李文哲，王慶慶，崔 亮，張基因，荊 典，鞠文聰

農(nóng)家肥拋撒機(jī)拋撒性能分析與試驗(yàn)

李文哲，王慶慶，崔 亮，張基因，荊 典，鞠文聰

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

為研究究牽引式農(nóng)家肥拋撒機(jī)性能，以自行研制新型拋撒機(jī)為對(duì)象，通過(guò)分析拋撒機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)，建立農(nóng)家肥拋撒過(guò)程運(yùn)動(dòng)方程。選取拋撒轉(zhuǎn)速、行走速度和刮板間距為試驗(yàn)因素，以均勻度變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)作單因素和正交試驗(yàn)及響應(yīng)曲面。結(jié)果表明，拋撒轉(zhuǎn)速和行走速度對(duì)均勻度變異系數(shù)和撒肥幅寬影響較大，刮板間距在合理范圍內(nèi)對(duì)均勻度變異系數(shù)影響不顯著，刮板間距合理范圍為150～300 mm；當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速為365 r·min-1，行走速度為4.6 km·h-1，刮板間距為150 mm時(shí)，均勻度變異系數(shù)為22.6%，撒肥幅寬為2.26 m，此時(shí)撒肥幅寬滿足設(shè)計(jì)要求且變異系數(shù)最小，研究結(jié)果可為農(nóng)家肥拋撒機(jī)性能完善提供參考。

農(nóng)家肥；拋撒機(jī)；運(yùn)動(dòng)分析；拋撒性能；試驗(yàn)

化學(xué)肥料施用不合理導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量下降、板結(jié)等問(wèn)題[1]。增施農(nóng)家肥可改善土壤理化性質(zhì)，緩解化肥對(duì)土壤破壞。但農(nóng)家肥易結(jié)塊、含水率高、施用量大，在施肥過(guò)程中存在裝運(yùn)、作業(yè)強(qiáng)度大、人工撒施不均勻等問(wèn)題，農(nóng)家肥使用受限。國(guó)外學(xué)者研制儲(chǔ)存、裝卸、運(yùn)輸及田間撒施等機(jī)具，基本實(shí)現(xiàn)農(nóng)家肥施肥全程機(jī)械化[2]。法國(guó)庫(kù)恩公司生產(chǎn)的尾式拋撒和側(cè)式拋撒農(nóng)家肥拋撒機(jī)，具有刮板式或液壓背推式輸肥裝置，立式或臥式拋撒器可拋撒高含水率、高含雜率和結(jié)塊農(nóng)家肥。法國(guó)PICHON公司推出的農(nóng)家肥拋撒機(jī)配備立式拋撒轉(zhuǎn)軸，此類拋撒機(jī)可拋撒各種糞肥、農(nóng)家肥及沼渣。但國(guó)外拋撒機(jī)械體積龐大、價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)推廣難度較大。

目前，我國(guó)農(nóng)家肥拋撒機(jī)研究剛起步，孟憲章等通過(guò)自制圓盤式農(nóng)家肥撒肥器單因素和正交試驗(yàn)，確定撒肥器優(yōu)化工作參數(shù)組合[3]；閆飛等分析槳葉式農(nóng)家肥撒施機(jī)關(guān)鍵部件，得出相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方程[4]；施繼紅等運(yùn)用試驗(yàn)方法分析螺旋式撒肥器拋撒性能，確定影響拋撒性能拋撒器轉(zhuǎn)速、螺距和肥料輸送速度優(yōu)化參數(shù)組合[5]；吳愛(ài)兵等研究設(shè)計(jì)螺桿式農(nóng)家肥施肥機(jī)，田間試驗(yàn)表明各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，拋撒機(jī)研究多為機(jī)器工作原理闡述和關(guān)鍵部件簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)，肥料在撒肥葉片上受力情況及拋撒機(jī)構(gòu)距地面一定高度時(shí)肥料運(yùn)動(dòng)過(guò)程缺乏深入分析[6]。

肥料受力和運(yùn)動(dòng)過(guò)程與撒肥均勻性和撒肥幅寬有關(guān)，本研究針對(duì)自行研制農(nóng)家肥拋撒機(jī)，分析肥料撒肥葉片和空氣中受力情況并建立農(nóng)家肥拋撒過(guò)程運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)選擇合理拋撒轉(zhuǎn)速、輸肥速度（行走速度）和刮板間距，為拋撒機(jī)性能完善提供參考。

