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(xué)工程學(xué)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(shí)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(gè)時(shí)期使用簡易機(jī)械或人工直接將肥料撒施于水面，這種施肥方式不但費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，還造成肥料流失嚴(yán)重，且肥料分布不均勻，導(dǎo)致環(huán)境污染、化肥利用率低，直接影響水稻產(chǎn)量[4-5]。側(cè)深施肥是在水稻插秧階段使用施肥機(jī)械一次性將肥料定量、均勻施于水稻秧苗側(cè)方3～5 cm、深度約5 cm處位置，其施肥量相對(duì)傳統(tǒng)施肥量減少約20%，這種施肥方式對(duì)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(cè)深施肥裝置是水田側(cè)深施肥技術(shù)的主要應(yīng)用載體，主要包括機(jī)械排肥結(jié)構(gòu)和正壓風(fēng)送輸肥結(jié)構(gòu)[9]。排肥器是側(cè)深施肥裝置的核心部件，目前，國內(nèi)外研究與設(shè)計(jì)的水田側(cè)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(yīng)用最為廣泛，如日本久保田公司和井關(guān)公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化側(cè)深施肥裝置均采用直槽輪式排肥器，其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)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(dòng)現(xiàn)象，肥料受潮粘結(jié)時(shí)容易堵塞排肥器，導(dǎo)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(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、配件易磨損，且僅依靠肥料自身重力落肥，對(duì)排施易潮解肥料適用性較差[14-17]。早在20世紀(jì)60年代，國內(nèi)已經(jīng)開始研究水田深施機(jī)械，隨著側(cè)深施肥技術(shù)在國內(nèi)的進(jìn)一步推廣，相關(guān)研究逐漸增多。位國建等[18]設(shè)計(jì)了一種側(cè)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(dòng)輸送器裝置強(qiáng)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(qiáng)制攪動(dòng)導(dǎo)致緩釋肥料破損嚴(yán)重，肥料深施效果不佳；左興健等[19]設(shè)計(jì)了風(fēng)送式水稻側(cè)深精準(zhǔn)施肥裝置，該裝置利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥、全球定位系統(tǒng)測(cè)速的原理，采用風(fēng)送輸肥的方式，通過實(shí)時(shí)匹配排肥驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和車輛行駛速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制施肥，但該裝置的可靠性與穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高；王金峰等[20]設(shè)計(jì)了一種葉片調(diào)節(jié)式水田側(cè)深施肥裝置，該裝置設(shè)有獨(dú)立的防堵排施機(jī)構(gòu)，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(cè)深施肥的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種圓盤頂出式水田側(cè)深施肥裝置，以期通過改變肥槽有效工作長度實(shí)現(xiàn)施肥量的調(diào)節(jié)。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥、風(fēng)送輸肥的工作原理，通過對(duì)圓盤頂出式排肥器和風(fēng)送輸肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，確定側(cè)深施肥裝置的基本參數(shù)，通過臺(tái)架試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)對(duì)該裝置施肥性能進(jìn)行驗(yàn)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(jié)構(gòu)與工作原理

水田側(cè)深施肥裝置與插秧機(jī)配套連接結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。常規(guī)的6行水田側(cè)深施肥裝置為一個(gè)肥箱搭配3個(gè)或6個(gè)排肥器設(shè)置為一排，放置在秧箱和車座之間。本文研究的水田側(cè)深施肥裝置為一個(gè)肥箱搭配3個(gè)排肥器，配套6行高速插秧機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)設(shè)置為兩排，分別放置在插秧機(jī)的兩側(cè)，這樣可增加上秧工人的作業(yè)空間，方便在上秧時(shí)給毯狀苗根區(qū)與秧箱表面之間澆水，提高了機(jī)插秧側(cè)深施肥的作業(yè)效率。

側(cè)深施肥裝置主要由肥箱、圓盤頂出式排肥器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐架、風(fēng)送系統(tǒng)等組成，如圖2所示。肥箱由3個(gè)相通的子肥箱組成，每個(gè)子肥箱分別與對(duì)應(yīng)的排肥器入肥口相連，通過螺栓固定在支撐架上，3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)并列一字排開，與支撐架通過螺栓固定連接，每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別通過轉(zhuǎn)軸與排肥器連接，風(fēng)送系統(tǒng)整體固定在支撐架上，與3個(gè)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(hào)的插秧機(jī)連接配套使用，實(shí)現(xiàn)在水稻機(jī)插秧的同時(shí)進(jìn)行側(cè)深施肥作業(yè)。

