣器取樣稱量，數(shù)據(jù)可直接由質(zhì)量傳感器得出。連續(xù)取3次求平均作為仿真時(shí)排肥量，以此數(shù)據(jù)計(jì)算相對(duì)誤差；距離第3次取樣位置0.5 m處，以500 mm×1 000 mm×200 mm的取樣器取樣，連續(xù)取5次求標(biāo)準(zhǔn)差和平均值，以此數(shù)據(jù)計(jì)算施肥的變異系數(shù)。

3.3 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)，5個(gè)中心點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)，總共29組試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果

使用Design-Expert 8.0軟件對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理[29-30]，以E和CV為因變量分別建立回歸模型[31]，并對(duì)其進(jìn)行顯著性分析，分析結(jié)果如表5所示。

表5 回歸模型方差分析

由表5可知，E和CV的回歸模型P均小于0.000 1，失擬項(xiàng)大于0.05，表明回歸模型準(zhǔn)確，擬合較好。從F及顯著性來看，4個(gè)因素均對(duì)E有影響，影響E的主次順序?yàn)椋洪_口高度h、前進(jìn)速度v、鏈輪轉(zhuǎn)速n、刮板間距b。影響CV的主次順序?yàn)椋汗伟彘g距b、開口高度h、鏈輪轉(zhuǎn)速n、前進(jìn)速度v，刮板間距和開口高度對(duì)CV影響極為顯著。刪掉不顯著項(xiàng)，得到修正的E和CV的回歸方程分別為

E=100.85-1.56h+13.43v-3.71n+0.08b+

0.78hv-0.09hn+1.51vn-0.02h2-7.85v2

(24)

CV=-89.91+1.69h+27.4v-5.13n+

0.52b-0.49hv+0.09hn-0.008hb

(25)

由表5可知，對(duì)相對(duì)誤差而言，開口高度與鏈輪轉(zhuǎn)速、開口高度與前進(jìn)速度、前進(jìn)速度與鏈輪轉(zhuǎn)速具有交互作用；對(duì)變異系數(shù)而言，開口高度與鏈輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、刮板間距均有交互作用，由生成的響應(yīng)曲面圖(圖11、12)分析交互作用因子對(duì)E和CV的影響規(guī)律。

由圖11a可知，在前進(jìn)速度、刮板間距固定的情況下，開口高度對(duì)相對(duì)誤差的影響較大，這主要因?yàn)殚_口越大，排肥量呈正比增加。且隨著開口高度的增加，相對(duì)誤差逐漸減小，最后變?yōu)樨?fù)值，這表示施肥量逐漸接近目標(biāo)施肥量，當(dāng)相對(duì)誤差為零時(shí)，表明已經(jīng)達(dá)到施肥要求，當(dāng)相對(duì)誤差為負(fù)值時(shí)，表明超過目標(biāo)施肥量。當(dāng)鏈輪轉(zhuǎn)速在高水平時(shí)，開口高度的變化引起響應(yīng)值的跨度較鏈輪轉(zhuǎn)速在低水平時(shí)的跨度大?？缍仍酱?，表明施肥量變化范圍越大，故可以適當(dāng)增大鏈輪轉(zhuǎn)速、減小開口高度達(dá)到目標(biāo)施肥量。

由圖11b可知，開口高度對(duì)相對(duì)誤差的影響與前進(jìn)速度對(duì)相對(duì)誤差的影響規(guī)律相反，相對(duì)誤差隨著開口高度的增加先正向減少后反向增大，隨著前進(jìn)速度的增加先反向減小后正向增大。當(dāng)開口高度為低水平時(shí)，相對(duì)誤差隨著前進(jìn)速度的增加而增大，但是變化幅度較小，當(dāng)為高水平時(shí)，相對(duì)誤差隨前進(jìn)速度的增大而增大，但變化幅度較大，這是因?yàn)殚_口高度較小時(shí)，排肥量很小，即使前進(jìn)速度增加，較少的排肥量也不足以引起誤差，所以變化幅度較小，開口高度為高水平時(shí)，正好與此相反。

