朱新華 李旭東 高 翔 譚 辰 鄧海濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院， 濰坊 261061)

0 引言

近年來(lái)，矮化密植逐漸成為蘋果等果樹的主流栽培模式，單位面積植株多、產(chǎn)量高，對(duì)土壤水肥條件要求更高[1]。但目前我國(guó)果業(yè)長(zhǎng)期依賴化肥[2-3]，土壤酸化、板結(jié)和環(huán)境污染等問(wèn)題日益突出[4-6]。土壤有機(jī)質(zhì)含量低、干旱已成為制約黃土高原蘋果產(chǎn)區(qū)果業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素[7-8]。施用有機(jī)肥是提升土壤有機(jī)質(zhì)含量和蓄水能力的有效途徑[9]，可改善土壤結(jié)構(gòu)和微環(huán)境，有效緩解干旱問(wèn)題。研究表明，果園合理的施肥比例為，除氮、磷、鉀外，有機(jī)肥應(yīng)占施肥總量的95%以上[10]。然而，果園有機(jī)肥施肥量高達(dá)45 t/hm2[11-12]，作業(yè)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差。在勞動(dòng)力短缺的背景下，缺少專業(yè)有機(jī)肥施肥裝備已成為我國(guó)果園增施有機(jī)肥、減施化肥的瓶頸[13-14]。

開溝施肥是我國(guó)果園的主要施肥方式之一[15-16]，作業(yè)方式分為開溝、施肥兩段式和聯(lián)合式?；首鳛楣麍@追肥施用，一般小于0.51 t/hm2[6]，便于實(shí)現(xiàn)聯(lián)合式作業(yè)。1KS60-35X型果園雙螺旋開溝施肥機(jī)[17]由前軸破土、后軸攪土施肥，肥料自攪土刀軸中通管道落下施入土壤；2FK-40型果園開溝施肥機(jī)[18]肥箱容積約0.8 m3，作業(yè)時(shí)由限深輪驅(qū)動(dòng)螺旋器排肥；2FPG-40型葡萄開溝施肥機(jī)[19]肥箱容積0.4 m3，由驅(qū)動(dòng)滾筒調(diào)節(jié)開溝深度并驅(qū)動(dòng)螺旋器推送肥料經(jīng)施肥靴施于溝中。以上機(jī)型均與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)開溝、施肥、覆土一體化作業(yè)，但載肥量小、排肥器只適用于化肥，不適于施肥量較大的有機(jī)肥特別是農(nóng)家肥。

有機(jī)肥施肥機(jī)械方面，王向陽(yáng)等[20]研制的果園有機(jī)肥開溝施肥機(jī)以及張宏建等[21]研制的自動(dòng)調(diào)節(jié)深度式果園雙行開溝施肥機(jī)均屬于聯(lián)合式，可實(shí)現(xiàn)雙側(cè)開溝、施肥、覆土一體化作業(yè)，開溝深度、間距以及施肥量可調(diào)，但其肥箱容積相對(duì)較小，影響作業(yè)效率，且不適于丘陵山地果園。我國(guó)60%的果園處于丘陵山地[22]，開溝、施肥兩段式作業(yè)依然是果園有機(jī)肥施用的重要方式，且有利于施肥裝備輕簡(jiǎn)化?，F(xiàn)階段，犁鏵式、鏈?zhǔn)?、螺旋式、旋耕式開溝機(jī)[17]等機(jī)型已在果園中廣泛應(yīng)用，但施肥環(huán)節(jié)仍由拖拉機(jī)運(yùn)輸、人工對(duì)溝埋肥，效率低下。因此，果園兩段式施肥缺少兼具大體量肥料運(yùn)輸和條鋪施肥功能的機(jī)具。

先前研制的自走式果園秸稈覆蓋機(jī)[23-24]能將秸稈、腐熟糞肥等有機(jī)物料覆蓋于果園行間增碳保墑。該機(jī)車箱容積大，適于丘陵山地果園，作業(yè)效率高，但配套功能少。為實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥對(duì)溝施肥或行間雙側(cè)條鋪及果園秸稈覆蓋機(jī)一機(jī)多用，本文基于果園秸稈覆蓋機(jī)研制果園有機(jī)肥條鋪機(jī)，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算與仿真優(yōu)化確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)及參數(shù)，并進(jìn)行性能試驗(yàn)。

