趙淑紅 張 鑫 袁溢文 侯磊濤 楊悅乾

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

0 引言

目前，我國(guó)的化肥施用量已居世界前列[1-2]。化肥的大量施用會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，如土壤板結(jié)酸化、水質(zhì)變差、水土流失等[3-5]。近年來(lái)，有機(jī)肥的施用愈發(fā)廣泛，不僅促進(jìn)資源循環(huán)利用，還提高了土壤肥力和糧食產(chǎn)量[6-8]。

針對(duì)濕度較大、流動(dòng)性較差的有機(jī)肥，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其施用裝置進(jìn)行了大量研究。法國(guó)Kuhn公司[9]設(shè)計(jì)了UKS100型撒肥機(jī)，可改變單位施肥量，實(shí)現(xiàn)了精量撒播有機(jī)肥；張宏建等[10]設(shè)計(jì)了開(kāi)溝深度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的果園雙行開(kāi)溝施肥機(jī)，可一次完成果園開(kāi)溝、有機(jī)肥與化肥混施、覆土一體化作業(yè)，肥料顆粒分布均勻；譚辰[11]設(shè)計(jì)了果園有機(jī)肥條鋪機(jī)，可適用于不同行距、不同開(kāi)溝間距的施肥作業(yè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，防堵效果較好；呂金慶等[12]設(shè)計(jì)了立式有機(jī)肥螺旋撒肥裝置，增大作業(yè)幅寬，提高撒肥均勻性；劉宏新等[13]設(shè)計(jì)了側(cè)拋式有機(jī)肥撒肥機(jī)，用對(duì)置圓盤代替錘片，提高了施肥關(guān)鍵部件可靠性。拋撒的施肥方式可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成大面積的施肥作業(yè)，但對(duì)于大部分擁有較小地塊的農(nóng)戶來(lái)說(shuō)，采取拋撒于地表的方式，易存在拋撒面積重疊，肥料分布不均勻的問(wèn)題，導(dǎo)致肥料利用率低，浪費(fèi)資源[14-15]。若條施有機(jī)肥，不僅可以提高肥效，還能夠減少施用量，降低成本。以往條施顆粒肥主要使用槽輪式排肥器[16]，排肥效果較好，但對(duì)濕度較大、流動(dòng)性差的粉末狀有機(jī)肥排肥效果較差，不僅導(dǎo)致槽輪中有機(jī)肥填充率降低，還會(huì)在回轉(zhuǎn)槽輪的擠壓作用下將凹槽填滿，使之失去排肥能力。目前對(duì)于條施有機(jī)肥的研究鮮有報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)條施粉末狀有機(jī)肥排肥器，以粉末狀有機(jī)肥為研究對(duì)象，理論分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)排肥器關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，通過(guò)所得數(shù)據(jù)確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行作業(yè)性能試驗(yàn)，達(dá)到提高施肥效果的目的。

1 粉末狀有機(jī)肥物理參數(shù)測(cè)量

選用黑龍江省哈爾濱市賓縣賓安鎮(zhèn)易利融農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的粉末狀有機(jī)肥(N+P2O5+K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于5%，有機(jī)質(zhì)含量大于等于45%)。為了提高排肥效果，以3種含水率(28±1)%(出廠狀態(tài)含水率)、(32±1)%、(36±1)%的粉末狀有機(jī)肥為研究對(duì)象，對(duì)有機(jī)肥進(jìn)行相關(guān)物理參數(shù)測(cè)量，以便為后期研究提供依據(jù)。

1.1 有機(jī)肥粒徑分布

將有機(jī)肥風(fēng)干后，選用目數(shù)為10、18、40、70目的方孔標(biāo)準(zhǔn)土壤篩和精度為0.01 g的電子秤等，每次取300 g放入土壤篩中，水平方向搖振100～200次/min，拍擊50～70次/min，每次試驗(yàn)15～30 min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。分篩結(jié)果如表1所示。由表1可看出，0.25～0.45 mm粒徑最多，0～0.25 mm粒徑最少。

