陳桂斌 ，王慶杰 ，李洪文 ，何 進(jìn) ，盧彩云 ，張馨悅

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部保護(hù)性耕作農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引 言

東北黑土區(qū)是重要的商品糧生產(chǎn)基地，然而長(zhǎng)期無(wú)節(jié)制的開(kāi)發(fā)利用使黑土層不斷變薄、變瘦和變硬[1-3]。應(yīng)用保護(hù)性耕作技術(shù)并增施有機(jī)肥是黑土地保護(hù)的重要技術(shù)手段。施用有機(jī)肥能夠培肥地力、提高農(nóng)作物品質(zhì)、改善化肥污染[4-5]，但在有機(jī)肥施用過(guò)程中存在肥料易結(jié)塊、撒施利用率低、施肥環(huán)節(jié)復(fù)雜等問(wèn)題，制約了有機(jī)肥的應(yīng)用。

有機(jī)肥為含濕物料，易結(jié)塊，傳統(tǒng)鏈排式運(yùn)肥裝置對(duì)于肥群的擾動(dòng)效果差，在作業(yè)過(guò)程中易產(chǎn)生肥料架空等問(wèn)題。同時(shí)，肥料結(jié)塊影響肥效釋放?，F(xiàn)有施肥裝置多為利用高速旋轉(zhuǎn)部件（離心圓盤(pán)、螺旋槳葉，錘片）將肥塊擊碎并拋撒至地表，但肥塊破碎效果不佳，致使撒施不均，肥料利用率低。撒施肥料后需配合翻耕或旋耕將肥料與土壤充分混合，作業(yè)成本高。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對(duì)有機(jī)肥施肥方式進(jìn)行了相關(guān)研究，在固體有機(jī)肥破碎施用方面，陳桂斌等[6]針對(duì)結(jié)塊有機(jī)肥肥效釋放困難、不利于機(jī)械化作業(yè)的問(wèn)題，提出差速對(duì)輥碎肥的方法；張涵等[7]針對(duì)有機(jī)肥易潮解、結(jié)塊的物理特性，設(shè)計(jì)了雙螺旋結(jié)構(gòu)，力求在輸肥的過(guò)程中攪拌碎肥；郝延杰等[8]開(kāi)發(fā)了一款精準(zhǔn)有機(jī)肥施肥機(jī)，實(shí)現(xiàn)大塊肥料的二次破碎后撒施，利用液壓泵站和拖拉機(jī)后輸出傳動(dòng)結(jié)合的方式為施肥機(jī)提供動(dòng)力；LANDRY 等[9]利用離散元法對(duì)立式撒肥螺旋的肥料撒布情況和流動(dòng)特性進(jìn)行了研究；BABII 等[10]對(duì)固體撒肥機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)和外部載荷情況進(jìn)行模擬，建立機(jī)架設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型；COETZEE 等[11-12]對(duì)撒施離心圓盤(pán)的肥料顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，肥料分布情況及分配器的位置開(kāi)展研究。在有機(jī)肥開(kāi)溝條施方面，劉大為等[13]設(shè)計(jì)了一種雙旋耕刀輥并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)功耗影響因素進(jìn)行分析；王少偉等[14]針對(duì)山地果園的開(kāi)溝需求設(shè)計(jì)并優(yōu)化了傾斜螺旋式開(kāi)溝部件，并對(duì)刀片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；張宏建等[15]針對(duì)果園開(kāi)溝施肥效率低，施肥一致性差的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種開(kāi)溝深度可自動(dòng)調(diào)節(jié)的雙行開(kāi)溝施肥機(jī)。在提升有機(jī)肥施肥機(jī)械化水平方面，HU等[16-17]為提高丘陵山地的固體有機(jī)肥施肥質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于丘陵山區(qū)的傾斜刮板式有機(jī)肥施肥機(jī)；李娟等[18]為解決含雜率高，施肥不均勻，肥料利用率低的問(wèn)題，研發(fā)了一種集開(kāi)溝、施肥與覆土功能于一體的自動(dòng)化施肥機(jī)。在有機(jī)肥仿真模型建立方面，付靜等[19]為探明有機(jī)肥含水率對(duì)于排肥性能的影響，對(duì)不同含水率的有機(jī)肥物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，并利用離散元分析軟件進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定；YUAN 等[20-25]針對(duì)散體有機(jī)肥顆粒仿真模型欠缺問(wèn)題，提出通過(guò)仿真試驗(yàn)建立模型并結(jié)合物理試驗(yàn)的尋優(yōu)方法，選用JKR 接觸模型并進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定。

上述研究為固體有機(jī)肥施肥機(jī)械化發(fā)展提供了相應(yīng)的技術(shù)與裝備支撐，但并未較好地解決固體有機(jī)肥條施肥過(guò)程中肥塊過(guò)大、破碎率低、肥料二次結(jié)塊影響排肥質(zhì)量等問(wèn)題。為此，本文依據(jù)條帶耕作模式提出了螺旋槳葉與差速對(duì)輥組合的有機(jī)肥破碎條施方案，并對(duì)關(guān)鍵部件開(kāi)溝施肥鏟和鎮(zhèn)壓輪的工作過(guò)程進(jìn)行理論分析，建立固體有機(jī)肥離散元模型，明確螺旋槳葉參數(shù)對(duì)肥塊運(yùn)動(dòng)的影響，指導(dǎo)條施機(jī)肥箱和螺旋槳葉的設(shè)計(jì)優(yōu)化。最后對(duì)固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)的性能進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證其作業(yè)性能并得到最佳工作參數(shù)。