1 整機(jī)方案

1.1 矮化密植蘋果園宜機(jī)條件

黃土高原是我國(guó)蘋果主產(chǎn)區(qū)之一，該地區(qū)蘋果園主要分布在丘陵山地，區(qū)域交通條件差，坡地果園多，地頭道路相對(duì)狹小。矮化密植蘋果樹形有高紡錘形、細(xì)長(zhǎng)紡錘形、改良紡錘形以及自由紡錘形等，不同樹形果園的宜機(jī)參數(shù)如表1所示[24-26]。

果樹主要依靠根毛吸收肥料養(yǎng)分，根毛大多數(shù)分布于樹冠邊緣[27]，因此，樹冠垂直投影邊際切線是條狀溝施肥的理想位置[16]。果園有機(jī)肥條溝施肥示意圖如圖1所示。

圖1 果園有機(jī)肥條溝施肥示意圖Fig.1 Schematic of ditch-fertilizing of organic fertilizer in orchard1.土壤 2.果樹 3.條狀溝 4.有機(jī)肥料 5.覆土層

1.2 條鋪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)要求

結(jié)合我國(guó)矮化密植蘋果園栽植現(xiàn)狀及有機(jī)肥條溝施肥的農(nóng)藝要求，得到條鋪機(jī)設(shè)計(jì)要求如表2所示。為提高效率，條鋪機(jī)載肥量應(yīng)不小于667 m2的施肥量，且具備良好的轉(zhuǎn)向性能和倒車操控性。

1.3 整機(jī)方案評(píng)價(jià)

肥料特性和果園環(huán)境是有機(jī)肥施肥機(jī)械整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵限制因素，評(píng)價(jià)重點(diǎn)是載肥量和山地果園適應(yīng)性。條鋪機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)可選方案有拖拉機(jī)懸掛式、牽引式和自走式3種(圖2)，其中自走式包括輪式或橡膠履帶式。綜合評(píng)價(jià)如表3所示[22,28]。

表2 果園有機(jī)肥條鋪機(jī)設(shè)計(jì)要求Tab.2 Design requirements of orchard organic fertilizer strip-spreader

橡膠履帶自走式方案在適應(yīng)施肥量較大的有機(jī)肥施肥以及果園空間狹小、地形復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境方面具有優(yōu)勢(shì)，因此條鋪機(jī)的車體采用橡膠履帶自走式。課題組前期研制的橡膠履帶自走式果園秸稈覆蓋機(jī)[23-24]車箱容積大于5 m3，供料機(jī)構(gòu)可適應(yīng)秸稈、糞肥、菌渣等多種農(nóng)業(yè)廢料，其車體可作為有機(jī)肥條鋪機(jī)的基礎(chǔ)。本文的重點(diǎn)是在果園秸稈覆蓋機(jī)車體基礎(chǔ)上研制配套有機(jī)肥條鋪裝置，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

圖2 整機(jī)方案示意圖Fig.2 Schematics of complete machine schemes1.拖拉機(jī) 2.肥箱 3.條鋪裝置 4.排肥螺旋 5.自走式車體

表3 整機(jī)方案比較結(jié)果Tab.3 Comparison results of complete machine schemes

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 果園秸稈覆蓋機(jī)結(jié)構(gòu)

果園秸稈覆蓋機(jī)主要由車體和覆土裝置兩部分組成，如圖3所示。車體主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室、橡膠履帶底盤、車箱、刮板送料機(jī)構(gòu)、下料輥、導(dǎo)料板等，其中刮板送料機(jī)構(gòu)和下料輥共同組成供料機(jī)構(gòu)。覆土裝置通過(guò)平行四桿機(jī)構(gòu)掛接于車體后部，由升降油缸帶動(dòng)的鋼絲繩調(diào)節(jié)離地高度。由3臺(tái)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)工作裝置，其液壓動(dòng)力可滿足果園有機(jī)肥條鋪機(jī)的動(dòng)力需求。

圖3 果園秸稈覆蓋機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall structure diagram of orchard straw mulching machine1.車箱 2.刮板送料機(jī)構(gòu) 3.下料輥 4.覆土裝置 5.導(dǎo)料板 6.平行四桿機(jī)構(gòu) 7.鋼絲繩 8.升降油缸