圖11 交互因子對(duì)相對(duì)誤差的影響

由圖11c可知，當(dāng)鏈輪轉(zhuǎn)速為低水平時(shí)，前進(jìn)速度對(duì)相對(duì)誤差的影響呈正相關(guān)，相對(duì)誤差隨前進(jìn)速度的增加逐漸增大，當(dāng)鏈輪轉(zhuǎn)速在高水平時(shí)，相對(duì)誤差由負(fù)變?yōu)榱?，后又逐漸增大，表現(xiàn)在施肥過程中為，施肥量逐漸減少，當(dāng)小到目標(biāo)施肥量時(shí)，誤差為零，而后繼續(xù)減少，逐漸小于目標(biāo)施肥量，表現(xiàn)在誤差逐漸增大。鏈輪轉(zhuǎn)速在較低水平時(shí)，相對(duì)誤差隨前進(jìn)速度的增加而逐漸增大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速固定時(shí)，施肥量為定值，此時(shí)增大前進(jìn)速度，使得拋撒在地表上的施肥距離增加，即單位距離上的施肥量變小，則會(huì)引起相對(duì)誤差增大。

由圖12可知，開口高度與其他因素的交互作用均對(duì)變異系數(shù)有影響，在其他因素固定時(shí)，變異系數(shù)與開口高度呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)開口高度為高水平時(shí)，變異系數(shù)較小，變異系數(shù)為低水平時(shí)，變異系數(shù)較大。這是因?yàn)?，在所選擇的開口高度水平內(nèi)，上層有機(jī)肥在摩擦力的作用下以連續(xù)整體的物料流運(yùn)動(dòng)[14]，開口高度越大，上層有機(jī)肥所占比重越多，遠(yuǎn)超下層有機(jī)肥的排肥量，使得下層排肥的不均勻性減弱，CV則會(huì)越小，當(dāng)開口高度最大時(shí)，排肥量中上層均勻穩(wěn)定的有機(jī)肥所占比重最多，此時(shí)其余因素?zé)o論如何變化，變異系數(shù)都不會(huì)發(fā)生很大變化。當(dāng)開口高度較小時(shí)，上層排肥量減少，下層排肥量相對(duì)增多，排肥不均勻性更加明顯，表現(xiàn)在CV較大。

圖12 交互因子對(duì)變異系數(shù)的影響

由圖12可得，開口高度為25 mm時(shí)，此時(shí)施肥量僅為下層有機(jī)肥的排肥量，且變異系數(shù)隨鏈輪轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨前進(jìn)速度和刮板間距的增加而急劇增加。這是因?yàn)榍斑M(jìn)速度和刮板間距不變時(shí)，增大鏈輪轉(zhuǎn)速，即提高了前進(jìn)方向上單位距離長度上的施肥量，使得在取樣器內(nèi)所取有機(jī)肥的量增多，刮板排肥的不均勻性減弱，CV就會(huì)減??；當(dāng)鏈輪轉(zhuǎn)速與刮板間距不變，則排肥量不變，前進(jìn)速度越大，會(huì)使得排肥距離增加，即單位距離長度的施肥量減少，在取樣器內(nèi)所取有機(jī)肥的量減少，刮板排肥的不均勻性增加。

3.4 刮板間距排肥規(guī)律

固定其他因素不變，僅改變刮板間距，將不同刮板間距的下層有機(jī)肥等間距取16個(gè)樣本，測得其平均速度增量(相對(duì)于前進(jìn)速度)如圖13a所示，速度增量使得肥料顆粒向排肥口(圖13b)運(yùn)動(dòng)。從圖13b可知，距離刮板越近，速度增量越大，且越接近于刮板的速度增量(0.128 m/s)，距離刮板越遠(yuǎn)，速度增量越小。刮板間距越小，則速度增量變化曲線越緩慢，即因摩擦阻礙等因素造成的速度損失越小，刮板前后速度差也越小，相同時(shí)間內(nèi)通過排肥口的顆粒數(shù)量差異越小，CV也越小，同理，刮板間距越大，前后速度差越大，施肥量差異越大，施肥越不均勻。

