楊欣倫，王加一，楊健，趙立軍，李強(qiáng)

(1. 成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院,成都市,611130; 2. 濰柴雷沃智慧農(nóng)業(yè)科技股份有限公司,山東濰坊,261200; 3. 重慶文理學(xué)院智能制造工程學(xué)院,重慶市,402160)

0 引言

肥料是糧食作物的“糧食”,在糧食生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的支撐作用,是實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)的關(guān)鍵原材料,助推了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1-4]。外槽輪式排肥器是目前在水田、旱田施用化肥作業(yè)中使用最為普遍的作業(yè)部件,由于其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、使用壽命較長等諸多優(yōu)點(diǎn),受到用戶的歡迎[5-6]。但是,隨著科技的發(fā)展,農(nóng)藝要求的提高,外槽輪式排肥器施肥調(diào)節(jié)精度較差、調(diào)節(jié)不便、其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)把肥料顆粒壓碎等問題日趨顯現(xiàn),已不能滿足和適應(yīng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求,尤其在精量深施肥過程中被壓碎或碾壓成粉狀的肥料,將會(huì)影響施肥量的控制也會(huì)影響肥料的緩釋[7-8]。因此,傳統(tǒng)的外槽輪式排肥器已不能很好地服務(wù)于精量深施肥作業(yè),設(shè)計(jì)一款新結(jié)構(gòu)的排肥量調(diào)節(jié)裝置迫在眉睫。

近年來,學(xué)者對排肥器的研究焦點(diǎn)集中在螺旋式排肥器上[9-12],主要采用仿真試驗(yàn)、臺架試驗(yàn)等技術(shù)手段。宋歡[12]采用EDEM仿真研究法對排肥器進(jìn)行了深入研究,并對排肥器所應(yīng)用的雙線螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),使最大排肥量有明顯降低,但是依然存在較大的排肥量,對于實(shí)現(xiàn)排肥均勻性的要求不能滿足。薛忠等[9]采用仿真試驗(yàn)與臺架試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段對排肥器的穩(wěn)定性、均勻性進(jìn)行了優(yōu)化,最終確定了最佳的排肥器轉(zhuǎn)速。Kretz等[13]采用仿真試驗(yàn)與臺架試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段對排肥均勻性進(jìn)行了研究,并對排肥器的螺旋參數(shù)和安裝傾角進(jìn)行了探究與優(yōu)化。Mondal等[14]采用試驗(yàn)方法對排肥器進(jìn)行了性能探究,得到了短距螺旋、轉(zhuǎn)速和填充率的關(guān)系,為排肥器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。Fuchs等[15]采用試驗(yàn)方法,對排肥器的排量進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測,得到了影響排肥器排肥量的主要因素。螺旋式排肥器已經(jīng)有較好地應(yīng)用,但由于螺旋本身的特性,無法實(shí)現(xiàn)高均勻性排肥[16-18]。

鑒于此,本文針對現(xiàn)有果園開溝施肥機(jī)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置存在調(diào)節(jié)精度低、肥量調(diào)節(jié)不均勻等問題,設(shè)計(jì)了一種疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置。其能夠提高排肥調(diào)節(jié)精度、提升肥量調(diào)節(jié)均勻性,且在精量深施肥過程中能夠避免肥料被壓碎或碾壓成粉狀,保證排肥量均勻和肥料緩釋作用的發(fā)揮。為相應(yīng)開溝施肥機(jī)排肥器的設(shè)計(jì)與研究提供一種新的借鑒。

1 疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置通過改變疊片相互搭接所形成開口大小,實(shí)現(xiàn)肥料排量的調(diào)節(jié)。當(dāng)肥進(jìn)入疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置時(shí),螺旋軸通過電機(jī)帶動(dòng)其上的螺旋導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng),防止肥料堆積并提供向下排肥的推動(dòng)力。調(diào)節(jié)排肥量時(shí),疊片之間接觸緊密且運(yùn)動(dòng)方式為相對滑動(dòng),可以有效避免肥料被壓碎。當(dāng)排肥量較低時(shí),疊片收縮,出口減小,減小肥的排量;當(dāng)排肥量較大時(shí),疊片擴(kuò)張,增大排肥量,保證排肥的均勻性。疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置作業(yè)原理三維示意圖如圖1所示。