1 固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

1.1 作業(yè)模式

為提升地力增加土壤有機(jī)質(zhì)，減少化肥施用，本文提出在有機(jī)肥施肥條帶上種植玉米的條帶耕作模式，如圖1 所示，為適應(yīng)東北地區(qū)春玉米種植模式，所設(shè)計(jì)的條施機(jī)作業(yè)幅寬為60 cm，作業(yè)行數(shù)為2 行，作業(yè)過(guò)程中在施肥條帶內(nèi)完成肥塊破碎和條施，施肥帶設(shè)計(jì)寬度為25 cm，施肥深度為20 cm，可在秋季玉米收獲后或春季玉米播種前進(jìn)行條施作業(yè)?？紤]到地表秸稈覆蓋，施肥過(guò)程可在清秸作業(yè)后進(jìn)行，也可在條施機(jī)上加裝秸稈清理裝置同步進(jìn)行清茬作業(yè)與施肥作業(yè)。

圖1 玉米條帶耕作模式Fig.1 Maize strip farming mode

1.2 整體結(jié)構(gòu)

固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)主要針對(duì)有機(jī)肥易結(jié)塊、條施排肥困難等問(wèn)題進(jìn)行設(shè)計(jì)。該裝置的安裝位置和主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要由螺旋槳葉碎肥裝置、對(duì)輥碎肥裝置、開(kāi)溝施肥鏟、覆土圓盤(pán)、鎮(zhèn)壓輪等組成，整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 整機(jī)參數(shù)Table 1 Machine parameters

圖2 固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of solid organic fertilizer crushing and striping machine

1.3 工作原理

固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)為拖拉機(jī)牽引作業(yè)，并由拖拉機(jī)后輸出帶動(dòng)雙聯(lián)泵為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。傳動(dòng)裝置的液壓馬達(dá)將動(dòng)力傳遞至螺旋槳葉碎肥裝置處帶動(dòng)槳葉繞中心軸線(xiàn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使肥塊完成初步切割破碎并將肥塊沿螺旋的軸向向欄網(wǎng)處輸送，欄網(wǎng)對(duì)肥塊粒徑進(jìn)行篩分，粒徑小于30 mm 的肥塊離開(kāi)肥箱進(jìn)入到運(yùn)肥鏈排上，運(yùn)肥鏈排做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將初步破碎的肥塊運(yùn)送到對(duì)輥碎肥裝置施肥腔內(nèi)，通過(guò)對(duì)輥碎肥裝置輥齒的差速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)肥塊的二次破碎。開(kāi)溝施肥鏟鏟尖破土開(kāi)溝并延遲回土，保證肥料能夠落入溝中，凹面覆土圓盤(pán)在壓簧仿形機(jī)構(gòu)作用下對(duì)地面仿形并強(qiáng)制回土，對(duì)有機(jī)肥料層進(jìn)行覆土。其中，覆土角度可根據(jù)開(kāi)溝施肥鏟的開(kāi)溝深度和土壤環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，鎮(zhèn)壓裝置的鎮(zhèn)壓輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)對(duì)施肥條帶內(nèi)的有機(jī)肥層和覆土層進(jìn)行壓實(shí)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)的關(guān)鍵部件主要有傳動(dòng)與行走裝置，螺旋槳葉碎肥裝置，差速對(duì)輥碎肥裝置，開(kāi)溝施肥裝置和鎮(zhèn)壓裝置。其中，固體有機(jī)肥的破碎和輸送為機(jī)具的核心功能，開(kāi)溝和鎮(zhèn)壓為有機(jī)肥條施提供保障。

2.1 傳動(dòng)與行走裝置

傳動(dòng)與行走裝置對(duì)條施機(jī)的作業(yè)性能和運(yùn)輸過(guò)程有重要影響。固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)主要由液壓驅(qū)動(dòng)，拖拉機(jī)后輸出軸帶動(dòng)萬(wàn)向節(jié)軸連接條施機(jī)的齒輪箱Ⅱ按1∶1.395 增速，將動(dòng)力傳遞給兩側(cè)的液壓雙聯(lián)齒輪泵上，帶動(dòng)齒輪泵高速轉(zhuǎn)動(dòng)，為液壓泵站提供32 MPa 油壓，液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件通過(guò)液壓油管連接到兩側(cè)的調(diào)速閥上，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速可通過(guò)調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大輸出扭矩為770 N·m，齒輪箱Ⅰ按1.71∶1 減速，增加螺旋槳葉的作業(yè)扭矩，齒輪箱Ⅲ完成動(dòng)力換向。螺旋槳葉碎肥裝置、差速對(duì)輥碎肥裝置和運(yùn)肥鏈排均通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其中螺旋槳葉碎肥裝置配置減速增扭齒輪箱Ⅰ為螺旋槳葉軸提供動(dòng)力（圖3）。

圖3 傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of main transmission device

行走裝置主要由行走輪和液壓升降油缸組成，在運(yùn)輸過(guò)程中油缸提升使條施機(jī)的開(kāi)溝施肥鏟、仿形輪、鎮(zhèn)壓輪等離開(kāi)地面，行走輪接觸地面，通過(guò)拖拉機(jī)牽引完成道路運(yùn)輸；在作業(yè)過(guò)程中油缸降落，開(kāi)溝施肥鏟、仿形輪、鎮(zhèn)壓輪等接觸地面，通過(guò)拖拉機(jī)牽引實(shí)現(xiàn)固體有機(jī)肥的破碎條施作業(yè)。