圖13 不同刮板間距的速度增量

有機(jī)肥經(jīng)過排肥口的施肥過程如圖14所示，圖14a～14f表示刮板從距離排肥口最遠(yuǎn)逐步運(yùn)動(dòng)到排肥口的過程，從圖14a可以看到，刮板此時(shí)離排肥口最遠(yuǎn)，排出的有機(jī)肥顆粒最少，從速度圖例上看到，此時(shí)排出的有機(jī)肥速度最低，隨著刮板繼續(xù)前行，排肥量逐漸增多，此時(shí)位于排肥口的有機(jī)肥排出速度也逐漸增大。在刮板的作用下，有機(jī)肥全部排至收集槽中，如圖14g所示。從圖14g可看出，有機(jī)肥在收集槽中以一多一少的規(guī)律相間排列，圖14a為速度增量小的有機(jī)肥經(jīng)過排肥口的情況，圖14f為刮板靠近排肥口時(shí)(速度增量較大)的排肥情況，明顯看出，圖14f的排肥口顆粒數(shù)量比圖14a中的多，此仿真結(jié)果與前受力分析得到的結(jié)果相一致。

圖14 施肥過程示意圖

3.5 優(yōu)化工作參數(shù)

為尋求最佳工作參數(shù)，以相對(duì)誤差、變異系數(shù)均小于10%為目標(biāo)，通過Design-Expert的Optimization-Numerical模塊對(duì)參數(shù)進(jìn)行求解，求解得到開口高度h、前進(jìn)速度v、鏈輪轉(zhuǎn)速n和刮板間距b的最優(yōu)組合為53.17 mm、2.8 km/h、15.96 r/min、160 mm。

4 田間試驗(yàn)

4.1 排肥性能試驗(yàn)

4.1.1試驗(yàn)條件及方法

排肥性能試驗(yàn)于2021年9月在山東省高密市益豐機(jī)械有限公司進(jìn)行。試驗(yàn)所采用的有機(jī)肥為山東肥土家農(nóng)資有限公司生產(chǎn)的粉末狀羊糞有機(jī)肥，粒徑小于等于10 mm，含水率為27.8%。

試驗(yàn)時(shí)，將肥箱中裝入有機(jī)肥150 kg，根據(jù)仿真得到的最優(yōu)工作參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min,刮板間距為160 mm,排肥口高度為53.17 mm,以速度2.8 km/h前進(jìn)20 m，得到鋪在地面上的條狀有機(jī)肥，取中間施肥較為穩(wěn)定階段進(jìn)行取樣，每1 m取一次，連續(xù)取3次，取平均作為一次試驗(yàn)的施肥量，以此數(shù)據(jù)計(jì)算排肥相對(duì)誤差；中間隔0.5 m，每0.5 m取一次，連續(xù)取5次，計(jì)算變異系數(shù)。試驗(yàn)情景及試驗(yàn)后取樣如圖15所示。此過程重復(fù)試驗(yàn)3次取均值，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

圖15 試驗(yàn)場景及取樣

4.1.2結(jié)果分析

排肥性能試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，3次試驗(yàn)最低排肥量為4.9 kg/m2，最大排肥量為5.26 kg/m2，平均排肥量為5.099 kg/m2，與理論排肥量相對(duì)誤差為4.5%，變異系數(shù)最大為14%，最小為3.3%,平均變異系數(shù)為8.8%，表明通過仿真求得的參數(shù)可靠，根據(jù)優(yōu)化的參數(shù)加工的有機(jī)肥施肥裝置排肥性能較好，滿足施肥要求。

表6 最優(yōu)工況下施肥性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 旋耕混合性能試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)條件及方法

旋耕混合性能試驗(yàn)于2021年12月14日在陜西西安某果園進(jìn)行，使用肥料與排肥性能試驗(yàn)一致，試驗(yàn)條件與排肥性能試驗(yàn)相同。為便于混合試驗(yàn)取樣，對(duì)100 kg有機(jī)肥用氧化鐵藍(lán)色染料染色，將染色的有機(jī)肥倒?jié)M肥箱，進(jìn)行田地施肥作業(yè)；開始工作前，通過限深輪調(diào)整旋耕深度至10 cm左右，啟動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出，前進(jìn)速度為2.8 km/h。作業(yè)完成后，選取中間穩(wěn)定施肥階段取樣，為研究旋耕混合效果，以200 cm3的環(huán)刀進(jìn)行取樣，單層環(huán)刀高度5 cm，用上下疊加的雙層環(huán)刀一次性取10 cm厚的土肥混合物，每隔1 m取一次，總共取8個(gè)樣本點(diǎn)，試驗(yàn)過程如圖16所示。