1 拋撒機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

本文設(shè)計(jì)農(nóng)家肥拋撒機(jī)為牽引式，采用地輪驅(qū)動(dòng)輸肥、拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)拋撒機(jī)構(gòu)。拋撒機(jī)主要由地輪、機(jī)架、肥箱、輸肥機(jī)構(gòu)、拋撒機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)和牽引架組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spreader

地輪3用于承載機(jī)身和肥料重量，通過(guò)輸肥傳動(dòng)系統(tǒng)4減速增矩為輸肥機(jī)構(gòu)2提供動(dòng)力；肥箱9安裝在機(jī)架7上部，容積為1.6 m3，肥箱底部由高強(qiáng)度耐腐蝕聚乙烯材料構(gòu)成，輸肥機(jī)構(gòu)由輸肥鏈輪、刮板、傳動(dòng)軸和雙側(cè)彎板鏈條組成，彎板鏈條相鄰兩彎板間距為150 mm；肥箱尾部安裝一對(duì)撒肥轉(zhuǎn)軸，安裝角度與拋撒農(nóng)家肥肥料休止角有關(guān)，拋撒機(jī)撒肥轉(zhuǎn)軸安裝角度設(shè)定為65°；為提升撒肥幅寬并均勻撒肥，每根旋轉(zhuǎn)軸上按照左旋8片和右旋8片對(duì)稱布置撒肥葉片，葉片邊緣設(shè)計(jì)有鋸齒形結(jié)構(gòu)，對(duì)結(jié)塊肥料有剪切作用，并在葉片兩側(cè)適當(dāng)折彎加強(qiáng)葉片強(qiáng)度，葉片采用1Gr18Ni9Ti材料，增強(qiáng)施肥部件耐磨和耐腐蝕性，提高使用壽命，降低維修成本。撒肥葉片實(shí)物見(jiàn)圖2。

農(nóng)家肥拋撒機(jī)工作原理：拋撒機(jī)由拖拉機(jī)牽引工作，當(dāng)處于非工作狀態(tài)時(shí)，離合器切斷地輪和輸肥軸之間動(dòng)力傳遞；當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，離合器嚙合，肥料被輸肥機(jī)構(gòu)緩慢均勻輸送到拋撒機(jī)構(gòu)；拋撒機(jī)構(gòu)在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，將肥料撞擊、剪切并拋撒到地面完成施肥。

圖2 撒肥葉片F(xiàn)ig.2 Blade of spreader

2 拋撒機(jī)關(guān)鍵部件工作機(jī)理分析

肥料由輸送鏈運(yùn)送到拋撒裝置，經(jīng)拋撒后落地，整個(gè)撒施過(guò)程肥料運(yùn)動(dòng)分為2個(gè)階段：葉片上運(yùn)動(dòng)和空中運(yùn)動(dòng)，其中葉片上運(yùn)動(dòng)看作肥料在葉片上滑動(dòng)和隨葉片做圓周運(yùn)動(dòng)合成。選取其中一個(gè)葉片為研究對(duì)象，忽略撒肥葉片折彎處對(duì)肥料影響。

2.1 肥料在葉片上受力分析

肥料在葉片上受力模型分析如圖3所示，在分析過(guò)程中不考慮肥料之間相互作用[7-9]。設(shè)任意半徑為r，O點(diǎn)處存在肥料（視為質(zhì)點(diǎn)），則葉片對(duì)肥料作用力為F，其方向由于肥料和葉片之間摩擦特性與葉片在此處法線方向偏離φ角；肥料所受離心力為Fi，方向?yàn)檩S心指向點(diǎn)O方向；另外，肥料還受自身重力G，方向豎直向下。其中，葉片對(duì)肥料作用力F可分解為法向推力Fn和切向摩擦力Ff。

圖3 肥料受力分析Fig.3 Mechanical analysisof manure

式中：p為螺旋刀軸功率（w）；n為螺旋刀軸轉(zhuǎn)速（r·min-1）；m為肥料質(zhì)量（kg）。

當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值nmin時(shí)，肥料所受向心力Fi與自身重力G相等，此時(shí)肥料剛好被拋起。聯(lián)立（5）和（7）式，轉(zhuǎn)速nmin滿足：

肥料分別位于撒肥葉片左側(cè)和右側(cè)豎直面內(nèi)受力分析結(jié)果見(jiàn)圖4。拋撒機(jī)穩(wěn)定撒肥時(shí)肥料受力平衡，滿足式（10）。