2.2 條鋪機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

條鋪機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由車體和條鋪裝置兩部分組成。條鋪裝置主要由左右對(duì)稱布置的2個(gè)伸縮式螺旋排肥器及其伸縮油缸組成，與車體掛接方式和覆土裝置一致以方便互換。為將肥料導(dǎo)流至左右兩側(cè)伸縮式螺旋排肥器，在車體導(dǎo)料板上設(shè)置有分料板。

圖4 有機(jī)肥條鋪機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Overall structure diagram of organic fertilizer strip-spreader1.車箱 2.刮板送料機(jī)構(gòu) 3.下料輥 4.導(dǎo)料板 5.分料板 6.覆土鏟 7.伸縮油缸 8.伸縮式螺旋排肥器 9.車箱下料口 10.平行四桿機(jī)構(gòu) 11.鋼絲繩 12.升降油缸

刮板送料機(jī)構(gòu)、下料輥、排肥螺旋均由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，可通過(guò)調(diào)速閥靈活調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)。液壓系統(tǒng)原理圖如圖5所示，系統(tǒng)壓力為16 MPa。

圖5 液壓系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic of hydraulic system1.油箱 2.過(guò)濾器 3.油泵 4.溢流閥 5、8、11、14、18.手動(dòng)換向閥 6、9、12.調(diào)速閥 7、10、13.液壓馬達(dá) 15、19.分流集流閥 16、17、20、21.液壓油缸

條鋪機(jī)工作時(shí)，分別由升降油缸和伸縮油缸調(diào)整條鋪裝置離地高度和兩側(cè)排肥口間距，與行間兩溝對(duì)正。有機(jī)肥在刮板送料機(jī)構(gòu)的推送下于車箱后部形成一定的堆積以保證供料充足，由下料輥破碎結(jié)塊肥料并將肥料自車箱下料口排出至導(dǎo)料板。肥料經(jīng)分料板分流進(jìn)入條鋪裝置兩側(cè)伸縮式螺旋排肥器，由螺旋排肥器推送至左右兩側(cè)，落入提前開好的溝中。覆土鏟將條溝兩側(cè)的土刮入條溝內(nèi)完成覆土。條鋪機(jī)可在丘陵山地果園進(jìn)行有機(jī)肥對(duì)溝施肥或行間雙側(cè)條鋪；條鋪裝置也可與通用撒肥車配套，用于馬鈴薯、棉花、西瓜等多種大田作物對(duì)行施基肥或條鋪栽培基質(zhì)。

該機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 自走式果園有機(jī)肥條鋪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of self-propelled orchard organic fertilizer strip-spreader

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 供料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

相比秸稈供料，有機(jī)肥容重大、粘性強(qiáng)、易結(jié)塊等特點(diǎn)對(duì)供料均勻性、可靠性提出了更高要求。供料機(jī)構(gòu)持續(xù)、穩(wěn)定地推送、排出有機(jī)肥的同時(shí)，對(duì)結(jié)塊肥料應(yīng)有一定的破碎作用。

3.1.1刮板送料機(jī)構(gòu)

刮板送料機(jī)構(gòu)主要由圓環(huán)鏈、鏈輪、刮板、承料板、V形滑槽、連接環(huán)、鏈輪傳動(dòng)軸、支架等組成，如圖6所示。作業(yè)時(shí)由液壓馬達(dá)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪軸帶動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，鏈輪轉(zhuǎn)速n1取2～20 r/min，刮板線速度v1為0.01～0.1 m/s。為提高供料均勻性，根據(jù)文獻(xiàn)[29]，將刮板間距a減小至150 mm。

圖6 刮板送料機(jī)構(gòu)Fig.6 Scraper feeding mechanism1.鏈輪傳動(dòng)軸 2.刮板 3.上層物料 4.下層物料 5.支架 6.鏈輪 7.圓環(huán)鏈 8.連接環(huán) 9.V形滑槽 10.承料板

車箱中的有機(jī)肥根據(jù)所處空間可分為上層物料和下層物料，下層物料由刮板帶動(dòng)向車箱后部輸送。取相鄰刮板間物料分析，上層物料受力有重力G、車箱側(cè)壁摩擦力f以及下層物料提供的前進(jìn)摩擦力F，上下層物料整體向車箱后部移動(dòng)的條件為F>f。其中

F=μ0abhγg

(1)

(2)

式中μ0——物料間摩擦因數(shù)，取1[30]

b——刮板長(zhǎng)度，取1.5 m

h——上層物料高度

γ——肥料密度g——重力加速度

λ——側(cè)壓系數(shù)，取0.86[31]

