廖宜濤 高麗萍 廖慶喜 張青松 劉立超 付云開(kāi)

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜是我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要冬季油料作物，且具有飼、肥、菜、蜜及旅游觀花等多種功能用途，其種植模式以水旱交替的稻油輪作為主[1-2]。油菜精量聯(lián)合直播可一次性完成所有油菜種植工序，是油菜輕簡(jiǎn)化栽培的重要技術(shù)，在促進(jìn)油菜生長(zhǎng)和糧油高產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用[3-5]。

施肥是油菜種植的重要環(huán)節(jié)，目前我國(guó)直播油菜基肥主要以撒施、淺層混施為主，存在肥料分布不均勻、作物根系吸肥量不一致等問(wèn)題。研究表明，同等氮肥用量和運(yùn)籌下，直播油菜通過(guò)深施基肥將化肥條施在地表下作物根系密集層，可保證被作物充分吸收，增加干物質(zhì)積累，提高油菜產(chǎn)量，減少肥料有效成分的揮發(fā)和流失，提高肥料利用率[6-7]。直播油菜基肥深度一般控制在80～100 mm，以促進(jìn)苗期根系生長(zhǎng)，滿足后期養(yǎng)分需求，同時(shí)避免殘留過(guò)多[8-9]。深施緩控釋肥，使肥料養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物生長(zhǎng)周期養(yǎng)分吸收需求同步，延長(zhǎng)養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)間，可提高肥料利用率，減少后期追肥次數(shù)，實(shí)現(xiàn)油菜輕簡(jiǎn)化栽培[10-11]。

化肥深施的關(guān)鍵部件是深施肥裝置，其主要功能是先分隔表層土壤、秸稈等物料，開(kāi)出肥溝，將肥料導(dǎo)入指定深度的土層，再由回流土壤進(jìn)行覆蓋。VAMERALI等[12]研制了一種帶有寬掃刀的鑿式施肥裝置，前端鑿型鏟開(kāi)出肥溝，后端寬掃刀通過(guò)其上側(cè)犁刀切斷秸稈，并通過(guò)犁刀后端使土壤和玉米秸稈殘茬充分混合后回填肥溝。JOHAN和AILI等[13-14]研制一種類(lèi)彈齒式施肥開(kāi)溝器，通過(guò)土槽試驗(yàn)研究了不同類(lèi)型鏟尖對(duì)土壤的擾動(dòng)、土層碎裂狀態(tài)及工作阻力的影響。楊然兵等[15]研制了一種馬鈴薯種植組合式分層施肥開(kāi)溝器，開(kāi)溝器前鏟入土開(kāi)溝并對(duì)土壤進(jìn)行切削破碎，V型防堵結(jié)構(gòu)防止回土堵塞出肥口，分土板對(duì)肥料進(jìn)行回土覆蓋。祝清震等[16-17]設(shè)計(jì)了冬小麥基肥分層定深施用裝置，實(shí)現(xiàn)了分層施肥作業(yè)并對(duì)出肥口位置與施肥深度關(guān)系進(jìn)行了研究。曾山等[18]研制的同步開(kāi)溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機(jī)采用銳角式施肥開(kāi)溝器開(kāi)出肥溝，通過(guò)拖板刮土覆蓋肥溝實(shí)現(xiàn)機(jī)械定位深施肥。陳雄飛等[19]研制的水田兩級(jí)排肥裝置，采用滑切式水田深施肥開(kāi)溝器開(kāi)出肥溝，通過(guò)仿形導(dǎo)肥管內(nèi)的螺旋輸送器將肥料施入肥溝內(nèi)，避免出肥口堵塞。

以上深施肥裝置主要適用于旱地或水田作業(yè)。長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)前茬作物為水稻，油菜直播農(nóng)時(shí)緊張，土壤因水稻生產(chǎn)季長(zhǎng)期浸泡而導(dǎo)致黏重板結(jié)，且水稻收獲后秸稈殘茬量大，現(xiàn)有深施肥裝置作業(yè)時(shí)易出現(xiàn)工作部件黏附土壤、纏繞秸稈，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)具壅土堵塞，影響了機(jī)具通過(guò)性，難以實(shí)現(xiàn)油菜直播深施肥作業(yè)。本文基于已在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)[20-21]，設(shè)計(jì)配套的主動(dòng)式防堵深施肥裝置，通過(guò)工作原理分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定施肥鏟主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)與旋耕刀配合作業(yè)、主動(dòng)刮削，防止施肥鏟體掛草堵塞，完成深施肥作業(yè)，以滿足稻油輪作區(qū)油菜種植施肥播種的農(nóng)藝要求。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