表1 有機(jī)肥粒徑分布Tab.1 Organic fertilizer particle size distribution

1.2 自然休止角測(cè)定

休止角反映了物料的內(nèi)摩擦特性和散落特性，本文采用注入法[17]對(duì)有機(jī)肥進(jìn)行自然休止角測(cè)定。試驗(yàn)測(cè)定如圖1所示。

圖1 自然休止角測(cè)定Fig.1 Determination of natural angle of repose

不同含水率試驗(yàn)重復(fù)3次，取測(cè)量平均值作為其自然休止角。測(cè)量得到3種不同含水率((28±1)%、(32±1)%、(36±1)%)有機(jī)肥休止角分別為23°、32°、37°。表明含水率越大，休止角越大，有機(jī)肥流動(dòng)性越差。

1.3 泊松比測(cè)定

泊松比是離散元仿真的重要參數(shù)，可根據(jù)有機(jī)肥內(nèi)摩擦角并配合經(jīng)驗(yàn)公式求解。計(jì)算公式為

(1)

其中

k0=1-sinφ

(2)

式中ν——泊松比k0——有機(jī)肥側(cè)壓系數(shù)

φ——有機(jī)肥內(nèi)摩擦角，(°)

根據(jù)文獻(xiàn)[18]，采取快剪試驗(yàn)對(duì)有機(jī)肥內(nèi)摩擦角進(jìn)行測(cè)定。內(nèi)摩擦角測(cè)量結(jié)果及泊松比計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同含水率有機(jī)肥泊松比Tab.2 Poisson’s ratio of organic fertilizer with different water contents

1.4 剪切模量測(cè)定

剪切模量和彈性模量是離散元仿真時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)。本文使用Tinius Olsen公司生產(chǎn)的1ST系列臺(tái)式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(速度精度±0.05%，測(cè)力精度0.5%)對(duì)3種不同含水率有機(jī)肥彈性模量進(jìn)行測(cè)定，如圖2所示，計(jì)算出相應(yīng)剪切模量

(3)

式中G——有機(jī)肥剪切模量，MPa

E——有機(jī)肥彈性模量，MPa

圖2 彈性模量測(cè)定Fig.2 Elastic modulus measurement

參照文獻(xiàn)[19-21]測(cè)試方法，對(duì)有機(jī)肥彈性模量進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得出3種不同含水率下的彈性模量，進(jìn)而得出有機(jī)肥剪切模量如表3所示。

表3 不同含水率有機(jī)肥剪切模量Tab.3 Elastic modulus of organic fertilizer with different moisture contents

1.5 有機(jī)肥靜摩擦因數(shù)測(cè)量

借鑒文獻(xiàn)[18]，應(yīng)用斜面法對(duì)有機(jī)肥靜摩擦角φ進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算得到有機(jī)肥靜摩擦因數(shù)為

μ=tanφ

(4)

經(jīng)測(cè)量計(jì)算得到3種不同含水率有機(jī)肥((28±1)%、(32±1)%、(36±1)%)靜摩擦因數(shù)分別為0.51、0.60、0.67。

2 有機(jī)肥排肥器設(shè)計(jì)

2.1 有機(jī)肥排肥器結(jié)構(gòu)與工作原理

該裝置主要由肥箱、排肥撥輪、防自流擋板和排肥軸組成。工作時(shí)，有機(jī)肥從防自流擋板頂部滑落至肥箱底板兩側(cè)，隨著排肥撥輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)有機(jī)肥運(yùn)動(dòng)到防自流擋板正下方的排肥口，有機(jī)肥在重力作用下排出肥箱。粉末狀有機(jī)肥排肥器總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排肥器裝配圖Fig.3 Fertilizer distributor assembly drawings1.肥箱 2.防自流擋板 3.排肥撥輪 4.螺栓 5.排肥軸 6.排肥口