圖1 疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置三維示意圖

1.2 疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)

疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置,其環(huán)形底座的端面上設(shè)有多對銷孔,環(huán)形底座的外壁面且在相鄰兩對銷孔之間沿軸向設(shè)有滑軌,推拉環(huán)的端面上設(shè)有多個(gè)連接孔,推拉環(huán)的內(nèi)壁面且在相鄰兩個(gè)連接孔之間沿軸向設(shè)有滑槽,疊片呈梯形,疊片的底部設(shè)有連接板,連接板的兩端分別設(shè)有鉸接孔,疊片沿中軸線偏向右側(cè)向內(nèi)折彎,疊片的兩側(cè)邊分別向內(nèi)和向外折彎,環(huán)形底座的滑軌嵌裝在推拉環(huán)的所述滑槽內(nèi),疊片連接板兩端的鉸接孔分別通過銷軸與環(huán)形底座的銷孔和推拉環(huán)的連接孔鉸接配合。疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置總體高度為66.04 mm,為了保證果園0.67～1 kg/hm2的施肥量要求,經(jīng)前期預(yù)試驗(yàn),確定肥料入口的直徑為60 mm,最小肥料出口的直徑為38.26 mm,尺寸與穿過肥料出口的螺旋軸的直徑相同,最大肥料出口直徑為60 mm,在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置可以實(shí)現(xiàn)果園施肥要求。

1.3 疊片設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的果園開溝施肥機(jī)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置,主要對果樹施加粉末狀有機(jī)肥或顆粒肥,為了保證其流暢性,采用錐狀向下流動(dòng),但在施肥過程中容易導(dǎo)致肥料堆聚,因此設(shè)計(jì)螺旋軸在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)肥料的下流。電機(jī)帶動(dòng)螺旋軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)攪拌功能,排肥出口的大小由疊片控制,當(dāng)排肥量較低時(shí),疊片收縮,出口減小,減小肥的排量;當(dāng)排肥量較大時(shí),疊片擴(kuò)張,增大排肥量,保證排肥的均勻性。疊片結(jié)構(gòu)如圖3所示。疊片沿中軸線偏向右側(cè)向內(nèi)折彎,其折彎線相對著中軸線偏轉(zhuǎn)角度α初步確定為3°～7°,疊片的兩側(cè)邊分別向內(nèi)折彎(角度為γ)和向外折彎(角度為β),初步確定角度為12°～18°和8°～12°,且疊片的兩側(cè)折彎線的起點(diǎn)距離中軸線的距離初步確定為2～6 mm,整周確定為12片。

圖3 疊片結(jié)構(gòu)圖

1.4 推拉環(huán)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的果園開溝施肥機(jī)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)排肥口的寬窄調(diào)節(jié),將此調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為推拉環(huán)形式,配合疊片的收縮與擴(kuò)張,推拉環(huán)的端面上設(shè)有多個(gè)連接孔,其內(nèi)壁面且在相鄰兩個(gè)連接孔之間沿軸向設(shè)有滑槽,推拉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示,肥料通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)時(shí),能夠根據(jù)肥料的多少調(diào)節(jié)疊片相互搭接所形成開口的大小。疊片作業(yè)時(shí)受力狀態(tài)如圖5所示。

圖4 推拉環(huán)結(jié)構(gòu)圖

圖5 疊片受力狀態(tài)

疊片受到肥料對其施加的作用力,將此作用力分解為法向力Fn和切向力Ft,肥料在疊片滑動(dòng)同時(shí)擠壓疊片,由果園公頃施肥量0.67～1 kg可以確定疊片出口的最小直徑為38.26 mm,最大直徑為60 mm,結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),確定疊片的調(diào)整角度為19°,因此推拉環(huán)應(yīng)配合底座和疊片滿足此擺動(dòng)范圍要求。

1.5 底座設(shè)計(jì)