μ——車箱側(cè)壁與物料間摩擦因數(shù)，取0.86[30]

由F>f得

(3)

經(jīng)計(jì)算，上下層物料連續(xù)整體運(yùn)動(dòng)的條件是h<2.0 m。條鋪機(jī)車箱高度h1=1.5 m，滿足物料整體推進(jìn)條件。

刮板送料機(jī)構(gòu)的輸送量Q0為

Q0=3 600bh1v1η

(4)

式中η——輸送效率，取50%[31]

v1按鏈輪轉(zhuǎn)速7 r/min，取0.035 m/s，經(jīng)計(jì)算，Q0=141.75 m3/h，滿足施肥量要求。

原秸稈覆蓋機(jī)中，受空間限制，刮板送料機(jī)構(gòu)的主動(dòng)鏈輪軸驅(qū)動(dòng)部件安裝于車箱前部，使得圓環(huán)鏈松邊在上。車箱底部的有機(jī)肥被鎮(zhèn)壓后，易在刮板和承料板之間形成結(jié)拱層，結(jié)拱層厚度增加將導(dǎo)致圓環(huán)鏈過(guò)度張緊，增大刮料阻力甚至?xí)鸸伟搴玩湕l變形、斷裂。為解決這一問(wèn)題，刮板迎料面設(shè)計(jì)為由傾斜面和豎直階梯面組成，傾斜面鏟料、清料可避免肥料結(jié)拱，減小刮料阻力，豎直階梯面限制肥料后滑，保證穩(wěn)定推送肥料至車箱后部。傾斜面傾角θ過(guò)大將增大刮料阻力，過(guò)小時(shí)刮板不易鏟入肥料，依據(jù)文獻(xiàn)[32]確定為25°。

3.1.2下料輥

下料輥安裝于車箱尾部，其結(jié)構(gòu)如圖7a所示。下料輥輥面上布置有三角錐齒，用于刮撥肥料并破碎較大的結(jié)塊肥料，各排錐齒對(duì)稱交錯(cuò)排列，齒平面相對(duì)齒輥母線傾斜±5°，可側(cè)向分撥肥料，提高橫向出料均勻性，下料輥設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[24]。下料輥圓柱面與承料板之間形成車箱下料口，其開度δ可調(diào)(圖7b)。δ過(guò)小時(shí)，下料輥與刮板干涉且無(wú)法滿足最大供肥量要求；δ過(guò)大時(shí)，肥料不能始終充滿車箱下料口甚至在重力作用下直接從車箱下料口流出，導(dǎo)致供肥不均勻、供肥量不受下料輥轉(zhuǎn)速調(diào)控，且無(wú)法破碎較大的結(jié)塊肥料。δ值根據(jù)施肥量由試驗(yàn)確定。

圖7 下料輥及結(jié)塊肥料破碎示意圖Fig.7 Schematic of feeding roller and crushing of block fertilizer1.齒輥軸 2.右傾錐齒 3.左傾錐齒 4.刮板 5.結(jié)塊肥料 6.下料輥

3.2 條鋪裝置設(shè)計(jì)

條鋪裝置結(jié)構(gòu)如圖8a所示。左右對(duì)稱布置兩個(gè)伸縮式螺旋排肥器。伸縮式螺旋排肥器由排肥螺旋、固定槽、伸縮槽、伸縮油缸等組成。內(nèi)側(cè)的固定槽和外側(cè)的伸縮槽相互嵌套構(gòu)成伸縮式螺旋槽，在伸縮油缸驅(qū)動(dòng)下調(diào)整螺旋槽整體長(zhǎng)度及左右兩側(cè)的排肥口間距。左右兩個(gè)排肥螺旋軸通過(guò)聯(lián)軸器連接于中間傳動(dòng)軸，由液壓馬達(dá)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，如圖8b所示。排肥螺旋工作長(zhǎng)度與固定槽等長(zhǎng)。肥料被螺旋推送至固定槽末端后，在伸縮槽內(nèi)適度堆積，受螺旋軸向力作用依靠肥料間推擠自伸縮槽端部的排肥口排出，對(duì)溝施肥。