2.2 螺旋槳葉碎肥裝置

螺旋槳葉碎肥裝置主要針對(duì)運(yùn)肥過(guò)程中肥料破碎和輸送進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要由肥箱、柵網(wǎng)、槳葉、液壓馬達(dá)、傳動(dòng)裝置組成，如圖4 所示。其中，液壓馬達(dá)為左、右螺旋槳葉提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)兩螺旋槳葉同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)肥碎肥，螺旋槳葉相較于傳統(tǒng)鏈板式運(yùn)肥裝置可提升對(duì)肥群的擾動(dòng)，避免肥料架空。

圖4 螺旋槳葉碎肥裝置Fig.4 Propeller blade fertilizer crushing device

槳葉作為肥箱的關(guān)鍵部件對(duì)肥塊破碎和輸送至關(guān)重要，通過(guò)前期研究確定槳葉對(duì)稱(chēng)布置。對(duì)稱(chēng)布置形式相較于螺旋線(xiàn)和螺旋與槳葉的組合布置形式具有肥料擾動(dòng)大、肥塊破碎效果優(yōu)、肥箱內(nèi)肥料滯留少等優(yōu)勢(shì)。對(duì)稱(chēng)布置的螺旋槳葉運(yùn)肥裝置主要由槳葉、中心軸管和底座組成，4 個(gè)槳葉為一組焊接在中心軸管上，共8 組。肥塊在槳葉的作用下進(jìn)行切割破碎，沿著螺旋方向軸向輸送。其中軸管長(zhǎng)度d4為1 695 mm，槳葉回轉(zhuǎn)直徑d2為410 mm，槳葉間距d3為227 mm。經(jīng)過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)，螺旋槳葉碎肥裝置的回轉(zhuǎn)速度為0～90 r/min。

2.2.1 運(yùn)肥過(guò)程分析

槳葉轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)肥料輸送速度有直接影響。肥料軸向輸送速度和圓周速度均隨槳葉轉(zhuǎn)速增加而增大，而當(dāng)槳葉轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍時(shí)，肥料自重不能克服離心力而產(chǎn)生周向跳躍，造成肥料飛揚(yáng)，不利于肥料的輸送。為明確槳葉結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)運(yùn)肥過(guò)程的影響，對(duì)槳葉運(yùn)肥過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖5 所示。

圖5 槳葉運(yùn)肥速度分析Fig.5 Speed analysis of fertilizer transport of blade

肥塊運(yùn)動(dòng)速度主要為牽連速度v1和相對(duì)速度v2矢量合成的速度v3，受肥塊與槳葉間摩擦力的影響，合成速度偏轉(zhuǎn)一定的摩擦角η，實(shí)際為ve，將絕對(duì)速度ve分解為vx、vy，根據(jù)圖5 有如下關(guān)系：

式中S為螺距，mm。

可得：

由式(2)可知，當(dāng)1-tanηtanλ≤0 時(shí)，對(duì)vx進(jìn)行求導(dǎo)，并令dvx/dη=0，則肥塊的最大軸向運(yùn)動(dòng)速度所對(duì)應(yīng)的螺旋角λmax=π/4-λ/2。當(dāng)螺距S不變時(shí)，槳葉半徑d2/2 增大，螺旋角λ減小。此時(shí)，肥料的輸送量增大，但肥料的軸向運(yùn)動(dòng)速度vx減?。籗與η成正比，當(dāng)S、η增大時(shí)vx也相應(yīng)增大[26-27]。設(shè)計(jì)螺旋角λ為42°[28]，當(dāng)槳葉碎肥裝置的作業(yè)速度為60～90 r/min 時(shí)[28]，摩擦角η為18°[29]，肥料輸送的最大軸向運(yùn)動(dòng)速度為0.587 m/s，最大周向運(yùn)動(dòng)速度為0.294 m/s，周向速度遠(yuǎn)大于軸向速度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.3 差速對(duì)輥碎肥裝置

如圖6 所示，前期對(duì)差速對(duì)輥碎肥裝置的施肥輥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，齒輥長(zhǎng)度la為175 mm，齒輥直徑lb為50 mm，輥齒高度da、齒寬db、齒厚dc分別為12、8.4和9.6 mm，輥齒的排布方式為螺旋線(xiàn)排列[6]。兩施肥輥轉(zhuǎn)速對(duì)肥塊破碎率影響顯著（P＜0.000 1），當(dāng)上施肥輥轉(zhuǎn)速為238 r/min，下施肥輥轉(zhuǎn)速為374 r/min，兩施肥輥的中心高度差為71 mm 時(shí)，肥塊的破碎率最高[6]。

圖6 差速對(duì)輥碎肥裝置Fig.6 Differential speed double roller fertilizer crushing device

2.4 開(kāi)溝施肥裝置

開(kāi)溝施肥鏟是有機(jī)肥條施裝置的關(guān)鍵部件之一，其開(kāi)溝效果直接影響條施質(zhì)量。開(kāi)溝施肥過(guò)程如圖7 所示，鏟尖回土板實(shí)現(xiàn)延遲回土，待肥料落入所開(kāi)溝中，凹面覆土圓盤(pán)完成覆土。為增加鏟尖的開(kāi)溝寬度并防止開(kāi)溝過(guò)程中回土過(guò)快，在鏟尖處設(shè)計(jì)回土板，在保持開(kāi)溝溝型的同時(shí)延遲回土，確保開(kāi)溝質(zhì)量。鏟尖結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)溝質(zhì)量有重要影響，因此對(duì)其作業(yè)過(guò)程進(jìn)行受力分析。