底座的作用是實(shí)現(xiàn)疊片與推拉座的固定與連接,由于整體排肥口設(shè)置為錐形,因此底座設(shè)計(jì)為環(huán)形,為了便于與疊片、推拉環(huán)實(shí)現(xiàn)配合安裝,環(huán)形底座的端面上設(shè)有多對銷孔,其外壁面且在相鄰兩對銷孔之間沿軸向設(shè)有滑軌,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 環(huán)形底座結(jié)構(gòu)圖

2 臺架與田間驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步對果園開溝施肥機(jī)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),確定其最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù),采取室內(nèi)臺架試驗(yàn)的技術(shù)手段對調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)加以確定,試驗(yàn)方案采用多因素優(yōu)化試驗(yàn),獲得較優(yōu)試驗(yàn)指標(biāo)情況下的試驗(yàn)因素水平組合。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)條件

臺架試驗(yàn)選擇在崇州農(nóng)業(yè)園區(qū)(東經(jīng)102°54′～104°53′,北緯30°05′～31°26′)進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)間為2022年9月20日—25日,試驗(yàn)地屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。具有春早、夏熱、秋涼、冬暖的氣候特點(diǎn),年平均氣溫16 ℃,年降雨量1 000 mm左右。試驗(yàn)材料為大顆粒尿素,其泊松比為0.4,剪切模量為2.8×107Pa,密度為1 335 kg/m3。試驗(yàn)設(shè)備為CP188F微耕機(jī),疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置,(電機(jī)驅(qū)動(dòng),電機(jī)為名揚(yáng)電機(jī)MY32GP-31ZY型行星減速電機(jī),電機(jī)轉(zhuǎn)速為98 r/min,減速比為82,直流12 V電壓)。

2.1.2 因素及水平確定

折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度、疊片的兩側(cè)邊向內(nèi)折彎角、向外折彎角以及疊片的兩側(cè)折彎線的起點(diǎn)與中軸線的距離為開溝施肥機(jī)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置的主要結(jié)構(gòu)參數(shù),因此以折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度x1、向內(nèi)折彎角x2、向外折彎角x3以及起點(diǎn)與中軸線的距離x4為試驗(yàn)因素。采用4因素5水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法[19],共實(shí)施31組試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平范圍為:折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角3°～7°、向內(nèi)折彎角12°～18°、向外折彎角8°～12°、起點(diǎn)與中軸線的距離2～6 mm。試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼Tab. 1 Coding levels and factors

2.1.3 評價(jià)指標(biāo)與測定方法

依據(jù)NY/T 1003—2006標(biāo)準(zhǔn)對果園開溝施肥機(jī)性能與作業(yè)效果進(jìn)行評價(jià),主要評價(jià)指標(biāo)為:排量一致性變異系數(shù)Y1、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2以及排肥均勻變異系數(shù)性Y3。排量一致性變異系數(shù)Y1的測試方法如下。

(1)

式中:xi——每行每次平均排量,g;

i——每次試驗(yàn);

x——每行每次平均排量的平均值,g;

S2——各行排肥量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差;

Y1——排量一致性變異系數(shù),%;

n2——測定行數(shù)。

排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2的測試方法為:令果園開溝施肥機(jī)靜止,不考慮果園開溝施肥機(jī)的前進(jìn)作業(yè)速度,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速為98 r/min,采用秒表計(jì)時(shí),控制時(shí)間間隔為10 s,稱量10 s內(nèi)肥的排出量,試驗(yàn)組數(shù)為5組。試驗(yàn)共計(jì)重復(fù)5次,取平均值為最終的排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)評價(jià)結(jié)果。

排肥均勻變異系數(shù)性Y3的測試方法為:令果園開溝施肥機(jī)正常作業(yè)速度前進(jìn),肥料自然排下,調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速為98 r/min,開溝施肥機(jī)作業(yè)后,隨機(jī)測量其排下5段距離的排肥質(zhì)量。試驗(yàn)共計(jì)重復(fù)5次,取平均值為最終的排肥均勻性變異系數(shù)評價(jià)結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)4因素5水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法,運(yùn)用Design-Expert8.0.6對試驗(yàn)方案進(jìn)行分組與設(shè)計(jì),每組試驗(yàn)重復(fù)5次,取平均值為果園開溝施肥機(jī)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置作業(yè)時(shí)各指標(biāo)的最終評價(jià)結(jié)果。具體試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 2 Schemes and results of tests