圖8 條鋪裝置結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)示意圖Fig.8 Structure and transmission diagrams of strip-spreading device1.伸縮槽 2.排肥螺旋 3.固定槽 4.聯(lián)軸器 5.液壓馬達(dá) 6.傳動(dòng)帶 7.中間傳動(dòng)軸 8.伸縮油缸 9.排肥口 10.覆土鏟 11.帶輪 12.軸承座 13.螺旋軸

3.3 排肥螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)GB/T 25246—2010《畜禽糞便還田技術(shù)規(guī)范》和果園施肥量推薦值[12]，條鋪機(jī)施肥量設(shè)計(jì)為24.60～45.00 t/hm2。條鋪機(jī)行進(jìn)速度按作業(yè)速度最大值的1.05倍取0.35 m/s(1.26 km/h)。矮化密植果園行距為3.0～4.5 m，施肥量一定時(shí)，行距越大，要求螺旋排肥量越高。為保證螺旋排肥量滿足不同行距果園至少施肥量24.60 t/hm2要求，行距取4.5 m計(jì)算，則單側(cè)螺旋排肥量為6.97 t/h。對(duì)于條鋪機(jī)最大施肥量45.00 t/hm2，通過(guò)提高排肥螺旋轉(zhuǎn)速來(lái)滿足要求。

排肥螺旋葉片外徑計(jì)算式為

(5)

式中d——排肥螺旋葉片外徑，m

Q——螺旋排肥量，取6.97 t/h

n2——排肥螺旋轉(zhuǎn)速，為保證螺旋排肥量滿足施肥量最小值，計(jì)算中暫取較低值80 r/min

S——排肥螺旋螺距，取S=d

ψ——物料填充系數(shù)，取0.33[32]

ε——傾斜輸送系數(shù)，取1[32]

為確保螺旋排肥量滿足不同密度有機(jī)肥排肥量要求，按密度較低的菌渣密度取值，取肥料密度γ=0.476 t/m3。經(jīng)計(jì)算，S=d=0.228 m。螺旋葉片外徑和螺距均取0.25 m[32]。

3.4 伸縮式螺旋槽設(shè)計(jì)

為適應(yīng)不同果園行距和條溝間距，條鋪裝置兩端排肥螺旋槽設(shè)計(jì)為可伸縮式結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 伸縮式螺旋槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of telescopic screw slot1.橫桿 2.伸縮槽 3.固定槽 4.機(jī)架方管 5.伸縮油缸 6.伸縮架 7.滑軌 8.滾輪 9.排肥口

圖10 3種不同排肥口結(jié)構(gòu)伸縮式螺旋排肥器仿真及有機(jī)肥顆粒生成示意圖Fig.10 Schematics of simulation of telescopic spiral fertilizer apparatuses with three different kinds of fertilizing outlet structures and formation of organic fertilizer particles1.有機(jī)肥顆粒 2.固定槽 3.排肥螺旋 4.質(zhì)量流量傳感器 5.排肥口 6.統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格1 7.伸縮槽 8. 統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格2 9.導(dǎo)料板 10.顆粒工廠

伸縮式螺旋槽主要由固定槽、伸縮槽、滾輪、滑軌及伸縮油缸等組成。固定槽、伸縮槽均為U形槽，伸縮槽外端設(shè)排肥口。固定槽固連于機(jī)架，伸縮槽通過(guò)滾輪安裝在與機(jī)架固連的滑軌上，并與固定槽嵌套，其外端通過(guò)橫桿與伸縮架固連。伸縮架與機(jī)架方管呈滑套式結(jié)構(gòu)。在伸縮油缸作用下伸縮架可相對(duì)機(jī)架方管伸縮，從而帶動(dòng)伸縮槽沿滑軌移動(dòng)，調(diào)整螺旋槽整體長(zhǎng)度及左右兩側(cè)的排肥口間距。

根據(jù)表1中樹形和對(duì)應(yīng)的株行距及冠徑確定果園有機(jī)肥施肥條溝間距。滿足農(nóng)藝要求的條溝間距為

s=L-D

(6)

式中s——條溝間距，mL——果園行距，m

D——果樹平均冠徑，m

則矮化密植蘋果園施肥合理的條溝間距為1.8 m≤s≤2.7 m。

伸縮槽不伸出，即與固定槽全段嵌套時(shí)機(jī)具適應(yīng)最小條溝間距；伸出至最大距離時(shí)適應(yīng)最大條溝間距。由此，單側(cè)伸縮槽最大伸出距離dmax為

(7)