圖4 肥料豎直面受力Fig.4 Mechanical analysis of manure on vertical plane

式中：θ為肥料所處位置和撒肥轉(zhuǎn)軸軸心連線與豎直線偏離角度。根據(jù)圖4（a）和式（10）可知，肥料位于葉片右側(cè)時(shí)，偏離角度越大，肥料在豎直方向所受分力越大，當(dāng)達(dá)到一定程度，肥料隨撒肥轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)、飛濺，起到拋撒效果。在撒肥葉片參數(shù)及肥料性質(zhì)確定情況下，聯(lián)立（2）和式（10）可求得最小臨界角；根據(jù)圖4（b）可知，不考慮偏離角度，物料在豎直方向所受分力與自身重力方向一致，未出現(xiàn)肥料隨撒肥轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)情況。因此在設(shè)計(jì)撒肥轉(zhuǎn)軸安裝角度時(shí)，除考慮肥料自然休止角外，還要保證肥料在葉片右側(cè)最小偏移角度大于此臨界角。

2.2 肥料在撒肥葉片上運(yùn)動(dòng)分析

肥料在撒肥葉片上運(yùn)動(dòng)分析如圖5所示，設(shè)葉片外徑為D，螺距為s。當(dāng)拋撒葉片以角速度ω繞Z軸回轉(zhuǎn)時(shí)，肥料質(zhì)點(diǎn)一面在葉片上作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一面隨葉片作圓周運(yùn)動(dòng)，其速度可由速度三角形△OAB求得[10-12]。

圖5 肥料運(yùn)動(dòng)速度分析Fig.5 Speed analysis of manure

O點(diǎn)牽連速度Vo=ωr，用OA表示，方向?yàn)檠豘軸回轉(zhuǎn)切線方向；肥料相對(duì)于葉片滑動(dòng)速度，平行于O點(diǎn)螺旋面切線方向，用AB表示。當(dāng)肥料與葉片間無(wú)摩擦?xí)r，肥料絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度Vf與O點(diǎn)處葉片法線方向一致；

當(dāng)有摩擦力存在時(shí)，Vf與法線方向偏離一摩擦角φ，速度為：

式中：φ為肥料與葉片間摩擦角。牽連速度：

聯(lián)立式（1）～（3）得：

當(dāng)肥料運(yùn)動(dòng)到葉片邊緣時(shí)：

將式（5）代入式（4）整理得：

由式（16）可知，肥料離開(kāi)葉片邊緣速度與撒肥葉片轉(zhuǎn)速、外徑及拋撒轉(zhuǎn)軸螺距有關(guān)。本文設(shè)計(jì)撒肥機(jī)葉片外徑D為400 mm，螺距s為340 mm，肥料離開(kāi)葉片時(shí)速度僅與撒肥葉片轉(zhuǎn)速n有關(guān)。

2.3 肥料在空中運(yùn)動(dòng)分析

肥料離開(kāi)葉片邊緣后被拋撒到空中作斜上拋運(yùn)動(dòng)[13-14]，如圖6所示。在初速度Vf所在豎直平面內(nèi)，圖中選定肥料在地面投影位置為原點(diǎn)O，螺旋刀軸距地高度為h，取水平方向?yàn)閄軸，豎直方向?yàn)閅軸，出射角為θ。

圖6 肥料在空氣中運(yùn)動(dòng)分析Fig.6 Motion analysisof manure in air

若不計(jì)空氣阻力，則肥料在空中水平方向不受力，豎直方向只受重力作用。速度方程為：

當(dāng)達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)有：

當(dāng)肥料落地時(shí)，在X軸方向位移S：

即：

化簡(jiǎn)后：

由上式可知，肥料拋撒距離與肥料離開(kāi)撒肥葉片時(shí)速度、拋撒轉(zhuǎn)軸距地高度及出射角有關(guān)。本文設(shè)計(jì)撒肥機(jī)拋撒轉(zhuǎn)軸距地高度h為800 mm，若拋撒機(jī)拋撒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速設(shè)定，則肥料離開(kāi)撒肥葉片時(shí)速度確定，此時(shí)拋撒距離s僅與肥料出射角θ有關(guān)。由上式易知，當(dāng)sin2θ取最大值1時(shí)，即此時(shí)肥料水平射程最遠(yuǎn)；

由式（16）和（21），結(jié)合設(shè)計(jì)撒肥轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，計(jì)算得出Smax=0.84m。