開(kāi)溝施肥鏟進(jìn)入土壤穩(wěn)定作業(yè)后，致使土壤前端面出現(xiàn)剪切失效并起到切削土壤表層的效果，依據(jù)Soehne理論，土垡受到自身壓力與鏟尖的摩擦力、鏟尖切削力和土垡剪切力等共同作用。忽略土壤中石塊造成的切削阻力，鏟尖在水平方向和豎直方向上的受力如圖8 所示。

圖8 鏟尖作業(yè)過(guò)程受力分析Fig.8 Stress analysis during shovel tip operation

根據(jù)圖8 可知，在水平方向上：

在豎直方向上：

鏟尖在切削土壤過(guò)程中，土垡壓力以及由摩擦力所產(chǎn)生的工作阻力是鏟尖所受阻力的主要來(lái)源，在水平和豎直方向分別為

式中F1為土垡對(duì)鏟尖的水平方向阻力，N；F2為土垡對(duì)鏟尖的垂直方向阻力，N。

由圖8 可知，鏟尖作業(yè)時(shí)土垡質(zhì)量為

式中ρ為土壤密度，kg/m3。

假設(shè)鏟尖對(duì)土垡的切削為持續(xù)過(guò)程，鏟尖入土深度在150～200 mm 范圍內(nèi)保持不變，則B值恒定，在t0時(shí)間內(nèi)被加速的土垡質(zhì)量M0可根據(jù)被擾動(dòng)的土壤體積進(jìn)行確定：

解得：

通過(guò)式（9）可得到作業(yè)時(shí)鏟尖傾角θ與鏟尖所受到的土壤阻力之間關(guān)系，由上述分析可知鏟尖傾角θ對(duì)開(kāi)溝作業(yè)過(guò)程中土壤阻力和開(kāi)溝質(zhì)量有直接影響，鏟尖傾角增大可減小作業(yè)時(shí)鏟尖上方土垡的體積，從而減小土壤切削，鏟尖傾角為65°～75°時(shí)，利于鏟尖入土，且鏟尖上方的土垡體積小，受到土垡的作用力小，根據(jù)理論分析和前期研究[28]確定鏟尖傾角為73°。鏟尖的入土深度設(shè)計(jì)為150～200 mm，在此范圍內(nèi)入土深度越大在一定時(shí)間內(nèi)鏟尖上方土垡體積越大，因此鏟尖受力會(huì)增加。不同開(kāi)溝深度，鏟尖的回土速度有較大的差異，會(huì)影響開(kāi)溝施肥的施肥量穩(wěn)定性，后續(xù)通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)一步確定條施肥的施肥深度。

2.5 鎮(zhèn)壓裝置

鎮(zhèn)壓裝置主要由連接架、壓力調(diào)節(jié)板和鎮(zhèn)壓輪組成（圖9），鎮(zhèn)壓輪安裝在壓力調(diào)節(jié)板上，通過(guò)改變壓力調(diào)節(jié)板的孔位調(diào)節(jié)鎮(zhèn)壓力，其中，設(shè)計(jì)鎮(zhèn)壓傾角αz調(diào)節(jié)范圍為120°～150°，鎮(zhèn)壓傾角αz越大，鎮(zhèn)壓輪對(duì)地表的垂直鎮(zhèn)壓力越小。壓力調(diào)節(jié)板長(zhǎng)度lj為400 mm，鎮(zhèn)壓輪長(zhǎng)度lz為290 mm，鎮(zhèn)壓輪半徑Rz為180 mm，lz大于施肥帶寬度250 mm，滿(mǎn)足鎮(zhèn)壓幅寬要求。

圖9 鎮(zhèn)壓裝置Fig.9 Compaction device

鎮(zhèn)壓輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)可將將施肥條帶內(nèi)的土塊壓碎，并對(duì)土壤有壓實(shí)和推移作用。鎮(zhèn)壓過(guò)程中土壤與鎮(zhèn)壓輪接觸處的阻力主要為前進(jìn)方向的土壤壓實(shí)阻力。為明確鎮(zhèn)壓輪作業(yè)過(guò)程中的受力情況，合理調(diào)整鎮(zhèn)壓裝置的鎮(zhèn)壓傾角，對(duì)鎮(zhèn)壓輪與土壤的相互作用進(jìn)行分析，如圖10 所示。

圖10 鎮(zhèn)壓過(guò)程鎮(zhèn)壓輪受力分析Fig.10 Force analysis of compaction wheel during compactiong process

根據(jù)圖10 可知，鎮(zhèn)壓輪的受力平衡方程[30]為

鎮(zhèn)壓輪克服土壤壓實(shí)阻力所消耗的功與其作業(yè)時(shí)壓實(shí)土壤所消耗的功相等，故F與土壤壓實(shí)深度H存在相關(guān)性，由式（10）～（11）可知：

式中Kc為土壤特性參數(shù)；n為壓實(shí)指數(shù)；B1為鎮(zhèn)壓輪寬度，mm。

由圖10 可知鎮(zhèn)壓輪所受的壓實(shí)阻力F為

覆土鎮(zhèn)壓作業(yè)過(guò)程中，鎮(zhèn)壓輪的前進(jìn)阻力主要為土壤被推移產(chǎn)生推土阻力，由于鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)形式為鋼筋輪體，表面黏附土壤較少，故土壤黏附阻力可忽略不計(jì)，鎮(zhèn)壓輪克服土壤所產(chǎn)生的推土阻力Fa為