式中smax——最大條溝間距，取2.7 m

smin——最小條溝間距，取1.8 m

經(jīng)計(jì)算，單側(cè)伸縮槽最大伸出距離dmax=45 cm。

伸縮槽、固定槽及排肥螺旋長(zhǎng)度均取65 cm，伸縮槽伸出至最大條鋪間距時(shí)，仍有部分槽體與固定槽嵌套，以保證物料順暢推送。

4 排肥口結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

4.1 仿真設(shè)置

伸縮式螺旋槽單側(cè)最大伸出距離為45 cm，該段螺旋槽內(nèi)無(wú)螺旋推送。對(duì)于流動(dòng)性較差的牛糞等肥料能否順利排肥，伸縮槽排肥口結(jié)構(gòu)十分關(guān)鍵。伸縮槽排肥口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為JK、ZK、XK 3種型式。JK型為U形槽底部開矩形口結(jié)構(gòu)，ZK型為直口形結(jié)構(gòu)，XK型為斜口形結(jié)構(gòu)。

為優(yōu)化排肥口結(jié)構(gòu)，運(yùn)用EDEM 2018分別對(duì)3種排肥口結(jié)構(gòu)的伸縮式螺旋排肥器中腐熟牛糞排肥情況進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖10所示。以伸縮槽伸出段45 cm處肥料軸向流速(水平方向)、無(wú)螺旋段肥料堆積質(zhì)量、排肥流量標(biāo)準(zhǔn)差為指標(biāo)分別評(píng)價(jià)3種結(jié)構(gòu)下的肥料流動(dòng)性、抗堵塞性能和排肥均勻性，并分別通過(guò)統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格1、2(即EDEM中Grid Bin Group組件)和質(zhì)量流量傳感器監(jiān)測(cè)相應(yīng)指標(biāo)。流速高、堆積質(zhì)量小、排肥流量標(biāo)準(zhǔn)差小則說(shuō)明排肥口結(jié)構(gòu)優(yōu)。仿真中伸縮槽伸出距離為最大值45 cm。仿真參數(shù)設(shè)置如表5所示[30，33-34]。

4.2 仿真結(jié)果分析

圖11為3種排肥口結(jié)構(gòu)下伸縮槽伸出段45 cm處肥料軸向流速(圖11a)、無(wú)螺旋段肥料堆積質(zhì)量(圖11b)、排肥流量(圖11c)隨時(shí)間的變化曲線，表6為14～20 s區(qū)間排肥性能。

由圖11a可知，排肥口結(jié)構(gòu)為ZK、XK型時(shí)，肥料軸向流速6 s后呈小幅波動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)；排肥口結(jié)構(gòu)為JK型時(shí)，開始排肥后伸縮槽中肥料自矩形口直接排出，而隨著堆積量的增加，肥料逐漸堆積至端板受阻，故肥料軸向流速有一減小階段，14 s后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合表6可知，穩(wěn)定排肥后，排肥口結(jié)構(gòu)為XK型時(shí)，肥料軸向流速最大，JK型最小。采用JK型排肥口時(shí)，受端板阻擋和矩形口限制，伸縮槽中肥料軸向流速低，更易堵塞，而采用XK型排肥口時(shí)肥料流動(dòng)性最好。

由圖11b、表6可知，穩(wěn)定排肥后，JK型排肥口對(duì)應(yīng)的無(wú)螺旋段肥料堆積量最多，XK型最少，從另一個(gè)角度說(shuō)明采用XK型排肥口肥料流動(dòng)性最好，不易堵塞。

表5 伸縮式螺旋排肥器離散元仿真參數(shù)Tab.5 Discrete element simulation parameters of telescopic spiral fertilizer apparatus

圖11 3種排肥口結(jié)構(gòu)下肥料軸向流速、肥料堆積質(zhì)量、排肥流量變化曲線Fig.11 Variation curves of fertilizer axial velocity, fertilizer accumulation quality and fertilizer mass flow rate under three types of fertilizing outlet structures

表6 穩(wěn)定排肥后3種排肥口結(jié)構(gòu)下排肥性能Tab.6 Fertilizer output performances under three kinds of fertilizing outlet structures from 14 s to 20 s