肥料沿撒肥轉(zhuǎn)軸軸向擴(kuò)散寬度Δb近似取Smax70%～75%。經(jīng)計(jì)算Δb=0.59～0.63。

依據(jù)農(nóng)家肥拋撒機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，理論計(jì)算撒肥幅寬Bp：

式中：L—撒肥轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度（m），L=1.2m；

Δb—肥料沿軸向擴(kuò)散寬度（m）；

計(jì)算撒肥幅寬范圍：Bp=2.38～2.46m。

3 撒肥機(jī)性能試驗(yàn)與分析

3.1 肥料物理參數(shù)測(cè)定與試驗(yàn)設(shè)備

在拋撒機(jī)性能試驗(yàn)前需測(cè)定農(nóng)家肥物理特性，試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。

試驗(yàn)測(cè)定農(nóng)家肥（堆肥、牛糞肥）取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院能源與動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室和哈爾濱香坊農(nóng)場(chǎng)，試驗(yàn)用烘干法、稱量法、斜面儀和休止角測(cè)定儀分別測(cè)定肥料含水率、容積密度、滑動(dòng)摩擦角及自然休止角，肥料每一個(gè)物理特性參數(shù)至少測(cè)定3次，取平均值為該參數(shù)值，測(cè)定結(jié)果如表2所示。

3.2 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇和布置

拋撒機(jī)性能試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院試驗(yàn)田開(kāi)展，將撒肥葉片轉(zhuǎn)速?gòu)恼麢C(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中獨(dú)立，采用三相異步電機(jī)為拋撒裝置提供動(dòng)力，由變頻器控制其轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)裝置如圖12所示。

試驗(yàn)場(chǎng)地為長(zhǎng)30m，寬3m矩形區(qū)域，采用250mm×190mm×90mm肥料收集盒對(duì)肥料定點(diǎn)收集，在預(yù)設(shè)農(nóng)家肥拋撒機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)擺放15個(gè)肥料收集盒，形成5×3收集矩陣，收集盒擺放如圖8所示。Y軸為拋撒機(jī)肥機(jī)中軸線，正方向?yàn)橥侠瓩C(jī)行駛方向。

表1 試驗(yàn)設(shè)備Table1 Equipmentofexperiment

表2 農(nóng)家肥物理特性參數(shù)Table2 Characteristicsparametersoffarmmanure

圖7 拋撒試驗(yàn)設(shè)備Fig.7 Spreader test

圖8 肥料收集盒擺放Fig.8 Manure collecting box

3.3 方法及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20346.1-2006[15]、GB/T25401-2010[16]及 美 國(guó) ASAE（American society of agricultural engineers）S341.3[17]中規(guī)定試驗(yàn)方法，農(nóng)家肥拋撒試驗(yàn)中，每列肥料收集盒中肥料質(zhì)量疊加，形成1×3單行收集矩陣，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。選定撒肥葉片轉(zhuǎn)速、拋撒車行走速度、刮板間距為試驗(yàn)因素，探討各因素對(duì)撒肥規(guī)律影響，確定適宜工作參數(shù)范圍。

評(píng)價(jià)農(nóng)家肥拋撒機(jī)重要性能指標(biāo)是撒施均勻度和撒肥寬度，通常用均勻度變異系數(shù)（Coeffi?cient of variation）衡量施肥誤差，拋撒機(jī)均勻度變異系數(shù)越小，則施肥一致性程度越高，反之施肥一致性程度越差。均勻度變異系數(shù)用a表示，其計(jì)算方法如下：

式中：s—標(biāo)準(zhǔn)差；

xˉ—收集盒中肥料質(zhì)量絕對(duì)平均值（kg）；

n—收集盒列數(shù)；

xi—i列收集盒中肥料質(zhì)量之和（kg）。

撒肥幅寬確定，確定兩側(cè)肥料覆蓋區(qū)域所含物料重量為中間肥料區(qū)所含物料一半施肥區(qū)，取兩個(gè)施肥區(qū)中心距離為撒肥幅寬B。

4.4 結(jié)果與分析

4.4.1 單因素試驗(yàn)研究

選定拋撒轉(zhuǎn)速、拋撒機(jī)行走速度和刮板間距為試驗(yàn)因素，以撒肥幅寬和撒肥均勻度變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)作單因素試驗(yàn)。

在拋撒機(jī)行走速度、刮板間距（150 mm）、拋撒機(jī)載肥量和載肥高度不變情況下，改變拋撒轉(zhuǎn)速，繪制拋撒轉(zhuǎn)速對(duì)撒肥均勻度變異系數(shù)影響關(guān)系曲線。如圖9所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