裝配深施肥裝置的2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)如圖1所示，主要由主機(jī)架、仿形驅(qū)動(dòng)地輪、排肥系統(tǒng)、排種系統(tǒng)、開(kāi)畦溝犁、旋耕部件、包絡(luò)式施肥鏟、平土板、雙圓盤(pán)開(kāi)溝器等組成，其中包絡(luò)式施肥鏟固定在主機(jī)架后梁上，鏟體包絡(luò)旋耕刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡，利用旋耕刀刮削實(shí)現(xiàn)鏟體表面防黏附。直播機(jī)工作時(shí)由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，兩側(cè)的前后組合式開(kāi)畦溝犁開(kāi)溝；旋耕部件在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)下正旋切削土壤，同時(shí)對(duì)鏟體上的黏附物進(jìn)行主動(dòng)刮削、拋撒，避免土壤秸稈在施肥鏟面上黏附堆積造成壅土堵塞；施肥鏟阻隔碎土，通過(guò)包絡(luò)式腔體引導(dǎo)肥料均勻投放至肥溝，隨后通過(guò)碎土回流和平土板作用，實(shí)現(xiàn)深施肥料覆蓋并平整廂面。開(kāi)溝旋耕深施肥及平土板等工作部件相互配合，形成適宜油菜播種的種床，排種器排出的種子落入雙圓盤(pán)開(kāi)溝器在種床上開(kāi)出的種溝中，完成聯(lián)合直播作業(yè)。

圖1 油菜精量聯(lián)合直播機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 深施肥開(kāi)溝鏟體設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 施肥鏟體結(jié)構(gòu)及參數(shù)

包絡(luò)式施肥鏟結(jié)構(gòu)曲線如圖2所示，其由入土段ABC、過(guò)渡段CD、鏟柄段DE組成，D點(diǎn)為機(jī)架后梁最低點(diǎn)；工作時(shí)，土壤與施肥鏟主要接觸、發(fā)生黏土掛草部位為ABC段，其中AB為入土段，BC為拋土接觸段；為實(shí)現(xiàn)旋耕刀主動(dòng)刮削黏附在施肥鏟體上的土壤秸稈混合物，ABC段設(shè)計(jì)為與旋耕刀軸回轉(zhuǎn)中心同心、包絡(luò)旋耕刀末端運(yùn)動(dòng)軌跡的圓弧。AB段根據(jù)油菜種植施肥深度要求確定；BC段圓弧的圓心角越大，施肥鏟的包絡(luò)效果越好，黏附纏繞土壤秸稈量越少，但圓心角太大則易導(dǎo)致BC段平緩，影響肥料從鏟體內(nèi)正常流出。

圖2 包絡(luò)式施肥鏟體曲線

施肥鏟體各參數(shù)間結(jié)構(gòu)關(guān)系為

(1)

式中H——旋耕刀輥回轉(zhuǎn)中心至旋耕后梁高度，mm

L——旋耕刀輥回轉(zhuǎn)中心至旋耕后梁水平距離，mm

R——施肥鏟入土段圓弧半徑，mm

HCD——施肥鏟過(guò)渡段垂直高度，mm

θ2——施肥鏟入土段上端圓弧對(duì)應(yīng)圓心角，(°)

θ3——施肥鏟過(guò)渡段下端圓弧對(duì)應(yīng)圓心角，(°)

d1——施肥鏟過(guò)渡段下端圓弧直徑，mm

θ4——施肥鏟過(guò)渡段上端圓弧對(duì)應(yīng)圓心角，(°)

d2——施肥鏟過(guò)渡段上端圓弧直徑，mm

由式(1)可知，在參數(shù)H、L確定的條件下，入土段上端圓弧圓心角θ2增大，過(guò)渡段垂直距離HCD減小，且過(guò)渡段與水平面夾角減小，影響肥料顆粒在鏟內(nèi)的流動(dòng)性；過(guò)渡段上端圓弧直徑d2增大，其圓心角θ4隨之增大，而過(guò)渡段下端圓弧直徑d1及其圓心角θ3隨之減小，易導(dǎo)致肥料顆粒堆積在過(guò)渡段下端，不能順利流出。因此θ2、d1、d2是影響施肥鏟包絡(luò)刮削防堵效果和肥料順暢流出的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2 入土段結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.2.1圓弧半徑