圖11c及表6表明，3種排肥口結(jié)構(gòu)下排肥流量均受螺旋送料影響呈“脈動(dòng)現(xiàn)象”，但排肥口結(jié)構(gòu)為JK、XK型時(shí)，排肥流量標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于ZK型。肥料在伸縮槽中適度堆積可緩解螺旋式排肥器排肥量波動(dòng)，提高排肥均勻性。有機(jī)肥多以結(jié)塊垮落的形式自排肥口排出，這可能是采用ZK型排肥口時(shí)排肥流量波動(dòng)較大的原因。與ZK型相比，XK型排肥口的斜槽段對(duì)結(jié)塊垮落具有緩沖、勻料作用。因此，排肥口結(jié)構(gòu)為XK型時(shí)，在無(wú)螺旋段肥料堆積量較少時(shí)即可得到最佳的排肥均勻性。

綜合比較肥料流動(dòng)性、抗堵塞性能及排肥均勻性，確定XK型排肥口為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

5 條鋪試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件

在西北農(nóng)林科技大學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行了條鋪試驗(yàn)，試驗(yàn)材料為楊凌萬(wàn)佳牧業(yè)公司生產(chǎn)的腐熟牛糞(密度620 kg/m3，含水率58%)和楊凌眾興食用菌公司生產(chǎn)的杏鮑菇菌渣(密度476 kg/m3，含水率39%)。

試驗(yàn)因素選?。汗伟逅土蠙C(jī)構(gòu)的鏈輪轉(zhuǎn)速、車箱下料口開度、下料輥轉(zhuǎn)速均影響供肥量，但由于刮板送料機(jī)構(gòu)的鏈輪轉(zhuǎn)速、車箱下料口開度調(diào)控精度較低，為提高供肥均勻性和穩(wěn)定性，選擇下料輥轉(zhuǎn)速調(diào)控供肥量；排肥螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的排肥量大于供肥量后，不再影響施肥量；車速是施肥量和作業(yè)效率的決定性因素，因此，選取車速及下料輥轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素。

根據(jù)行距為3.5 m(普遍采用)果園的最大施肥量(45.00 t/hm2)，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定了刮板送料機(jī)構(gòu)的鏈輪轉(zhuǎn)速、車箱下料口開度、排肥螺旋轉(zhuǎn)速分別為7 r/min、4 cm、120 r/min。該條件下調(diào)整下料輥轉(zhuǎn)速可兼顧腐熟牛糞和菌渣最大施肥量，保證螺旋排肥量大于供肥量，且均勻性、穩(wěn)定性和碎肥效果好。

試驗(yàn)時(shí)條鋪間距設(shè)為2.7 m。兩側(cè)排肥口分別由5個(gè)盒子收集肥料，按等距取樣法，每2 m為一個(gè)采樣點(diǎn)，每組試驗(yàn)共有10個(gè)采樣點(diǎn)。采樣后測(cè)量單盒肥料質(zhì)量。單組試驗(yàn)重復(fù)2次，結(jié)果取平均值。試驗(yàn)過(guò)程如圖12所示。除施肥性能外，圖12b為條鋪機(jī)或條鋪裝置(與通用撒肥車配套)用于果園或大田作物栽培基質(zhì)條鋪效果。

圖12 有機(jī)肥條鋪試驗(yàn)Fig.12 Organic fertilizer strip spreading test

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)單因素試驗(yàn)，以車速(0.8～1.2 km/h)和下料輥轉(zhuǎn)速(20～50 r/min)為影響因素，以單側(cè)每米施肥量、施肥量變異系數(shù)為指標(biāo)，對(duì)條鋪機(jī)分別進(jìn)行腐熟牛糞和菌渣施肥的二因素三水平正交試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其施肥性能。試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表7所示。

表7 施肥性能正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.7 Arrangement and results of orthogonal test on fertilizing performances

試驗(yàn)結(jié)果表明，條鋪機(jī)腐熟牛糞和菌渣施肥量分別為29.40～53.10 t/hm2和21.45～75.00 t/hm2，變異系數(shù)分別小于等于15.48%和6.57%。說(shuō)明設(shè)計(jì)的條鋪裝置滿足果園有機(jī)肥對(duì)溝施肥或行間雙側(cè)條鋪要求。腐熟牛糞含水率高、流動(dòng)性差，供料連續(xù)性、均勻性差，相同條件下施肥量和施肥均勻性低于菌渣。菌渣含水率低、顆粒間粘結(jié)力小，流動(dòng)性、填充性好，相同條件下供肥量較大、排肥螺旋中實(shí)際填充系數(shù)較高，從而其施肥量較大。