圓盤頂出式水田側(cè)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(shí)，接通驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸工作進(jìn)而帶動(dòng)排肥器進(jìn)行強(qiáng)制頂出排肥作業(yè)，排出的肥料在風(fēng)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(cè)劃好的溝槽內(nèi)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 圓盤頂出式排肥器設(shè)計(jì)

2.1.1排肥器結(jié)構(gòu)及工作原理

圓盤頂出式排肥器的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)軸、肥量調(diào)節(jié)裝置、下殼體等，結(jié)構(gòu)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(shè)入肥口與肥箱連接，入肥口底部兩側(cè)分別固裝刮肥毛刷，在上殼體內(nèi)部軸孔附近設(shè)置弧形凸起，排肥轉(zhuǎn)軸穿過上殼體軸向固定安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過螺栓固定在支撐架上，在排肥轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸下部，排肥圓盤上均勻開設(shè)8個(gè)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(shè)下肥口與風(fēng)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(shè)定排肥量，后將肥量調(diào)節(jié)裝置緊鎖在排肥轉(zhuǎn)軸上。排肥作業(yè)時(shí)，接通驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)排肥轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)排肥圓盤水平轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)制頂出，完成排肥。在一個(gè)排肥頂桿排肥階段結(jié)束時(shí)，下一個(gè)排肥頂桿剛好開始接觸弧形凸起進(jìn)行排肥，避免了肥料潮解粘在肥槽內(nèi)，保證了整個(gè)排肥作業(yè)的連續(xù)均勻穩(wěn)定。

2.1.2排肥器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

施肥量是排肥器設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo)之一。當(dāng)施肥量一定時(shí)，若排肥圓盤直徑過小，則需要適當(dāng)增加肥槽個(gè)數(shù)與排肥圓盤轉(zhuǎn)速，但排肥圓盤轉(zhuǎn)速過高，會(huì)導(dǎo)致排肥圓盤外端線速度過大，肥槽充肥時(shí)間變短易出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象，排肥均勻性降低，同時(shí)轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)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(zhuǎn)速或減小肥槽有效工作長度，此時(shí)，肥料會(huì)在充肥區(qū)聚集，刮肥毛刷的作用會(huì)相對(duì)減小，一定程度上增大了排肥圓盤的阻力，導(dǎo)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(huì)增加排肥頂桿的長度與排肥器的整體質(zhì)量，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(shí)要給隨車工人預(yù)留足夠的活動(dòng)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(gè)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(jié)構(gòu)合理性，設(shè)計(jì)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(dòng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)肥槽8個(gè)。

排肥圓盤每轉(zhuǎn)排肥量對(duì)排肥器的理論分析有重要影響，對(duì)側(cè)深施肥裝置工作時(shí)施肥量的確定有一定指導(dǎo)作用。由于排肥器與肥箱直接相連，排肥器在進(jìn)行排肥作業(yè)時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)而被排肥頂桿強(qiáng)制頂出的部分稱為主動(dòng)層，處在排肥圓盤和上殼體之間被摩擦力帶動(dòng)排出的小部分肥料稱為被動(dòng)層[22]，所以排肥器每轉(zhuǎn)排量q0為主動(dòng)層排量q1和被動(dòng)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(gè)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(gè)肥槽充肥橫截面積，mm2

λ——肥料顆粒被動(dòng)層特性系數(shù)

由于該排肥器設(shè)置有刮肥毛刷，可刮除肥槽外多余的肥料，防止其進(jìn)入排肥區(qū)，所以q2≈0[22]。單個(gè)肥槽橫截面如圖4所示，每個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)隨時(shí)變化，且是關(guān)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(gè)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(duì)應(yīng)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(guān)鍵部件之一，排肥頂桿沿其表面滑動(dòng)進(jìn)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(gè)排肥頂桿將肥槽內(nèi)肥料完全頂出時(shí)，相鄰排肥頂桿剛好開始接觸弧形凸起進(jìn)行頂出排肥作業(yè)。假設(shè)肥槽內(nèi)肥料完全由排肥頂桿頂出，排肥頂桿的整個(gè)作業(yè)過程沿著弧形凸起外表面進(jìn)行，所以弧形凸起的外邊緣曲線即為排肥頂桿作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡?？紤]到弧形凸起的外邊緣曲線應(yīng)同時(shí)滿足排肥頂桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)，因此，將弧形凸起的外邊緣曲線設(shè)計(jì)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(zhuǎn)角，阿基米德螺旋線轉(zhuǎn)過的總角度，(°)