根據(jù)油菜播種施肥農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)施肥鏟擬施肥深度為80～100 mm。為使施肥鏟入土圓弧段曲面能與旋耕刀相互配合，使旋耕刀片主動(dòng)刮削黏附在施肥鏟體上的土壤秸稈混合物，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防堵，確定施肥開(kāi)溝器入土段圓弧圓心與旋耕刀軸回轉(zhuǎn)中心重合，包絡(luò)半徑比旋耕刀軸回轉(zhuǎn)半徑增大Δδ?？紤]施肥鏟與旋耕刀片之間配合作用時(shí)刀片末端與工作曲面之間的間隙盡可能小，并避免發(fā)生干涉，根據(jù)GB/T 5669—2008《旋耕機(jī)械 刀和刀座》規(guī)定刀柄固定孔中心距偏差極限值為2.0 mm，并根據(jù)前期試驗(yàn)確定Δδ=5 mm，即施肥鏟入土圓弧段包絡(luò)半徑為R=r+Δδ，r為旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑。

2.2.2下圓弧圓心角

施肥鏟入土部位主要工作曲面為入土段曲面，圓心角θ1、θ2共同確定入土段曲面長(zhǎng)度，且圓心角θ1用于確定施肥深度。

施肥鏟入土段包絡(luò)旋耕彎刀運(yùn)動(dòng)軌跡，以旋耕刀軸回轉(zhuǎn)中心為圓心、以平行于水平面的回轉(zhuǎn)半徑為界，將入土段圓弧所對(duì)應(yīng)圓心角分為θ1、θ2。根據(jù)擬定施肥深度與旋耕深度的差值，確定施肥鏟A點(diǎn)與旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑最低點(diǎn)距離m，即可確定圓心角θ1的數(shù)值，根據(jù)空間力系關(guān)系得

(2)

根據(jù)油菜播種施肥農(nóng)藝要求，確定施肥深度為80～100 mm，取目標(biāo)深度為100 mm，標(biāo)準(zhǔn)旋耕刀IT245回轉(zhuǎn)半徑r=245 mm，則m=145 mm，選定Δδ=5 mm，將數(shù)值代入式(2)得θ1的取值為23.58°。

2.2.3上圓弧圓心角

入土段上端圓弧圓心角θ2的取值影響肥料在鏟體內(nèi)的流動(dòng)性及施肥鏟作業(yè)時(shí)的防堵性能。前期研究中為保證肥料流出，設(shè)計(jì)的施肥鏟入土段上端圓弧圓心角θ2較小，試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)被切削拋至旋耕機(jī)后方的土壤易黏附在鏟體上且不斷黏帶秸稈，旋耕刀片順銑自下往上刮削黏附在鏟體上的土壤秸稈混合物時(shí)，出現(xiàn)部分黏附物在過(guò)渡段CD處堆積，進(jìn)而造成機(jī)具壅土堵塞；而施肥鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)分析表明，隨著θ2增大，施肥鏟過(guò)渡段CD處直線段與水平面夾角越小，肥料顆粒不能順利流下，影響施肥均勻性。因此設(shè)計(jì)的深施肥鏟θ2應(yīng)大于旋耕拋土角，并保證肥料順利從鏟體內(nèi)流出。

旋耕刀的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，旋耕部件在工作過(guò)程中，旋耕刀端點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是整機(jī)前進(jìn)速度vm和旋耕刀角速度ω隨刀輥與拖拉機(jī)輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)[22]。土壤被旋切至斜后方運(yùn)動(dòng)受多因素影響，假定土塊在被切開(kāi)后脫離彎刀時(shí)，土塊脫離旋耕刀刃端點(diǎn)瞬間的絕對(duì)速度等于旋耕刀刃端點(diǎn)的絕對(duì)速度，土塊的運(yùn)動(dòng)與相鄰?fù)翂K運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，土壤微粒和刀片撞擊后，沿與刀片法向偏斜的反射角β′的方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)文獻(xiàn)[22]該角和切削角β的關(guān)系為

(3)

(4)

式中f——土壤與刀片的摩擦因數(shù)

ky——土壤微粒還原系數(shù)

為使土垡均勻拋撒且不影響旋耕機(jī)具作業(yè)質(zhì)量，根據(jù)文獻(xiàn)[23]，取土壤微粒還原系數(shù)ky=0.4，土壤和刀片的摩擦因數(shù)f=0.5，刀片切削角β=60°，代入式(4)可得β′=35.8°。

在不考慮土塊之間的碰撞及空氣阻力的情況下，被旋耕刀后拋的土塊可以看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，理論上它將做斜上拋運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。設(shè)旋耕刀端點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)時(shí)，土塊剛好脫離旋耕刀的約束，將此時(shí)土塊的絕對(duì)速度分別投影到x軸和y軸上。x軸為旋耕刀刃端點(diǎn)切線方向，y軸為旋耕刀刃法線方向。

圖3 土塊運(yùn)動(dòng)軌跡

刀刃的靜態(tài)滑切角η，即螺旋線上某一點(diǎn)的極徑與該點(diǎn)切線之間的夾角[24]。由空間力系關(guān)系可得

θ=β′+(90-η)-β

(5)

式中θ——土塊拋扔角，(°)