式中φt為土壤內(nèi)摩擦角，（°）；C為粘聚系數(shù)；Na、Nt為土壤承載系數(shù)，ρ為土壤密度，kg/m3；Fa和F與鎮(zhèn)壓輪結(jié)構(gòu)、土壤條件和垂直方向載荷有關(guān)，其中垂直方向上的載荷與鎮(zhèn)壓裝置壓力調(diào)節(jié)板角度調(diào)節(jié)的范圍（120°～150°）直接相關(guān)，在忽略黏附阻力的情況下鎮(zhèn)壓輪所受土壤阻力為Fa與F的矢量和[30-31]。在鎮(zhèn)壓過(guò)程中鎮(zhèn)壓傾角變化會(huì)影響鎮(zhèn)壓力的大小進(jìn)而對(duì)肥料在土壤中的分布和施肥量變異系數(shù)有直接影響。當(dāng)鎮(zhèn)壓傾角αz增大時(shí)，預(yù)設(shè)壓實(shí)深度H2減小，推土阻力Fa減小，鎮(zhèn)壓輪所受土壤阻力減小。反之，當(dāng)鎮(zhèn)壓傾角αz減小時(shí)，鎮(zhèn)壓輪所受土壤阻力增大。后續(xù)通過(guò)田間試驗(yàn)進(jìn)一步確定鎮(zhèn)壓傾角。

3 離散元仿真分析

通過(guò)離散元仿真分析能夠降低螺旋槳葉的研發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)效率。本文利用EDEM2020 軟件建立了結(jié)塊和散體肥料共同組成的固體有機(jī)肥離散元模型。通過(guò)堆積角和單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)肥塊參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，以肥料顆粒質(zhì)量變化、螺旋槳葉扭矩、肥料顆粒受力和肥料顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)螺旋槳葉的運(yùn)肥和碎肥過(guò)程進(jìn)行研究。

3.1 參數(shù)標(biāo)定

試驗(yàn)材料選取經(jīng)過(guò)堆放處理的牛糞肥，腐熟時(shí)間為20 d，含水率為 42.6%，密度為583 kg/m3，如圖11a所示，發(fā)酵廄肥由散體顆粒和結(jié)塊肥料共同組成。將尺寸大于80 mm 的肥塊移出，使用 GS 86 型電動(dòng)振篩機(jī)配合30、40、60 mm 孔徑篩網(wǎng)對(duì)散體肥料和結(jié)塊肥料進(jìn)行篩分。隨機(jī)取樣方式為四分法取樣，取樣質(zhì)量為2 kg，測(cè)得樣品粒徑分布如表2 所示。

表2 有機(jī)肥粒徑分布Table 2 Particle size distribution of solid organic fertilizer

圖11 固體有機(jī)肥及其仿真參數(shù)標(biāo)定Fig.11 Solid organic fertilizer and its simulation parameter calibration

利用EDEM2020 軟件中的Hertz-Mindlin with bonding 模型和Hertz-Mindlin with JKR 模型分別標(biāo)定結(jié)塊肥料和散體肥料的離散元仿真參數(shù)。

肥料離散元參數(shù)標(biāo)定通過(guò)圓筒提升法物理試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行，如圖11b 所示。通過(guò)堆積角來(lái)衡量有機(jī)肥本身的摩擦和流動(dòng)特性。萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)可精準(zhǔn)控制圓筒的提升速度，保證標(biāo)定過(guò)程的準(zhǔn)確性。使用固定位置的高速攝影裝置確定最終狀態(tài)，并測(cè)定有機(jī)肥堆積角。利用Hertz-Mindlin with JKR 模型將表面能引入顆粒間相互作用，通過(guò)改變接觸模型的粘結(jié)參數(shù)調(diào)整仿真試驗(yàn)的堆積角，使仿真試驗(yàn)堆積角與物理試驗(yàn)堆積角趨于一致，獲取有機(jī)肥離散元仿真參數(shù)。如圖11c，通過(guò)漏斗法對(duì)獲取的離散元參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，保證離散元模型的準(zhǔn)確性。

使用內(nèi)徑為50 mm 的亞克力管制成高度為60 mm的圓柱體，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)結(jié)塊肥料進(jìn)行標(biāo)定。使用 REGER 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以100 mm/min 的速度對(duì)試樣進(jìn)行壓縮，利用肥料載荷-位移和形變對(duì)所標(biāo)定的粘結(jié)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

基于上述標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果在EDEM2020 中建立散體肥料與結(jié)塊肥料結(jié)合的離散元仿真模型，如圖11 d 所示，肥料模型主要由散體肥料和結(jié)塊肥料組成，根據(jù)肥料粒徑分布建立30～80 mm 結(jié)塊肥群，以表征結(jié)塊肥料的物理特性，使用API 函數(shù)顆粒替換隨機(jī)生成肥塊，同時(shí)建立以3.5 mm 球形顆粒組成散體有機(jī)肥群。有機(jī)肥粘結(jié)參數(shù)如表3 所示。