A——ψ=0時(shí)的極徑，mm

弧形凸起的旋轉(zhuǎn)角ψ對(duì)應(yīng)的極徑總增加量應(yīng)與最大肥槽有效工作長度保持一致?；⌒瓮蛊鸬男D(zhuǎn)角ψ為排肥頂桿在排肥作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)過的角度，其會(huì)影響施肥均勻性。在肥槽有效工作長度和個(gè)數(shù)和已知的情況下，旋轉(zhuǎn)角ψ取值為

(4)

根據(jù)排肥圓盤的肥槽個(gè)數(shù)z=8，結(jié)合排肥頂桿與排肥轉(zhuǎn)軸的安裝位置，同時(shí)為排肥頂桿脫離弧形凸起預(yù)留一定的緩沖角，設(shè)計(jì)弧形凸起的旋轉(zhuǎn)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(yīng)與肥槽有效工作長度時(shí)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(shè)計(jì)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(yùn)肥、排肥和空轉(zhuǎn)4個(gè)階段，本文主要對(duì)排肥過程進(jìn)行理論分析，探究肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(gè)整體隨排肥圓盤轉(zhuǎn)入排肥區(qū)時(shí)，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(shí)在一個(gè)肥槽內(nèi)的肥料被完全頂出的瞬間，另一個(gè)肥槽內(nèi)的肥料已經(jīng)開始被頂出，肥料會(huì)不間斷地流到下肥口。但當(dāng)排肥圓盤進(jìn)入排肥區(qū)后轉(zhuǎn)過的角度小于單個(gè)肥槽所對(duì)應(yīng)的圓心角時(shí)，排肥頂桿還沒有進(jìn)行頂出作業(yè)，此時(shí)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(huì)被甩出。隨后當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)過的角度等于單個(gè)肥槽所對(duì)應(yīng)的圓心角時(shí)，肥槽完全處于排肥區(qū)內(nèi)，此時(shí)排肥頂桿開始接觸弧形凸起進(jìn)行頂出排肥作業(yè)。由于被甩出的較小部分肥料顆粒運(yùn)動(dòng)過程較為簡單，因此，對(duì)肥槽完全處于排肥區(qū)時(shí)排肥頂桿頂出的大部分肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

假設(shè)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(yùn)動(dòng)為法向勻速直線運(yùn)動(dòng)和切向隨排肥圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)變成速度方向不與排肥圓盤相切的平拋運(yùn)動(dòng)，其平拋運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)x方向速度，m/s

vY——肥料顆粒M做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s

肥料顆粒M從開始拋出到落在下殼體上結(jié)束所發(fā)生的轉(zhuǎn)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(jié)束所發(fā)生的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角ψ及肥料顆粒落到下殼體發(fā)生的垂直位移Z有關(guān)。當(dāng)排肥圓盤外徑r和肥料顆粒垂直位移Z一定時(shí)，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(zhuǎn)角γ也會(huì)增大。γ越大，肥料顆粒越容易在排肥區(qū)末端聚集，導(dǎo)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(zhuǎn)角γ直接計(jì)算誤差較大，且排肥圓盤轉(zhuǎn)速對(duì)肥料顆粒充肥過程也有一定的影響，因此，應(yīng)用EDEM軟件進(jìn)行充肥和排肥仿真試驗(yàn)，尋求排肥圓盤轉(zhuǎn)速最佳工作范圍。根據(jù)排肥器的實(shí)際狀況，仿真試驗(yàn)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(zhuǎn)速影響施肥性能的預(yù)試驗(yàn)，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(zhuǎn)速為5、10、35、60、65 r/min進(jìn)行仿真試驗(yàn)，肥槽有效長度設(shè)置為最大長度，分析不同排肥圓盤轉(zhuǎn)速對(duì)充肥與排肥性能的影響。以排肥圓盤轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)仿真試驗(yàn)為例，對(duì)其仿真結(jié)果進(jìn)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(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)充肥過程肥料顆粒受力，此時(shí)肥料顆粒充肥過程中在肥槽上方聚集時(shí)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(duì)排肥器殼體的磨損，同時(shí)會(huì)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(zhuǎn)速過慢時(shí)施肥效率較低；另外，當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)，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(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)速大于35 r/min時(shí)，肥料顆粒的摩擦力及剪切力已變得極小，可忽略不計(jì)。圖7b為排肥器仿真模型俯視圖下排肥圓盤轉(zhuǎn)速為5 r/min時(shí)排肥過程中肥料顆粒的速度，另通過分析排肥圓盤轉(zhuǎn)速小于35 r/min時(shí)仿真試驗(yàn)結(jié)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(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)角γ變化范圍為9°～46°；當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，排出肥料顆粒的速度集中在0.270～0.405 m/s，轉(zhuǎn)角γ的變化范圍為23°～68°；當(dāng)排肥圓盤轉(zhuǎn)速為65 r/min時(shí)，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(huì)撞擊排肥區(qū)末端殼體后才沿殼體滑向下肥口，此時(shí)轉(zhuǎn)角γ變化范圍的最大值已經(jīng)大于排肥區(qū)所對(duì)應(yīng)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(shí)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(zhuǎn)角變化，確定排肥圓盤最佳工作轉(zhuǎn)速是10～60 r/min。