2.3 排量一致性變異系數(shù)回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

排量一致性變異系數(shù)Y1方差分析如表3所示。由表3可知,對于排量一致性變異系數(shù)Y1,因素及因素之間交互作用影響的主次順序是x12、x22、x42、x32、x3、x4、x1x2、x2、x1、x1x4、x3x4、x2x3、x2x4、x1x3,折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的二次項(xiàng)x12、向內(nèi)折彎角的二次項(xiàng)x22、起點(diǎn)與中軸線的距離的二次項(xiàng)x42、向外折彎角的二次項(xiàng)x32、向外折彎角x3、起點(diǎn)與中軸線的距離x4、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互項(xiàng)x1x2對排量一致性變異系數(shù)Y1的影響極顯著(P<0.01);向內(nèi)折彎角x2、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度x1、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互項(xiàng)x1x4對排量一致性變異系數(shù)Y1的影響顯著(0.01

Y1=1.36+0.61x1+0.62x2-1.23x3-0.93x4-

1.07x1x2-0.69x1x4+1.26x12+1.39x22+

1.15x32+1.41x42

(2)

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn),其中P=0.070 7,排量一致性變異系數(shù)方差分析模型不顯著,說明不存在其他影響排量一致性變異系數(shù)的主要因素,排量一致性變異系數(shù)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系,三次及以上關(guān)系不顯著,故此方差分析可靠性較高。

2.4 排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2方差分析如表4所示。由表4可知,對于排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2,因素及因素之間交互作用影響的主次順序是x12、x22、x42、x3、x32、x1、x4、x1x2、x2、x1x4、x3x4、x2x3、x2x4、x1x3,折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的二次項(xiàng)x12、向內(nèi)折彎角的二次項(xiàng)x22、起點(diǎn)與中軸線的距離的二次項(xiàng)x42、向外折彎角x3、向外折彎角的二次項(xiàng)x32、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度x1、起點(diǎn)與中軸線的距離x4、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互項(xiàng)x1x2對排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2的影響極顯著(P<0.01);向內(nèi)折彎角x2、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互項(xiàng)x1x4對排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2的影響顯著(0.01

表4 排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)方差分析結(jié)果Tab. 4 Results of coefficient of variation in fertilizer stability

Y2=0.9+0.65x1+0.4x2-0.8x3-0.61x4-

0.69x1x2-0.45x1x4+0.92x12+0.88x22+

0.72x32+0.89x42

(3)

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn),其中P=0.094 6,排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)方差分析模型不顯著,說明不存在其他影響排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)的主要因素,排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系,三次及以上關(guān)系不顯著,故此方差分析可靠性較高。

2.5 排肥均勻性變異系數(shù)回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

排肥均勻性變異系數(shù)Y3方差分析如表5所示。由表5可知,對于排肥均勻性變異系數(shù)Y3,因素及因素之間的交互作用影響的主次順序依次是x12、x22、x42、x3、x32、x4、x1x2、x1、x2、x1x4、x3x4、x2x3、x2x4、x1x3。

表5 排肥均勻性變異系數(shù)方差分析結(jié)果Tab. 5 Results of coefficient of variation

折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的二次項(xiàng)x12、向內(nèi)折彎角的二次項(xiàng)x22、起點(diǎn)與中軸線的距離的二次項(xiàng)x42、向外折彎角x3、向外折彎角的二次項(xiàng)x32、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度x1、起點(diǎn)與中軸線的距離x4、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互項(xiàng)x1x2對排肥均勻性變異系數(shù)Y3的影響極顯著(P<0.01);折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度x1、向內(nèi)折彎角x2、折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互項(xiàng)x1x4對排肥均勻性變異系數(shù)Y3的影響顯著(0.01