表3 有機(jī)肥料關(guān)鍵粘結(jié)參數(shù)Table 3 Key parameters of organic fertilizer

3.2 模型建立

肥料在槳葉的回轉(zhuǎn)作用下由肥箱前端逐漸向后端運(yùn)動(dòng)，在肥箱前、中段主要實(shí)現(xiàn)肥料破碎，后段完成肥料輸送。如圖12 所示，在肥箱內(nèi)建立肥群模型，并將肥箱分為3 部分，依次添加肥箱前段（傳感器1）、肥箱中段（傳感器2）和肥箱后段（傳感器3），傳感器尺寸均為長(zhǎng)×寬×高（1 500 mm×1 000 mm×600 mm）。通過(guò)EDEM2020后處理模塊的Setup Selections 選項(xiàng)設(shè)置不同位置的傳感器對(duì)肥箱特定區(qū)域進(jìn)行分析，分別導(dǎo)出仿真時(shí)間內(nèi)肥箱前、中、后3 段肥料顆粒的質(zhì)量、受力、運(yùn)動(dòng)速度變化以及肥料在破碎輸送過(guò)程的槳葉受力等數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可監(jiān)測(cè)肥箱中肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)和觸肥部件的受力，為肥箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為提高仿真效率，對(duì)肥箱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將不影響分析結(jié)果的結(jié)構(gòu)去除，并將三維軟件Solidiworks2018 中的模型保存為stp 格式導(dǎo)入到EDEM2020 軟件中。在前處理面板中調(diào)整螺旋槳葉與肥箱間的相對(duì)位置，螺旋槳葉繞中心軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速為60 r/min，槳葉與側(cè)壁的最小安裝間隙為25 mm，兩螺旋槳葉的中心間距為490 mm，柵網(wǎng)間距為30 mm，仿真時(shí)間為6 s。

圖12 螺旋槳葉仿真模型Fig.12 Simulation model of propeller blade

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真過(guò)程如圖13 所示，在1 s 時(shí)刻肥料完全落入肥箱中，在2～3 s，隨著螺旋槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)，肥箱內(nèi)的肥料開(kāi)始破碎和軸向輸送。在3～6 s，肥箱內(nèi)的肥料完成進(jìn)一步破碎和軸向輸送，并有肥料離開(kāi)肥箱進(jìn)入到肥料收集箱內(nèi)。肥箱底部和側(cè)壁位置的肥料顆粒運(yùn)動(dòng)速度大能達(dá)到2.5 m/s，在靠近中心軸管位置處肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度小為0.5 m/s 左右，主要原因是槳葉旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)使得肥料的運(yùn)動(dòng)速度較高。仿真過(guò)程表明，肥料箱內(nèi)肥料的輸送和破碎過(guò)程穩(wěn)定，肥料被均勻排出肥箱，沒(méi)有肥料被擊打出肥箱和肥料集中雍堵現(xiàn)象。

圖13 肥料破碎輸送仿真試驗(yàn)過(guò)程Fig.13 Simulation test process of fertilizer crushing and conveying

為量化分析肥料在肥箱內(nèi)的輸送過(guò)程和肥箱內(nèi)關(guān)鍵零部件的受力，通過(guò)EDEM2020 后處理模塊分別導(dǎo)出傳感器1（碎肥階段Ⅰ）、傳感器2（碎肥階段Ⅱ），傳感器3（運(yùn)肥階段）監(jiān)測(cè)0～6 s 的肥料顆粒質(zhì)量變化數(shù)據(jù)、螺旋槳葉扭矩?cái)?shù)據(jù)、有機(jī)肥顆粒受力數(shù)據(jù)和有機(jī)肥顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)，通過(guò)Origin2021 制圖，結(jié)果如圖14 所示。

圖14 仿真結(jié)果分析Fig.14 Analysis of simulation results

如圖14a 所示，傳感器1 的有機(jī)肥顆粒質(zhì)量逐漸減小，傳感器2 和3 的有機(jī)肥顆粒質(zhì)量逐漸增加，其中傳感器2 的有機(jī)肥顆粒質(zhì)量由91.88 kg 增加至130.01 kg，趨勢(shì)為均勻連續(xù)增加，無(wú)波動(dòng)。傳感器3 內(nèi)有機(jī)肥顆粒質(zhì)量由26.90 kg 增加至62.85 kg，且增加過(guò)程同樣為均勻連續(xù)增加，無(wú)波動(dòng)。仿真結(jié)果表明，對(duì)稱(chēng)布置的螺旋槳葉能夠完成肥料的均勻定向輸送，且輸送過(guò)程穩(wěn)定，滿(mǎn)足肥料的輸送要求。

如圖14b 所示，傳感器1、傳感器2、傳感器3 內(nèi)螺旋槳葉的平均扭矩分別為52.05、58.75 和20.42 N·m。在肥塊輸送破碎過(guò)程中，傳感器中螺旋槳葉所受扭矩均是波動(dòng)的，主要由于在破碎肥塊的過(guò)程中Bond 鍵斷裂需要較大的扭矩。傳感器1 和2 內(nèi)螺旋槳葉破碎扭矩大于傳感器3，且波動(dòng)幅度均大于傳感器3，主要由于傳感器1 和2 位于肥箱前段，在肥料下落位置的正下方，因此傳感器1 和2 區(qū)域內(nèi)的槳葉承擔(dān)更多的肥塊破碎和輸送任務(wù)，故所受扭矩較大。在0～4 s 傳感器2 內(nèi)螺旋槳葉所受扭矩的平均值為67.88 N·m，傳感器2 內(nèi)螺旋槳葉所受扭矩大于傳感器1 和傳感器2。在0～6 s 內(nèi)傳感器1 和2 的螺旋槳葉所受扭矩差異較小，能夠滿(mǎn)足肥塊的破碎輸送要求，傳感器3 內(nèi)螺旋槳葉所受扭矩明顯小于傳感器1 和2，因?yàn)榇藚^(qū)域內(nèi)螺旋槳葉對(duì)肥料的破碎較少，主要承擔(dān)肥料的輸送。因此需對(duì)傳感器1 和2 位置處的螺旋槳葉進(jìn)行加固，增加槳葉與中心軸連接處的焊點(diǎn)，同時(shí)選用強(qiáng)度較高的螺栓固定槳葉，避免在碎肥過(guò)程槳葉發(fā)生形變或斷裂。