根據(jù)文獻(xiàn)[25]可得，IT245旋耕刀側(cè)切刃上任意點(diǎn)的靜態(tài)滑切角η=34.4°。代入式(5)得θ=31.4°，根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求，設(shè)定圓心角θ2最小值為32°。

由前期試驗(yàn)可知，當(dāng)圓心角θ2超過(guò)42°時(shí)，肥料顆粒易堆積在鏟體過(guò)渡段CD位置，使肥料顆粒不能順利落入肥溝內(nèi)，影響施肥均勻性；且由前期研究所得[22-23]，當(dāng)旋耕土塊拋土角超過(guò)45°時(shí)影響旋耕機(jī)構(gòu)的土壤拋撒特性，為避免土塊不能順利拋出堆積在旋耕機(jī)處，影響機(jī)具的作業(yè)性能、通過(guò)性及廂面平整度，綜合考慮取圓心角θ2最大值為46°。

2.3 過(guò)渡段圓弧直徑參數(shù)分析

在已知定位參數(shù)旋耕刀輥回轉(zhuǎn)中心至旋耕后梁高度H、水平距離L及入土段上端圓弧圓心角θ2取值范圍，以及施肥鏟安裝不發(fā)生干涉的條件下，若過(guò)渡段圓弧直徑d1、d2為定值，當(dāng)圓心角θ2適當(dāng)增大，旋耕刀片刮削黏附在鏟體上的土壤時(shí)，土壤不易堆積在鏟柄處，有利于實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防堵，但過(guò)渡段趨于平緩，影響肥料顆粒的流動(dòng)性；若圓心角θ2一定，隨過(guò)渡段圓弧直徑d1、d2的增大，過(guò)渡段直線段將不斷縮短且趨于與水平面平行，同樣影響肥料顆粒在鏟內(nèi)的流動(dòng)性。鏟體的截面為47 mm×35 mm，在考慮施肥鏟體截面尺寸條件下最小折彎半徑，選取過(guò)渡段CD圓弧直徑d1、d2的下限值分別為50 mm和80 mm。為保證肥料顆粒在進(jìn)入施肥鏟內(nèi)后不發(fā)生堆積、堵塞現(xiàn)象，順利落入肥溝完成施肥作業(yè)，由前期測(cè)定肥料顆粒(湖北宜施壯農(nóng)業(yè)科技有限公司，油菜專(zhuān)用緩釋肥)的最小靜摩擦角為18°，當(dāng)圓心角θ2取46°、過(guò)渡段CD圓弧上端直徑d2取80 mm時(shí)，過(guò)渡段CD圓弧下端直徑d1取120 mm時(shí)過(guò)渡段CD處直線段與水平面的夾角為17.84°，則過(guò)渡段圓弧上端直徑d2的取值范圍為80～120 mm，下端圓弧直徑d1取值范圍為50～130 mm。

3 施肥結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

由施肥鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析可知，過(guò)渡段CD兩處圓弧直徑d1、d2和入土段ABC上端圓弧圓心角θ2是影響施肥鏟防堵性能及肥料顆粒流動(dòng)性的重要參數(shù)，施肥鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該在滿足刮削防堵條件下保證肥料顆粒在鏟內(nèi)的運(yùn)動(dòng)流暢。以施肥鏟末端肥料顆粒垂直于水平方向的流出速度vz最大為優(yōu)化目標(biāo)，令設(shè)計(jì)變量X=(θ2，d2，d1)=(x1，x2，x3)，建立施肥鏟優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型

(6)

肥料顆粒由施肥管連接口進(jìn)入施肥鏟體，由出肥口流出，顆粒動(dòng)能受肥料間碰撞、肥料顆粒與鏟內(nèi)壁摩擦及碰撞等影響，通過(guò)理論分析難以建立目標(biāo)函數(shù)，因此采用離散元仿真分析方法模擬肥料顆粒在施肥鏟內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程，以施肥鏟體入土段上端圓弧圓心角θ2、過(guò)渡段圓弧直徑d1和d2為試驗(yàn)因素x1、x2和x3，以vz為響應(yīng)指標(biāo)，開(kāi)展二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，分析各設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)改變時(shí)對(duì)肥料顆粒流動(dòng)速度的影響，建立vz與各設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)之間的回歸方程，用于施肥鏟結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 肥料流動(dòng)過(guò)程離散元仿真模型