2.2 排肥指內(nèi)側(cè)有機(jī)肥受力分析

排肥撥輪在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，有機(jī)肥有向外側(cè)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，會(huì)逐漸在肥箱底板最外側(cè)聚集，導(dǎo)致排出過(guò)程不均勻。為了避免此現(xiàn)象，對(duì)撥輪推動(dòng)的有機(jī)肥進(jìn)行力學(xué)分析，設(shè)計(jì)合理的排肥指曲線。排肥撥輪結(jié)構(gòu)如圖4所示，斷面角度選擇65°，R1為排肥撥輪中心到排肥指最外圓半徑，R2為排肥撥輪圓盤半徑，l1為排肥指厚度，l2為排肥指寬度。

圖4 排肥撥輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of fertilizer discharging wheel1.排肥指 2.傳動(dòng)軸孔

為了便于理論分析，假設(shè)肥料為質(zhì)點(diǎn)，排肥撥輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，忽略肥料之間的相互作用力，排肥指內(nèi)側(cè)肥料受力分析如圖5所示。

圖5 肥料在排肥指內(nèi)側(cè)受力分析Fig.5 Analysis of force on inner side of fertilizer finger

質(zhì)點(diǎn)在X軸和Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)方程為

(5)

式中ax——肥料在X軸方向上的加速度，m/s2

ay——肥料在Y軸方向上的加速度，m/s2

a——肥料合加速度，m/s2

ρA——肥料所在排肥指處的曲率半徑，mm

r——有機(jī)肥回轉(zhuǎn)半徑，mm

l——回轉(zhuǎn)半徑在排肥指切線上的投影，mm

整理得

(6)

由式(6)可知，有機(jī)肥的運(yùn)動(dòng)受撥輪角速度、回轉(zhuǎn)半徑、摩擦因數(shù)的影響。轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)半徑越大，肥料向撥輪外圍運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)越明顯，故排肥指曲線設(shè)計(jì)成擺線型。

2.3 擺線參數(shù)方程確定

擺線參數(shù)方程為

(7)

式中r1——圓半徑，mm

β——滾動(dòng)角，(°)

擺線上任意一點(diǎn)曲率為

(8)

對(duì)任意一點(diǎn)曲率進(jìn)行求導(dǎo)得

(9)

由式(9)可知，在0～π范圍內(nèi)，擺線上任意一點(diǎn)曲率單調(diào)變化，可以避免肥料因離心力作用向外聚集而造成施用不均勻的情況。為了將濕度較大的有機(jī)肥順利排出肥箱，同時(shí)便于加工，將排肥口設(shè)計(jì)成矩形，矩形長(zhǎng)度設(shè)為80 mm，為了使排肥指撥動(dòng)的有機(jī)肥可以全部排出，令排肥指長(zhǎng)度等于排肥口長(zhǎng)度，圖6為擺線的一拱，對(duì)其進(jìn)行分析求解。

圖6 擺線參數(shù)方程求解Fig.6 Cycloid parameter equation solving

設(shè)計(jì)時(shí)，排肥指形狀為弧IJ部分的曲線，長(zhǎng)度lIJ為80 mm，由擺線的基本性質(zhì)可知，lIK為πr1，lJK為2r1，由勾股定理可計(jì)算出r1為21.5 mm，最終確定排肥指曲線方程為

(10)

2.4 防自流擋板設(shè)計(jì)

將排肥撥輪安裝在肥箱底面后，若直接將有機(jī)肥充入肥箱中，有機(jī)肥會(huì)直接通過(guò)肥箱底部的排肥口流出，產(chǎn)生自流現(xiàn)象，造成肥料浪費(fèi)，加速肥料的消耗。若有機(jī)肥潮解結(jié)塊，結(jié)塊的肥料架空會(huì)造成堵塞。為了避免此情況的發(fā)生，在撥輪上方設(shè)計(jì)防自流擋板。用螺栓通過(guò)螺栓孔將其固定在肥箱底板，防自流擋板正好架在肥箱底部排肥口正上方，用以防止肥料自流，擋板寬度應(yīng)大于肥箱排肥口寬度。通過(guò)對(duì)所采用的有機(jī)肥物理參數(shù)測(cè)定結(jié)果可知，含水率為(36±1)%的有機(jī)肥的自然休止角為37°，因此設(shè)計(jì)的防自流擋板頂部尖角δ的一半應(yīng)小于等于53°，為了有機(jī)肥順利沿防自流擋板流下，設(shè)定δ/2小于53°。除此之外，在撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，若遇到結(jié)塊的肥料，能夠與防自流擋板的長(zhǎng)邊互作剪切效應(yīng)，將結(jié)塊的肥料剪碎，避免堵塞排肥口以順利排出肥箱。根據(jù)肥箱底板排肥口實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)防自流擋板長(zhǎng)度c為320 mm，寬度b為100 mm，d為防自流擋板高度，防自流擋板結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 防自流擋板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure schematics of anti-free flow baffle