由圖9可知，均勻度變異系數(shù)隨拋撒轉(zhuǎn)速增大呈先減后增趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為335～365 r·min-1時(shí)，均勻度變異系數(shù)較小，均低于32%，且變化趨勢(shì)小。拋撒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速低時(shí)，葉片對(duì)肥料拋撒效果較弱，隨轉(zhuǎn)速增高，拋撒效果逐漸變好；當(dāng)轉(zhuǎn)速由365 r·min-1升至380 r·min-1，均勻度變異系數(shù)明顯上升，拋撒轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速升高，帶動(dòng)拋撒機(jī)振動(dòng)增大，影響拋撒機(jī)穩(wěn)定性，撒肥均勻度變異系數(shù)變大。拋撒機(jī)3種行走速度對(duì)應(yīng)均勻度變異系數(shù)差別不顯著，相同拋撒轉(zhuǎn)速下，拋撒機(jī)行走速度4.5 km·h-1時(shí)，對(duì)應(yīng)撒肥均勻度變異系數(shù)普遍低于3.5和5.5 km·h-1行走速度變異系數(shù)。

在拋撒轉(zhuǎn)速、拋撒機(jī)行走速度等條件不變情況下，改變刮板間距，探究撒肥均勻度變異系數(shù)變化規(guī)律，刮板間距對(duì)均勻度變異系數(shù)影響關(guān)系曲線見(jiàn)圖10，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

由圖10可知，拋撒轉(zhuǎn)速為335或365 r·min-1，刮板間距在150～300 mm時(shí)，均勻度變異系數(shù)均無(wú)明顯變化；但刮板間距由300 mm設(shè)置為450 mm時(shí)，撒肥均勻度變異系數(shù)發(fā)生突變，均勻度變異系數(shù)在刮板間距為450 mm時(shí)躍升達(dá)40%，比刮板間距300 mm時(shí)升高10%，超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)農(nóng)家肥拋機(jī)撒肥均勻性要求（GB/T2540-2010要求均勻度變異系數(shù)＜40%）。發(fā)生突變?cè)蚴枪伟彘g距設(shè)為450 mm時(shí)，肥料輸送不均勻，肥料發(fā)生坍塌，在高處出現(xiàn)肥料架空現(xiàn)象。因此撒肥均勻度變異系數(shù)發(fā)生突變。

圖9 拋撒轉(zhuǎn)速對(duì)均勻度變異系數(shù)影響Fig.9 Influence of spreader rotational speed on CV

在拋撒機(jī)行走速度、刮板間距、拋撒機(jī)載肥量和載肥高度不變情況下，拋撒轉(zhuǎn)速不同，拋撒轉(zhuǎn)速對(duì)撒肥幅寬影響關(guān)系曲線見(jiàn)圖11，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。由圖11可知，刮板間距為150或300 mm時(shí)，隨拋撒轉(zhuǎn)速增加，拋撒幅寬逐漸升高，拋撒轉(zhuǎn)速與撒肥幅寬呈線性關(guān)系。3種拋撒機(jī)行走速度對(duì)應(yīng)撒肥幅寬差別不大，且拋撒機(jī)行走速度為4.5 km·h-1時(shí)對(duì)應(yīng)撒肥幅寬高于行走速度為3.5和5.5 km·h-1對(duì)應(yīng)撒肥幅寬。同時(shí)可知，實(shí)際作業(yè)中，可通過(guò)改變拋撒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)撒肥幅寬。

圖10 刮板間距對(duì)均勻度變異系數(shù)影響Fig.10 Influence of scraper spacing on CV

圖11 拋撒轉(zhuǎn)速對(duì)撒肥幅寬影響Fig.11 Influenceof spreader rotational speed on effective breadth

在拋撒機(jī)拋撒轉(zhuǎn)速、行走速度、拋撒機(jī)載肥質(zhì)量和裝肥高度不變情況下，改變刮板間距，記錄試驗(yàn)結(jié)果，繪制刮板間距對(duì)撒肥幅寬影響折線圖。如圖11所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。上文刮板間距對(duì)撒肥均勻度變異系數(shù)影響結(jié)果中，在刮板間距為450 mm時(shí)，均勻度變異系數(shù)超出農(nóng)家肥拋撒機(jī)設(shè)計(jì)要求，故此舍去該值。度變異系數(shù)在刮板間距為450 mm時(shí)躍升達(dá)40%，比刮板間距300 mm時(shí)升高10%，超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)農(nóng)家肥拋機(jī)撒肥均勻性要求（GB/T2540-2010要求均勻度變異系數(shù)＜40%）。發(fā)生突變?cè)蚴枪伟彘g距設(shè)為450 mm時(shí)，肥料輸送不均勻，肥料發(fā)生坍塌，在高處出現(xiàn)肥料架空現(xiàn)象。因此撒肥均勻度變異系數(shù)發(fā)生突變。