3.2.1仿真模型

為保證仿真分析的準(zhǔn)確性，按照1∶1的比例，采用Creo 4.0建立試驗(yàn)用包絡(luò)式施肥鏟的三維結(jié)構(gòu)模型。其中，肥料屬于類(lèi)球型顆粒，其球形度在88%以上，因此仿真模型可用球體代替肥料顆粒[26-27]，設(shè)置其密度為1 357 kg/m3，等效直徑3.7 mm，泊松比0.25，剪切模量3.48×107Pa，采用正態(tài)分布方式生成仿真顆粒6×104粒，生成速度為3×104顆/s，將參數(shù)Mean設(shè)置為1，即正態(tài)分布的肥料顆粒平均直徑為肥料顆粒模型直徑，標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為0.05 mm。顆粒生成模塊定義為Virtual(虛擬體)，可保證生成的肥料顆粒只在重力作用下沿管壁下落，仿真總時(shí)長(zhǎng)6 s。根據(jù)排肥系統(tǒng)作業(yè)原理，依據(jù)實(shí)際作業(yè)情況為外槽輪式排肥器，添加線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(Linear rotation)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為30 r/min。

由于肥料顆粒的碰撞不是瞬時(shí)的，而是多個(gè)顆粒同時(shí)碰撞，因此選擇Hertz-Mindlin(no-slip)無(wú)滑動(dòng)接觸力學(xué)模型作為肥料顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型，根據(jù)文獻(xiàn)[27]以及試驗(yàn)修正，肥料顆粒-肥料顆粒、外槽輪-肥料顆粒、鏟體內(nèi)壁-肥料顆粒接觸仿真參數(shù)如表1所示。

表1 物性及接觸參數(shù)

3.2.2仿真模型參數(shù)的驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真模型參數(shù)，設(shè)計(jì)肥料顆粒流動(dòng)的臺(tái)架和仿真對(duì)比試驗(yàn)。將前期設(shè)計(jì)的施肥鏟固定試驗(yàn)臺(tái)架上，使其出肥口離地面高度為100 mm，隨機(jī)取240粒肥料顆粒從施肥鏟頂端釋放，測(cè)量從出肥口流出的肥料顆粒落地距離，以相同條件開(kāi)展模擬仿真，試驗(yàn)各重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。臺(tái)架試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)測(cè)得的肥料顆粒落地距離的概率分布曲線基本一致；臺(tái)架試驗(yàn)肥料顆粒落地距離平均值為89.52 mm，其標(biāo)準(zhǔn)差為48.70 mm；仿真試驗(yàn)落地距離平均值為81.93 mm，其標(biāo)準(zhǔn)差為47.90 mm；二者相差7.59 mm，相對(duì)誤差為8.48%，仿真結(jié)果接近臺(tái)架試驗(yàn)，表明試驗(yàn)測(cè)定的EDEM仿真參數(shù)有效。

圖4 肥料顆粒流動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)

3.3 旋轉(zhuǎn)回歸正交仿真試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以θ2、d1、d2作為試驗(yàn)因素，以肥料顆粒垂直于網(wǎng)格箱體的瞬時(shí)速度的平均值vz作為響應(yīng)指標(biāo)。為獲取vz，在EDEM后處理Selection模塊中在出肥口處創(chuàng)建一個(gè)平行于水平面的四方體Grid Bin Group網(wǎng)格箱體并設(shè)置其高度為5 mm，提取每粒肥料顆粒通過(guò)施肥鏟末端的瞬時(shí)速度并統(tǒng)計(jì)。根據(jù)施肥鏟結(jié)構(gòu)分析，確定入土段上端圓弧圓心角θ2范圍為32°～46°、過(guò)渡段上圓弧直徑d2范圍為80～120 mm、過(guò)渡段下圓弧直徑d1范圍為50～130 mm，因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案，共實(shí)施20組響應(yīng)面分析試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取3次測(cè)試結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 11.0.4對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得肥料顆粒出肥口處垂直于水平方向速度的二次回歸模型為

(7)

對(duì)二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表3 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案與結(jié)果

表4 回歸方差分析

注：** 表示差異極顯著(P<0.01)。

3.3.3肥料流動(dòng)過(guò)程分析

肥料顆粒在施肥鏟內(nèi)流動(dòng)受顆粒間碰撞以及與鏟壁摩擦和碰撞等作用的影響。在EDEM后處理中以肥料顆粒的流動(dòng)速度為指標(biāo)，為肥料顆粒添加顏色標(biāo)識(shí)，肥料顆粒在鏟內(nèi)流動(dòng)時(shí)速度的變化狀態(tài)如圖5所示。由肥料顆粒在鏟內(nèi)流動(dòng)時(shí)顏色的變化可知，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受摩擦力和種群間作用力影響時(shí)肥料顆粒速度會(huì)有上下波動(dòng)，而肥料顆粒與鏟體內(nèi)壁發(fā)生非彈性碰撞的瞬間，肥料顆粒的動(dòng)能損失速度急劇減小，完成碰撞肥料顆粒離開(kāi)鏟壁后，肥料顆粒在重力作用下速度逐漸增大。