有機(jī)肥從防自流擋板頂部沿著其側(cè)面滑落，運(yùn)動(dòng)到肥箱底板，應(yīng)保證有機(jī)肥在運(yùn)動(dòng)到底板時(shí)不超出排肥撥輪的工作范圍。以有機(jī)肥落在排肥指極限位置時(shí)的情況(即肥料落到前一個(gè)排肥指的后側(cè))為例，對(duì)有機(jī)肥的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 有機(jī)肥運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析Fig.8 Analysis of organic fertilizer movement process1.防自流擋板 2.排肥撥輪 3.肥箱底板

AB階段動(dòng)力學(xué)方程為

(11)

BCD階段動(dòng)力學(xué)方程為

(12)

式中FN2——擋板對(duì)肥料的支持力，N

Ff——擋板對(duì)有機(jī)肥的摩擦力，N

a1——肥料在AB段加速度，m/s2

v1——肥料運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)B時(shí)的合速度，m/s

v2、v3——肥料水平、豎直方向分速度，m/s

S1——肥料下落過(guò)程中水平位移，mm

S2——肥料落到底板后的水平位移，mm

d1——擋板傾斜部分高度，mm

d2——擋板豎直部分高度，mm

l3——肥料在底板運(yùn)動(dòng)過(guò)程中排肥指轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)，mm

t1——肥料BC段下落時(shí)間，s

t2——肥料CD段運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

若要保證在肥料運(yùn)動(dòng)到前一個(gè)排肥指最外緣的時(shí)刻，下一個(gè)排肥指能達(dá)到其位置，將肥料帶動(dòng)回來(lái)，應(yīng)保證l3≥S2。根據(jù)式(11)、(12)分析可知，若d1、d2和頂角δ取的較大，會(huì)縮短肥料在底板上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，進(jìn)而增大撥輪轉(zhuǎn)速，撥輪轉(zhuǎn)速大會(huì)加劇有機(jī)肥向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，影響排肥效果，因此將防自流擋板的d1、d2和頂角δ設(shè)計(jì)的小一些，取d1=55 mm，d2=25 mm，結(jié)合前文對(duì)頂角δ的分析，δ取80°。將數(shù)據(jù)代入到式(11)、(12)可得排肥撥輪最小轉(zhuǎn)速為50 r/min，為方便設(shè)計(jì)與計(jì)算，將排肥撥輪轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為60 r/min。

2.5 排肥撥輪結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

肥箱底板設(shè)有排肥軸孔用以穿過(guò)排肥軸，為避免肥料從此處漏出，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)應(yīng)保證將軸孔全部覆蓋，將R2設(shè)計(jì)為50 mm；撥輪在工作過(guò)程中應(yīng)保證將排肥口范圍內(nèi)的有機(jī)肥全部排出，故設(shè)計(jì)R1為140 mm；排肥撥輪厚度l1直接影響排肥量，考慮到空間限制及排肥效果，將排肥撥輪厚度l1設(shè)計(jì)為12 mm。

當(dāng)有機(jī)肥施用量為2 250 kg/hm2時(shí)，作物產(chǎn)量最高[22]，對(duì)排肥撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周應(yīng)達(dá)到的有效排肥體積進(jìn)行計(jì)算，公式為