在拋撒機(jī)行走速度、刮板間距、拋撒機(jī)載肥量和載肥高度不變情況下，拋撒轉(zhuǎn)速不同，拋撒轉(zhuǎn)速對(duì)撒肥幅寬影響關(guān)系曲線見(jiàn)圖11，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。由圖11可知，刮板間距為150或300 mm時(shí)，隨拋撒轉(zhuǎn)速增加，拋撒幅寬逐漸升高，拋撒轉(zhuǎn)速與撒肥幅寬呈線性關(guān)系。3種拋撒機(jī)行走速度對(duì)應(yīng)撒肥幅寬差別不大，且拋撒機(jī)行走速度為4.5 km·h-1時(shí)對(duì)應(yīng)撒肥幅寬高于行走速度為3.5和5.5 km·h-1對(duì)應(yīng)撒肥幅寬。同時(shí)可知，實(shí)際作業(yè)中，可通過(guò)改變拋撒轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)撒肥幅寬。

在拋撒機(jī)拋撒轉(zhuǎn)速、行走速度、拋撒機(jī)載肥質(zhì)量和裝肥高度不變情況下，改變刮板間距，記錄試驗(yàn)結(jié)果，繪制刮板間距對(duì)撒肥幅寬影響折線圖。如圖11所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。上文刮板間距對(duì)撒肥均勻度變異系數(shù)影響結(jié)果中，在刮板間距為450 mm時(shí)，均勻度變異系數(shù)超出農(nóng)家肥拋撒機(jī)設(shè)計(jì)要求，故此舍去該值。

表3 因素水平Table 3 Function and level

表4 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Experiments schemeand result

由圖11可知，撒肥幅寬隨拋撒轉(zhuǎn)速升高呈遞增趨勢(shì)，與拋撒轉(zhuǎn)速對(duì)撒肥幅寬影響結(jié)果一致；對(duì)比圖中不同刮板間距對(duì)應(yīng)曲線可知，兩刮板間距對(duì)應(yīng)撒肥幅寬差別不顯著，趨于重合，說(shuō)明刮板間距對(duì)撒肥幅寬幾乎無(wú)影響。4.4.2 正交試驗(yàn)研究

4.4.2.1 試驗(yàn)參數(shù)

為確定合理拋撒機(jī)工作參數(shù)組合，在拋撒撒肥幅寬滿足設(shè)計(jì)要求前提下，施肥均勻度變異系數(shù)最小。結(jié)合現(xiàn)有資料和拋撒機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)要求，選定拋撒轉(zhuǎn)速（r·min-1）、拋撒機(jī)行走速度（km·h-1）、刮板間距（mm）為試驗(yàn)因素，以撒肥幅寬（m）、均勻度變異系數(shù)（%）為試驗(yàn)指標(biāo)開(kāi)展正交試驗(yàn)。確定影響撒肥幅寬、均勻度變異系數(shù)主次因素和較優(yōu)組合，設(shè)計(jì)因素水平如表3所示。

單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，刮板間距定為150和300 mm，利用擬水平法開(kāi)展正交試驗(yàn)。

4.4.2.2 試驗(yàn)方案

表5 均勻度變異系數(shù)方差分析Table5 Varianceanalysisfor coefficient of variation

表6 撒肥幅寬方差分析Table 6 Variance analysis for effective breadth

圖12 各因素對(duì)變異系數(shù)和拋撒幅寬影響響應(yīng)曲面Fig.12 Response surfaceof every factor on coefficient of variation and spreader width

根據(jù)確定因素水平，選用L9(34)正交表。利用擬水平法為刮板間距虛擬一個(gè)水平，湊足3個(gè)水平，留出空列作為誤差列估計(jì)試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4。

4.4.2.3 結(jié)果分析

通過(guò)正交試驗(yàn)，在取得原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用Design-Expert8.0.6軟件方差分析，得到方差分析表5～6。