每公頃水田總施肥量q計(jì)算公式為

(11)

式中n——排肥圓盤轉(zhuǎn)速，r/min

T——每公頃水田插秧作業(yè)用時(shí)，min

N——排肥圓盤個(gè)數(shù)

根據(jù)水田側(cè)深施肥總施肥量150～930 kg/hm2要求，一般6行高速插秧機(jī)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(shí)排肥圓盤轉(zhuǎn)速仍有一定的調(diào)節(jié)空間，設(shè)定插秧機(jī)作業(yè)速度為1.2 m/s時(shí)排肥圓盤轉(zhuǎn)速為50 r/min，根據(jù)式(11)可計(jì)算出每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)排量與填充系數(shù)有關(guān)，且肥槽體積和形狀對(duì)填充系數(shù)有一定影響，因此，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。

2.2 風(fēng)送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)送系統(tǒng)是側(cè)深施肥裝置的輔助輸肥系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定施肥的關(guān)鍵[19]，其主要由風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)調(diào)速開關(guān)、送風(fēng)管、文丘里管和輸肥管等組成。其中，文丘里管是風(fēng)送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，包括進(jìn)肥口、進(jìn)風(fēng)口、收縮段、喉部和出風(fēng)口。排肥器下肥口、送風(fēng)管和輸肥管分別與文丘里管的3個(gè)接口相連。在工作時(shí)，由風(fēng)送系統(tǒng)前端的風(fēng)機(jī)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(fù)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(yùn)送至在秧苗一側(cè)劃好的溝槽內(nèi)。

風(fēng)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(xiàn)[9]對(duì)風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(xiàng)參數(shù)為：進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)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(jìn)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(fēng)送系統(tǒng)是在肥料顆粒從排肥器中落下后進(jìn)行風(fēng)送作業(yè)，因此，風(fēng)機(jī)風(fēng)速不會(huì)對(duì)排肥器的排肥能力造成影響。為保證機(jī)插秧側(cè)深施肥的作業(yè)效率，在實(shí)際工作過程中應(yīng)將風(fēng)機(jī)風(fēng)速設(shè)置為一個(gè)定值，該風(fēng)速需要滿足總施肥量為最小150 kg/hm2或最大930 kg/hm2時(shí)均可保持較好的施肥連續(xù)性與穩(wěn)定性。由文獻(xiàn)[9]可知，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)速在26 m/s左右時(shí)施肥均勻性變異系數(shù)較?。晃墨I(xiàn)[27]對(duì)氣送式施肥裝置進(jìn)行仿真分析，風(fēng)速18～25 m/s時(shí)肥料顆粒分布均勻，施肥效果最佳；由文獻(xiàn)[28]得到，風(fēng)速為25～35 m/s時(shí)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(fēng)機(jī)風(fēng)速確定為25 m/s進(jìn)行水田側(cè)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(fēng)機(jī)，最大風(fēng)量可達(dá)300 m3/h，滿足風(fēng)量要求。

3 性能試驗(yàn)優(yōu)化與分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)臺(tái)架為JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)肥料為中化集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的水稻側(cè)深施肥專用肥，肥料密度為1.15 g/cm3。試驗(yàn)時(shí)，將側(cè)深施肥裝置固定安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，設(shè)置肥槽有效工作長度后鎖定肥量調(diào)節(jié)裝置，通過風(fēng)機(jī)調(diào)速開關(guān)穩(wěn)定控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速為25 m/s，通過電機(jī)調(diào)速器控制排肥圓盤轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)排種試驗(yàn)臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻器來控制傳送帶的速度模擬插秧機(jī)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(gè)小段之間均有長80 mm的隔板，可防止肥料進(jìn)入相鄰小段，以免影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。側(cè)深施肥裝置試驗(yàn)臺(tái)如圖8所示。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