(13)

式中t——施肥作業(yè)時(shí)間，s

S——施肥面積，m2d3——行距，m

v——機(jī)具前進(jìn)速度，m/s

N——排肥撥輪轉(zhuǎn)數(shù)，r

n1——排肥撥輪轉(zhuǎn)速，r/min

q——撥輪單位有效排肥體積，mm3

Q——單位面積施肥量，kg

ρ——有機(jī)肥密度，kg/m3

施肥作業(yè)時(shí)機(jī)具前進(jìn)速度為5 km/h，田間實(shí)際壟距為650 mm，出廠狀態(tài)有機(jī)肥密度為780 kg/m3，將數(shù)據(jù)代入式(13)，可以得出排肥撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周有效排肥體積需達(dá)到538.461 cm3。

排肥撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，單個(gè)排肥口的有效排肥體積為

(14)

(15)

q=V2-eV1

(16)

式中V1——單個(gè)排肥指體積，mm3

V2——除去圓盤的體積，mm3

l——排肥指曲線弧長(zhǎng)，mm

e——排肥指數(shù)

由式(14)～(16)可以得到，排肥指寬度l2與排肥指數(shù)e有關(guān)，故在優(yōu)化試驗(yàn)中確定該參數(shù)。

3 排肥器仿真試驗(yàn)

排肥器在排肥過(guò)程中，排肥指數(shù)以及肥箱底板排肥口寬度均對(duì)排肥性能有一定影響。排肥指過(guò)多，會(huì)影響撥輪內(nèi)部充肥量，過(guò)少排肥量不穩(wěn)定。粉末狀有機(jī)肥本身濕度較大，若排肥口寬度過(guò)小，有機(jī)肥排出過(guò)程受阻，過(guò)大則會(huì)增加漏肥幾率。因此對(duì)上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；確定相關(guān)參數(shù)后對(duì)施用不同含水率有機(jī)肥的排肥器進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 仿真模型建立

采用離散元軟件EDEM對(duì)不同組合試驗(yàn)進(jìn)行仿真分析。根據(jù)有機(jī)肥性質(zhì)，選擇Hertz-Mindlin with Johnson-Kendall-Roberts為肥料接觸模型[23]，仿真選用出廠狀態(tài)的有機(jī)肥，參考文獻(xiàn)[24-26]中有機(jī)肥相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合前文有機(jī)肥相關(guān)參數(shù)的測(cè)量，對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。為縮短仿真周期，將土壤篩分結(jié)果中粒徑小于0.25 mm的有機(jī)肥舍去并用默認(rèn)的球形顆粒來(lái)進(jìn)行仿真。根據(jù)有機(jī)肥粒徑分布，結(jié)合肥箱體積并滿足試驗(yàn)要求，設(shè)置有機(jī)肥粒子總數(shù)為200 000個(gè)。重新?lián)Q算剩余粒徑有機(jī)肥所占百分比，新的比例為：0.25～0.45 mm占比41.60%、0.45～1 mm占比27.60%、1～2 mm占比22.77%、2～3 mm占比8.03%。暫定排肥指寬度l2為15 mm，由2.4節(jié)得到撥輪轉(zhuǎn)速為60 r/min。在兩個(gè)排肥口正下方設(shè)置長(zhǎng)方體肥料收集盒，用來(lái)記錄相同時(shí)間內(nèi)每個(gè)排肥口排出的有機(jī)肥質(zhì)量。仿真參數(shù)如表4所示。

表4 仿真試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Simulation experiment parameters

仿真試驗(yàn)過(guò)程如圖9所示，用不同顏色區(qū)分不同質(zhì)量的有機(jī)肥。

圖9 仿真試驗(yàn)過(guò)程Fig.9 Process of simulation experiment

3.2 優(yōu)化試驗(yàn)與結(jié)果分析

仿真優(yōu)化試驗(yàn)研究排肥指數(shù)和排肥口寬度對(duì)排肥性能的影響，以排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。采用二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表5所示(排肥指數(shù)為圓整后的取值)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到各因素對(duì)穩(wěn)定性變異系數(shù)Y的回歸方程為