Y3=4.4+2.4x1+2x2-3.97x3-3.01x4-

3.45x1x2-2.25x1x4+4.45x12+4.42x22+

3.65x32+4.49x42

(4)

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗(yàn),其中P=0.080 7,排肥均勻性變異系數(shù)方差分析模型不顯著,說明不存在其他影響排肥均勻性變異系數(shù)的主要因素,排肥均勻性變異系數(shù)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系,三次及以上關(guān)系不顯著,故此方差分析可靠性較高。

2.6 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert8.0.6統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度x1、向內(nèi)折彎角x2、向外折彎角x3、起點(diǎn)與中軸線的距離x4之間顯著和較顯著交互作用對排量一致性變異系數(shù)Y1、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2及排肥均勻性變異系數(shù)Y3的響應(yīng)曲面(確定其中的兩個(gè)因素水平,對另兩個(gè)因素水平交互作用進(jìn)行分析),如圖8所示。

圖8 響應(yīng)曲面分析圖

對于排量一致性變異系數(shù)Y1,當(dāng)向外折彎角為10°、起點(diǎn)與中軸線的距離為4 mm時(shí),折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互作用響應(yīng)曲面如圖8(a)所示,當(dāng)折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度一定時(shí),排量一致性變異系數(shù)Y1隨著向內(nèi)折彎角的增加而呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,最優(yōu)的向內(nèi)折彎角在13.5°～15.5°范圍內(nèi);當(dāng)向內(nèi)折彎角一定時(shí),排量一致性變異系數(shù)Y1隨著折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,最優(yōu)的折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度在4°～5°范圍內(nèi);折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互作用中,主要影響排量一致性變異系數(shù)Y1的因素是向內(nèi)折彎角。

對于排量一致性變異系數(shù)Y1,當(dāng)向內(nèi)折彎角為15°、向外折彎角為10°時(shí),折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互作用響應(yīng)曲面如圖8(b)所示,當(dāng)折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度一定時(shí),排量一致性變異系數(shù)Y1隨著起點(diǎn)與中軸線的距離的增加而呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,最優(yōu)的起點(diǎn)與中軸線的距離在4～5 mm 范圍內(nèi);當(dāng)起點(diǎn)與中軸線的距離一定時(shí),排量一致性變異系數(shù)Y1隨著折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,最優(yōu)的折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度在4°～5°范圍內(nèi);折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互作用中,主要影響排量一致性變異系數(shù)Y1的因素是起點(diǎn)與中軸線的距離。

對于排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2,當(dāng)向外折彎角為10°、起點(diǎn)與中軸線的距離為4 mm時(shí),折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互作用響應(yīng)曲面如圖8(c)所示,當(dāng)折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度一定時(shí),排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2隨著向內(nèi)折彎角的增加而呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,最優(yōu)的向內(nèi)折彎角在13.5°～15.5°范圍內(nèi);當(dāng)向內(nèi)折彎角一定時(shí),排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2隨著折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,最優(yōu)的折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度在4°～5°范圍內(nèi);折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互作用中,主要影響排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2的因素是折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度。

對于排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2,當(dāng)向內(nèi)折彎角為15°、向外折彎角為10°時(shí),折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互作用響應(yīng)曲面如圖8(d)所示,當(dāng)折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度一定時(shí),排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2隨著起點(diǎn)與中軸線的距離的增加而呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,最優(yōu)的起點(diǎn)與中軸線的距離在4～5 mm范圍內(nèi);當(dāng)起點(diǎn)與中軸線的距離一定時(shí),排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2隨著折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,最優(yōu)的折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度在4°～5°范圍內(nèi);折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互作用中,主要影響排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2的因素是折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度。

對于排肥均勻性變異系數(shù)Y3,當(dāng)向外折彎角為10°、起點(diǎn)與中軸線的距離為4 mm時(shí),折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互作用響應(yīng)曲面如圖8(e)所示,當(dāng)折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度一定時(shí),排肥均勻性變異系數(shù)Y3隨著向內(nèi)折彎角的增加而呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,最優(yōu)的向內(nèi)折彎角在13.5°～15.5°范圍內(nèi);當(dāng)向內(nèi)折彎角一定時(shí),排肥均勻性變異系數(shù)Y3隨著折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,最優(yōu)的折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度在4°～5°范圍內(nèi);折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和向內(nèi)折彎角的交互作用中,主要影響排肥均勻性變異系數(shù)Y3的因素是折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度。