臺(tái)架試驗(yàn)參照NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，主要測(cè)定指標(biāo)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(cè)定為靜態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)肥料容積超過肥箱的一半，測(cè)定行數(shù)為3行。肥槽有效工作長度設(shè)置為20 mm，排肥圓盤轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為10、20、30、40、50、60 r/min，每個(gè)排肥器在每個(gè)轉(zhuǎn)速下重復(fù)試驗(yàn)5次，所有排肥器同時(shí)開始同時(shí)結(jié)束，每次截取1 min收集肥料。

施肥穩(wěn)定性測(cè)定為靜態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，用肥料收集帶收集不同排肥圓盤轉(zhuǎn)速下相同時(shí)間內(nèi)的總排肥量。肥槽有效工作長度設(shè)置為20 mm，排肥圓盤轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為10、20、30、40、50、60 r/min，每次測(cè)定10 s，每個(gè)轉(zhuǎn)速下重復(fù)測(cè)定5次。

施肥均勻性測(cè)定為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，沿傳送帶前進(jìn)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(jī)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(jī)的作業(yè)速度和排肥圓盤轉(zhuǎn)速存在一種較為復(fù)雜的同步關(guān)系，作業(yè)速度快時(shí)排肥圓盤轉(zhuǎn)速也需相應(yīng)加快，這樣既可以保證每公頃水田設(shè)定的總施肥量，又能夠免去頻繁調(diào)整轉(zhuǎn)速用時(shí)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(shí)現(xiàn)。

根據(jù)式(11)可知，總施肥量與排肥圓盤轉(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)排量及作業(yè)時(shí)間有關(guān)，已知

(12)

式中v——插秧機(jī)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(zhuǎn)速、每轉(zhuǎn)排量和插秧機(jī)作業(yè)速度的關(guān)系式為

(13)

由于插秧機(jī)作業(yè)速度與排肥圓盤轉(zhuǎn)速存在同步關(guān)系，當(dāng)總施肥量最大時(shí)，每轉(zhuǎn)排量應(yīng)取最大值，肥槽有效工作長度也應(yīng)為最大值，即q=930 kg/hm2，N=6，q0=40 g，v取最大插秧機(jī)作業(yè)速度1.2 m/s時(shí)，可得n≈50 r/min，此時(shí)肥槽有效工作長度L=20 mm。因此，為減小排肥圓盤轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度對(duì)排肥性能的影響，試驗(yàn)時(shí)將排肥圓盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為50 r/min，作業(yè)速度設(shè)定為1.2 m/s，風(fēng)機(jī)風(fēng)速設(shè)定為25 m/s，肥槽有效工作長度分別設(shè)置為5、10、15、20 mm進(jìn)行施肥均勻性試驗(yàn)的測(cè)定，同時(shí)探究肥槽有效工作長度與總施肥量之間的關(guān)系。每個(gè)肥槽有效工作長度重復(fù)試驗(yàn)5次，每次測(cè)定5 s。

試驗(yàn)完成后，將收集帶內(nèi)的肥料依次編號(hào)，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(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)來衡量。試驗(yàn)結(jié)果參照NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1各行排量一致性

通過Design-Expert 6.0軟件對(duì)各行排量一致性測(cè)定結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明排肥圓盤轉(zhuǎn)速對(duì)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(zhuǎn)速的增大，各行排量一致性施肥量均值呈線性增加，每轉(zhuǎn)排量逐漸減小。在不同排肥圓盤轉(zhuǎn)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(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)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(cè)深施肥裝置各行排量一致性較好。

3.3.2施肥穩(wěn)定性

對(duì)施肥穩(wěn)定性測(cè)定結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明排肥圓盤轉(zhuǎn)速對(duì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下，施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)均較小。假設(shè)某地區(qū)水稻種植需總施肥量為450 kg/hm2，插秧機(jī)作業(yè)速度1.2 m/s，肥槽有效工作長度為20 mm即每轉(zhuǎn)排量q0約為40 g，根據(jù)式(13)可計(jì)算出排肥圓盤轉(zhuǎn)速為24.3 r/min，此時(shí)施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為2.07%，滿足NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)小于7.8%的要求，說明該側(cè)深施肥裝置施肥穩(wěn)定性較好。