圖5 不同組合下肥料顆粒速度變化狀態(tài)

為進(jìn)一步分析肥料顆粒速度及動(dòng)能在鏟內(nèi)流動(dòng)時(shí)的變化情況，選取試驗(yàn)序號(hào)為1(-1，-1，-1)、8(1，1，1)、9(-1.682，0，0)的3組仿真數(shù)據(jù)，在各組隨機(jī)選取10粒落入施肥鏟并從出肥口流出的肥料顆粒，統(tǒng)計(jì)其平均速度數(shù)據(jù)，獲得肥料顆粒群體平均速度與時(shí)間關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 肥料顆粒群體平均速度與時(shí)間的關(guān)系曲線

圖7 穩(wěn)定階段肥料顆粒速度與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖6可知，時(shí)間以2 s為分界點(diǎn)，2 s前為肥料顆粒生成過(guò)程。肥料顆粒生成時(shí)受重力作用，向肥箱底部下落時(shí)速度不斷增大，隨著肥料顆粒不斷堆積平均速度減小，落入肥箱底部時(shí)速度為零；2 s時(shí)排肥器開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，肥料顆粒下落并進(jìn)入導(dǎo)肥管，約3 s時(shí)再運(yùn)動(dòng)至施肥鏟。在施肥鏟內(nèi)受重力、摩擦力、顆粒間碰撞、顆粒與管壁碰撞等因素影響速度發(fā)生變化；不同參數(shù)的施肥鏟中肥料顆粒運(yùn)動(dòng)速度變化不同，取肥料顆粒進(jìn)入施肥鏟后的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析，如圖7所示。圖中①、②、③、④分別表示肥料顆粒與過(guò)渡段上端圓弧、過(guò)渡段下端圓弧、施肥鏟入土段及出肥口處導(dǎo)流板發(fā)生碰撞、流向變化的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

約在3.0 s時(shí)，肥料顆粒運(yùn)動(dòng)至鏟柄段。約在3.1 s時(shí)，肥料顆粒落入過(guò)渡段上端圓弧處，與鏟體內(nèi)壁隨機(jī)碰撞后變向(點(diǎn)①)，沿過(guò)渡段流動(dòng)。施肥鏟入土段上端圓弧圓心角θ2越大，過(guò)渡段與水平方向夾角約小，顆粒在此處的動(dòng)能損失越大，流動(dòng)速度越小，且肥料顆粒在過(guò)渡段運(yùn)動(dòng)加速度減小，導(dǎo)致肥料顆粒流出施肥鏟的時(shí)間增加；圖中試驗(yàn)8的施肥鏟入土段上端圓弧圓心角θ2取上水平值，因此其運(yùn)動(dòng)速度低于試驗(yàn)1和試驗(yàn)9，且肥料顆粒在施肥鏟內(nèi)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)于試驗(yàn)1和試驗(yàn)9。

約在3.2 s后，試驗(yàn)8中肥料顆粒速度下降至最低(點(diǎn)②)，而試驗(yàn)1和9中肥料顆粒約在3.3 s時(shí)速度下降至最低，其原因是試驗(yàn)8施肥鏟的過(guò)渡段下端圓弧直徑較大，肥料顆粒較早進(jìn)入該鏟體過(guò)渡段下端圓弧，與鏟內(nèi)壁發(fā)生碰撞，速度下降；而試驗(yàn)1和試驗(yàn)9的圓弧直徑較小，肥料顆粒仍然在過(guò)渡段傾斜向下運(yùn)動(dòng)，速度持續(xù)增加。肥料顆粒在下圓弧過(guò)渡段碰撞減速后變向(點(diǎn)③)，由下圓弧段流出，速度在重力作用下增大；進(jìn)入施肥鏟入土圓弧段后，在重力及鏟內(nèi)壁碰撞的影響下，速度出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)，整體呈減速趨勢(shì)，流向出肥口；與出肥口處導(dǎo)流板碰撞反彈下落(點(diǎn)④)，至彈出仿真邊界后速度為零。

3.4 試驗(yàn)因素影響效應(yīng)分析

根據(jù)式(7)得到各因素交互作用對(duì)肥料顆粒速度的響應(yīng)曲面圖[28]，如圖8所示。

圖8 交互因素對(duì)肥料顆粒速度的響應(yīng)曲面

由圖8a、8b可知，θ2的變化相較于d1和d2對(duì)出肥口處肥料顆粒速度的影響較大。d1和d2一定時(shí)隨θ2的增大，vz呈先增后減趨勢(shì)，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是當(dāng)定位參數(shù)H與L確定時(shí)，θ2越大，施肥鏟體過(guò)渡段整體越為平緩，過(guò)渡段中間直線斜率越小，肥料顆粒由鏟柄進(jìn)入過(guò)渡段時(shí)易堆積于該位置，影響肥料顆粒在鏟內(nèi)流動(dòng)性。