圖16 土肥混合作業(yè)試驗(yàn)

土肥混合后，很難將其分離，為便于觀察不同深度的混合濃度，將上下兩層的土肥混合物分別倒入并平鋪在155 mm×100 mm×55 mm的方盒中，通過圖像采集裝置，分別對(duì)每個(gè)樣本上下層有機(jī)肥混合物進(jìn)行圖像采集，通過圖像處理技術(shù)，對(duì)獲取圖像進(jìn)行腐蝕、膨脹處理、有機(jī)肥區(qū)域面積比例計(jì)算等相關(guān)操作[23,32-33](圖17)，可得每個(gè)樣本中上下兩層的有機(jī)肥顆粒比例，如表7所示。忽略其他外部因素影響及系統(tǒng)誤差，并將有機(jī)肥理想化，理論上深度10 cm內(nèi)有機(jī)肥與土壤的均勻混合比例e為

表7 有機(jī)肥顆粒比例

圖17 有機(jī)肥混合物圖像處理

(26)

經(jīng)計(jì)算，理想情況下有機(jī)肥與土壤混合比例為7.87%，實(shí)際由于人為誤差，系統(tǒng)環(huán)境等因素會(huì)使得混合比例增高或略有降低。

4.2.2結(jié)果分析

由表7可知，田間試驗(yàn)的有機(jī)肥土壤混合比例平均值為9.06%，略高于理論值，上層有機(jī)肥顆粒比例平均值為11.83%,高于理論值7.87%，下層有機(jī)肥顆?；旌媳壤骄禐?.29%，略低于理論值。經(jīng)過一次旋耕后，上層有機(jī)肥混合比例比下層混合比例高，隨著深度的增加，有機(jī)肥混合比例降低。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種刮板式有機(jī)肥條鋪旋耕混合施肥機(jī)，對(duì)施肥過程中上下層有機(jī)肥料分別進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并計(jì)算了上層有機(jī)肥穩(wěn)定排肥的臨界值。結(jié)合并根據(jù)要求計(jì)算得目標(biāo)施肥量為4.88 kg/m2。通過理論分析，得到影響旋耕切土量的相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合相關(guān)要求以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，求解得旋耕轉(zhuǎn)速為 270 r/min，旋耕速比為4.57，符合設(shè)計(jì)要求。

(2)通過離散元仿真，以相對(duì)誤差和變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)開口高度、前進(jìn)速度、鏈輪轉(zhuǎn)速、刮板間距進(jìn)行了最優(yōu)工作參數(shù)求解，得到開口高度h、前進(jìn)速度v、鏈輪轉(zhuǎn)速n、刮板間距b的最優(yōu)組合為53.17 mm、2.8 km/h、15.96 r/min、160 mm。并對(duì)下層有機(jī)肥排肥規(guī)律進(jìn)行了理論分析，得出了不同刮板間距的有機(jī)肥排肥速度。

(3)排肥性能試驗(yàn)得平均排肥量為5.099 kg/m2，試驗(yàn)結(jié)果與理論施肥量的相對(duì)誤差為4.5%，變異系數(shù)為8.8%，表明仿真所求參數(shù)可靠，施肥準(zhǔn)確性和均勻性較好，根據(jù)最優(yōu)參數(shù)加工的施肥裝置施肥性能較好，滿足施肥性能要求。旋耕混合試驗(yàn)中，通過圖像處理，得到不同深度的有機(jī)肥混合比例，上層有機(jī)肥混合比例平均值為11.83%，下層有機(jī)肥混合比例值為6.29%,混合比例隨深度增加而降低，平均混合比例為9.06%，接近理論計(jì)算值7.87%，表明混合性能較好。