由表5可知，因素A顯著性水平P=0.0065＜0.01，高度顯著；因素B顯著性水平P=0.0839＜0.1，因素B對(duì)撒肥均勻度變異系數(shù)影響較顯著；因素C顯著性水平P=0.6741＞0.1，其對(duì)撒肥均勻度變異系數(shù)影響不顯著。將因素C平方和并入誤差平方和，重新計(jì)算，即在程序模型中去掉C，求得A顯著性水平P1＜0.0001，高度顯著；因素B顯著性水平P1=0.0143＜0.05，顯著。因素主次順序?yàn)锳＞B＞C。

由表6可知，因素A顯著性水平P=0.0038＜0.01，高度顯著；因素B顯著性水平P2=0.0418＜0.05，顯著；因素C顯著性水平P2=0.3636＞0.1，不顯著。因素對(duì)撒肥幅寬影響主次順序?yàn)锳＞B＞C。

4.4.3 響應(yīng)曲面分析

各因素對(duì)均勻度變異系數(shù)和撒肥幅寬影響響應(yīng)曲面如圖12所示。

當(dāng)刮板間距為300 mm時(shí)，拋撒轉(zhuǎn)速和行走速度對(duì)變異系數(shù)影響如圖12a所示。當(dāng)行走速度一定時(shí)，均勻度變異系數(shù)隨拋撒轉(zhuǎn)速升高呈小幅度減小后增加趨勢(shì)；當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，變異系數(shù)隨行走速度升高呈先減后增趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)不明顯；拋撒轉(zhuǎn)速對(duì)變異系數(shù)影響大于行走速度，當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速在355 r·min-1，行走速度在4.5 km·h-1附近時(shí)，變異系數(shù)趨近于最小。

當(dāng)行走速度為4.5 km·h-1時(shí)，拋撒轉(zhuǎn)速和刮板間距對(duì)變異系數(shù)影響如圖12b所示。當(dāng)刮板間距一定時(shí)，變異系數(shù)隨拋撒轉(zhuǎn)速升高而增大；當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，變異系數(shù)幾乎不隨拋撒機(jī)行走速度變化而變化；行走速度對(duì)變異系數(shù)影響大于刮板間距對(duì)變異系數(shù)影響。

當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速為365 r·min-1時(shí)，行走速度和刮板間距對(duì)變異系數(shù)影響如圖12c所示。當(dāng)刮板間距一定時(shí)，均勻度變異系數(shù)隨行走速度增大呈先減后增趨勢(shì)；當(dāng)行走速度一定時(shí)，刮板間距增大，變異系數(shù)基本不變。

當(dāng)刮板間距為300 mm時(shí)，拋撒轉(zhuǎn)速和行走速度對(duì)撒肥幅寬影響如圖12d所示。當(dāng)行走速度一定時(shí)，撒肥幅寬隨拋撒轉(zhuǎn)速升高呈線性增大；當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，撒肥幅寬隨行走速度升高呈拋物線型變化，先增后減；當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速在380 r·min-1，行走速度為4.5 km·h-1附近時(shí)，撒肥幅寬達(dá)最大。

當(dāng)行走速度為4.5 km·h-1時(shí)，拋撒轉(zhuǎn)速和刮板間距對(duì)撒肥幅寬影響如圖12e所示。當(dāng)刮板間距不變時(shí)，拋撒轉(zhuǎn)速升高，撒肥幅寬跟增大；而刮板間距改變，撒肥幅寬不變。

當(dāng)刮板間距為300 mm時(shí)，行走速度和刮板間距對(duì)撒肥幅寬影響如圖12f所示。行走速度對(duì)撒肥幅寬影響大于刮板間距。

為確定優(yōu)化試驗(yàn)因素水平組合，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)化求解，選取撒肥幅寬趨于最大，同時(shí)變異系數(shù)趨于最小時(shí)參數(shù)組合為最優(yōu)解。通過(guò)優(yōu)化得到較優(yōu)解：拋撒轉(zhuǎn)速為365.33 r·min-1（取365 r·min-1），行走速度為4.64 km·h-1（取4.6 km·h-1），刮板間距為150 mm。此時(shí)，變異系數(shù)為22.42%，撒肥幅寬為2.3 m。試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)為22.6%，撒肥幅寬2.26 m，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 論