由圖8c可知，當(dāng)θ2處于零水平(39°)，d1、d2分別位于66～84 mm和88～100 mm范圍內(nèi)時(shí)肥料顆粒的流動(dòng)速度較快，且兩項(xiàng)交互作用對(duì)肥料顆粒速度的影響不顯著，與方差分析結(jié)果相同。

肥料顆粒流動(dòng)速度反映施肥鏟工作性能，為保證施肥裝置工作時(shí)顆粒肥料能順利流出，在試驗(yàn)范圍內(nèi)要求流動(dòng)速度盡可能大，應(yīng)用Design-Expert 11.0.4軟件中Optimization-Graphical模塊對(duì)回歸方程模型進(jìn)行該目標(biāo)下優(yōu)化求解，得到施肥鏟體各影響因素最優(yōu)組合參數(shù)范圍如圖9所示，響應(yīng)指標(biāo)速度最大時(shí)最優(yōu)解為：X1=36.155 2、X2=93.083 6、X3=66.218 8。選取優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)：θ2=36°、d2=93 mm、d1=66 mm。

圖9 優(yōu)化參數(shù)分析圖

4 田間試驗(yàn)

4.1 土壤黏附量

為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，分別于2019年9月23日、10月12日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地和湖北省監(jiān)利縣華中農(nóng)業(yè)大學(xué)稻油輪作全程機(jī)械化生產(chǎn)示范基地開(kāi)展田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地表為全喂入聯(lián)合收獲機(jī)收獲后稻茬田，土壤類(lèi)型為黃棕壤，試驗(yàn)前未對(duì)地表殘茬進(jìn)行清理，田塊特性參數(shù)見(jiàn)表5。配套動(dòng)力為東方紅954型拖拉機(jī)，機(jī)組以慢Ⅱ擋作業(yè)，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定拖拉機(jī)液壓手柄位置與機(jī)具旋耕深度的關(guān)系，調(diào)節(jié)油門(mén)使發(fā)動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速工作，保證作業(yè)速度一致。試驗(yàn)機(jī)組沿直線方向每廂作業(yè)距離為50 m，當(dāng)機(jī)組每工作到預(yù)定長(zhǎng)度后將黏附在各個(gè)鏟體的土壤秸稈混合物刮下裝入自封袋中稱(chēng)量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取其平均值，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)鏟標(biāo)號(hào)和黏附量測(cè)量結(jié)果如圖10所示，作業(yè)后的地表狀態(tài)及鏟體黏附形態(tài)如圖11所示。

表5 田塊特性參數(shù)

圖10 兩種工況下鏟體土壤黏附量

圖11 兩種工況作業(yè)后地表及鏟體黏附形態(tài)

由測(cè)定的黏附量和施肥鏟黏附形態(tài)可知，鏟體出現(xiàn)了適度黏附，特別是土壤含水率較高、秸稈量較大情況下，黏附量會(huì)增大。從地表形態(tài)看，未出現(xiàn)壅土、拖溝等情況，表明機(jī)具的通過(guò)性良好。當(dāng)機(jī)具工作長(zhǎng)度為150～250 m時(shí)鏟體土壤黏附出現(xiàn)最大值，隨工作長(zhǎng)度的增加，黏附量下降，單個(gè)鏟體黏附量保持在1.5 kg以下，并存在隨機(jī)的波動(dòng)；表明施肥鏟包絡(luò)旋耕刀，但留有間隙，土壤秸稈混合物會(huì)黏附在鏟體上，累積到一定量后，依據(jù)工作原理旋耕刀會(huì)主動(dòng)刮走黏附在鏟體上的土壤秸稈混合物，保證機(jī)具正常作業(yè)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黏附主要集中在鏟尖部位，鏟體與土壤、秸稈發(fā)生摩擦、擠壓，在鏟尖形成一層不易脫落的土壤秸稈混合黏附層，包裹住鏟尖一部分，在機(jī)具作業(yè)過(guò)程中，黏附層代替鏟尖與土壤耕層進(jìn)行開(kāi)溝作業(yè)，可避免鏟尖磨損。