(17)

表5 試驗(yàn)因素編碼Tab.5 Coding of experiment factors

表6 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.6 Schemes and results of experiment

表7 穩(wěn)定性變異系數(shù)方差分析Tab.7 Variance analysis of variation coefficient of stability

通過(guò)方差分析可知，x1和x2對(duì)排肥穩(wěn)定性均有顯著性影響，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件繪制響應(yīng)曲面，如圖10所示。

圖10 響應(yīng)曲面Fig.10 Response surface

當(dāng)排肥口寬度一定時(shí)，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)隨著排肥指數(shù)的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)排肥指數(shù)一定時(shí)，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)隨排肥口寬度增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。以表5因素范圍為約束條件，得到當(dāng)排肥口寬度為36.36 mm，排肥指數(shù)為6個(gè)時(shí)，排肥穩(wěn)定性最好。將e=6代入公式(14)～(16)中，確定排肥指寬度為16 mm。

3.3 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

在確定了排肥器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)之后，為了討論設(shè)計(jì)的排肥器對(duì)不同含水率有機(jī)肥的施用效果，以3種不同含水率有機(jī)肥為研究對(duì)象，對(duì)排肥器進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。仿真時(shí)僅改變與有機(jī)肥含水率相關(guān)的參數(shù)，其余方法及參數(shù)設(shè)置均與前文相同，每組試驗(yàn)重復(fù)5次求平均值。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同含水率下施肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Tab.8 Variation coefficient of fertilization stability at different water contents

由表8可以看出，不同含水率有機(jī)肥的仿真試驗(yàn)結(jié)果均符合NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》。表明設(shè)計(jì)的排肥器對(duì)于濕度較大的有機(jī)肥仍有較好的排肥效果。

4 性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)于2021年6月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心試驗(yàn)基地開(kāi)展，試驗(yàn)材料為前文測(cè)定的含水率為(28±1)%、(32±1)%和(36±1)%的粉末狀有機(jī)肥，試驗(yàn)時(shí)分別將4個(gè)排肥口用排肥軟管承接，前端兩個(gè)排肥口通過(guò)軟管直接將肥料豎直撒到地面上，為了計(jì)算不同排肥口的排肥效果，將后端兩個(gè)排肥口通過(guò)軟管向內(nèi)側(cè)傾斜(與前端排肥口排出的肥料不在同一直線上)將肥料撒到地面上，用以觀察4個(gè)排肥口的排肥性能。設(shè)備安裝如圖11所示。

圖11 設(shè)備安裝圖Fig.11 Equipment installation diagram1.右后方施肥管 2.左后方施肥管 3.肥箱 4.約翰迪爾324型拖拉機(jī) 5.左前方施肥管 6.右前方施肥管

機(jī)具分別以5、6、7、8 km/h勻速前進(jìn)。試驗(yàn)過(guò)程如圖12所示。

圖12 排肥性能試驗(yàn)Fig.12 Fertilizer performance tests

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)與結(jié)果分析

根據(jù)NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)排肥器的斷條率、各行排量一致性變異系數(shù)、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)以及排肥均勻性變異系數(shù)4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，以評(píng)價(jià)粉末狀有機(jī)肥排肥器的工作性能。

4.2.1斷條率

斷條率測(cè)定方法為：機(jī)具前進(jìn)5 m，長(zhǎng)度大于100 mm的無(wú)肥料區(qū)域?qū)儆跀鄺l區(qū)，斷條率計(jì)算公式為

(18)

式中δd——施肥斷條率，%

Li——第i個(gè)斷條長(zhǎng)度，mm

L——排肥總長(zhǎng)度，mm

每組試驗(yàn)重復(fù)5次，所有試驗(yàn)結(jié)果表明，3種含水率的有機(jī)肥在不同前進(jìn)速度下均未出現(xiàn)斷條現(xiàn)象，符合技術(shù)要求。