a.設(shè)計(jì)新型牽引式農(nóng)家肥拋撒機(jī)，采用地輪驅(qū)動(dòng)輸肥、拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)拋撒，通過(guò)試驗(yàn)確定滿足農(nóng)家肥拋撒均勻度要求的變異系數(shù)和撒肥幅寬。理論分析肥料質(zhì)點(diǎn)在撒肥葉片和空氣中運(yùn)動(dòng)，確定肥料運(yùn)動(dòng)方程。

b.測(cè)定農(nóng)家肥肥料物理特性參數(shù)，其中堆肥含水率Wω為67.8%，容積密度γ為514.6 kg·m-3，滑動(dòng)摩擦角φ為30.1°，自然休止角φr為36.7°；牛糞肥含水率Wω為42.7%，容積密度γ為497 kg·m-3，滑動(dòng)摩擦角φ為35.1°，自然休止角φr為41.7°；為農(nóng)家肥拋撒機(jī)設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)。

c.在單因素試驗(yàn)中，拋撒機(jī)行走速度和刮板間距不變情況下，改變拋撒轉(zhuǎn)速，均勻度變異系數(shù)隨撒肥轉(zhuǎn)速增大呈先減后增趨勢(shì)；在拋撒轉(zhuǎn)速、拋撒機(jī)行走速度不變，改變刮板間距，刮板間距在150～300 mm時(shí)，均勻度變異系數(shù)無(wú)明顯變化，但刮板間距由300 mm增至450 mm時(shí)，均勻度變異系數(shù)激增至46.7%，超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

d.在正交試驗(yàn)中，設(shè)定拋撒轉(zhuǎn)速、施肥機(jī)行走速度、刮板間距為試驗(yàn)因素，分別以均勻度變異系數(shù)、撒肥幅寬為試驗(yàn)指標(biāo)。方差分析和響應(yīng)面分析，結(jié)果表明，對(duì)于均勻度變異系數(shù)和撒肥幅寬兩試驗(yàn)指標(biāo)，影響因素主次順序?yàn)椋簰伻鲛D(zhuǎn)速、施肥機(jī)行走速度、刮板間距；最優(yōu)參數(shù)組合為拋撒轉(zhuǎn)速365 r·min-1，行走速度4.6 km·h-1，刮板間距150 mm；驗(yàn)證與優(yōu)化結(jié)果基本一致，滿足拋撒機(jī)設(shè)計(jì)要求。

[1] 郭勝利,周印東,張文菊,等.長(zhǎng)期施用化肥對(duì)糧食生產(chǎn)和土壤質(zhì)量性狀的影響[J].水土保持研究,2003,10(1):16-22.

[2] 施繼紅.農(nóng)家肥撒施機(jī)工作部件的試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春:吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2002.

[3] 孟憲章,施繼紅,王雪蓮,等.圓盤式有機(jī)肥撒肥器拋撒性能影響因素的試驗(yàn)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(27):335-337.

Performance analysis and experiment of farm manure spreader

LI Wenzhe,WANG Qingqing,CUILiang,ZHANG Jiyin,JING Dian,JU Wencong
(School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

In order to explore the performance of traction farm manure spreader,through analyzing the structure and working principle of the spreader,the motion of the fertilizer in the process of salvaging was established.Rotating speed of spreader,speed of spreader and distance of scraper were as experimental factors and coefficient variation was as test index.Test results showed that rotating speed of spreader and speed of spreader had great effect on the coefficient of variation,the distance of scraper had no significant effect on the uniformity coefficient of variation within a reasonable range,the reasonable range was 150-300 mm;when rotating speed of spreader was 365 r·min-1,speed of spreader was 4.6 km·h-1,distance of scraper was 150 mm,the coefficient of vibration was 22.6%,and the spreader width was 2.26 m,the spreader width was the best to meet the requirements of the machinery,and coefficient of variation was the smallest.The results can provide a reference for the optimization of farm manure spreader.

farm manure;spreader;motion analysis;performance of spreader;experiment

S224.2

A

1005-9369（2017）12-0057-11

時(shí)間2017-12-18 13:44:40 [URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20171218.1344.012.html

李文哲,王慶慶,崔亮,等.農(nóng)家肥拋撒機(jī)拋撒性能分析與試驗(yàn)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,48(12):57-67.

Li Wenzhe,Wang Qingqing,Cui Liang,et al.Performance analysis and experiment of farm manure spreader[J].Journal of Northeast Agricultural University,2017,48(12):57-67.(in Chinese with English abstract)

2017-05-25

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD21B03）

李文哲（1955-），教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)轉(zhuǎn)化與利用，E-mail:liwenzhe9@163.com