4.2 施肥深度合格率及斷條率

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，在同一廂面內(nèi)選取5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)長(zhǎng)度為5 m，人工扒開(kāi)土層測(cè)量施肥深度及斷條長(zhǎng)度，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，對(duì)肥料條帶的位置深度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，結(jié)果為：目標(biāo)施肥深度100 mm，施肥深度平均值91.10 mm，施肥深度誤差8.90 mm，施肥深度標(biāo)準(zhǔn)差5.60 mm，施肥深度合格率93.33%，施肥深度變異系數(shù)6.16%，施肥斷條率1.08%。肥料顆粒實(shí)際施用深度平均為91.10 mm，肥帶寬度平均為43.50 mm，滿足油菜深施肥農(nóng)藝要求；施肥深度合格率93.33%，施肥斷條率為1.08%，滿足NY/T 1003—2006《施肥機(jī)械質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》作業(yè)性能指標(biāo)，有效實(shí)現(xiàn)了深施肥功能，試驗(yàn)效果如圖12所示。

圖12 施肥鏟施肥效果

4.3 廂面平整度

利用地表微地貌測(cè)量裝置[29]，在拖拉機(jī)1.8、2.3 km/h速度作業(yè)后的地表分別選取3個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量該處廂面平整度，測(cè)量裝置及作業(yè)效果如圖13a所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如表6所示。

圖13 田間試驗(yàn)效果及廂面分析

表6 廂面平整度試驗(yàn)結(jié)果

激光雷達(dá)移動(dòng)過(guò)程中掃描的數(shù)據(jù)點(diǎn)為在極坐標(biāo)系內(nèi)掃描儀中心與地表的垂直距離，取水平地表為基準(zhǔn)參考平面，進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換及基準(zhǔn)變換，得到轉(zhuǎn)換后直角坐標(biāo)系內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)

(8)

式中xj——直角坐標(biāo)系中各掃描點(diǎn)X軸坐標(biāo)值，mm

yj——直角坐標(biāo)系中各掃描點(diǎn)Y軸坐標(biāo)值，mm

lb——激光雷達(dá)掃描中心與地表水平面基準(zhǔn)線的垂直距離，mm

Mj——極坐標(biāo)中各掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，mm

φj——極坐標(biāo)中各掃描點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣角度，范圍為45°～135°

對(duì)獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效區(qū)域提取和誤差補(bǔ)償處理后，利用Matlab生成地表三維模型，如圖13b所示，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際地表高度變化吻合。選取廂面有效區(qū)域數(shù)據(jù)并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差即為廂面平整度。選取拖拉機(jī)速度1.8、2.3 km/h下測(cè)量的3組數(shù)據(jù)平均值，得到機(jī)具作業(yè)后廂面平整度為17.96～21.37 mm，施肥開(kāi)溝器對(duì)廂面造成的擾動(dòng)較小，廂面質(zhì)量達(dá)到油菜播種要求[30]。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于稻油輪作區(qū)油菜直播的主動(dòng)防堵深施肥裝置，施肥裝置與油菜精量聯(lián)合直播機(jī)配套使用，通過(guò)施肥鏟體結(jié)構(gòu)包絡(luò)旋耕刀片末端運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)旋耕刀片主動(dòng)刮削黏附在鏟體的土壤秸稈混合物，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防堵功能。

(2)通過(guò)分析包絡(luò)式施肥鏟結(jié)構(gòu)曲線和工作要求，確定了施肥鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：在滿足刮削防堵條件下保證肥料顆粒在鏟內(nèi)的運(yùn)動(dòng)流暢，建立了包絡(luò)式施肥開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，確定了包絡(luò)式施肥鏟優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)及取值范圍為：入土圓弧段圓心角θ2為32°～46°、過(guò)渡段上端圓弧直徑d2為80～120 mm、過(guò)渡段下端圓弧直徑d1為50～130 mm。

(3)通過(guò)離散元仿真，分析了施肥鏟結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響；結(jié)合二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，分析確定影響施施肥鏟內(nèi)肥料流動(dòng)性能的因素由大到小依次為過(guò)渡段下端圓弧直徑d1、過(guò)渡段上端圓弧直徑d2、入土段上端圓弧段圓心角θ2。建立了肥料顆粒流動(dòng)速度與施肥開(kāi)溝器過(guò)渡段圓弧直徑d1、d2及入土段上端圓弧圓心角θ2的二次多項(xiàng)式回歸模型，計(jì)算得到施肥開(kāi)溝器最佳設(shè)計(jì)參數(shù)為：θ2=36°、d2=93 mm、d1=66 mm。

(4)田間試驗(yàn)表明，安裝深施肥裝置的聯(lián)合直播機(jī)具有良好的田間通過(guò)性能，不同作業(yè)條件下機(jī)具工作性能滿足施肥播種機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)具作業(yè)后單個(gè)施肥鏟體上土壤秸稈混合物黏附量保持在1.5 kg以下，施肥深度平均值91.10 mm，施肥深度合格率為93.33%，施肥斷條率為1.08%，廂面平整度為17.96～21.37 mm，有效實(shí)現(xiàn)油菜深施肥并整備了良好的種床。