通過(guò)Design-Expert 10.0響應(yīng)面分析得到車速v、下料輥轉(zhuǎn)速n與腐熟牛糞及菌渣單側(cè)每米施肥量x、y的一次回歸方程

x=0.082 778n-3.45v+7.293 55

(8)

y=0.118 11n-12.541 67v+17.151 62

(9)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程進(jìn)行方差分析，如表8所示。結(jié)果表明：車速和下料輥轉(zhuǎn)速對(duì)條鋪機(jī)腐熟牛糞和菌渣單側(cè)每米施肥量均有極顯著影響。腐熟牛糞和菌渣施肥量回歸方程模型的P值均小于0.000 1，表明模型極顯著，其決定系數(shù)分別為0.871 3和0.963 1，失擬項(xiàng)不顯著。菌渣施肥量模型擬合性優(yōu)于腐熟牛糞，主要是由于菌渣流動(dòng)性較好，而腐熟牛糞含水率較高，多塊狀，流動(dòng)性較差。車速及下料輥轉(zhuǎn)速對(duì)腐熟牛糞和菌渣單側(cè)每米施肥量的影響如圖13所示，分析可知，施肥量隨車速的增大而減小，這是由于車速增大導(dǎo)致單位長(zhǎng)度排肥時(shí)間減少；施肥量隨下料輥轉(zhuǎn)速的增大而增大，其原因是下料輥轉(zhuǎn)速增大使得供肥量增大，即單位時(shí)間內(nèi)排肥量增大。

表8 方差分析Tab.8 Variance analysis

圖13 車速及下料輥轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)單側(cè)每米施肥量影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Response surfaces of interaction of driving speed and feeding roller rotation speed on effect of one side fertilization amount per meter

圖14 田間作業(yè)效果Fig.14 Field operation effects

5.3 田間試驗(yàn)

為測(cè)試有機(jī)肥條鋪機(jī)在果園環(huán)境中的適應(yīng)性，在楊凌扶特斯苗木有限公司蘋果園進(jìn)行菌渣溝施肥作業(yè)。果園行距3.5 m，條溝間距2.2 m，車速1.0 km/h，下料輥轉(zhuǎn)速40 r/min，施肥量18.7 kg/m(圖14a)。導(dǎo)料板調(diào)整為單側(cè)下料形式，在陜果集團(tuán)武功有限公司新建獼猴桃園進(jìn)行羊糞單側(cè)對(duì)溝施肥作業(yè)。車速1.2 km/h，下料輥轉(zhuǎn)速20 r/min，施肥量為4.7 kg/m(圖14b)。機(jī)具可適應(yīng)果園作業(yè)環(huán)境和施肥量要求，作業(yè)效果良好。試驗(yàn)中為了檢查施肥效果，沒(méi)有安裝覆土鏟。

6 結(jié)論

(1)基于果園秸稈覆蓋機(jī)，研制了果園有機(jī)肥條鋪機(jī)，整機(jī)由車體和條鋪裝置組成，肥箱容積5.6 m3。設(shè)計(jì)了以伸縮式螺旋排肥器為核心的條鋪裝置。條鋪間距為1.8～2.7 m，適應(yīng)行距為3.0～4.5 m的果園有機(jī)肥對(duì)溝施肥或行間雙側(cè)條鋪。條鋪裝置也可與通用撒肥車配套，用于馬鈴薯、棉花、西瓜等多種大田作物對(duì)行施基肥或條鋪栽培基質(zhì)。

(2)針對(duì)伸縮式排肥器無(wú)螺旋段流動(dòng)性較差的糞肥易堵塞問(wèn)題，運(yùn)用EDEM 2018對(duì)3種不同排肥口結(jié)構(gòu)的伸縮式螺旋排肥器的排肥性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，排肥口結(jié)構(gòu)為斜口形(XK型)時(shí)，伸縮槽無(wú)螺旋段肥料流動(dòng)性最好，不易堵塞且排肥均勻。

(3)條鋪試驗(yàn)中，腐熟牛糞和菌渣的施肥量分別達(dá)29.40～53.10 t/hm2和21.45～75.00 t/hm2，變異系數(shù)分別小于等于15.48%和6.57%。腐熟牛糞、菌渣施肥量模型的決定系數(shù)分別為0.871 3和0.963 1。果園實(shí)地試驗(yàn)中機(jī)具作業(yè)效果良好。