如圖14c 所示，傳感器1、傳感器2 和傳感器3 內(nèi)肥料顆粒的平均受力分別為343.25、374.38 和224.22 N。在0～1 s 肥料顆粒受力明顯大于其他時(shí)刻，傳感器1、傳感器2、傳感器3 內(nèi)的平均受力分別為544.15，579.76和222.29 N，在此期間肥料落入肥箱，在槳葉的作用下肥塊完成初始破碎，因此顆粒受力較大。在0～6 s 傳感器1 和2 內(nèi)肥料顆粒受力遠(yuǎn)高于傳感器3，主要原因?yàn)樵趥鞲衅? 和2 內(nèi)，大量的肥塊在此處完成破碎，槳葉與肥箱側(cè)壁“動(dòng)定”配合對(duì)肥塊切割破碎，并將破碎肥料定向輸送。因此在傳感器1 和2 內(nèi)槳葉和肥箱側(cè)壁對(duì)肥料的作用力明顯高于傳感器3，肥料顆粒的擾動(dòng)大，受力大。此外，傳感器3 區(qū)域內(nèi)顆粒平均受力較小，主要完成肥料顆粒的運(yùn)送。

如圖14d 所示，傳感器1、傳感器2 和傳感器3 內(nèi)肥料顆粒平均運(yùn)動(dòng)速度分別為0.59、0.64 和0.55 m/s，與前述理論分析結(jié)果一致。傳感器1、2 和3 內(nèi)顆粒的平均運(yùn)動(dòng)速度從高到低為傳感器2、傳感器1、傳感器3。由于在肥料顆粒輸送過(guò)程中傳感器2 位置處肥料顆粒數(shù)量增加，而傳感器1 位置處肥料顆粒減少，因此傳感器2 位置聚集大量肥料顆粒，槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)肥料顆粒的擾動(dòng)增加，使得肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)速度相較于傳感器1 有小幅度增加。在0～1 s 內(nèi)由于肥料顆粒與槳葉接觸，因此肥料顆粒獲得了較大的初速度，顆粒受到?jīng)_擊后不能和其他肥料顆粒穩(wěn)定碰撞減小平均速度。在1～6 s 過(guò)程內(nèi)，肥料全部落入肥箱，肥料顆粒隨槳葉的旋轉(zhuǎn)發(fā)生周向和軸向運(yùn)動(dòng)，肥料顆粒獲得穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)速度，且無(wú)明顯波動(dòng)。

肥箱的受力如圖15 所示。傳感器1、傳感器2 和傳感器3 內(nèi)肥箱總受力的平均值分別為6 503、14 010和94 N（圖15a）。傳感器1 和2 位置肥箱的總受力遠(yuǎn)高于傳感器3。由肥箱的受力云圖（圖15b）可知，肥箱側(cè)壁和肥箱底部受力明顯高于其他區(qū)域，主要由于肥料在落入肥箱的過(guò)程中對(duì)肥箱產(chǎn)生壓力，使得肥箱的底部受力較大，此外槳葉與肥箱側(cè)壁和肥箱底部“動(dòng)定”配合共同完成肥塊破碎，因此在肥箱底部和側(cè)壁位置受到肥塊破碎時(shí)所產(chǎn)生的擠壓作用，受力要高于其他區(qū)域?；谏鲜龇治?，在加工過(guò)程中需要加固肥箱底部和側(cè)壁。

圖15 肥箱受力分析Fig.15 Stress analysis of fertilizer box

為增強(qiáng)槳葉對(duì)肥塊的破碎效果，槳葉設(shè)計(jì)為齒爪形式。螺旋槳葉的受力分析表明，受力較大區(qū)域主要集中在槳葉齒爪上。槳葉在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)散體肥料和結(jié)塊肥料進(jìn)行軸向輸送和破碎，如圖16 所示，對(duì)肥塊切割破碎過(guò)程中，槳葉齒爪位置受力明顯高于其他位置。因此加工的材料需進(jìn)行強(qiáng)化處理，槳葉使用噴丸處理的Q235板材，線(xiàn)切割加工，并且通過(guò)噴施防腐蝕涂層提高其使用壽命。

圖16 螺旋槳葉受力分布情況Fig.16 Stress distribution of propeller blade

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

依據(jù)前述仿真試驗(yàn)與理論分析，對(duì)固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)進(jìn)行樣機(jī)試制，如圖17 所示。為測(cè)試所設(shè)計(jì)的固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)的地面撒施和田間條施性能，2022年8 月在山東省天盛機(jī)械有限公司開(kāi)展地面撒施試驗(yàn)和田間條施試驗(yàn)。主要試驗(yàn)設(shè)備有東方紅1304 型拖拉機(jī)、肥料采集盒（127 mm×67 mm×22 mm）。

圖17 試驗(yàn)樣機(jī)的關(guān)鍵部件示意圖Fig.17 Schematic diagram of key components of the experimental machine