4.2.2各行排肥量一致性變異系數(shù)

各行排肥量一致性是施肥機(jī)械各排肥器在相同條件下排肥量的一致程度。試驗(yàn)時(shí)肥料體積大于肥箱容積的1/2，將排肥器架起，使地輪輪緣離開(kāi)地面，機(jī)架應(yīng)處于水平狀態(tài)，以相當(dāng)于常用作業(yè)速度的轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)地輪，過(guò)程中保證達(dá)到機(jī)具前進(jìn)50 m的效果，同時(shí)開(kāi)始、截止接取試驗(yàn)過(guò)程中各排肥口排出的肥料，并對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量測(cè)量，測(cè)量精度0.5 g，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。各行排肥量一致性通過(guò)各行排肥量變異系數(shù)體現(xiàn)，計(jì)算方法為

(19)

式中xi——每行各次平均排量，g

x——每行各次平均排量平均值，g

S3——各行排肥量一致性標(biāo)準(zhǔn)差，g

V3——各行排肥量一致性變異系數(shù)，%

n2——測(cè)定行數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 排肥量一致性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Experimental results of variation coefficient of fertilization consistence %

根據(jù)NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，各行排肥量一致性變異系數(shù)應(yīng)小于等于13%，試驗(yàn)結(jié)果表明，3種含水率的有機(jī)肥在不同前進(jìn)速度下各行排肥量一致性變異系數(shù)均滿足要求。

4.2.3排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)與均勻性變異系數(shù)

排肥穩(wěn)定性同樣采取靜態(tài)試驗(yàn)，不考慮機(jī)具前進(jìn)速度，以不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)地輪，在排肥撥輪不同轉(zhuǎn)速條件下，測(cè)量相同時(shí)間內(nèi)的有機(jī)肥質(zhì)量變化規(guī)律；施肥均勻性采用動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，測(cè)量方法為沿著施肥機(jī)具前進(jìn)方向，待排肥器通過(guò)后，連續(xù)測(cè)量40段長(zhǎng)度為100 mm肥料質(zhì)量。排肥均勻性與穩(wěn)定性通過(guò)排肥量變異系數(shù)體現(xiàn)。

排肥穩(wěn)定性與均勻性變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表10、11所示。

根據(jù)NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)應(yīng)小于等于7.8%，排肥均勻性變異系數(shù)應(yīng)小于等于40%。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著含水率和作業(yè)速度的增大，排肥穩(wěn)定性與均勻性均有所降低，但是整體都滿足要求，表明排肥器設(shè)計(jì)合理。

表10 排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 Experimental results of variation coefficient of fertilization stability %

表11 排肥均勻性變異系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果Tab.11 Experimental results of variation coefficient of fertilization uniformity %

5 結(jié)論

(1)對(duì)有機(jī)肥的物理物料特性進(jìn)行測(cè)定。分別測(cè)定粉末狀有機(jī)肥不同含水率下的自然休止角、泊松比、剪切模量、彈性模量和靜摩擦因數(shù)。

(2)為提高粉末狀有機(jī)肥排肥效果，設(shè)計(jì)了一種粉末狀有機(jī)肥排肥器。將排肥撥輪的排肥指曲線設(shè)計(jì)成擺線型以避免肥料向外側(cè)聚集，提高施肥效果；根據(jù)測(cè)定的有機(jī)肥物理參數(shù)以及對(duì)有機(jī)肥運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，確定防自流擋板的結(jié)構(gòu)尺寸；基于離散元法采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，獲得排肥指數(shù)以及排肥口寬度的最優(yōu)組合，并進(jìn)行不同含水率有機(jī)肥的仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。

(3)測(cè)量排肥器在不同前進(jìn)速度下施用不同含水率有機(jī)肥的斷條率、各行排量一致性、排肥穩(wěn)定性以及排肥均勻性。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加以及有機(jī)肥含水率的增大，排肥器排肥性能有所下降，但是排肥器在不同工作速度和有機(jī)肥不同含水率下施肥效果均符合NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，滿足使用要求。