對于排肥均勻性變異系數(shù)Y3,當(dāng)向內(nèi)折彎角為15°、向外折彎角為10°時(shí),折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互作用響應(yīng)曲面如圖8(f)所示,當(dāng)折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度一定時(shí),排肥均勻性變異系數(shù)Y3隨著起點(diǎn)與中軸線的距離的增加而呈現(xiàn)先減小后增大趨勢,最優(yōu)的起點(diǎn)與中軸線的距離在4～5 mm范圍內(nèi);當(dāng)起點(diǎn)與中軸線的距離一定時(shí),排肥均勻性變異系數(shù)Y3隨著折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,最優(yōu)的折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度在4°～5°范圍內(nèi);折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度和起點(diǎn)與中軸線的距離的交互作用中,主要影響排肥均勻性變異系數(shù)Y3的因素是起點(diǎn)與中軸線的距離。

2.7 參數(shù)優(yōu)化

通過對圖8中6個(gè)響應(yīng)曲面的分析,對因素的約束條件如下。

(5)

(6)

對其參數(shù)進(jìn)行求解,參數(shù)優(yōu)化結(jié)果:折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度為4.63°、向內(nèi)折彎角為14.4°、向外折彎角為10.57°,起點(diǎn)與中軸線的距離為4.27 mm,此時(shí)理論上排量一致性變異系數(shù)為0.72%,排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.39%,排肥均勻性變異系數(shù)為1.77%。

2.8 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

對參數(shù)求解結(jié)果進(jìn)行圓整,并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn),將優(yōu)化后的參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與排肥器的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,以驗(yàn)證優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。田間試驗(yàn)在崇州農(nóng)業(yè)園區(qū)內(nèi)進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)間為2022年10月8日,試驗(yàn)地與臺架試驗(yàn)在同一地區(qū),故氣候特點(diǎn)相同,所用試驗(yàn)材料、試驗(yàn)設(shè)備也與臺架試驗(yàn)相同。

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。由表6可知,相比于參數(shù)優(yōu)化結(jié)果,排量一致性變異系數(shù)提高12.5%、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)提高7.69%、排肥均勻性變異系數(shù)提高4.52%,各項(xiàng)均在可接受范圍內(nèi),因此臺架試驗(yàn)可靠性較強(qiáng)。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab. 6 Validate test results

3 結(jié)論

1) 本研究針對現(xiàn)有果園開溝施肥機(jī)疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置存在調(diào)節(jié)精度低、肥量調(diào)節(jié)不均勻等問題,設(shè)計(jì)了一種新型疊片式排肥量調(diào)節(jié)裝置。調(diào)節(jié)裝置為疊片式,疊片呈梯形,疊片的底部設(shè)有連接板,連接板的兩端分別設(shè)有鉸接孔,疊片沿中軸線偏向右側(cè)向內(nèi)折彎,疊片的兩側(cè)邊分別向內(nèi)和向外折彎。

2) 以折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度、疊片的兩側(cè)邊向內(nèi)折彎角、向外折彎角以及疊片的兩側(cè)折彎線的起點(diǎn)與中軸線的距離為試驗(yàn)因素,以排量一致性變異系數(shù)、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)、排肥均勻性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了4因素5水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明折彎線相對中軸線偏轉(zhuǎn)角度為4.63°、向內(nèi)折彎角為14.4°、向外折彎角為10.57°,起點(diǎn)與中軸線的距離為4.27 mm時(shí),排量一致性變異系數(shù)為0.72%,排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.39%,排肥均勻性變異系數(shù)為1.77%。

3) 對優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn),結(jié)果表明排量一致性變異系數(shù)為0.81%、排肥穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.42%、排肥均勻性變異系數(shù)為1.85%,相比于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)均滿足要求。