商品顆粒有機(jī)肥粒徑普遍小于10 mm[6]，目前農(nóng)藝環(huán)節(jié)并未對(duì)廄肥施用的粒徑提出要求，但在田間施肥過(guò)程中，一般認(rèn)為肥料粒徑越小越好，肥塊在破碎后有利于肥效釋放，提高肥料利用率，同時(shí)能提升條施肥均勻性，利于機(jī)械化作業(yè)。

基于前述理論，機(jī)具的鎮(zhèn)壓傾角、作業(yè)速度和開(kāi)溝深度對(duì)施肥質(zhì)量有較大影響，根據(jù)前述分析，機(jī)具鎮(zhèn)壓傾角的調(diào)節(jié)范圍為120°～150°，機(jī)具前進(jìn)速度為5～7 km/h，開(kāi)溝施肥深度范圍為150～200 mm，使用L9（33）均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)表進(jìn)行三因素三水平的均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)。

采用施肥量變異系數(shù)為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考GB /T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》，在試驗(yàn)完成后隨機(jī)選取5 個(gè)長(zhǎng)度為 127 mm 的區(qū)域，重復(fù) 3 次，得到每個(gè)區(qū)域內(nèi)的施肥量變異系數(shù)，計(jì)算式為

式中Mf為各個(gè)區(qū)域肥料質(zhì)量，g；Yf為施肥量變異系數(shù)，為5 個(gè)區(qū)域肥料的平均質(zhì)量，g。

4.2 結(jié)果與分析

田間試驗(yàn)（圖18）試驗(yàn)因素編碼如表4 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。如圖18 所示，以6 km/h 的前進(jìn)速度和60 r/min 的螺旋槳葉轉(zhuǎn)速對(duì)樣機(jī)進(jìn)行肥料地面撒施和田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在地面撒施過(guò)程中，螺旋槳葉和差速對(duì)輥共同作用使肥塊細(xì)碎，肥料粒徑范圍在0～30 mm 以?xún)?nèi)，作業(yè)過(guò)程中未出現(xiàn)肥料斷條現(xiàn)象，施肥過(guò)程穩(wěn)定，施肥量變異系數(shù)平均值為21.5%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

表4 田間試驗(yàn)因素與水平Table 4 Field test factors and levels

表5 田間試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 5 Field test scheme and results

圖18 作業(yè)效果Fig.18 Machine operation effect

如表6 所示，由方差分析可知，試驗(yàn)整體模型極顯著（P＜0.01），能夠較好地評(píng)價(jià)試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的參數(shù)關(guān)系。其中，鎮(zhèn)壓傾角和前進(jìn)速度對(duì)于指標(biāo)影響極顯著，各因素對(duì)施肥量變異系數(shù)影響的主次順序?yàn)锽、A、C。

表6 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 6 Analysis of variance of test results

4.3 作業(yè)參數(shù)選取與驗(yàn)證

正交試驗(yàn)結(jié)果表明，固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)在作業(yè)過(guò)程中施肥量變異系數(shù)在20%左右，施肥過(guò)程穩(wěn)定可靠。為獲得固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)的最佳工作參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)因素參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，遵循施肥變異系數(shù)小，施肥均勻性高的原則，第1 組試驗(yàn)得到其最優(yōu)參數(shù)組合為鎮(zhèn)壓傾角120°，前進(jìn)速度5 km/h，開(kāi)溝施肥深度150 mm，施肥量變異系數(shù)為15.2%。其中，第4 組試驗(yàn)中得到較優(yōu)參數(shù)組合為鎮(zhèn)壓傾角135°，前進(jìn)速度5 km/h，開(kāi)溝施肥深度175 mm，施肥量變異系數(shù)為17.8%。2 組試驗(yàn)結(jié)果接近，在相同試驗(yàn)條件對(duì)2 組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行重復(fù)2 次的試驗(yàn)驗(yàn)證，最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合和較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合的施肥變異系數(shù)的均值為15.9%和17.2%，誤差均小于5%，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

5 結(jié) 論

1)依據(jù)條帶耕作模式設(shè)計(jì)了固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)并闡述該裝置的工作原理，對(duì)關(guān)鍵部件開(kāi)溝施肥鏟和鎮(zhèn)壓輪的工作過(guò)程進(jìn)行理論分析，明晰鏟尖傾角和鎮(zhèn)壓傾角變化對(duì)于開(kāi)溝過(guò)程和鎮(zhèn)壓過(guò)程所受土壤阻力的影響。

2)通過(guò)所建立的固體有機(jī)肥離散元模型，明確了螺旋槳葉參數(shù)對(duì)肥塊運(yùn)動(dòng)的影響。碎肥過(guò)程肥箱前段、中段的螺旋槳葉平均扭矩分別為52.05 和58.75 N·m，肥料顆粒平均受力分別為343.25 和374.38 N，遠(yuǎn)高于運(yùn)肥過(guò)程中平均扭矩20.42 N·m 和肥料顆粒平均受力224.22 N。肥料顆粒運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定在0.6 m/s 左右，無(wú)明顯波動(dòng)。

3)對(duì)固體有機(jī)肥破碎條施機(jī)的性能進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，9 組試驗(yàn)的施肥量變異系數(shù)平均值為在21.5%，施肥過(guò)程穩(wěn)定可靠，其最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為鎮(zhèn)壓傾角120°，前進(jìn)速度5 km/h，開(kāi)溝施肥深度150 mm，施肥量變異系數(shù)為15.2%，驗(yàn)證結(jié)果的施肥變異系數(shù)的均值為15.9%，誤差小于5%，試驗(yàn)結(jié)果可靠。