3.3.3施肥均勻性

對(duì)施肥均勻性測(cè)定結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明肥槽有效工作長度對(duì)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(shì)。假設(shè)某地區(qū)水稻種植需總施肥量為450 kg/hm2，插秧機(jī)作業(yè)速度為1.2 m/s，排肥圓盤轉(zhuǎn)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(shí)施肥均勻性變異系數(shù)為9.11%，滿足NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中施肥均勻性變異系數(shù)小于40%的要求，說明該側(cè)深施肥裝置施肥均勻性較好。

為驗(yàn)證圓盤頂出式水田側(cè)深施肥裝置的施肥均勻性，與目前最常用的槽輪式水田側(cè)深施肥裝置進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)文獻(xiàn)[20]中對(duì)直槽輪式水田側(cè)深施肥裝置進(jìn)行的施肥均勻性測(cè)定結(jié)果可知，直槽輪式水田側(cè)深施肥裝置在不同前進(jìn)速度和不同槽輪轉(zhuǎn)速下的施肥均勻性變異系數(shù)最優(yōu)為45.11%，未達(dá)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(xiàn)[9]中對(duì)斜槽輪式水田側(cè)深施肥裝置以不同排肥輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度及風(fēng)機(jī)風(fēng)速進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果可知，施肥均勻性變異系數(shù)平均為22.08%，從研究結(jié)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(cè)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(shí)長時(shí)間工作未出現(xiàn)肥料擠壓破碎現(xiàn)象。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，總施肥量變化范圍為137～921 kg/hm2，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬合得肥槽有效工作長度與總施肥量之間的關(guān)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?yàn)楫?dāng)肥槽有效工作長度發(fā)生變化時(shí)，充肥體積隨之變化，肥料顆粒填充系數(shù)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致相應(yīng)的每轉(zhuǎn)排量變化不均勻，總施肥量變化也不穩(wěn)定。此外，當(dāng)肥槽有效工作長度較大時(shí)肥槽易出現(xiàn)充不滿肥料的現(xiàn)象，因此總施肥量測(cè)定結(jié)果較離散。

目前，常用的水田側(cè)深施肥專用肥密度在0.85～1.40 g/cm3之間。為驗(yàn)證施肥裝置肥量調(diào)節(jié)性能，選取云天化集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的兩種不同含量的水稻專用復(fù)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(cè)深施肥專用肥(20-10-15、18-10-12)進(jìn)行試驗(yàn)，密度分別為1.40、1.30、1.00、0.85 g/cm3，試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，根據(jù)擬合結(jié)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(dāng)肥料密度不同時(shí)，總施肥量隨肥槽有效工作長度變化關(guān)系不同，但整體變化趨勢(shì)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(yīng)用本文研究的水田側(cè)深施肥裝置進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，可以根據(jù)不同密度的肥料選擇相近的施肥曲線進(jìn)行總施肥量的調(diào)節(jié)，為施肥作業(yè)提供指導(dǎo)意見。黑龍江省哈爾濱市阿城區(qū)種植龍洋16號(hào)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(yīng)在14 mm左右，選擇密度稍大肥料時(shí)，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(shí)，調(diào)節(jié)肥槽有效工作長度應(yīng)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(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種圓盤頂出式水田側(cè)深施肥裝置，闡述了其工作原理，并確定了其關(guān)鍵部件圓盤頂出式排肥器和風(fēng)送系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)側(cè)深施肥裝置的排肥過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，建立了施肥裝置排肥過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得出排肥圓盤轉(zhuǎn)速是施肥性能的重要影響因素，通過EDEM虛擬仿真試驗(yàn)確定排肥圓盤最佳工作轉(zhuǎn)速為10～60 r/min。

(2)臺(tái)架性能試驗(yàn)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(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)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(shí)，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(cè)深施肥裝置對(duì)比表明，圓盤頂出式水田側(cè)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(shí)，長時(shí)間作業(yè)未出現(xiàn)肥料擠壓破碎現(xiàn)象。

(3)通過試驗(yàn)得到肥槽有效工作長度與總施肥量之間的關(guān)系曲線，選擇密度為1.40、1.30、1.00、0.85 g/cm3肥料進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，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(yīng)用于田間作業(yè)，為機(jī)具調(diào)試應(yīng)用及實(shí)際施肥作業(yè)提供指導(dǎo)和參考。